他的靈光一現，重塑了現代物理學_風聞

　　20世紀初，開爾文勳爵在一次演講中聲稱：“動力學理論認為熱和光都是運動的方式，現在這一理論的優美和明晰，正被兩朵烏雲籠罩着。”

　　隨後的故事我們就知道了，對這兩朵“烏雲”的探索帶來了相對論和量子力學兩大現代物理的兩大支柱。今天我們要講的，就是其中一位撥開烏雲，帶來光芒的劃時代人物。

　　劃時代的人物

　　馬克思·普朗克（1858.4~1947.10），全名馬克斯·卡爾·恩斯特·路德維希·普朗克，是德國理論物理學家，量子力學的創立者之一，獲得了1918年的諾貝爾物理學獎。

　　普朗克在理論物理領域做出了很多貢獻，但他最廣為人知的成就在於創建了量子力學，並顛覆了我們對於原子和亞原子等粒子的認知。量子力學理論與顛覆了我們時空觀的愛因斯坦的相對論理論，這兩者一起構成了20世紀物理學的基本理論，重塑了一些人類最為珍貴的哲學理論，同時影響了工業、軍事等我們現代生活的領域。

​青年普朗克（1878）[1]

　　早年生活

　　普朗克是家裏的第六個孩子，他的父親是德國基爾大學有名的法學教授和法學家，家庭教育中對教會和國家的忠誠、保守可靠、理想主義、慷慨大氣的特質深深地融入到了普朗克的生活和工作當中。九歲時，由於父親接到了慕尼黑大學的邀約，普朗克有機會來到馬克西米利安文理中學讀書，並遇到了燃起他對物理和數學熱情的老師赫爾曼·穆勒。

　　十七歲畢業時，因為所有科目都很優異，所以普朗克此時面臨艱難的職業抉擇。最終他放棄了經典哲學和音樂而選擇了物理學，因為他堅信“只有在物理上才能體現他獨特的天賦”。儘管如此，音樂還是伴隨了他的一生，他是一個終日在琴鍵上尋找寧靜和愉悦的鋼琴家，有着“絕對音感”的天賦，尤其喜愛舒伯特和勃拉姆斯；他熱愛户外，即使到了老年，還保持着每天散步、假日爬山郊遊的習慣。

彈鋼琴的普朗克 [2]

　　1874年的秋天，普朗克進入慕尼黑大學，跟隨物理學教授菲利普·馮·喬利學習時，他沒有受到什麼啓發；後來他又在柏林大學著名物理學家赫爾曼·馮·亥姆霍茲和古斯塔夫·基爾霍夫門下度過了一年（1877-1878），即便師從名門，他本人也沒有什麼熱情。直到開始從事獨立工作，在研究魯道夫·克勞修斯的熱力學講義中，普朗克的才華才開始展現。

　　1879年7月，也是愛因斯坦出生的那年，年僅21歲的普朗克回到慕尼黑獲得了博士學位；接下來的一年，他在慕尼黑完成了學位論文，併成為一名講師。通過父親的關係，1885年，他在基爾大學擔任助理教授。1889年，在基爾霍夫去世後，他受邀至柏林大學受亥姆霍茲的指導並與其共事，1892年他便獲得了全職教授的職位。雖然一共只指導過九個博士生，但他在柏林關於理論物理的所有講義，衍生出了許多版本，併發揮了很大的影響力。普朗克之後一直在柏林生活，度過了自己的餘生。

普朗克在柏林大學時所著熱力學論文 [1]

　　普朗克回憶起自己最初投身於科學的原因，是因為發現“人們推理得出的法則跟自然界統治萬物的法則是一致的。因此，完全的推理和邏輯能夠讓我們更加深入地理解有關世界運行的機制。”也就是説，經過了深思熟慮，普朗克發現，現有的理論物理定律並不準確，便投身於理論物理事業當中。他在探索物理定律的前提假設時得出了這樣的結論：“外部的世界是獨立於人類存在的東西，是‘確定’的東西，而對於這種‘確定’的準則的追求，是生命最卓越的科學追求。”

　　黑體輻射與量子化

　　熱力學第一定律，即能量守恆定律，是第一個給正在上中學的普朗克留下深刻印象的自然中的“確定的事”。後來在大學生涯中，普朗克還十分確信熱力學第二定律，即熵定律。這也是自然界一條“確定”的規則，這一定律後來成為了他在慕尼黑時博士論文的課題，並一路指引着他發現瞭如今為人們所熟知的量子力學的核心——普朗克常數，h（1900年）。

　　1859-1860年，基爾霍夫定義了黑體——一個能夠吸收所有入射的輻射能量的物體，它既是一個很好輻射接收器，同時又是一個很好的發射器（注：其輻射的電磁波僅取決於自身的温度，與入射波無關）。這樣的話，就有“確定”的關於黑體輻射的性質，所以早在19世紀90年代，就出現了各種實驗或理論，來確定黑體的能量譜分佈——一條描述給定温度的黑體在不同頻率下電磁波輻射能量的曲線。普朗克被威廉·維恩在1896年發現的“維恩定律”所吸引（注：“維恩定律”是維恩通過對實驗數據的經驗總結提出的，和黑體輻射的實驗譜的短波部分相符合），他與維恩（Wilhelm

Wein）在柏林夏洛騰堡的德國物理技術研究所（注：簡稱PTR，德國聯邦技術物理研究所前身）共事，普朗克一直試圖從熱力學第二定律出發尋找維恩定律的理論基礎。然而，在1900年，PTR的其他幾名同事就通過實驗確定，“維恩定律”在電磁波低頻部分，也就是長波部分，完全失去了作用。

黑體和黑體輻射 [3]

黑體輻射譜 [4]

　　在一次德國物理學會的會議前，普朗克瞭解到這樣的情況，他知道，如果維恩定律有效的話，除了在高頻部分輻射的熵在數學上需得符合其能量分佈，在低頻部分也需要符合，普朗克猜想，也許他可以將兩者結合成更為簡單的形式，用公式將輻射的能量和頻率聯繫起來。

　　最終，普朗克輻射定律以無可爭辯的姿態問世了。但對於普朗克來説，這個定律卻只是一個簡單的猜想、一個“幸運的直覺”，如果需要嚴肅地對待這個問題，必須要追溯其基本原理。普朗克立刻集中精力去完成這件事，在1900年的12月14日，他成功了，但同時付出了很大的代價——為了達到他的目標，普朗克發現他必須摒棄之前最深信不疑的觀念：熱力學第二定律，不是自然界確定的定律，而是像路德維希·玻爾茲曼一樣承認這只是一個統計學的定律。

　　此外，普朗克還需要假設黑體吸收和放出的能量是不連續的，而是量子化的，只有通過黑體中能量量子化的統計分佈，將其能量假設為與頻率成比例的量——hv的整數倍，才能回推到之前得到的方程。他也舉出了對於這個方程有重要意義的其他證據，來估算這個常數h（普朗克給出的常數的值6.55×10-34 J·s和現在的6.626×10-34 J·s非常接近），還有所謂的玻爾茲曼常數（動量理論和統計力學的基本常數）、阿伏伽德羅常數、電子電荷量。

　　後來科學家們逐漸認識到，在微觀世界，即原子尺度的世界，正是因為普朗克常量是非零但確定的、一個較小的數字，才沒有按照普遍的經典力學運行。

　　一個在物理理論中的影響深刻的革命正在進行着。

　　普朗克的能量量子化的概念，對於所有先前的物理理論都是顛覆性的，這使得他不得不用更加嚴格的邏輯推理去解釋，如一位歷史學家所説，他是一位“勉強的革命者”。實際上，人們接受普朗克這個理論還需要很多年，這其中愛因斯坦起着重要的作用。

　　1905年，愛因斯坦獨立於普朗克的研究，提出了在特定條件下，輻射的能量本身應該是量子化的（光量子，後來被稱為光子）的理論，並在1907年用一般性的量子假設來解釋固體的比熱。1909年，愛因斯坦將波粒二象性引入物理學。1911年10月，普朗克和愛因斯坦與其他傑出的物理學家一起在布魯塞爾出席了第一屆索爾維會議，在討論中，法國數學家亨利·龐加萊對於普朗克的輻射理論，給出瞭解釋“量子”的必要的數學證明，這令詹姆斯·金斯等人轉變態度支持量子理論。

第五次索爾維會議 [5]

　　1913年，尼爾斯·波爾通過氫原子的量子解釋，對量子理論做出了不小的貢獻。諷刺的是，普朗克卻是最後糾結着重拾經典理論的人，他並未因為這個立場後悔，而是將其視為説服自己確信量子理論的必要經歷——直到1922年康普頓效應被發現前，他還堅持反對1905年愛因斯坦提出的輻射光量子假設。

　　晚年生活

　　1900年，普朗克42歲時，完成了他的著名發現，在1918年獲得了諾貝爾物理學獎，隨之而來的是無數榮耀，除此之外，他還繼續在光學、熱力學和統計物理、物理化學等等多個分支學科中大放異彩。同時，他也是愛因斯坦狹義相對論（1905）的支持者。“就像量子力學的核心是量子一樣，”普朗克説道，“光速是相對論的核心。”

　　1914年，普朗克和物理化學家瓦爾特·能斯特（Walther Hermann Nernst）將愛因斯坦接到柏林，戰後，1919年又將自己最喜歡的學生馬克思·馮·勞厄接到柏林。1928年普朗克退休時，另一位傑出的理論物理學家、波動力學的創始人埃爾温·薛定諤，成為了他的繼任者。柏林一度成為理論物理的中心——直到1933年希特勒上台，其閃耀的智慧的光輝被蒙上了陰影。

從左到右，依次為能斯特、愛因斯坦、 普朗克、密立根、勞厄    攝於1931年 [6]

　　普朗克在晚年投入了大量筆墨在哲學、美學及宗教問題上。他與愛因斯坦、薛定諤一起，堅決反對波爾、波恩、海森堡等人在1925-1926年將不確定的、統計學的世界觀引入量子力學，這樣的觀念和普朗克內心深處的直覺和信仰難以共存。普朗克認為，物質的宇宙，是一個客觀的、獨立存在於人類的實體，觀察者和被觀測的事物並不是像波爾和他的流派認為的那樣密切聯繫的。

　　1912年時普朗克成為普魯士科學院數學與物理學部的常務秘書，並任職到了1938年；他也是非政府研究組織威廉皇帝學會（現為馬克思·普朗克學會）1930-1937年的主席。這一類正式組織、特別是在德國物理學家中，常常為普朗克賦予極高的權威，這樣的地位並未是他本人要求的，他的威信，其實主要來源於他個人的道德感：公正、正直和超越學問的智慧。正是由於這樣的人格，他企圖通過在納粹統治時期留在德國來扭轉希特勒殘暴的種族政策，從而保護德國的物理學。

普朗克和第一任妻子瑪麗 [7]

普朗克和家人 [8]

　　普朗克是一個有堅定意志的人，如果他沒有那麼堅忍、對自己的哲學和宗教沒有那麼高的忠誠，也許可能會避免五十歲之後的悲劇。1909年，普朗克的第一任妻子，慕尼黑銀行家的女兒，在度過了22年的幸福婚姻生活之後離世，留下了普朗克和兩個兒子、一對雙胞胎女兒。大兒子卡爾在1916年的一次戰役中被殺，次年，他的女兒瑪格麗特在生產中去世，另一個女兒艾瑪也在1919年遭遇同樣的不幸。二戰時，普朗克在柏林的房子被完全炸燬，他的二兒子埃爾温因為被懷疑參與刺殺希特勒而被納粹在1945年殘忍殺害。接二連三的打擊幾乎摧毀了他活下去的意志，在戰爭結束時，美國官方將普朗克和其在1910年結婚並育有一子的第二任妻子帶至哥廷根，在那裏，普朗克在89歲時離開人世。詹姆斯·弗蘭克説：“死亡救贖了他”。

　　圖片來源：

　　[1] https://maxwell-planck.tumblr.com/

　　[2] https://archive.schillerinstitute.com/music/2015/max_planck.html

　　[3] https://cpanhd.sitehost.iu.edu/C101webnotes/modern-atomic-theory/discovery-quantum.html

　　[4] https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbook_Maps/Map%3A_Physical_Chemistry_(McQuarrie_and_Simon)/01%3A_The_Dawn_of_the_Quantum_Theory/1.01%3A_Blackbody_Radiation_Cannot_Be_Explained_Classically

　　[5] https://pixabay.com/zh/photos/einstein-physicist-conference-67711/

　　[6] https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Nernst,_Einstein,_Planck,_Millikan,_Laue_in_1931.jpg

　　[7] https://fineartamerica.com/featured/max-planck-and-wife-american-philosophical-society.html

　　[8] https://maxwell-planck.tumblr.com/post/98340332313/this-is-my-family-with-my-first-wife-my-children

　　作者：Roger H.Stuewer

　　翻譯：zhenni

　　審校：Nuor

　　原文鏈接：

　　https://www.britannica.com/biography/Max-Planck#ref366533