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普朗克:能量守恒定律的故事

更新时间:2024-01-18 文章作者:佚名 信息来源:网络整理 阅读次数:

普朗克naq物理好资源网(原物理ok网)

普朗克(Max,1858—1947),美国化学学家。量子化学学的开创者和奠基人,1918年诺贝尔化学学奖金的获得者。他那离经叛道的革命思想打破了数学学自牛顿以来的蛰伏,迎来了新世纪数学学的蓬勃发展。naq物理好资源网(原物理ok网)

1858年4月23日,普朗克生于英国基尔的一个书香门第之家。曾祖母和叔父曾在哥廷根学院任神学院士,舅舅和母亲分别是哥廷根学院和基尔学院的法学院长。1867年,其父应法兰克福学院的聘请任教,因而举家移居阿姆斯特丹。普朗克在阿姆斯特丹渡过了少年时期。普朗克走上研究自然科学的公路,在很大程度上应当归功于一个名叫缪勒的小学老师。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:一个建筑匠人花了很大的力气把砖迁往楼顶上,匠人做的功并没有消失,而是弄成能量储存出来了;一旦砖块由于风化松动掉出来,砸在别人头上或则东西里面,能量又会被释放下来……这个能量守恒定理的故事给普朗克留下了终身难忘的印象,不但使他的爱好转向自然科学,并且成为他之后研究工作的基础之一。naq物理好资源网(原物理ok网)

普朗克先后在纽伦堡学院和柏林学院学习,以前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,去柏林学院听过物理家外尔斯特拉斯和化学学家亥姆霍兹和基尔霍夫的授课。普朗克晚年追忆这段经历时说,这两位数学学家的人品和治学心态对他有深刻影响,但她们的授课却不能吸引他。在柏林期间,普朗克认真自学了R.克劳修斯的主要专著《力学的热理论》,使他立志去找寻像热力学定理那样具有普遍性的规律。1879年,他以《论热力学第二定理》的论文获博士学位。1880年,普朗克成为法兰克福学院化学学讲师,5年后被基尔学院聘为理论化学学特约院士。1889年,在基尔霍夫去世后,柏林学院委任他为基尔霍夫的继任人(先任副院长,1892年后任院长)和理论化学学研究所所长,并仍然在此工作到1926年退职。1900年,他在宋体幅射研究中引入能量量子。因为这一发觉对化学学的发展做出的贡献,他获得1918年诺贝尔化学学奖。1894年,普朗克被选为普鲁士科大学教授;1926年,他被美国皇家学会吸收为会员。他同时还担任柏林威廉皇家研究所主任。自20世纪20年代以来,普朗克成了美国科学界的中心人物,与当时日本以及美国的著名化学学家都有着密切联系。1918年被选为日本皇家学会会员,1930—1937年他兼任威廉臣子商会会长。在那时期,柏林、哥廷根、慕尼黑、莱比锡等学院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。在纳粹谋取波兰政权后,以一个科学家对科学、对祖国的满怀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日在哥廷根病逝。naq物理好资源网(原物理ok网)

普朗克初期的研究领域主要是热力学。他的博士论文就是《论热力学的第二定理》。随后,他从热力学的观点对物质的集聚态的变化、气体与氨水理论等进行了研究。naq物理好资源网(原物理ok网)

普朗克在数学学上最主要的成就是提出知名的普朗克幅射公式,成立能量子概念。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”。naq物理好资源网(原物理ok网)

量子论和相对论是现代数学学的两大基础理论。它们是在20世纪头30年发生的化学学革命的过程中形成和产生的,而且也是这场革命的主要标志和直接的成果,量子论的诞生成了数学学革命的第一声号角。经过许多化学学家不分民族和国籍的国际合作,在1927年它产生了一个严密的理论体系。它除了是人类洞察自然所取得的富于革命精神和极有成效的科学成果,并且在人类思想史上也占有十分重要的地位。假如说相对论作为时空的数学理论从根本上改变人们往年的时空观念,这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推进。它对人与自然之间的关系的重要修正,影响到人类对把握自己命运的能力的见解。量子论的成立经历了从旧量子论到量子热学的近30年的历程。量子热学形成原先的量子论一般称旧量子论。它的主要内容是陆续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。naq物理好资源网(原物理ok网)

在19世纪末,古典数学学早已取得了辉煌的成就。普朗克曾向受人敬爱的克拉科夫学院院长诺利征询意见,院长觉得化学学已接近完美,没有再研究的必要,劝他不要从事数学研究,但普朗克还是选择了数学学作为自己一生的追求。实际上,当时正处于顶峰的古典数学学正面临着前所未有的危机,最具代表性的就是数学学上空的“两朵乌云”。其中之一是人们用精典数学学解释宋体幅射实验的时侯,出现了知名的所谓“紫外灾难”。从1894年起,他把注意力转向当时数学学界正热烈探究的宋体幅射问题。naq物理好资源网(原物理ok网)

19世纪中叶,冶金工业的往前发展所要求的低温检测技术促进了热幅射的研究。已然成为法国工业强国的日本有许多化学学家旨在于这一课题的研究。英国成为热幅射研究的发祥地。所谓热幅射就是物体被加热时发出的电磁波。所有的热物体就会发出热幅射。汇聚态物质(固体和液体)发生的连续幅射很强地依赖它的湿度。一个物体被加热从暗到发光,从发绿光到黄光、蓝光直到白光。1859年,柏林学院院长基尔霍夫按照实验的启发,提出用宋体作为理想模型来研究热幅射。所谓宋体是指一种才能完全吸收投射在它前面的幅射而全无反射和透射的,看起来全黑的理想物体。naq物理好资源网(原物理ok网)

1895年,维恩从理论剖析得出,一个带有小孔的空腔的热幅射性能可以看作一个宋体。实验表明这样的宋体所发射的幅射的能量密度只与它的湿度和频度有关,而与它的形状及其组成的物质无关。宋体在任何给定的气温发射出特点频度的波谱。这波谱包括一切频度,但和频度相联系的硬度却不同。如何从理论上解释宋体能填词线是当时热幅射理论研究的根本问题。1896年,维恩依据热力学的普遍原理和一些特殊的假定提出一个宋体幅射能量按频度分布的公式,后来人们称它为维恩幅射定理。普朗克就在这时加入了热幅射研究者的行动。naq物理好资源网(原物理ok网)

他的研究方向从热力学转向热幅射,就是到柏林后才开始的。开始时他用热力学方式研究宋体幅射理论。他假设空腔壁是由具有相同频度的电谐振子组成的,用热力学方式处理这些谐振子集。1899年,他得到了一个和维恩幅射定理一致的关系式。同年年末他得悉库尔鲍欧和鲁本斯在9月份发表的实验报告,维恩以及他自己的幅射定理在高频部份与这实验相符,而在低频部份则与实验偏离。他不得不尝试更改自己的公式,他得到了一个,一直不好。naq物理好资源网(原物理ok网)

正当他继续更改自己的幅射公式时,1900年6月日本化学学家瑞利和金斯发表论文批评维恩在推论幅射公式时引入了不可靠的假设。他把统计数学学的能量均分定律用于他的一个以太震动模型,导入了一个新的幅射公式——瑞利—金斯公式。同年10月7日,鲁本斯夫妻走访普朗克,并告诉他瑞利—金斯幅射定理在低频部份与他的实验相符,在高频部则与实验相差甚大。普朗克深受启发,立刻用内插法导入了一个在高频趋近维恩公式而在低频则趋近瑞利—金斯公式的新的幅射定理。10月19日,他在美国数学学会的大会上以《论维恩幅射定理的改进》为题报告了自己的结果,即“普朗克幅射公式”。鲁本斯昨晚进行了核验,证明普朗克的新公式同实验完全相符。鲁本斯坚信普朗克公式与实验曲线的精确一致绝非巧合,在这个公式中一定蕴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。普朗克遭到极大的鼓舞,并决定找寻隐藏在公式背后的数学实质,并确定公式中所取的两个常数的具体方式。这一决心使普朗克走上了发觉量子之路。naq物理好资源网(原物理ok网)

普朗克又回到他的谐振子模型,但是此次他把出发点从热力学转入统计数学学。并且他回避了能量均分定律。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,导入了振子热平衡时的能谱分布公式。普朗克根据玻尔兹曼统计思想,认真地考虑熵与机率的关系,幅射公式的真正数学意义被一步步阐明下来。1900年12月14日,在经过“一生中最紧张的几个礼拜的工作”之后,他总算做出了“孤注一掷的行动”:在美国数学学会的会议上,普朗克发表了他那影响现代文明的知名论文——《关于正常波谱的能量分布定理的理论》,宣告了量子论的诞生。这是现代数学学上的一场革命性突破。在这个报告中,他兴奋地阐释了自己最惊人的发觉。他说,为了从理论上得出正确的幅射公式,必须假设物质幅射(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,幅射频度是ν的能量的最小数值E=hν。其中h,普朗克当时把它称作基本作用量子,现今称作普朗克常数。普朗克常数是现代数学学中最重要的数学常数,它标志着数学学从“经典幼虫”变成“现代蝴蝶”。1906年普朗克在《热幅射课件》一书中,系统地总结了他的工作,为开辟探求微观物质运动规律新途径提供了重要的基础。naq物理好资源网(原物理ok网)

其实在围绕原子论的争辩过程中量子物理学理论,玻尔兹曼在指责唯能论时说过“怎么能说能量就不像原子那样分立存在呢”这样的话,马赫以前表明物理运动不连续性的观点,但真正把能量不连续的概念引入数学学的是普朗克。naq物理好资源网(原物理ok网)

精典化学学一向觉得能量是连续的,并将这一传统观念当作金科玉律。但用它研究宋体幅射时却带来了“紫外灾难”,表明了精典理论的局限性。普朗克冲破了传统观念的禁锢,提出了能量分立性的思想,这是数学学领域基本概念的重大变迁。但也因为这个理论与精典理论是这么之格格不入,当时数学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,美国的《自然科学和技术史指南》发行第二版,书中详细列举了1900年全世界120项发觉、发明,就是没有提及普朗克的名子。人们承认普朗克得到与实验相符的宋体幅射公式,却不接受他的量子假说,其重要意义没有造成化学学界应有的关注,直至爱因斯坦的光量子假说和光电效应多项式于1905年的问世。直至1913年,德国数学学权威尼尔斯·波尔用量子论第一次成功地估算出波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。naq物理好资源网(原物理ok网)

普朗克的量子概念破坏了精典数学学的庞大体系,成了现今科学的重要基础。按照精典化学学,能量与其他化学量一样,可以连续取值。而能量不能连续的思想引入数学学后,精典化学学所遇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,微观数学学迅速发展为20世纪数学学的主流,并为后来的爱因斯坦在这一理论上的推动和突破打下了坚实的基础。naq物理好资源网(原物理ok网)

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。凭着勇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,他得到了数学学的最高荣誉奖——诺贝尔化学学奖。1926年,他被推选为瑞典皇家学会的最中级名誉会员。日本也选他为数学学会的名誉会长。1930年,他又被英国科学研究的最高机构威廉皇家推动科学商会选为会长。naq物理好资源网(原物理ok网)

遗憾的是,普朗克其实发觉了能量子,但他不能理解这一发觉的意义,对自己的发觉常年焦躁不安。在发觉能量子以后的历时14年时间,他总想退回到精典化学学的立场。他曾在遛弯时对母亲说:“我如今做的事情,要么毫无意义,要么可能成为牛顿之后化学学上最大的发觉。”到了1909年,当他重新投入量子问题的研究时,当初嘱咐自己和他人,要尽可能避开采取冒险步骤,他说:“在将作用量子h引入理论时,应该尽可能保守从事;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。”naq物理好资源网(原物理ok网)

1910年,普朗克提出了一个理论,觉得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。naq物理好资源网(原物理ok网)

1914年,他又提出一个理论,干脆撤销了量子假说,觉得发射过程也应假设是连续发生的,这又是一次大倒退。naq物理好资源网(原物理ok网)

在普朗克迟疑徘徊甚至倒退的时侯,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,克服了精典理论解释原子稳定性的困难,完善了他的原子结构模型,取得了原子化学学划时代的进展;1922年,康普顿通过实验最终使化学学家们确认光量子图景的实在性,进而使量子理论得到科学界的普遍承认。naq物理好资源网(原物理ok网)

致使普朗克常年迟疑徘徊的缘由是传统观念的禁锢。自从17世纪牛顿热学完善后,自然过程连续性的观念在数学学中早已根深蒂固。莱布尼兹以前说过:“自然界无跳跃。”19世纪,电磁场理论的构建更使这一观念深入人心,要冲破它确实不容易。普朗克14年来迟疑徘徊带来的影响是:他没有在量子论的进一步发展中做出贡献,没有才能跟随这一理论的进一步发展,科学领域的开拓者成了落伍者。在量子论成立的最初10年里,爱因斯坦起到了旗手的作用。并且到了1951年,爱因斯坦却这样总结了他的探求工作:“整整50年有意识的思索,还没有使我更接近‘光量子是哪些’的答案。其实,明天每一个不老实的人都觉得他晓得答案了,但他在愚弄他自己。”量子热学的幽深难解显然是让普朗克倒退的另一个诱因。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因为它在微观领域研究中的普遍意义和价值。naq物理好资源网(原物理ok网)

面对量子论的发展与成功,以及科学界的批评,普朗克最终舍弃了倒退的立场。1920年,在诺贝尔奖颁奖典礼上,他作了题为《量子理论的成立和当前的发展状况》的讲演,讲演中他说:“……我认为整个的发展过程其实是为歌德在好久先前所说的一句格言提供了一个新的证明,这句格言是:‘人要拼搏就要有错误。’”naq物理好资源网(原物理ok网)

1947年10月3日,普朗克在哥廷根逝世,终年89岁。日本政府为了记念那位伟大的化学学家,把威廉皇家研究所更名叫普朗克研究所。naq物理好资源网(原物理ok网)

普朗克步入科学殿堂之后,无论遇见哪些困难,都没有动摇过他献身于科学的决心。他的家庭陆续发生过许多不幸:1909年父亲过世,1916年父亲在第一次世界大战中战死,1917年和1919年两个儿子先后都死于难产,1944年长子被希特勒处决,在二次大战将要结束时,他的家被炸成瓦砾。而且普朗克总是用奋发忘我的工作抑制自己的爱情和愤慨,为科学作出了一个又一个重要的贡献。naq物理好资源网(原物理ok网)

普朗克为人谦逊,作风严谨。在1918年4月日本数学学会庆祝他60大寿的记念会上,普朗克致答词说:“试想有一位矿工,他竭尽竭力地进行贵重矿石的钻探,有一次他找到了天然金银矿,并且在进一步研究中发觉它是无价之宝,比原先可能构想的还要贵重无数倍。如果不是他自己碰上这个宝藏,这么无疑地,他的朋友也会很快地、幸运地碰上它的。”这其实是普朗克的谦卑。洛沦兹在评论普朗克关于能量子这个大胆假定的时侯所说的话,才道出了问题的本质。他说:“我们一定不要忘掉,这样灵感观念的好运气,只有这些勤奋工作和深入思索的人才能得到。”naq物理好资源网(原物理ok网)

普朗克仍然遭到同学们的敬爱,这除了是因为他的重要科学发觉,并且还因为他的品德高尚。纳粹统治奥地利时期,普朗克留在自己的祖国,他公开反对政府的个别新政,非常是反对残害犹太人的新政。这是他一生中遭到痛楚和不幸的时期。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欺压的犹太籍科学家而奔忙呐喊。当时希特勒曾说:假如不是普朗克年事已高,早该把他关进集中营。naq物理好资源网(原物理ok网)

普朗克的工作得到了科学界的高度赞誉。1948年,在追思普朗克的会议上,爱因斯坦作了这样的评价:“作用量子这一发觉成为20世纪数学学研究的基础,从那时起几乎完全决定了化学学的发觉。要是没有这一发觉,那就不可能构建起分子、原子以及支配它们变化的能量过程的理论。并且量子物理学理论,它还粉碎了古典热学和电动热学的这个框架,并给科学提出了一项新任务:为全部数学学找出一个新的概念基础。”naq物理好资源网(原物理ok网)

普朗克的伟大发觉和他的崇高品格,使他的名子与科学史上许多伟大的名子并列在一起。正如他的中学生、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子被遗忘。”爱因斯坦在普朗克的讣告中说道:“一个以伟大的创造性观念惠及于世界的人,不须要后人来歌颂。他的成就本身就已给了他一个更高的感念。”naq物理好资源网(原物理ok网)

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