馬克斯·普朗克

馬克斯·卡爾·恩斯特·路德維希·普朗克（德語：Max Karl Ernst Ludwig Planck，1858年4月23日—1947年10月4日），出生於德國荷爾施泰因，德國著名物理學家、量子力學的重要創始人之一。

普朗克和愛因斯坦並稱為二十世紀最重要的兩大物理學家。他因發現能量量子化而對物理學的又一次飛躍做出了重要貢獻，並在1918年榮獲諾貝爾物理學獎。

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。

從博士論文開始，普朗克一直關注並研究熱力學第二定律，發表諸多論文。大約1894年起，開始研究黑體輻射問題，發現普朗克輻射定律，並在論證過程中提出能量子概念和常數h（後稱為普朗克常數），成為此後微觀物理學中最基本的概念和極為重要的普適常量。1900年12月14日，普朗克在德國物理學會上報告這一結果，成為量子論誕生和新物理學革命宣告開始的偉大時刻。由於這一發現，普朗克獲得了1918年諾貝爾物理學獎。

主要成就

熱力學

普朗克早期的研究領域主要是熱力學。他的博士論文就是《論熱力學的第二定律》。此後，他從熱力學的觀點對物質的聚集態的變化、氣體與溶液理論等進行了研究。普朗克在物理學上最主要的成就是提出著名的普朗克輻射公式，創立能量子概念。

馬克斯·普朗克

19世紀末，人們用經典物理學解釋黑體輻射實驗的時候，出現了著名的所謂“紫外災難”。雖然瑞利（1842－1919）、金斯，J.H.（1877－1946）和維恩（1864－1928）分別提出了兩個公式，企圖弄清黑體輻射的規律，但是和實驗相比，瑞利-金斯公式只在低頻範圍符合，而維恩公式(維恩位移定律)只在高頻範圍符合。普朗克從1896年開始對熱輻射進行了系統的研究。他經過幾年艱苦努力，終於匯出了一個和實驗相符的公式。

他於1900年10月下旬在《德國物理學會通報》上發表一篇只有三頁紙的論文，題目是《論維恩光譜方程的完善》，第一次提出了黑體輻射公式。12月14日，在德國物理學會的例會上，普朗克作了《論正常光譜中的能量分佈》的報告。在這個報告中，他激動地闡述了自己最驚人的發現。他說，為了從理論上得出正確的輻射公式，必須假定物質輻射（或吸收）的能量不是連續地、而是一份一份地進行的，只能取某個最小數值的整數倍。這個最小數值就叫能量子，輻射頻率是ν的能量的最小數值ε=hν。其中h，普朗克當時把它叫做基本作用量子，後來被命名為普朗克常數，它標誌著物理學從“經典幼蟲”變成“現代蝴蝶”。

1931年與愛因斯坦等

1906年普朗克在《熱輻射講義》一書中，系統地總結了他的工作，為開闢探索微觀物質運動規律新途徑提供了重要的基礎。

1918年，普朗克得到了物理學的最高榮譽獎－－諾貝爾物理學獎。1926年，普朗克被推舉為英國皇家學會的最高階名譽會員，美國選他為物理學會的名譽會長。

1930年，普朗克被德國科學研究的最高機構威廉皇家促進科學協會選為會長。普朗克的墓在哥庭根市公墓內，其標誌是一塊簡單的矩形石碑，上面只刻著他的名字，下角寫著:爾格·秒。 他的墓誌銘就是一行字：h=6.63×10^-34J·S，這也是對他畢生最大貢獻：提出量子假說的肯定。

波爾茲曼常數

普朗克的另一個鮮為人知偉大的貢獻是推匯出玻爾茲曼常數k。

他沿著波爾茲曼的思路進行更深入的研究得出波爾茲曼常數後，為了向他一直尊崇的波爾茲曼教授表示尊重，建議將k命名為波爾茲曼常數。普朗克的一生推匯出現代物理學最重要的兩個常數k和h，是當之無愧的偉大物理學家。

普朗克常量

普朗克演講的內容是關於物體熱輻射的規律，即關於一定溫度的物體發出的熱輻射在不同頻率上的能量分佈規律。普朗克對於這一問題的研究已有6個年頭了，今天他將公佈自己關於熱輻射規律的最新研究結果。普朗克首先報告了他在兩個月前發現的輻射定律，這一定律與最新的實驗結果精確符合（後來人們稱此定律為普朗克定律）。然後，普朗克指出，為了推匯出這一定律，必須假設在光波的發射和吸收過程中，物體的能量變化是不連續的，或者說，物體透過分立的跳躍非連續地改變它們的能量，能量值只能取某個最小能量元的整數倍。為此，普朗克還引入了一個新的自然常數 h = 6.626196×10^-34 J·s（即6.626196×10^-27erg·s，因為1erg=10^-7J）。這一假設後來被稱為能量量子化假設，其中最小能量元被稱為能量量子，而常數 h 被稱為普朗克常數。

普朗克之墓

能量量子化

在宏觀領域中，一切物理量的變化都可看作連續的。例如，一個物體所帶的電荷是e的極大倍數。所以一個一個電子的跳躍式增減可視為是連續的變化。但在微觀領域中的離子，所帶電荷只有一個或幾個e，那麼，一個一個電子的變化就不能看作是連續的了。

普朗克在1900年提出了“量子化”的概念。像這樣以某種最小單位作跳躍式增減的，就稱這個物理量是量子化的。[3]

量子假說

普朗克最大貢獻是在1900年提出了能量量子化，其主要內容是：

黑體是由以不同頻率作簡諧振動的振子組成的，其中電磁波的吸收和發射不是連續的，而是以一種最小的能量單位ε=hν，為最基本單位而變化著的，理論計算結果才能跟實驗事實相符，這樣的一份能量ε，叫作能量子。其中v是輻射電磁波的頻率，h=6.62559*10^-34Js，即普朗克常數。也就是說，振子的每一個可能的狀態以及各個可能狀態之間的能量差必定是hv的整數倍。

受他的啟發，愛因斯坦於1905年提出，在空間傳播的光也不是連續的，而是一份一份的，每一份叫一個光量子，簡稱光子，光子的能量E跟跟光的頻率v成正比，即E=hv。這個學說以後就叫光量子假說。光子說還認為每一個光子的能量只決定於光子的頻率，例如藍光的頻率比紅光高，所以藍光的光子的能量比紅光子的能量大，同樣顏色的光，強弱的不同則反映了單位時間內射到單位面積的光子數的多少。

普朗克黑體輻射定律 ：大約是在1894年，普朗克開始把心力全部放在研究黑體輻射的問題上，他曾經委託過電力公司製造能消耗最少能量，但能產生最多光能的燈泡，這一問題也曾在1859年被基爾霍夫所提出：黑體在熱力學平衡下的電磁輻射功率與輻射頻率和黑體溫度的關係。帝國物理技術學院（Physikalisch-Technischer Reichsanstalt）對這個問題進行了實驗研究，但是經典物理學的瑞利-金斯公式無法解釋高頻率下的測量結果，但這定律卻也創造了日後的紫外災難，威廉·維恩給出了維恩位移定律，可以正確反映高頻率下的結果，但卻又無法符合低頻率下的結果。這些定律之所以能發起有一小部分是普朗克的貢獻，但大多數的教科書卻都沒有提到他。 普朗克在1899年就率先提出解決此問題的方法，叫做“基礎無序原理”（principle of elementary disorder），並把瑞利-金斯定律和維恩位移定律這兩條定律使用一種熵列式進行內插，由此發現了普朗克輻射定律，可以很好地描述測量結果，不久後，人們發現他的這項新理論是沒有實驗證據的，這也讓普朗克他在當時感到稍稍的無奈。可是他並沒有因此而氣餒，反而修正了自己的方式，最後成功的推衍出著名的第一版普朗克黑體輻射定律，此定律是在描述由實驗觀察來的黑體輻射光譜呈現良好的狀態，這一定律於1900年10月19日在德國物理學會上首次提出。也因為普朗克黑體輻射定律是第一個不包括能源量化以及統計力學的推論，因為他本人不喜歡這個理論。

《宇宙物理體系》28個短影片目錄:

1《宇宙物理體系》

2物質和能量

3質量重量

4磁和電

5時空

6光

7浮力

8飽和原理

9資訊傳播

10火箭發射

11蘋果下落

12磁鐵相吸

13地球繞太陽轉

14飛機上升

15太陽能量方式

16月球重力

17力分析

18力傳播

19力與速度

20傳播力

21受力分析

22宇宙機理

23望遠鏡

24物理用詞

25性質和量

26生命

27力分析舉例

28摩擦力

量子力學的創始人普朗克，量子力學之父

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。

馬克斯·普朗克(1858年-1947)在1900年首先形成了他的量子論。這一理論如同5年後愛因斯坦發表的相對論一樣，對物理學產生了深遠的影響。

普朗克，1858年出生於德國。他終生從事熱力學研究，最大科研成果是提出了量子假說。普朗克很早就投入了對黑體輻射的探索，在用經典物理理論無論如何都解釋不了探索結果的情況下，他對經典物理理論進行了否定，提出嶄新的量子假說新概念，並據之得出了公式，把輻射能量與輻射光譜統一了起來，解決了黑體輻射問題。普朗克的量子假說認為，輻射是由一分分的能量組成的。就象物質是由一個個原子組成的一樣。輻射中的一份能量即是一個量子。量子的能量大小取決於輻射的波長，波長越短，能量越大；波長越長，能量越小。換句話說，就是量子的能量與波長成反比，與頻率成正比。所謂量子，來自拉丁文“分立的部分”或“數量”一詞。光正是一個個量子的連續發射，但由於人的眼睛有視覺暫留現象，所以看不到一個個分離的量子，而看到的是一道道光線。從而，為新物理學的產生奠定了第一塊基石。

　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援而被放棄。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。

　　普朗克在晚年終於看到了自己的徒勞，他不得不承認“為了設法使基本作用量子適合於古典理論，我徒勞地進行了許多年的工作，耗費了很大精力，結果是枉費心血。現在我認識到，基本作用量子在物理學理論中所起的作用，比我受到的懷疑要重要得多。”

　　普朗克儘管是新理論的開拓者，但他在剛剛提出量子假說後便又縮了回去，沒有能夠在這一假說的基礎上，建立起嶄新的微觀物理學理論量子力學的大廈，把已經得到的東西失掉了。就在普朗克修正他的量子假說之時，德國物理學家愛因斯坦大膽革命，繼續為量子理論的發展開拓道路，不僅證實了量子的存在，並在普朗克量子假說基礎上，為建起量子力學大廈做出了進一步的努力。

　　普朗克是一位老派的學者。他為人正直高尚、奉公守法、謙虛謹慎，從來不願意炫耀自己。他自稱沒有特殊的天才，不能同時處理許多不同的問題。在學術工作中，他主張儘可能地謹慎，不到萬不得已不願意打破傳統的“框框”。他把自己的量子假說稱為“孤注一擲”的辦法。就是說，只是在實驗事實的逼迫下，他才終於“上了梁山”。因此，人們常說他是一個“不情願的革命者”。

簡單說普朗克科學成就如下：

1.普朗克早期的研究領域主要是熱力學。他的博士論文就是《論熱力學的第二定律》。此後，他從熱力學的觀點對物質的聚集態的變化、氣體與溶液理論等進行了研究。

2.提出能量子概念

普朗克在物理學上最主要的成就是提出著名的普朗克輻射公式，創立能量子概念。

3.1906年普朗克在《熱輻射講義》一書中，系統地總結了他的工作，為開闢探索微觀物質運動規律新途徑提供了重要的基礎。

黑體是指能完全吸收外來電磁輻射，既無反射也無透射的物體。從定義可以看出，黑體和質點、剛體等等，都只是理論上的抽象。根據物理理論，物體只要有溫度，就會不斷以電磁波的形式向外輻射能量，當然黑體也不例外。

19世紀下半葉，由於工業特別是冶金工業發展的需要，人們越來越重視對熱輻射和黑體輻射研究。在實驗中已經可以精確測定熱輻射和波長的能量關係。現實迫切需要對黑體輻射的理論加以完善，並進一步指導實踐。

在實驗資料的基礎上，維恩從經典熱力學理論出發，假設氣體分子輻射頻率只與其速度有關，並根據統計物理，推匯出了黑體輻射的維恩公式：然而，這個公式的問題在於只在高頻輻射端和實驗資料吻合得很好，在低頻端並不適用。

科學家們為此傷透了腦筋，既然黑體輻射討論的是電磁波的發射問題，電磁學中已經知道，帶電粒子或電流作簡諧振動時就將輻射電磁波，黑體輻射問題就應該在電磁學的基礎上討論解決。據此，瑞利和金斯兩人從能量均分理論和經典電動力學出發，推匯出了另一套黑體輻射公式：

，即瑞利-金斯公式。然而這個公式偏偏只在低頻有效，在高頻端卻不適用，即所謂的“紫外災難”。

這下科學家更傷腦筋了，其核心在於，到底如何建立一套完整的黑體輻射公式。作為一個經典熱力學科學家，普朗克也投入到了這項燒腦的研究中去。作為一個傳統物理學家，普朗克也是按照經典的研究方法開展工作的，即從基本的物理定律出發，演繹和構建新的理論體系。然而，不管他是從經典熱力學出發，還是從電動力學出發，都難以構建起黑體輻射的完整體系。傳統的物理理論在這一領域好像失靈了。普朗克的研究陷入了僵局，他一干就是六年，卻始終一無所獲。

就在普朗克幾乎要絕望的時候，他忽然靈機一動，去他的基礎理論吧，我先把公式湊出來再說。這時，維恩公式和瑞利-金斯公式不再是暨待修正或推倒重來的公式，而變成了普朗克加工的素材，他的工作也純粹變成了一場數學遊戲。普朗克加加減減、拼拼湊湊，透過插值法竟然真的湊出了一套公式，可以分別在低頻和高頻端滿足維恩公式和瑞利-金斯公式。這就是著名的黑體輻射的普朗克公式：

得到公式後，普朗克開始按預想尋找理論解釋。然而，這一找不要緊，普朗克發現找來找去，他不得不承認一個假定，即電磁輻射的能量是按最小能量單位的整數倍進行的，他將這個最小能量單位稱為能量子，後人改稱為量子。這個假定太富於革命性了，在它剛被提出時，沒有人贊同它。的確，在經典物理學的思想裡，能量是連續的。而在量子假說中，能量只能是一份一份地被髮出來，這看上去是不可思議的。

事實上，普朗克本人都不喜歡這個假定。在他小心翼翼地提出量子假說後，仍然花費了15年的時間試圖找到能從經典物理學匯出的方法來代替量子假說。但始終沒有成功，只有採用量子假說，黑體輻射的理論才能與實驗完美地結合。

對於我們普通大眾來說，離散的能量帶來的震撼可能還不夠。那麼這個理論到底恐怖在哪裡呢？那就是打破了經典物理學的連續性根基。單以能量而言，比如我們看到溫度從1度上升到3度，那麼自然會認為溫度會經過其中的任何一個值，那麼如果是離散的，那麼溫度越過的那些空白到底是什麼？如果能量不是連續的，那麼時間、空間也就存在著不連續的可能，而這可能顛覆整個經典物理學的大廈。我們知道，牛頓的封神之作叫《自然哲學的數學原理》，這部書構建起了完整的經典物理學大廈。這裡自然哲學我們可以理解為科學，數學原理就是微積分，也就是說，經典的物理學體系是以微積分為基礎的。而學過微積分的都知道，“連續”、“光滑”在微積分中有多麼多麼的重要。而現在，“連續”出了問題，“光滑”更無從談起，經典物理的大廈面臨倒塌的危險。而這才是普朗克的量子恐怖的地方。

但科學發展的車輪滾滾向前，量子假說頑強地生存了下來，並催生出了嶄新的量子力學。對於普通大眾來說，我們仍生活在經典物理的世界裡，一切似乎沒什麼變化。但當我們深入到微觀的世界，我們就會發現這樣的理論有多麼的震撼。由於量子的出現，在那個世界，經典的物理大廈或許已經倒塌。

普朗克堅決反對納粹分子，這使他在希特勒時代的處境十分危險。他的次子有一次參與一夥軍官暗殺希特勒的密謀，但因刺殺未遂於1945年初被處以死刑。普朗克於1947年去世，終年89歲。

量子力學的發展可能是二十世紀中最重要的科學發展，甚至比愛因斯坦的相對論還要重要。普朗克常數h在物理理論中有著重要的作用，現在被認為是兩三個最基本的物理常數之一。它出現在原子結構學說、海森堡測不準原理、幅射學說和許多科學公式中。普朗克最初計算出來的常數數值比今天使用的相差百分之二。

一般認為普朗克是量子力學之父。雖然他對此理論後來的發展沒有起什麼作用，但是若把他的名次排得太后是不公正的。但彪炳青 史的貢獻是“能量子”概念的提出。普朗克奠定量 子理論的整個過程可分為兩個階段:第一個階段是尋找黑體輻射的普遍公式,事實上,這是普朗克一 開始的最高目標;第二個階段是對所找到的普遍公 式的一個假設性的解釋,在這一深思熟慮的解釋中,發現了基本作用量子。其中第一個階段除了體現他高深的數學修養之外,還表現了他堅韌不拔、有條 不紊和一絲不苟的性格。而在第二個階段就明顯地 表明了他的非凡的勇氣和創新的思維特徵,因為在 這個過程中,他運用了巧妙的概念組合方法,還做 出一個前所未有的假設,即振子的能量必須取不連 續的、離散的值。這是一種衝破傳統觀念束縛的創新性思考,正是具有堅韌不拔的性格及敢於挑戰經 典觀念的勇氣,打破陳規的膽識,普朗克才有可能 提出能量子假說,引入作用量子。

中國科大和復旦大學合作發表了一篇科技特色的人文研究成果，實證測度了科學家的科學聲望（scientific fame），基於全球1.26億本圖書文獻大資料中科學家全名的詞頻分析，描繪出物理學家在人類歷史上聲望的興衰演變。該方法進而揭示出：雖生不過百年，科學巨匠們的貢獻與聲望跨越時空，對人類文明和社會進步發展的影響能持續數百年甚至上千年，成為科學精神文化的組成部分，這或許就是科學家們終其一生所竭力追求的人生終極價值。2018年，該成果以理論研究型長文“Long live the scientists: Tracking the scientific fame of great minds in physics”發表於資訊計量學國際頂級期刊Journal of Informetrics上。

書籍作為知識的重要歷史載體在計量學領域鮮有關注，論文引用率及發表是當前學界對科學家影響力最重要的學術評價指標，但其適用範圍為學術共同體內的短期評估。近年來，儘管一些基於網路及社交媒體資料提供了補充計量指標，但依賴於新媒體資訊的評估歷史短暫且穩定性弱。因此，作為測度科學家聲望的一種嘗試，該項研究基於Google Books的3600萬本歷史圖書和Google Scholar的9000萬篇學術論文，使用了57種不同的語言來測試科學家全名在谷歌語料庫中出現的詞頻，以大資料視覺化來分析測度物理學家及主要學術貢獻在學術圈以外的長週期影響力軌跡。

該測度方法進一步給出21世紀最有影響力的物理學家名單，前5名依次為愛因斯坦、普朗克、牛頓、帕斯卡和伽利略。在400年後的今天，早期科學家如牛頓、帕斯卡，雖然已經不能站在科學前沿，但他們的貢獻在歷史沉澱中逐漸變成了科學知識體系的奠基石。他們的姓名、科學成果、科學軼事（如牛頓和蘋果的故事）以及頑強鬥志（如排名第6的霍金）在書籍中為世人傳頌，演變成了科學精神文化符號，激勵著一代代學者勇攀科學高峰。

1900年4月，開爾文男爵發表了一篇名為《19世紀在熱和光的動力學理論上空的烏雲》的演講，他的開篇提到：“動力學理論肯定了熱和光都是運動的方式，但現在這一理論的優美性和明晰性卻被兩朵烏雲遮蔽了………”

第一朵烏雲是邁克爾遜-莫雷實驗結果和以太漂移說相矛盾；第二朵是黑體輻射實驗與理論的不一致！ 兩朵烏雲最後成長為兩座非常重要的物理學理論大廈：第一朵烏雲導致了相對論的誕生、第二朵烏雲導致了量子理論的誕生！

而我們的主人公“馬克斯·卡爾·恩斯特·路德維希·普朗克”，就是舊量子理論的創始人之一。

19世紀末，科學家們在解釋黑體輻射強度和輻射頻率的關係時，分別提出了兩個公式，分別是瑞利、金斯公式（麥克斯韋電磁輻射理論推導所得）和維恩公式（玻爾茲曼運動粒子的角度推導所得）。

但是這兩個公式都與實驗現象不符：維恩公式只能符合高頻範圍的實驗現象；而瑞利、金斯公式在低頻範圍符合的很好，但是在高頻時輻射的能量密度就趨向了無窮大，與實驗資料相差甚遠，所以當時物理學家用“紫外災難”來形容物理理論面臨的困境！

當普朗克拿到這兩個公式之後，從根本上去研究了這兩個公式的推導，並未發現任何問題，很明顯，經典的理論解釋不了這個現象！普朗克冥思苦想，終於，他想到了一個辦法，暫且不管推導過程是否符合經典理論，先拼湊出一個適合黑體輻射實驗資料的公式再說吧，就這樣他以這兩個公式為依託，利用數學上的插值法，得到了一個符合實驗資料的公式，也叫做普朗克公式！ 經過其他科學家的實驗檢驗，普朗克公式完全符合實驗數值，普朗克相信，這絕對不是巧合，這個公式的背後肯定存在著某種更深層次的原因！

經過普朗克的顛覆性思考，他意識到，僅僅利用分子動理論來解釋黑體輻射問題是遠遠不夠的，在處理熵和機率的關係時，如果我們能夠假設能量在發射和吸收的時候不是連續的，而是一份一份的，就能得到一個完美符合實驗資料的輻射公式。

每一個最小份的能量就是一個能量子，簡稱量子，這個最小能量ε=hν，h是普朗克常數h=6.62559*10^-34J•s

透過能量量子化假設，他得到了正確的輻射公式！

能量是一份一份的，在我們看來可能沒什麼了不起，但這確實是非常不可思議的，因為從牛頓以來人們一直認為一切自然過程都是連續不斷地，想想微積分、想想牛頓，誰敢挑戰？況且，這也太顛覆人的認知了，你敢相信這個世界是不連續的？溫度從25℃上升到30℃時，不會經過27℃這話你信嗎？

這就是普朗克最偉大的地方，他告訴了我們這個世界是不連續的，打破了傳統觀念、建立了理解世界的新思路，為量子理論的誕生奠定了基礎，被稱為近代物理學的開拓者之一！因此，他獲得了1918年的諾貝爾物理學獎！