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科学大家:量子力学的创始人普朗克

2011-11-18  小袤

科学大家:量子力学的创始人普朗克

 

马克斯·卡尔·恩斯特·路德维希·普朗克Max Karl Ernst Ludwig Planck18584231947104),德国物理学家,量子力学的创始人,二十世纪最重要的物理学家之一,因发现能量量子而对物理学的进展做出了重要贡献,並在1918年獲得诺贝尔物理学奖

普朗克十分具有音乐天赋,他会钢琴管风琴大提琴,还上过演唱课,曾在慕尼黑学生学者歌唱协会为多首歌曲和一部轻歌剧1876年)作曲。但是普朗克并没有选择音乐作为他的大学专业,而是决定学习物理

普朗克在1874年在慕尼黑开始了他的物理学学业。起初他研究氢气在加热后的铂中的扩散,但很快就把研究转向了理论物理学

1877年至1878年,普朗克转学到柏林,他主要从鲁道夫·克劳修斯[1]的讲义中自学,并受到这位热力学奠基人的重要影响,热学理论變成为了普朗克的工作领域。

187810月,普朗克在慕尼黑完成了教师资格考试,18792月递交了他的博士论文《关于热力学第二定律》,而他暫時回到之前在慕尼黑所待的學校,並在那教数学及物理18806月以论文《各向同性物质在不同温度下的平衡态》获得大学任教资格。

18854月,基尔大学聘请普朗克担任理论物理学教授,普朗克继续对及其应用的研究,主要解决物理化学方面的问题,为阿伦尼乌斯电解质电离理论提供了热力学解释,但却是矛盾的。在基尔这段时间,普朗克已经开始了对原子假说的深入研究。

1897年,哥廷根大学哲学系授奖给普朗克的专著《能量守恒原理》(1897年)。18894月,普朗克前往柏林,接手基尔霍夫的工作,1892年接手教职。1894年,普朗克被选为普鲁士科学院的院士。1907年维也纳曾邀请普朗克前去接替路德维希·玻尔兹曼的教职,但他没有接受,而是留在了柏林,受到了柏林大学学生会的火炬游行队伍的感谢。普朗克于1926101退休,他的继任者是薛定谔[2]

在普朗克前往柏林工作后,全家住在柏林的一栋别墅中,与不计其数的柏林大学教授们为邻,普朗克的庄园发展成为了一个社交和音乐中心,许多知名的科学家如阿尔伯特·爱因斯坦奥托·哈恩莉泽·迈特纳等都是普朗克家的常客,而这种在家中演奏音乐的传统来自于亥姆霍兹家。

    在柏林期间,普朗克为柏林物理学会做出了贡献,在普朗克的倡议下,柏林物理学会在1898年改为了德国物理学会

普朗克在柏林洪堡大学教授理论物理学课程,整个课程长达6个学期。莉泽·迈特纳认为他讲课“冷静理智,有些一本正经”;一位英国人曾表述普朗克讲课“不用讲稿,从不犯错误,从不手软,是我所听过的最好的讲师。”听普朗克授课的人从1890年的18人增加到了1909年的143人。

普朗克仅有过约20名博士生,其中马克斯·冯·劳厄1914诺贝尔物理学奖获得者)、瓦尔特·博特1954诺贝尔物理学奖获得者)。

大约是在1894年,普朗克开始把心力全部放在研究黑体辐射的问题上,他曾托过电力公司製造能消耗最少能量,但能產生最多光能的泡,这一问题也曾在1859年被基尔霍夫所提出:黑体在热力学平衡下的电磁辐射功率与辐射频率和黑体温度的关系。帝国物理技术学院对这个问题进行了实验研究,但是经典物理学瑞利-金斯定律无法解释高频率下的测量结果,但定律造了日灾难威廉·维恩给出了维恩位移定律,可以正确反映高频率下的结果,但却又无法符合低频率下的结果。這些定律之所以能发起有一小部分是普朗克他的貢獻,但大多數的教科书却都沒有提到他。

普朗克在1899年就率先提出解決此問題的方法,叫做“原的基本障礙”,並把瑞利-金斯定律维恩位移定律这两条定律使用一种列式进行内插,由此发现了普朗克辐射定律,可以很好地描述测量结果,不久,人们发现他的這項新理是沒有实验证据的,這也普朗克在当时感到無奈。可是他並沒有因此而氣餒,反而修正了自己的方式,最成功的推衍出著名的第一版普朗克黑体辐射定律,此定律是在描述由实验观察來的黑体辐射光譜呈現良好的状态,这一定律于19001019德国物理学会上首次提出。也因普朗克黑体辐射定律是第一不包括能源量化以及統計力學的推論,故在表的当时,也引起了許多人的反感

不久后的19001214,普朗克得出了辐射定律的理论推论,其中他使用了此前曾被他所否定的奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼统计力学热力学第二定律的每个纯统计学观点都让普朗克感到厌恶。普朗克提出了能量量子化的假說:

E =

其中E能量,ν是頻率,並引入了一个重要的物理常數h——普朗克常数,能量只能以不可分的能量元素(即量子)的形式向外辐射。这样的假调和了经典物理学理论研究热辐射规律时遇到的矛盾。基于这样的假设,他給出了黑体辐射普朗克公式,圆满地解释了实验现象。这个成就揭开量子量子力學的序幕,因此1214了量子日,以作紀念。普朗克也此获得1918诺贝尔物理学奖。尽管在后来的时间里,普朗克一直试图将自己的理论纳入经典物理学的框架之下,但他仍被视为近代物理学的开拓者之一。

不过在当时,这一假说与玻尔兹曼的理论相比,可谓无足轻重。普朗克说“一个纯公式的假说,我其实并没有为此思考很多。”

如今这个与经典物理学相悖的假说被作为是量子物理学诞生的标志和普朗克最大的科学成就。但是需要提及的是,玻尔兹曼大约于1877年已经将一个物理学系统的能量级可以是不连续的作为其理论研究的前提条件。

其他物理学家如瑞利1877年—1946年)和亨德里克·洛伦兹在几年后仍将普朗克常数设为零,以便其不与经典物理学相悖,但是普朗克十分清楚普朗克常数是一个不等于零的确切的数值。

1905年,当时尚完全不为人所知的爱因斯坦在科学杂志《物理学大事记》中发表了三篇开创性的论文,普朗克是少数很快发现爱因斯坦狭义相对论重要性的人之一,由于普朗克的影响力,相对论很快在德国内得到认可,普朗克自己也对狭义相对论的完成做出了重要的贡献。

除了相对论,爱因斯坦还对1887年由赫兹威廉·哈尔瓦克斯1859年—1922年)发现,1902年由菲利普·莱纳德进一步研究的光电效应提出了光量子假说,但是这一假说却遭到了普朗克的反对,他并不准备放弃麦克斯韦电动力学,“光量子理论不是后退了几十年,而是后退了几百年,那时克里斯蒂安·惠更斯提出反对牛顿业已占据优势的辐射理论。”

1910年,爱因斯坦指出低温下比热的不正常表现,是又一个无法用经典理论解释的现象,为了对这些有悖经典理论的现象寻求合理的解释,普朗克和能斯特1911年在布鲁塞尔组织了第一次索尔维会议,在这次会议上,爱因斯坦终于说服了普朗克。

其间,普朗克成为柏林大学的校长,他将爱因斯坦请到了柏林,并在1914年为爱因斯坦设立了一个新的教授职位,他们很快便结下了很好的友谊。



[1] 鲁道夫·尤利乌斯·埃马努埃尔·克劳修斯1822121888824),德国物理学家数学家热力学的主要奠基人之一。他重新陈述了萨迪·卡诺的定律(又被称为卡诺循环),把热理论推至一个更真实更健全的基础。他最重要的论文于1850发表,该论文是关于热的力学理论的,其中首次明确指出热力学第二定律的基本概念。他还于1855引进了的概念。

 

[2] 埃尔温·鲁道夫·约瑟夫·亚历山大·薛定谔1887812196114),奥地利理论物理学家,量子力学的奠基人之一。1933英国物理学家狄拉克共同获得了诺贝尔物理学奖,被称为量子物理学之父。

 

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