  1875年,，在德國(guó)基爾有一位名叫馬克思·普朗克的年輕人陷入了迷茫，此時(shí)他只有18歲,，就像很多現(xiàn)在高考結(jié)束即將進(jìn)入大學(xué)的朋友來說,，他在迷茫自己未來究竟要走哪條路，是要從事數(shù)學(xué)研究呢還是物理學(xué)的研究,。  慕尼黑大學(xué)的導(dǎo)師由衷地勸告他,，讓他去研究數(shù)學(xué)，不要在物理學(xué)上浪費(fèi)青春了,。咦,？這是為什么呢？難道說物理學(xué)不配嗎,？ 因?yàn)楫?dāng)時(shí)的人們認(rèn)為,，物理學(xué)已經(jīng)走到了盡頭。自赫茲證實(shí)了麥克斯韋的電磁波后，物理學(xué)迎來了它的光輝時(shí)刻,。因?yàn)樗呀?jīng)征服了整個(gè)世界,，古老的牛頓力學(xué)始終屹立不倒，從宇宙間的日月星辰,，到地球上的一粒塵埃,，都遵循著牛頓的萬有引力定律。1846年海王星的發(fā)現(xiàn),，更是將牛頓的萬有引力推上了一個(gè)新的高峰,。是的，海王星就是根據(jù)牛頓的那套理論,，先計(jì)算出來,，而后再發(fā)現(xiàn)的。 在熱力學(xué)方面,，熱力學(xué)三大定律已經(jīng)基本成型,，在克勞修斯、范德瓦爾斯,、麥克斯韋,、玻爾茲曼等人的努力下，分子運(yùn)動(dòng)論和統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)也被成功建立起來,。 最讓人驚奇的是,，這一切都彼此相符，互相包容,，形成了一個(gè)經(jīng)典物理的大同盟,，將萬事萬物都囊括其中。經(jīng)典力學(xué),、經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)和經(jīng)典熱力學(xué)形成了物理學(xué)界的三大支柱,。 物理學(xué)的未來,，無非就是小修小補(bǔ),，在小數(shù)點(diǎn)后面做文章。所以,，普朗克的導(dǎo)師才勸他從事數(shù)學(xué)研究,。20世紀(jì)伊始，有太多理由足以讓人們相信,，物理學(xué)的偉大征程即將完結(jié),。 然而，年輕氣盛的普朗克不聽勸,，依然選擇了物理學(xué),，而物理學(xué)也并沒有辜負(fù)普朗克的這份信任。 1900年，新的二十世紀(jì)來臨了,，4月27日,，在倫敦，在阿爾伯馬爾街皇家研究所,，歐洲有名的科學(xué)家都來到了這里,，聆聽那位德高望重，比較頑固的老頭開爾文男爵的發(fā)言,。  開爾文的這篇演講名為《在熱和光動(dòng)力理論上空的19世紀(jì)烏云》,，他這么說道：“動(dòng)力學(xué)理論斷言，熱和光都是運(yùn)動(dòng)的方式,。但現(xiàn)在這一理論的優(yōu)美性和明晰性卻被良多烏云遮蔽,，顯得黯然失色?！?/strong> 這個(gè)“烏云”的比喻是如此地貼切,，以至于后來的每一個(gè)接觸量子力學(xué)的人都耳熟能詳，這兩朵小烏云,，就是邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)和黑體輻射,。前者引爆了相對(duì)論革命，后者引爆了量子力學(xué)革命,。 這里主要來講黑體輻射,。 我們都知道，任何不透明的物體都有顏色,，一個(gè)物體之所以看上去是白色的,，是因?yàn)樗瓷淞怂蓄l率的光波，反之,，一個(gè)物體若是看上去是黑色,，則它吸收了所有頻率的光波。光波早在牛頓時(shí)代就已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)是由不同頻率組成的一個(gè)東西,，當(dāng)時(shí)人們不知道電磁波的存在,，但都知道，光波可以被分解成七種不同顏色的光,。  早在之前,，人們就注意到了對(duì)于不同的物體，熱和輻射頻率似乎有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,。比如金屬,，如果我們將一塊鐵放在火上烤，那么到了一定溫度,，鐵塊就會(huì)變色,，隨著溫度的升高,，鐵塊的顏色也會(huì)相應(yīng)變化，溫度低的時(shí)候,，會(huì)變成暗紅,，接著變成橙黃，到了溫度極高的時(shí)候,，鐵塊又會(huì)變成藍(lán)白色,。  問題來了，物體的輻射能量和溫度究竟有著怎樣的函數(shù)關(guān)系呢,？ 其中有一個(gè)人叫威廉·維恩,，他于1864年出生于東普魯士，是當(dāng)?shù)匾粋€(gè)農(nóng)場(chǎng)主的兒子,，他從經(jīng)典熱力學(xué)的思想出發(fā),，假設(shè)黑體輻射是由一些服從麥克斯韋速率分布的分子發(fā)射出來的，通過計(jì)算,，他于1894年提出了他的輻射能量分布定律公式,。  然而，維恩的公式使得經(jīng)典物理學(xué)家們十分不舒服,，因?yàn)檩椛涫请姶挪?，而大家已?jīng)知道電磁波是一種波（麥克斯韋預(yù)言了電磁波，赫茲證實(shí)了它）,，用經(jīng)典粒子的方法去分析,，總感覺怪怪的。最重要的是,，人們發(fā)現(xiàn),，當(dāng)把黑體加熱到1000多k的高溫時(shí)，測(cè)到的短波長(zhǎng)范圍內(nèi)的曲線與維恩公式非常吻合,，但在長(zhǎng)波方面,，實(shí)驗(yàn)和理論出現(xiàn)了極大的偏差。 后來,，兩位物理學(xué)家瑞利和金斯也得出了一個(gè)公式,，這個(gè)公式也被稱為瑞利-金斯公式。讓人哭笑不得的是,，這個(gè)公式有點(diǎn)拆東墻補(bǔ)西墻的味道,，它在長(zhǎng)波方面雖然符合了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但在短波方面又變得十分不準(zhǔn)確,。根據(jù)這個(gè)公式，人們推出了一個(gè)結(jié)論,，黑體在它的短波,，也就是高頻段就將放射出無窮大的能量,。  這怎么可能呢？當(dāng)時(shí)的一位奧地利物理學(xué)家艾倫費(fèi)斯特將這種現(xiàn)象稱為“紫外災(zāi)變”,。紫色的光是波長(zhǎng)最短,，頻率最高的太陽光，紫外光就是頻率比紫光還要高的電磁波,，紫外災(zāi)變就是這么來的,。  如今，物理學(xué)家們面臨一個(gè)非常尷尬的局面,，在長(zhǎng)波范圍內(nèi),，維恩公式起作用，瑞利-金斯公式?jīng)]用,，而在短波范圍內(nèi),，瑞利-金斯公式起作用，而維恩公式?jīng)]用,，更讓人感到荒唐的是,，一旦瑞利-金斯公式起作用，將會(huì)發(fā)生一個(gè)黑體釋放出無窮大的能量的情況,，甚至可以炸了整個(gè)宇宙,。 要想保住整個(gè)宇宙不至于這樣被炸得粉身碎骨，必須要有新的理論來解釋這一切,！ 量子力學(xué)的號(hào)角,，由普朗克吹響。  ▲ 普朗克 在柏林大學(xué)那座堆滿了草稿的辦公室里,，普朗克為了那兩個(gè)無法調(diào)和的公式而苦思冥想,，終于有一天，他決定不再去做那些根本上的假設(shè)和推導(dǎo),，無論如何,，先湊出一個(gè)可以滿足所有波段的普適公式來，其他的問題,，以后再看吧,。 于是，利用數(shù)學(xué)上的計(jì)算,，普朗克從兩個(gè)公式出發(fā),，推出了著名的普朗克黑體公式。  10月19日,，普朗克在柏林德國(guó)物理學(xué)會(huì)上將這個(gè)公式公之于眾,，當(dāng)天晚上，就有人告訴他,，這個(gè)公式非常完美,，理論與實(shí)驗(yàn)可以完全契合,。 可是，這個(gè)公式是他拼湊出來的啊,，這背后的物理學(xué)意義,，究竟是什么樣的呢？就連普朗克自己也不知道,。多年以后,，普朗克在給朋友的信中說道：“當(dāng)時(shí)，我已經(jīng)為輻射和物質(zhì)的問題奮斗了6年,，但一無所獲,。但我知道，這個(gè)問題對(duì)于整個(gè)物理學(xué)至關(guān)重要,，我也已經(jīng)找到了確定能量分布的那個(gè)公式,。所以，不論付出什么代價(jià),，我必須找到它在理論上的解釋,。而我非常清楚，經(jīng)典物理學(xué)是無法解決這個(gè)問題的,?！?/span> “經(jīng)過一生中最緊張的幾個(gè)星期的工作，我終于看見了黎明的曙光,，一個(gè)完全意想不到的景象在我面前呈現(xiàn)出來,。” 不久之后,，普朗克似乎就像是被上帝摸了一下頭,，他突然想到，如果要想使公式成立,，就必須假定,，能量在發(fā)射和吸收的時(shí)候，不是連續(xù)不斷,，而是分成一份一份的,！ 舉個(gè)例子，比如一個(gè)化學(xué)反應(yīng),，總共產(chǎn)生了10焦耳的能量,，之前的人們都認(rèn)為，在0-10之間的能量數(shù)值,，在該化學(xué)反應(yīng)中都曾達(dá)到過,，這也就是說，能量的釋放是連續(xù)的,，它總在某個(gè)時(shí)刻到達(dá)范圍內(nèi)的任何可能的值,，只不過其中的速度太快,，我們?nèi)祟愒诩夹g(shù)上無法達(dá)到要測(cè)定的值和時(shí)間,。 但是,，普朗克卻指出，能量在發(fā)射的時(shí)候,，必須分成有限的一份一份,，必須得有一個(gè)最小單位。就比如發(fā)微信紅包的時(shí)候,，我有10塊錢,，理論上我可以發(fā)一個(gè)10以內(nèi)，任一數(shù)字的紅包,，比如3.1415926塊錢,，或者我比較摳門，就發(fā)0.000000001塊錢,，但是實(shí)際上,，我就算再怎么摳門，我也只能發(fā)0.01塊錢,，也就是一分錢,，這就是微信紅包的最小單位。 那么,，那個(gè)普朗克所謂的最小單位是多少呢,？普朗克從公式中推算出來，是6.626乘以十的負(fù)三十四次方焦耳每秒,，這也成為了整個(gè)宇宙最為重要的三個(gè)基本物理常數(shù)之一,，另兩個(gè)是引力常數(shù)和光速。 1900年12月14日,，普朗克在德國(guó)物理學(xué)會(huì)上發(fā)表了他的大膽假說,，他宣讀了那篇名留青史的《黑體光譜中的能量分布》的論文，這一天,，也被后人定義為量子力學(xué)的誕辰,，一場(chǎng)前所未有的革命即將開始，就像是20世紀(jì)發(fā)生的無數(shù)場(chǎng)轟轟烈烈的革命一樣,，在物理學(xué)界,，也爆發(fā)了一場(chǎng)革命，不,，是兩場(chǎng),，量子力學(xué)革命和相對(duì)論革命。 物理學(xué),，并沒有終止,，它僅僅只是一個(gè)新的開始,。 在推導(dǎo)輻射定律時(shí)，普朗克不經(jīng)意間引入了能量本身是“量子化”的這個(gè)觀點(diǎn),，盡管當(dāng)時(shí)人們對(duì)什么是“量子化”也不清楚,，但無疑，這一項(xiàng)創(chuàng)舉推動(dòng)了新物理學(xué)的發(fā)展,。普朗克因此也獲得了1918年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),。不過有意思的是，當(dāng)量子力學(xué)向前發(fā)展的時(shí)候,，普朗克隱約覺得這會(huì)摧毀古典的物理學(xué)大廈,，因此反過來和愛因斯坦一起拒絕承認(rèn)量子力學(xué)的發(fā)展，這事挺有意思,。（普朗克不接受量子力學(xué)中的不連續(xù)性,，愛因斯坦不接受量子力學(xué)中的不確定性） 盡管普朗克在學(xué)術(shù)上有著巨大的貢獻(xiàn)，但他個(gè)人的生活卻總是備受打擊,。1909年,，他的第一任妻子因?yàn)榻Y(jié)核病而去世，兩人的大兒子于一戰(zhàn)中死于凡爾登戰(zhàn)役,，二兒子在一戰(zhàn)中被法軍俘虜,，后來因刺殺希特勒失敗而被殺害，生下來的兩個(gè)女兒也都先普朗克而去,。 在二戰(zhàn)中,，普朗克沒有選擇離開，而是待在了德國(guó),，甚至與納粹有過合作,。有人說是這位年老的科學(xué)家老年沒有了骨氣，甚至還說他在一戰(zhàn)中是戰(zhàn)爭(zhēng)的支持者,。對(duì)于這些,，說不清，沒法說,，不想說,。（普朗克的確在一戰(zhàn)前，在德國(guó)對(duì)外宣戰(zhàn)的請(qǐng)?jiān)笗虾炦^字） 二戰(zhàn)中,，在躲避盟軍轟炸的時(shí)候,，普朗克遭了不少罪，他在呂瓦爾德的房子被炸,，書籍,、手稿、記了幾十年的日記，全部被毀,。盡管如此,，普朗克還堅(jiān)持到處講學(xué)，路上遇到轟炸也是家常便飯,，甚至差點(diǎn)被埋在避彈壕里,。好多次，他慌忙跑到草堆里過夜,，忍受著饑寒交迫,。80多歲的老人,，患有脊椎粘連,，時(shí)常痛苦得哇哇大叫。 這位“量子力學(xué)之父”,，落了個(gè)極其孤獨(dú)又凄慘的晚年,。 1947年10月4日，普朗克去世,，享年89歲,。在其墓碑的最下部分，刻有一排普朗克常數(shù)h的數(shù)字作為墓志銘,。只不過這么多年過去了,，經(jīng)歷過風(fēng)吹雨打，字跡已經(jīng)變得模糊不清,。 最后給大家一個(gè)建議,，學(xué)物理之前請(qǐng)謹(jǐn)慎一點(diǎn)，物理是一個(gè)能將小鮮肉變成“勞改犯”的殘酷學(xué)科： 下期：康普頓 |
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