量子理論之父，馬克斯·普朗克，物理界的白月光

量子論是現代物理學的兩大基石之一。量子論提供了新的關於自然界的觀察、思考和表述方法。量子論揭示了微觀物質世界的基本規律，為原子物理學、固體物理學、核物理學、粒子物理學以及現代資訊科技奠定了理論基礎。

在物理學界，普遍認為量子論誕生於兩位偉人之手，一位是阿爾伯特·愛因斯坦，他在1905年研究光電效應時，為了解釋這個實驗的奇特現象，提出了光量子假說；另一位是德國物理學家馬克斯·普朗克，他在研究黑體輻射實驗時，為了解釋輻射的奇特性質，也提出了量子論假說，兩者殊途同歸，使量子論成為近代物理學發展的基石。

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1858年，普朗克生於傳統的德國學者世家，曾祖父和祖父都是哥廷根的神學教授，而父親是基爾大學和慕尼黑大學的法律學教授。

音樂、文學和自然科學，是普朗克一生的摯愛。普朗克具有超常的音樂天賦，他學過聲樂，演過歌劇，能熟練地彈奏鋼琴、管風琴和大提琴，還能作曲，曾被人稱為“小舒伯特”。他有可能成為一名音樂家，但最終卻走向了物理。

中學時候的他又對古典文學產生興趣，廣泛閱讀莎士比亞、但丁等人的作品，甚至還自己寫了一部詩劇。

1874年，普朗克進入慕尼黑大學攻讀數學專業，後改讀物理學專業。1877年轉入柏林大學，曾聆聽亥姆霍茲和基爾霍夫教授的講課，1879年獲得博士學位。1930年至1937年及1945年至1946年任德國威廉皇家學會的會長，該學會後為紀念普朗克而改名為馬克斯·普朗克學會。

在慕尼黑大學選修物理時，普朗克的物理教師菲利普·馮·約利曾勸他不要學純物理。約利認為，物理學已經發展到了盡善盡美的高度，他對普朗克說：“看來，（物理學）作為一個完整的體系，它已經建得足夠牢固，或許，只在它的某個角落裡還有一些小的空白，但那些本無足輕重。物理學正像幾何學那樣，數百年來，它已經接近到了完美的程度。”

但是普朗克卻回答說：“我並不期望發現新大陸，只希望理解已經存在的物理基礎，或許能將其加深。”事實證明，他的這兩個期望都不十分準確，他既“接觸到了新大陸”——“量子論”，又沒能把原有的物理基礎“加深”，反倒把它“挖出了一個巨大的缺口”。

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“ 任何大廈或者小屋都不是一天建成的，隨著一磚一瓦的積累，建築師不斷的修改設計方案，最後某一靈巧的思維火花的閃現，宏偉建築成了。”

在普朗克提出黑體輻射公式，引入量子概念前，基爾霍夫、玻爾茲曼、維恩、盧梅爾和普林舍姆、魯本斯和瑞利的工作給其奠定了基礎。

普朗克量子論的研究是從“黑體輻射”開始的。黑體是隻吸收光而不反射光的物質，絕對的黑體並不存在，但可以建立一個接近絕對黑體的理想模型，這就是有一個極小開口的封閉空腔。

如果有光從腔口入射，光在裡面經過多次的反射和吸收，不可能再從腔口溢位，從外面看去，空腔口就是一個“黑體”，就像我們從遠處看一扇窗戶、一個山洞口或隧道口是黑色的那樣。

黑體雖然不能反射，但它卻能把自身的電磁波輻射出來，於是物理學家就以一個開有小口的空腔作為理想模型，研究“黑體輻射”的規律。

把空腔的溫度升高，在700開以下，空腔看起來一直是黑的，說明它只輻射了“不可見光”，但是到了700開以上，腔口開始變成紅色，隨著溫度的升高，陸續有橙色、黃色等各種輻射出現，於是人們開始研究黑體輻射的能量隨頻率的分佈情況。這個實驗看起來簡單，卻遭遇到了預想不到的困難，它給物理學帶來了巨大的麻煩，普朗克給物理學挖的“大缺口”就是在這裡發生的。

19世紀末，魯梅爾等人得出了“黑體輻射”的實驗結果，由於冶金和照明材料的需要，這一實驗受到了重視。然而僅憑實驗資料找到頻率所對應的輻射能量頗為不便，人們希望能在實驗的基礎上得到一個普遍的公式來表述黑體的輻射規律。

令人沒想到的是，在尋求這個公式的時候，問題接踵而來，先後試圖給出公式的幾個人都遭到了失敗，無論如何都不能使公式與實驗結果相符，最後陷入了絕境。其中德國物理學家維恩提出的公式最為有名，這是一個輻射能量隨波長分佈的公式，理論依據及推導都毫無瑕疵，但它只適用於溫度比較低和波長比較長的區域，在溫度增高或波長較短的區域，公式的結果與實驗資料差之千里。

面對這種情況，普朗克認為一定有特殊的規律隱藏其中，這可能就是他心目中“物理某一個角落裡的小空白”。為了填補這個“小空白”，他也建立了一個黑體輻射公式，這個公式很成功，在黑體輻射的全波段都能適用，而且與實驗資料契合得很好。

1900年，德國柏林大學教授普朗克首先提出了“量子論”。 1906年12月14日，普朗克在柏林的物理學會上發表了題為《論正常光譜的能量分佈定律的理論》的論文，提出了著名的普朗克公式，這一天被普遍地認為是量子物理學誕生的日子。

在解釋黑體輻射時，普朗克另闢蹊徑，他衝破了大多數人的思考圈子，提出一個驚人的想法，認為黑體輻射能量來自空腔物質中帶電粒子的振動，而這些振動是按照不同的振動模式分佈的。

他假定，空腔物質的這些“振子”能量並不是連續的，它們只能取某一個“能量單位”的整數倍，而這個“能量單位”與電磁波的頻率成正比，即

其中h被稱為普朗克常量，v是電磁波的頻率，λ是輻射波長，c是光在真空中的傳播速度。這就是著名的電磁波輻射能量的量子化公式。

這個公式有一個非常奇異之處，它向世人展示了光的輻射能量並不是連續的，輻射能量只能一份份地以最小單位hv的整數倍方式發射出來。

普朗克得到的頻率

ν

與能量E的關係為E=h

ν

，其中

h=6×10

27

爾格·秒，稱為普朗克常數。他得到的絕對黑體輻射能量的分佈公式是

式中c為光速、k=1。38066×10

-23

焦耳/開， 為波耳茲曼常數、T為絕對溫度。

這是一個具有革命性的新觀點，雖然它來自於物理學的某“一個角落”，卻“一石打破水中天”，使物理學失去了平靜，也給世人對自然界的認識帶來巨大的衝擊。

普朗克不僅研究熱力學，還研究力學、光學和電磁學。由於成就顯著，他獲得了許多科學榮譽。除了因1900年提出的能量子假說而榮膺1918年的諾貝爾物理學獎之外，從1894年起他成為普魯士科學院的院士，1912年起擔任該院數學和自然科學部的終身秘書。1926年普朗克被選為英國皇家學會的外籍會員，並獲得該會的科普萊獎章，美國物理學會也曾聘請他為名譽會員。

1928年，當他70歲大壽時，興登堡總統贈給他一枚德國銀鷹盾牌。1930年又被任命為柏林威廉皇帝學會主席，這是當時德國最高的學術職位之一。

1905年愛因斯坦的傑作《論動體的電動力學》發表，宣佈狹義相對論誕生。這篇論文在當時雖沒幾個人能看懂，但也在物理界掀起了一陣巨浪。

後來德國更是出現了龐大的反對相對論的機構，對愛因斯坦進行“批判”。而普朗克在那時作為比愛因斯坦年長，又更有地位的學界權威， 成為相對論最早的庇護人，作為德國《物理學年鑑》主編，不顧反對把愛因斯坦的論文發表。

普朗克的量子假說要比愛因斯坦光量子概念的提出早了約5年的時間，仔細分析可以看出，兩種量子化假設有著明顯的差異。

愛因斯坦是假設電磁場自身就是能量量子化的，而普朗克的量子化只是針對空腔內物質原子做微小振動的振子而言的，並沒有從理論上對電磁波的量子化做出進一步的解釋。儘管如此，普朗克的量子化假說和愛因斯坦的光子假設，都成為了量子力學的基石。

普朗克還給予愛因斯坦其他方面的幫助。相信很多人都知道，愛因斯坦的講課水平是實在不敢恭維的。但普朗克卻對愛因斯坦成為教授大力支援，甚至在聘書中特別註明：聘請愛因斯坦為柏林洪堡大學講席教授，沒有上課的義務，但有講課的權利。