普朗克——拓荒者的遗憾

普朗克拓荒者的遗憾普朗克提出“能量子”概念普朗克于年出生于德国的基尔，父亲是基尔大学著名的法律教授。普朗克先后在慕尼黑大学和柏林大学学习，曾经在基尔霍夫等人的指导下学习和研究热力学，并于年获得博士学位。年，普朗克成为慕尼黑大学物理学讲师，年后被基尔大学聘为理论物理学特约教授。年，在基尔霍夫逝世后，普朗克回到母校继任了老师的职位，成为柏林大学的教授，并一直在此工作到年退休。年，普朗克被选为普鲁士科学院院士；年，他被英国皇家学会吸收为会员。他同时还兼任柏林威廉皇家研究所所长。也就是从他被选为普鲁士科学院院士这一年开始，普朗克开始从事黑体辐射方面的研究。他先是对基尔霍夫辐射定律中的普适函数感兴趣，决心找到这个普适函数，经过年的努力，他得到了辐射能分布的初步公式。其后一年，普朗克集前人的研究成果，结合自己的发现，于年月日在德国物理学会会议上以对维恩辐射定律的一点修正为题，宣布了自己的辐射公式，即“普朗克辐射公式”。当天夜晚，德国实验物理学家鲁本斯将自己的实验数据与普朗克公式的理论结果作了仔细的比较，发现无论是在哪个波段二者都保持着惊人的一致。鲁本斯将这一对比结果告诉了普朗克，普朗克非常高兴，决心透彻研究辐射公式的物理意义，并确定公式中所取的两个常数的具体形式。这一决心使普朗克走上了发现量子之路。普朗克按照玻尔兹曼统计思想，认真地考虑熵与几率的关系。辐射公式的真正物理意义被一步步揭示出来，年月日，在经过“一生中最紧张的几个星期的工作”之后，他终于作出了“孤注一掷的行动”：在德国物理学会上宣读的论文关于正常光谱的能量分布定律的理论中，他提出令人感到惊讶的能量子假定，从而得到一个被赋予具体物理意义的辐射公式。他假设，物体在发射辐射和吸收辐射时，能量是不连续的，以一个最小单位的整数倍跳跃式变化，这个能量的基本单位，称作能量子。这一天被看作是量子论的诞生日，作用量子则被认为是最基本的自然常数之一。经典物理学一向认为能量是连续的，并将这一传统观念当成金科玉律。但用它研究黑体辐射时却带来了“紫外灾难”，表明了经典理论的局限性。普朗克冲破了传统观念的束缚，提出了能量分立性的思想，这是物理学领域基本概念的重大变革。但也由于这个理论与经典理论是如此之格格不入，当时物理学界对它的反映是极为冷淡的。从年到年的文献中，几乎找不到有关这一理论的论文。年，德国的自然科学和技术史手册发行第二版，书中详尽列出了年全世界项发现、发明，就是没有提到普朗克的名字。人们承认普朗克得到与实验相符的黑体辐射公式，却不接受他的量子假说，其重要意义没有引起物理学界应有的关注，直到爱因斯坦的光量子假说和光电效应方程于年的问世。悲剧的“倒退”经过爱因斯坦、玻尔等人的努力，量子论最终得到了人们的认可。年，普朗克作为量子理论的开拓者获得了诺贝尔物理奖。遗憾的是，普朗克虽然发现了能量子，但他不能理解这一发现的意义，对自己的发现长期惴惴不安。在发现能量子之后的长达年时间，他总想退回到经典物理学的立场。他曾在散步时对儿子说：“我现在做的事情，要么毫无意义，要么可能成为牛顿以后物理学上最大的发现。”到了年，当他重新投入量子问题的研究时，曾经告诫自己和别人，要尽可能避免采取冒险步骤，他说：“在将作用量子引入理论时，应当尽可能保守从事；这就是说，除非业已表明绝对必要，否则不要改变现有的理论。”年，普朗克提出了一个理论，认为发射过程在时间上是不连续的，但吸收则是连续的。这是一次公开的倒退。年，他又提出一个理论，干脆撤消了量子假说，认为发射过程也应假定是连续发生的，这又是一次大倒退。在普朗克犹豫徘徊甚至倒退的时候，量子论却有了很大的发展。年，爱因斯坦提出光量子假说，成功地解释了光电效应；年，他又将量子理论运用到固体比热问题，获得成功；年，玻尔将量子理论引入到原子结构理论中，克服了经典理论解释原子稳定性的困难，建立了他的原子结构模型，取得了原子物理学划时代的进展；年，康普顿通过实验最终使物理学家们确认光量子图景的实在性，从而使量子理论得到科学界的普遍承认。造成普朗克长期犹豫徘徊的原因是传统观念的束缚。自从世纪牛顿力学建立后，自然过程连续性的观念在物理学中已经根深蒂固。莱布尼兹曾经说过，“自然界无跳跃。”世纪，电磁场理论的建立更使这一观念深入人心，要冲破它确实不容易。普朗克年来犹豫徘徊带来的影响是：他没有在量子论的进一步发展中作出贡献，没有能够追随这一理论的进一步发展，科学领域的开拓者成了落伍者。在量子论创立的最初年里，爱因斯坦起到了旗手的作用。但是到了年，爱因斯坦却这样总结了他的探索工作：“整整年有意识的思考，还没有使我更接近光量子是什么的答案。当然，今天每一个不老实的人都认为他知道答案了，但他在欺骗他自己。”量子力学的深邃难解或许是让普朗克倒退的另一个原因。但普朗克在两次倒退的过程中对量子论做了深入的理论研究，这是有一定意义的，不过量子论最终获得胜利则是由于它在微观领域研究中的普遍意义和价值。面对量子论的发展与成功，以及科学界的批评，普朗克最终放弃了倒退的立场。年，在诺贝尔奖颁奖仪式上，他作了题为量子理论的创立和当前的发展状况的演讲，演讲中他说：“我觉得整个的发展过程似乎是为歌德在很久以前所说的一句名言提供了一个新的证明，这句名言是：人要奋斗就要有错误。”普朗克一直受到同事们的尊敬，这不仅是由于他的重要科学发现，而且还由于他的品德高尚。纳粹统治德国时期，普朗克留在自己的祖国，他公开反对政府的某些政策，特别是反对迫害犹太人的政策。这是他一生中遭遇痛苦和不幸的时期。年，他的一个儿子被控告参与谋杀希特勒的未遂事件，在大战即将结束时，他的家被炸成废墟。年，普朗克在格丁逝世。普朗克的工作得到了科学界的高度赞扬。年，在追悼普朗克的大会上，爱因斯坦作了这样的评价：“作用量子这一发现成为世纪物理学研究的基础，从那时起几乎完全决定了物理学的发现