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科學大家：量子力學的創(chuàng)始人普朗克

馬克斯·卡爾·恩斯特·路德維希·普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck，1858年4月23日－1947年10月4日），德國物理學家，量子力學的創(chuàng)始人，二十世紀最重要的物理學家之一，因發(fā)現(xiàn)能量量子而對物理學的進展做出了重要貢獻，並在1918年獲得諾貝爾物理學獎。

普朗克十分具有音樂天賦，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(xié)會為多首歌曲和一部輕歌劇（1876年）作曲。但是普朗克并沒有選擇音樂作為他的大學專業(yè)，而是決定學習物理。

普朗克在1874年在慕尼黑開始了他的物理學學業(yè)。起初他研究氫氣在加熱后的鉑中的擴散，但很快就把研究轉向了理論物理學。

1877年至1878年，普朗克轉學到柏林，他主要從魯?shù)婪颉た藙谛匏?/span>[1]的講義中自學，并受到這位熱力學奠基人的重要影響，熱學理論變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《關于熱力學第二定律》，而后他暫時回到之前在慕尼黑所待的學校，並在那教數(shù)學及物理學。1880年6月以論文《各向同性物質在不同溫度下的平衡態(tài)》獲得大學任教資格。

1885年4月，基爾大學聘請普朗克擔任理論物理學教授，普朗克繼續(xù)對“熵”及其應用的研究，主要解決物理化學方面的問題，為阿倫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《能量守恒原理》（1897年）。1889年4月，普朗克前往柏林，接手基爾霍夫的工作，1892年接手教職。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?！げ柶澛?/span>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游行隊伍的感謝。普朗克于1926年10月1日退休，他的繼任者是薛定諤[2]。

在普朗克前往柏林工作后，全家住在柏林的一棟別墅中，與不計其數(shù)的柏林大學教授們?yōu)猷?，普朗克的莊園發(fā)展成為了一個社交和音樂中心，許多知名的科學家如阿爾伯特·愛因斯坦、奧托·哈恩和莉澤·邁特納等都是普朗克家的?？停@種在家中演奏音樂的傳統(tǒng)來自于亥姆霍茲家。

    在柏林期間，普朗克為柏林物理學會做出了貢獻，在普朗克的倡議下，柏林物理學會在1898年改為了德國物理學會。

普朗克在柏林洪堡大學教授理論物理學課程，整個課程長達6個學期。莉澤·邁特納認為他講課“冷靜理智，有些一本正經”；一位英國人曾表述普朗克講課“不用講稿，從不犯錯誤，從不手軟，是我所聽過的最好的講師。”聽普朗克授課的人從1890年的18人增加到了1909年的143人。

普朗克僅有過約20名博士生，其中馬克斯·馮·勞厄（1914年諾貝爾物理學獎獲得者）、瓦爾特·博特（1954年諾貝爾物理學獎獲得者）。

大約是在1894年，普朗克開始把心力全部放在研究黑體輻射的問題上，他曾經委托過電力公司製造能消耗最少能量，但能產生最多光能的燈泡，這一問題也曾在1859年被基爾霍夫所提出：黑體在熱力學平衡下的電磁輻射功率與輻射頻率和黑體溫度的關系。帝國物理技術學院對這個問題進行了實驗研究，但是經典物理學的瑞利-金斯定律無法解釋高頻率下的測量結果，但這定律卻也創(chuàng)造了日后的災難，威廉·維恩給出了維恩位移定律，可以正確反映高頻率下的結果，但卻又無法符合低頻率下的結果。這些定律之所以能發(fā)起有一小部分是普朗克他的貢獻，但大多數(shù)的教科書卻都沒有提到他。

普朗克在1899年就率先提出解決此問題的方法，叫做“原則的基本障礙”，並把瑞利-金斯定律和維恩位移定律這兩條定律使用一種熵列式進行內插，由此發(fā)現(xiàn)了普朗克輻射定律，可以很好地描述測量結果，不久后，人們發(fā)現(xiàn)他的這項新理論是沒有實驗證據(jù)的，這也讓普朗克在當時感到無奈?？墒撬麃K沒有因此而氣餒，反而修正了自己的方式，最后成功的推衍出著名的第一版普朗克黑體輻射定律，此定律是在描述由實驗觀察來的黑體輻射光譜呈現(xiàn)良好的狀態(tài)，這一定律于1900年10月19日在德國物理學會上首次提出。也因為普朗克黑體輻射定律是第一個不包括能源量化以及統(tǒng)計力學的推論，故在發(fā)表的當時，也引起了許多人的反感

不久后的1900年12月14日，普朗克得出了輻射定律的理論推論，其中他使用了此前曾被他所否定的奧地利物理學家路德維?！げ柶澛?/span>的統(tǒng)計力學，熱力學第二定律的每個純統(tǒng)計學觀點都讓普朗克感到厭惡。普朗克提出了能量量子化的假說：

E = hυ

其中E是能量，ν是頻率，並引入了一個重要的物理常數(shù)h——普朗克常數(shù)，能量只能以不可分的能量元素（即量子）的形式向外輻射。這樣的假說調和了經典物理學理論研究熱輻射規(guī)律時遇到的矛盾?；?/span>這樣的假設，他并給出了黑體輻射的普朗克公式，圓滿地解釋了實驗現(xiàn)象。這個成就揭開量子論與量子力學的序幕，因此12月14日成為了量子日，以作紀念。普朗克也因此獲得1918年諾貝爾物理學獎。盡管在后來的時間里，普朗克一直試圖將自己的理論納入經典物理學的框架之下，但他仍被視為近代物理學的開拓者之一。

不過在當時，這一假說與玻爾茲曼的理論相比，可謂無足輕重。普朗克說“一個純公式的假說，我其實并沒有為此思考很多。”

如今這個與經典物理學相悖的假說被作為是量子物理學誕生的標志和普朗克最大的科學成就。但是需要提及的是，玻爾茲曼大約于1877年已經將一個物理學系統(tǒng)的能量級可以是不連續(xù)的作為其理論研究的前提條件。

其他物理學家如瑞利（1877年—1946年）和亨德里克·洛倫茲在幾年后仍將普朗克常數(shù)設為零，以便其不與經典物理學相悖，但是普朗克十分清楚，普朗克常數(shù)是一個不等于零的確切的數(shù)值。

1905年，當時尚完全不為人所知的愛因斯坦在科學雜志《物理學大事記》中發(fā)表了三篇開創(chuàng)性的論文，普朗克是少數(shù)很快發(fā)現(xiàn)愛因斯坦狹義相對論重要性的人之一，由于普朗克的影響力，相對論很快在德國內得到認可，普朗克自己也對狹義相對論的完成做出了重要的貢獻。

除了相對論，愛因斯坦還對1887年由赫茲和威廉·哈爾瓦克斯（1859年—1922年）發(fā)現(xiàn)，1902年由菲利普·萊納德進一步研究的光電效應提出了光量子假說，但是這一假說卻遭到了普朗克的反對，他并不準備放棄麥克斯韋的電動力學，“光量子理論不是后退了幾十年，而是后退了幾百年，那時克里斯蒂安·惠更斯提出反對牛頓業(yè)已占據(jù)優(yōu)勢的輻射理論?！?/span>

1910年，愛因斯坦指出低溫下比熱的不正常表現(xiàn)，是又一個無法用經典理論解釋的現(xiàn)象，為了對這些有悖經典理論的現(xiàn)象尋求合理的解釋，普朗克和能斯特于1911年在布魯塞爾組織了第一次索爾維會議，在這次會議上，愛因斯坦終于說服了普朗克。

其間，普朗克成為柏林大學的校長，他將愛因斯坦請到了柏林，并在1914年為愛因斯坦設立了一個新的教授職位，他們很快便結下了很好的友誼。