打开量子的大门

打开量子的大门——普朗克与原子时代

在牛顿力学已发展到登峰造极的地步时，许多科学家运用牛顿力学原理，成功地研究了刚体、流体、弹性体的运动规律，创立了力学的新分支刚体力学、流体力学、弹性力学等。天文学家运用牛顿力学的原理，正确地计算了哈雷彗星的回归时间，并发现了海王星……这时牛顿力学已经被视为“完美无缺的理论”和科学真理的顶峰。物理学界的许多人都因此而沉醉于完美而和谐的气氛之中，悠然自得。可是，德国一位物理学家却注意到了开尔文的后两句话——“物理学大厦已全部建成，今后物理学家的任务就是修饰这所大厦，使之更加完美。然而，他并没有否认，在晴朗天空的边际，尚还有两朵小小的令人不安的乌云，其中之一就是黑体辐射。”于是他开始了对黑体辐射的研究，正确地解释了这一难题，驱散了这朵乌云，悄悄地把世界引进到原子时代。这个人就是德国柏林大学物理学教授马克斯·普朗克。

当旧理论的支持者纷纷死去的时候，就是新理论登场的时候了。——普朗克

普朗克是一位卓越的理论物理学家，他致力于热力学的研究，于1900年提出了一种崭新的理论，叫量子论。这种理论表明，自然界中存在着这样一些变化，它们的发生不是平稳的，而是跳跃的、“爆炸式的”。这个理论动摇了人们对整个自然界变化的传统看法，有关能量连续变化的观念再也不能认为是正确的了。这一理论的提出，使物理学发生了一场重大革命。正是由于它的诞生，现代物理学才发展起来。“量子论”被公认为是经典物理学和现代物理学的分界线。因此普朗克荣获1918年诺贝尔物理学奖。

普朗克于1858年4月23日出生在德国基尔的一个知识分子家庭，父亲是法学专家，担任基尔大学教授。他生活在学术气息浓厚的家庭里，从小就接受很好的家庭教育，养成了踏实的学习态度。

就读中学的时候，普朗克遇到一位对学生循循善诱的物理老师，使他对物理学逐渐发生了兴趣。中学毕业后，他先后就读于慕尼黑大学和柏林大学，接受著名的物理学家赫兹和基尔霍夫的指导，打下了相当坚实的物理学基础。

普朗克大学毕业后，就开始了物理学研究。他系统地自修了著名物理学家克劳胥斯的《热力学》，为其中深奥的理论所吸引，于是，就确定以热力学第二定律作为自己博士论文的题目。

1885年春，这位在慕尼黑大学担任5年助教的普朗克终于有了出头之日，他被基尔大学聘请为理论物理系副教授。这时，理论物理学还属于一门新的学科，选修的学生较少，这就使他有更多的时间去从事新课题的探讨和研究，并为他后来提出的辐射理论打下了基础。

1888年11月29日，普朗克又应柏林大学的聘请前往任教。第二年春天，基尔霍夫教授逝世，普朗克接替了他的教职，兼任新设的物理研究所所长。1892年，他晋升为柏林大学教授，一直到1926年退休为止。他在柏林大学曾两次执教，先后长达40余年，普朗克一生在科学上提出了许多创见，但贡献最大的还是1900年所提出的量子假说。

热辐射演示装置

普朗克从1896年开始热辐射的研究，他在研究中，利用了许多德国物理学家的工作成果，例如，基尔霍夫的热力学方法，威里·维恩的辐射定律等。而后者，正如著名物理学家劳厄说的：“维恩把物理学直接引到了量子物理学的大门口。”而普朗克正是在这些工作的基础上，采取了下一个步骤，引导量子物理学通过了这座大门。

1896年的一天，普朗克正做着他的热辐射研究，一位同事跑进来告诉他：“真了不起，有两位物理学家在帝国物理研究所对黑体辐射进行了实验，并取得了测量结果”。

普朗克听后高兴极了，他立即着手热辐射的研究。他发现：“发热的物体都会放出光线，这些光线不一定都能被眼睛看到。极高温的物体可能发射出可见光或其他肉眼看不见的光；低温的物体，可能只会放出红外线。”这个理论，可应用在高温物体的温度测定上，当物体的温度很高，普通的温度计已经不能使用时，我们可以分析物体放出的光线，来测得物体的温度。大体上说，颜色愈接近白色的光，温度就愈高，灯泡中的发光钨丝，通电后可达2800℃的高温。

普朗克在研究发热体辐射光线时，产生了一个疑问：“地球上的万物或多或少都具有温度，如果根据已知的理论去计算，物体即使只有少量的热，也会发出非常强的光。这么说，几乎每种东西都是白热的。可是，事实并非如此。”他仔细地检查计算过程，发现并没有错误，于是，大胆地指出前人理论错误的地方，在科学上引起了相当大的震撼。

光和热有密切的关系，普朗克在对这一问题深入研究后，指出：“光在某些方面具有粒子的特性，一束光线所含的粒子，如同机关枪打出的子弹一般，是一个接着一个往外发射的，每个粒子都带有能量。”

光的本性是什么，光是粒子还是波呢？科学家们进行了长期的争论，事实是某些波动理论难以说明的光学现象，可以用粒子的观念来说明；可是，有些现象只能用波动的观念来解释，而不能使用粒子的理论来说明。对光的本性争论，一直持续了200多年，仍然没有得到统一的结论。

量子论的诞生是科学发展史上的一个重大事件，它促进了其他科学的发展。著名物理学家爱因斯坦当时正在瑞士研究相对论，他看过普朗克的论文以后，发觉量子论可用来解释光电学上的某些疑问。他用一束强光照射到金属板上，结果有电子从金属板上弹出，如果用更多的光来照射金属板，就有更多的电子被打出来，这项实验证明了量子理论的正确性。如果用波动的观念来解释，增加照射光束，应该是使电子的速率加快，而不会使电子数量增加。爱因斯坦非常钦佩普朗克的才华，对于量子论的推广不遗余力。后来，他到柏林大学任教，成为普朗克的至交好友。而柏林大学有了普朗克和爱因斯坦这两位物理学大师，立即成为当时世界物理学的研究重地。

奇妙的量子曲线，普朗克于1900年发现了隐藏在这些曲线中的量

然而，好景不长，希特勒执掌德国政权后，许多科学家受到了纳粹的迫害。爱因斯坦被迫逃往美国，留在德国的普朗克，无法接受戈培尔和希特勒的暴行，拒绝签署对纳粹效忠的文件，因此不断地受到秘密警察的骚扰。他虽然年事已高，却一点也不肯向强权屈服。

1933年春，希特勒开始对犹太科学家进行疯狂地解职和逮捕。1933年秋，相对论的创始人爱因斯坦被迫去了美国。纳粹没能把最伟大的科学家置于死地，于是就开动宣传机器，诬蔑爱因斯坦是“祖国的叛徒”。刚从旅行中归来的普朗克，听到这一消息后，立即向科学院发表声明：“爱因斯坦先生是杰出的物理学家之一。他在我们科学院发表的著作对本世纪物理学的巨大贡献只有开普勒和牛顿的成就可以与之媲美。我认为，当我说这些话的时候，我所表达的既是我们科学院同行们的见解，又是绝大多数德国物理学家们的见解。我认为说这些话之所以必要，首先是为了让后代不要以为爱因斯坦先生在科学院的同行们不能充分理解他对科学发展的意义。”

这一下激怒了希特勒，1935年，普朗克被免去了德国威廉皇家学会主席的职务。但普朗克毫不惧怕，当著名化学家、反法西斯主义者哈伯在瑞士去世一周年时，他准备召开纪念大会。由于哈伯是1933年春被迫逃到瑞士的，希特勒对他进行过迫害，所以希特勒政府得知这一消息后，正式禁止德国各大学的教授们参加这个会议。但普朗克的精神鼓舞了大家，终于开成了这个纪念大会。于是惩罚随之而至，1938年又免去了他的柏林科学院院长的职务。各国的科学家都无不为之担忧，多次邀请他到国外讲学或养老，但是，他坚持要守在自己的岗位上，捍卫德国科学的成果，因此，他婉言谢绝了这些邀请。

有一天，纳粹分子再次闯进普朗克的住宅，并且押着他的儿子前来，威胁说：“只要你签了效忠国家的誓约，我们就会把你的儿子释放。否则你应该明白，你儿子犯了阴谋反叛希特勒的罪行，会有多么严重的后果！”

普朗克仍旧坚持不向法西斯屈服的原则，拒绝了纳粹分子的要挟，因而使得他最小的儿子遭到杀身之祸。经过这次打击，普朗克更加痛恨纳粹分子的残暴恶行，同时也更加坚定了反抗暴政的决心。

第二次世界大战结束后，德国政府为了表扬普朗克在科学上的成就，准备在他90岁寿辰时大大庆祝一番。可惜这个计划未能实现，1947年10日3日，普朗克这位伟大的科学家离开了人世，终年89岁。他的学生在悼念他时说：“只要科学存在，它将永远不会忘记普朗克的名字。”

普朗克的“量子论”打开了“量子力学”的大门，把科学引入原子时代。这个伟大的成就不仅为他赢得了诺贝尔物理学奖，还使他被公推为英国皇家学会最高级的名誉会员，并且被选为美国物理学会名誉会长。德国政府为了纪念他在科学史上的卓越贡献，将恺撒威廉科学院改名为“普朗克学院”，同时将德国最高科学奖定名为“普朗克奖章”。

如果我们想交朋友，就要先为别人做些事——那些需要花时间、体力、体贴、奉献才能做到的事。

——卡耐基