他死磕6年終讓經典物理學崩塌，卻掉了顏值，丟了信仰，絕了子嗣

德國著名詩人席勒曾說：「我們不知道20世紀會怎樣或者它會有什麼成就，但它之前的每個時代都致力於造就20世紀。」

在科學領域來說，20世紀之所以前所未有的偉大，是因為量子物理的誕生。

量子物理的出現撼動了經典物理的絕對權威地位，把人類帶到了一個全新的世界。

但是，大家一定沒有想到這個劃時代的理論的提出竟來得如此「不情願」。

被譽為「量子物理之父」的普朗克在提出量子論之後的多年，竟然都在嘗試推翻自己的量子論。

普朗克

1858年4月18日，馬克斯·普朗克誕生於德國的一座小城基爾。

他的家族可以稱得上是那個年代德國的「貴族」。

純正的「雅利安人」血統，再加上那些光鮮體面的社會身份，牧師、法學家、大學教授等。

青年的普朗克

優越的家庭背景使普朗克從小就受到很好的教育，無論是人文精神還是自然科學。

在1867年，普朗克一家就搬離基爾城遷往慕尼黑，在那裡普朗克開始了他的高中生活。

普朗克經典的絕美側顏

和其他很多天才科學家不一樣，普朗克那時候並沒有在科學方面表現得出類拔萃。

在班級裡面的排名大概也是前三之後，前十之前，並不起眼。

反而是在音樂與藝術方面顯現出不一樣的才能，他鋼琴手風琴等都演奏得很好。

這導致了他在進大學前都不知道選擇什麼方向作為一生的奮鬥目標，是音樂、語言學還是科學。

在普朗克生活的那個年代，自然科學是遠不像人文和藝術那樣受到重視的。

然而他還是選擇了自然科學這條不太容易走的路，當然音樂也作為一種愛好時常陪伴在他身邊。

老年的普朗克在彈鋼琴

起初他主修的是數學，但是慢慢他的興趣便轉向了物理。

然而在19世紀中後期，經典物理學的大廈已經基本竣工了。

物理學家能做的頂多就是往這座輝煌的物理殿堂掃掃灰塵罷了，再也不會有什麼重大理論被提出了。

當時普朗克所在的慕尼黑大學的一位老師就曾苦口婆心地勸誡普朗克：不要再研究物理了，這一行里已經沒有任何機會留給年輕人了。

於是普朗克表示十分感動，然後拒絕了他，最後毅然地選擇了物理學。

因為普朗克本身就是個偏「冷淡」的人，根本不在乎什麼名利。

他並不在乎這些劃時代的理論是誰提出的，只是想知道「為什麼」。

多年後他在《從相對到絕對》中就寫道「絕對的東西多半是一種理想的目標，它總是顯現在我們的面前，但是永遠也達不到，這是一種令人感到煩悶的東西，只有在追求這個目標的時候才會覺得滿足」

一踏入物理世界的大門，普朗克就對熱力學表現出極大的興趣，或者說沉湎其中。

1879年，年僅21歲的普朗克就憑論文《論熱力學第二定律》獲得了慕尼黑大學的博士學位，論文中貫穿了他對「熵」深刻和獨特的見解。

1880年，他取得大學任教資格，而使他獲得該資格的也是一篇關於熱力學的論文。

他後來寫的《熱力學講義》一書更是在三十多年內都被認為是熱力學經典著作。

在物理學界，他的地位更是節節攀升。

在世紀交替之際，他就已經是熱力學方面公認的權威了。

然而我們悉知的普朗克是量子論的奠基人。

那他在熱力學方面的研究又怎麼跟量子論扯上關係呢？

...

正如前文所言，經典物理學已經算是一座竣工的大廈。

而普朗克就是這座神聖的物理殿堂最虔誠的信徒之一。

一旦這座大樓有什麼風吹草動，他總是第一個站出來修繕的人。

黑體的空腔吸收示意圖

那時候物理學就有一個讓人陷入困惑的問題：黑體輻射。

所謂黑體，是指這樣一種物質，在任何溫度下，它都能將入射的任何波長的電磁波全部吸收，沒有一點反射和透射。

絕對黑體在自然界中是不存在的，只是一個理想的物理模型，以此作為熱輻射研究的標準物體。

太陽也是一種黑體

然而，在普朗克的那個時代，人們對黑體輻射的研究卻得出了兩個不同的公式。

這兩個公式分別來自德國的物理學家維恩和英國的物理學家瑞利和金斯。

維恩的公式只有在短波（高頻）、溫度較低時才與實驗結果相符，但在長波區域完全不適用。

德國物理學家維恩

相反，瑞利-金斯公式卻只在長波、高溫時才與實驗相吻合，在短波區並不適用。

這個公式在短波區（即紫外光區）時顯示輻射能力隨著頻率的增大而單調遞增，最後趨於無限大（下圖紅線）。

這和實驗數據更是差了十萬八千里，所以這個荒謬的結論也被稱為「紫外災難」。

瑞利-金斯曲線（紅色），維恩曲線（藍色），普朗克曲線（綠色）

一個現象，對應兩個公式？

在經典力學時代，這完全是個不可思議的悖論！

...

因為自17世紀牛頓力學建立以來，自然過程連續性的觀念就在物理學中深深紮根，一向認為能量是連續的。

而普朗克父親的老師萊布尼茲就說過，「自然界無跳躍」。

「紫外災難」它更意味著整個經典物理學的「災難」。

英國物理學家瑞利

普朗克是熱力學的權威，所以他對黑體輻射的研究並沒有前人那樣從頻率和溫度入手，而是想從自己擅長的熵和能量作為突破口。

然而經過一次次實驗，結果出來仍和維恩他們的公式一樣並不得法。

玻爾茲曼

出於無奈，他不得不投眼於之前不認同的玻爾茲曼的方法。

而他也隱約地意識到，傳統物理學的基礎還是太狹窄了，需要從根本上的改造和擴充了。

普朗克注意到，如果認為原子不是連續地而是斷續地放出和吸收能量。

或者說，把「粒子」的性質賦予光的吸收和放射。

那麼他便可以用「內插法」把維恩公式和瑞利-金斯公式正確的一部分綜合起來，使輻射公式完整。

1900年10月19日，普朗克在德國物理學會會議上，以《維恩位移定律的改變》為題，提出了他重新構造出來的新輻射公式。

這個公式在hv遠小於kT時，化為瑞利-金斯公式；

而在hv遠大於kT時，化為維恩公式；

這個公式在任何情況下都與實驗值無差異。

普朗克的黑體輻射公式

在同年的12月24日（歷史上也把這天認為是量子的誕生日），他發表了《關於正常光譜的能量分布定律》論文。

文中給出了循著玻爾茲曼的思路推導出的黑體輻射公式。

也就是著迷的普朗克公式E=hv（其中E為單個量子的能量，v為頻率，h是量子常數，後人稱普朗克常數）。

1901年的普朗克

論文中，他指出：「能量在輻射過程中不是連續的，而是以一份份能量的形式存在的」。

這無疑使整座經典物理大廈開始搖搖欲墜，這也是普朗克自己都難以接受的事實。

他表示在這篇論文發表前的幾個月內，他都是抱著孤注一擲的心情來完成這一結論的。

他想或許之後可以通過另外的解釋，來修繕這座經典物理聖殿。

而他也確實這樣做了。

在那篇確立量子論誕生的論文發出去後，他還一直想把自己的理論納入經典物理學的結構中去。

從1901年至1906年這六年間，他都在對抗自己提出的量子理論，以至於沒有做出任何新的成績。

第一屆索爾維會議上的普朗克（後排左二），白板上是他的輻射定律

他一直在嘗試修改自己的量子理論，想讓它對經典物理造成的傷害減到最低。

但是他越努力答案就越趨向：大自然的運轉不是連續的而是跳躍的，它必然像鐘錶里的秒針那樣一跳一跳。

他就像一個被逼出來的革命家，被經典物理逼得走頭無路，但是卻又不忍心將其毀於一旦。

就像一個虔誠的基督徒找到了證明上帝不存在的證據，心理上的衝擊著實不小。

玻恩在評價普朗克時寫道：「從天性來講，他是一位思想保守的人，他根本不知道何為革命，只是他驚人的邏輯推理能力讓他不得不折服於事實面前」。

在經過多年的混度後，普朗克才從對抗自己中徹底清醒過來。

在後來的演講中，他開始變得自豪地宣稱：「量子假說將永遠不會從世上消失」。

敲開了量子論的大門，也使他獲得了1918年的諾貝爾物理學獎。

點擊播放 GIF/721K

普朗克像是給一片森林帶來火種的人，之後量子革命的大火熊熊燃燒。

1905年愛因斯坦的傑作《論動體的電動力學》發表，宣布狹義相對論誕生。

這篇論文在當時雖沒幾個人能看懂，但也在物理界掀起了一陣巨浪。

後來德國更是出現了龐大的反對相對論的機構，對愛因斯坦進行「批判」。

而普朗克在那時作為比愛因斯坦年長，又更有地位的學界權威，於是他成為相對論最早的庇護人。

普朗克作為德國《物理學年鑒》主編，他不顧反對把愛因斯坦的論文發表。

畢竟，在五十多年前，這本刊物的主編就曾拒發過邁爾關於能量守恆定律的文章。

此外，普朗克還給予愛因斯坦其他方面的幫助。

相信很多人都知道，愛因斯坦的講課水平是實在不敢恭維的。

但普朗克卻對愛因斯坦成為教授大力支持。

甚至在聘書中特別註明：聘請愛因斯坦為柏林洪堡大學講席教授，一節課都不用上。

普朗克在德國已經可以稱得上是學術最高的權威。

一生受盡稱頌和愛戴，還沒有離世，他的頭像就被印在兩馬克金幣和郵票上。

然而在科學界的勤懇和奉獻，並不能帶他逃離「悲情」二字。

在他的一生中，完整地經歷了德國的崛起和德國引起的兩次世界大戰的悲劇。

普朗克原本幸福的家庭，就像他的經典物理信仰一樣開始土崩瓦解。

1909年，普朗克的妻子因病去世。

他一共有四個孩子，長子於凡爾登戰場戰死，兩個女兒在第一次世界大戰期間也死於難產。

而最大的不幸還是次子，他幾乎是親眼看著自己的兒子死去而又無能為力。

次子埃爾文在一戰期間就曾被法國俘虜。

在1944年，他竟被捲入到刺殺希特勒的720政變中，被納粹投入監獄。

那時的普朗克幾乎動用了自己所有的力量，都沒能把他唯一在世的親人救出來。

1945年，埃爾文被處以絞刑。

那時，普朗克已是87歲的高齡，心情不言而喻。

普朗克1905年至1944年住處的牌匾

也就在那一年，他位於柏林的家在一次空襲中被摧毀。

家中無數的藏書和畢生的研究成果也毀於一旦。

一時間，他失去家園和親人，只留下一副病軀。

即使拖著這副滿身病榻的軀體，他還是遠赴英國倫敦。

參加因戰亂推遲了四年的牛頓誕生300周年紀念會。

他是唯一被邀請的德國人,那時的他仍致力於戰後重建德國科學界的地位。

1947年10月4日，普朗克在哥廷根逝世，享年89歲。

而他的墳墓上只有一塊長方形的石頭，上面刻著他的名字。

底部刻著屬於他的普朗克常數——「h=6.626196×10^（-27）erg·s」

普朗克也將永遠以另一種形式讓人類銘記於心。

_____________

內容為【SME】公眾號原創，歡迎轉載

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！

本站內容充實豐富，博大精深，小編精選每日熱門資訊，隨時更新，點擊「搶先收到最新資訊」瀏覽吧！

請您繼續閱讀更多來自 SMETalk 的精彩文章: