Max Planck

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科学无法解开自然的终极奥秘。这是因为,从根本上说,我们自己就是我们试图解开的奥秘的一部分。

Max Karl Ernst Ludwig Planck是一位德国理论物理学家,他对能量量子的发现为他赢得了1918年的诺贝尔物理学奖。

Planck对理论物理学做出了许多贡献,但他作为物理学家的声誉主要基于他作为量子论创始人的角色,量子论彻底改变了人们对原子和亚原子过程的理解。1948年,Planck曾两次担任主席的德国科学机构Kaiser Wilhelm Society被改名为Max Planck Society MPS。MPS现在包括83个机构,代表了广泛的科学方向。

职业生涯

Planck出身于一个传统的、知识分子家庭。他的父系曾祖父和祖父都是Göttingen的神学教授;他的父亲是Kiel大学和慕尼黑大学的法律教授。他的一个叔叔也是法官。

Planck于1858年在Holstein的Kiel出生,父亲是Johann Julius Wilhelm Planck,母亲是他的第二任妻子Emma Patzig。他受洗时的名字是Karl Ernst Ludwig Marx Planck;在他的名字中,Marx是Markus的过时变体,或者可能只是Max的错误拼写,而Max实际上是Maximilian的缩写,被指定为"冠名"。然而,在十岁时他开始署名为Max,并在他的余生中使用这个名字。

他是家里的第六个孩子,尽管他的两个兄弟姐妹来自他父亲的第一次婚姻。在Planck的早年,战争很常见,他最早的记忆之一是1864年第二次Schleswig战争期间普鲁士和奥地利军队进入Kiel的场景。1867年,全家搬到慕尼黑,Planck入学就读Maximilians gymnasium学校,在那里他师从数学家Hermann Müller,后者对这位年轻人产生了浓厚兴趣,教他天文学、力学以及数学。正是从Müller那里,Planck首次学到了能量守恒原理。Planck17岁时提前毕业。这是Planck第一次接触物理学领域的方式。

Max Planck十岁时的签名

在音乐方面,Planck很有天赋。他接受过声乐课程,会弹钢琴、风琴和大提琴,还作曲和创作歌剧。但是,他选择学习物理而不是音乐。

慕尼黑物理学教授Philipp von Jolly劝Planck不要从事物理学,说:"在这个领域,几乎所有东西都已经被发现了,剩下的只是填补一些空白。"Planck回答说他不希望发现新东西,只是想了解该领域已知的基础知识,因此他于1874年开始在慕尼黑大学学习。在Jolly的监督下,Planck进行了他科学生涯中仅有的实验,研究氢通过加热的铂的扩散,但后来转向理论物理学。

1877年,他前往柏林的Friedrich Wilhelms University与物理学家Hermann von Helmholtz和Gustav Kirchhoff以及数学家Karl Weierstrass一起学习一年。他写道,Helmholtz从未完全做好准备,说话很慢,计算错误百出,令听众感到厌烦,而Kirchhoff的演讲经过精心准备但干燥单调。他很快与Helmholtz成为亲密的朋友。在那里,他进行了一项主要是自学Clausius著作的计划,这导致他选择热力学作为他的专业方向。

约1878年Planck年轻时的侧面肖像

1878年10月,Planck通过了资格考试,1879年2月为他的论文《Über den zweiten Hauptsatz der mechanischen Wärmetheorie》(论热力学第二定律)进行了答辩。他曾短暂地在他位于慕尼黑的母校教授数学和物理学。

到1880年,Planck已获得了欧洲提供的两个最高学位。第一个是博士学位,他完成了详细说明他的热力学研究和理论的论文后获得。随后他提交了题为《Gleichgewichtszustände isotroper Körper in verschiedenen Temperaturen》(各种温度下各向同性物体的平衡状态)的论文,这为他赢得了教授资格。

学术生涯

完成教授资格论文后,Planck在慕尼黑成为无薪讲师(德国学术等级,相当于讲师/助理教授),等待被聘为学术职位。尽管最初被学术界忽视,但他继续从事热理论的研究工作,逐个发现了与Gibbs相同的热力学形式,而没有意识到这一点。Clausius关于熵的观点在他的工作中占据了核心位置。

1885年4月,Kiel大学任命Planck为理论物理学副教授。随后进行了关于熵及其处理的进一步研究,特别是应用于物理化学。他于1897年出版了《热力学论文》。他为Svante Arrhenius的电解离解理论提供了热力学基础。

柏林洪堡大学的牌匾:"基本作用量子h的发现者Max Planck从1889年到1928年在这栋楼里教学。"

1889年,他被任命为Kirchhoff在柏林Friedrich-Wilhelms-Universität职位的继任者——可能多亏了Helmholtz的劝阻——1892年成为正教授。1907年,Planck被提供Boltzmann在维也纳的职位,但他拒绝了以留在柏林。1909年期间,作为柏林大学教授,他被邀请成为纽约哥伦比亚大学的Ernest Kempton Adams理论物理学讲师。他的一系列讲座被翻译并由哥伦比亚大学教授A. P. Wills共同出版。他于1926年1月10日从柏林退休,由Erwin Schrödinger接任。

家庭

1887年3月,Planck与school fellow的妹妹Marie Merck(1861–1909)结婚,与她一起搬入Kiel的一套转租公寓。他们有四个孩子:Karl(1888–1916)、双胞胎Emma(1889–1919)和Grete(1889–1917),以及Erwin(1893–1945)。

在搬到柏林的公寓后,Planck一家住在柏林-Grunewald、Wangenheimstrasse 21的别墅里。柏林大学的其他几位教授也住在附近,包括神学家Adolf von Harnack,他成为了Planck的亲密朋友。很快,Planck的家就成为了一个社交和文化中心。许多著名科学家,如Albert Einstein、Otto Hahn和Lise Meitner经常到访。在Helmholtz的家中已经建立了一起进行音乐表演的传统。

在几年幸福的时光之后,1909年7月,Marie Planck去世,可能死于肺结核。1911年3月,Planck与第二任妻子Marga von Hoesslin(1882–1948)结婚;12月,他的第五个孩子Hermann出生。

 

第一次世界大战期间,Planck的次子Erwin于1914年被法国人俘获,而他的长子Karl在Verdun战役中阵亡。Grete于1917年在生育第一个孩子时去世。她的妹妹两年后以同样的方式去世,当时她已经嫁给了Grete的鳏夫。两个孙女都活了下来,并以她们的母亲的名字命名。Planck以坚强的心态承受了这些损失。

1945年1月,与他特别亲近的Erwin因为参加了1944年7月未遂的刺杀Hitler事件而被纳粹Volksgerichtshof判处死刑。Erwin于1945年1月23日被执行。

柏林大学教授

作为柏林Friedrich-Wilhelms-Universität的教授,Planck加入了当地物理学会。他后来写道:"在那些日子里,我基本上是那里唯一的理论物理学家,因此事情对我来说并不容易,因为我开始提到熵,但这不太时髦,因为它被视为数学幽灵"。由于他的倡议,德国各地的各个地方物理学会于1898年合并成德国物理学会(Deutsche Physikalische Gesellschaft, DPG);1905年至1909年,Planck担任主席。

Planck开设了一门关于理论物理学的六学期讲座课程,根据Lise Meitner的说法,"干燥、有些不够个人化",根据参加者James R. Partington的说法,"不使用笔记,从不犯错,从不犹豫;我听过的最好的讲师",他继续说:"房间里总是站满了人。由于讲室供暖充分,空气相当闷,所以听众有时会昏倒在地上,但这并不会打扰讲座。"Planck没有建立实际的"学派";他的研究生人数仅约20人,其中包括:

黑体辐射

1894年,Planck转向研究黑体辐射问题。这个问题由Kirchhoff在1859年提出:"黑体(完美吸收体,也称为腔体辐射体)发出的电磁辐射的强度如何取决于辐射的频率(即光的颜色)和物体的温度?"这个问题已经通过实验进行了探索,但没有理论处理方式与实验值一致。Wilhelm Wien提出了Wien定律,它正确预测了高频时的行为,但在低频时失败了。Rayleigh–Jeans定律是解决这个问题的另一种方法,在低频时与实验结果一致,但在高频时产生了后来被称为"紫外灾难"的现象。然而,与许多教科书相反,这不是Planck的动力。

Planck在1899年提出的第一个解决方案源于Planck所称的"基本无序原理",这使他能够从关于理想振荡器熵的一些假设推导出Wien定律,创造了所谓的Wien–Planck定律。很快发现实验证据根本不支持这个新定律,这让Planck感到沮丧。Planck修正了他的方法,推导出著名的Planck黑体辐射定律的第一个版本,它能很好地描述实验观察到的黑体光谱。它首次在DPG的会议上于1900年10月19日提出并于1901年发表。这个第一个推导不包括能量量子化,也不使用统计力学,他对此有反感。1900年11月,Planck修正了这种第一种方法,依靠Boltzmann对热力学第二定律的统计解释,作为获得更深层次理解他的辐射定律原理的一种方式。由于Planck对这种Boltzmann方法的解释的哲学和物理含义深感怀疑,他对这些方法的求助,正如他后来所说的,是"绝望的举动……我准备放弃我之前关于物理学的任何信念"。

他的新推导的中心假设,于1900年12月14日提交给DPG,是现在被称为Planck假设的推论,即电磁能只能以量子化的形式被发射,换句话说,能量只能是基本单位的倍数:

其中h是Planck常数,也被称为Planck作用量子,早已在1899年引入,ν是辐射的频率。注意这里讨论的能量基本单位由hν表示,而不仅仅是ν。物理学家现在称这些量子为光子,频率ν的光子会有其自己特定和独特的能量。该频率的总能量则等于hν乘以该频率的光子数。

起初Planck认为量子化只是"一个纯粹的形式假设……实际上我没有过多考虑它……";如今这个假设与经典物理学不相容,被认为是量子物理学的诞生和Planck职业生涯中最伟大的智力成就。Ludwig Boltzmann早在1877年的一篇理论论文中就讨论过物理系统的能量状态可能是离散的可能性。Planck常数的发现使他能够定义一套新的通用物理单位,如Planck长度和Planck质量,这些都基于基本物理常数,许多量子理论都是基于这些常数。为了认可Planck对物理学新分支的基础性贡献,他被授予1918年的诺贝尔物理学奖(他实际上在1919年获得了该奖项)。

随后,Planck试图理解能量量子的含义,但无果而终。"我多年来徒劳地试图将作用量子重新整合到经典理论中,这给我带来了很多麻烦。"即使多年以后,其他物理学家如Rayleigh、Je

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