德国著名诗人席勒曾说:“我们不知道20世纪会怎样或者它会有什么成就,但它之前的每个时代都致力于造就20世纪。”
在科学领域来说,
20世纪之所以前所未有的伟大,是因为量子物理的诞生。
量子物理的出现撼动了经典物理的绝对权威地位,把人类带到了一个全新的世界。
但是,大家一定没有想到这个划时代的理论的提出竟来得如此
“不情愿”。
被誉为
“量子物理之父”的普朗克
在提出量子论之后的多年,竟然都在尝试推翻自己的量子论。
普朗克
1858年4月18日,
马克斯
·
普朗克
诞生于德国的一座小城基尔。
他的家族可以称得上是那个年代德国的“贵族”。
纯正的“雅利安人”血统,再加上那些光鲜体面的社会身份,牧师、法学家、大学教授等。
青年的普朗克
优越的家庭背景使普朗克从小就受到很好的教育,无论是人文精神还是自然科学。
在1867年,普朗克一家就搬离基尔城迁往慕尼黑,在那里普朗克开始了他的高中生活。
普朗克经典的绝美侧颜
和其他很多天才科学家不一样,普朗克那时候并没有在科学方面表现得出类拔萃。
在班级里面的排名大概也是前三之后,前十之前,并不起眼。
反而是在音乐与艺术方面显现出不一样的才能,他钢琴手风琴等都演奏得很好。
这导致了他在进大学前都不知道选择什么方向作为一生的奋斗目标,是音乐、语言学还是科学。
在普朗克生活的那个年代,自然科学是远不像人文和艺术那样受到重视的。
然而他还是选择了自然科学这条不太容易走的路,当然音乐也作为一种爱好时常陪伴在他身边。
老年的普朗克在弹钢琴
起初他主修的是数学,但是慢慢他的兴趣便转向了物理。
然而在19世纪中后期,经典物理学的大厦已经基本竣工了。
物理学家能做的顶多就是往这座辉煌的物理殿堂扫扫灰尘罢了,再也不会有什么重大理论被提出了。
当时普朗克所在的慕尼黑大学的一位老师就曾苦口婆心地劝诫普朗克:
不要再研究物理了,这一行里已经没有任何机会留给年轻人了。
于是普朗克表示十分感动,然后拒绝了他,最后毅然地选择了物理学。
因为普朗克本身就是个偏“冷淡”的人,根本不在乎什么名利。
他并不在乎这些划时代的理论是谁提出的,只是想知道“为什么”。
多年后他在《从相对到绝对》中就写道“绝对的东西多半是一种理想的目标,它总是显现在我们的面前,但是永远也达不到,这是一种令人感到烦闷的东西,只有在追求这个目标的时候才会觉得满足”
一踏入物理世界的大门,普朗克就对热力学表现出极大的兴趣,或者说沉湎其中。
1879年,年仅21岁的普朗克就凭论文《论热力学第二定律》获得了慕尼黑大学的博士学位,
论文中贯穿了他对“熵”深刻和独特的见解。
1880年,他取得大学任教资格,而使他获得该资格的也是一篇关于热力学的论文。
他后来写的《热力学讲义》一书更是在三十多年内都被认为是热力学经典著作。
在物理学界,他的地位更是节节攀升。
在世纪交替之际,他就已经是热力学方面公认的权威了。
然而我们悉知的普朗克是量子论的奠基人。
那他在热力学方面的研究又怎么跟量子论扯上关系呢?
...
正如前文所言,经典物理学已经算是一座竣工的大厦。
而普朗克就是这座神圣的物理殿堂最虔诚的信徒之一。
一旦这座大楼有什么风吹草动,他总是第一个站出来修缮的人。
黑体的空腔吸收示意图
那时候物理学就有一个让人陷入困惑的问题:
黑体辐射。
所谓黑体,是指这样一种物质,在任何温度下,它都能将入射的任何波长的电磁波全部吸收,没有一点反射和透射。
绝对黑体在自然界中是不存在的,只是一个理想的物理模型,以此作为热辐射研究的标准物体。
太阳也是一种黑体
然而,在普朗克的那个时代,人们对黑体辐射的研究却得出了两个不同的公式。
这两个公式分别来自德国的物理学家
维恩
和英国的物理学家
瑞利和金斯。
维恩的公式只有在短波(高频)、温度较低时才与实验结果相符,但在长波区域完全不适用。
德国物理学家维恩
相反,瑞利-金斯公式却只在长波、高温时才与实验相吻合,在短波区并不适用。
这个公式在短波区(即紫外光区)时显示辐射能力随着频率的增大而单调递增,最后趋于无限大(下图红线)。
这和实验数据更是差了十万八千里,所以这个荒谬的结论也被称为
“紫外灾难”。
瑞利-金斯曲线(红色),维恩曲线(蓝色),普朗克曲线(绿色)
一个现象,对应两个公式?
在经典力学时代,这完全是个不可思议的悖论!
...
因为自17世纪牛顿力学建立以来,自然过程连续性的观念就在物理学中深深扎根,一向认为能量是连续的。
而普朗克父亲的老师
莱布尼兹
就说过,
“自然界无跳跃”。
“紫外灾难”它更意味着整个经典物理学的“灾难”。
英国物理学家瑞利
普朗克是热力学的权威,所以他对黑体辐射的研究并没有前人那样从频率和温度入手,而是想从自己擅长的熵和能量作为突破口。
然而经过一次次实验,结果出来仍和维恩他们的公式一样并不得法。
玻尔兹曼
出于无奈,他不得不投眼于之前不认同的
玻尔兹曼
的方法。
而他也隐约地意识到,传统物理学的基础还是太狭窄了,需要从根本上的改造和扩充了。