中科院物理所官方賬號(hào)。愛上物理，改變世界。47分鐘前
20世紀(jì)初，開爾文勛爵在一次演講中聲稱：“動(dòng)力學(xué)理論認(rèn)為熱和光都是運(yùn)動(dòng)的方式，現(xiàn)在這一理論的優(yōu)美和明晰，正被兩朵烏云籠罩著。”
隨后的故事我們就知道了，對(duì)這兩朵“烏云”的探索帶來了相對(duì)論和量子力學(xué)兩大現(xiàn)代物理的兩大支柱。今天我們要講的，就是其中一位撥開烏云，帶來光芒的劃時(shí)代人物。
劃時(shí)代的人物
馬克思·普朗克（1858.4~1947.10），全名馬克斯·卡爾·恩斯特·路德維?！て绽士?，是德國(guó)理論物理學(xué)家，量子力學(xué)的創(chuàng)立者之一，獲得了1918年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
普朗克在理論物理領(lǐng)域做出了很多貢獻(xiàn)，但他最廣為人知的成就在于創(chuàng)建了量子力學(xué)，并顛覆了我們對(duì)于原子和亞原子等粒子的認(rèn)知。量子力學(xué)理論與顛覆了我們時(shí)空觀的愛因斯坦的相對(duì)論理論，這兩者一起構(gòu)成了20世紀(jì)物理學(xué)的基本理論，重塑了一些人類最為珍貴的哲學(xué)理論，同時(shí)影響了工業(yè)、軍事等我們現(xiàn)代生活的領(lǐng)域。
青年普朗克（1878）[1]
早年生活
普朗克是家里的第六個(gè)孩子，他的父親是德國(guó)基爾大學(xué)有名的法學(xué)教授和法學(xué)家，家庭教育中對(duì)教會(huì)和國(guó)家的忠誠(chéng)、保守可靠、理想主義、慷慨大氣的特質(zhì)深深地融入到了普朗克的生活和工作當(dāng)中。九歲時(shí)，由于父親接到了慕尼黑大學(xué)的邀約，普朗克有機(jī)會(huì)來到馬克西米利安文理中學(xué)讀書，并遇到了燃起他對(duì)物理和數(shù)學(xué)熱情的老師赫爾曼·穆勒。
十七歲畢業(yè)時(shí)，因?yàn)樗锌颇慷己軆?yōu)異，所以普朗克此時(shí)面臨艱難的職業(yè)抉擇。最終他放棄了經(jīng)典哲學(xué)和音樂而選擇了物理學(xué)，因?yàn)樗麍?jiān)信“只有在物理上才能體現(xiàn)他獨(dú)特的天賦”。盡管如此，音樂還是伴隨了他的一生，他是一個(gè)終日在琴鍵上尋找寧?kù)o和愉悅的鋼琴家，有著“絕對(duì)音感”的天賦，尤其喜愛舒伯特和勃拉姆斯；他熱愛戶外，即使到了老年，還保持著每天散步、假日爬山郊游的習(xí)慣。
彈鋼琴的普朗克 [2]
1874年的秋天，普朗克進(jìn)入慕尼黑大學(xué)，跟隨物理學(xué)教授菲利普·馮·喬利學(xué)習(xí)時(shí)，他沒有受到什么啟發(fā)；后來他又在柏林大學(xué)著名物理學(xué)家赫爾曼·馮·亥姆霍茲和古斯塔夫·基爾霍夫門下度過了一年（1877-1878），即便師從名門，他本人也沒有什么熱情。直到開始從事獨(dú)立工作，在研究魯?shù)婪颉た藙谛匏沟臒崃W(xué)講義中，普朗克的才華才開始展現(xiàn)。
1879年7月，也是愛因斯坦出生的那年，年僅21歲的普朗克回到慕尼黑獲得了博士學(xué)位；接下來的一年，他在慕尼黑完成了學(xué)位論文，并成為一名講師。通過父親的關(guān)系，1885年，他在基爾大學(xué)擔(dān)任助理教授。1889年，在基爾霍夫去世后，他受邀至柏林大學(xué)受亥姆霍茲的指導(dǎo)并與其共事，1892年他便獲得了全職教授的職位。雖然一共只指導(dǎo)過九個(gè)博士生，但他在柏林關(guān)于理論物理的所有講義，衍生出了許多版本，并發(fā)揮了很大的影響力。普朗克之后一直在柏林生活，度過了自己的余生。
普朗克在柏林大學(xué)時(shí)所著熱力學(xué)論文 [1]
普朗克回憶起自己最初投身于科學(xué)的原因，是因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)“人們推理得出的法則跟自然界統(tǒng)治萬物的法則是一致的。因此，完全的推理和邏輯能夠讓我們更加深入地理解有關(guān)世界運(yùn)行的機(jī)制?！币簿褪钦f，經(jīng)過了深思熟慮，普朗克發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的理論物理定律并不準(zhǔn)確，便投身于理論物理事業(yè)當(dāng)中。他在探索物理定律的前提假設(shè)時(shí)得出了這樣的結(jié)論：“外部的世界是獨(dú)立于人類存在的東西，是‘確定’的東西，而對(duì)于這種‘確定’的準(zhǔn)則的追求，是生命最卓越的科學(xué)追求?！?/p>
黑體輻射與量子化
熱力學(xué)第一定律，即能量守恒定律，是第一個(gè)給正在上中學(xué)的普朗克留下深刻印象的自然中的“確定的事”。后來在大學(xué)生涯中，普朗克還十分確信熱力學(xué)第二定律，即熵定律。這也是自然界一條“確定”的規(guī)則，這一定律后來成為了他在慕尼黑時(shí)博士論文的課題，并一路指引著他發(fā)現(xiàn)了如今為人們所熟知的量子力學(xué)的核心——普朗克常數(shù)，h（1900年）。
1859-1860年，基爾霍夫定義了黑體——一個(gè)能夠吸收所有入射的輻射能量的物體，它既是一個(gè)很好輻射接收器，同時(shí)又是一個(gè)很好的發(fā)射器（注：其輻射的電磁波僅取決于自身的溫度，與入射波無關(guān)）。這樣的話，就有“確定”的關(guān)于黑體輻射的性質(zhì)，所以早在19世紀(jì)90年代，就出現(xiàn)了各種實(shí)驗(yàn)或理論，來確定黑體的能量譜分布——一條描述給定溫度的黑體在不同頻率下電磁波輻射能量的曲線。普朗克被威廉·維恩在1896年發(fā)現(xiàn)的“維恩定律”所吸引（注：“維恩定律”是維恩通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)提出的，和黑體輻射的實(shí)驗(yàn)譜的短波部分相符合），他與維恩（Wilhelm
Wein）在柏林夏洛騰堡的德國(guó)物理技術(shù)研究所（注：簡(jiǎn)稱PTR，德國(guó)聯(lián)邦技術(shù)物理研究所前身）共事，普朗克一直試圖從熱力學(xué)第二定律出發(fā)尋找維恩定律的理論基礎(chǔ)。然而，在1900年，PTR的其他幾名同事就通過實(shí)驗(yàn)確定，“維恩定律”在電磁波低頻部分，也就是長(zhǎng)波部分，完全失去了作用。
黑體和黑體輻射 [3]
黑體輻射譜 [4]
在一次德國(guó)物理學(xué)會(huì)的會(huì)議前，普朗克了解到這樣的情況，他知道，如果維恩定律有效的話，除了在高頻部分輻射的熵在數(shù)學(xué)上需得符合其能量分布，在低頻部分也需要符合，普朗克猜想，也許他可以將兩者結(jié)合成更為簡(jiǎn)單的形式，用公式將輻射的能量和頻率聯(lián)系起來。
最終，普朗克輻射定律以無可爭(zhēng)辯的姿態(tài)問世了。但對(duì)于普朗克來說，這個(gè)定律卻只是一個(gè)簡(jiǎn)單的猜想、一個(gè)“幸運(yùn)的直覺”，如果需要嚴(yán)肅地對(duì)待這個(gè)問題，必須要追溯其基本原理。普朗克立刻集中精力去完成這件事，在1900年的12月14日，他成功了，但同時(shí)付出了很大的代價(jià)——為了達(dá)到他的目標(biāo)，普朗克發(fā)現(xiàn)他必須摒棄之前最深信不疑的觀念：熱力學(xué)第二定律，不是自然界確定的定律，而是像路德維希·玻爾茲曼一樣承認(rèn)這只是一個(gè)統(tǒng)計(jì)學(xué)的定律。
此外，普朗克還需要假設(shè)黑體吸收和放出的能量是不連續(xù)的，而是量子化的，只有通過黑體中能量量子化的統(tǒng)計(jì)分布，將其能量假設(shè)為與頻率成比例的量——hv的整數(shù)倍，才能回推到之前得到的方程。他也舉出了對(duì)于這個(gè)方程有重要意義的其他證據(jù)，來估算這個(gè)常數(shù)h（普朗克給出的常數(shù)的值6.55×10-34 J·s和現(xiàn)在的6.626×10-34 J·s非常接近），還有所謂的玻爾茲曼常數(shù)（動(dòng)量理論和統(tǒng)計(jì)力學(xué)的基本常數(shù)）、阿伏伽德羅常數(shù)、電子電荷量。
后來科學(xué)家們逐漸認(rèn)識(shí)到，在微觀世界，即原子尺度的世界，正是因?yàn)槠绽士顺Ａ渴欠橇愕_定的、一個(gè)較小的數(shù)字，才沒有按照普遍的經(jīng)典力學(xué)運(yùn)行。
一個(gè)在物理理論中的影響深刻的革命正在進(jìn)行著。
普朗克的能量量子化的概念，對(duì)于所有先前的物理理論都是顛覆性的，這使得他不得不用更加嚴(yán)格的邏輯推理去解釋，如一位歷史學(xué)家所說，他是一位“勉強(qiáng)的革命者”。實(shí)際上，人們接受普朗克這個(gè)理論還需要很多年，這其中愛因斯坦起著重要的作用。
1905年，愛因斯坦獨(dú)立于普朗克的研究，提出了在特定條件下，輻射的能量本身應(yīng)該是量子化的（光量子，后來被稱為光子）的理論，并在1907年用一般性的量子假設(shè)來解釋固體的比熱。1909年，愛因斯坦將波粒二象性引入物理學(xué)。1911年10月，普朗克和愛因斯坦與其他杰出的物理學(xué)家一起在布魯塞爾出席了第一屆索爾維會(huì)議，在討論中，法國(guó)數(shù)學(xué)家亨利·龐加萊對(duì)于普朗克的輻射理論，給出了解釋“量子”的必要的數(shù)學(xué)證明，這令詹姆斯·金斯等人轉(zhuǎn)變態(tài)度支持量子理論。
第五次索爾維會(huì)議 [5]
1913年，尼爾斯·波爾通過氫原子的量子解釋，對(duì)量子理論做出了不小的貢獻(xiàn)。諷刺的是，普朗克卻是最后糾結(jié)著重拾經(jīng)典理論的人，他并未因?yàn)檫@個(gè)立場(chǎng)后悔，而是將其視為說服自己確信量子理論的必要經(jīng)歷——直到1922年康普頓效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)前，他還堅(jiān)持反對(duì)1905年愛因斯坦提出的輻射光量子假設(shè)。
晚年生活
1900年，普朗克42歲時(shí)，完成了他的著名發(fā)現(xiàn)，在1918年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，隨之而來的是無數(shù)榮耀，除此之外，他還繼續(xù)在光學(xué)、熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理、物理化學(xué)等等多個(gè)分支學(xué)科中大放異彩。同時(shí)，他也是愛因斯坦狹義相對(duì)論（1905）的支持者?！熬拖窳孔恿W(xué)的核心是量子一樣，”普朗克說道，“光速是相對(duì)論的核心?！?/p>
1914年，普朗克和物理化學(xué)家瓦爾特·能斯特（Walther
Hermann
Nernst）將愛因斯坦接到柏林，戰(zhàn)后，1919年又將自己最喜歡的學(xué)生馬克思·馮·勞厄接到柏林。1928年普朗克退休時(shí)，另一位杰出的理論物理學(xué)家、波動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)始人埃爾溫·薛定諤，成為了他的繼任者。柏林一度成為理論物理的中心——直到1933年希特勒上臺(tái)，其閃耀的智慧的光輝被蒙上了陰影。
從左到右，依次為能斯特、愛因斯坦、 普朗克、密立根、勞厄 攝于1931年 [6]
普朗克在晚年投入了大量筆墨在哲學(xué)、美學(xué)及宗教問題上。他與愛因斯坦、薛定諤一起，堅(jiān)決反對(duì)波爾、波恩、海森堡等人在1925-1926年將不確定的、統(tǒng)計(jì)學(xué)的世界觀引入量子力學(xué)，這樣的觀念和普朗克內(nèi)心深處的直覺和信仰難以共存。普朗克認(rèn)為，物質(zhì)的宇宙，是一個(gè)客觀的、獨(dú)立存在于人類的實(shí)體，觀察者和被觀測(cè)的事物并不是像波爾和他的流派認(rèn)為的那樣密切聯(lián)系的。
1912年時(shí)普朗克成為普魯士科學(xué)院數(shù)學(xué)與物理學(xué)部的常務(wù)秘書，并任職到了1938年；他也是非政府研究組織威廉皇帝學(xué)會(huì)（現(xiàn)為馬克思·普朗克學(xué)會(huì)）1930-1937年的主席。這一類正式組織、特別是在德國(guó)物理學(xué)家中，常常為普朗克賦予極高的權(quán)威，這樣的地位并未是他本人要求的，他的威信，其實(shí)主要來源于他個(gè)人的道德感：公正、正直和超越學(xué)問的智慧。正是由于這樣的人格，他企圖通過在納粹統(tǒng)治時(shí)期留在德國(guó)來扭轉(zhuǎn)希特勒殘暴的種族政策，從而保護(hù)德國(guó)的物理學(xué)。
普朗克和第一任妻子瑪麗 [7]
普朗克和家人 [8]
普朗克是一個(gè)有堅(jiān)定意志的人，如果他沒有那么堅(jiān)忍、對(duì)自己的哲學(xué)和宗教沒有那么高的忠誠(chéng)，也許可能會(huì)避免五十歲之后的悲劇。1909年，普朗克的第一任妻子，慕尼黑銀行家的女兒，在度過了22年的幸?；橐錾钪箅x世，留下了普朗克和兩個(gè)兒子、一對(duì)雙胞胎女兒。大兒子卡爾在1916年的一次戰(zhàn)役中被殺，次年，他的女兒瑪格麗特在生產(chǎn)中去世，另一個(gè)女兒艾瑪也在1919年遭遇同樣的不幸。二戰(zhàn)時(shí)，普朗克在柏林的房子被完全炸毀，他的二兒子埃爾溫因?yàn)楸粦岩蓞⑴c刺殺希特勒而被納粹在1945年殘忍殺害。接二連三的打擊幾乎摧毀了他活下去的意志，在戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束時(shí)，美國(guó)官方將普朗克和其在1910年結(jié)婚并育有一子的第二任妻子帶至哥廷根，在那里，普朗克在89歲時(shí)離開人世。詹姆斯·弗蘭克說：“死亡救贖了他”。
圖片來源：
[1] https://maxwell-planck.tumblr.com/
[2] https://archive.schillerinstitute.com/music/2015/max_planck.html
[3] https://cpanhd.sitehost.iu.edu/C101webnotes/modern-atomic-theory/discovery-quantum.html
[4] https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbook_Maps/Map%3A_Physical_Chemistry_(McQuarrie_and_Simon)/01%3A_The_Dawn_of_the_Quantum_Theory/1.01%3A_Blackbody_Radiation_Cannot_Be_Explained_Classically
[5] https://pixabay.com/zh/photos/einstein-physicist-conference-67711/
[6] https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Nernst,_Einstein,_Planck,_Millikan,_Laue_in_1931.jpg
[7] https://fineartamerica.com/featured/max-planck-and-wife-american-philosophical-society.html
[8] https://maxwell-planck.tumblr.com/post/98340332313/this-is-my-family-with-my-first-wife-my-children
作者：Roger H.Stuewer
翻譯：zhenni
審校：Nuor
原文鏈接：
https://www.britannica.com/biography/Max-Planck#ref366533
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