馬克斯·普朗克(英文名:Max Planck,德語名:Max Karl Ernst Ludwig Planck,1858年4月23日-1947年10月4日),德國物理學家,量子力學創始人之一,諾貝爾物理學獎獲得者。
1858年4月23日,馬克斯·普朗克出生于德國基爾,幼年跟隨父親遷居慕尼黑,中學時期在數學老師赫爾曼·米勒爾的引導下將興趣轉到自然科學方面。而后先后進入慕尼黑大學、柏林洪堡大學就讀,曾師從赫爾曼·馮·亥姆霍茲等著名物理學家。1878年10月,普朗克在慕尼黑完成了教師資格考試。1879年,21歲的馬克斯·普朗克憑借論文《論機械熱學第二定律》獲得了哲學博士學位,在論文中研究了導熱過程不可逆的問題,提出了表達嫡定律的最初的一般公式。1880年,他成為慕尼黑大學的無公薪講師,1885年,任基爾大學副教授;1888年,作為著名德國物理學家基爾霍夫的繼承人,被聘為柏林大學副教授,并擔任理論物理研究所所長。1892年普朗克在柏林大學升為正教授,直至1926年因其他任務過多而辭去了這一職位。1894年,他入選普魯士皇家科學院;1912年,當選為柏林科學院的四位常務秘書之一,并在這一年成為柏林洪堡大學校長,1926年,馬克斯·普朗克從柏林大學退休,埃爾溫·薛定諤是其教授席位的接班人。同年,普朗克被選為英國皇家學會的外籍會員,并獲得該會的科普萊獎章,美國物理學會也聘請他為名譽會員。1930年至1937年擔任德國威廉皇家學會會長。1947年10月4日,普朗克在德國下薩克森州哥廷根市因病逝世,享年89歲。
普朗克擁有杰出的學術成就,不僅是奠定了量子論的基礎,提出普朗克公式、普朗克常數及玻爾茲曼常數,更是熱力學領域大師,對“熵[shāng]”等概念的理解超越所處時代。普朗克提出量子的概念,從此物理學由經典時代邁向量子時代,量子規律的發現重構了整個科學領域,從物理、化學、生物、材料再到工程應用領域比如電子信息產業。包括現在互聯網,沒有量子規律的發現,大部分的現代科技都不會產生。同時量子論的誕生是物理學思想的一次重大革命,徹底改變人類對原子與次原子的認識,打破了經典物理學的舊體系,是現代物理學上的一場革命性突破。1918年12月10日,馬克斯·普朗克因發現量子理論而獲諾貝爾物理學獎。1938年,第1069號小行星以普朗克的名字命名。作為一個愛國者,他的一生是復雜的,在納粹當政時,他堅定地支持了愛因斯坦,資助受迫害的猶太科學家;但也曾在一戰時期簽下德國為侵占比利時辯護的《文明宣言》。
人物生平
早年經歷
1858年4月23日,馬克斯·普朗克在德國基爾出生。他是法律教授威廉·普朗克和夫人埃瑪·帕齊希的第六個孩子,祖輩有不少人擔任過施瓦本的教士、教師和城市錄事,曾祖父和祖父都是哥廷根大學的神學教授。馬克斯·普朗克有三個哥哥、兩個姐姐和一個弟弟。
教育經歷
1867年,馬克斯·普朗克的父親應邀到慕尼黑大學講學,而他正好完成了小學低年級的課程,于是他們全家遷居慕尼黑。之后馬克斯·普朗克考入古典皇家馬克西米連大學預科學校,在校期間總是名列前茅。
普朗克保持著古典時期的優良風格,對音樂和文學有著濃厚的興趣,早年曾經在音樂和科學之間搖擺不定。中學時期,數學老師赫爾曼·米勒爾發現馬克斯·普朗克有杰出的數學才能,不僅鼓勵他學好數學,還利用業余時間教他天文學、力學,普朗克的興趣開始轉到自然科學方面。在高中時代,普朗克就曾經替數學老師代過幾個星期的數學課,赫爾曼·馮·亥姆霍茲推薦他去柏林洪堡大學任教時說:“至于他作為一位教師的才能,我們從基爾大學已經獲得了十分滿意的報告。”
學生時代的普朗克具有音樂天賦,又愛好文學。他會鋼琴、管風琴和大提琴,還上過演唱課,曾在慕尼黑學生學者歌唱協會為多首歌曲和一部輕歌劇作曲。但是普朗克并沒有選擇音樂作為他的大學專業、抱著對“已經存在的物理學基礎,或許能將其加深”的信念,開始了他的物理學學業。
1874年10月21日,馬克斯·普朗克考入慕尼黑大學,主攻數學,后在傾聽了菲力浦·馮·約里的講座后決定兼修理論物理。1875年冬,馬克斯·普朗克不幸得了肺病,不得不選擇休學。然而在家養病的馬克斯·普朗克并沒有停止學習,他了解到柏林洪堡大學許多人在從事理論物理學的研究,如赫爾曼·馮·亥姆霍茲、基爾霍夫、克勞休斯和波爾茨曼等。
1877年,馬克斯·普朗克的身體完全康復后,馬上向柏林大學提出轉學申請。經過努力,馬克斯·普朗克如愿進入柏林大學,雖然師從著名物理學家赫爾曼·馮·亥姆霍茲、古斯塔夫·基爾霍夫以及數學家卡爾·魏爾施特拉斯,但他卻主要是從魯道夫·克勞修斯的講義中自學,并受到這位熱力學奠基人的重要影響。1879年,21歲的馬克斯·普朗克憑借論文《論機械熱學第二定律》(Uber den zweiten Hauptsatz der mechanischen Warmetheorie)獲得了哲學博士學位。在論文中,馬克斯·普朗克研究了導熱過程不可逆的問題,還提出了表達嫡定律的最初的一般公式。完成論文后,慕尼黑大學授予普朗克最高榮譽“最優異學業成績”。
工作與科研經歷
1880年,普朗克獲得了大學任教資格,他的任教資格論文《各向同性物體在不同溫度下的平衡狀態》(優步 Gleichgewichtszustande isotroper in Verschiedenen Temperaturen),也是在討論熱力學。
獲得大學任教資格后,普朗克在慕尼黑并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·吉布斯提出過。魯道夫·克勞修斯所提出的“熵”的概念在普朗克的工作中處于中心位置。
1885年,普朗克開始在基爾大學擔任理論物理學副教授。這時,理論物理學還屬于一門新的學科,選修的學生較少,這就使他有更多的時間去從事新課題的探討和研究,并為他后來提出的輻射理論打下了基礎。
1887年,普朗克接替基爾霍夫來到柏林洪堡大學擔任理論物理研究所的主任。在柏林期間,普朗克為柏林物理學會做出了貢獻,他說道:“當時,我其實是唯一一個理論物理學家,感覺并不輕松,我提出了我的熵理論,而這在當時并不受歡迎,因為它是一個數學的魔鬼。”1889年,普朗克接受柏林大學邀請成為理論物理學教授。同時,他取得了有關電解質方面的最新成果,使他對基礎性問題做出了一項決定性的貢獻。1892年晉升為正教授。1894年,普朗克被選為柏林科學院院士,受到威廉·維恩的黑體輻射公式以及相關論文的影響,開始關注黑體輻射問題,
1897年,哥廷根大學哲學系授獎給普朗克的專著《能量守恒原理》(Das Prinzip der Erhaltung der Energie,1897年)。在普朗克的倡議下,柏林物理學會在1898年改為了德國物理學會。
1900年10月19日,普朗克開始論證一個新的輻射公式,其在德國物理學會上首次提出“基礎無序原理”(principle of elementary disorder)。1900年12月14日,他終于論證完了他的公式,提出了著名的“普朗克量子公式”在這個公式中有一個重要常數h,叫作“普朗克恒量”,即“普朗克常數”量子論從此誕生了,正是它開辟了一條通往原子時代的嶄新道路。
1906年至1908年,普朗克在阿爾伯特·愛因斯坦先驅性工作的基礎上進行相對論動力學研究。1911年,首屆索爾維會議在布魯塞爾召開,會議圍繞量子論展開,普朗克清晰地描述了熱力學第三定律。1913年,普朗克就任柏林洪堡大學校長并加人威廉皇帝學會。1914年,第一次世界大戰爆發。1914年8月,德國侵比利時和法,隨后,德國的九十三位文化科學家聯名發表了一篇所謂《文明宣言》 (德國文化界宣言),普朗克也簽署了這份宣言。這份宣言宣稱德國的威廉帝是“世界和平的衛士”,公開為德國的侵略行為狡辯,還宣稱全世界都應該接受“真正德國精神”。1914年,普朗克當選為美國藝術與科學院。
1915年,由他擔任四個常任主席之一的普魯士科學院將獎項頒給了一項意大利的研究成果,而當時戰爭中的意大利是德國的敵人。1916年,簽署聲明反對德國的軍國主義。普朗克加人了古斯塔夫·施特雷澤曼(1926年獲諾貝爾和平獎)的德國人民黨,該黨的國內政策自由,而對外政策則相對保守。普朗克反對普選權,并認為納粹獨裁是“人民大眾法治升華”的結果。
1918年,被選為倫敦皇家自然知識促進學會會員。1919年人們利用普朗克導出的量子理論為許多領域帶來了豐碩的成果。幾十位物理學家就他理應得到諾貝爾獎而向斯德哥爾摩的授獎者提出強烈的抗議,經過評判,諾貝爾委員會放棄了認為普朗克的首創沒有帶來一種自洽理論的反對意見,1919年年底,斯德哥爾摩方面決定,把1918年未頒發的物理學獎項授予普朗克。
1920年,普朗克和其他科學家建立了“德國科學緊急委員會”,以資助德國的科學發展。1926年,馬克斯·普朗克從柏林大學退休,埃爾溫·薛定諤是其教授席位的接班人。
晚年經歷
1933年,納粹上臺時普朗克75歲,普朗克認為,帶有種族主義的法律會對德國科學造成巨大傷害。他請求阿道夫·希特勒接見,見面后普朗克謹慎地把自己的觀點傳達出來,結果希特勒勃然大怒。為了國家和民族大計,作為威廉皇家學會的主席,他在1933年7月14日上書內政部長威廉·弗里克(1877-1946年),表示學會愿意投入到帝國的種族純凈研究中。1937年,他辭去了德皇威廉學院院長職務。
1944年,在一次空襲中,一枚炸彈擊中了普朗克的房子,摧毀了他的許多財產,其中包括他所有的科學筆記本。第二次世界大戰結束時,美國官方將普朗克和第二任妻子帶至哥廷根市。普朗克在晚年投入了大量筆墨在哲學、美學及宗教問題上,與阿爾伯特·愛因斯坦、埃爾溫·薛定諤一起堅決反對波爾、波恩、海森伯格等人在1925-1926年將不確定的、統計學的世界觀引入量子力學。
逝世與安葬
1947年10月4日,馬克斯·普朗克在德國下薩克森州哥廷根因病逝世,享年89歲。普朗克的墓在哥廷根市公墓內,其標志是一塊簡單的矩形石碑,上面只刻著他的名字,下角寫著:h=6.62×10-27爾格·秒。
主要成果
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》。他認為熱力學第二定律不只是涉及熱的現象,而且同一切自然過程有關。他認為由于熵的極大值對應于平衡態,所以深入地研究,就能掌握有關物理和化學平衡的一切規律。此后,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。同時在《論熱力學第二定律》中花大量篇幅回顧和考察熱力學的發展歷史,文中深刻地討論了熱力學的普遍問題、研究方法和發展路線。普朗克以熱力學的歷史為依據和參照系,探討了新觀點究竟要在什么地方、以何種程度同傳統理論決裂,剖析了舊理論的局限性,提出新理論的各種可能性。
普朗克黑體輻射定律
針對黑體輻射定律,普朗克曾經委托過電力公司制造能消耗最少能量,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公式無法解釋高頻下的測量結果,這個定律卻也創造了日后的“紫外災難”。后來,威廉·維恩給出了維恩位移定律,可以正確反映高頻下的結果,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,叫作“基礎無序原理”,并把瑞利-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,不久后,人們發現他的這項新理論是沒有實驗證據的,這也讓普朗克在當時感到無奈。可是他并沒有因此而氣餒,反而修正了自己的方式,最后成功地推導出著名的第一版普朗克黑體輻射定律,此定律在描述由實驗觀察來的黑體輻射光譜時呈現良好的狀態,這一定律于1900年10月19日在德國物理學會上首次提出。
普朗克常數
在推導出普朗克公式之前,威廉·維恩公式和瑞利-金斯都是用經典物理學的方法研究熱輻射,因此得出了與實驗不符的結果,這也暴露出了經典物理學的局限性。普朗克用內插法綜合了維恩公式和瑞利-金斯公式,得到了一個完全和實驗曲線符合的黑體輻射公式,即普朗克公式。
式中λ和T分別為波長和溫度,k為波爾茲曼常數,c為光速,h=6.6262x10-34J·s,稱為普朗克常數,e是自然對數的底。其中,普朗克常數被物理學家認為是宇宙中的基本常數之一,它被視作經典物理世界和量子世界邊界的標度。基于普朗克常數的概念,量子物理學界發展了一套完整的量子物理學科體系。阿爾伯特·愛因斯坦曾評價到:“普朗克常數h的發現成為20世紀所有物理學研究的基礎,并從那時起幾乎完全決定了物理學的發展。”
波爾茲曼常數
普朗克在沿著路德維希·玻爾茲曼的思路進行更深入的研究得出波爾茲曼常數后,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。同時,玻爾茲曼常數是將物質的動能(E)和它的溫度(T)聯系起來的常數:E=kBT,玻爾茲曼常數是熱力學中不可或缺的工具。
能量量子化
在宏觀領域中,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,所帶電荷只有一個或幾個e,那么,一個一個電子的變化就不能看作是連續的了。而普朗克最大貢獻就是在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=h,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,叫作能量子。
量子假說是物理學進入新的發展階段的標志,它在經典物理學的宏大體系中打開了第一個缺口,為現代物理學基本理論的建立奠定了新的基礎。但普朗克量子論的提出與確立,卻歷經了一段長達十幾年之久。普朗克的量子假說在發表后相當長的一段時間內,很少受到關注。就連普朗克本人,作為經典物理學的忠實信徒,也對自己提出的具有非凡革命意義的量子理論產生懷疑,并對假說進行研究,試圖取消量子假說,或者使量子假說納入經典物理理論。
主要著作
普朗克一生發表了215篇研究論文和7部著作,其中包括1959年所著的《物理學中的哲學》一書。
著作
熱輻射講義
1906 年,普明克在《熱輻射講義》一書中。證明了麥克斯事方程組也會出現時間反演性,系統地總結了他的工作,為開辟探索微觀物質運動規律新途徑提供了重要的基礎。
科學何去何從
該書于1933年出版,其一方面通俗地介紹了十九世紀末、二十世紀初的科學革命和半個世紀的科學發展;另一方面討論了與科學相關的哲學問題,包括外部世界的實在性、物理宇宙的科學圖景、因果性、自由意志、和相對的關系。
論文
論熱力學第二定律
1879年,普朗克發表了他的博士論文《論熱力學第二定律》,在論文中普朗克針對焦耳的熱功當量實驗提出:不可能制造一個機器,在循環動作中把一重物提高而同時使一熱庫冷卻,這就是普朗克針對熱力學第二定律的首次表述。
不同溫度條件下物體的平衡熵
1880年6月14日,普朗克發表了《不同溫度條件下物體的平衡熵》,因為有獨到的見解,獲得了慕尼黑大學授予的特別獎狀。在這篇論文中,他運用熵的概念,探討了彈性力在不同溫度下對物體的作用,從而發展了熱力學理論。
論維恩輻射定律的改進
1900年10月19日,普朗克以《論維恩輻射定律的改進》為題,在德國物理學會的會議上首次公布了自己新的黑體體輻射公式,普朗克黑體輻射公式給出了輻射場能量密度按波長賴率的分布。至此,普朗克圓滿揭示,黑體輻射規律。普朗克公式在全波段范圍內都和實驗結果符合得相當好。
關于正常光譜能量分布定律和理論
1900年12月14日,在德國國會大廈附近赫爾霍姆茨研究所召開的柏林物理學會會議上,普朗克以《正常光譜中能量分布的理論》為題公布了推導黑體輻射定律/公式的方法和途徑,并提出大膽的假設量子論暨能量子、量子化和量子化常數等新概念。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,他給出了黑體輻射的普朗克公式,圓滿地解釋了實驗現象。
社會職務
以上內容參考:
人才培養
普朗克僅有過約20名博士生,其中包括:馬克斯·亞伯拉罕(Max Abraham,1875年-1922年)、維也納學派創始人摩里茲·石里克、瓦爾特·邁斯納(Walther Meißner,1882年-1974年)、馬克斯·馮·勞厄(1914年諾貝爾物理學獎)、弗里茨·賴歇(Fritz Reiche,1883年-1960年)、瓦爾特·朔特基(Walter Schottky,1886年-1976年)和瓦爾特·博特(1954年諾貝爾物理學獎獲得者)。
榮譽
人物評價
物理學家、電子論的建立者亨德里克·洛倫茲評價普朗克:“我們一定不要忘記,能交上閃現這樣靈感的好運的,只有那些刻苦工作和深人思考的人。”其認為那是能夠解釋黑體輻射全譜的唯一理論。他是第一批評論量子理論、并強調把量子假說同電子理論進行對照的人之一。
德國物理學家馬克斯·馮·勞厄這樣評價普朗克 :“只要自然科學存在,它就永遠不會讓普朗克的名字被遺忘。”
馬克斯·玻恩在評價普朗克時寫道,“從天性來講,他是一位思想保守的人,他根本不知道何為革命,只是他驚人的邏輯推理能力讓他不得不在事實面前折服。”
在諾貝爾獎授獎儀式上,瑞典皇家科學院院長就在致辭中稱普朗克的理論研究是具有劃時代意義的研究工作,明確地指出,“普朗克輻射理論是現代物理學研究的最重要的指導原則,而且可以看出普朗克的天才發現作為科學的財富將在以后很長時間內發揮作用。”
阿爾伯特·愛因斯坦在談論普朗克的量子理論時說:“這一發現成為20世紀整個物理學研究的基礎,從那個時候起幾乎完全決定了物理學的發展.要是沒有這一發現,那就不可能建立起分子、原子以及支配它們變化的能量過程的有用的理論。”
1947年,普朗克去世后,愛因斯坦在普朗克的悼詞中說道:“一個以偉大的創造性觀念造福于世界的人,不需要后人來贊揚.他的成就本身就已給了他一個更高的報答。”
查爾斯·羅伯特·達爾文:普朗克不僅作為一位科學理論的提出者值得我們致敬,作為一個人,他同樣無愧于我們發自內心的贊揚。他謙遜和善,光明磊落,溫和善良,經過了這個不幸年代的考驗,也熬過了諸多苦痛,他仍然留有他的正直與無聲的勇氣。
相關人物
家庭
以上內容參考:
參考文獻:
后世紀念
普朗克研究所
德國政府為了紀念馬克斯·普朗克,將威廉皇家研究所改名叫普朗克研究所。德國還專門設立馬克斯·普朗克科學促進會,旨在改變高校和科研機構截然分開的狀況,使科研和大學相結合,使高校成為一支重要的科技力量。
普朗克小行星
1938年,在普朗克的80壽辰慶祝會上,人們送給他一個永久性的禮物,第1069號小行星4179以普朗克的名字命名為Planckia。
紀念硬幣
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布一枚5馬克紀念硬幣,紀念普朗克誕辰125周年。
紀念郵票
2008年,德國發行了普朗克紀念郵票。
探測衛星
2009年5月14日,以馬克斯·普朗克的名字命名的科學探測衛星隨歐洲阿麗亞娜5-ECA型火箭成功升空,它攜帶了一系列敏銳度極高的儀器,能夠對背景輻射進行深入探測。
馬克斯·普朗克學院
2017年9月初,德國聯邦教育部、馬克斯·普朗克學會和德國大學校長聯席會議三方聯合宣布,于2018年啟動首批三個試點的馬克斯·普朗克學院,作為"精英倡議"中博士生院以及國際馬克斯·普朗克研究學校的補充。
參考資料 >
Max Planck.Britannica.2024-12-28
Max Planck Formulates Quantum Theory.ThoughtCo.2024-12-28
Max Planck.Explore Biographical.2023-09-14
量子理論之父——馬克斯·普朗克.微信公眾號“吉林大學儀器科學與電氣工程學院”.2023-09-15
1918年12月10日 普朗克因發現量子理論而獲諾貝爾物理獎.國際科技創新中心.2023-09-14
1小時科普 量子力學.清華大學出版社.2023-09-15
科技日歷丨與愛因斯坦齊名、量子物理學之父普朗克誕辰161周年.網易.2023-12-27
量子理論的奠基者——普朗克.中國科學院高能物理研究所公眾號.2023-12-27
物理學革命的先驅:普朗克.中國數字科技館.2023-09-14
普朗克如何得出黑體輻射定律?.騰訊網.2023-10-09
量子理論的奠基者——普朗克.微信公眾平臺.2023-10-07
他的靈光一現,重塑了現代物理學.澎湃新聞.2023-09-15
Member Directory.amacad.org.2024-05-10
11月3日 量子力學的創始人、諾貝爾獎獲得者馬克斯·普朗克逝世(組圖).搜狐網.2023-10-05
1900:物理學界的大災難.中科院物理所微信公眾號.2023-10-10
量子之父普朗克.中科院物理所微信公眾平臺.2023-10-17
開爾文與玻爾茲曼常數.中科院物理所微信公眾平臺.2023-10-16
科學何去何從.閱讀.2023-10-17
量子之父普朗克.中科院物理所微信公眾號.2023-10-10
Former Presidents.MAX-PLANCK-GESELLSCHAFT.2023-09-15
勞厄-朗之萬研究所(ILL).中國科學院高能物理研究所.2023-09-15
【六中學科故事】普朗克:物理界的白月光.哈爾濱市第六中學校.2023-10-07
愛因斯坦的世紀:1905~2005.中國科學院.2023-10-09
1069.國際天文學聯合會小行星中心.2023-09-15
感悟理史 | 普朗克的脫發之旅.陜西師范大學物信院.2023-10-07
世界最大遠紅外線望遠鏡成功升空(組圖).鳳凰網.2023-09-15