马克斯·普朗克

马克斯·卡尔·恩斯特·路德维希·普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck ,1858年4月23日—1947年10月4日),德国物理学家,出生于德国基尔城,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这样完美的学说。
“波”和“粒子”统一的数学关系
振动粒子的量子论诠释
物质的粒子性由能量E 和动量p 刻划,波的特征则由电磁波频率ν 和其波长λ 表达,这两组物理量的比例因子由普朗克常数h(h=6.626*10^-34J·s) 所联系。
E=hv , E=mc^2 联立两式,得:m=hv/c^2(这是光子的相对论质量,由于光子无法静止,因此光子无静质量)而p=mc
则p=hv/c(p 为动量)
粒子波的一维平面波的偏微分波动方程,其一般形式为
∂ξ/∂x=(1/u)(∂ξ/∂t) 5
三维空间中传播的平面粒子波的经典波动方程为
∂ξ/∂x+∂ξ/∂y+∂ξ/∂z=(1/u)(∂ξ/∂t) 6
波动方程实际是经典粒子物理和波动物理的统一体,是运动学与波动学的统一.波动学是运动学的一部分,是运动学的延伸,即平动与振动的矢量和.对象不同,一个是连续介质,一个是定域的粒子,都可以具有波动性.(邓宇等,80年代)
经典波动方程1,1'式或4--6式中的u,隐含着不连续的量子关系E=hυ和德布罗意关系λ=h/p,由于u=υλ,故可在u=υλ的右边乘以含普朗克常数h的因子(h/h),就得到
u=(υh)(λ/h)
=E/p
邓氏关系u=E/p,使经典物理与量子物理,连续与不连续(定域)之间产生了联系,得到统一.
2.粒子的波动与德布罗意物质波的统一
德布罗意关系λ=h/p,和量子关系E=hυ(及薛定谔方程)这两个关系式实际表示的是波性与粒子性的统一关系, 而不是粒性与波性的两分.德布罗意物质波是粒波一体的真物质粒子,光子,电子等的波动.