历史编译稿:本文保留原稿的科学人物叙事。英文资料来源为Famous Scientists;具名作者及译者未能从导出稿中核实,原发表日期待核实。
他是否是教科书上,让你一瞥而过的美好幻影?
走进德国物理学家马克斯·普朗克(Max Planck)波澜壮阔的一生,你可以看到他意气风发时的自信从容:我并不期望发现新大陆,只希望理解已经存在的物理学基础,或许能将其加深。
你也会为他的坚定信念感慨至深。马克斯·普朗克,一个坚定的革命者,作为德国科学界的中心人物,他的公正、正直和学识,使他在德国备受尊敬,纳粹政权统治下,他反对种族灭绝政策,坚持留在德国尽力保护各国科学家和德国的物理学家。为此,他承受了巨大的家庭悲剧和痛苦。
1918年,马克斯·普朗克被授予物理学界的最高荣誉—诺贝尔物理学奖!曾经的追梦少年,如今的诺奖得主,这就是马克斯·普朗克执着、坚定、不屈的人生!

科学的未知:使人着迷
马克斯·卡尔·恩斯特·路德维希·普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck)于1858年4月23日出生在德国北海岸的基尔。他有五个兄弟姐妹。
马克斯的父亲Johann Planck是一位出身于学术世家的法学教授,母亲是Emma Patzig。马克斯在基尔接受了小学教育,1867年,当他9岁时,马克斯全家搬到了500多英里外的慕尼黑。马克斯的父亲在那里获得了一个非常具有吸引力的教授职位。
随后,马克斯进入了马克西米利安中学学习,这是一所专门招收天才少年的学校。数学家赫尔曼·缪勒(Hermann Müller)是马克斯的数位老师之一,他注意到了马克斯在数学方面的天赋,并为他额外开设了天文学和力学方面的课程。
马克斯·普朗克兴趣广泛,他热爱古典音乐创作,音准完美,大提琴和钢琴也拉得很好。除此之外,他还拥有一副美妙的歌喉。
在高中毕业前,普朗克就决定将科学作为自己的终身职业,而音乐则成为了业余爱好。他后来回忆起自己选择成为一名科学工作者的原因:纯粹的推理能够帮助我们洞察周围世界的形成机制。

1874年,17岁的普朗克成为了慕尼黑大学的大一新生,他向菲利普·冯·乔利(Philipp von Jolly)教授谈起了自己对物理学的热爱。乔利的回答颇为经典:在这个领域(物理学),几乎所有的东西都已经被发现,剩下的只是一些等待填补的微不足道的空白。
普朗克没有气馁,他仍然坚持学习物理。或许有一天,他可以找到证据证明乔利教授的观点是荒谬的。尽管在科学技术飞速发展的今天这令人难以置信,但是菲利普·冯·乔利以及那个时代的许多物理学家都持有这个相同的观点:自己已经发现并理解了宇宙中有待发现和理解的大部分东西!
上大学时,普朗克发现自己并不喜欢实验工作。他的数学天赋在理论物理学领域找到了自己的归宿。

量子物理学创始者
1877年冬,20岁的普朗克转学到柏林弗里德里希-威廉姆斯大学进行为期一年的学习。在那里他师从两位物理学巨匠:赫尔曼·冯·亥姆霍兹(Hermann von Helmholtz)和古斯塔夫·基尔霍夫(Gustav Kirchhoff)。
在普朗克看来,这些科学界的名人们发表的演讲都很沉闷。
尽管如此,他还是和亥姆霍兹成为了好朋友。普朗克对亥姆霍兹的博学、正直、诚实、善良、谦虚和宽容感到钦佩,甚至可以说是崇拜。
热力学(研究温度、热量、能量和功之间的关系)是亥姆霍兹的物理学爱好之一,受到他的影响,普朗克对热力学理论也越来越着迷。
在这一领域,普朗克设计了自己的研究计划,花了数不尽的时间研究由热力学创始人之一鲁道夫·克劳修斯(Rudolf Clausius)撰写的论文。
与曾经听过的讲座不同,普朗克发现克劳修斯的著作更加生动有趣,而且思路清晰。

在柏林学习一年后,普朗克于1878年底回到慕尼黑,并在那里通过了州立考试,获得了在高中教授物理的资格。
几个月后,1879年2月,普朗克递交了一篇《关于热力学第二定律》的博士论文。三个月后,他通过了论文答辩,年仅21岁的普朗克被授予物理学博士学位。
有趣的是,普朗克从论文答辩时教授提出的问题中得出结论:评审的教授们都不理解他的论文!
一年后,普朗克又成功地提交了另一篇热力学论文,以获得“大学任教资格”。“大学任教资格”比“博士学位”的要求高得多。
22岁时,普朗克成为了慕尼黑大学的物理讲师(无薪),没有工资,继续与父母住在一起。他的研究重点是熵—这个名词有时被宽泛地定义为原子层面无序状态的一种度量。

27岁生日那天,普朗克被任命为基尔大学的理论物理学副教授,在那里他更加深入地研究热力学。他希望能在这一艰深领域取得进展,但并没有取得重大突破。
1889年4月,31岁的普朗克回到柏林,接替于1887年秋天去世的古斯塔夫·基尔霍夫继续授课。
1892年,普朗克被任命为理论物理学教授。普朗克的学生都认为他的讲课比上一位老师更加有趣。普朗克的其中一位学生—英国化学家詹姆斯·帕廷顿(James Partington)这样描述普朗克的授课方式:他讲课时全脱稿,从不出错,从不拖泥带水,他是我听过最好的讲师,教室周围总是站满了人。由于教室暖气很足,而且离得很近,一些听众时不时会坐在地上,但这并不影响他的讲课。
普朗克带领的博士生中还诞生了两名诺贝尔物理学奖得主:马克斯·冯·劳厄(Max von Laue)和瓦尔特·博特(Walther Bothe)。
普朗克的重大发现—量子理论从此诞生!

他就是物理学缺失的拼图
大多数理论物理学家都是在年轻时崭露头角的,而马克斯·普朗克却在42岁时才终于为世界留下了不可磨灭的印记。
1900年,普朗克解决的这个问题源于由高温物体发出的电磁波谱产生的困惑。
当物体变热时,它们会辐射出能量。例如,观察铁匠加热马蹄铁的过程就能发现:当马蹄铁变热时,它会发出红色的光,而当它变得更热时,则会发出白色的光。
物理学家考虑过黑体的情况:黑体是一种会吸收所有落在它身上电磁波的理想物体。黑体受热后会以电磁波的形式辐射能量,这些波长范围很广,如可见光、紫外线和红外线。
但是,在19世纪,人们注意到实验中辐射光的颜色与理论预测的颜色并不一致。用科学术语来说,就是热物体辐射的波长与经典热力学理论预测的波长不匹配。

为了使理论与预测结果相吻合,普朗克提出了一个革命性的建议。如果你对量子理论还不熟悉,不妨用乘法表进行类比来理解他的提议:比如3的乘法表(3、6、9、12、15......)在这张乘法表中,只有能被3整除的数是允许的,其他所有数都是禁止的。
普朗克的想法是以类似的方式发射能量。他提出:只能取某个最小数值的整数倍能量进行发射,这个最小数值就叫量子。
量子理论就这样诞生了。普朗克的新理论以量子为基础,准确地预测了黑体辐射光的波长。
此外,普朗克还发现,频率为ν的辐射,其能量量子的大小为hν,其中h是普朗克常数。单个光子的能量值(E)可以通过以下公式计算得出:

其中,E是能量,h是普朗克常数,ν是电磁辐射的频率。普朗克常数确实是一个非常非常小的量。它的数值之小恰恰解释了为什么当时的物理学家没有意识到电磁能是量子化的。普朗克常数的四位有效数字是6.626×10⁻³⁴ J·s。
普朗克无意推翻经典物理学,他的目的是找到一种与实验观察结果相匹配的理论。然而,他的发现意义重大。量子理论(认识到自然界有“允许”和“禁止”状态)诞生了,我们解释自然界的方式从此大不相同。
1918年,因为“发现了量子,为物理学的发展做出了巨大贡献”,普朗克被授予该年度的诺贝尔物理学奖。

普朗克尺度诞生于1899年,它取代了以地球为中心的测量系统:
·千克:一升水的质量
·米:北极到赤道距离的千万分之一
·一秒钟:1 ⁄86400地球日
新的通用单元,其基础是
·光速
·普朗克常数
·引力常数
20世纪,斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)的黑洞研究使人们进一步关注量子效应。原稿把最小黑洞的质量、施瓦兹柴尔德半径和半衰期分别断言为恰好1个普朗克质量、长度和时间单位;这一说法不能作为已经确证的结论。普朗克尺度可用于估计量子引力变得重要的尺度,但该尺度上的黑洞需要量子描述,不能仅凭半经典公式确定精确的最小质量或寿命。
1948年,德国威廉皇家学会更名为马克斯·普朗克学会,以纪念这位两度担任学会主席并创造了量子理论的物理学家。如今,马克斯·普朗克学会是世界上最成功的科学组织之一,管理着80多个科研机构。自20世纪50年代以来,马克斯·普朗克学会的研究人员已斩获4项诺贝尔物理学奖、8项诺贝尔化学奖和6项诺贝尔医学奖。

物理学的大厦已经落成!19世纪末,刚刚进入大学就读的马克斯·普朗克就被告知:在这个领域,几乎所有东西都已经被发现了,剩下的就只是填补一些空白。
初出茅庐的马克斯·普朗克,恐怕也未曾想到,数十年后,一个新的物理学领域—量子物理学将因他而成功开辟!他引领了一个时代的物理革命!
盛名之下,马克斯·普朗克从未停止对正义的坚守!时代的尘埃,投射在个人身上时,便是沉甸甸的命运。普朗克的大儿子卡尔死于凡尔登战役,二儿子埃尔温因参与暗杀希特勒未遂而被纳粹杀害,沉重的家庭悲剧,也未能压垮他坚挺的脊梁!
马克斯·普朗克,他的才华令人折服,他的品格值得尊重!
原文链接:
https://www.famousscientists.org/max-planck/
资料来源:《Famous Scientists》
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编辑说明
编辑说明:能量量子的大小为hν,不是能量可被h直接整除;原常数写法的指数排版已修复。原稿对最小黑洞三个精确普朗克单位值的断言改为需量子描述、尚非确证的限定。普朗克学会机构数量和获奖次数保留原稿历史时点,不表示当前统计。
补充参考资料
来源与编辑记录
根据博士科普公众号完整历史文章导出恢复。
校订说明:编辑说明:能量量子的大小为hν,不是能量可被h直接整除;原常数写法的指数排版已修复。原稿对最小黑洞三个精确普朗克单位值的断言改为需量子描述、尚非确证的限定。普朗克学会机构数量和获奖次数保留原稿历史时点,不表示当前统计。