作者:高冠中(德国汉堡)2022/10/19
和中国科学院一样,德国也有类似的机构,叫马普学会。它是德国最大的科研机构,主要从事自然科学的基础理论研究。全国有80多个马普研究所(中国科学院共有110多个研究所),每个研究所几百人,共有2万多名工作人员。还有1000多名外国科学家和奖学金获得者在那里工作。学会取得了许多成果,培养了不少人才,有30多位科学家获得了诺贝尔奖。如今,马普学会的管理机构设在慕尼黑。
这个科研组织为什么叫马克斯·普朗克学会呢?看看它的全名,马克斯·普朗克学会(Max--)。原来是为了纪念诺贝尔奖获得者、杰出的物理学家、量子理论的创始人马克斯·普朗克(1858-1947),他曾多年担任该学会的会长。
马克斯·普朗克1858年4月23日出生于德国北部港口城市基尔一个受过良好教育的传统家庭,父亲是法学教授。普朗克童年的最初几年在基尔度过,直到1867年全家搬到慕尼黑。普朗克就读于慕尼黑的马克西米利安文理中学,他在音乐方面很有天赋,会弹钢琴、大提琴和风琴,还会作曲,曾考虑成为一名职业钢琴家。他的数学也很好。1874年,普朗克进入慕尼黑大学学习数学,但最终他选择了学习物理,并把自己的决定解释为“人生中最崇高的科学追求”。慕尼黑物理学教授菲利普·冯·乔利( von Jolly,1809-1884)曾劝普朗克不要学物理,认为“这门科学里所有的东西都已经被研究过了,只需要填补一些不重要的空白。” 这也是当时很多物理学家的想法,但普朗克坚持说:“我并不指望发现新大陆,我只希望了解现有的物理学基础,并可能深化它们。”
1877年,普朗克转入柏林大学,在物理学家亥姆霍兹和基尔霍夫的指导下进行研究。1879年,他回到慕尼黑并获得博士学位。
普朗克在基尔大学担任副教授两年后,于1888年来到柏林大学,接替基尔霍夫担任理论物理学教授。
普朗克的成就主要在热力学领域,从博士论文开始,他一直专注于热力学第二定律的研究,发表了多篇论文,1894年前后,他开始研究黑体辐射问题。
在那个时代,物理学取得了一系列令人惊叹的进步。人们的视野不再局限于眼前的世界,而是延伸到了更深更广的世界。但在物理学领域,还有一个问题困扰了物理学家几十年:黑体。黑体是指可以“吃掉”投射到其上的所有辐射(不反射任何光线)但不留任何痕迹的东西。尽管科学家付出了所有努力,但他们无法用经典物理学来解释这一现象。
在研究黑体辐射时,普朗克遇到了与其他科学家相同的问题:现有物理学无法解释他发现的结果。
经过五年的研究和探索,1900年,42岁的普朗克发现了一个方程来解释这些问题。12月14日,在德国物理学会的例会上,普朗克作了《关于正常光谱中能量的分布》的报告。在这次报告中,他激动地阐述了他最惊人的发现。他说,为了从理论上推导出正确的辐射公式,必须假定物质辐射(或吸收)的能量不是连续的,而是一片一片的,也就是只能取某个最小值的整数倍的跳跃式变化。这个最小值称为能量子,辐射频率为ν的能量的最小值为ε=hν。其中h,普朗克当时把它称为基本作用量子,后来被命名为普朗克常数。通俗地说,能量应该比喻为机关枪射出的一连串子弹,而不是水管喷出的连续水流。 这篇报告标志着物理学从“古典幼虫”蜕变成“现代蝴蝶”,这一天成为量子理论诞生的伟大时刻,宣告新物理学革命的开始。
这种新的能量理论彻底改变了物理学,让我们对物质和辐射的性质有了更深入的理解。它也为爱因斯坦后来提出的相对论铺平了道路。爱因斯坦用这个概念来解释光电效应。丹麦物理学家玻尔在1913年在他的原子结构理论中使用了这个概念。
1905年,当时还默默无闻的爱因斯坦在科学杂志《物理学年鉴》(der)上发表了三篇开创性的论文。普朗克是少数几个很快发现爱因斯坦相对论重要性的人之一。由于普朗克的影响,相对论很快在德国得到认可,而普朗克本人也为狭义相对论的完成做出了重要贡献。
在此期间,普朗克担任柏林大学校长,他邀请爱因斯坦来柏林,并于1914年为爱因斯坦设立了新的教授职位,两人很快建立了良好的友谊。
起初,普朗克发现的意义并未被充分理解。直到爱因斯坦等人进一步发展了量子理论,普朗克发现的革命性才显现出来。1918年,科学界已充分认识到普朗克研究的重要性,瑞典授予这位先驱诺贝尔物理学奖。
1926年10月1日,普朗克退休,继任者是埃尔温·薛定谔(1887—1961)。薛定谔推导出了量子力学的波动力学体系,即薛定谔方程,并因此获得1933年诺贝尔物理学奖。
普朗克虽然在学术生涯中取得了巨大的成功,但他的个人生活却充满悲剧色彩。在战火纷飞的20世纪,个人悲剧不禁与时代联系在一起。他的第一任妻子于1909年去世,长子卡尔在第一次世界大战中牺牲,小儿子埃尔文也被指控参与刺杀希特勒的阴谋而被判绞刑。
1944 年,在一次空袭中,一枚炸弹击中了普朗克的房子,摧毁了他的许多财产,包括他所有的科学笔记本。
1930年,普朗克当选德国最高科研组织威廉皇帝学会(KW)会长。该学会成立于1911年,以当时德国皇帝的名字命名。首任会长为历史学家阿道夫·哈纳克(Adolf ,1851-1930)。普朗克为第二任会长,因不满政府对待犹太科学家的方式,于1937年辞去会长职务。
第二次世界大战结束后,威廉皇帝学会在哥廷根重建,普朗克出任会长,1946年4月1日由化学家哈恩继任。1946年9月11日,学会更名为马克斯·普朗克学会,普朗克被任命为名誉会长。
普朗克于1947年10月4日因病去世,享年89岁。他的墓在哥廷根市公墓(Der alte物理学家玻尔,离火车站不远)英语作文,墓碑是一块简单的长方形石碑,上面只刻着他的名字。他的墓志铭是一行数字,即普朗克常数。这也是对他一生最大贡献——提出量子假说的肯定。
普朗克的名声主要在于他是量子理论的创始人,量子理论彻底改变了人们对原子和亚原子过程的认识,就像爱因斯坦的相对论彻底改变了人们对空间和时间的认识一样。他和爱因斯坦被誉为20世纪两位最重要的物理学家和物理学革命的先驱。他们的贡献共同构成了20世纪物理学的基本理论。
量子理论只是量子力学革命的开始。20 世纪 20 年代,量子力学()在旧量子理论的基础上发展起来,成为研究组成物质的微小粒子及其相互作用的力的物理学分支。在量子力学的创立过程中,德国科学家海森堡(1901-1976)发挥了重要作用。
维尔纳·海森堡( ,1901年12月5日生于维尔茨堡,后就读于慕尼黑大学,获博士学位。1925年,年仅24岁的海森堡创立了量子力学的矩阵力学体系,并因此获得1932年的诺贝尔物理学奖。1926年,薛定谔发现通过数学方法可以统一矩阵力学和波动力学两种表达方式,初步建立了量子力学的理论体系。海森堡的《量子理论物理原理》是量子力学领域的经典著作。
1927年,海森堡提出了“不确定性原理”(Unschä,又译为测不准原理)。这一原理从理论上指出了我们进行科学测量的能力的局限性。例如,对于一个粒子,我们必须要么知道它的位置,要么知道它的动量:我们不能同时知道两者。现在我们已经明白,我们不能要求科学回答“什么是绝对真理”。
二战前夕,海森堡接到兵役命令,到国防部军备局报到。纳粹政府强迫他参与原子弹的研制。但这个计划由于种种原因未能成功。海森堡解释道,他一直在拖延这个计划,以防止希特勒得逞。战争末期,海森堡和核裂变的发现者哈恩被盟军俘虏,押往英国监禁,约一年后被遣返回德国。他领导了马克斯·普朗克学会物理与天体物理研究所,并于1958年随研究所迁往慕尼黑。
海森堡于1976年2月1日在慕尼黑去世,享年75岁。
量子力学的效应在很多现代技术设备中发挥着重要作用,从激光器、电子显微镜、原子钟到核磁共振的医学图像显示装置,都依赖于量子力学的原理和效应。量子力学的概念在核武器的发明中也起到了关键作用。如果追溯起源,量子理论的创始人普朗克被称为量子力学之父物理学家玻尔,海森堡也是量子力学的创始人之一。他们俩都被列入影响世界历史的100位名人之列。