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量子力学元勋——普朗克和海森伯 精选

已有 6765 次阅读 2022-10-25 15:36 |个人分类:外国人物|系统分类:海外观察

作者 高关中(德国汉堡)2022/10/19

就像中国科学院一样,德国也有类似的机构,叫马普学会。它是德国最大的科研机构,主要从事自然科学的基础理论研究。全国分布有80多个马普所(中科院一共110多个所),每个马普所几百号人,全部职工超过两万人。还有1000多名外国客籍科学家和奖学金领取者参加工作。学会成果累累,人才辈出,先后有30多位科学家荣获诺贝尔奖。今天马普学会的管理机构设在慕尼黑。

这个科研机构为什么叫马普学会呢?看看它的全名马克斯·普朗克学会(Max-Planck-Gesellschaft)吧,原来它是为纪念诺贝尔奖得主、卓越的物理学家量子论首创者普朗克(1858―1947)而得名的。他曾任该会会长多年。

 

1858年4月23日马克斯·普朗克(Max Planck)出生于北德港城基尔一个受到良好教育的传统家庭,父亲是法学教授。普朗克在基尔度过了他童年最初的几年时光,直到1867年全家搬去了慕尼黑。普朗克在慕尼黑的马克西米利安文理中学(Maximiliansgymnasium)读书。他在音乐方面很有天赋,他会演奏钢琴、大提琴和管风琴,还能作曲,曾考虑成为一名专业钢琴家。他的数学也很棒,1874年,普朗克进入慕尼黑大学攻读数学专业,但他最后还是选择了学习物理,并将自己的决定解释为“生命中最崇高的科学追求”。慕尼黑的物理学教授菲利普·冯·约利(Philipp von Jolly,1809-1884)曾劝说普朗克不要学习物理,他认为“这门科学中的一切都已经被研究了,只有一些不重要的空白需要被填补。”这也是当时许多物理学家所认为的,但是普朗克坚持道:“我并不期望发现新大陆,只希望理解已经存在的物理学基础,或许能将其加深。”

1877年,普朗克转到柏林大学,在物理学家亥姆霍兹和基尔霍夫指导下从事研究工作。1879年回到慕尼黑获得博士学位。

在基尔大学做了2年的副教授后,1888年普朗克来到了柏林大学,接替去世的基尔霍夫成为那里的理论物理学教授。

起先普朗克的成就主要在热力学方面。从博士论文开始,他一直关注并研究热力学第二定律,发表过诸多论文。大约1894年起,开始研究黑体辐射问题。

那个时代,物理学取得了一系列惊人的进展,人们的目光不再局限于眼前的世界,而是延伸到更深入和更广阔的天地。但在物理领域,仍有一个已经困扰了物理学家几十年的问题:黑体。黑体,说的是一种能够将投射到它上面的辐射全部“吃光”(不反射任何光),但又一点痕迹不留的东西。尽管科学家们尽了一切努力,却无法用经典物理学解释这个现象。

在研究黑体辐射时,普朗克也和其他科学家一样,遇到了同样的问题:现有的物理学无法解释他所发现的结果。

经过5年研究摸索,1900年,42岁的普朗克发现了一个解释这些问题的方程。12月14日,在德国物理学会的例会上,普朗克作了《论正常光谱中的能量分布》的报告。在这个报告中,他激动地阐述了自己最惊人的发现。他说,为了从理论上得出正确的辐射公式,必须假定物质辐射(或吸收)的能量不是连续地、而是一份一份地进行的,也就是只能取某个最小数值的整数倍跳跃式变化。这个最小数值就叫能量子,辐射频率是ν的能量的最小数值ε=hν。其中h,普朗克当时把它叫做基本作用量子,后来被命名为普朗克常数。通俗地说,应当把能量比作是从一架机关枪中射出的一连串子弹,而不把它比作是从从水管中喷射出的持续不断的水流。这个报告标志着物理学从“经典幼虫”变成“现代蝴蝶”。这一天,成为量子论诞生日和新物理学革命宣告开始的伟大时刻。

这个新的能量理论彻底改变了物理学,使我们更深刻地理解物质和辐射的性质。并为以后爱因斯坦提出的相对论开辟了道路。爱因斯坦用这一概念解释了光电效应。丹麦物理学家玻尔1913年将这一概念用于他的原子结构理论中。

1905年,当时尚完全不为人所知的爱因斯坦在科学杂志《物理年鉴》(Annalen der Physik)上发表了三篇开创性的论文,普朗克是少数很快发现爱因斯坦相对论重要性的人之一,由于普朗克的影响力,相对论很快在德国内得到认可,普朗克自己也对狭义相对论的完成做出了重要贡献。

其间,普朗克成为柏林大学的校长,他将爱因斯坦聘请到了柏林,并在1914年为爱因斯坦设立了一个新的教授职位,他们很快便结下了很好的友谊。

起初,普朗克发现的重要性还没有被人们完全了解。直到爱因斯坦等人将量子理论进一步发展时,普朗克发现的革命性才得以体现。1918年,科学界已经充分认识到普朗克研究的重要性,瑞典授予这位开拓者诺贝尔物理学奖。

1926年10月1日普朗克退休,他的继任者是薛定谔(Erwin Schrödinger,1887-1961)。薛定谔导出量子力学的波动力学体系,即薛定谔方程,因而获1933年度诺贝尔物理学奖。

虽然普朗克在学术生涯中取得了很大成就,但个人生活却充满了悲剧。在战火连绵的20世纪,个人的悲剧是无法不与时代相关联的。他的第一任妻子死于1909年,大儿子卡尔死于第一次世界大战。他的小儿子欧文,也被指参与刺杀希特勒的阴谋,而被处以绞刑。

1944年,在一次空袭中,一枚炸弹击中了普朗克的房子,摧毁了他的许多财产,其中包括他所有的科学笔记本。

1930年,普朗克被德国科学研究的最高机构威廉皇帝学会(Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft)选为会长。该组织成立于 1911 年,是一个以当时的德国皇帝命名的研究组织。首任会长哈纳克(Adolf von Harnack,1851-1930)是一位历史学家。普朗克是第二任,因不满政府对犹太科学家的所作所为,他在1937年辞去了会长的职务。

二战结束后,威廉皇帝学会在哥廷根得到重建,由普朗克出山担任会长,1946年4月1日由化学家哈恩接替。该学会于1946年9月11日改名为马普学会,普朗克被任命为名誉会长。

1947年10月4日,普朗克因病去世,终年89岁。他的墓在格廷根市公墓(Der alte Stadtfriedhof,距火车站不远)内,其标志是一块简单的矩形石碑,上面只刻着他的名字。他的墓志铭就是一行数字,即普朗克常数。这也是对他毕生的最大贡献——提出量子假说的肯定。

普朗克的名声主要在于他是量子论的奠基者,这一理论对理解原子和亚原子过程起了革命性意义,犹如爱因斯坦相对论对理解空间和时间的意义。他和爱因斯坦并称为20世纪最重要的两大物理学家,物理学革命的先驱。他们的贡献一起构成了20世纪物理学的基础理论。

 

量子论只是量子力学革命的序幕。1920年代,在旧量子论基础上发展出量子力学(Quantenmechanik),成为研究组成物质的微小粒子及其相互作用中所涉及的力的物理学分支。在量子力学建立过程中,德国科学家海森伯(1901-1976)发挥了重大作用。

维尔纳·海森伯(Werner Heisenberg)1901年12月5日生于维尔茨堡。就读慕尼黑大学并获博士学位。1925年24岁的海森伯创立量子力学的矩阵力学体系。为此他获得了1932年度的诺贝尔物理学奖。1926年薛定谔发现通过数学手法,可以使矩阵力学体系和波动力学体系两种表达方式统一起来,量子力学的理论体系就这样初步建立起来了。海森伯的《量子论的物理学原理》是量子力学领域的一部经典著作。

1927年海森伯提出了“不确定性原理”(Heisenbergsche Unschärferelation,又译测不准原理)。这个原理从理论上指出我们进行科学测量是时,能力上的局限。如对一个粒子来说,要么知道它的位置,要么明白它的动量:两者不可兼得。现在我们已经明白,不能要求科学答复“到底什么是绝对真理”。

二战前夕,海森伯接到服役命令,到国防部军械局报到,纳粹政府强迫他参与研制原子弹。但这个计划,因为种种原因,并未成功。海森伯解释说,他一直在拖延计划,不让希特勒得逞。大战结束时,海森伯和核裂变发现者哈恩等人被盟军俘虏,送往英国监禁。约一年后才被遣返回德国。他领导马普学会的物理和天体物理研究所,1958年与该所一同迁到慕尼黑。

1976年2月1日海森伯在慕尼黑逝世,终年75岁。

在许多现代技术装备中,量子力学的效应起了重要的作用。从激光、电子显微镜、原子钟到核磁共振的医学图像显示装置,都关键地依靠了量子力学的原理和效应。在核武器的发明过程中,量子力学的概念也起了一个关键的作用。追根寻源,量子论首创者普朗克被誉为量子力学之父,而海森伯也是量子力学创始人之一。他俩的大名均列于影响世界历史的100位名人之中。

 

 




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