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黑体辐射这朵乌云 —— 一段耳熟能详,却依旧火辣的科学史

这是一篇大家耳熟能详的科学史,不过在重温那老旧的细节过后,依旧能迸发深刻而优美的火焰,就像一瓶百年陈酿,醇暖之后的火辣,真真是别有一番滋味在心头!

阿喀琉斯是《荷马史诗》中的一位希腊英雄,在2004年沃尔夫冈·彼得森的那部《木马屠城》中,布拉德皮特就饰演了这位以迅捷著称的长腿欧巴。但这里要先谈的不是电影和帅哥,而是芝诺的一个悖论:阿喀琉斯追龟辩。

作为巴门尼德的得意门生,芝诺为了支持他老师关于“存在”不动、是一的哲学理念,提出了这样一幅场景:

一只乌龟某天对阿喀琉斯说:“哥们,听说你速度hin快啊,但是我觉得你比不上我。”

阿喀琉斯哪能受得了这番嘲弄,说道:“搁这扒瞎哪!我的速度起码有你的10倍,追上你就一瞬间的事。”

乌龟说:“好,那我们就来互相伤害吧。假设我领先你999米,”

阿喀琉斯:“领先这么多要脸不?”

乌龟:“听我说完有毒?假设我领先你999米,你跑步的速度为每秒10米,我的爬行速度为每秒0.1米,那么你需要追上我的时间为:

看到了吗?无论你怎么努力始终离我都有时间差,无论这个差距多小,你就是追不上我,来打我啊,来呀。”

阿喀琉斯又不懂微积分,迷迷糊糊中便觉得乌龟的理论竟然无法反驳,好有道理。

这个就是著名的“阿喀琉斯追龟辩”。

图片来自打年兽?不如帮科学家打小怪兽

芝诺当然知道阿喀琉斯能够追上乌龟,他的这个命题在这里采用的方式是一种空间或者时间的无限可分,即:由于运动的物体在到达目的地前必须到达其半路上的点,若假设空间无限可分则有限距离包括无穷多点,于是运动的物体会在有限时间内经过无限多点。当然,在我们现在看来,这个追赶的时间是可以通过建立一个方程组的方式或者无限数列求和{99.9+0.999+0.00999+···}求算出阿喀琉斯追上乌龟的时间为100秒,不过我们的这种求解方式内置了一个前提:那就是假定阿喀琉斯最后可以追上乌龟,于是得到了那个时间。但是芝诺悖论的本质在于要求我们论证为何能追上,而上面提到的这无穷个步骤是难以完成的。

悖论本身的逻辑并没有错,但是这个悖论却与实际情况南辕北辙,原因在于它对时间进行了无限次分割,就认为被分割的时间就是无限了。再说一遍,原因在于它对时间进行了无限次分割,就认为被分割的时间就是无限了。然而,我们知道在数学上,就算是进行无限次的求和,它也是可以被限制在有限值之内。换句话说,在阿喀琉斯追龟辩之中,无限的是切割时间的次数,不是时间本身,这只乌龟只是阐述了有限的时间可以被无限地切割。

这个结论非常的重要,因为它跟今天这篇文章所隐含的物理意义紧密相关,我先按下不表,读者们且听我讲述一个19世纪末的科学史。

19世纪末,黑体模型的热辐射问题让许多物理学家为之着迷,最常见的就如铁匠煅烙金属时那烧灼出不同颜色渐变的现象,这种从暗红色到橙黄色的蜜汁色变告诉我们,物体的辐射能量与频率和温度之间存在着某种对应的关系。

当然我们现在知道,热量其实是组成物体的粒子的随机运动所产生的能量。

Everything glows with the light of its own internal heat.

加速运动的带电粒子能够产生电磁辐射(Electromagnetic radiation)——光,所以由这些不断振动着的带电粒子比如电子和质子,所组成的物质能够发光(glows)。一个物体越热,其组成粒子的振动越快。这些粒子的平均频率随着温度的升高而增加。所以,这个平均频率就决定了我们所看见的颜色。太阳看上去是黄色的,因为其表面接近6000K的温度所致,其辐射出的大部分光子位于绿色-黄色的电磁波谱段(Electromagnetic spectrum)。我们所知道的参宿七(Rigel),因为其表面接近12000K的温度,所辐射的光子大多位于蓝色甚至紫外波段,因此它也被称为超蓝巨星。

图片来自Rigel Sun Comparison

你的身体温度大约是310K,所以你发出的光子属于低频段的红外波段,所以你放屁的样子大概是这样的

图片来自Infrared Human

在17世纪的60年代,艾萨克·牛顿爵士首先对热发光现象进行了分析,当时,他使用了一面棱镜对太阳光进行了分光处理,进而得知复色光的各种组分。

图片来自newton's prism experiment

但他并不知道这些单色光的相对亮度是通向量子世界的关键之匙。直到19世纪的后半叶,发热物体的亮度分布与频率的关系谱图被实验结果精确的绘制了出来,兰利发明的热辐射计是当时比较先进的一种测量工具,加上罗兰的凹面光栅相衬可以得到比较精确地热辐射能量分布曲线。黑体辐射中关于辐射本领

与吸收率
之间的关系是率先由基尔霍夫证明的,他推导出对于任意一个物体,这两个函数之比是一个与物体组成无关的普适函数
,其中,辐射本领指的是单位时间内从辐射体表面的单位面积上发射出的辐射能量的频率分布,而因为黑体的吸收率为1,所以它的辐射本领为:
。这就意味着黑体辐射本领等价于普适函数,与组成其的物质无关。

在这个基础上,于1879年和1884年斯洛文尼亚物理学家斯特藩(Jožef Stefan)和奥地利物理学家玻尔兹曼(Ludwig Boltzmann)分别独立的提出热力学的一个著名定律:一个黑体表面单位面积在单位时间内辐射出的总能量(称为物体的辐射度或能量通量密度)

与黑体本身的热力学温度T(又称绝对温度)的四次方成正比:
,这个定律被后世脍炙人口为斯特藩-玻尔兹曼定律(Stefan-Boltzmann law)。

在公式的推导过程中,斯特藩通过的是对实验数据的归纳总结,玻尔兹曼则是从热力学理论出发,通过假设用光(电磁波辐射)代替气体作为热机的工作介质,最终推导出与斯特藩的归纳结果相同的结论。

而这一切,都为1893年维恩推导出那著名的维恩(Wilhelm Wien)位移定律做好了理论上的准备。

稍微提一下,维恩1864年1月13日出生在东普鲁士(现俄罗斯),父亲卡尔·维恩(Carl Wien)是地主。在海德堡读完中学后,他又去了哥廷根大学学习数学,同年又转去了柏林大学,在亥姆霍兹的实验室工作,并于1896年获得了博士学位,论文题目是光对金属的衍射,以及不同材料对折射光颜色的影响。不过后来,维恩因为父亲的原因,回到了故乡子承父业,帮助管理父亲的一大片土地,做起了真正的土·豪。要不是1890年国家物理工程研究所提供给他的一份工作机会,物理学界可能就此失去了一名实验学的能工巧匠,维恩很有可能就沿着父亲的轨迹成为下一代地主。维恩思考了一下决定接受这个offer回到了亥姆霍兹的身边,他的才华迅速得到了升温,1892年在柏林大学获得大学任教资格。

在国家物理工程研究所期间,维恩与同事路德维希·霍尔伯恩(Ludwig Holborn)一起研究用勒沙特列(Le Chatelier)温度计测量高温的方法,并对热动力学进行了相关的研究。也就在这段期间,他从经典热力学的思维出发,借统计热力学之手(麦克斯韦速率分布),并完全基于对实验数据的经验总结而得到了另一个闪亮的公式

上式中,

是能量分布的函数,
是波长,T是绝对温度,而ab皆是常数。

这个公式是于1893年提出的,1896年他又发表了维恩公式,给出了这种确定黑体辐射的关系式,提供了描述和测量高温的新方法。早在1894年,另一位物理学家帕邢在兰利的基础上对各种固体的热辐射进行了测量,结果很好地符合了维恩的公式。但是在1899年,维恩在国家物理工程研究所的两位同事发表了一份报告,报告中指出,当把黑体加热到1000K左右时,观测到的短波范围内的辐射曲线与维恩公式达到了无缝对接,然而在长波范围出现了严重的偏差。


随后,这个偏差被更多的实验观测所证实,实际上,维恩公式的数学基础赋予了它在短波范围内与黑体辐射曲线精准的缝合,然而在长波段它却给出了不恰当的预言:波长趋近无穷大时,能量密度与温度的变化不再相关,而从实际测试中得到的推论应该是,能量密度与绝对温度成正比。维恩公式就走到了这里,但它的意义是非凡的,在从理论热力学出发,通过实验基础对数据使用了特殊的处理——经典粒子或者说分子假设,尽管让当时繁及一世的波动学说难以下咽,但是却给后世乃至不久将要被揭开的黑体辐射帐幕留下了丰富的经验硕果。时至今日,维恩位移定律有许多实际的应用,例如通过测定星体的谱线的分布来确定其热力学温度;也可以通过比较物体表面不同区域的颜色变化情况,来确定物体表面的温度分布,这种以图形表示出热力学温度分布又称为热象图。也因为此,维恩被授予了1911年诺贝尔物理奖的殊荣,当然维恩的脚步并没有停滞在位移定律上,这位天才实验学家在此后的诸多领域上颇有建树

1896年前往亚琛接替菲利普·莱纳德后,他在那里建立实验室研究真空中的静电放电,1897开始研究阴极射线,借助带莱纳德窗的高真空管,他确认了让·巴蒂斯特·皮兰两年前的发现,即阴极射线由高速运动的带负电的粒子(电子)组成。几乎与约瑟夫·汤姆生在剑桥发现电子的同时,维恩用与汤姆生不同的方法测量到了这些粒子带电量和质量的关系,并且得出了与汤姆生相同的结果,即它们的质量只有氢原子的一千分之一。1898年维恩又研究了欧根·戈尔德施泰因发现的阳极射线,指出它们的带正电量与阴极射线的带负电量相等,他测量了它们在磁场和电场影响下的偏移,并得出阳极射线由带正电的粒子组成,并且它们不比电子重的结论。维恩所使用的方法在约20年后形成了质谱学,实现了对多种原子及其同位素质量的精确测量,以及对原子核反应所释放能量的计算。1900年维恩发表了一篇关于力学的电磁学基础的理论论文,此后又继续研究阳极射线,并在1912年发现,在并非高真空的环境下,气压不是非常弱时,阳极射线通过与残余气体的原子碰撞,会在运动过程中损失并重得它们的带电量。1918年他再次发表对阳极射线的研究结果,他测量了射线在离开阴极后,发光度的累积减少过程,通过这些实验,他推断出在经典物理学中所称的原子发光度的衰退,对应于量子物理学中的原子处于活跃状态的时间有限。

引自http://baike.baidu.com/item/维恩/23384

维恩在黑体辐射十字路口前撒下的面包屑被大英帝国的探路先锋瑞利(Rayleigh)勋爵看到,在写着“分子假设”新路标旁的通幽小径上,瑞利丝毫没有犹豫地转过头去,朝着“能量均分定理”的康庄大道走了过去,5年后另一位物理学家——詹姆斯·金斯(Jame·Jeans)也尾随而至。

先来粗略介绍一下“能量均分”。

能量均分定理:在经典统计力学中,能量均分定理是一种联系系统温度及其平均能量的基本公式。能量均分定理又被称作能量均分定律、能量均分原理、能量均分,或仅称均分。能量均分的初始概念是热平衡时能量被等量分到各种形式的运动中;例如,一个分子在平移运动时的平均动能应该等于其做旋转运动时的平均动能。

引自Equipartition theorem

它强调的是一个物体的热能可以被分布在其所有组成粒子的所有可能运动的方式中,简言之,在平衡状态下,能量可以在各种能级间被均匀地传递。

瑞利和金斯(两人并不是同时思考,为下面书写简便将二者放到一起)考虑一个体积为V的空腔,腔壁温度为T,腔内真空,由于腔壁在任何温度下都辐射电磁波,因此腔内就建立了一电磁场,并且腔壁同电磁场将达到平衡。电磁辐射场是具有不同频率和不同传播方向的驻波系统。其中每一种驻波是辐射场中的一种波型,或称模式。都代表辐射场中的一个稳定的状态.因此可以称为本征振动的方式或本征模,可以算出,腔内在

的频率范围内,本征模数为
二人根据刚刚提到的能量均分定理,认为每一本征振动的动能和势能各占KT/2。因此在
的频率范围的能量为:

或者说在

的波长范围内为 

(2)

上式中,物理符号与维恩公式里的含义一样,那个k是玻尔兹曼常数。

这个公式就是著名的瑞利—金斯公式,它在理论上匹配了

和T在高温范围内长波段(低频区)的实验结果。

但在短波范围(高频区),公式所预言的能量密度则迅速地扶摇直上,同实验结果矛盾,更为恐怖的是,任何学过微积分的人如果将上面那个公式对频率从0到

积分,会得到包括所有频率的能量密度为无穷大的结论。

百度百科如此评论:“···就是说空腔内的平衡辐射场只有当能量密度无穷大时才开始建立,这显然是荒谬的。”

按照公式所传达的信息,随着频率的不断增大,辐射强度会直达无限大(infinity),而这样的宇宙将会是非常恐怖的:遍布着无限高能的伽马辐射。因为其带入的信息对生命充满了敌意,后来,奥地利物理学家埃伦菲斯特(Paul Ehrenfest)给这个推论加上了一个毛骨悚然的深空恐惧型代号:紫外灾难(Ultraviolet catastrophe)。

这个灾难也直接的说明了经典物理在瑞利—金斯定律中存在的本质错误。后来的发现才证实,在经典物理之中,万物都可以被无限地分割,永远没有最小的界限。瑞利-金斯公式允许粒子可以以任何数量的能量振动,这个数量可以一路下降到无穷小。所以当瑞利和金斯试图把热能均匀分布地到所有可能的能级中时,他们发现,在数学意义上,巨量的能量被塞到高频区里数不尽的、分割到无限小的能级里,因此永远没有尽头,从而出现了紫外灾变。

瑞利和金斯在黑体辐射的十字路口处,沿着“能量均分”的阳光大道,最终在紫外灾变处戛然而止。值得一提的是,瑞利勋爵是一位十分严谨的科学家,在1882年,他在气体密度精确测量的课题上殚精竭虑,但仍然卡在了氮的问题上。他在研究中发现从液态空气中分馏出来的氮气,跟从亚硝酸铵分解得到的氮气,密度存在超过实验误差范围的差异,这个差异值为千分之二。但瑞利无法容忍这种精度上的误差,他遍览资料,绞尽脑汁,排查了几乎所有的仪器误差,重复了几十次的实验,要命的是这个差别值随着每一次测试的深入而变得更加精确,在沉默中选择爆发的他,遇到了威廉·拉姆齐,两人决定合作查明这一问题的原因。1894年8月13日,瑞利与拉姆齐宣布他们发现一种新的气体元素氩。之后,在瑞利的协助下,拉姆齐又相继发现了几种新的惰性气体元素。

而一向十分严谨的瑞利勋爵,在黑体的十字路口上却忽视了1900年那条被一位天才打通的“河西走廊”(真正的瑞利—金斯公式在1905年才成型,在建立数学模型的过程中,二人的专业性与严谨度是不可能自动过滤掉普朗克公式的,从整个光景看来,普朗克当时抱定彻底解决黑体辐射难题的动机中,最没有可能的就是消除紫外灾变)。

这位天才就是马克斯·卡尔·恩斯特·路德维希·普朗克(Max Planck)。普朗克出生于1858年德国基尔,家庭优渥,曾祖父和祖父都是哥廷根的神学教授,父亲威廉·普朗克则是一名出色的法学教授,叔叔是哥廷根的法学家,参与过德国民法典的起草工作。

普朗克在中学时期就受到自然科学方面的熏陶,尤其是受到了名盛一时的数学家奥斯卡·冯·米勒的指点,对物理学产生了浓厚的兴趣。进入大学后的普朗克,博闻强识,在很多方面都天赋异禀。据说,他曾在慕尼黑学生学者歌唱协会为多首歌曲和一部轻歌剧作曲,会钢琴、管风琴和大提琴的他当时有着令人精绝的侧颜:

图片来自Max Planck

不过他之后还是选择了物理学作为“终身大事”,普鲁士也从此失去了一位音乐才俊,不过也由此收获了一位不世出的物理宗师。然而,令人尴尬的是,普朗克的大学时期属于经典物理霸横的鼎盛时期,按照《量子物理史话》的说法,19世纪末的世界,小到飞沙走石,大到天体星斗,都毕恭毕敬地效法麦克斯韦等人奠定的三大力学基础:经典力学、经典电动力学和经典热力学,以至于开尔文勋爵曾经感概:“物理学的未来,将只有在小数点第六位后面去找。”普朗克的导师菲利普·冯·约利(Philipp von Jolly)曾劝他:“这门科学中的一切都已经被研究了,只有一些不重要的空白需要被填补。”(德语原文:In dieser Wissenschaft schon fast alles erforscht sei, und es gelte, nur noch einige unbedeutende Lücken zu schließen.)面对导师清晰的教诲,锋芒内敛的德意志青年这样回应:“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。”(德语原文:Ich hege nicht den Wunsch, Neuland zu entdecken, sondern lediglich, die bereits bestehenden Fundamente der physikalischen Wissenschaft zu verstehen, vielleicht auch noch zu vertiefen.

在拿到慕尼黑大学的博士学位后,在1880~1885年辗转于基尔大学以及慕尼黑大学之间,1889年4月,亥姆霍兹通知普朗克前往柏林,接手基尔霍夫的工作,1892年接手柏林大学的教职。尽管后来普朗克分别对于亥姆霍兹以及基尔霍夫有着这样的评价:“他(亥姆霍兹)上课前从来不好好准备,讲课时断时续,经常出现计算错误,让学生觉得上课很无聊”、“他(基尔霍夫)讲课仔细,但是单调乏味”,不过在两位骨灰级热力学奠基人的影响下,热学理论也就变成了普朗克的工作领域。

从1894年开始,普朗克开始致力于黑体辐射的研究,6年来他委身于这个问题:维恩的位移定律在高频区可以正确地符合实验结果,但是却对低频区束手无策;

在低频区成正比的关系已经被揭开谜底,只不过粗略的瑞利公式被自己在高频区的错误形态给绊的够呛。

时间一晃就来到了1900年的秋天,10月里泛黄的树叶在秋风中婆娑起舞,夜幕早早地扣在柏林的大街小巷,普朗克的那间办公室也不例外,但没人能知道,隔天的曙光将会照亮整个物理世界。普朗克盯着满屋的稿纸陷入沉思,就在大约半年前的伦敦,开尔文男爵在阿尔伯马尔街皇家研究院举行报告会发表了《在热和光动力理论上空的19世纪乌云》,这位目光炯炯、白须灰发的老人在开篇就说道:“动力学理论断言热和光都是运动的方式,这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云所遮蔽,显得黯然失色···(The beauty and clearness of the dynamical theory,which asserts heat and light to be modes of motion,is at present obscured by two clouds)”,普朗克清晰的知道这第二朵乌云指的是黑体辐射研究的瓶颈。在经过6年的风雨后,他决定先不管预设的情况几何,先试出符合整个频段的普适公式,万一成功了呢?当机立断后,普朗克利用其出色的数学功底,开始构想可能的某种数学技巧(math trick)来计量所谓的无穷多能级,在他后来自述的某个绝望的瞬间中,他尝试了一种颇为愚蠢的办法。在这个叫做内插法的尝试中,他令粒子振动的不同能量等于某个最小能量的倍数,换句话说,让不同能级的能量量子化:

他把这个最小的能量公式化为一个粒子振动的频率与一个非常非常非常非常非常小的当时还无法测得数值的某个常数的乘积。这个常数后来成为了普朗克常数(Planck constant)。但当时的普朗克显然还没有意识到这一点,不过这个像电脑蓝屏后你内心拔凉般随意敲打键盘以求解锁的举动,完成对黑体辐射难题的绝杀。经过了普朗克版的“Eureka”时刻后,这位天才望着手中的这个公式:

上面这个式子中变量含义与维恩和瑞利金斯一样,

是普朗克常数。这个公式也就是后辈们高山仰止的普朗克黑体辐射定律(Planck's law)的精华部分,尽管当时的人们都普遍反感

远离了喧嚣的普朗克,惊人地发现,这个公式妙计十足地拿捏到了维恩和瑞利金斯这两套公式的优势。当波长

趋近于0时,-1几乎可以忽略,各位可以把
看成常数
,把
看成常数
。于是公式(3)退化成为
(4),大家可以自行对比一下公式(4)与前述的维恩公式,也就是式(1),二者的数学形式是完全一样的;当波长
趋近于
时,利用泰勒展开公式,将
做一级展开
就好,后面的高指数项完全可以忽略,于是公式(3)退化成为
(5),可以看到式(5)与瑞利—金斯公式,也就是式(2)的变形是一样的数学形式;

受不了的同学可以看下图的总结,你们就知道这个公式有多牛逼:

普朗克把玩着手中的这个公式,他暂时还不知道普朗克常数

这个小精灵所带来的破坏力,但是他知道的是,这个数学表达式可以很准确地描述黑体辐射这个波段的测量结果,于是他在1900年10月19日这一天上,在德国物理学会上首次打开了这个潘多拉宝盒。

不久后的1900年12月14日,普朗克得出了辐射定律的理论推论,会议上提出了能量量子化的假说:


他向众人介绍了这个全新的概念:

,在这个公式中被引入的普朗克常数
是一个作用量子,最基本的自然界常数之一,体现了微观世界的基本特征。它的存在意味着能量只能以不可分的能量元素(即量子)的形式向外辐射。这种物体辐射或吸收能量只能一份一份地按不连续的方式进行的新观点彻底地颠覆了经典物理中的能量可以连续变化的固有定式,不仅成功地解决了热辐射中的难题,而且开创物理学研究新局面,标志着人类对自然规律的认识已经从从宏观领域进入微观领域,为量子力学的诞生奠定了基础。因为他的方法实际上限制了高频段振动所能辐射的能量数,普朗克方程从数学上完美的诠释了黑体辐射光谱,覆盖了所有频段的光谱,最后成为了普朗克定律(Planck's law)。奇妙的是,普朗克在一开始并没有觉得这些量子态的能级是真实的,这只应该是一次数学变换的技巧或者形式,他期望这个新的常数最后等于零,意味着能级之间不是离散的,不存在量子化,也没有最小能级,在这种情况下,普朗克常数会在最后的等式中抵消掉,然而,这都没有发生,相反地,普朗克常数坚挺地植根于黑体辐射定律的方程之中。能量量子化是存在的。这一天,也就是公元1900年12月14日,被人们看作为量子论诞生日。

由普朗克带来的量子风暴,此后将在整片欧洲大陆上排山倒海,由之引发的量子革命迅速燎原,越来越多的人认识到空间不一定能够无限分割下去,那么回到本文开头的那个阿喀琉斯追龟辩论之中,芝诺预设的连续无限分割的前提并不是普遍的,因此,这个悖论就被避免了。量子理论为我们展示的是一张空间不连续的蓝图,无限分割也只是人们在数学上的理想设定。

爱因斯坦在1948年4月悼念普朗克的会上,充分肯定了普朗克常数发现的重大意义:

“这一发现成为20世纪整个物理学研究的基础,从那时候起,几乎完全决定了物理学的发展. 要是没有这一发现,那就不可能建立原子、分子以及支配它们变化的能量过程的有用理论。 而且,它还粉碎了古典力学和电动力学的整个框架,并给科学提出了一项新的任务:为全部物理学找出一个新的概念基础。”

爱因斯坦最后真切地明白了,实际上光也是量子化的。之前提到的那些不断振动的小粒子确实具有量化的能量,但那是因为它们只能通过每次吸收或者释放一个光子来增加或者减少能量。而光总是以不可分割的能量小包来回传送。普朗克的发现确实是爱因斯坦假设光子以部分波、部分粒子形式存在的基石,也是爱因斯坦通过光电效应(Photoelectric effect)证实这一假设的重要线索。

普朗克也因为他的量子论获得1918年诺贝尔物理学奖,此时的他正值60岁。

图片来自Max Planck

还记得前面那张俊秀的侧颜吗?老年普朗克的侧像褪去了英气的光华,却始终辐射出坚毅,你无法想像这位老人在诺贝尔奖之前到底经历了什么。

1909年10月17日与普朗克相伴23年的妻子因为肺结核去世了。

1914年,他的二儿子埃尔温在被法军俘虏;同年,在被政府忽悠(还是逼迫)下,普朗克莫名其妙地在德国为寻找战争借口的《告世界文明书》中签名,这份文件又名“93名知识分子的宣言”,因此被戏称为“知识分子真正的无耻宣言”

1916年,普朗克的大儿子卡尔死于一战臭名昭著的凡尔登战役,这次战役伤亡人数仅次于索姆河战役,被称为“凡尔登绞肉机”。

1917年他的女儿格雷特在产下第一个孩子时去世,她的丈夫娶了普朗克的另一个女儿埃玛,不幸的是埃玛在两年后同样死于生产。

普朗克在诺奖前平静地经受了这些打击。

1920年10月,他和弗里茨·哈勃创建了“德国科学临时学会”,其目的是为陷入困境的科学研究提供资金支持。

1933年纳粹上台时,他目睹了许多犹太人朋友和同事们被驱逐出他们的工作岗位,并被羞辱,数以百计的科学家被迫离开了德国。犹太人化学家弗里茨·哈勃受到了不公正待遇,普朗克则直接去找希特勒提出抗议,但是一无所获,哈勃最终于1934年死于流亡生活中,一年后普朗克以威廉皇家学会主席的身份,为哈勃举行了一次纪念活动。普朗克还竭尽全力,使得一些犹太人科学家能够在一段时间内在威廉皇家学会的研究所内继续工作。

1936年,“德意志物理学”的代表人和帝国物理技术学院主席约翰尼斯·斯塔克在党卫军刊物上批评普朗克是“白种的犹太人”,有着十六分之一的犹太人血统。

1938年底,纳粹将学会的整个社会和政治生活统一化,即将公开和私人的生活统一化,普朗克辞职以表示抗议。

1943年底普朗克在卡塞尔演讲期间借宿亲戚家,10月22日晚亲历了一次破坏性的空袭,普朗克亲眼见到亲戚被炸身亡。1944年2月,普朗克在柏林的家也在空袭中完全损毁,他所有的手稿和藏书被付之一炬,连带着还有坚持十几年的日记。

普朗克的二儿子埃尔温·普朗克(一战被俘的那位)因参与1944年暗杀希特勒的7月20日密谋案,1944年7月23日被逮捕并被关入盖世太保的总部,1944年10月23日人民法院判处他死刑,1945年1月23日被杀害。至此,普朗克与其第一任妻子所生的4个孩子全都去世。

在二战的最后几周内,普朗克和他的妻子陷入了盟军在易北河的进攻前线,二战结束后普朗克被送回了哥廷根。

二战结束后,虽然受到越来越多的健康问题的困扰,普朗克仍旧前往各地进行巡回演讲。1946年7月,普朗克作为唯一一位被邀请的德国人,参加了皇家学会纪念牛顿诞辰300周年的庆典。

1947年10月4日,普朗克因跌倒和多次中风的后遗症而去世,终年89岁。

普朗克的人格如何,跃然纸上。

可能有很多读者会质疑说普朗克的发现难道不就是毫无实验基础的瞎猜吗?不就是内插拼凑吗?不就是运气使然吗?其实,虽然这个方程的发现是经验主义的,但是关于普朗克之前热学理论的研究史料表明,普朗克对于这个公式是持有开放的态度。6年的沉浮,他自己对这个难题已经有了心里准备:经典的波动理论是无法解释黑体辐射现象的。在注入了热力学的假设后,辐射能量的不可连续化就已经在转角之处,这个推论也许早就在他的脑袋里萌芽,只不过他没能深挖,亦或是他不愿意侧目。《量子物理史话》中说,也正因为此,他才能在导出公式后的短时间内,以最敏锐的直觉指出蕴含其中的最无价的假设。

参考资料:

https://www.mpiwg-berlin.mpg.de/Preprints/P150.PDF

KUHN AND THE QUANTUM CONTROVERSY

http://www.math.lsa.umich.edu/~krasny/math156_article_planck.pdf

https://www.youtube.com/watch?v=tQSbms5MDvY

Photoelectric effect

Planck's law

Planck constant

Max Planck

Ultraviolet catastrophe

瑞利-金斯公式_百度百科

Equipartition theorem

Electromagnetic radiation

http://baike.baidu.com/item/维恩/23384

《量子物理史话》


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