能量像子彈一樣釋放

陳世平

在科學(xué)界，他創(chuàng)造性地提出：能量在輻射過程中的釋放或吸收，不是像水流一樣連續(xù)不斷的，而是呈一股股“不可分割”的涓流狀；他一直領(lǐng)導(dǎo)著德國(guó)的自然科學(xué)，是最受敬仰的一代學(xué)術(shù)宗師。在生活中，他遭遇了許多不幸，飽經(jīng)苦難。但他一生不被困難所阻，兢兢業(yè)業(yè)，給后世樹立了科學(xué)和道義的榜樣。他，就是量子思想的創(chuàng)始人——普朗克。

卓有天賦

1858年4月23日，普朗克出生于德國(guó)基爾市一個(gè)知識(shí)分子家庭。父親是基爾大學(xué)法學(xué)教授，母親出生于牧師家庭。普朗克兄弟姊妹7個(gè)，他們從小受到良好的文化教養(yǎng)。

童年時(shí)期，普朗克顯示了出色的音樂天賦，他能演奏優(yōu)美動(dòng)聽的鋼琴曲和風(fēng)琴曲。他幼兒時(shí)期的夢(mèng)想是成為一名鋼琴家。普朗克在基爾接受了初等教育，后來在慕尼黑古典皇家馬克西米連大學(xué)預(yù)科學(xué)院學(xué)習(xí)，普朗克在這里顯示了卓越的數(shù)學(xué)才能。畢業(yè)后，普朗克進(jìn)入慕尼黑大學(xué)深造，選擇了數(shù)學(xué)專業(yè)。不久，他對(duì)“宇宙的本性”產(chǎn)生了濃厚興趣，轉(zhuǎn)學(xué)物理。他去找慕尼黑大學(xué)一位教授征求意見，這位教授勸他不要從事物理研究。在教授看來，物理學(xué)已經(jīng)非常完美，繼續(xù)研究下去不會(huì)有前途。值得慶幸的是，普朗克堅(jiān)信自己的選擇，否則，偉大的量子理論將與他擦肩而過。

在慕尼黑大學(xué)學(xué)習(xí)3年后，普朗克來到柏林大學(xué)。21歲時(shí)，年青的普朗克在慕尼黑大學(xué)獲得了哲學(xué)博士學(xué)位。他探討了熱過程的不可逆問題，提出了熵定律最一般的表達(dá)方法，“不管用什么方法都不可能使導(dǎo)熱過程完全可逆?！笨上н@一超前思維沒能引起慕尼黑大學(xué)教授們的關(guān)注。大學(xué)生活結(jié)束后，普朗克留在慕尼黑大學(xué)執(zhí)教5年，此后應(yīng)邀去柏林大學(xué)教學(xué)，并擔(dān)任了理論物理學(xué)研究所所長(zhǎng)。普朗克很快成為德國(guó)物理學(xué)會(huì)柏林會(huì)員，并被選入普魯士皇家科學(xué)院，在學(xué)術(shù)界名氣不斷增長(zhǎng)。

量子先驅(qū)

19世紀(jì)末期，正是物理學(xué)從各方面取得“完美”成功之時(shí)，物理學(xué)家開爾文勛爵懷著喜悅的心情為19世紀(jì)的物理學(xué)做了美好的總結(jié)：整個(gè)物理學(xué)的大廈已經(jīng)建成，但是在物理學(xué)晴朗的天空中，還飄浮著兩朵云，那是在經(jīng)典物理學(xué)的光輝大廈上籠罩著陰影的兩朵讓人煩惱的烏云，其中一朵是“以太危機(jī)”，另一朵便是“黑體輻射”。

1896年，維恩于用熱力學(xué)的方法提出了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，用以描述黑體輻射的規(guī)律，說明絕對(duì)黑體輻射強(qiáng)度按波長(zhǎng)分布的曲線，但這個(gè)公式僅在短波領(lǐng)域與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符，在長(zhǎng)波領(lǐng)域與實(shí)驗(yàn)不相符合。1900年，瑞利與金斯運(yùn)用電動(dòng)力學(xué)和經(jīng)典的統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的方法，提出了另外一個(gè)公式，這個(gè)公式適用于長(zhǎng)波領(lǐng)域，卻不適用于短波領(lǐng)域。

于是，普朗克開始研究熱輻射問題。開始，普朗克認(rèn)為只要以古典電動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，那么，由它得出的理論就會(huì)與實(shí)驗(yàn)資料相符合。但所有的勞動(dòng)都成了徒勞，他失敗了。可是普朗克并未灰心，他繼而改用熱動(dòng)力學(xué)的方法去研究黑體輻射的問題，這一次他成功了。在改進(jìn)維恩公式的基礎(chǔ)上，也得到了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，這個(gè)公式在短波區(qū)域近似于維恩公式，而在長(zhǎng)波區(qū)域又近似于瑞利一金斯公式。

1900年12月24日，在德國(guó)物理學(xué)年會(huì)上，普朗克宣布了自己研究黑體輻射的成果，并提出了以下新思想黑體輻射所產(chǎn)生的振動(dòng)著的帶電粒子，只可能是有一系列特定的不連續(xù)的能量，如果它們的振動(dòng)頻率是y，那么輻射粒子的能量只能是hy或者是它們的整數(shù)倍。在此普朗克用hy作為最小單位，并把它叫做能量子。其中h是他在推導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)公式時(shí)引進(jìn)的一個(gè)新常量，就叫作普適常量，后來科學(xué)家們都把它稱作普朗克常數(shù)，并把1900年12月24日這一天定為量子理論的誕生日。

普朗克第一次提出了能量不連續(xù)的概念。他認(rèn)為，能量在輻射過程中不是連續(xù)的，它不像水龍頭里的水，綿綿不斷地流出來，而是不連續(xù)的，就像機(jī)關(guān)槍里的子彈一樣，一發(fā)一發(fā)地被釋放出來，而一發(fā)子彈便是一個(gè)能量子，它的能量只取決于頻率。這個(gè)結(jié)論出人意外，它后來發(fā)展成了確定現(xiàn)代物理學(xué)兩大支柱之一的量子力學(xué)，另一個(gè)支柱則是從研究“以太危機(jī)”推導(dǎo)出的愛因斯坦相對(duì)論。

量子假說問世后，盡管遭到一些非難，但它突破了經(jīng)典物理學(xué)的束縛，在建立現(xiàn)代物理學(xué)體系中還是被人們所接受。1905年，愛因斯坦首先運(yùn)用這個(gè)假說對(duì)光電效應(yīng)現(xiàn)象做了科學(xué)的解釋，突破了經(jīng)典物理學(xué)的框架，確立了量子理論的地位。1913年，玻爾將這一概念用于他的原子結(jié)構(gòu)理論中。

著書育才

起初，普朗克對(duì)相對(duì)論有點(diǎn)兒懷疑，但后來卻對(duì)它評(píng)價(jià)很高，甚至認(rèn)為愛因斯坦可以和哥白尼相提并論，并積極向?qū)W術(shù)界介紹這種理論，擴(kuò)大了愛因斯坦在德國(guó)的影響，因此有人風(fēng)趣地說，普朗克“發(fā)現(xiàn)了”愛因斯坦，是除熱輻射理論以外，他對(duì)物理學(xué)的又一個(gè)重大貢獻(xiàn)。

普朗克個(gè)性嚴(yán)謹(jǐn)，爽直樸素，為人和善、真誠(chéng)，從不矯揉造作。愛因斯坦說“與普朗克一起生活是一件快樂的事。”40多年的教學(xué)生涯中，他主張讓學(xué)生根據(jù)專長(zhǎng)自由發(fā)展，先后培養(yǎng)了20多名哲學(xué)博士，其中有著名的哲學(xué)家石里克、獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的勞厄和玻特。

飽經(jīng)磨難

在科學(xué)界，普朗克獲得巨大的成就。但在生活中，普朗克歷經(jīng)坎坷和憂患。第一次世界大戰(zhàn)中，他的長(zhǎng)子陣亡，兩個(gè)女兒先后病故：戰(zhàn)后，德國(guó)經(jīng)濟(jì)大混亂，60歲高齡的普朗克因公出差，因交不起旅館的費(fèi)用，只得在車站過夜；希特勒上臺(tái)后，他更是歷盡艱辛與屈辱。第二次世界大戰(zhàn)期間，他在柏林的住所遭到空襲被毀，多年精心收集的日記、通信、文稿、書籍全都?xì)в谝坏?。更悲痛的是，他最心愛的次子因涉嫌謀殺希特勒而被納粹處以絞刑。在一次空襲中他甚至被埋在地下長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)小時(shí)。

普朗克生命中最后的兩年時(shí)光，是在哥廷根的侄女家度過的。1947年10月3日，普朗克在哥廷根大學(xué)醫(yī)院逝世。在葬禮上，哈恩和勞厄兩位著名的科學(xué)家致了悼詞。普朗克的遺體被安葬在哥廷根市的公墓里，墓碑上僅刻了姓名和普朗克常數(shù)h=6.62×10^-27爾格·秒。