量子物理学的开创者和奠基人——普朗克

 

 

普朗克

普朗克（Max Planck，1858—1947），德国物理学家。量子物理学的开创者和奠基人，1918年诺贝尔物理学奖金的获得者。他那离经叛道的革命思想打破了物理学自牛顿以来的沉寂，迎来了新世纪物理学的蓬勃发展。

1858年4月23日，普朗克生于德国基尔的一个书香门第之家。曾祖父和祖父曾在哥廷根大学任神学教授，伯父和父亲分别是哥廷根大学和基尔大学的法学教授。1867年，其父应慕尼黑大学的聘请任教，从而举家迁往慕尼黑。普朗克在慕尼黑度过了少年时期。普朗克走上研究自然科学的道路，在很大程度上应该归功于一个名叫缪勒的中学老师。普朗克童年时期爱好音乐，又爱好文学。后来他听了缪勒讲的一个动人故事：一个建筑工匠花了很大的力气把砖搬到屋顶上，工匠做的功并没有消失，而是变成能量贮存下来了；一旦砖块因为风化松动掉下来，砸在别人头上或者东西上面，能量又会被释放出来……这个能量守恒定律的故事给普朗克留下了终生难忘的印象，不但使他的爱好转向自然科学，而且成为他以后研究工作的基础之一。　　

普朗克先后在慕尼黑大学和柏林大学学习，曾经在基尔霍夫等人的指导下学习和研究热力学，并于1879年获得博士学位。1877—1878年间，去柏林大学听过数学家外尔斯特拉斯和物理学家亥姆霍兹和基尔霍夫的讲课。普朗克晚年回忆这段经历时说，这两位物理学家的人品和治学态度对他有深刻影响，但他们的讲课却不能吸引他。在柏林期间，普朗克认真自学了R.克劳修斯的主要著作《力学的热理论》，使他立志去寻找像热力学定律那样具有普遍性的规律。1879年，他以《论热力学第二定律》的论文获博士学位。1880年，普朗克成为慕尼黑大学物理学讲师，5年后被基尔大学聘为理论物理学特约教授。1889年，在基尔霍夫逝世后，柏林大学任命他为基尔霍夫的继任人（先任副教授，1892年后任教授）和理论物理学研究所主任，并一直在此工作到1926年退休。1900年，他在黑体辐射研究中引入能量量子。由于这一发现对物理学的发展作出的贡献，他获得1918年诺贝尔物理学奖。1894年，普朗克被选为普鲁士科学院院士；1926年，他被英国皇家学会吸收为会员。他同时还兼任柏林威廉皇家研究所所长。自20世纪20年代以来，普朗克成了德国科学界的中心人物，与当时德国以及国外的知名物理学家都有着密切联系。1918年被选为英国皇家学会会员，1930—1937年他担任威廉皇帝协会会长。在那时期，柏林、哥廷根、慕尼黑、莱比锡等大学成为世界科学的中心，是同普朗克、W.能斯脱、A.索末菲等人的努力分不开的。在纳粹攫取德国政权后，以一个科学家对科学、对祖国的满腔热情与纳粹分子展开了，为捍卫科学的尊严而斗争。1947年10月4日在哥廷根逝世。

普朗克早期的研究领域主要是热力学。他的博士论文就是《论热力学的第二定律》。此后，他从热力学的观点对物质的聚集态的变化、气体与溶液理论等进行了研究。

普朗克在物理学上最主要的成就是提出著名的普朗克辐射公式，创立能量子概念。也就是说，能量不是无限可分的，而是有一最小的单元。这个不可分的能量单元，普朗克称它为“能量子”或“量子”。

量子论和相对论是现代物理学的两大基础理论。它们是在20世纪头30年发生的物理学革命的过程中产生和形成的，并且也是这场革命的主要标志和直接的成果，量子论的诞生成了物理学革命的第一声号角。经过许多物理学家不分民族和国籍的国际合作，在1927年它形成了一个严密的理论体系。它不仅是人类洞察自然所取得的富有革命精神和极有成效的科学成果，而且在人类思想史上也占有极其重要的地位。如果说相对论作为时空的物理理论从根本上改变人们以往的时空观念，那么量子论则很大程度改变了人们的实践，使人类对自然界的认识又一次深化。它对人与自然之间的关系的重要修正，影响到人类对掌握自己命运的能力的看法。量子论的创立经历了从旧量子论到量子力学的近30年的历程。量子力学产生以前的量子论通常称旧量子论。它的主要内容是相继出现的普朗克量子假说、爱因斯坦的光量子论和玻尔的原子理论。

在19世纪末，古典物理学已经取得了辉煌的成就。普朗克曾向受人尊敬的慕尼黑大学教授诺利征求意见，教授认为物理学已接近完美，没有再研究的必要，劝他不要从事物理研究，但普朗克还是选择了物理学作为自己一生的追求。实际上，当时正处于顶峰的古典物理学正面临着前所未有的危机，最具代表性的就是物理学上空的“两朵乌云”。其中之一是人们用经典物理学解释黑体辐射实验的时候，出现了著名的所谓“紫外灾难”。从1894年起，他把注意力转向当时物理学界正热烈探究的黑体辐射问题。

19世纪中叶，冶金工业的向前发展所要求的高温测量技术推动了热辐射的研究。已经成为欧洲工业强国的德国有许多物理学家致力于这一课题的研究。德国成为热辐射研究的发源地。所谓热辐射就是物体被加热时发出的电磁波。所有的热物体都会发出热辐射。凝聚态物质(固体和液体)发生的连续辐射很强地依赖它的温度。一个物体被加热从暗到发光，从发红光到黄光、蓝光直至白光。1859年，柏林大学教授基尔霍夫根据实验的启发，提出用黑体作为理想模型来研究热辐射。所谓黑体是指一种能够完全吸收投射在它上面的辐射而全无反射和透射的，看上去全黑的理想物体。

1895年，维恩从理论分析得出，一个带有小孔的空腔的热辐射性能可以看作一个黑体。实验表明这样的黑体所发射的辐射的能量密度只与它的温度和频率有关，而与它的形状及其组成的物质无关。黑体在任何给定的温度发射出特征频率的光谱。这光谱包括一切频率，但和频率相联系的强度却不同。怎样从理论上解释黑体能谱曲线是当时热辐射理论研究的根本问题。1896年，维恩根据热力学的普遍原理和一些特殊的假设提出一个黑体辐射能量按频率分布的公式，后来人们称它为维恩辐射定律。普朗克就在这时加入了热辐射研究者的行动。

他的研究方向从热力学转向热辐射，就是到柏林后才开始的。开始时他用热力学方法研究黑体辐射理论。他假定空腔壁是由具有相同频率的电谐振子组成的，用热力学方法处理这种谐振子集。1899年，他得到了一个和维恩辐射定律一致的关系式。同年年底他得知库尔鲍欧和鲁本斯在 9月份发表的实验报告，维恩以及他自己的辐射定律在高频部分与这实验相符，而在低频部分则与实验偏离。他不得不尝试修改自己的公式，他得到了一个，仍然不好。

正当他继续修改自己的辐射公式时，1900年6月英国物理学家瑞利和金斯发表论文批评维恩在推导辐射公式时引入了不可靠的假定。他把统计物理学的能量均分定理用于他的一个以太振动模型，导出了一个新的辐射公式——瑞利—金斯公式。同年10月7日，鲁本斯夫妇走访普朗克，并告诉他瑞利—金斯辐射定律在低频部分与他的实验相符，在高频部则与实验相差甚大。普朗克受到启发，立即用内插法导出了一个在高频趋近维恩公式而在低频则趋近瑞利—金斯公式的新的辐射定律。10月19日，他在德国物理学会的会议上以《论维恩辐射定律的改进》为题报告了自己的结果，即“普朗克辐射公式”。鲁本斯当晚进行了核验，证明普朗克的新公式同实验完全相符。鲁本斯深信普朗克公式与实验曲线的精确一致绝非巧合，在这个公式中一定孕育着一个新的科学真理。于是鲁本斯在第二天就把这一结果告诉了普朗克。普朗克受到极大的鼓舞，并决定寻找隐藏在公式背后的物理实质，并确定公式中所取的两个常数的具体形式。这一决心使普朗克走上了发现量子之路。

普朗克又回到他的谐振子模型，而且这次他把出发点从热力学转到统计物理学。但是他回避了能量均分定理。他把玻尔兹曼原理运用于线性谐振子热平衡时的能谱分布问题上，导出了振子热平衡时的能谱分布公式。普朗克按照玻尔兹曼统计思想，认真地考虑熵与几率的关系，辐射公式的真正物理意义被一步步揭示出来。1900年12月14日，在经过“一生中最紧张的几个星期的工作”之后，他终于作出了“孤注一掷的行动”：在德国物理学会的例会上，普朗克发表了他那影响现代文明的著名论文——《关于正常光谱的能量分布定律的理论》，宣告了量子论的诞生。这是现代物理学上的一场革命性突破。在这个报告中，他激动地阐述了自己最惊人的发现。他说，为了从理论上得出正确的辐射公式，必须假定物质辐射（或吸收）的能量不是连续地，而是一份一份地进行的，只能取某个最小数值的整数倍。这个最小数值就叫能量子，辐射频率是ν的能量的最小数值E=hν。其中h，普朗克当时把它叫做基本作用量子，现在叫做普朗克常数。普朗克常数是现代物理学中最重要的物理常数，它标志着物理学从“经典幼虫”变成“现代蝴蝶”。1906年普朗克在《热辐射讲义》一书中，系统地总结了他的工作，为开辟探索微观物质运动规律新途径提供了重要的基础。　　　

虽然在围绕原子论的争论过程中，玻尔兹曼在反驳唯能论时说过 “怎么能说能量就不像原子那样分立存在呢”这样的话，马赫曾经表明化学运动不连续性的观点，但真正把能量不连续的概念引入物理学的是普朗克。　

经典物理学一向认为能量是连续的，并将这一传统观念当成金科玉律。但用它研究黑体辐射时却带来了“紫外灾难”，表明了经典理论的局限性。普朗克冲破了传统观念的束缚，提出了能量分立性的思想，这是物理学领域基本概念的重大变革。但也由于这个理论与经典理论是如此之格格不入，当时物理学界对它的反映是极为冷淡的。从1900年到1904年的文献中，几乎找不到有关这一理论的论文。1908年，德国的《自然科学和技术史手册》发行第二版，书中详尽列出了1900年全世界120项发现、发明，就是没有提到普朗克的名字。人们承认普朗克得到与实验相符的黑体辐射公式，却不接受他的量子假说，其重要意义没有引起物理学界应有的关注，直到爱因斯坦的光量子假说和光电效应方程于1905年的问世。直到1913年，丹麦物理学权威尼尔斯·波尔用量子论第一次成功地计算出光谱的特殊谱线的位置时，普朗克理论的伟大意义才被人们所公认。

普朗克的量子概念破坏了经典物理学的庞大体系，成了当今科学的重要基础。根据经典物理学，能量与其他物理量一样，可以连续取值。而能量不能连续的思想引入物理学后，经典物理学所碰到的许多疑难问题很快就得到了解答。在量子化概念的引导下，微观物理学迅速发展为20世纪物理学的主流，并为后来的爱因斯坦在这一理论上的推进和突破打下了坚实的基础。

经过爱因斯坦、玻尔等人的努力，量子论最终得到了人们的认可。凭借敢于创新的精神和所取得的开拓性成果，普朗克得到了极大的荣誉。1918年，他得到了物理学的最高荣誉奖——诺贝尔物理学奖。1926年，他被推举为英国皇家学会的最高级名誉会员。美国也选他为物理学会的名誉会长。1930年，他又被德国科学研究的最高机构威廉皇家促进科学协会选为会长。  

遗憾的是，普朗克虽然发现了能量子，但他不能理解这一发现的意义，对自己的发现长期惴惴不安。在发现能量子之后的长达14年时间，他总想退回到经典物理学的立场。他曾在散步时对儿子说：“我现在做的事情，要么毫无意义，要么可能成为牛顿以后物理学上最大的发现。”到了1909年，当他重新投入量子问题的研究时，曾经告诫自己和别人，要尽可能避免采取冒险步骤，他说：“在将作用量子h引入理论时，应当尽可能保守从事；这就是说，除非业已表明绝对必要，否则不要改变现有的理论。”

1910年，普朗克提出了一个理论，认为发射过程在时间上是不连续的，但吸收则是连续的。这是一次公开的倒退。

1914年，他又提出一个理论，干脆撤消了量子假说，认为发射过程也应假定是连续发生的，这又是一次大倒退。

在普朗克犹豫徘徊甚至倒退的时候，量子论却有了很大的发展。1905年，爱因斯坦提出光量子假说，成功地解释了光电效应；1906年，他又将量子理论运用到固体比热问题，获得成功；1912年，玻尔将量子理论引入到原子结构理论中，克服了经典理论解释原子稳定性的困难，建立了他的原子结构模型，取得了原子物理学划时代的进展；1922年，康普顿通过实验最终使物理学家们确认光量子图景的实在性，从而使量子理论得到科学界的普遍承认。

造成普朗克长期犹豫徘徊的原因是传统观念的束缚。自从17世纪牛顿力学建立后，自然过程连续性的观念在物理学中已经根深蒂固。莱布尼兹曾经说过：“自然界无跳跃。”19世纪，电磁场理论的建立更使这一观念深入人心，要冲破它确实不容易。普朗克14年来犹豫徘徊带来的影响是：他没有在量子论的进一步发展中作出贡献，没有能够追随这一理论的进一步发展，科学领域的开拓者成了落伍者。在量子论创立的最初10年里，爱因斯坦起到了旗手的作用。但是到了1951年，爱因斯坦却这样总结了他的探索工作：“整整50年有意识的思考，还没有使我更接近‘光量子是什么’的答案。当然，今天每一个不老实的人都认为他知道答案了，但他在欺骗他自己。”量子力学的深邃难解或许是让普朗克倒退的另一个原因。但普朗克在两次倒退的过程中对量子论做了深入的理论研究，这是有一定意义的，不过量子论最终获得胜利则是由于它在微观领域研究中的普遍意义和价值。

面对量子论的发展与成功，以及科学界的批评，普朗克最终放弃了倒退的立场。1920年，在诺贝尔奖颁奖仪式上，他作了题为《量子理论的创立和当前的发展状况》的演讲，演讲中他说：“……我觉得整个的发展过程似乎是为歌德在很久以前所说的一句名言提供了一个新的证明，这句名言是：‘人要奋斗就要有错误。’”

1947年10月3日，普朗克在哥廷根病逝，终年89岁。德国政府为了纪念这位伟大的物理学家，把威廉皇家研究所改名叫普朗克研究所。

普朗克进入科学殿堂以后，无论遇到什么困难，都没有动摇过他献身于科学的决心。他的家庭相继发生过许多不幸：1909年妻子去世，1916年儿子在第一次世界大战中战死，1917年和1919年两个女儿先后都死于难产，1944年长子被希特勒处死，在二次大战即将结束时，他的家被炸成废墟。但是普朗克总是用奋发忘我的工作抑制自己的感情和悲痛，为科学做出了一个又一个重要的贡献。

普朗克为人谦虚，作风严谨。在1918年4月德国物理学会庆贺他60寿辰的纪念会上，普朗克致答词说：“试想有一位矿工，他竭尽全力地进行贵重矿石的勘探，有一次他找到了天然金矿脉，而且在进一步研究中发现它是无价之宝，比先前可能设想的还要贵重无数倍。假如不是他自己碰上这个宝藏，那么无疑地，他的同事也会很快地、幸运地碰上它的。”这当然是普朗克的谦虚。洛沦兹在评论普朗克关于能量子这个大胆假设的时候所说的话，才道出了问题的本质。他说：“我们一定不要忘记，这样灵感观念的好运气，只有那些刻苦工作和深入思考的人才能得到。”

普朗克一直受到同事们的尊敬，这不仅是由于他的重要科学发现，而且还由于他的品德高尚。纳粹统治德国时期，普朗克留在自己的祖国，他公开反对政府的某些政策，特别是反对迫害犹太人的政策。这是他一生中遭遇痛苦和不幸的时期。在第二次世界大战期间，德高望重的普朗克为帮助和支持受法西斯迫害的犹太籍科学家而奔走呐喊。当时希特勒曾说：如果不是普朗克年事已高，早该把他关进集中营。

普朗克的工作得到了科学界的高度赞扬。1948年，在追悼普朗克的大会上，爱因斯坦作了这样的评价：“作用量子这一发现成为20世纪物理学研究的基础，从那时起几乎完全决定了物理学的发现。要是没有这一发现，那就不可能建立起分子、原子以及支配它们变化的能量过程的理论。而且，它还粉碎了古典力学和电动力学的这个框架，并给科学提出了一项新任务：为全部物理学找出一个新的概念基础。”

普朗克的伟大发现和他的崇高品格，使他的名字与科学史上许多伟大的名字并列在一起。正如他的学生、诺贝尔奖金奖获得者劳厄所说：“只要自然科学存在，它就不会让普朗克的名字被遗忘。”爱因斯坦在普朗克的悼词中说道：“一个以伟大的创造性观念造福于世界的人，不需要后人来赞扬。他的成就本身就已给了他一个更高的报答。”