「歷史人物」普朗克,宣告牛頓時代終結的使者

普朗克全名為馬克斯·卡爾·恩斯特·路德維希·普朗克(1858年4月23日—1947年10月4日),出生於德國荷爾施泰因,德國著名物理學家、量子力學的重要創始人之一。

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學生時代的普朗克(1878年)

普朗克的求學生涯

1958年4月23日普朗克生於基爾,在此度過幾年童年時光後,於1867年全家搬往慕尼黑。中學,普朗克是在慕尼黑的馬克西米利安文理中學就讀,並在那裡他受到數學家奧斯卡·馮·米勒(後來成為了德意志博物館的創始人)的啟發,引起青年時期的普朗克發現自己對數理方面有興趣。普朗克不僅長得帥,而且十分具有音樂天賦。他會鋼琴、管風琴和大提琴,還上過演唱課,曾在慕尼黑學生學者歌唱協會為多首歌曲和一部輕歌劇作曲。

但是在大學,普朗克選擇物理作為他的專業。慕尼黑的物理學教授菲利普·馮·約利曾勸說普朗克不要學習物理,他認為“這門科學中的一切都已經被研究了,只有一些不重要的空白需要被填補”,這也是當時許多物理學家所堅持的觀點,但是普朗克回覆道:“我並不期望發現新大陸,只希望理解已經存在的物理學基礎,或許能將其加深。”普朗克於1874年在慕尼黑開始了他的物理學學業。

1877年至1878年,普朗克轉學到柏林,在著名物理學家赫爾曼·馮·亥姆霍茲和古斯塔夫·羅伯特·基爾霍夫以及數學家卡爾·魏爾施特拉斯手下學習。關於亥姆霍茲,普朗克曾這樣寫道:“他上課前從來不好好準備,講課時斷時續,經常出現計算錯誤,讓學生覺得他上課很無聊。”而關於基爾霍夫,普朗克寫道:“他講課仔細,但是單調乏味。”即便如此,普朗克還是很快與亥姆霍茲建立了真摯的友誼。普朗克主要從魯道夫·克勞修斯的講義中自學,並受到這位熱力學奠基人的重要影響,熱學理論成為了普朗克的工作領域。

1878年10月,普朗克在慕尼黑完成了教師資格考試。

1879年2月遞交了他的博士論文《關於熱力學第二定律》。

1880年6月以論文《各向同性物質在不同溫度下的平衡態》獲得大學任教資格。


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1901年的普朗克

普朗克的學術成就

1885年4月,基爾大學聘請普朗克擔任理論物理學教授,年薪約2000馬克,普朗克繼續他對熵及其應用的研究,主要解決物理化學方面的問題,為阿累尼烏斯的電解質電離理論提供了熱力學解釋,但卻是矛盾的。在基爾這段時間,普朗克已經開始了對原子假說的深入研究。

1897年,哥廷根大學哲學系授獎給普朗克的專著《能量守恆原理》。

1889年4月,亥姆霍茲通知普朗克前往柏林,接手基爾霍夫的工作,1892年接手教職,年薪約6200馬克。

1894年,普朗克被選為普魯士科學院的院士。

1907年維也納曾邀請普朗克前去接替路德維希·玻耳茲曼的教職,但他沒有接受,而是留在了柏林,受到了柏林大學學生會的火炬遊行隊伍的感謝。

1926年10月1日普朗克退休,他的繼任者是薛定諤。

以上是普朗克的事業概況。

以下為普朗克一部分的科學成就。

1.普朗克早期的研究領域主要是熱力學。他的博士論文就是《論熱力學的第二定律》。此後,他從熱力學的觀點對物質的聚集態的變化、氣體與溶液理論等進行了研究。

2.提出能量子概念(本文著重介紹

普朗克在物理學上最主要的成就是提出著名的普朗克輻射公式,創立能量子概念。

19世紀末,人們用經典物理學解釋黑體輻射實驗的時候,出現了著名的所謂“紫外災難”。


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紫外災難指在經典統計理論中,能量均分定律預言黑體輻射的強度在紫外區域會發散至無窮大,這和事實嚴重違背


雖然瑞利、金斯(1877—1946)和維恩(1864—1928)分別提出了兩個公式,企圖弄清黑體輻射的規律,但是和實驗相比,瑞利-金斯公式只在低頻範圍符合,而維恩公式只在高頻範圍符合。普朗克從1896年開始對熱輻射進行了系統的研究。他經過幾年艱苦努力,終於導出了一個和實驗相符的公式。他於1900年10月下旬在《德國物理學會通報》上發表一篇只有三頁紙的論文,題目是《論維恩光譜方程的完善》,第一次提出了黑體輻射公式。12月14日,在德國物理學會上他說,為了從理論上得出正確的輻射公式,必須假定物質輻射(或吸收)的能量不是連續地、而是一份一份地進行的,只能取某個最小數值的整數倍。這個最小數值就叫能量子,輻射頻率是ν的能量的最小數值ε=hν。其中h,普朗克當時把它叫做基本作用量子,後來被命名為普朗克常數。在會上,普朗克公佈了其推算得來的普朗克黑體公式,普朗克得到的公式在全波段範圍內都和實驗結果符合得相當好。


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而這一天,也將註定被載入史冊,當普朗克在發表這一偉大成果的時候,就標誌著量子論的誕生和新物理學革命宣告開始。

後來物理學家們在理論研究與實理學從“經典幼蟲”變成“現代蝴蝶”。物理學家們在實驗中發現:不單單能量存在著最小單位,空間、時間、長度、角動量、自旋等等物理量都是一段、一段的,它們也都存在著最小單位,量子化是量子力學的基礎。普朗克的發現證明了:原來世界是不連續的。

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普朗克與愛因斯坦

而到了 1905 年愛因斯坦發表《關於光的產生和轉化的一個試探性觀點》提出了光量子成功解釋光電效應,他在文中對普朗克先前的量子化理論進行拓寬,認為光可以看作由攜帶著量子化能量的"載流子"所組成的粒子,他將這種"載流子"稱為光子,光子的能量等於普朗克常數與其頻率的乘積,因此光的能量只取決於頻率,而無關乎光強。當光子的波長足夠小、頻率足夠高、能量足夠大時,就足以令電子克服原子核的束縛而逸出,愛因斯坦還提出了每一個光量子的能量E與輻射的頻率ν的關係是E=hν。1924年薩特延德拉·納特·玻色發展了光子的統計力學,從而在理論上推導了普朗克定律的表達式。朗克黑體公式順利解決了黑體輻射問題,也解決了紫外災難,不過紫外災難的徹底解決也同樣是由愛因斯坦和薩特延德拉·納特·玻色徹底解決的。

在科學史上很難找到其它發現能象普朗克的基本作用量子一樣在僅僅一代人的短時間裡產生如此非凡的結果。從 1900 年到 1930 年,愛因斯坦、薛定諤、玻爾、海森堡等無數偉大的科學家在此基礎上,提出了影響整個物理研究走向的理論,

而且這個發現將人類的觀念,不僅是有關經典科學的觀念, 而且是有關通常思維方式的觀念的基礎砸得粉碎, 人們意識到,物理研究新的征程已經開啟,新的物理大廈的基石已經夯實,正等著他們添磚加瓦。

至此牛頓時代的經典物理學轉向現代物理學。


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