普朗克――量子熱學(xué)的奠基人
普朗克,日本化學(xué)學(xué)家,1858年4月23日,普朗克生于加拿大基爾,在那兒渡過了他童年最初的幾年歲月,1867年他全家搬到了赫爾辛基,普朗克就讀馬克西米利安文理學(xué)校,17歲時(shí)完成了小學(xué)的學(xué)業(yè)。
1874年,普朗克在蘇黎世學(xué)院開始了他的數(shù)學(xué)學(xué)學(xué)業(yè),他整個(gè)科學(xué)事業(yè)中僅有的幾次實(shí)驗(yàn)是在該校化學(xué)學(xué)院士約利手下完成的,普朗克研究了甲烷在加熱后的鉑中的擴(kuò)散,并且很快就把研究轉(zhuǎn)向了理論化學(xué)學(xué),
1877年至1878年,普朗克退學(xué)到柏林學(xué)院,在知名化學(xué)學(xué)家亥姆霍茲、基爾霍夫以及物理家魏爾施特拉斯手下學(xué)習(xí),普朗克主要從克勞修斯的課件中自學(xué),并遭到那位熱力學(xué)奠基人的重要影響,力學(xué)理論弄成了普朗克的工作領(lǐng)域,1879年普朗克通過了博士論文,在論文中闡述了熱力學(xué)第二定理。
1880年普朗克在阿姆斯特丹學(xué)院兼任數(shù)學(xué)講師,繼續(xù)他在熱理論領(lǐng)域的工作,提出了熱動(dòng)熱學(xué)公式,卻沒有發(fā)現(xiàn)這一公式在此前已由吉布斯提出過,克勞修斯所提出的“熵”的概念在普朗克的工作中處于中心位置。
1885年普朗克被基爾學(xué)院聘為理論化學(xué)特約院士,普朗克繼續(xù)他對(duì)熵及其應(yīng)用的研究,主要解決數(shù)學(xué)物理方面的問題在基爾這段時(shí)間,普朗克早已開始了對(duì)原子假說的深入研究。
1897年,哥廷根學(xué)院哲學(xué)系授獎(jiǎng)給普朗克的著作《能量守恒原理》,1889年4月,普朗克抵達(dá)柏林學(xué)院,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大學(xué)的教授。
和其他幾位科學(xué)家一樣,普朗克對(duì)宋體幅射問題很感興趣,宋體幅射是描述給絕對(duì)宋體加熱來做電磁幅射的術(shù)語(絕對(duì)宋體是不反射任何光而完全吸收所遇到光的物體),實(shí)驗(yàn)化學(xué)學(xué)家們甚至在普朗克著手研究這個(gè)問題之前就對(duì)這樣的物體幅射做過認(rèn)真的檢測(cè),普朗克取得的第一項(xiàng)成就是提出了一個(gè)拿來正確勾勒宋體幅射的相當(dāng)復(fù)雜的代數(shù)公式,這個(gè)代數(shù)式完美地概述了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),在明天理論化學(xué)學(xué)上仍經(jīng)常使用。
然而卻有一個(gè)問題:公認(rèn)的數(shù)學(xué)學(xué)定理喻示存在著一個(gè)完全不同的公式,普朗克對(duì)這個(gè)問題思索事奉,總算提出了一個(gè)嶄新的學(xué)說:只有假設(shè)物質(zhì)幅射(或吸收)的能量不是連續(xù)的,而是一份一份地進(jìn)行的,只能取某個(gè)最小數(shù)值的整數(shù)倍,估算的結(jié)果能夠和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符,這個(gè)最小數(shù)值就叫能量子,因此,普朗克提出了一個(gè)重要的數(shù)學(xué)學(xué)常數(shù)――普朗克常數(shù),以調(diào)和精典化學(xué)學(xué)理論研究熱幅射規(guī)律時(shí)遇見的矛盾,每一份能量子等于普朗克常數(shù)除以幅射能量的頻度。
普朗克常數(shù)在數(shù)學(xué)理論中有著重要的作用,現(xiàn)今被覺得是最基本的數(shù)學(xué)常數(shù)之一,它出現(xiàn)在原子結(jié)構(gòu)學(xué)說、海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理、輻射學(xué)說和許多科學(xué)公式中,普朗克最初估算下來的常數(shù)數(shù)值與明天使用的僅僅相差百分之二。
1900年12月14日,普朗克在美國數(shù)學(xué)學(xué)會(huì)作了《論正常波譜的能量分布》的報(bào)告,公布了他的上述研究成果,這三天成了量子論的誕生日,基于普朗克常數(shù)的假定,他推導(dǎo)入宋體幅射的普朗克公式,完滿地解釋了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,這個(gè)成就揭露量子熱學(xué)的帷幕。
普朗克假說具有徹底的革命性.因而若不是他以頑固保守的化學(xué)學(xué)家而聞名,他的假說無疑會(huì)被當(dāng)成一種荒謬的思想而棄之一邊,盡管這一假說聽上去很詭異,并且在這些特殊情況下卻推導(dǎo)入了正確的公式。當(dāng)年大多數(shù)化學(xué)學(xué)家(包括普朗克本人在內(nèi))都覺得這一假說不過是適應(yīng)面很窄的一個(gè)物理假定,然而幾年之后表明普朗克的概念能夠應(yīng)用于除宋體幅射以外的許多各類不同的化學(xué)現(xiàn)象,1905年愛因斯坦用這一概念解釋光電效應(yīng),1913年玻爾在他的原子結(jié)構(gòu)學(xué)說中也使用了這一概念。
普朗克因發(fā)覺能量子而對(duì)化學(xué)學(xué)的進(jìn)展作出了重要貢獻(xiàn),為量子熱學(xué)的構(gòu)建奠定了基礎(chǔ),在1918年獲得諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng),量子熱學(xué)的發(fā)展被覺得是20世紀(jì)最重要的科學(xué)發(fā)展,其重要性可以同愛因斯坦的相對(duì)論相抗衡,通常覺得普朗克是量子熱學(xué)之父,盡管他對(duì)此理論后來的發(fā)展沒有起哪些作用,然而他所做的起始突破十分重要,使人們?cè)谒枷肷纤Φ袅嗽镜腻e(cuò)誤概念,因而他的承繼人才能成立出明天這樣完美的學(xué)說雖然在后來的時(shí)間里,普朗克仍然企圖將自己的理論列入精典化學(xué)學(xué)的框架之下,但他仍被視為近代化學(xué)學(xué)的開拓者、量子熱學(xué)的創(chuàng)始人、二十世紀(jì)最重要的數(shù)學(xué)學(xué)家之一。
1947年10月4日,普朗克去世,終年89歲.他的墓在哥廷根市墓地內(nèi),其標(biāo)志是一塊簡單的方形墓碑,里面刻著他的名子,碑刻銘只有一行字“h=6.63×10-34J?s”,這也是對(duì)他畢生最大貢獻(xiàn)――提出能量子假說的肯定。
費(fèi)曼――量子電動(dòng)熱學(xué)的卓越貢獻(xiàn)者
費(fèi)曼,日本化學(xué)學(xué)家,1918年5月11日,費(fèi)曼出生于法國倫敦市皇后區(qū)的小鎮(zhèn)法洛克衛(wèi),他的女兒非常注意啟發(fā)寶寶用科學(xué)的方法去思索,學(xué)校時(shí)代的費(fèi)曼就非常喜歡物理和科學(xué),自學(xué)了微積分和不少的科學(xué)知識(shí),在讀法洛克衛(wèi)中學(xué)的最后一年,費(fèi)曼獲得了倫敦學(xué)院物理錦標(biāo)賽的亞軍,他的得分與這些名次接近的競爭者差別頗大,此事轟動(dòng)裁判。
1939年費(fèi)曼以優(yōu)異的成績結(jié)業(yè)于麻省理工大學(xué),步入耶魯學(xué)院攻讀研究生,成為化學(xué)學(xué)家惠勒的中學(xué)生,其物理和化學(xué)的研究生入學(xué)考試獲得滿分,1942年6月獲得理論化學(xué)學(xué)博士學(xué)位。
1943年費(fèi)曼步入洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室,參與曼哈頓計(jì)劃,這是一項(xiàng)借助核裂變反應(yīng)來研發(fā)原子彈的計(jì)劃,曼哈頓計(jì)劃是費(fèi)曼研究生涯的起點(diǎn),在洛斯阿拉莫斯,費(fèi)曼負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)理論小組中國十大最偉大物理學(xué)家,在整個(gè)理論部成了解決麻煩問題的能手,被稱為“萬能博士”。曼哈頓計(jì)劃科學(xué)方面的領(lǐng)導(dǎo)者奧本海默贊揚(yáng)費(fèi)曼是“那里最卓越的年青化學(xué)學(xué)家”,同學(xué)維格納也說:“他是第二個(gè)狄拉克,是現(xiàn)今獨(dú)一無二的佼佼者。”
費(fèi)曼1945年開始在康奈爾學(xué)院任教.因?yàn)橛H自參與了釋放毀滅性的核能量,又見到摯愛的母親過世,費(fèi)曼陷人了深深的抑郁,這些情形持續(xù)了差不多三年,康奈爾學(xué)院給費(fèi)曼提供了一個(gè)避風(fēng)港,讓他集中精力從事教學(xué),而不要求他掏出研究成果。最終,費(fèi)曼用一種完全是費(fèi)曼式的方式――尋找拿來描述拋起的碟子轉(zhuǎn)動(dòng)和擺動(dòng)之間的關(guān)系的公式,打破了抑郁的惡性循環(huán)。
19世紀(jì)40年代,費(fèi)曼不受已有的薛定諤的波函數(shù)和海森堡的矩陣這兩種方式的限制,獨(dú)立地提出用躍遷振幅的空間一時(shí)間描述來處理概率問題,發(fā)展了用路徑積分抒發(fā)量子振幅的方式,并于1948年提出量子電動(dòng)熱學(xué)新的理論方式、計(jì)算方式和重正化方式,提出了第三種構(gòu)建量子熱學(xué)的方法,費(fèi)曼提出的費(fèi)曼圖、費(fèi)曼規(guī)則和重正化的估算方式,是研究量子電動(dòng)熱學(xué)和粒子化學(xué)學(xué)不可缺乏的工具。
1951年費(fèi)曼轉(zhuǎn)到加洲理工大學(xué),隨后他的全部時(shí)間都是在加洲理工大學(xué)渡過的,在那兒他進(jìn)行了最有成果的研究工作,在此期間,費(fèi)曼因其詼諧生動(dòng)、不拘一格的授課風(fēng)格受到中學(xué)生歡迎,1963年,加洲理工大學(xué)把他的一系列講堂搜集在一起,出版了《費(fèi)曼數(shù)學(xué)學(xué)課件》,這本書馬上成了精典專著,成了全世界的熱賣書,這本書本來是面向加洲理工大學(xué)的一二年級(jí)中學(xué)生的,而且最能認(rèn)識(shí)到這本書價(jià)值的卻是數(shù)學(xué)班主任,她們從中找到了自己講堂的靈感。所以,費(fèi)曼被叫做“老師的老師”是當(dāng)之無愧的。
1965年,費(fèi)曼因在量子電動(dòng)熱學(xué)方面取得對(duì)粒子化學(xué)學(xué)形成深遠(yuǎn)影響的研究成果,與施溫格、朝永振一郎共同獲得諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)。
不僅量子電動(dòng)熱學(xué)方面的卓越貢獻(xiàn),費(fèi)曼還構(gòu)建了解決液態(tài)氦超流體現(xiàn)象的物理理論。以后,他和蓋爾曼在弱互相作用領(lǐng)域,例如β衰變方面,做了一些奠基性工作,1968年,費(fèi)曼通過提出高能質(zhì)子碰撞過程的“部分子”模型,在夸克理論的發(fā)展中,起了非常重要的作用。
為了推動(dòng)普通公眾對(duì)化學(xué)學(xué)的理解,費(fèi)曼撰寫了《物理定理的特點(diǎn)》和《量子電動(dòng)熱學(xué):光和物質(zhì)的奇異理論》等,同時(shí)還發(fā)表了許多艱深的專業(yè)論文和專著,那些論文和專著已成為研究者和中學(xué)生的精典文獻(xiàn)和教科書。
費(fèi)曼是數(shù)學(xué)學(xué)里罕見的專才,眾所周知自然界共有四種基本互相作用――引力、電磁作用、弱作用和強(qiáng)作用,甚少有人對(duì)四種互相作用都有深刻研究并做出重大貢獻(xiàn),而費(fèi)曼是例外:在20世紀(jì)40年代是QED(電磁作用),50年代是液氦超流性、A-V理論(弱作用)以及引力的理解,60年代至70年代是分子理論(強(qiáng)作用),其中的每一項(xiàng)都足以獲得諾貝爾獎(jiǎng),費(fèi)曼的學(xué)術(shù)研究生涯很長,絕大多數(shù)數(shù)學(xué)學(xué)家在40歲之后對(duì)基礎(chǔ)數(shù)學(xué)學(xué)就沒有哪些重大貢獻(xiàn)了,而費(fèi)曼在60歲時(shí),依然處在粒子化學(xué)新進(jìn)展的核心。
費(fèi)曼還是一位頗具建設(shè)性的公眾人物,1986年,澳大利亞“挑戰(zhàn)者號(hào)”航天客機(jī)升空一分鐘后爆燃,七位機(jī)組人員全部罹難,費(fèi)曼出席了調(diào)查車禍緣由的首相委員會(huì)。為了證明是因?yàn)榘l(fā)射時(shí)溫度過高,導(dǎo)致密封用的橡膠O形圈喪失彈性造成燃料泄露造成車禍中國十大最偉大物理學(xué)家,費(fèi)曼在議會(huì)對(duì)著公眾媒體的攝像機(jī),用一杯冷水和橡膠圈做了知名的“O形圈實(shí)驗(yàn)”,無可爭辯地否認(rèn)了導(dǎo)致爆燃的緣由,但是猛烈地指責(zé)了官僚做派和對(duì)真相有意無意的掩飾。
費(fèi)曼最可敬的品質(zhì)之一,是他對(duì)于自然的奇跡無休止的好奇心和從全新的角度看問題的能力,他喜歡觀察最普通的自然現(xiàn)象,并找出其中的道理,費(fèi)曼常說,假如一個(gè)人學(xué)會(huì)了解釋簡單的東西,他就懂得了解釋是哪些;也就是說,他理解了科學(xué)本身。
費(fèi)曼有一種特殊能力,就是能把復(fù)雜的觀點(diǎn),用簡單的語言把它敘述下來,這促使他成為一位碩果累累的教育家,在獲得的眾多獎(jiǎng)項(xiàng)中,他非常倍感自豪的是1972年獲得的奧爾斯特教育獎(jiǎng)狀。
1988年2月15日,費(fèi)曼因胸膜癌而與疾病搏斗六年后于加洲紐約與世長辭,享年69歲,化學(xué)學(xué)家貝特在悼詞中說“費(fèi)曼遭到的朋友和中學(xué)生的愛戴,比其他科學(xué)家都多。”逝世的第二天,加洲理工大學(xué)11進(jìn)深的圖書館主樓上,學(xué)院生們懸掛了一條條幅,里面寫著:“迪克,我們愛你”(迪克是費(fèi)曼的愛稱)。