柏林大学1913—1914学年掌管大学校长办公室的权力托付给了理论物理学家麦克斯·普朗克(Max Planck)。我们大家,不论是他的比较接近的同事还是比较疏远的同事,都希望利用这个机会,对那些应当归功于他的科学成就表示高兴。
麦克斯·普朗克的最初的独立工作是他的学位论文《论热的力学理论的第二原理》,这是他于1879年21岁时在慕尼黑大学提出的。值得注意的是,普朗克从讨论很一般的问题开始了他的评论家的活动。这是普朗克的全部工作方式的特点,也可能是纯理论工作者一般采用的方法。他们总是从某些最一般的原理出发,从它推出个别特殊的结论,然后再把这些结论同经验相比较。
普朗克的第一项重大科学成就是题为《关于熵的增长的原理》的一组论文中的第三篇。(《物理学杂志》(Ann. Phys.),32卷,1887年,462页)在这篇论文中考查了化学平衡中的一般理论,特别使它适合于稀溶液的研究。固然,这个问题的一般结果是在这以前十多年已由吉布斯(Gibbs)获得了,而关于稀溶液的研究结果部分是由范特霍夫(Van't Hoff)获得的。然而吉布斯的著作很少有人知道,并且很难理解。承认它的意义这件事本身就可以认为已经是一种成就:我甚至想,如果普朗克没有独立地通过类似道路,他也许不会理解吉布斯的著作。普朗克的上述工作的巨大意义在于:他为稀溶液的平衡建立了一些如此普遍的公式,在其中包括了可从热力学导出的这些溶液的全部规律性。根据他的普遍公式,普朗克还在阿雷纽斯(Arrhenius)之前第一个得出这样的结论:在水溶液中“反常地”提高蒸汽压(相应地降低冰点或提高沸点),溶质必将被分解。普朗克的普遍公式包含了所谓的奥斯特瓦耳德(Ostwald)的二元电解质的稀释定律,把它作为一个非常特殊的情况。
关于普朗克上述论文中所考查的纯热力学问题,我们在这里不想多说了。然而我们不应当忽略发表在1896年《物理学杂志》第56卷中的论战性文章《反对新的唯能论》,因为它无可置疑地给了在这个领域中工作的人们以巨大的影响。它是一篇精湛的短评,文中指出:唯能论绝不能作为启发性的方法,甚至它还使用了缺乏根据的概念。对于每一个真正科学思想的拥护者来说,阅读这种尖锐的论战性短评,对阅读它所反对的那些著作时所感受的苦恼是一种补偿。
1896年普朗克研究了辐射理论。人所共知,他在这方面的工作对以后物理学的发展产生了巨大的影响。没有这些工作,就不可能有以后几年热学研究所获得的巨大成就。从这些工作出发,对各种研究成果、理论观念和新发生的问题(这些问题是在提到“量子”一词时浮现在物理学家面前的,它们使得物理学家的生活既活跃,又烦恼)形成了内容丰富的综合。为了评价普朗克在这方面的成就,需要简略地考查一下辐射理论的发展。
每一个物体都辐射热。因此,任何不透明物体的空腔总是充满了热辐射。在十九世纪六十年代,基尔霍夫(Kirchhoff)从简单的热力学考虑判明:这种辐射在任何方向都应当是相同的,并且它的性质只取决于围绕空腔的物体的温度。
用来表示频率间隔dν内单位体积的辐射能量。那么,u(单色辐射能量密度)只同绝对温度T和频率ν有关,而同空腔壁的物理和化学性质完全无关;u(ν,T)如通常的表示是两个参数ν和T的普适函数,确定这个函数成了辐射理论中的最重要的实验和理论任务之一。在纯热力学范围内无法知道这个函数。
辐射理论中的下一步骤是在1884年由玻耳兹曼(Boltzmann)迈出的,他指出,如果以麦克斯韦(Maxwell)从电磁理论得出的有关辐射压的定律为基础,就可以用热力学方法导出总辐射密度定律:
按照这个定律,表面反射、吸收和分离出来的辐射给予表面以一定的压力。玻耳兹曼定律允许求出总辐射密度,然而他一点也没有谈到辐射的光谱分布。在1893年,W.维恩(Wien)的重要论文发表了,文中令人信服地证明,在一定温度T1下的辐射密度,可以通过反射壁包围辐射的区域的绝热收缩或绝热膨胀,转变到另一个温度T2的辐射。由此维恩可以从理论上确定适用于一切温度的函数u,只要它对频率ν的相依关系(哪怕是对一个温度来说)是已经确定了的。因此,关于两个参数的未知函数简化为只有一个唯一参数的未知函数。维恩所得到的结果(位移定律)用下式表示:
这里f是一个参数的未知的普适函数。要是物理学家为这一普适函数而牺牲的所有脑汁可以拿来称一称的话,那么就可以看到一个壮丽的场面,而这种残酷的牺牲仍然见不到尽头呀!不但如此,古典力学也成了它的牺牲品,而且也不能预料,麦克斯韦的电动力学方程是否能够度过这个函数f所引起的危机。
致力于理论上确定并理解函数f而得到成就的唯一研究者就是普朗克。他利用力学定律和麦克斯韦电动力学定律,研究了具有本征频率ν0的电振子在辐射场中的不规则振荡。这时他找到了振子的平均振荡能量U同对应于频率ν0的单色辐射密度之间的简单的关系式。因此,如果能够把振子,或者更准确地说,把一个有很大数目的振子体系的能量U表示为温度的函数,那么辐射问题也就解决了。普朗克1901年开辟新道路的论文最终解决了这个问题,他用的方法是多么大胆,又多么富于独创性。他是从玻耳兹曼在气体理论中建立的定理出发的,按照这个定理,状态的熵S等于这种状态的几率W的对数同K的乘积。如果能够计算同一定能量的单色振子相对应的几率,那么也就可以计算这个体系的熵S,从而也可以计算它的温度。由于W的确定不十分严格,所以不能毫无任意性地来进行这种计算,由这种计算得出的辐射公式是:
迄今为止,这个公式一直为实验所严格地证实,实验还给出了常数h和k的数值。这一工作的辉煌胜利是由于下述情况。常数k可以从著名的玻耳兹曼原理借用过来,它在那里是由下式来确定的:
从辐射的量度所求得的量k从而也给出了N,即完全准确的分子的绝对数值;看来用这种方法确定的分子数值同气体理论所得结果令人满意地相符合。从这时起,根据完全不同的基础准确地测定N,这些测定辉煌地证实了普朗克的结果,这已成为人所共知的事了。
然而普朗克辐射公式中引入的第二个常数h具有怎样的意义呢?为了得到合适的辐射公式,普朗克曾被迫作出这样的假设:振子体系的能量是由分立的、其值为hν0的能量子所组成的。这个假设同电动力学不一致,也就是一同普朗克本人的研究的第一部分不一致。这方面包含了巨大的困难,这种困难已经占去了理论物理学家将近八年时间。为了消除这个困难,普朗克在此后几年修改了他自己的理论。在这方面他是否会得到正确的结果,要到将来才能决定。
不仅普朗克公式的正确性,而且在问题的理论考查中所出现的辅助量的实在性,在所有场合下都被搞清楚了。一方面,在光电效应的研究中,在对伦琴射线作用下的物质发射出阴极射线的研究中,已经证明了能量子实际上在辐射的吸收过程中出现。另一方面,对固体比热在低温时减小的研究表明,任何物体的比热对温度的依存关系不符合统计力学的结论,而符合普朗克振子理论的结论。
最后,普朗克取得成就的第三个方面是相对论。相对论很快地引起了物理学界的兴趣这一事实,在很大程度上是由于普朗克对它的热情而又坚决的支持。他第一个建立了相对论的质点运动定律,并指出最小作用量原理在相对论中同在古典力学中一样具有基本的意义。普朗克在关于质点系动力学的一项研究中指出:按照相对论,有一种重要的相互依存关系联结着能量和惯性质量。
最后我们要提到他的关于热力学和热辐射的书——这些都是物理学文献中的杰作。没有一个物理学家的藏书室可以没有这些书,在这些书中普朗克把他自己的大部分最重要的研究成果都概括进去了,并使他的同行都能看懂。当你手中拿着这些书时所感受到的那种愉快,大多是由普朗克的一切论文所具有的那种纯真的艺术风格所引起的。在研究他的著作时,一般都会产生这样一种印象,觉得艺术性的要求是他创作的主要动机之一。无怪乎有人说,普朗克在中学毕业之后,对于他究竟是要献身于数学和物理学的研究呢,还是要献身于音乐,曾经表示犹豫。
祝愿他这样孜孜不倦地追求知识将获得丰硕的成果。我们希望,他在将来仍将对科学作出不可估量的贡献,特别是在解决今天由于他的工作的结果而摆在我们面前的那些困难方面。
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