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科学 / max-planck

马克斯·普朗克

马克斯·普朗克是德国理论物理学家,其热辐射研究引入了能量量子,为量子理论的建立奠定了基础。

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马克斯·卡尔·恩斯特·路德维希·普朗克(1858年4月23日—1947年10月4日)是德国理论物理学家。他在研究黑体辐射时引入了作用量子,即今天所称的普朗克常数。他于1900年提出的辐射理论为量子力学奠定了基础,不过,他起初并不接受这一理论对经典物理学的某些影响。他因发现能量量子而获得1918年度诺贝尔物理学奖;该年度奖项延后至1919年公布。(mpg.de)

早年生活与学术生涯

普朗克出生于基尔,1867年随家人迁居慕尼黑。1874年至1879年间,他先后在慕尼黑大学和柏林大学学习,师从赫尔曼·冯·亥姆霍兹、古斯塔夫·基尔霍夫等人。1879年,他在慕尼黑完成博士论文,研究主题是热力学第二定律。1880年取得大学授课资格后,他在慕尼黑担任编外讲师。1885年,他成为基尔大学理论物理学副教授;1889年转赴柏林,1892年晋升正教授。他于1926年从大学教席退休。(mpg.de)

他的早期研究集中于热过程、不可逆性和熵。这些研究兴趣塑造了他后来对辐射的探索:他试图为物质与辐射如何达到热平衡寻找普适的物理解释。从1897年起,他开始通过电磁学中的电动力学方法研究这一问题,最初希望在不放弃既有物理原理的前提下推导出辐射谱。(mpg.de)

辐射问题

黑体是一种能够吸收所有入射电磁辐射的理想化物体。在热平衡状态下,它的发射光谱取决于温度,而非材料组成。带有小孔、内壁近似完全吸收辐射的空腔,可以在实验中近似实现黑体。19世纪90年代至1900年前后,柏林开展的测量提供了越来越精确的实验依据,可用于检验各种辐射定律。这一问题将光的研究与热学定律联系起来。(mpg.de)

普朗克起初支持威廉·维恩的辐射公式,但新的测量结果表明,该公式在部分光谱范围内并不成立。1900年10月19日,他提出了一个替代公式,与当时已有的观测结果吻合。这一定律先在经验上获得了成功,随后才有了令人满意的理论解释。为此,普朗克转而采用路德维希·玻尔兹曼的统计计数方法,尽管他此前对这一方法有所保留。(mpg.de)

能量量子

1900年12月14日,普朗克提出了基于量子假说的辐射定律推导。为了计算其模型中各谐振子的能量可能如何分配,他将总能量划分为大小有限的能量元,每个能量元的大小为

[ \varepsilon=h\nu, ]

其中,(\nu) 为频率,(h) 为新引入的普适常数。与数学上任意细分得到的微小量不同,不能让这一能量元趋近于零,否则就无法得到与实验吻合的辐射公式。这成为迈向能量量子化的关键一步。(max-planck.mpg.de)

这一推导借鉴了统计力学的核心思想,通过计算可能的微观排列方式,将熵与概率联系起来。在诺贝尔奖演讲中,普朗克阐述了寻找辐射定律的过程如何使他发现作用量子。他最初的研究涉及对谐振子及其能量的统计处理,不应简单地将其等同于后来关于自由传播的光由粒子组成的主张。(nobelprize.org)

阿尔伯特·爱因斯坦于1905年将量子思想扩展到光本身,并用它解释了光电效应。这一光量子概念后来发展为现代的光子概念。普朗克的假说与爱因斯坦的解释相互关联,但属于不同的贡献。此后多年,普朗克仍对是否有必要彻底重建经典物理学持怀疑态度。(nobelprize.org)

学术荣誉与科研机构

普朗克于1894年成为普鲁士科学院院士,1912年至1938年担任该院数理学部常任秘书。他在1913年至1914年间担任柏林大学校长。1920年6月2日,他发表诺贝尔奖演讲,介绍了量子理论的起源及其尚未解决的问题。1929年,德国物理学会设立马克斯·普朗克奖章,首批获奖者为普朗克和爱因斯坦。(max-planck.mpg.de)

1930年至1937年,他担任德国重要科研组织威廉皇帝学会的会长。在纳粹德国统治时期,他努力维护学会所属机构,并为一些受到威胁的同事出面交涉。他还于1935年为弗里茨·哈伯安排了一场追悼会。然而,这些行动未能阻止该组织被纳入纳粹政权的控制之下。(mpg.de)

家庭、晚年与以其命名的事物

普朗克于1887年与玛丽·默克结婚;她于1909年去世后,他在1911年与玛加·冯·赫斯林结婚。他的几个子女都先于他去世。第二次世界大战期间,1944年2月的一次空袭摧毁了他在柏林的住所,科学笔记和日记也随之毁失。他的儿子埃尔温在1944年7月刺杀希特勒的行动失败后被捕,并于1945年1月23日被处决。普朗克于1945年迁居哥廷根,1947年10月4日在那里去世。(mpg.de)

在战后德国科研体系重组期间,马克斯·普朗克学会采用了他的名字。1946年,一个以此命名的组织在英国占领区成立;如今的学会则于1948年2月26日在哥廷根成立,当时普朗克已经去世。他的名字也继续用于常数 (h)。该常数在国际单位制中的精确值为 (6.62607015\times10^{-34}) 焦耳秒,是千克定义的基础。(mpg.de)