世纪之交的物理学革命（一）——两位青年

wenxuefeng360 2020-01-17

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1874年夏天，慕尼黑马克西米利安文理中学的毕业典礼刚刚结束，一位十六岁的青年正收拾他的行李，准备启程前往慕尼黑大学报道。他出身书香门第，曾祖父与祖父都是普鲁士的神学教授，而他的父亲与叔叔则是著名法学家。不过在中学时期，受到恩师冯·米勒的启蒙，他对数学与物理产生了浓厚的兴趣，并决定选此作为他大学的专业。此时的青年相貌非凡，风度翩翩，他的名字，叫做马克思·普朗克。

青年普朗克

就在普朗克进入大学的前一年，英国物理学家麦克斯韦出版了著作《电磁理论》，书中囊括了他那如上帝给出般完美的方程组，将电场与磁场进行了完整的统一，并预言了电磁波的存在。随着麦克斯韦的理论横空出世，关于光的本质那场长达200多年的论战终于尘埃落定，胜利的天平倒向了惠更斯的光波动学说，而牛顿的光微粒学说暂且成为了历史的过客。如今，经典物理的最后一张面纱终于被揭起，人们有理由相信，这门学科已然接近完美。

英国物理学家麦克斯韦

麦克斯韦方程组和由其推导出的电磁波

当普朗克走进大学教授冯·约利的办公室后，冯·约利感受到了眼前这位年轻人对物理学崇高的热忱，但他还是善意劝说普朗克不要学习物理，因为这门学科中的一切皆已被研究，只剩一些不重要的空白待人填补完善。普朗克略加思考后回答道：“我并不期望发现新大陆，只希望理解已经存在的物理学基础，或许能将其加深。”在接下来的3年之中，普朗克一直实践着自己的这句回答，对基础物理学理论深入学习广泛涉猎，特别对于热力学，普朗克十分着迷。在1877年本科毕业后，他前往柏林大学继续深造，期间结识了亥姆霍兹与基尔霍夫教授，并通过学习克劳修斯的热力学讲义而获益颇深，开始专注于热力学领域的研究。两年之后的1879年，普朗克完成博士论文《论热力学第二定律》，并顺利获得博士学位。

就在同一年，距离慕尼黑西北约130公里的城市乌尔姆，一个犹太家庭迎来了他们的第一位孩子，他们为他取名艾尔伯特·爱因斯坦。彼时的德国，受到上个世纪法国大革命后欧洲自由与人权思潮的影响，对犹太人实行了宽松的政策；而另一方面，在铁血宰相俾斯麦的带领下，普鲁士王国接连赢下普丹战争（1864年）、普奥战争（1866年），与普法战争（1870年），并于1871年合并除奥地利以外的其他德意志联邦各邦国，成立德意志帝国。德国自此走向统一的民族国家之路。

在铁血宰相俾斯麦的带领下，德意志走向民族统一与工业强大，但军国主义思想也在国内社会也大肆蔓延

“铁”与“血”获得空前成功，让社会上下对军国主义、国家意志的思想行为产生了极大的认同，这种氛围也浸润到了德国的中学教育。与普朗克天生纯正的日耳曼血统有所不同，爱因斯坦作为一名犹太青年，对这古板的军事化教学管理产生了极大的厌倦。终于在1894年，爱因斯坦选择了退学。16岁肄业的爱因斯坦，已彻底失去了就读德国大学的机会（没有高中毕业证），但他马上面临着一个更大的噩梦：服兵役。要说军事化管理的德国中学已给爱因斯坦带来无法忍受的压抑，以至于其在毕业前选择退学，那么在德国从军则是他无论如何也不能接受的现实。终于，他踏上从慕尼黑前往米兰的列车，去意大利与他的父母和妹妹玛雅·爱因斯坦会合，着手新的出路。

中学时的爱因斯坦（右下方）

同年，普朗克当选了普鲁士科学院院士。此时的他，正在柏林大学任教，接手的是已故教授基尔霍夫生前的教职工作。基尔霍夫在热辐射领域有一项重要定律：在同样温度下，不同物体对单一波长的热辐射通量密度与吸收率之比为常数。换句话说，“热辐射通量密度/吸收率”这个数值只是一个关于温度与辐射波长的函数，而与物体本身的物性无关。这种不依赖于具体物性的规律，往往揭示了由基础物理量决定的普适性法则，具有很高的研究价值。

接下来，基尔霍夫又提出了一种吸收率等于1的理想化模型——黑体。对黑体而言，基尔霍夫定律就简化成了“黑体的热辐射通量密度只与其温度和辐射波长有关”。至此，黑体辐射成为科学家们研究物体热辐射的主要手段。作为基尔霍夫的继任者，普朗克大概就是从这年开始专注于黑体辐射的研究。六年之后，他的成果将为人类开启一扇通往全新领域的大门……

基尔霍夫与一种理想黑体模型

1895年，爱因斯坦终于找到一所适合自己的大学——瑞士苏黎世联邦理工学院。这所全欧洲著名的高校，不需要高中毕业证也能报考。16岁的爱因斯坦自学完微积分，参加了学校的入学考试，不幸的是他落榜了。在瑞士阿劳中学又经过一年的复习准备，爱因斯坦才于1896年成功进入苏黎世联邦理工学院，学习数学与物理。

今天的瑞士苏黎世利马特河畔

爱因斯坦的大学生活可谓是相当不羁，一方面可能是教授的讲义太过古板，另一方面则确实是他的性格使然。在四年的时间里，翘课成为了爱因斯坦的日常。如果今天我们要追寻这位物理学符号式人物青年时代的足迹，也许利马特河畔的大都会咖啡馆是个比苏黎世联邦理工学院更好的地方，爱因斯坦与同学高斯曼、贝索等人是这里的常客，他们在此谈论的话题从数学、物理，到哲学、历史，无不涉猎。这段大学逃课时光造就的咖啡馆小论坛，对爱因斯坦产生了深远的影响。日后，擅长数学的高斯曼和擅长哲学的贝索，都会给爱因斯坦带来意想不到的帮助。当然，逃课的不良后果也显而易见，从联邦理工学院毕业时，爱因斯坦没能给物理系的教授留下良好的印象，从而失去了留校当助教的机会。另一个逃课的遗憾，则是爱因斯坦错过了一名与他同年进入学校的优秀教授——闵可夫斯基的大部分数学课程。但是这位具有高尚人格的数学家，却在若干年后为爱因斯坦的《相对论》做出了重要的数学工作。