打開量子的大門——普朗克與原子時(shí)代

在牛頓力學(xué)已發(fā)展到登峰造極的地步時(shí)，許多科學(xué)家運(yùn)用牛頓力學(xué)原理，成功地研究了剛體、流體、彈性體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，創(chuàng)立了力學(xué)的新分支剛體力學(xué)、流體力學(xué)、彈性力學(xué)等。天文學(xué)家運(yùn)用牛頓力學(xué)的原理，正確地計(jì)算了哈雷彗星的回歸時(shí)間，并發(fā)現(xiàn)了海王星……這時(shí)牛頓力學(xué)已經(jīng)被視為“完美無缺的理論”和科學(xué)真理的頂峰。物理學(xué)界的許多人都因此而沉醉于完美而和諧的氣氛之中，悠然自得。可是，德國一位物理學(xué)家卻注意到了開爾文的后兩句話——“物理學(xué)大廈已全部建成，今后物理學(xué)家的任務(wù)就是修飾這所大廈，使之更加完美。然而，他并沒有否認(rèn)，在晴朗天空的邊際，尚還有兩朵小小的令人不安的烏云，其中之一就是黑體輻射?！庇谑撬_始了對(duì)黑體輻射的研究，正確地解釋了這一難題，驅(qū)散了這朵烏云，悄悄地把世界引進(jìn)到原子時(shí)代。這個(gè)人就是德國柏林大學(xué)物理學(xué)教授馬克斯·普朗克。

當(dāng)舊理論的支持者紛紛死去的時(shí)候，就是新理論登場的時(shí)候了。——普朗克

普朗克是一位卓越的理論物理學(xué)家，他致力于熱力學(xué)的研究，于1900年提出了一種嶄新的理論，叫量子論。這種理論表明，自然界中存在著這樣一些變化，它們的發(fā)生不是平穩(wěn)的，而是跳躍的、“爆炸式的”。這個(gè)理論動(dòng)搖了人們對(duì)整個(gè)自然界變化的傳統(tǒng)看法，有關(guān)能量連續(xù)變化的觀念再也不能認(rèn)為是正確的了。這一理論的提出，使物理學(xué)發(fā)生了一場重大革命。正是由于它的誕生，現(xiàn)代物理學(xué)才發(fā)展起來?！傲孔诱摗北还J(rèn)為是經(jīng)典物理學(xué)和現(xiàn)代物理學(xué)的分界線。因此普朗克榮獲1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

普朗克于1858年4月23日出生在德國基爾的一個(gè)知識(shí)分子家庭，父親是法學(xué)專家，擔(dān)任基爾大學(xué)教授。他生活在學(xué)術(shù)氣息濃厚的家庭里，從小就接受很好的家庭教育，養(yǎng)成了踏實(shí)的學(xué)習(xí)態(tài)度。

就讀中學(xué)的時(shí)候，普朗克遇到一位對(duì)學(xué)生循循善誘的物理老師，使他對(duì)物理學(xué)逐漸發(fā)生了興趣。中學(xué)畢業(yè)后，他先后就讀于慕尼黑大學(xué)和柏林大學(xué)，接受著名的物理學(xué)家赫茲和基爾霍夫的指導(dǎo)，打下了相當(dāng)堅(jiān)實(shí)的物理學(xué)基礎(chǔ)。

普朗克大學(xué)畢業(yè)后，就開始了物理學(xué)研究。他系統(tǒng)地自修了著名物理學(xué)家克勞胥斯的《熱力學(xué)》，為其中深?yuàn)W的理論所吸引，于是，就確定以熱力學(xué)第二定律作為自己博士論文的題目。

1885年春，這位在慕尼黑大學(xué)擔(dān)任5年助教的普朗克終于有了出頭之日，他被基爾大學(xué)聘請(qǐng)為理論物理系副教授。這時(shí)，理論物理學(xué)還屬于一門新的學(xué)科，選修的學(xué)生較少，這就使他有更多的時(shí)間去從事新課題的探討和研究，并為他后來提出的輻射理論打下了基礎(chǔ)。

1888年11月29日，普朗克又應(yīng)柏林大學(xué)的聘請(qǐng)前往任教。第二年春天，基爾霍夫教授逝世，普朗克接替了他的教職，兼任新設(shè)的物理研究所所長。1892年，他晉升為柏林大學(xué)教授，一直到1926年退休為止。他在柏林大學(xué)曾兩次執(zhí)教，先后長達(dá)40余年，普朗克一生在科學(xué)上提出了許多創(chuàng)見，但貢獻(xiàn)最大的還是1900年所提出的量子假說。

熱輻射演示裝置

普朗克從1896年開始熱輻射的研究，他在研究中，利用了許多德國物理學(xué)家的工作成果，例如，基爾霍夫的熱力學(xué)方法，威里·維恩的輻射定律等。而后者，正如著名物理學(xué)家勞厄說的：“維恩把物理學(xué)直接引到了量子物理學(xué)的大門口。”而普朗克正是在這些工作的基礎(chǔ)上，采取了下一個(gè)步驟，引導(dǎo)量子物理學(xué)通過了這座大門。

1896年的一天，普朗克正做著他的熱輻射研究，一位同事跑進(jìn)來告訴他：“真了不起，有兩位物理學(xué)家在帝國物理研究所對(duì)黑體輻射進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并取得了測量結(jié)果”。

普朗克聽后高興極了，他立即著手熱輻射的研究。他發(fā)現(xiàn)：“發(fā)熱的物體都會(huì)放出光線，這些光線不一定都能被眼睛看到。極高溫的物體可能發(fā)射出可見光或其他肉眼看不見的光；低溫的物體，可能只會(huì)放出紅外線?！边@個(gè)理論，可應(yīng)用在高溫物體的溫度測定上，當(dāng)物體的溫度很高，普通的溫度計(jì)已經(jīng)不能使用時(shí)，我們可以分析物體放出的光線，來測得物體的溫度。大體上說，顏色愈接近白色的光，溫度就愈高，燈泡中的發(fā)光鎢絲，通電后可達(dá)2800℃的高溫。

普朗克在研究發(fā)熱體輻射光線時(shí)，產(chǎn)生了一個(gè)疑問：“地球上的萬物或多或少都具有溫度，如果根據(jù)已知的理論去計(jì)算，物體即使只有少量的熱，也會(huì)發(fā)出非常強(qiáng)的光。這么說，幾乎每種東西都是白熱的?？墒牵聦?shí)并非如此。”他仔細(xì)地檢查計(jì)算過程，發(fā)現(xiàn)并沒有錯(cuò)誤，于是，大膽地指出前人理論錯(cuò)誤的地方，在科學(xué)上引起了相當(dāng)大的震撼。

光和熱有密切的關(guān)系，普朗克在對(duì)這一問題深入研究后，指出：“光在某些方面具有粒子的特性，一束光線所含的粒子，如同機(jī)關(guān)槍打出的子彈一般，是一個(gè)接著一個(gè)往外發(fā)射的，每個(gè)粒子都帶有能量?！?/p>

光的本性是什么，光是粒子還是波呢？科學(xué)家們進(jìn)行了長期的爭論，事實(shí)是某些波動(dòng)理論難以說明的光學(xué)現(xiàn)象，可以用粒子的觀念來說明；可是，有些現(xiàn)象只能用波動(dòng)的觀念來解釋，而不能使用粒子的理論來說明。對(duì)光的本性爭論，一直持續(xù)了200多年，仍然沒有得到統(tǒng)一的結(jié)論。

量子論的誕生是科學(xué)發(fā)展史上的一個(gè)重大事件，它促進(jìn)了其他科學(xué)的發(fā)展。著名物理學(xué)家愛因斯坦當(dāng)時(shí)正在瑞士研究相對(duì)論，他看過普朗克的論文以后，發(fā)覺量子論可用來解釋光電學(xué)上的某些疑問。他用一束強(qiáng)光照射到金屬板上，結(jié)果有電子從金屬板上彈出，如果用更多的光來照射金屬板，就有更多的電子被打出來，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)證明了量子理論的正確性。如果用波動(dòng)的觀念來解釋，增加照射光束，應(yīng)該是使電子的速率加快，而不會(huì)使電子數(shù)量增加。愛因斯坦非常欽佩普朗克的才華，對(duì)于量子論的推廣不遺余力。后來，他到柏林大學(xué)任教，成為普朗克的至交好友。而柏林大學(xué)有了普朗克和愛因斯坦這兩位物理學(xué)大師，立即成為當(dāng)時(shí)世界物理學(xué)的研究重地。

奇妙的量子曲線，普朗克于1900年發(fā)現(xiàn)了隱藏在這些曲線中的量

然而，好景不長，希特勒?qǐng)?zhí)掌德國政權(quán)后，許多科學(xué)家受到了納粹的迫害。愛因斯坦被迫逃往美國，留在德國的普朗克，無法接受戈培爾和希特勒的暴行，拒絕簽署對(duì)納粹效忠的文件，因此不斷地受到秘密警察的騷擾。他雖然年事已高，卻一點(diǎn)也不肯向強(qiáng)權(quán)屈服。

1933年春，希特勒開始對(duì)猶太科學(xué)家進(jìn)行瘋狂地解職和逮捕。1933年秋，相對(duì)論的創(chuàng)始人愛因斯坦被迫去了美國。納粹沒能把最偉大的科學(xué)家置于死地，于是就開動(dòng)宣傳機(jī)器，誣蔑愛因斯坦是“祖國的叛徒”。剛從旅行中歸來的普朗克，聽到這一消息后，立即向科學(xué)院發(fā)表聲明：“愛因斯坦先生是杰出的物理學(xué)家之一。他在我們科學(xué)院發(fā)表的著作對(duì)本世紀(jì)物理學(xué)的巨大貢獻(xiàn)只有開普勒和牛頓的成就可以與之媲美。我認(rèn)為，當(dāng)我說這些話的時(shí)候，我所表達(dá)的既是我們科學(xué)院同行們的見解，又是絕大多數(shù)德國物理學(xué)家們的見解。我認(rèn)為說這些話之所以必要，首先是為了讓后代不要以為愛因斯坦先生在科學(xué)院的同行們不能充分理解他對(duì)科學(xué)發(fā)展的意義?！?/p>

這一下激怒了希特勒，1935年，普朗克被免去了德國威廉皇家學(xué)會(huì)主席的職務(wù)。但普朗克毫不懼怕，當(dāng)著名化學(xué)家、反法西斯主義者哈伯在瑞士去世一周年時(shí)，他準(zhǔn)備召開紀(jì)念大會(huì)。由于哈伯是1933年春被迫逃到瑞士的，希特勒對(duì)他進(jìn)行過迫害，所以希特勒政府得知這一消息后，正式禁止德國各大學(xué)的教授們參加這個(gè)會(huì)議。但普朗克的精神鼓舞了大家，終于開成了這個(gè)紀(jì)念大會(huì)。于是懲罰隨之而至，1938年又免去了他的柏林科學(xué)院院長的職務(wù)。各國的科學(xué)家都無不為之擔(dān)憂，多次邀請(qǐng)他到國外講學(xué)或養(yǎng)老，但是，他堅(jiān)持要守在自己的崗位上，捍衛(wèi)德國科學(xué)的成果，因此，他婉言謝絕了這些邀請(qǐng)。

有一天，納粹分子再次闖進(jìn)普朗克的住宅，并且押著他的兒子前來，威脅說：“只要你簽了效忠國家的誓約，我們就會(huì)把你的兒子釋放。否則你應(yīng)該明白，你兒子犯了陰謀反叛希特勒的罪行，會(huì)有多么嚴(yán)重的后果！”

普朗克仍舊堅(jiān)持不向法西斯屈服的原則，拒絕了納粹分子的要挾，因而使得他最小的兒子遭到殺身之禍。經(jīng)過這次打擊，普朗克更加痛恨納粹分子的殘暴惡行，同時(shí)也更加堅(jiān)定了反抗暴政的決心。

第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，德國政府為了表揚(yáng)普朗克在科學(xué)上的成就，準(zhǔn)備在他90歲壽辰時(shí)大大慶祝一番。可惜這個(gè)計(jì)劃未能實(shí)現(xiàn)，1947年10日3日，普朗克這位偉大的科學(xué)家離開了人世，終年89歲。他的學(xué)生在悼念他時(shí)說：“只要科學(xué)存在，它將永遠(yuǎn)不會(huì)忘記普朗克的名字?！?/p>

普朗克的“量子論”打開了“量子力學(xué)”的大門，把科學(xué)引入原子時(shí)代。這個(gè)偉大的成就不僅為他贏得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，還使他被公推為英國皇家學(xué)會(huì)最高級(jí)的名譽(yù)會(huì)員，并且被選為美國物理學(xué)會(huì)名譽(yù)會(huì)長。德國政府為了紀(jì)念他在科學(xué)史上的卓越貢獻(xiàn)，將愷撒威廉科學(xué)院改名為“普朗克學(xué)院”，同時(shí)將德國最高科學(xué)獎(jiǎng)定名為“普朗克獎(jiǎng)?wù)隆薄?/p>

如果我們想交朋友，就要先為別人做些事——那些需要花時(shí)間、體力、體貼、奉獻(xiàn)才能做到的事。

——卡耐基