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普朗克誕辰│ 科學史上的今天:4/23

量子力學發展之初,並非像古典力學那樣由牛頓一人獨挑大樑,相反地,它是陸續匯集了許多物理學家的貢獻才奠下根基。不過我們若往回追溯,會發現在那源頭處,站著的是德國物理學家普朗克一人,他拋出「量子」這個前所未有的概念,因而開啟了一場翻天覆地的科學革命。

其實普朗克最先展露的是音樂天分,他除了能彈奏多種樂器,還會作曲,不過他還是較傾心於物理。但在向一位物理學教授徵詢意見時,竟被告誡:「這門科學中的一切都已經被研究了,只有一些不重要的空白需要被填補」,勸他不要研究物理。幸而他沒被說服,否則量子力學不知要晚多久才會誕生。

當時有個黑體輻射的問題一直無法解決。科學家將一個密閉的金屬容器開一個極小的孔,加熱金屬容器後,從小孔輻射出來的光就相當於黑體輻射。按照能量均分定律,金屬容器內的輻射應該要平均分配於各種波長的電磁波,但波長越短的電磁波能量越強,也就是說,稍微加熱就會產生致命的 γ 射線,這顯然與事實不符。這個荒謬的「紫外災變」現象難倒了所有物理學家。

當時有兩個描述黑體輻射的理論:從熱力學出發的「維因定律」只適用於高頻區段;結合電磁學的「瑞利─金斯定律」則在中低頻的區段與數據吻合。普朗克研究這兩個定律後,發現解決之道在於放棄「能量的變化是連續的」這個傳統認知,只要假設能量像粒子般有最小不可分割的基本單位,就可以得出正確的黑體輻射定律。

1900年底,普朗克發表他的大膽假說,並給出著名的公式:

E=hν

每個光量子的能量等於其頻率乘以一個固定的常數。這個常數 h 就稱為普朗克常數;它非常的小,小到只有 10-34,但卻是個巨大的里程碑,從此揭開量子革命的序幕。

但畢竟量子這個觀念太驚世駭俗,必須等到愛因斯坦於 1905 年用它成功解釋光電效應,並由密立根於 1916 年以實驗證實光電效應後,普朗克才終於在 1918 年獲頒諾貝爾物理獎。

不過普朗克本人卻一直無法接受量子力學。他認為量子的概念只是便於描述能量吸收與發射的過程,而非真的把光當成是粒子。於是到頭來他與愛因斯坦一樣,雖然身為量子力學的催生者,卻始終無法接受愈來愈脫離古典因果論的量子理論。普朗克晚年回顧一生努力,便感嘆道:

「我嘗試將基本的量子作用納入古典理論中,然而長年的曠日廢時只是徒勞,被大部分同仁當成悲劇看待。」

其實他的一生何嘗不是悲劇。大兒子死於第一次世界大戰戰場;二兒子因意圖暗殺希特勒而被處死;兩個女兒先後因難產而亡。四個子女全部死於非命,住家毀於盟軍空襲,所有藏書與研究筆記付之一炬。國破,家亡;支撐他的,只剩復興德國科學的使命。1947 年 10 月 4 日,大戰結束兩年後,普朗克因病過世,享年 89 歲。德國最高研究機構改名為普朗克研究院,他的姓氏更將隨著普朗克常數永遠流傳。

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。


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關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。

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