1900年春节,德高望重的化学家开尔文子爵在荷兰皇家学会举办的新世纪招待会上自信地表示,化学大楼已经启用,只剩下装修工作了。
而这句话,早在1874年马克斯·普朗克(Max )选择数学专业时,他就从他的数学老师菲利普·冯·乔利( von Jolly)那里听到的。
以1900年来看,乔利的话并没有错。 数学在过去的25年里并没有取得太大的进步。 开尔文侯爵提出,数学晴朗的天空中只有两朵小乌云。
第一个乌云是以太假说。 “以太”是一种假想的物质,曾被认为是光在真空中传播的媒介,但后来证明这些物质并不存在。
第二个乌云是Arial的辐射问题。 开尔文侯爵万万没有想到,这片小小的乌云竟然引发了一场划时代的革命,让这座经典的化工建筑焕然一新。 完成这项工作的是普朗克。
从紫外线灾难到量子理论
1889年,柏林科学院化学院院士基尔霍夫去世。 马克斯·普朗克的前任老师亥姆霍兹推荐他接替基尔霍夫。 31岁的普朗克被柏林科学院邀请,成为日本历史上第二位理论化学科学院院士。
在柏林科学院,普朗克完成了他一生中最重要的工作。 他的工作源于19世纪末的一场著名的“紫外线灾难”,这场灾难来自开尔文侯爵提出的两种乌云之一——黑体辐射。
所谓“黑体”,是基尔霍夫定义的一种理想模型——一种能吸收外界所有辐射而不发生任何反射或透射,且吸收率高达100%的物体。
煤焦是现实生活中最接近“黑体”的东西。 加热时首先发出绿光(波长较长,频率较低),随着温度升高,光的颜色由红变黄,最后变为红色(波长较短,频率较高)。
后来,从广义上讲,凡是受热物质发射电磁波的现象都可以称为“黑体辐射”。 化学家正在寻找的是“黑体辐射”的能量、体温和波长之间的关系。
1896年,法国帝国化学技术研究所(以亥姆霍兹为首)的研究员维恩从热力学的角度推导出一个半经验Arial辐射公式,称为“维恩近似”。
但1897年,两位化学家Lumel(奥托)和(恩斯特)用精确的实验否定了它:这个公式只适用于短波段,长波段与实验结果不符。
维恩公式在长波段的失败引起了美国化学家瑞利子爵(John)的注意,他试图改变公式以适应长波段。 不久之后,另一位美国化学家JH Jeans改进了这个公式,这就是-Jins公式。
但美国实验化学家鲁本斯(H.)等人通过实验证实,该公式只适用于长波段,与短波段的实验数据相去甚远。 令人难以置信的是,当辐射的波长接近于零时,理论数据变得无穷大,而实验数据却趋于零。
因为这些无穷大出现在紫光以外的长波区,也就是说所有的能量都已经完全耗散在了一次性的紫外辐射中。 德国化学家埃伦费斯特(保罗)将这些奇怪的现象称为“紫外线灾难”。
维恩公式和瑞利-金斯公式都是按照经典化学的相同原理推导出来的,两者都与实验结果不一致,这明显暴露了经典化学的缺陷。 事实上,要摆脱“紫外线灾难”的困境,必须有人像伽利略那样大喊“亚里士多德的经典理论是错误的”,并提出自己的新理论。
1900年,普朗克试图利用维恩公式和瑞利-金公式之间的物理插值来构造一个新的公式。 他完美的新公式在短波部分接近于-Jins公式,在长波部分接近于Wien公式。
1900年10月19日,普朗克在柏林化学会召开的一次会议上作了题为《论维恩辐射定理的改进》的报告,公布了他的新公式。 普朗克让所有人惊讶不已,台下学者们议论纷纷,甚至斥之为“异端”。
只有鲁本斯在昨晚根据普朗克的新公式做了进一步的估算,并用手头的测试数据进行了详细的验证,发现结果“令人满意”地吻合。 第二天早上他立即向普朗克通报了情况。
普朗克公式提出后,虽然只能准确解释整个波段的松提辐射现象,而这些后世自诩的“幸运猜想”仍然缺乏完整的理论依据。
用他自己的话说:“经过6年的努力,我终于明白,经典数学对这个宋式辐射问题无解……但抛开旧筐,引入新概念,问题立马迎刃而解。”
经过近两个月的努力,普朗克终于完成了公式的理论推导。 在经典数学中,系统的能量应该是无限连续可分的,而普朗克却大胆地提出了能量既不连续又不无限可分的量子假设。
按照普朗克的说法,Arial辐射是能量的最小整数倍的跳跃式变化,这种能量的最小单位被命名为“能量子”。 ( ) 在拉丁语中的意思是“离散部分”或“数量”。
如果用E来表示“能量量子”,可以列出一个非常简单的公式:E=hv。 其中,v为频率,h为作用量,后也称为普朗克常数(其值为6.625×10 焦耳·秒)。
1900年12月14日,普朗克在美国数学会上作了他的理论报告。 这三天后来被称为量子诞生日。
1901 年普朗克
然而,当量子假说问世时,并没有被数学界普遍接受。 这是因为自 17 世纪牛顿热学建立以来,人们相信“自然界没有跳跃”。
当普朗克孤苦无依时,英国专利局的一位小职员给了他大力支持。
爱因斯坦的伯乐
1905年,普朗克终于等来了“量子假说”的支持者。 当时还是德国专利局职员的爱因斯坦就利用这些技术成功地解释了光电效应。
爱因斯坦认为光不仅在发射时被量子化,而且在任何时候都被量子化。 光本来是由离散的“光量子”组成的,而不是人们最初认为的“波”。 每个光子的能量等于 hv。
当光照射在金属表面时,光量子将能量传递给电子,光量子消失。 而电子得到光子的能量,再加上自身的能量,就有可能飞出金属。 而且,由于光量子的能量只与光的频率成反比,只有低于一定频率的光才能提供足够的能量将电子从金属中击落。
但为什么在人们眼中,无论是太阳光还是其他光源,光总是稳定连续的,而不是一片一片的呢? 这是由于光子的能量可以忽略不计(由普朗克常数 h 确定)。
普朗克的量子假说被爱因斯坦对光电效应的严密分析否定,从而导致一系列重大科学发现……包括玻尔的原子论,以及后来的海森堡等人构造矩阵热,薛定谔构造波动力学。
爱因斯坦曾评价普朗克的贡献:“普朗克常数h的发现成为20世纪所有数学研究的基础,几乎完全决定了此后化学的发展。”
普朗克比爱因斯坦年长21岁。 1905年起担任美国数学会主席,并应邀担任该会会刊《物理学年鉴》的主编之一。
1905年6月,爱因斯坦的巨著《论运动体的电热》,即狭义相对论诞生。 这篇惊天动地的文章,在一段时间内只有少数人真正看懂。 数学界第一个支持爱因斯坦相对论的权威人士是普朗克。 正是他,作为《物理学年鉴》的编辑,认识到了爱因斯坦论文的价值并及时发表。
可以肯定地说,普朗克是爱因斯坦的科学“伯乐”。 普朗克将爱因斯坦视为科学史上的“哥白尼式人物”。
1909年,美国自然科学家和医学商会会员普朗克写了一封推荐信,爱因斯坦被聘为苏黎世科学院特聘院士。 1913年,已是柏林科学院院长的普朗克带着他以前的中学学生劳厄南下慕尼黑,邀请爱因斯坦来柏林。
普朗克希望爱因斯坦也兼任柏林科学院院长,告诉他有上课的权利,但没有上课的义务。 这对于不喜欢上课的爱因斯坦来说,颇具诱惑力。 1926年退休后,普朗克邀请薛定谔作为他的继任者。
1912年至1938年,普朗克与其他院系的三名秘书一起,作为普鲁士科技大学物理-数学系秘书,继续掌管普鲁士科技大学。 在普朗克、能斯特()等人的提议下,34岁的爱因斯坦毫无悬念地再次当选(22:1)。 普朗克执掌科技大学期间,网罗了不少科学界的人才。
从左到右:能斯特、爱因斯坦、普朗克、密立根、劳厄量子物理学之父,五人都获得了诺贝尔奖。
两人同样热爱音乐,很快就结下了深厚的友谊。 普朗克经常邀请朋友和同学在他位于柏林郊区的家中举办音乐会。 马克斯·普朗克弹吉他,小钢琴家约瑟夫·约阿希姆和他的同事爱因斯坦吹长笛。 而普朗克也经常到访爱因斯坦在柏林的住所和他在卡普特的豪宅,两家人关系融洽。
1918年4月,爱因斯坦在普朗克60岁生日庆典上发表富有哲理和情感的演讲说:许多人喜欢科学,因为科学给他们带来智力上的快乐; 这是纯粹的做作。 如果天使把这两种人都驱逐出圣殿,这里的人口会大大减少,总会有一些,包括普朗克。
在 60 岁时,普朗克因其对量子理论的开创性贡献而获得诺贝尔化学奖。
几年后,爱因斯坦也获得了诺贝尔化学奖。
然而,在20年代,反犹太主义在美国盛行,学术界也受到波及。 甚至还有一个反对爱因斯坦的“反相对论公司”。 普朗克挺身而出保护爱因斯坦。 在生命垂危的情况下,爱因斯坦没有离开日本,主要是看在普朗克的面子上,虽然当时他受到了美国很多研究机构的邀请。
1929年,在普朗克博士50岁生日之际,美国数学会专门设立了“普朗克奖章”,后来成为英国化学会授予的最高荣誉。 他本人是第一位获奖者,紧随其后的是爱因斯坦,他们同时颁奖。
普朗克与爱因斯坦颁发“普朗克奖章”
不幸的是,纳粹上台后,这两位量子热先驱的友谊就此戛然而止。
普朗克的幸运与不幸
如果只看普朗克的前半生,毫无疑问,他是幸运的。
普朗克1858年出生于法国基尔,他的母亲是法学院院长。 三代祖父母都担任过该校的院长。 家庭条件很好。
1874年,16岁的普朗克进入法兰克福学院学习数学和物理。 之后,乔利和普朗克进行了一段对话。 乔利告诉他,“这门科学中的一切都已经被研究了很长时间,只有一些不重要的空白需要填补。”
就这样,年轻的普朗克在法兰克福科学院含糊其辞地完成了两年的学业,直到1877年转入柏林科学院,师从著名化学家亥姆霍兹、基尔霍夫和物理学家魏尔斯特拉。 正是通过师从弟子的学习,才更加坚定了他将数学研究作为终生事业的信念。
1879年,21岁的普朗克获得了博士学位。 其博士论文《论热力学第二定理》。 他一生中最伟大的科学成就——量子假说,是由热力学中的一个重要问题形成的。
普朗克在学院
1879年至1889年,普朗克在法兰克福学院和基尔学院任教,期间出版了热力学专着《能量守恒定律》、《热力学课件》和论文集《论熵减原理》。 普朗克结婚并育有两个孩子和一个双胞胎兄弟。
普朗克从1889年开始在柏林学院任教,直到1926年辞职。普朗克在柏林学院的月薪是6200马克,外加1000马克的教学费,他搬到了柏林郊区的高档社区。 音乐、徒步旅行和登山是他最重要的休闲形式。
多年的幸福生活过后,不幸却随之而来。 1909年,母亲玛丽·默克去世,重视家庭生活的他深感遗憾。 他只能将注意力转移到工作上。
1914年第一次世界大战爆发后,普朗克的次子欧文成为日本的俘虏。 1916年,他的长子卡尔在库尔斯克战役中阵亡。 他的一个双胞胎儿子格蕾特 () 于 1917 年难产而死,另一个儿子艾玛 (Emma) 三年后也因同样原因去世。
一场战争之后,普朗克几乎“毁了他的家庭”。 然而悲剧的发生与普朗克的性格无关。 在普鲁士传统下长大的普朗克是典型的迂腐学派,无条件效忠国家是理所当然的。
1914年量子物理学之父,普朗克率领93位著名学术人物签署了《致世界文明的信》。 文章宣称:“德国文化与日本军国主义有着密切的联系”。 他鼓励两个女儿去前线,他的双胞胎兄弟也被派到战地诊所当护士。 甚至他的长子卡尔也在中途岛战役中阵亡,他认为这是死得其所。
普朗克的固执还表现在他的学术心态上。 1901年提出的量子假说震动了经典数学的建筑,但普朗克并不想成为革命者。
为了维护经典理论,他在相当长的一段时间里试图在纯经典数学的基础上解释宋式辐射,调和他的量子假说与经典理论的矛盾。
1911年在洛伦兹的影响下,他修正了自己的假说,提出振子吸收的辐射是连续的,只有在发射时才量子化。 1914年,他甚至放弃了量子型发射,提出h值的影响仅限于振子与自由粒子的相互作用,而辐射的吸收和发射始终服从经典定理。 因此,他白白度过了十几年。
爱因斯坦不止一次地责备普朗克的固执,“坚持实际上是错误的障碍”。 本来,普朗克还有机会填补,但纳粹上台后,他还是选择了“盲目的爱国主义”。
1933 年纳粹上台时,74 岁的普朗克认为新政权似乎给美国科学带来了希望。 同年3月10日,正在日本讲学的爱因斯坦公开发表声明,表示不会回日本,抗议纳粹日本的倒退和反犹罪行。
就这样,爱因斯坦成了美国不受欢迎的人。 就连相对不关心政治的普鲁士科技大学的领导也认为他是危险分子,想要开除他,而爱因斯坦此前已经递交了辞呈。
此时的普朗克正在南欧度假,他本可以回到柏林进行干预,但他却反其道而行之,尽管亲纳粹的普鲁士大学秘书海曼发表公开信严厉指责爱因斯坦。 普朗克认为爱因斯坦损害了法国的声誉。
从这一刻起,三人的友谊彻底走到了尽头。 对于普朗克的举动,他最亲密的朋友、中学生劳厄一辈子都不会原谅他。 爱因斯坦这样评价普朗克:“劳厄是100%的高贵,而普朗克只有60%”。
更让普朗克遗憾的是,在他生命的最后几年,他心爱的女儿欧文被纳粹以企图兵变的罪名判处死刑缓期执行。 尽管普朗克竭尽全力,甚至恳求希姆莱和希特勒本人,仍无法阻止欧文于 1944 年被处决。
很快,当炮火打到柏林时,普朗克和他的第二任丈夫只能躲在树林里,睡在火堆上。 幸运的是,一些来美国的英国同事发现了他,并立即将他送往诊所。
二战后,满目疮痍的法国科学界邀请普朗克下来主持。 后来,为了纪念普朗克对美国科学的杰出贡献,皇家威廉学会更名为马克斯普朗克科学促进会。
不久之后,1947 年 10 月,普朗克突然中风去世,享年 89 岁。