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量子理论的奠基者——普朗克

相传,慕尼黑大学一位物理学教授曾劝说普朗克不要学习物理,认为“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”。但是有关“宇宙本性”的问题强烈地吸引了普朗克,他表示研究物理是出于对自然和理性的兴趣,说:“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。” 正是他求知的兴趣成就了量子论。


马克斯·普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck, 1858~1947)德国物理学家,量子力学的创始人,20世纪最重要的物理学家之一。在解决经典物理学的困难——黑体辐射问题时,提出能量子假说,引入了一个常数 h,对物理学的进展作出了重要贡献,获得1918年的诺贝尔物理学奖。

1、几经斟酌选定物理

普朗克1858年4月23日出生于德国的基尔城,他的祖上有一些是牧师、法学家和教授。他的曾祖父是莱布尼茨的再传弟子,在哥廷根任神学教授,他的祖父也是哥廷根的神学教授,而他的父亲是法学教授,在基尔大学和慕尼黑大学任教数十年,母亲出身于一个牧师家庭,普朗克有三个哥哥,两个姐姐和一个弟弟。浓厚的文化氛围使小普朗克自幼就受到了人文精神的熏陶,他幼年就表现出了一定的音乐才能,在哲学、神学、美学诸方面均打下了很好的基础,并养成了良好的道德观念和循规蹈矩的生活态度。

普朗克在基尔城开始了童年的学习生活,1867年随全家迁到慕尼黑,在那里上到了高中。学生时代的普朗克并非是出类拔萃的天才,在慕尼黑皇家马克西米连文科中学的班级里,他总是排在第4至第8的位置,教师们并没有看到他任何特殊的天赋,但他个性中蕴藏着文静的力量,性格中内含着腼腆的坚强,赢得了教师和同学们的喜爱。

入大学以前,他在选择专业方面曾一度徘徊于音乐、语言学和科学之间,当时德国的社会风气是重视人文与艺术,轻视自然科学。普朗克具备相当的音乐禀赋,他会弹钢琴、管风琴,还会拉大提琴,也喜欢谱曲作词。几经斟酌,他终于选择了科学。据说他在征求一位家庭至交的意见时,这位专业音乐家说:“假如你一定要问我的看法,我认为你最好去朝向其他方面发展。”


普朗克于1874年10月进入慕尼黑大学,起初主修数学,但是他的兴趣很快地就转向于物理学。当时的物理学教授约里曾经劝阻他,认为物理学已经“接近完工”,没什么搞头了,但是有关“宇宙本性”的问题强烈地吸引了普朗克,他没有接受劝阻。自称选择物理学作为自己的专业并不是渴望作出重大的发现,而主要是为了求知。

1875年,普朗克因病休学,1877年转入柏林大学,在那里听了基尔霍夫和亥姆霍兹等人的讲课,并自学了克劳修斯的《热的动力论》。后来他声称,正是克劳修斯的著作,将他吸引到物理学中来。普朗克于1879年7月28日以一篇有关热力学第二定律的论文,获得了慕尼黑大学的哲学博士学位,次年任该大学的无公薪讲师。1885年他被基尔大学聘为教授,有了固定的收入,生活有了保障,于是他结了婚,建立了自己的家庭,妻子是慕尼黑一位银行家的女儿。

在此期间,普朗克发表了不少论著,有些论著包括了很长的历史综述。普朗克专心研究热力学,1887年,他扩充了以前的论文,写成了《能量守恒原理》一书。1888年11月29日,普朗克成为柏林大学的副教授,接替已故基尔霍夫的职务,担任了新为他设立的理论物理学研究所的所长,并于1892年5月23日被提升为正教授。

普朗克不仅研究热力学,还研究力学、光学和电磁学。由于成就显著,他获得了许多科学荣誉。除了因1900年提出的能量子假说而荣膺1918年的诺贝尔物理学奖之外,从1894年起他成为普鲁士科学院的院士,1912年起担任该院数学和自然科学部的终身秘书。1926年普朗克被选为英国皇家学会的外籍会员,并获得该会的科普莱奖章,美国物理学会也曾聘请他为名誉会员。1928年,当他70岁大寿时,兴登堡总统赠给他一枚德国银鹰盾牌。1930年又被任命为柏林威廉皇帝学会主席,这是当时德国最高的学术职位之一。

1947年10月4日,普朗克在哥廷根逝世,终年89岁,他的坟墓前有一块长方形的石碑,上面刻了他的姓名,底部刻了“h=6.62×1027erg·s”的字样。


哥廷根城市公墓中的普朗克墓碑,无法看清下面是否刻有那个公式

2、极有成就的教育家

在高中时代,普朗克就曾经替数学老师代过几个星期的数学课,亥姆霍兹推荐他去柏林大学任教时说:“至于他作为一位教师的才能,我们从基尔大学已经获得了十分满意的报告。”在柏林大学,他的讲课遍及力学、流体力学、电动力学、光学、热力学和分子运动论,一般每六个学期轮流一遍。他讲课的内容都经过精心安排,清晰而有条理。印度物理学家玻色曾经表示,听了普朗克的讲课以后,才知道物理学是那样一个理论体系,在该体系中,整个课题可以从统一的立脚点并根据最少的假设来加以展开。

在40年的教育工作中,普朗克先后培养出了20多名哲学博士,其中劳厄和玻特后来获得了诺贝尔物理学奖,另外一些成了很有成就的物理学家,石里克成了著名的哲学家。

普朗克主张女子应享有受高等教育的权力,在他任柏林大学校长的一年内,在该校上学的女生超过770人,而当时全德国的女大学生不超过3700人,约占全体德国学生的6%。普朗克特别赏识奥地利女物理学家迈特纳,并把迈特纳请到柏林当自己的助教,而且成了他们家的常客和好友。


如今柏林洪堡大学(原柏林大学)校园中的普朗克雕像

当普朗克成了德国科学界的泰斗时,他用他那种惯常的极端负责的精神指引着德国科学发展的方向。晚年,在那种战时和战后的艰苦条件下,他仍然到处巡行演讲,阐述自己的科学、道德以及宗教观点。

3、有担当的社会活动家

早在1895年,普朗克就被柏林大学当局指定为一个委员会的成员,来解决一个棘手的问题。当时有一位无公薪讲师,名叫里奥·阿朗斯,此人是社会民主党的党员,用演讲和捐款来大力支持该党,因此普鲁士的文化教育部要求学校把他解职,但是讲师不是公职人员,他的任免权属于大学而不属于教育部。

普朗克认为,阿朗斯是一位很好的教师和有希望的科学家,而且此人也没有用自己的政见去影响学生,因此不应该把他解职,此事在报纸上引起了一场争论。到了1898年,普鲁士为此专门颁布了法律(被称为“阿朗斯法”)规定教育部门有权解职大学讲师。这时他们又要求柏林大学解聘阿朗斯,普朗克坚决不同意,结果教育部只好亲自出面来干涉这件尴尬事。可以想象,普朗克这样的学者是绝不愿反对当权者的,但是为了维护某种原则,他却也可以表现得很“顽固”。

第一次世界大战结束后,德国科学机构经费都十分短缺,作为德国科学界最有权威的人,普朗克向同事发出了“保存实力,继续工作”号召。1920年,普朗克、哈伯、施密特-奥特和能斯特等人发起成立了“德国科学紧急委员会”,负责筹集科学研究所需的经费,保证了20世纪20-30年代德国科学的继续发展。普朗克亲自参与“德国科学紧急委员会”下设的“日本委员会”的事务,确保从事量子理论研究的科学家能从中受益。

1929年,在普朗克获得博士学位50周年之际,德国物理学会决定设立“普朗克奖章”,他自己是第一个获得者,爱因斯坦紧接其后,两人同时授奖。此后“普朗克奖章”每年颁发一次,这个奖章只考虑物理学家们所做的贡献,而不考虑种族、国籍和政治态度。1937年,普朗克顶住纳粹的压力,将奖章授予了身为“雅利安人”但对纳粹意识形态较为反感,主动离开德国的奥地利物理学家埃尔温·薛定谔。1938年,这一奖章还颁发给德国的敌对国——法国的物理学家路易·德布罗意。


当希特勒在1935年攫取了德国的政权时,普朗克还担任着德国科学机构中的两个要职:柏林科学院的秘书和威廉皇帝学会的主席。两个机构都需要政府的支持,而当时纳粹当局也认为普朗克有可以利用之处:他家世“清白”,是纯粹的“雅利安人”;他在国际上有很崇高的学术地位,而且以道德高尚而受到许多正派人士的尊敬。当时普朗克确实考虑过隐退,他年事已高,隐退也有理由。但是他不断地收到各方面的来信,遇到困难的人们需要他的帮助,这就使他觉得自己有责任留下来,解决那些乱麻似的困难问题,他采取了委曲求全的做法。

4、晚年身世凄苦

“天有不测风云,人有旦夕祸福”,普朗克原本幸福的家庭,但从1909年起遭受了一系列的不幸。1909年,妻子玛丽·默克不幸因病去世,他深感伤悲。在第一次世界大战中,次子埃尔文成为法国人的俘虏,长子卡尔死于凡尔登战役。1917年,女儿格雷特死于生产,两年后,艾玛也死于同一原因。最大的不幸还在后面,1944年,他最亲近、最信任的次子埃尔文因为被误认为参与了刺杀希特勒的720政变,被纳粹投入监狱,普朗克动用了一切力量也没能把他营救出来,1945年1月23日埃尔文被处以绞刑。这时,普朗克第一次婚姻所带来的4个孩子全部去世,已是87岁的普朗克,此时的心情可想而知。


1944年2月,他的位于柏林格林瓦尔德的家在一次空袭造成的大火中化为灰烬,失去亲人和家园的他,从此流离失所。1945年5月的一天,一些美国同事把他送到哥廷根,住在一位亲戚家里。那时,他已经身体虚弱,经常生病,但他仍准备在德国科学重建的过程中做一个贤明的“长老”。1946年7月,他拖着病躯长途跋涉,以88岁的高龄赴英国伦敦,参加由于战争而推迟了四年才举行的牛顿诞生300周年纪念会,他是唯一被邀请的德国人。他用生命的最后一点力量来“推销”一个已经加以改进的德国,并且在困难的转型期临危受命,再次担任威廉皇帝学会主席。

5、坚韧不拔敢于挑战

普朗克在科学上取得了许多新成就,但彪炳青史的贡献是“能量子”概念的提出。普朗克奠定量子理论的整个过程可分为两个阶段:第一个阶段是寻找黑体辐射的普遍公式,事实上,这是普朗克一开始的最高目标;第二个阶段是对所找到的普遍公式的一个假设性的解释,在这一深思熟虑的解释中,发现了基本作用量子。其中第一个阶段除了体现他高深的数学修养之外,还表现了他坚韧不拔、有条不紊和一丝不苟的性格。而在第二个阶段就明显地表明了他的非凡的勇气和创新的思维特征,因为在这个过程中,他运用了巧妙的概念组合方法,还做出一个前所未有的假设,即振子的能量必须取不连续的、离散的值。这是一种冲破传统观念束缚的创新性思考,正是具有坚韧不拔的性格及敢于挑战经典观念的勇气,打破陈规的胆识,普朗克才有可能提出能量子假说,引入作用量子。

德国著名诗人和文学家席勒曾说:“我们不知道20世纪会怎样或者它会有什么成就,但它之前的每个时代都致力于造就20世纪。”

在某种意义上说,今天我们回首20世纪的科学历程,普朗克的量子理论的确造就了20世纪的一些重要的成就,无论是粒子物理学和核物理学,还是分子化学和分子生物学的建立,都依赖于量子理论。另外,计算机技术和激光技术也因为有了量子理论而飞速发展。我们相信,在21世纪中,量子理论将继续发挥它那巨大的作用,普朗克也将被人们永远地铭记于心。

来源:《现代物理知识》第21卷第6期,图片来自网络

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