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普朗克:能量守恒定律的故事

更新時間:2024-01-18 文章作者:佚名 信息來源:網絡整理 閱讀次數:

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普朗克(Max,1858—1947),美國化學學家。量子化學學的開創者和奠基人,1918年諾貝爾化學學獎金的獲得者。他那離經叛道的革命思想打破了數學學自牛頓以來的蟄伏,迎來了新世紀數學學的蓬勃發展。Zjr物理好資源網(原物理ok網)

1858年4月23日,普朗克生于英國基爾的一個書香門第之家。曾祖母和叔父曾在哥廷根學院任神學院士,舅舅和母親分別是哥廷根學院和基爾學院的法學院長。1867年,其父應法蘭克福學院的聘請任教,因而舉家移居阿姆斯特丹。普朗克在阿姆斯特丹渡過了少年時期。普朗克走上研究自然科學的公路,在很大程度上應當歸功于一個名叫繆勒的小學老師。普朗克童年時期愛好音樂,又愛好文學。后來他聽了繆勒講的一個動人故事:一個建筑匠人花了很大的力氣把磚遷往樓頂上,匠人做的功并沒有消失,而是弄成能量儲存出來了;一旦磚塊由于風化松動掉出來,砸在別人頭上或則東西里面,能量又會被釋放下來……這個能量守恒定理的故事給普朗克留下了終身難忘的印象,不但使他的愛好轉向自然科學,并且成為他之后研究工作的基礎之一。Zjr物理好資源網(原物理ok網)

普朗克先后在紐倫堡學院和柏林學院學習,以前在基爾霍夫等人的指導下學習和研究熱力學,并于1879年獲得博士學位。1877—1878年間,去柏林學院聽過物理家外爾斯特拉斯和化學學家亥姆霍茲和基爾霍夫的授課。普朗克晚年追憶這段經歷時說,這兩位數學學家的人品和治學心態對他有深刻影響,但她們的授課卻不能吸引他。在柏林期間,普朗克認真自學了R.克勞修斯的主要專著《力學的熱理論》,使他立志去找尋像熱力學定理那樣具有普遍性的規律。1879年,他以《論熱力學第二定理》的論文獲博士學位。1880年,普朗克成為法蘭克福學院化學學講師,5年后被基爾學院聘為理論化學學特約院士。1889年,在基爾霍夫去世后,柏林學院委任他為基爾霍夫的繼任人(先任副院長,1892年后任院長)和理論化學學研究所所長,并仍然在此工作到1926年退職。1900年,他在宋體幅射研究中引入能量量子。因為這一發覺對化學學的發展做出的貢獻,他獲得1918年諾貝爾化學學獎。1894年,普朗克被選為普魯士科大學教授;1926年,他被美國皇家學會吸收為會員。他同時還擔任柏林威廉皇家研究所主任。自20世紀20年代以來,普朗克成了美國科學界的中心人物,與當時日本以及美國的著名化學學家都有著密切聯系。1918年被選為日本皇家學會會員,1930—1937年他兼任威廉臣子商會會長。在那時期,柏林、哥廷根、慕尼黑、萊比錫等學院成為世界科學的中心,是同普朗克、W.能斯脫、A.索末菲等人的努力分不開的。在納粹謀取波蘭政權后,以一個科學家對科學、對祖國的滿懷熱情與納粹分子展開了,為捍衛科學的尊嚴而斗爭。1947年10月4日在哥廷根病逝。Zjr物理好資源網(原物理ok網)

普朗克初期的研究領域主要是熱力學。他的博士論文就是《論熱力學的第二定理》。隨后,他從熱力學的觀點對物質的集聚態的變化、氣體與氨水理論等進行了研究。Zjr物理好資源網(原物理ok網)

普朗克在數學學上最主要的成就是提出知名的普朗克幅射公式,成立能量子概念。也就是說,能量不是無限可分的,而是有一最小的單元。這個不可分的能量單元,普朗克稱它為“能量子”或“量子”。Zjr物理好資源網(原物理ok網)

量子論和相對論是現代數學學的兩大基礎理論。它們是在20世紀頭30年發生的化學學革命的過程中形成和產生的,而且也是這場革命的主要標志和直接的成果,量子論的誕生成了數學學革命的第一聲號角。經過許多化學學家不分民族和國籍的國際合作,在1927年它產生了一個嚴密的理論體系。它除了是人類洞察自然所取得的富于革命精神和極有成效的科學成果,并且在人類思想史上也占有十分重要的地位。假如說相對論作為時空的數學理論從根本上改變人們往年的時空觀念,這么量子論則很大程度改變了人們的實踐,使人類對自然界的認識又一次推進。它對人與自然之間的關系的重要修正,影響到人類對把握自己命運的能力的見解。量子論的成立經歷了從舊量子論到量子熱學的近30年的歷程。量子熱學形成原先的量子論一般稱舊量子論。它的主要內容是陸續出現的普朗克量子假說、愛因斯坦的光量子論和玻爾的原子理論。Zjr物理好資源網(原物理ok網)

在19世紀末,古典數學學早已取得了輝煌的成就。普朗克曾向受人敬愛的克拉科夫學院院長諾利征詢意見,院長覺得化學學已接近完美,沒有再研究的必要,勸他不要從事數學研究,但普朗克還是選擇了數學學作為自己一生的追求。實際上,當時正處于頂峰的古典數學學正面臨著前所未有的危機,最具代表性的就是數學學上空的“兩朵烏云”。其中之一是人們用精典數學學解釋宋體幅射實驗的時侯,出現了知名的所謂“紫外災難”。從1894年起,他把注意力轉向當時數學學界正熱烈探究的宋體幅射問題。Zjr物理好資源網(原物理ok網)

19世紀中葉,冶金工業的往前發展所要求的低溫檢測技術促進了熱幅射的研究。已然成為法國工業強國的日本有許多化學學家旨在于這一課題的研究。英國成為熱幅射研究的發祥地。所謂熱幅射就是物體被加熱時發出的電磁波。所有的熱物體就會發出熱幅射。匯聚態物質(固體和液體)發生的連續幅射很強地依賴它的濕度。一個物體被加熱從暗到發光,從發綠光到黃光、藍光直到白光。1859年,柏林學院院長基爾霍夫按照實驗的啟發,提出用宋體作為理想模型來研究熱幅射。所謂宋體是指一種才能完全吸收投射在它前面的幅射而全無反射和透射的,看起來全黑的理想物體。Zjr物理好資源網(原物理ok網)

1895年,維恩從理論剖析得出,一個帶有小孔的空腔的熱幅射性能可以看作一個宋體。實驗表明這樣的宋體所發射的幅射的能量密度只與它的濕度和頻度有關,而與它的形狀及其組成的物質無關。宋體在任何給定的氣溫發射出特點頻度的波譜。這波譜包括一切頻度,但和頻度相聯系的硬度卻不同。如何從理論上解釋宋體能填詞線是當時熱幅射理論研究的根本問題。1896年,維恩依據熱力學的普遍原理和一些特殊的假定提出一個宋體幅射能量按頻度分布的公式,后來人們稱它為維恩幅射定理。普朗克就在這時加入了熱幅射研究者的行動。Zjr物理好資源網(原物理ok網)

他的研究方向從熱力學轉向熱幅射,就是到柏林后才開始的。開始時他用熱力學方式研究宋體幅射理論。他假設空腔壁是由具有相同頻度的電諧振子組成的,用熱力學方式處理這些諧振子集。1899年,他得到了一個和維恩幅射定理一致的關系式。同年年末他得悉庫爾鮑歐和魯本斯在9月份發表的實驗報告,維恩以及他自己的幅射定理在高頻部份與這實驗相符,而在低頻部份則與實驗偏離。他不得不嘗試更改自己的公式,他得到了一個,一直不好。Zjr物理好資源網(原物理ok網)

正當他繼續更改自己的幅射公式時,1900年6月日本化學學家瑞利和金斯發表論文批評維恩在推論幅射公式時引入了不可靠的假設。他把統計數學學的能量均分定律用于他的一個以太震動模型,導入了一個新的幅射公式——瑞利—金斯公式。同年10月7日,魯本斯夫妻走訪普朗克,并告訴他瑞利—金斯幅射定理在低頻部份與他的實驗相符,在高頻部則與實驗相差甚大。普朗克深受啟發,立刻用內插法導入了一個在高頻趨近維恩公式而在低頻則趨近瑞利—金斯公式的新的幅射定理。10月19日,他在美國數學學會的大會上以《論維恩幅射定理的改進》為題報告了自己的結果,即“普朗克幅射公式”。魯本斯昨晚進行了核驗,證明普朗克的新公式同實驗完全相符。魯本斯堅信普朗克公式與實驗曲線的精確一致絕非巧合,在這個公式中一定蘊育著一個新的科學真理。于是魯本斯在第二天就把這一結果告訴了普朗克。普朗克遭到極大的鼓舞,并決定找尋隱藏在公式背后的數學實質,并確定公式中所取的兩個常數的具體方式。這一決心使普朗克走上了發覺量子之路。Zjr物理好資源網(原物理ok網)

普朗克又回到他的諧振子模型,但是此次他把出發點從熱力學轉入統計數學學。并且他回避了能量均分定律。他把玻爾茲曼原理運用于線性諧振子熱平衡時的能譜分布問題上,導入了振子熱平衡時的能譜分布公式。普朗克根據玻爾茲曼統計思想,認真地考慮熵與機率的關系,幅射公式的真正數學意義被一步步闡明下來。1900年12月14日,在經過“一生中最緊張的幾個禮拜的工作”之后,他總算做出了“孤注一擲的行動”:在美國數學學會的會議上,普朗克發表了他那影響現代文明的知名論文——《關于正常波譜的能量分布定理的理論》,宣告了量子論的誕生。這是現代數學學上的一場革命性突破。在這個報告中,他興奮地闡釋了自己最驚人的發覺。他說,為了從理論上得出正確的幅射公式,必須假設物質幅射(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,幅射頻度是ν的能量的最小數值E=hν。其中h,普朗克當時把它稱作基本作用量子,現今稱作普朗克常數。普朗克常數是現代數學學中最重要的數學常數,它標志著數學學從“經典幼蟲”變成“現代蝴蝶”。1906年普朗克在《熱幅射課件》一書中,系統地總結了他的工作,為開辟探求微觀物質運動規律新途徑提供了重要的基礎。Zjr物理好資源網(原物理ok網)

其實在圍繞原子論的爭辯過程中量子物理學理論,玻爾茲曼在指責唯能論時說過“怎么能說能量就不像原子那樣分立存在呢”這樣的話,馬赫以前表明物理運動不連續性的觀點,但真正把能量不連續的概念引入數學學的是普朗克。Zjr物理好資源網(原物理ok網)

精典化學學一向覺得能量是連續的,并將這一傳統觀念當作金科玉律。但用它研究宋體幅射時卻帶來了“紫外災難”,表明了精典理論的局限性。普朗克沖破了傳統觀念的禁錮,提出了能量分立性的思想,這是數學學領域基本概念的重大變遷。但也因為這個理論與精典理論是這么之格格不入,當時數學學界對它的反映是極為冷淡的。從1900年到1904年的文獻中,幾乎找不到有關這一理論的論文。1908年,美國的《自然科學和技術史指南》發行第二版,書中詳細列舉了1900年全世界120項發覺、發明,就是沒有提及普朗克的名子。人們承認普朗克得到與實驗相符的宋體幅射公式,卻不接受他的量子假說,其重要意義沒有造成化學學界應有的關注,直至愛因斯坦的光量子假說和光電效應多項式于1905年的問世。直至1913年,德國數學學權威尼爾斯·波爾用量子論第一次成功地估算出波譜的特殊譜線的位置時,普朗克理論的偉大意義才被人們所公認。Zjr物理好資源網(原物理ok網)

普朗克的量子概念破壞了精典數學學的龐大體系,成了現今科學的重要基礎。按照精典化學學,能量與其他化學量一樣,可以連續取值。而能量不能連續的思想引入數學學后,精典化學學所遇到的許多疑難問題很快就得到了解答。在量子化概念的引導下,微觀數學學迅速發展為20世紀數學學的主流,并為后來的愛因斯坦在這一理論上的推動和突破打下了堅實的基礎。Zjr物理好資源網(原物理ok網)

經過愛因斯坦、玻爾等人的努力,量子論最終得到了人們的認可。憑著勇于創新的精神和所取得的開拓性成果,普朗克得到了極大的榮譽。1918年,他得到了數學學的最高榮譽獎——諾貝爾化學學獎。1926年,他被推選為瑞典皇家學會的最中級名譽會員。日本也選他為數學學會的名譽會長。1930年,他又被英國科學研究的最高機構威廉皇家推動科學商會選為會長。Zjr物理好資源網(原物理ok網)

遺憾的是,普朗克其實發覺了能量子,但他不能理解這一發覺的意義,對自己的發覺常年焦躁不安。在發覺能量子以后的歷時14年時間,他總想退回到精典化學學的立場。他曾在遛彎時對母親說:“我如今做的事情,要么毫無意義,要么可能成為牛頓之后化學學上最大的發覺。”到了1909年,當他重新投入量子問題的研究時,當初囑咐自己和他人,要盡可能避開采取冒險步驟,他說:“在將作用量子h引入理論時,應該盡可能保守從事;這就是說,除非業已表明絕對必要,否則不要改變現有的理論。”Zjr物理好資源網(原物理ok網)

1910年,普朗克提出了一個理論,覺得發射過程在時間上是不連續的,但吸收則是連續的。這是一次公開的倒退。Zjr物理好資源網(原物理ok網)

1914年,他又提出一個理論,干脆撤銷了量子假說,覺得發射過程也應假設是連續發生的,這又是一次大倒退。Zjr物理好資源網(原物理ok網)

在普朗克遲疑徘徊甚至倒退的時侯,量子論卻有了很大的發展。1905年,愛因斯坦提出光量子假說,成功地解釋了光電效應;1906年,他又將量子理論運用到固體比熱問題,獲得成功;1912年,玻爾將量子理論引入到原子結構理論中,克服了精典理論解釋原子穩定性的困難,完善了他的原子結構模型,取得了原子化學學劃時代的進展;1922年,康普頓通過實驗最終使化學學家們確認光量子圖景的實在性,進而使量子理論得到科學界的普遍承認。Zjr物理好資源網(原物理ok網)

致使普朗克常年遲疑徘徊的緣由是傳統觀念的禁錮。自從17世紀牛頓熱學完善后,自然過程連續性的觀念在數學學中早已根深蒂固。萊布尼茲以前說過:“自然界無跳躍。”19世紀,電磁場理論的構建更使這一觀念深入人心,要沖破它確實不容易。普朗克14年來遲疑徘徊帶來的影響是:他沒有在量子論的進一步發展中做出貢獻,沒有才能跟隨這一理論的進一步發展,科學領域的開拓者成了落伍者。在量子論成立的最初10年里,愛因斯坦起到了旗手的作用。并且到了1951年,愛因斯坦卻這樣總結了他的探求工作:“整整50年有意識的思索,還沒有使我更接近‘光量子是哪些’的答案。其實,明天每一個不老實的人都覺得他曉得答案了,但他在愚弄他自己。”量子熱學的幽深難解顯然是讓普朗克倒退的另一個誘因。但普朗克在兩次倒退的過程中對量子論做了深入的理論研究,這是有一定意義的,不過量子論最終獲得勝利則是因為它在微觀領域研究中的普遍意義和價值。Zjr物理好資源網(原物理ok網)

面對量子論的發展與成功,以及科學界的批評,普朗克最終舍棄了倒退的立場。1920年,在諾貝爾獎頒獎典禮上,他作了題為《量子理論的成立和當前的發展狀況》的講演,講演中他說:“……我認為整個的發展過程其實是為歌德在好久先前所說的一句格言提供了一個新的證明,這句格言是:‘人要拼搏就要有錯誤。’”Zjr物理好資源網(原物理ok網)

1947年10月3日,普朗克在哥廷根逝世,終年89歲。日本政府為了記念那位偉大的化學學家,把威廉皇家研究所更名叫普朗克研究所。Zjr物理好資源網(原物理ok網)

普朗克步入科學殿堂之后,無論遇見哪些困難,都沒有動搖過他獻身于科學的決心。他的家庭陸續發生過許多不幸:1909年父親過世,1916年父親在第一次世界大戰中戰死,1917年和1919年兩個兒子先后都死于難產,1944年長子被希特勒處決,在二次大戰將要結束時,他的家被炸成瓦礫。而且普朗克總是用奮發忘我的工作抑制自己的愛情和憤慨,為科學作出了一個又一個重要的貢獻。Zjr物理好資源網(原物理ok網)

普朗克為人謙遜,作風嚴謹。在1918年4月日本數學學會慶祝他60大壽的記念會上,普朗克致答詞說:“試想有一位礦工,他竭盡竭力地進行貴重礦石的鉆探,有一次他找到了天然金銀礦,并且在進一步研究中發覺它是無價之寶,比原先可能構想的還要貴重無數倍。如果不是他自己碰上這個寶藏,這么無疑地,他的朋友也會很快地、幸運地碰上它的。”這其實是普朗克的謙卑。洛淪茲在評論普朗克關于能量子這個大膽假定的時侯所說的話,才道出了問題的本質。他說:“我們一定不要忘掉,這樣靈感觀念的好運氣,只有這些勤奮工作和深入思索的人才能得到。”Zjr物理好資源網(原物理ok網)

普朗克仍然遭到同學們的敬愛,這除了是因為他的重要科學發覺,并且還因為他的品德高尚。納粹統治奧地利時期,普朗克留在自己的祖國,他公開反對政府的個別新政,非常是反對殘害猶太人的新政。這是他一生中遭到痛楚和不幸的時期。在第二次世界大戰期間,德高望重的普朗克為幫助和支持受法西斯欺壓的猶太籍科學家而奔忙吶喊。當時希特勒曾說:假如不是普朗克年事已高,早該把他關進集中營。Zjr物理好資源網(原物理ok網)

普朗克的工作得到了科學界的高度贊譽。1948年,在追思普朗克的會議上,愛因斯坦作了這樣的評價:“作用量子這一發覺成為20世紀數學學研究的基礎,從那時起幾乎完全決定了化學學的發覺。要是沒有這一發覺,那就不可能構建起分子、原子以及支配它們變化的能量過程的理論。并且量子物理學理論,它還粉碎了古典熱學和電動熱學的這個框架,并給科學提出了一項新任務:為全部數學學找出一個新的概念基礎。”Zjr物理好資源網(原物理ok網)

普朗克的偉大發覺和他的崇高品格,使他的名子與科學史上許多偉大的名子并列在一起。正如他的中學生、諾貝爾獎金獎獲得者勞厄所說:“只要自然科學存在,它就不會讓普朗克的名子被遺忘。”愛因斯坦在普朗克的訃告中說道:“一個以偉大的創造性觀念惠及于世界的人,不須要后人來歌頌。他的成就本身就已給了他一個更高的感念。”Zjr物理好資源網(原物理ok網)

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