在科學界,他創造性地提出:能量在輻射過程中的釋放或吸收,不是像水流一樣連續不斷的,而是呈一股股“不可分割”的涓流狀;他一直領導著德國的自然科學,是最受敬仰的一代學術宗師。在生活中,他遭遇了許多不幸,飽經苦難。但他一生不被困難所阻,兢兢業業,給后世樹立了科學和道義的榜樣。他,就是量子思想的創始人——普朗克。
卓有天賦
1858年4月23日,普朗克出生于德國基爾市一個知識分子家庭。父親是基爾大學法學教授,母親出生于牧師家庭。普朗克兄弟姊妹7個,他們從小受到良好的文化教養。
童年時期,普朗克顯示了出色的音樂天賦,他能演奏優美動聽的鋼琴曲和風琴曲。他幼兒時期的夢想是成為一名鋼琴家。普朗克在基爾接受了初等教育,后來在慕尼黑古典皇家馬克西米連大學預科學院學習,普朗克在這里顯示了卓越的數學才能。畢業后,普朗克進入慕尼黑大學深造,選擇了數學專業。不久,他對“宇宙的本性”產生了濃厚興趣,轉學物理。他去找慕尼黑大學一位教授征求意見,這位教授勸他不要從事物理研究。在教授看來,物理學已經非常完美,繼續研究下去不會有前途。值得慶幸的是,普朗克堅信自己的選擇,否則,偉大的量子理論將與他擦肩而過。
在慕尼黑大學學習3年后,普朗克來到柏林大學。21歲時,年青的普朗克在慕尼黑大學獲得了哲學博士學位。他探討了熱過程的不可逆問題,提出了熵定律最一般的表達方法,“不管用什么方法都不可能使導熱過程完全可逆。”可惜這一超前思維沒能引起慕尼黑大學教授們的關注。大學生活結束后,普朗克留在慕尼黑大學執教5年,此后應邀去柏林大學教學,并擔任了理論物理學研究所所長。普朗克很快成為德國物理學會柏林會員,并被選入普魯士皇家科學院,在學術界名氣不斷增長。
量子先驅
19世紀末期,正是物理學從各方面取得“完美”成功之時,物理學家開爾文勛爵懷著喜悅的心情為19世紀的物理學做了美好的總結:整個物理學的大廈已經建成,但是在物理學晴朗的天空中,還飄浮著兩朵云,那是在經典物理學的光輝大廈上籠罩著陰影的兩朵讓人煩惱的烏云,其中一朵是“以太危機”,另一朵便是“黑體輻射”。
1896年,維恩于用熱力學的方法提出了一個經驗公式,用以描述黑體輻射的規律,說明絕對黑體輻射強度按波長分布的曲線,但這個公式僅在短波領域與實驗數據相符,在長波領域與實驗不相符合。1900年,瑞利與金斯運用電動力學和經典的統計物理學的方法,提出了另外一個公式,這個公式適用于長波領域,卻不適用于短波領域。
于是,普朗克開始研究熱輻射問題。開始,普朗克認為只要以古典電動力學為基礎,那么,由它得出的理論就會與實驗資料相符合。但所有的勞動都成了徒勞,他失敗了。可是普朗克并未灰心,他繼而改用熱動力學的方法去研究黑體輻射的問題,這一次他成功了。在改進維恩公式的基礎上,也得到了一個經驗公式,這個公式在短波區域近似于維恩公式,而在長波區域又近似于瑞利一金斯公式。
1900年12月24日,在德國物理學年會上,普朗克宣布了自己研究黑體輻射的成果,并提出了以下新思想黑體輻射所產生的振動著的帶電粒子,只可能是有一系列特定的不連續的能量,如果它們的振動頻率是y,那么輻射粒子的能量只能是hy或者是它們的整數倍。在此普朗克用hy作為最小單位,并把它叫做能量子。其中h是他在推導經驗公式時引進的一個新常量,就叫作普適常量,后來科學家們都把它稱作普朗克常數,并把1900年12月24日這一天定為量子理論的誕生日。
普朗克第一次提出了能量不連續的概念。他認為,能量在輻射過程中不是連續的,它不像水龍頭里的水,綿綿不斷地流出來,而是不連續的,就像機關槍里的子彈一樣,一發一發地被釋放出來,而一發子彈便是一個能量子,它的能量只取決于頻率。這個結論出人意外,它后來發展成了確定現代物理學兩大支柱之一的量子力學,另一個支柱則是從研究“以太危機”推導出的愛因斯坦相對論。
量子假說問世后,盡管遭到一些非難,但它突破了經典物理學的束縛,在建立現代物理學體系中還是被人們所接受。1905年,愛因斯坦首先運用這個假說對光電效應現象做了科學的解釋,突破了經典物理學的框架,確立了量子理論的地位。1913年,玻爾將這一概念用于他的原子結構理論中。
著書育才
起初,普朗克對相對論有點兒懷疑,但后來卻對它評價很高,甚至認為愛因斯坦可以和哥白尼相提并論,并積極向學術界介紹這種理論,擴大了愛因斯坦在德國的影響,因此有人風趣地說,普朗克“發現了”愛因斯坦,是除熱輻射理論以外,他對物理學的又一個重大貢獻。
普朗克個性嚴謹,爽直樸素,為人和善、真誠,從不矯揉造作。愛因斯坦說“與普朗克一起生活是一件快樂的事。”40多年的教學生涯中,他主張讓學生根據專長自由發展,先后培養了20多名哲學博士,其中有著名的哲學家石里克、獲得諾貝爾物理學獎的勞厄和玻特。
飽經磨難
在科學界,普朗克獲得巨大的成就。但在生活中,普朗克歷經坎坷和憂患。第一次世界大戰中,他的長子陣亡,兩個女兒先后病故:戰后,德國經濟大混亂,60歲高齡的普朗克因公出差,因交不起旅館的費用,只得在車站過夜;希特勒上臺后,他更是歷盡艱辛與屈辱。第二次世界大戰期間,他在柏林的住所遭到空襲被毀,多年精心收集的日記、通信、文稿、書籍全都毀于一旦。更悲痛的是,他最心愛的次子因涉嫌謀殺希特勒而被納粹處以絞刑。在一次空襲中他甚至被埋在地下長達幾個小時。
普朗克生命中最后的兩年時光,是在哥廷根的侄女家度過的。1947年10月3日,普朗克在哥廷根大學醫院逝世。在葬禮上,哈恩和勞厄兩位著名的科學家致了悼詞。普朗克的遺體被安葬在哥廷根市的公墓里,墓碑上僅刻了姓名和普朗克常數h=6.62×10-27爾格·秒。