普朗克 -德國物理學家

普朗克

馬克斯·普朗克(Max Planck,1858年4月23日-1947年10月4日),出生于德國荷爾施泰因,是德國著名的物理學家和量子力學的重要創始人。

且和愛因斯坦並稱為二十世紀最重要的兩大物理學家。他因發現能量量子化而對物理學的又一次飛躍做出了重要貢獻,並在1918年榮獲諾貝爾物理學獎

1874年,普朗克進入慕尼黑大學攻讀數學專業,後改讀物理學專業。1877年轉入柏林大學,曾聆聽亥姆霍茲和基爾霍夫教授的講課,1879年獲得博士學位。1930年至1937年任德國威廉皇家學會的會長,該學會後為紀念普朗克而改名為馬克斯·普朗克學會

從博士論文開始,普朗克一直關註並研究熱力學第二定律,發表諸多論文。大約1894年起,開始研究黑體輻射問題,發現普朗克輻射定律,並在論證過程中提出能量子概念和常數h(後稱為普朗克常數),成為此後微觀物理學中最基本的概念和極為重要的普適常量。1900年12月14日,普朗克在德國物理學會上報告這一結果,成為量子論誕生和新物理學革命宣告開始的偉大時刻。由于這一發現,普朗克獲得了1918年諾貝爾物理學獎

  • 中文名稱
    馬克斯·普朗克
  • 外文名稱
    德語:Max Karl Ernst Ludwig Planck
  • 出生地
    丹麥基爾,現歸屬德國荷爾施泰因
  • 畢業院校
    慕尼黑大學(學士),柏林大學(碩士,博士)
  • 信    仰
    和平主義
  • 逝世日期
    1947年10月4日
  • 國    籍
    德國
  • 逝世地
    德國下薩克森州哥廷根
  • 智    商
    235
  • 職    業
    物理學家,思想家
  • 出生日期
    1858年4月23日
  • 主要成就
    發明量子力學,諾貝爾物理學獎

人物經歷

家世背景

普朗克出生在一個受到良好教育的傳統家庭,他的曾祖父戈特利布·雅各布·普朗克(Gottlieb Jakob Planck,1751年-1833年)和祖父海因裏希·路德維希·普朗克(Heinrich Ludwig Planck,1785年-1831年)都是哥廷根的神學教授,他的父親威廉·約翰·尤利烏斯·普朗克(Wilhelm Johann Julius Planck,1817年-1900年)是基爾和慕尼黑的法學教授,他的叔叔戈特利布·普朗克(Gottlieb Planck,1824年-1907年)也是哥廷根的法學家和德國民法典的重要創立者之一。

1874年的普朗克1874年的普朗克

馬克斯·普朗克是父親的第二任妻子埃瑪·帕齊希(Emma Patzig,1821年—1914年)所生的,他受洗及賜名于卡爾馬克思普朗克路德維希,其賜名的名稱為馬克思,而馬克斯也沿用此名直到他過世。而普朗克他還有另外六個兄弟姐妹,其中4個孩子赫爾曼(Hermann)、希爾德加德(Hildegard)、阿達爾貝特(Adalbert)和奧托(Otto)是父親的第二任妻子所生的,而父親的第一任妻子留下了2個孩子胡戈(Hugo)和埃瑪(Emma)。

童年時期

普朗克在基爾度過了他童年最初的幾年時光,直到1867年全家搬去了慕尼黑,普朗克在慕尼黑的馬克西米利安文理中學(Maximiliansgymnasium)讀書,並在那裏他受到─數學家奧斯卡·馮·米勒(Oskar von Miller)(後來成為了德意志博物館的創始人)的啓發,引起青年時期的馬克斯發現自己對數理方面有興趣。米勒也教他天文學和力學和數學,從米勒那普朗克也學到了生平第一個原理——能量守恆。之後普朗克在16歲時就完成了中學的學業,在這個學校學習的這段期間內,也是普朗克第一次接觸物理學這個領域。

普朗克的簽名普朗克的簽名

大學時期

普朗克十分具有音樂天賦,他會鋼琴、管風琴大提琴,還上過演唱課,曾在慕尼黑學生學者歌唱協會(Akademischer Gesangverein Munchen)為多首歌曲和一部輕歌劇(1876年)作曲。但是普朗克並沒有選擇音樂作為他的大學專業,而是決定學習物理。慕尼黑的物理學教授菲利普·馮·約利(Philipp von Jolly,1809年-1884年)曾勸說普朗克不要學習物理,他認為“這門科學中的一切都已經被研究了,隻有一些不重要的空白需要被填補”,這也是當時許多物理學家所堅持的觀點,但是普朗克回復道:“我並不期望發現新大陸,隻希望理解已經存在的物理學基礎,或許能將其加深。”普朗克在1874年在慕尼黑開始了他的物理學學業。普朗克整個科學事業中僅有的幾次實驗是在約利手下完成的,研究氫氣在加熱後的鉑中的擴散,但是普朗克很快就把研究轉向了理論物理學

1878年學生時代的普朗克1878年學生時代的普朗克

1877年至1878年,普朗克轉學到柏林,在著名物理學家赫爾曼·馮·亥姆霍茲古斯塔夫·羅伯特·基爾霍夫以及數學家卡爾·魏爾施特拉斯手下學習。關于亥姆霍茲,普朗克曾這樣寫道:“他上課前從來不好好準備,講課時斷時續,經常出現計算錯誤,讓學生覺得他上課很無聊。”而關于基爾霍夫,普朗克寫道:“他講課仔細,但是單調乏味。”即便如此,普朗克還是很快與亥姆霍茲建立了真摯的友誼。普朗克主要從魯道夫·克勞修斯的講義中自學,並受到這位熱力學奠基人的重要影響,熱學理論成為了普朗克的工作領域。

1878年10月,普朗克在慕尼黑完成了教師資格考試

1879年2月遞交了他的博士論文《關于熱力學第二定律》。

1880年6月以論文《各向同性物質在不同溫度下的平衡態》獲得大學任教資格。

家庭婚姻

馬克斯·普朗克馬克斯·普朗克

1887年3月,普朗克與一個慕尼黑中學同學的妹妹瑪麗·梅爾克(Marie Merck,1861年-1909年)結婚,婚後生活在基爾,共有4個孩子卡爾(Karl,1888年-1916年)、雙胞胎埃瑪(Emma,1889年-1919年)和格雷特(Grete,1889年-1917年)以及埃爾溫(Erwin,1893年-1945年)。在普朗克前往柏林工作後,全家住在柏林的一棟別墅中,與不計其數的柏林大學教授們為鄰,普朗克的庄園發展成為了一個社交和音樂中心,許多知名的科學家如阿爾伯特·愛因斯坦奧托·哈恩莉澤·邁特納等都是普朗克家的常客,這種在家中演奏音樂的傳統來自于亥姆霍茲家。在度過了多年幸福的生活後,普朗克遇到了接踵而至的不幸。

1909年10月17日普朗克的妻子因結核病去世。

1911年3月普朗克與他的第二任妻子瑪格麗特·馮·赫斯林(Margaret von He SiLin,1882年-1948年)結婚,12月普朗克的第三個兒子赫爾曼(Herrmann)降生。

第一次世界大戰期間,普朗克的大兒子卡爾死于凡爾登戰役,二兒子埃爾溫在1914年被法軍俘虜,1917年女兒格雷特在產下第一個孩子時去世,她的丈夫娶了普朗克的另一個女兒埃瑪,不幸的是埃瑪在兩年後同樣死于生產。普朗克平靜地經受了這些打擊,格雷特和埃瑪的孩子存活了下來,並且繼承了她們各自母親的名字,普朗克也為她們取名格雷特和埃瑪。1945年1月23日,普朗克的二兒子埃爾溫·普朗克因參與暗殺希特勒未遂而被納粹殺害,至此,普朗克與其第一任妻子所生的4個孩子全都去世。

普朗克本人是一個不情願的革命者。其成就的深遠影響在經過多年以後才得到普遍公認,愛因斯坦對此起了最為重要的作用。自20世紀20年代以來,普朗克成為德國科學界的中心人物。他的公正、正直和學識,使他在德國受到普遍尊敬,具有決定性的權威。納粹政權統治下,他反對種族滅絕政策,並堅持留在德國盡力保護各國科學家和德國的物理學家。為此,他承受了巨大的家庭悲劇和痛苦。他憑借堅忍的自製力一直活到89歲。

學術事業

獲得大學任教資格後,普朗克在慕尼黑並沒有得到專業界的重視,但他繼續他在熱理論領域的工作,提出了熱動力學公式,卻沒有發覺這一公式在此前已由約西亞·威拉德·吉布斯提出過。魯道夫·克勞修斯所提出的“”的概念在普朗克的工作中處于中心位置。

馬克斯·普朗克馬克斯·普朗克

1885年4月,基爾大學聘請普朗克擔任理論物理學教授,年薪約2000馬克,普朗克繼續他對熵及其套用的研究,主要解決物理化學方面的問題,為阿累尼烏斯的電解質電離理論提供了熱力學解釋,但卻是矛盾的。在基爾這段時間,普朗克已經開始了對原子假說的深入研究。

1897年,哥廷根大學哲學系授獎給普朗克的專著《能量守恆原理》(Das Prinzip der Erhaltung der Energie,1897年)。

1889年4月,亥姆霍茲通知普朗克前往柏林,接手基爾霍夫的工作,1892年接手教職,年薪約6200馬克

1894年,普朗克被選為普魯士科學院(Preußische Akademie der Wissenschaften)的院士。

1907年維也納曾邀請普朗克前去接替路德維希·玻耳茲曼的教職,但他沒有接受,而是留在了柏林,受到了柏林大學學生會的火炬遊行隊伍的感謝。

1926年10月1日普朗克退休,他的繼任者是薛定諤。

主要成就

熱力學

普朗克早期的研究領域主要是熱力學。他的博士論文就是《論熱力學的第二定律》。此後,他從熱力學的觀點對物質的聚集態的變化、氣體與溶液理論等進行了研究。普朗克在物理學上最主要的成就是提出著名的普朗克輻射公式,創立能量子概念。

馬克斯·普朗克馬克斯·普朗克

19世紀末,人們用經典物理學解釋黑體輻射實驗的時候,出現了著名的所謂“紫外災難”。雖然瑞利、金斯(1877-1946)和維恩(1864-1928)分別提出了兩個公式,企圖弄清黑體輻射的規律,但是和實驗相比,瑞利-金斯公式隻在低頻範圍符合,而維恩公式隻在高頻範圍符合。普朗克從1896年開始對熱輻射進行了系統的研究。他經過幾年艱苦努力,終于導出了一個和實驗相符的公式。

他于1900年10月下旬在《德國物理學會通報》上發表一篇隻有三頁紙的論文,題目是《論維恩光譜方程的完善》,第一次提出了黑體輻射公式。12月14日,在德國物理學會的例會上,普朗克作了《論正常光譜中的能量分布》的報告。在這個報告中,他激動地闡述了自己最驚人的發現。他說,為了從理論上得出正確的輻射公式,必須假定物質輻射(或吸收)的能量不是連續地、而是一份一份地進行的,隻能取某個最小數值的整數倍。這個最小數值就叫能量子,輻射頻率是ν的能量的最小數值ε=hν。其中h,普朗克當時把它叫做基本作用量子,物理常數,它標志著物理學從“經典幼蟲”變成“現代蝴蝶”。

1906年普朗克在《熱輻射講義》一書中,系統地總結了他的工作,為開闢探索微觀物質運動規律新途徑提供了重要的基礎。

1918年,普朗克得到了物理學的最高榮譽獎--諾貝爾物理學獎。1926年,普朗克被推舉為英國皇家學會的最高級名譽會員,美國選他為物理學會的名譽會長。

1930年,普朗克被德國科學研究的最高機構威廉皇家促進科學協會選為會長。普朗克的墓在哥庭根市公墓內,其標志是一塊簡單的矩形石碑,上面隻刻著他的名字,下角寫著:爾格·秒。 他的墓志銘就是一行字:h=6.63×10^-34J·S,這也是對他畢生最大貢獻:提出量子假說的肯定。

波爾茲曼常數

普朗克的另一個鮮為人知偉大的貢獻是推導出波爾茲曼常數k。他沿著波爾茲曼的思路進行更深入的研究得出波爾茲曼常數後,為了向他一直尊崇的波爾茲曼教授表示尊重,建議將k命名為波爾茲曼常數。普朗克的一生推導出現代物理學最重要的兩個常數k和h,是當之無愧的偉大物理學家。

普朗克常量

普朗克演講的內容是關于物體熱輻射的規律,即關于一定溫度的物體發出的熱輻射在不同頻率上的能量分布規律。普朗克對于這一問題的研究已有6個年頭了,今天他將公布自己關于熱輻射規律的最新研究結果。普朗克首先報告了他在兩個月前發現的輻射定律,這一定律與最新的實驗結果精確符合(後來人們稱此定律為普朗克定律)。然後,普朗克指出,為了推導出這一定律,必須假設在光波的發射和吸收過程中,物體的能量變化是不連續的,或者說,物體通過分立的跳躍非連續地改變它們的能量,能量值隻能取某個最小能量元的整數倍。為此,普朗克還引入了一個新的自然常數 h = 6.626196×10^-34 J·s(即6.626196×10^-27erg·s,因為1erg=10^-7J)。這一假設後來被稱為能量量子化假設,其中最小能量元被稱為能量量子,而常數 h 被稱為普朗克常數

能量量子化

量子化

在巨觀領域中,一切物理量的變化都可看作連續的。例如,一個物體所帶的電荷是e的極大倍數。所以一個一個電子的跳躍式增減可視為是連續的變化。但在微觀領域中的離子,所帶電荷隻有一個或幾個e,那麽,一個一個電子的變化就不能看作是連續的了。

普朗克在1900年提出了“量子化”的概念。像這樣以某種最小單位作跳躍式增減的,就成這個物理量是量子化的。

量子假說

普朗克最大貢獻是在1900年提出了能量量子化,其主要內容:黑體是由以不同頻率作簡諧振動的振子組成的,其中電磁波的吸收和發射不是連續的,而是以一種最小的能量單位ε=hν,為最基本單位而變化著的,理論計算結果才能跟實驗事實相符,這樣的一份能量ε,叫作能量子。其中v是輻射電磁波的頻率,h=6.62559*10^-34Js,即普朗克常數。也就是說,振子的每一個可能的狀態以及各個可能狀態之間的能量差必定是hv的整數倍。

馬克斯·普朗克馬克斯·普朗克

受他的啓發,愛因斯坦于1905年提出,在空間傳播的光也不是連續的,而是一份一份的,每一份叫一個光量子,簡稱光子,光子的能量E跟跟光的頻率v成正比,即E=hv。這個學說以後就叫光量子假說。光子說還認為每一個光子的能量隻決定于光子的頻率,例如藍光的頻率比紅光高,所以藍光的光子的能量比紅光子的能量大,同樣顏色的光,強弱的不同則反映了單位時間內射到單位面積的光子數的多少。

普朗克黑體輻射定律 :大約是在1894年,普朗克開始把心力全部放在研究黑體輻射的問題上,他曾經委托過電力公司製造能消耗最少能量,但能產生最多光能的燈泡,這一問題也曾在1859年被基爾霍夫所提出:黑體在熱力學平衡下的電磁輻射功率與輻射頻率和黑體溫度的關系。帝國物理技術學院(Physikalisch-Technischer Reichsanstalt)對這個問題進行了實驗研究,但是經典物理學的瑞利-金斯定律無法解釋高頻率下的測量結果,但這定律卻也創造了日後的紫外災難,威廉·維恩給出了維恩位移定律,可以正確反映高頻率下的結果,但卻又無法符合低頻率下的結果。這些定律之所以能發起有一小部分是普朗克的貢獻,但大多數的教科書卻都沒有提到他。 普朗克在1899年就率先提出解決此問題的方法,叫做“基礎無序原理”(principle of elementary disorder),並把瑞利-金斯定律和維恩位移定律這兩條定律使用一種熵列式進行內插,由此發現了普朗克輻射定律,可以很好地描述測量結果,不久後,人們發現他的這項新理論是沒有實驗證據的,這也讓普朗克他在當時感到稍稍的無奈。可是他並沒有因此而氣餒,反而修正了自己的方式,最後成功的推衍出著名的第一版普朗克黑體輻射定律,此定律是在描述由實驗觀察來的黑體輻射光譜呈現良好的狀態,這一定律于1900年10月19日在德國物理學會上首次提出。也因為普朗克黑體輻射定律是第一個不包括能源量化以及統計力學的推論,因為他本人不喜歡這個理論。

不久後的1900年12月14日,普朗克得出了輻射定律的理論推論,其中他使用了此前曾被他所否定的奧地利物理學家路德維希·玻爾茲曼的統計力學,熱力學第二定律的每個純統計學觀點都讓普朗克感到厭惡。普朗克于會議上提出了能量量子化的假說: 其中E是能量,是頻率,並引入了一個重要的物理常數h——普朗克常數,能量隻能以不可分的能量元素(即量子)的形式向外輻射。這樣的假說調和了經典物理學理論研究熱輻射規律時遇到的矛盾。基于這樣的假設,他並給出了黑體輻射的普朗克公式,圓滿地解釋了實驗現象。這個成就揭開舊量子論與量子力學的序幕,因此12月14日成為了量子日,以作紀念。普朗克也因此獲得1918年諾貝爾物理學獎。盡管在後來的時間裏,普朗克一直嘗試將自己的理論納入經典物理學的架構之下,但他仍被視為近代物理學的開拓者之一。不過在當時,這一假說與玻爾茲曼的理論相比,可謂無足輕重。 “一個純公式的假說,我其實並沒有為此思考很多。(德語原文:eine rein formale Annahme, ich dachte mir eigentlich nicht viel dabei.)” 如今這個與經典物理學相悖的假說被作為是量子物理學誕生的標志,和普朗克最大的科學成就。但是需要提及的是,玻爾茲曼于先前的大約1877年已經將一個物理學系統的能量級可以是不連續的作為其理論研究的前提條件。 在接下來的時間裏,普朗克嘗試找到能量子的意義,但是毫無結果,他曾寫道: “我的那些嘗試將普朗克常數歸入經典理論的嘗試是徒勞的,卻花費了我多年的時間和精力。(德語原文:Meine vergeblichen Versuche, das Wirkungsquantum irgendwie der klassischen Theorie einzugliedern, erstreckten sich auf eine Reihe von Jahren und kosteten mich viel Arbeit.)” 其他物理學家如瑞利、James Jeans(1877年—1946年)和亨德裏克·洛倫茲在幾年後仍將普朗克常數設為零,以便其不與經典物理學相悖,但是普朗克十厘清楚,普朗克常數是一個不等于零的確切的數值。“Jeans的固執令我很費解,他就像是理論學界裏的黑格爾,他本不該是這樣的,觀點與事實不相符時卻越是要堅持。”(德語原文:Jeans' Hartnäckigkeit ist mir unverständlich – er ist das Beispiel eines Theoretikers, wie er nicht sein soll, dasselbe, was Hegel in der Philosophie war. Um so schlimmer für die Tatsachen, wenn sie nicht stimmen.)​

榮譽獎勵

1915年獲Pour le Mérite科學和藝術勛章;

1918年獲諾貝爾物理學獎

1928年獲德意志帝國雄鷹勛章(Adlerschild des Deutschen Reiches);

1929年與愛因斯坦共同獲馬克斯·普朗克獎章,該獎項由德國物理學會于該年創設;獲法蘭克福大學慕尼黑工業大學羅斯托克大學柏林工業大學格拉茨大學雅典大學劍橋大學倫敦大學格拉斯哥大學榮譽博士學位;

1938年,第1069號小行星(1927年1月28日由德國天文學家馬克斯·沃夫海德堡發現)以普朗克的名字命名為Planckia,時年普朗克80歲;

1957年至1971年德國官方2馬克硬幣使用普朗克的肖像;

1983年德意志民主共和國發行一枚5馬克紀念硬幣,紀念普朗克誕辰125周年;如今有很多學校和大學以普朗克的名字命名。

主要著作

Max Planck:Über den zweiten Hauptsatz der Mechanischen Wä(博士論文《關于熱力學第二定律》1879年)

WärmetheorieMax Planck:Vorlesungen über Thermodynamik.(《熱輻射講義》1906年)

《論維恩光譜方程的完善》(1900年 )

《論正常光譜中的能量分布》(1900年 )

《關于正常光譜的能量分布定律的理論》(1900年 )

普朗克一生著述甚多,有《普通熱化學概論》(1893)、《熱力學講義》(1897)、《能量守恆原理》(第二版1908)、《熱輻射理論》(1914)、《理論物理學導論》(共5卷1916~1930)、《熱學理論》(1932)、《物理學論文與講演集》(共3卷,1958)、《物理學的哲學》(1959)等。

後世紀念

以其命名的太空望遠鏡:世界最大遠紅外線望遠鏡成功升空

2009年5月14日,在法屬蓋亞那庫魯航天中心,歐洲阿麗亞娜5-ECA型火箭發射升空。格林尼治時間14日13時12分(台北時間14日21時12分),歐洲阿麗亞娜5-ECA型火箭攜帶歐洲航天局兩顆科學探測衛星“赫歇爾”和“普朗克”,從法屬蓋亞那庫魯航天中心發射升空。新華社/法新

新華網巴黎5月14日電(記者李學梅)格林尼治時間14日13時12分(台北時間14日21時12分)歐洲阿麗亞娜5-ECA型火箭攜帶歐航局世界最大遠紅外線望遠鏡“赫歇爾”及宇宙輻射探測器“普朗克”,從法屬蓋亞那庫魯航天中心發射升空。

據歐航局和歐洲阿麗亞娜空間公司電視直播報道,發射地當天天氣晴好,火箭按照預定時間點火,隨後搭載兩個探測衛星騰空而起。發射約30分鍾後,“赫歇爾”和“普朗克”先後脫離火箭,開始自主飛行。在確認探測衛星與火箭成功分離後,蓋亞那航天控製中心響起了熱烈的掌聲,歐航局局長讓-雅克多爾丹和阿麗亞娜空間公司行政總裁讓—伊夫勒加爾起身擁抱,表示慶祝。

多爾丹在隨後發表的講話中說,隨著“赫歇爾”和“普朗克”的發射,人類又向探索宇宙的起源邁進了一步。從發射到衛星與火箭分離雖然隻有30分鍾,但卻凝聚了參與這項計畫的歐洲15國多年的心血和夢想。勒加爾也對所有參與探測衛星研製和發射的人員表示了感謝,他相信,這兩個探測衛星的觀測結果將能顛覆人類對宇宙的認識。

據歐航局介紹,兩個探測衛星將被定位在距地球約160萬公裏的“第二拉格朗日點”附近,以背對太陽和地球的姿勢,對宇宙進行持續觀測。

兩個探測衛星分別以英國天文學家威廉赫歇爾和德國物理學家馬克斯普朗克的名字命名,其發射任務是歐航局工作重點之一。“赫歇爾”實質上是一個太空望遠鏡,它也是人類有史以來發射的最大的遠紅外線望遠鏡,將用于研究星體與星系的形成過程;“普朗克”則主要用于對宇宙輻射進行觀測。

“赫歇爾”以英國天文學家威廉赫歇爾的名字命名,它實際上是一台大型遠紅外線望遠鏡。“赫歇爾”寬4米,高7.5米,是迄今為止人類發射的最大遠紅外線望遠鏡。值得一提的是,“赫歇爾”望遠鏡的鏡面以輕質金剛砂為材料,直徑達到3.5米,是哈勃望遠鏡鏡面直徑的約1.5倍,是它的“前任”——歐航局1995年發射的遠紅外線望遠鏡的6倍。

與“赫歇爾”相比,“普朗克”的個頭小了許多,高度隻有1.5米。它以德國物理學家馬克斯普朗克的名字命名,攜帶了一系列敏銳度極高的儀器,能夠對宇宙微波背景輻射進行深入探測。科學界普遍認為,宇宙誕生于距今137億年前的一次大霹靂,作為大霹靂的“餘燼”,微波背景輻射均勻地分布在整個宇宙空間。因此,“普朗克”的探測結果將有助于科學家研究早期宇宙的形成和物質起源的奧秘。

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