1900年4月,著名物理学家开尔文男爵发表了他的著名演讲,提到物理学阳光灿烂的天空中漂浮着的“两朵小乌云”。谁能想到,其中的一朵竟引发了一场颠覆经典物理学的量子革命。在这场至今仍未完成的革命中,多少英雄前仆后继,为量子大厦夯实根基、添砖加瓦……从去年11月开始,“赛先生”特邀美国理论物理博士、科普作家张天蓉,开设“量子群英传”专栏,通过一个个生动的人物故事,将量子物理的百年历史娓娓道来。
本文为“开天辟地”的第一回:黑体辐射叛逆经典 普朗克释放量子妖精。更多“量子群英传”专栏文章,欢迎点击阅读原文了解详情。
1946年夏天的英国剑桥,弯弯曲曲的剑河两岸,既有壮观的哥特式风格建筑,又有柳绿青翠的田园风光。一位老者,步履蹒跚地徘徊于一条田间小路,若有所思,若有所忆,不经意间撞到一个正在玩耍的小男孩。
男孩金发碧眼,看似八、九来岁,观此身着西装之老者:饱满的前额,几根稀疏的头发,纹丝不乱地贴在光秃秃的大脑门上,眼镜下透出的目光,虽沉稳却显无力。男孩感觉他不似当地人,于是张口便问:“老爷爷何方人士?”老者见孩子聪明可爱,布满皱纹的脸上浮起一丝难得的笑容,仿孩子的语气答曰:“在下德国人普朗克是也!”不料男孩眼睛一亮:“莫非是那位打开潘多拉魔盒,放出了量子小妖精的马克斯·普朗克?
”老者道:“正是敝人......”孩子喜出望外:“啊,原来你就是前辈们常提起的量子之父!久仰久仰!”男孩立即兴奋地拉住老者不放,要听他讲量子妖精的故事......
1877年,普朗克转学到柏林洪堡大学,在著名物理学家亥姆霍兹、基尔霍夫,数学家卡尔·魏尔施特拉斯手下学习。普朗克虽然在学术上受益匪浅,但对老师们的教学态度则不以为然。例如,普朗克如此评论亥姆霍兹:“他让学生觉得上课很无聊,因为(他)不好好准备,讲课时断时续,计算时经常出现错误。”这些经验,促使普朗克自己后来成为一个严肃认真、从不出错的好老师。
1893年,德国物理学家威廉·维恩利用热力学和电磁学理论证明了表达黑体辐射中电磁波谱密度的维恩定律,见上图中的蓝色曲线。约翰·斯特拉特,人称第三代瑞利男爵,基于经典电磁理论,加上统计力学,导出了一个瑞利-金斯公式,如图中红线所示。但两个结果都不如人意:维恩定律在高频与黑体辐射实验符合很好,低频不行;而瑞利-金斯公式适用于低频,在高频则趋向无穷大,引起所谓“紫外发散”(也称紫外灾难)。
普朗克当然不会满足这种内插法带来的表面符合,他追求的是更深一层的“所以然”!做物理多年的思维方法告诉他:新曲线与实验如此吻合,背后一定有它目前不为人知的逻辑道理。他并不认为他正在敲击一扇通往新天地的大门,而是虔诚地相信,自然界的规律是可知的,科学将引导人们解释它。虔诚的科学信徒,只是虔诚地沿着科学指引的道路走下去,非功非利,如此而已!
普朗克幸福的家庭,就像他的经典物理信仰一样,在两次战争中崩塌。
普朗克的妻子于1909年去世,他的长子在战场战死,两个女儿战争期间死于难产。他的二儿子埃尔文被卷入到刺杀希特勒的事件中,因此被纳粹投入监狱。普朗克曾经上书希特勒,却也未能救出他的儿子——埃尔文于1945年被处以绞刑。在普朗克87岁那年,他位于柏林的家在一次空袭中被摧毁,他的藏书和许多研究成果都没有了……到剑桥参加牛顿诞辰300年纪念会后的第二年,普朗克在哥廷根逝世。
他的墓碑恐怕比谁的都要简单:一块长方形的石板,上方刻着“MAX PLANCK”。最底部粗看像花纹,细看才发现,图案中间刻着一串数字:h=6.62·10-34W·s2。那是普朗克常数的近似值。他为人类科学作出的最大贡献,是释放了这个量子世界的小妖精!