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周法哲的博客

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做过工,开过荒,教过书,扛过枪,当过干部仍在党,现任公司董事长。业余以探索天地人和谐之道为乐!

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(原创)量子论之父普朗克(图)  

2008-04-02 19:17:33|  分类: 科学的皇后 |  标签: |举报 |字号 订阅

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普朗克,M.(Max Planck 1858~1947)近代伟大的德国物理学家,量子论的奠基人。1858年4月23日生于基尔。1867年,其父民法学教授J.W.von普朗克应慕尼黑大学的聘请任教,从而举家迁往慕尼黑。普朗克在慕尼黑度过了少年时期。在中学时他热爱劳动。责任心强,聪慧勤奋,成绩单上的评语是“尽管在班里年龄最小,但头脑非常清醒而又逻辑性强”。有条不紊一丝不苟是他的作风。1874年人慕尼黑大学,1878年毕业,次年获该校哲学博士学位。

普朗克走上研究自然科学的道路,在很大程度上应归功于一个名叫缪勒的中学老师。普朗克童年时期爱好音乐,又爱好文学。后来他听了缪勒讲的一个动人故事:

一个建筑工匠花了很大的力气把砖搬到屋顶上,工匠做的功并没有消失,而是变成能量贮存下来了。一旦砖块因为风化松动掉下来,砸在别人头上或者东西上面,能量又会被释放出来,……

这个能量守恒定律的故事给普朗克留下了终生难忘的印象,不但使他的爱好转向自然科学,而且成为他以后进行科学研究工作的基础之一。

1874年普朗克进入慕尼黑大学就读。1877~1878年间,去柏林大学听过数学家K.外尔斯特拉斯和物理学家H.von亥姆霍兹和G.R.基尔霍夫的讲课。普朗克晚年回忆这段经历时说,这两位物理学家的人品和治学态度对他有深刻影响,但他们的讲课却不能吸引他。在柏林期间,普朗克认真自学了R.克劳修斯的主要著作《力学的热理论》,使他立志去寻找象热力学定律那样具有普遍性的规律。

1879年普朗克在慕尼黑大学获得博士学位后,先后在慕尼黑大学和基尔大学任教。1888年基尔霍夫逝世后,柏林大学任命他为基尔霍夫的继任人(先任副教授,1892年后任教授)和理论物理学研究所主任。

普朗克早期的研究领域主要是热力学。他的博士论文就是《论热力学的第二定律》。此后,他从热力学的观点,对物质的聚集态的变化、气体与溶液理论等进行了研究。可是不久,他了解到美国物理学家吉布斯早已做过这方面工作。于是,便把注意力转向黑体辐射问题。

普朗克在物理学上最主要的成就,是提出著名的普朗克黑体辐射公式,创立能量子概念。

19世纪末,人们用经典物理学解释黑体辐射实验的时候,出现了著名的所谓“紫外灾难”。虽然瑞利、金斯(1877—1946)和维恩(1864—1928)分别提出了两个公式,企图弄清黑体辐射的规律,但是和实验相比,瑞利-金斯公式只在低频范围符合,而维恩公式只在高频范围符合。

普朗克从1896年开始研究热辐射的能量分布问题。普朗克想到一个特别有意义的问题:为什么理想黑体的光谱竟像万有引力一样与物质成份的化学性质无关?这里是否隐藏着更普遍的规律?他说:“这个所谓的正常能量分布代表着某种绝对的东西,既然在我看来,对绝对的东西所作的探求是研究的最高形式,因此我就劲头十足地致力于解决这个问题了。”他独创性地将熵这个基本概念引入振子、电磁波能量分布等问题中,认为黑体辐射的能量分布是最稳定即熵值最大的分布。

经过几年艰苦努力,提出了普朗克振子的设想,1899年他根据经典电磁场理论,终于导出了一个初步的黑体辐射能流密度公式:

 

(其中u 代表频率为ν 的一个普朗克振子的平均能量。)

他于1900年10月下旬,在《德国物理学会通报》上发表了一篇只有三页纸的论文,题目是《论维恩光谱方程的完善》,第一次提出了普朗克黑体辐射公式。经实验验证与各波段实测数值完全符合。普朗克没有满足于“侥幸揣测出来的内插公式”,而是“致力于找出这个等式的真正的物理意义”。最后他终于接受了玻耳兹曼关于熵的统计诠释,找到了S=klnW这一重要的普适公式,它代表了宏观态与微观态的结合,即所有微观态的总组合是分立的集合,随后又进行了理论上的推导。证得:

1900年12月14日,他在德国物理学会宣读了《关于正常光谱的能量分布定律的理论》,总结了上述理论。在这个报告中,他激动地阐述了自己最惊人的发现。他说,为了从理论上得出正确的辐射公式,必须假定黑体辐射(或吸收)的能量不是连续地、而是一份一份地进行的,只能取某个最小数值的整数倍。这个最小数值就叫“能量子”,辐射频率是ν的能量的最小数值ε=hν 。

其中常数h普朗克当时把它叫做基本作用量子,现在叫做普朗克常量。普朗克常量是现代物理学中最重要的物理常数之一,它标志着物理学从“经典幼虫”变成了“现代蝴蝶”。

经典物理学一直认为,频率为ν的辐射的能量大小是连续变化的,不受任何限制。而普朗克的能量子假说,首创了黑体辐射能量是以不连续的离散单元值转移的理念,革命性地突破了经典物理学局限,开启了量子论的大门,所以被人们誉为量子论之父。1919年,索末菲在他的《原子构造和光谱线》一书中最早将1900年12月14日称为“量子理论的诞辰”,后来的科学史家们将这一天定为了量子的诞生日。

1906年普朗克在《热辐射讲义》一书中,系统地总结了他的工作,为开辟探索微观物质运动规律新途径提供了重要的基础。普朗克的量子论,还使人们从电磁辐射能量的量子化开始,重新认识了光的粒子性。

由于这一发现对物理学的发展作出的巨大贡献,普朗克获得1918年诺贝尔物理学奖。

在相对论方面,普朗克也作出了贡献,他是最先理解和支持相对论的物理学家之一。1906年,他导出了相对论动力学方程,得出电子能量和动量的表达式,从而完成了经典力学的相对论化。1906年他引入了“相对论”这个术语。1907年在狭义相对论的框架内推广了热力学

普朗克为人谦虚,作风严谨。在1918年4月德国物理学会庆贺他60寿辰的纪念会上,普朗克致答词说:“试想有一位矿工,他竭尽全力地进行贵重矿石的勘探,有一次他找到了天然金矿脉,而且在进一步研究中发现它是无价之宝,比先前可能设想的还要贵重无数倍。假如不是他自己碰上这个宝藏,那么无疑地,他的同事也会很快地、幸运地碰上它的。”这当然是普朗克的谦虚。洛仑兹在评论普朗克关于能量子这个大胆假设的时候所说的话,才道出了问题的本质:“我们一定不要忘记,这样灵感观念的好运气,只有那些刻苦工作和深入思考的人才能得到。”

自20世纪20年代以来,普朗克成了德国科学界的中心人物,与当时德国以及国外的知名物理学家都有着密切联系。1894年当选为柏林科学院院士,1912~1938年任常任秘书。1918年当选为英国皇家学会会员。1926年当选为苏联科学院外籍院士。1930~1935年任威廉皇帝科学促进协会会长。为了表示对普朗克的崇敬,1945年以后,协会改名为马克斯普朗克科学促进协会。在那时期,柏林、哥廷根、慕尼黑、莱比锡等大学成为世界科学的中心,是同普朗克、W.能斯脱、A.索末菲等人的努力贡献分不开的。

在纳粹攫取德国政权后,为捍卫科学的尊严,普朗克以一个科学家对科学、对祖国的满腔热情,与纳粹分子展开了不妥协的斗争。二次大战期间他为受迫害的犹太籍科学家提供过尽可能的支持与帮助。

普朗克一生酷爱散步和登山运动,其实就是他对大自然这个万物之主的一种顶礼膜拜,他84岁那年还曾登上一座3000米高的山峰。他信守他的导师赫姆霍茨的一句名言:“散步是自然科学家的神圣天职。”

值得一提的是,信仰使人成功,但信仰一旦变成固执的行动的话也会妨碍一个人前进的脚步。普朗克本质上根深蒂固的保守意识,曾使他在提出石破天惊的理论并得到了其他人的发展以后,却固执地要将跳出经典物理学旧框框提出的新理论,重新纳回经典物理学的旧框框中去。

普朗克进入科学殿堂以后,无论遇到什么困难,都没有动摇过他献身于科学的决心。他的家庭相继发生过许多不幸:1909年妻子去世,1916年儿子在第一次世界大战中战死,1917年和1919年两个女儿先后都死于难产,1944年长子被希特勒处死。但是普朗克总是用奋发忘我的工作抑制自己的感情和悲痛,为科学做出了一个又一个重要的贡献。他一生发表了215篇研究论文和7部著作,其中包括1959年出版的《物理学中的哲学》一书。

在普朗克80岁寿辰的庆祝会上,人们“赠给”他一个小行星,并命名为“普朗克行星”。在他临去世前一年的1946年,88岁高龄的普朗克虽然年迈体弱,但却仍然非常高兴地出席了皇家学会的纪念牛顿的集会。真可谓生命不息,战斗不止!

1947年10月4日,普朗克在哥廷根病逝,终年89岁。德国政府为了纪念这位伟大的物理学家,把威廉皇家研究所改名叫普朗克研究所。普朗克的墓在哥庭根市公墓内,其标志是一块简单的矩形石碑,上面只刻着他的名字和普朗克常量: h = 6.63×10^-27尔格.秒。

(作者:周法哲2008-4-2于广东,插图为转摘)

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