他的灵光一现，重塑了现代物理学

　　20世纪初，开尔文勋爵在一次演讲中声称：“动力学理论认为热和光都是运动的方式，现在这一理论的优美和明晰，正被两朵乌云笼罩着。”

　　随后的故事我们就知道了，对这两朵“乌云”的探索带来了相对论和量子力学两大现代物理的两大支柱。今天我们要讲的，就是其中一位拨开乌云，带来光芒的划时代人物。

　　划时代的人物

　　马克思·普朗克（1858.4~1947.10），全名马克斯·卡尔·恩斯特·路德维希·普朗克，是德国理论物理学家，量子力学的创立者之一，获得了1918年的诺贝尔物理学奖。

　　普朗克在理论物理领域做出了很多贡献，但他最广为人知的成就在于创建了量子力学，并颠覆了我们对于原子和亚原子等粒子的认知。量子力学理论与颠覆了我们时空观的爱因斯坦的相对论理论，这两者一起构成了20世纪物理学的基本理论，重塑了一些人类最为珍贵的哲学理论，同时影响了工业、军事等我们现代生活的领域。

​青年普朗克（1878）[1]

　　早年生活

　　普朗克是家里的第六个孩子，他的父亲是德国基尔大学有名的法学教授和法学家，家庭教育中对教会和国家的忠诚、保守可靠、理想主义、慷慨大气的特质深深地融入到了普朗克的生活和工作当中。九岁时，由于父亲接到了慕尼黑大学的邀约，普朗克有机会来到马克西米利安文理中学读书，并遇到了燃起他对物理和数学热情的老师赫尔曼·穆勒。

　　十七岁毕业时，因为所有科目都很优异，所以普朗克此时面临艰难的职业抉择。最终他放弃了经典哲学和音乐而选择了物理学，因为他坚信“只有在物理上才能体现他独特的天赋”。尽管如此，音乐还是伴随了他的一生，他是一个终日在琴键上寻找宁静和愉悦的钢琴家，有着“绝对音感”的天赋，尤其喜爱舒伯特和勃拉姆斯；他热爱户外，即使到了老年，还保持着每天散步、假日爬山郊游的习惯。

弹钢琴的普朗克 [2]

　　1874年的秋天，普朗克进入慕尼黑大学，跟随物理学教授菲利普·冯·乔利学习时，他没有受到什么启发；后来他又在柏林大学著名物理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹和古斯塔夫·基尔霍夫门下度过了一年（1877-1878），即便师从名门，他本人也没有什么热情。直到开始从事独立工作，在研究鲁道夫·克劳修斯的热力学讲义中，普朗克的才华才开始展现。

　　1879年7月，也是爱因斯坦出生的那年，年仅21岁的普朗克回到慕尼黑获得了博士学位；接下来的一年，他在慕尼黑完成了学位论文，并成为一名讲师。通过父亲的关系，1885年，他在基尔大学担任助理教授。1889年，在基尔霍夫去世后，他受邀至柏林大学受亥姆霍兹的指导并与其共事，1892年他便获得了全职教授的职位。虽然一共只指导过九个博士生，但他在柏林关于理论物理的所有讲义，衍生出了许多版本，并发挥了很大的影响力。普朗克之后一直在柏林生活，度过了自己的余生。

普朗克在柏林大学时所著热力学论文 [1]

　　普朗克回忆起自己最初投身于科学的原因，是因为发现“人们推理得出的法则跟自然界统治万物的法则是一致的。因此，完全的推理和逻辑能够让我们更加深入地理解有关世界运行的机制。”也就是说，经过了深思熟虑，普朗克发现，现有的理论物理定律并不准确，便投身于理论物理事业当中。他在探索物理定律的前提假设时得出了这样的结论：“外部的世界是独立于人类存在的东西，是‘确定’的东西，而对于这种‘确定’的准则的追求，是生命最卓越的科学追求。”

　　黑体辐射与量子化

　　热力学第一定律，即能量守恒定律，是第一个给正在上中学的普朗克留下深刻印象的自然中的“确定的事”。后来在大学生涯中，普朗克还十分确信热力学第二定律，即熵定律。这也是自然界一条“确定”的规则，这一定律后来成为了他在慕尼黑时博士论文的课题，并一路指引着他发现了如今为人们所熟知的量子力学的核心——普朗克常数，h（1900年）。

　　1859-1860年，基尔霍夫定义了黑体——一个能够吸收所有入射的辐射能量的物体，它既是一个很好辐射接收器，同时又是一个很好的发射器（注：其辐射的电磁波仅取决于自身的温度，与入射波无关）。这样的话，就有“确定”的关于黑体辐射的性质，所以早在19世纪90年代，就出现了各种实验或理论，来确定黑体的能量谱分布——一条描述给定温度的黑体在不同频率下电磁波辐射能量的曲线。普朗克被威廉·维恩在1896年发现的“维恩定律”所吸引（注：“维恩定律”是维恩通过对实验数据的经验总结提出的，和黑体辐射的实验谱的短波部分相符合），他与维恩（Wilhelm

Wein）在柏林夏洛腾堡的德国物理技术研究所（注：简称PTR，德国联邦技术物理研究所前身）共事，普朗克一直试图从热力学第二定律出发寻找维恩定律的理论基础。然而，在1900年，PTR的其他几名同事就通过实验确定，“维恩定律”在电磁波低频部分，也就是长波部分，完全失去了作用。

黑体和黑体辐射 [3]

黑体辐射谱 [4]

　　在一次德国物理学会的会议前，普朗克了解到这样的情况，他知道，如果维恩定律有效的话，除了在高频部分辐射的熵在数学上需得符合其能量分布，在低频部分也需要符合，普朗克猜想，也许他可以将两者结合成更为简单的形式，用公式将辐射的能量和频率联系起来。

　　最终，普朗克辐射定律以无可争辩的姿态问世了。但对于普朗克来说，这个定律却只是一个简单的猜想、一个“幸运的直觉”，如果需要严肃地对待这个问题，必须要追溯其基本原理。普朗克立刻集中精力去完成这件事，在1900年的12月14日，他成功了，但同时付出了很大的代价——为了达到他的目标，普朗克发现他必须摒弃之前最深信不疑的观念：热力学第二定律，不是自然界确定的定律，而是像路德维希·玻尔兹曼一样承认这只是一个统计学的定律。

　　此外，普朗克还需要假设黑体吸收和放出的能量是不连续的，而是量子化的，只有通过黑体中能量量子化的统计分布，将其能量假设为与频率成比例的量——hv的整数倍，才能回推到之前得到的方程。他也举出了对于这个方程有重要意义的其他证据，来估算这个常数h（普朗克给出的常数的值6.55×10-34 J·s和现在的6.626×10-34 J·s非常接近），还有所谓的玻尔兹曼常数（动量理论和统计力学的基本常数）、阿伏伽德罗常数、电子电荷量。

　　后来科学家们逐渐认识到，在微观世界，即原子尺度的世界，正是因为普朗克常量是非零但确定的、一个较小的数字，才没有按照普遍的经典力学运行。

　　一个在物理理论中的影响深刻的革命正在进行着。

　　普朗克的能量量子化的概念，对于所有先前的物理理论都是颠覆性的，这使得他不得不用更加严格的逻辑推理去解释，如一位历史学家所说，他是一位“勉强的革命者”。实际上，人们接受普朗克这个理论还需要很多年，这其中爱因斯坦起着重要的作用。

　　1905年，爱因斯坦独立于普朗克的研究，提出了在特定条件下，辐射的能量本身应该是量子化的（光量子，后来被称为光子）的理论，并在1907年用一般性的量子假设来解释固体的比热。1909年，爱因斯坦将波粒二象性引入物理学。1911年10月，普朗克和爱因斯坦与其他杰出的物理学家一起在布鲁塞尔出席了第一届索尔维会议，在讨论中，法国数学家亨利·庞加莱对于普朗克的辐射理论，给出了解释“量子”的必要的数学证明，这令詹姆斯·金斯等人转变态度支持量子理论。

第五次索尔维会议 [5]

　　1913年，尼尔斯·波尔通过氢原子的量子解释，对量子理论做出了不小的贡献。讽刺的是，普朗克却是最后纠结着重拾经典理论的人，他并未因为这个立场后悔，而是将其视为说服自己确信量子理论的必要经历——直到1922年康普顿效应被发现前，他还坚持反对1905年爱因斯坦提出的辐射光量子假设。

　　晚年生活

　　1900年，普朗克42岁时，完成了他的著名发现，在1918年获得了诺贝尔物理学奖，随之而来的是无数荣耀，除此之外，他还继续在光学、热力学和统计物理、物理化学等等多个分支学科中大放异彩。同时，他也是爱因斯坦狭义相对论（1905）的支持者。“就像量子力学的核心是量子一样，”普朗克说道，“光速是相对论的核心。”

　　1914年，普朗克和物理化学家瓦尔特·能斯特（Walther
Hermann
Nernst）将爱因斯坦接到柏林，战后，1919年又将自己最喜欢的学生马克思·冯·劳厄接到柏林。1928年普朗克退休时，另一位杰出的理论物理学家、波动力学的创始人埃尔温·薛定谔，成为了他的继任者。柏林一度成为理论物理的中心——直到1933年希特勒上台，其闪耀的智慧的光辉被蒙上了阴影。

从左到右，依次为能斯特、爱因斯坦、 普朗克、密立根、劳厄    摄于1931年 [6]

　　普朗克在晚年投入了大量笔墨在哲学、美学及宗教问题上。他与爱因斯坦、薛定谔一起，坚决反对波尔、波恩、海森堡等人在1925-1926年将不确定的、统计学的世界观引入量子力学，这样的观念和普朗克内心深处的直觉和信仰难以共存。普朗克认为，物质的宇宙，是一个客观的、独立存在于人类的实体，观察者和被观测的事物并不是像波尔和他的流派认为的那样密切联系的。

　　1912年时普朗克成为普鲁士科学院数学与物理学部的常务秘书，并任职到了1938年；他也是非政府研究组织威廉皇帝学会（现为马克思·普朗克学会）1930-1937年的主席。这一类正式组织、特别是在德国物理学家中，常常为普朗克赋予极高的权威，这样的地位并未是他本人要求的，他的威信，其实主要来源于他个人的道德感：公正、正直和超越学问的智慧。正是由于这样的人格，他企图通过在纳粹统治时期留在德国来扭转希特勒残暴的种族政策，从而保护德国的物理学。

普朗克和第一任妻子玛丽 [7]

普朗克和家人 [8]

　　普朗克是一个有坚定意志的人，如果他没有那么坚忍、对自己的哲学和宗教没有那么高的忠诚，也许可能会避免五十岁之后的悲剧。1909年，普朗克的第一任妻子，慕尼黑银行家的女儿，在度过了22年的幸福婚姻生活之后离世，留下了普朗克和两个儿子、一对双胞胎女儿。大儿子卡尔在1916年的一次战役中被杀，次年，他的女儿玛格丽特在生产中去世，另一个女儿艾玛也在1919年遭遇同样的不幸。二战时，普朗克在柏林的房子被完全炸毁，他的二儿子埃尔温因为被怀疑参与刺杀希特勒而被纳粹在1945年残忍杀害。接二连三的打击几乎摧毁了他活下去的意志，在战争结束时，美国官方将普朗克和其在1910年结婚并育有一子的第二任妻子带至哥廷根，在那里，普朗克在89岁时离开人世。詹姆斯·弗兰克说：“死亡救赎了他”。

　　图片来源：

　　[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

　　翻译：zhenni

　　审校：Nuor

　　原文链接：

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