敲開了量子力學的大門- (Max Planck1858-1947) 普朗克

馬克思‧普朗克 (Max Planck, 1858- 1947) 普朗克1858年4月27日出生於德國北部基爾市古老家庭。父親是一位著名的法律教授。普朗克從小就表現出數學天才。1867年，全家遷居到慕尼黑，中學時代是在慕尼黑馬克思米利安中學渡過的。少年時代的普朗克會想當一名職業綱琴家，但最終還是決定從事理論物理研究，1874年進入慕尼黑大學學習物理和數學。三年後，為了完成學業，他去了柏林大學，在名師亥姆霍茲和基爾霍夫指導下學習，並於1879年取得了哲學博士學位。但是，對普朗克以後成為理論物理學家影響最大的卻是熱動力學創始人之一的克勞修斯。

浦朗克生平貢獻 1880年，普朗克成為慕尼黑大學的物理學講師。1885年，他回到基爾，被委任為基爾大學理論物理學特約教授，並出版了《論增加原理》一書。1889年基爾霍夫去世後，普朗克應邀到柏林大學接替基爾霍夫的職位。此時，他已是德國公認的理論物理學家的領袖。以後他又擔任了柏林科學院和柏林大學的領導工作，以及《物理學雜誌》的編輯，並在柏林大學一直工作到1926年退休。 1900年的一天，普朗克和兒子在綠林中散步，他對兒子說：我找到了一項重大發現，其重要性可與牛頓的發現媲美。這一發現就是能量量子和頻率之間的著名關係式E= hA由於這一劃時代的偉大成果，普朗克獲得了1918年的諾貝爾物理學獎。

黑體輻射 黑體在不同溫度的輻射 黑體不僅僅能全部吸收外來的電磁輻射，且發射電磁輻射的能力比同溫度下的任何其它物體強。 黑體輻射能量按波長的分佈僅與溫度有關。 對於黑體的研究，使得自然現象中的量子效應被發現。 或許我們換一個角度來說： 所謂黑體輻射其實就是當地的狀態光和物質達到平衡所表現出的現象：物質達到平衡，所以可以用一個溫度來描述物質的狀態，而光和物質的交互作用很強，而如此光和光之間也可以用一個溫度來描述（光和光之間本身不會有交互作用，但光和物質的交互作用很強）。而描述這關係的便是普朗克分佈(Plank distribution)。 而在現實上黑體輻射是不存在的，只有非常近似（好比在一顆恆星之中）。 舉個例來說，我們觀測到宇宙背景輻射(CMBR)，對應到一個約3K的黑體輻射， 這暗示宇宙早期光是和物質達到平衡的。而隨著時間演化，溫度慢慢降了下來，但function的form卻留了下來（還是blackbody）。（頻率和溫度的效應抵銷）

黑體輻射: 要是一塊全黑的物體，它是怎樣吸收外來的熱量又怎樣放出熱量呢？比如一塊鐵吧，我們可以把它看成近似的黑體，給它加熱，它開始吸收熱能，鐵塊會先呈暗紅，而黃而白，發出耀眼的光線。這就叫“黑體輻射”。按經典理論，熱的輻射和吸收是一個完全連續的過程，就像管子裏流出來的一股水，光和輻射是一種電磁波。這條連續性原理是經典物理學的一塊基石。可是這種理論來解釋黑體輻射，無論如何也不能使輻射能量和輻射光譜統一起來。 既然輻射能量隨溫度的升高而增加，於是問題的焦點就是求出能量、溫度與波長之間的關係式。英國物理學家瑞利和金斯得到一個公式，它在解釋波長較長、溫度較高時的黑體輻射現象時還能說得通，但是要把它用於短波的紫外光區，立即出現一個可怕的現象－－全部能量老早就在一次性的紫外輻射中散光了。 這當然是一個純理論的推斷，但卻得出一個可怕的結果。物理學家們立即給它起了一個不祥的名字，叫“紫外災變”。而同時，有一個德國人維恩也推出一個公式。維恩公式正好相反，它適用於波長較短、溫度較低的情況，而對長波的紅外區卻又是一場“紅外災變”。但是這兩個公式依據的都是經典物理學的同一原理啊，何以如此水火不容呢？ 時勢造英雄，浦朗克適時的出現打開了黑體輻射的瓶頸，甚至還打開了近代物理學的大門

浦朗克引入了一個新觀念，就是能量並不是連續的，普朗克現在把能量分成許多能量子，這些能量子相加就趨近於它的總能量。能量子又與它的頻率有關，他得出這樣一個公式： 能量子＝h×頻率。 h後來被稱作普朗克常數， 是： 0.0000000000000000000000000066……

普朗克常數記為 h ，是一個物理常數，用以描述量子大小。在量子力學中佔有重要的角色，馬克斯·普朗克在1900年研究物體熱輻射的規律時發現，只有假定電磁波的發射和吸收不是連續的，而是一份一份地進行的，計算的結果才能和試驗結果是相符。這樣的一份能量叫做能量子，每一份能量子等於hv，v為輻無線電磁波的頻率，h為一常量，叫為普朗克常數。 普朗克常數的物理單位為能量乘上時間，也可視為動量乘上位移量 另一個常用的量為約化普朗克常數（reduced Planck constant)，有時稱為狄拉克常數(Dirac constant)，紀念保羅·狄拉克。

普朗克常數用以描述量子化，微觀下的粒子，例如電子及光子，在一確定的物理性質下具有一連續範圍內的可能數值。 許多物理量可以量子化。譬如角動量量子化。 J 為一個具有旋轉不變量的系統全部的角動量， Jz 為沿某特定方向上所測得的角動量。 普朗克常數也使用於海森堡不確定原理。在位移測量上的不確定量（標準差） Δx ，和同方向在動量測量上的不確定量 Δp。 還有其他組物理測量量依循這樣的關係，例如能量和時間。

量 子 論 量子假說是物理學進入新的發展階段的標誌，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。因此，光量子的提出本身是一個革命性的行動，從這個意義上講，普朗克無疑是量子力學發展史上第一個革命者。但是，受過嚴格經典物理學訓練的普朗克，看到自己為形勢所迫，不得不提出的量子假說造成的對經典物理學理論的“破壞”，心中有說不出的難過，從而限制了他進一步超越經典物理學論的界限，建立起嶄新的物理學理論的研究。相反，他對經典物理學理論極其深厚的思想感情，使他開始了試圖取消量子假說，或者使量子假說納入經典物理理論的奮鬥。

普朗克的這一奮鬥造成了必然的失敗。他從1901～1914年的15年間，兩次修改了原來的理論，企圖使之納入經典物理學理論。1911年，他提出第二個理論，對量子假說作了部分修改，即認為它只在發射時是不連續的，而吸收時卻仍然是連續的。1914年，他又提出了第三個理論，不管是發射或是吸收，一律都是連續的，全面修改了量子假說，但這一理論在1915年終因未得到人們的支持而被放棄。在這15年中，普朗克在量子理論的知識寶庫中，再也沒有加進任何值得稱道的東西。

10228簡大鈞 報告結束