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他的靈光一現,塑造了現代數學學

更新時間:2023-09-12 文章作者:佚名 信息來源:網絡整理 閱讀次數:

20世紀初,開爾文子爵在一次講演中宣稱:“動力學理論覺得熱和光都是運動的形式,如今這一理論的優美和明確,正被兩朵烏云映照著?!?span style="display:none">8Di物理好資源網(原物理ok網)

此后的故事我們就曉得了,對這兩朵“烏云”的探求帶來了相對論和量子熱學兩大現代數學的兩大支柱。明天我們要講的,就是其中一位剝開烏云,帶來光芒的劃時代人物。8Di物理好資源網(原物理ok網)

劃時代的人物8Di物理好資源網(原物理ok網)

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?,是美國理論化學學家,量子熱學的創辦者之一,獲得了1918年的諾貝爾化學學獎。8Di物理好資源網(原物理ok網)

普朗克在理論化學領域作出了好多貢獻,但他最廣為人知的成就在于創建了量子熱學,并顛覆了我們對于原子和亞原子等粒子的認知。量子熱學理論與顛覆了我們時空觀的愛因斯坦的相對論理論,這二者一起構成了20世紀數學學的基本理論,塑造了一些人類最為珍稀的哲學理論,同時影響了工業、軍事等我們現代生活的領域。8Di物理好資源網(原物理ok網)

青年普朗克(1878)[1]8Di物理好資源網(原物理ok網)

早年生活8Di物理好資源網(原物理ok網)

普朗克是家里的第六個兒子,他的母親是愛爾蘭基爾學院有名的法學院長和法學家,家庭教育中對教會和國家的忠誠、保守可靠、理想主義、慷慨大氣的特質深深地融入到了普朗克的生活和工作當中。九歲時,因為母親接到了法蘭克福學院的邀約,普朗克有機會來到馬克西米利安文理學校讀書,并遇見了點燃他對化學和物理熱情的老師赫爾曼·穆勒。8Di物理好資源網(原物理ok網)

十七歲結業時,由于所有課目都很優異,所以普朗克此時面臨艱辛的職業取舍。最終他舍棄了精典哲學和音樂而選擇了數學學,由于他深信“只有在數學上能夠彰顯他獨到的天賦”。雖然這么,音樂還是伴隨了他的一生,他是一個終日在琴鍵上找尋靜謐和愉悅的吉他家,有著“絕對音感”的天賦,尤其喜愛舒伯特和勃拉姆斯;他熱愛戶外,即便到了老年,還保持著每晚遛彎、假日登山踏青的習慣。8Di物理好資源網(原物理ok網)

彈吉他的普朗克[2]8Di物理好資源網(原物理ok網)

1874年的夏天,普朗克步入克拉科夫學院,追隨數學學院長菲利普·馮·喬利學習時,他沒有遭到哪些啟發;后來他又在柏林學院知名化學學家赫爾曼·馮·亥姆霍茲和古斯塔夫·基爾霍夫門下渡過了一年(1877-1878),雖然師從名門,他本人也沒有哪些熱情。直至開始從事獨立工作,在研究魯道夫·克勞修斯的熱力學課件中,普朗克的才氣才開始突顯。8Di物理好資源網(原物理ok網)

1879年7月,也是愛因斯坦出生的那年,年僅21歲的普朗克回到蘇黎世獲得了博士學位;接出來的一年量子物理學中最有名的人物,他在阿姆斯特丹完成了學位論文,并成為一名講師。通過母親的關系,1885年,他在基爾學院兼任助理院長。1889年,在基爾霍夫逝世后,他受邀至柏林學院受亥姆霍茲的指導并與其共事,1892年他便獲得了全職院士的職位。似乎一共只指導過九個博士生,但他在柏林關于理論化學的所有課件,衍生出了許多版本,并發揮了很大的影響力。普朗克以后仍然在柏林生活,渡過了自己的余生。8Di物理好資源網(原物理ok網)

普朗克在柏林學院時所著熱力學論文[1]8Di物理好資源網(原物理ok網)

普朗克追憶起自己最初涉足于科學的緣由量子物理學中最有名的人物,是由于發覺“人們推理得出的法則跟自然界統治萬物的法則是一致的。為此,完全的推理和邏輯就能讓我們愈發深入地理解有關世界運行的機制?!币簿褪钦f,經過了深思熟慮,普朗克發覺,現有的理論化學定理并不確切,便涉足于理論化學事業當中。他在探求化學定理的前提假定時得出了這樣的推論:“外部的世界是獨立于人類存在的東西,是‘確定’的東西,而對于這些‘確定’的準則的追求,是生命最卓越的科學追求?!?span style="display:none">8Di物理好資源網(原物理ok網)

宋體幅射與量子化8Di物理好資源網(原物理ok網)

熱力學第一定理,即能量守恒定理,是第一個給正在上小學的普朗克留下深刻印象的自然中的“確定的事”。后來在學院生涯中,普朗克還非常確信熱力學第二定理,即熵定理。這也是自然界一條“確定”的規則,這一定理后來成為了他在法蘭克福時博士論文的課題,并一路指引著他發覺了現在為人們所熟知的量子熱學的核心——普朗克常數,h(1900年)。8Di物理好資源網(原物理ok網)

1859-1860年,基爾霍夫定義了宋體——一個才能吸收所有入射的幅射能量的物體,它既是一個挺好幅射接收器,同時又是一個挺好的發射器(注:其幅射的電磁波僅取決于自身的氣溫,與入射波無關)。這樣的話,就有“確定”的關于宋體幅射的性質,所以早在19世紀90年代,就出現了各類實驗或理論,來確定宋體的能量譜分布——一條描述給定體溫的宋體在不同頻度下電磁波幅射能量的曲線。普朗克被威廉·維恩在1896年發覺的“維恩定理”所吸引(注:“維恩定理”是維恩通過對實驗數據的經驗總結提出的,和宋體幅射的實驗譜的長波部份相符合),他與維恩(Wein)在柏林夏洛騰堡的美國化學技術研究所(注:簡稱PTR,美國聯邦技術化學研究所前身)共事,普朗克仍然企圖從熱力學第二定理出發找尋維恩定理的理論基礎。但是,在1900年,PTR的其他幾名同學就通過實驗確定,“維恩定理”在電磁波低頻部份,也就是短波部份,完全喪失了作用。8Di物理好資源網(原物理ok網)

宋體幅射譜[4]8Di物理好資源網(原物理ok網)

在一次美國數學學會的大會前,普朗克了解到這樣的情況,他曉得,假如維恩定理有效的話,不僅在高頻部份幅射的熵在物理上需得符合其能量分布,在低頻部份也須要符合,普朗克推測,其實他可以將二者結合成更為簡單的方式,用公式將幅射的能量和頻度聯系上去。8Di物理好資源網(原物理ok網)

最終,普朗克幅射定理以無可辯駁的姿態問世了。但對于普朗克來說,這個定理卻只是一個簡單的猜測、一個“幸運的直覺”,假如須要嚴肅地對待這個問題,必需要溯源其基本原理。普朗克立即集中精力去完成這件事,在1900年的12月14日,他成功了,但同時付出了很大的代價——為了達到他的目標,普朗克發覺他必須拋開之前最堅信不疑的觀念:熱力學第二定理,不是自然界確定的定理,而是像路德維?!げ柶澛粯映姓J這只是一個統計學的定理。8Di物理好資源網(原物理ok網)

據悉,普朗克還須要假定宋體吸收和放出的能量是不連續的,而是量子化的,只有通過宋體中能量量子化的統計分布,將其能量假定為與頻度成比列的量——hv的整數倍,能夠回推到之前得到的多項式。他也列舉了對于這個等式有重要意義的其他證據,來計算這個常數h(普朗克給出的常數的值6.55×10-34J·s和現今的6.626×10-34J·s十分接近),還有所謂的玻爾茲曼常數(動量理論和統計熱學的基本常數)、阿伏伽德羅常數、電子電荷量。8Di物理好資源網(原物理ok網)

后來科學家們逐步認識到,在微觀世界,即原子尺度的世界,正是由于普朗克常量是非零但確定的、一個較小的數字,才沒有根據普遍的精典熱學運行。8Di物理好資源網(原物理ok網)

一個在數學理論中的影響深刻的革命正在進行著。8Di物理好資源網(原物理ok網)

普朗克的能量量子化的概念,對于所有以前的化學理論都是顛覆性的,這促使他不得不用愈加嚴格的邏輯推理去解釋,如一位歷史學家所說,他是一位“勉強的革命者”。實際上,人們接受普朗克這個理論還須要好多年,這其中愛因斯坦起著重要的作用。8Di物理好資源網(原物理ok網)

1905年,愛因斯坦獨立于普朗克的研究,提出了在特定條件下,幅射的能量本身應當是量子化的(光量子,后來被稱為光子)的理論,并在1907年用通常性的量子假定來解釋固體的比熱。1909年,愛因斯坦將波粒二象性引入數學學。1911年10月,普朗克和愛因斯坦與其他杰出的化學學家一起在新德里參加了第一屆索爾維大會,在討論中,美國物理家亨利·龐加萊對于普朗克的幅射理論,給出了解釋“量子”的必要的物理證明,這令詹姆斯·金斯等人轉變心態支持量子理論。8Di物理好資源網(原物理ok網)

量子物理學中最有名的人物_量子人物物理名學有中文版嗎_量子物理學科學家8Di物理好資源網(原物理ok網)

第五次索爾維大會[5]8Di物理好資源網(原物理ok網)

1913年,尼爾斯·波爾通過氫原子的量子解釋,對量子理論作出了不小的貢獻。嘲笑的是,普朗克卻是最后苦惱注重拾精典理論的人,他并未由于這個立場懊悔,而是將其視為勸說自己確信量子理論的必要經歷——直到1922年康普頓效應被發覺前,他還堅持反對1905年愛因斯坦提出的幅射光量子假定。8Di物理好資源網(原物理ok網)

晚年生活8Di物理好資源網(原物理ok網)

1900年,普朗克42歲時,完成了他的知名發覺,在1918年獲得了諾貝爾化學學獎,驟然而至的是無數榮耀,除此之外,他還繼續在光學、熱力學和統計數學、物理物理等等多個分支學科中大放異彩。同時,他也是愛因斯坦狹義相對論(1905)的支持者。“就像量子熱學的核心是量子一樣,”普朗克說道,“光速是相對論的核心?!?span style="display:none">8Di物理好資源網(原物理ok網)

1914年,普朗克和數學物理家瓦爾特·能斯特()將愛因斯坦接到柏林,戰后,1919年又將自己最喜歡的中學生馬克思·馮·勞厄接到柏林。1928年普朗克離休時,另一位杰出的理論化學學家、波動熱學的創始人埃爾溫·薛定諤,成為了他的繼任者。柏林一度成為理論化學的中心——直到1933年希特勒上臺,其耀眼的智慧的光輝被蒙上了陰影。8Di物理好資源網(原物理ok網)

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]8Di物理好資源網(原物理ok網)

普朗克在晚年投入了大量筆端在哲學、美學及宗教問題上。他與愛因斯坦、薛定諤一起,堅決反對波爾、波恩、海森堡等人在1925-1926年將不確定的、統計學的世界觀引入量子熱學,這樣的觀念和普朗克內心深處的直覺和信仰無法共存。普朗克覺得,物質的宇宙,是一個客觀的、獨立存在于人類的實體,觀察者和被觀測的事物并不是像波爾和他的流派覺得的那樣密切聯系的。8Di物理好資源網(原物理ok網)

1912年時普朗克成為普魯士科大學物理與數學學部的常務秘書,并任職到了1938年;他也是非政府研究組織威廉臣子學會(現為馬克思·普朗克學會)1930-1937年的主席。這一類即將組織、特別是在美國數學學屋內,經常為普朗克賦于極高的權威,這樣的地位并未是他本人要求的,他的威信,雖然主要來始于他個人的道德感:公平、正直和趕超學問的智慧。正是因為這樣的人格,他試圖通過在納粹統治時期留在法國來扭轉希特勒殘忍的種族新政,因而保護美國的化學學。8Di物理好資源網(原物理ok網)

普朗克和第一任丈夫瑪麗[7]8Di物理好資源網(原物理ok網)

普朗克和家人[8]8Di物理好資源網(原物理ok網)

普朗克是一個有堅定意志的人,若果他沒有這么堅毅、對自己的哲學和宗教沒有這么高的忠誠,其實可能會防止五十歲以后的慘劇。1909年,普朗克的第一任丈夫,法蘭克福建行家的兒子,在渡過了22年的幸?;橐錾钜院笕ナ溃粝铝似绽士撕蛢蓚€女兒、一對胞胎弟弟。大女兒卡爾在1916年的一次會戰中被殺,次年,他的父親瑪格麗特在生產中逝世,另一個兒子艾瑪也在1919年遭到同樣的不幸。二戰時,普朗克在柏林的房屋被完全炸毀,他的二女兒埃爾溫由于被懷疑參與暗殺希特勒而被納粹在1945年殘暴殺死。接二連三的嚴打幾乎打掉了他活下去的意志,在戰爭結束時,韓國官方將普朗克和其在1910年離婚并育有一子的第二任丈夫帶至哥廷根,在那兒,普朗克在89歲時離開人世。詹姆斯·弗蘭克說:“死亡救贖了他”。8Di物理好資源網(原物理ok網)

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