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德国物理学家——马克斯·普朗克

普朗克出生在一个受到良好教育的传统家庭,他的曾祖父戈特利布雅各布普朗克(gottlieb jakob planck,1751年-1833年)和祖父海因里希路德维希普朗克(heinrich ludwig planck,1785年-1831年)都是哥廷根的神学教授,他的父亲威廉约翰尤利乌斯普朗克(wilhelm johann julius planck,1817年-1900年)是基尔和慕尼黑的法学教授,他的叔叔戈特利布普朗克(gottlieb planck,1824年-1907年)也是哥廷根的法学家和德国民法典的重要创立者之一。

马克斯普朗克出生于1858年4月23日的基尔,是父亲的第二任妻子母亲埃玛帕齐希(emma patzig,1821年—1914年)所生的,他受洗及赐名于卡尔马克思普朗克路德维希,其赐名的名称为马克思,而马克斯也沿用此名直到他过世。而普朗克他还有另外六个兄弟姐妹,其中4个孩子【赫尔曼(hermann)、希尔德加德(hildegard)、阿达尔贝特(adalbert)和奥托(otto)】是父亲的第二任妻子所生的,而父亲的第一任妻子留下了2个孩子胡戈(hugo)和埃玛(emma)。

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,并在那里他受到─数学家奥斯卡冯米勒(oskar von miller)(后来成为了德意志博物馆的创始人)的启发,引起青年时期的马克斯发现自己对数理方面有兴趣。米勒也教他天文学和力学和数学,从米勒那普朗克也学到了生平第一个原理——能量守恒。之后普朗克在16岁时就完成了中学的学业,在这个学校学习的这段期间内,也是普朗克第一次接触物理学这个领域。

普朗克十分具有音乐天赋,他会钢琴、管风琴和大提琴,还上过演唱课,曾在慕尼黑学生学者歌唱协会(akademischer gesangverein munchen)为多首歌曲和一部轻歌剧(1876年)作曲。但是普朗克并没有选择音乐作为他的大学专业,而是决定学习物理。慕尼黑的物理学教授菲利普冯约利(philipp von jolly,1809年-1884年)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坚持的观点,但是普朗克回复道:“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。”

普朗克在1874年在慕尼黑开始了他的物理学学业。普朗克整个科学事业中仅有的几次实验是在约利手下完成的,研究氢气在加热后的铂中的扩散,但是普朗克很快就把研究转向了理论物理学。1877年至1878年,普朗克转学到柏林,在著名物理学家赫尔曼冯亥姆霍兹和古斯塔夫罗伯特基尔霍夫以及数学家卡尔魏尔施特拉斯手下学习。关于亥姆霍兹,普朗克曾这样写道:“他上课前从来不好好准备,讲课时断时续,经常出现计算错误,让学生觉得他上课很无聊。”

而关于基尔霍夫,普朗克写道:“他讲课仔细,但是单调乏味。”即便如此,普朗克还是很快与亥姆霍兹建立了真挚的友谊。普朗克主要从鲁道夫克劳修斯的讲义中自学,并受到这位热力学奠基人的重要影响,热学理论成为了普朗克的工作领域。1878年10月,普朗克在慕尼黑完成了教师资格考试,1879年2月递交了他的博士论文《关于热力学第二定律》,1880年6月以论文《各向同性物质在不同温度下的平衡态》获得大学任教资格。

获得大学任教资格后,普朗克在慕尼黑并没有得到专业界的重视,但他继续他在热理论领域的工作,提出了热动力学公式,却没有发觉这一公式在此前已由约西亚威拉德吉布斯提出过。鲁道夫克劳修斯所提出的“熵”的概念在普朗克的工作中处于中心位置。1885年4月,基尔大学聘请普朗克担任理论物理学教授,年薪约2000马克,普朗克继续他对熵及其应用的研究,主要解决物理化学方面的问题,为阿累尼乌斯的电解质电离理论提供了热力学解释,但却是矛盾的。

在基尔这段时间,普朗克已经开始了对原子假说的深入研究。1897年,哥廷根大学哲学系授奖给普朗克的专着《能量守恒原理》(das prinzip der erhaltung der energi,1897年)。1889年4月,亥姆霍兹通知普朗克前往柏林,接手基尔霍夫的工作,1892年接手教职,年薪约6200马克。1894年,普朗克被选为普鲁士科学院(preu?ische akademie der wissenschaften)的院士。1907年维也纳曾邀请普朗克前去接替路德维希玻耳兹曼的教职,但他没有接受,而是留在了柏林,受到了柏林大学学生会的火炬游行队伍的感谢。普朗克于1926年10月1日退休,他的继任者是薛定谔。

1887年3月,普朗克与一个慕尼黑中学同学的妹妹玛丽梅尔克(marie merck,1861年-1909年)结婚,婚后生活在基尔,共有4个孩子卡尔(karl,1888年-1916年)、双胞胎埃玛(emma,1889年-1919年)和格雷特(grete,1889年-1917年)以及埃尔温(erwin,1893年-1945年)。在普朗克前往柏林工作后,全家住在柏林的一栋别墅中,与不计其数的柏林大学教授们为邻,普朗克的庄园发展成为了一个社交和音乐中心,许多知名的科学家如阿尔伯特爱因斯坦、奥托哈恩和莉泽迈特纳等都是普朗克家的常客,这种在家中演奏音乐的传统来自于亥姆霍兹家。在度过了多年幸福的生活后,普朗克遇到了接踵而至的不幸,1909年10月17日普朗克的妻子因结核病去世,1911年3月普朗克与他的第二任妻子玛格丽特冯赫斯林(margaret von he silin,1882年-1948年)结婚,12月普朗克的第三个儿子赫尔曼(herrmann)降生。

第一次世界大战期间,普朗克的大儿子卡尔死于凡尔登战役,二儿子埃尔温在1914年被法军俘虏,1917年女儿格雷特在产下第一个孩子时去世,她的丈夫娶了普朗克的另一个女儿埃玛,不幸的是埃玛在两年后同样死于生产。普朗克平静地经受了这些打击,格雷特和埃玛的孩子存活了下来,并且继承了她们各自母亲的名字,普朗克也为她们取名格雷特和埃玛。1945年1月23日,普朗克的二儿子埃尔温普朗克因参与暗杀希特勒未遂而被纳粹杀害,至此,普朗克与其第一任妻子所生的4个孩子全都去世。

马克斯普朗克1874年至1877年,在慕尼黑大学学习物理学和数学。1879年转到柏林大学学习。1879年通过了博士论文,在论文中论述了热力学第二定律。1880年在慕尼黑大学担任物理讲师,1885年被基尔大学聘为理论物理特约教授。1900年, 普朗克提出了一个重要的物理学常数--普朗克常数,以调和经典物理学理论研究热辐射规律时遇到的矛盾。

基于普朗克常数的假设,他推导出黑体辐射的普朗克公式,圆满地解释了实验现象。这个成就揭开量子力学的序幕,普朗克也此获得1918年诺贝尔物理学奖。尽管在后来的时间里,普朗克一直试图将自己的理论纳入经典物理学的框架之下,但他仍被视为近代物理学的开拓者之一。1926年,普朗克成为英国皇家学会会员,同时还担任了柏林威廉皇家研究所所长。1947年10月逝世,终年89岁。1900年德国科学家马克斯普朗克提出了一个大胆的假说,在科学界一鸣惊人。

这一假说认为辐射能(即光波能)不是一种连续不断的流的形式,而是由小微粒组成的。他把这种小微粒叫做量子。普朗克的假说与经典的光学说和电磁学说相对立,使物理学发生了一场革命,使人们对物质性和放射性有了更为深刻的了解。和其他几位科学家一样,普朗克对黑体辐射问题也很感兴趣,黑体辐射是描述给绝对黑体加热来做电磁辐射的术语(绝对黑体是不反射任何光而完全吸收所遇见光的物体)。实验物理学家们甚至在普朗克着手研究这个问题之前就对这样的物体辐射做过认真的测量。

普朗克取得的第一项成就是提出了一个用来正确描绘黑体辐射的相当复杂的代数公式。这个代数式完美地概述了实验数据,在今天理论物理学上仍常常使用。但是却有一个问题:公认的物理学定律预示存在着一个完全不同的公式。普朗克对这个问题沉思默想,终于提出了一个崭新的学说:辐射能只能以普朗克称为量子这个基本单位的整倍数形式辐射出来。

根据普朗克学说,一个光量子的大小取决于光的频率(即颜色)且与一个物理量成正比。普朗克把这个物理量缩写为h,现在被称为普朗克常数。普朗克假说与当时流行的物理概念完全对立,但是他却利用这一假说在理论上准确地推导了正确的黑体辐射公式。普朗克假说具有彻底的革命性。因此若不是他以顽固保守的物理学家而著称,他的假说无疑会被当作一种荒诞的思想而弃之一边。虽然这一假说听起来很离奇,但是在这种特殊情况下却推导出了正确的公式。

当初大多数物理学家(包括普朗克本人在内)都认为这一假说不过是适应面很窄的一个数学假设。但是几年以后表明普朗克的概念还能应用于除黑体辐射以外的许多各种不同的物理现象。1905年爱因斯坦用这一概念解释光电效应,1913年尼尔斯玻尔在他的原子结构学说中也使用了这一概念。1918年普朗克获得诺贝尔奖。他的学说基本正确而且在物理学理论方面具有根本重要的意义。量子力学的发展可能是二十世纪中最重要的科学发展,甚至比爱因斯坦的相对论还要重要。

普朗克常数h在物理理论中有着重要的作用,现在被认为是两三个最基本的物理常数之一。它出现在原子结构学说、海森堡测不准原理、辐射学说和许多科学公式中。普朗克最初计算出来的常数数值比今天使用的相差百分之二。一般认为普朗克是量子力学之父。虽然他对此理论后来的发展没有起什么作用,但是若把他的名次排得太后是不公正的。他所做的起始突破非常重要,使人们在思想上摆脱了先前的错误概念。因此他的继承人才能创立出今天

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