Max_Planck_1933

大時代下的逆境人生——量子力學開啟者普朗克

大時代下的逆境人生——量子力學開啟者普朗克

大時代下的逆境人生——量子力學開啟者普朗克

兩朵烏雲

1900 年,物理大師克耳文爵士 (Lord Kelvin) 宣稱物理學已臻完善,只要再花些時日解決「萬里晴空中的兩朵烏雲」即可。這兩朵烏雲分別是以太(當時認為空間中充斥著無形的以太)相對於物體的移動,以及黑體輻射與電磁學預測不符。

克耳文沒料到他眼中的烏雲迅速遮蔽了半邊天空,而最終解決之道竟撬動古典物理學的根基。愛因斯坦以相對論拂去第一朵烏雲,改變了時空概念;第二朵烏雲則是被量子力學的狂風吹散,同時也將客觀實在的認知吹得天翻地覆,而最初拍動翅膀引發颶風的正是這篇要介紹的普朗克 (Max Planck, 1858-1947)。

其實普朗克進入大學時,一位物理學教授也曾告誡他說:「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」,勸他不要選讀物理。幸好他沒聽勸,後來才會鑽研難倒所有物理學家的黑體輻射問題,因而開啟了量子力學。

黑體輻射

甚麼是黑體輻射?我們知道鐵塊加熱後,會逐漸從黃紅色轉為藍白色,代表溫度越高,輻射頻率也越來越高(能量越強)。科學家想研究輻射強度與溫度的關係,於是設想一種理想物體,它會完全吸收外來的電磁波,不會有反射或折射,因此輻射強度就只取決於它本身的溫度,這種物體就稱為黑體。

德國物理學家維因 (Wilhelm Wien) 從熱力學出發,率先於1896 年提出黑體輻射之頻率與溫度的關係式。不過如何驗證這條公式是否正確?畢竟黑體在現實中又不存在。維因想到一種模擬的方法:造一個密閉的金屬空腔,在表面開一個極小的孔。從小孔射入空腔的電磁波很難再逃逸出來,在小孔處測得的輻射便可視為金屬空腔本身的發出輻射,相當於黑體輻射。

模擬黑體的金屬空腔。

結果實驗數據顯示有高頻區段的輻射符合維因公式,低頻則有不小差距。英國物理學家瑞利 (3rd Baron Rayleigh) 於 1900 年改用電磁學推導出「瑞利─金斯公式」,卻又只符合於低頻區段的數據,而且輻射會往高頻不斷攀升。這顯然並不合理,怎麼可能隨便加熱一個物體,就會產生高危險性的紫外線、γ 射線?

光量子假說

為了解決電磁理論竟推導出荒謬的「紫外災變」,普朗克發現唯有放棄「能量的變化是連續的」這個傳統認知,才能阻止黑體輻射不斷往高頻攀升。而一旦假設能量像粒子般具有最小不可分割的基本單位,就能得出與實驗數據吻合的黑體輻射定律。

1900年底,普朗克發表他的大膽假說,並給出著名的公式:

E = hν

E 代表每個光量子的能量,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 的負 34 次方,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,並由密立根隔年以實驗證實後,普朗克才終於在 1918 年獲頒諾貝爾物理獎。不過普朗克自己卻一直無法接受量子力學,尤其在哥本哈根詮釋下,再無客觀實在,只剩機率與觀測。普朗克和愛因斯坦一樣,嘗試將量子現象納入古典物理中卻徒勞無功,他晚年便感嘆道:「長年的曠日廢時只是徒勞,被大部分同仁當成悲劇看待。」

德國政治動盪

一次大戰後,戰敗的德國經濟衰退、政治動盪,擔任柏林大學校長的普朗克一心復興德國的科學地位,在普魯士科學院、德國物理學會和威廉皇帝學會也都擔任重要職位,努力爭取國外經費,讓科學家能安心做研究。不過納粹掌權後,普朗克面臨了進退兩難的困境。

普朗克於 1930 年接任威廉皇帝學會主席,三年後希特勒當上德國總理,隨即頒布公務員法,禁止猶太人在大學與研究機構任職。相較於時任威廉皇帝學會化學所所長的哈柏辭職以示抗議,普朗克向希特勒勸說無效後,即未有進一步動作,坐視同仁被迫流亡,不免讓人質疑他的節操。

但對普朗克而言,並非他戀棧權位,而是這樣他還能盡量照顧被影響的同仁,同時避免納粹主義者接任,造成更大傷害。事實上,當哈柏在 1934 年客死異鄉,普朗克便甘冒大不諱,為這位猶太裔同僚舉辦悼念會。另外他在 1936 年卸任前,也設法讓一些猶太裔科學家繼續在所內工作。

延伸閱讀:〈你愛國但國家不愛你——哈柏的悲劇人生〉

家破人亡

普朗克卸任後已近八十歲,但仍四處演講,支撐他的,就是復興德國科學的使命。不過他卻不斷遭受打擊。二次大戰期間,盟軍轟炸柏林,他的住家全毀,所有藏書與研究筆記也付之一炬。二兒子又於 1944 年參與暗殺希特勒的行動失敗被捕,普朗克寫信向希特勒求情未果,眼見兒子第二年被處死。而在此之前,他的大兒子已死於第一次世界大戰戰場,兩個女兒也隨後相繼因難產而亡。

很難想像普朗克如何面對一直不如意的人生:歷經兩次國家戰敗的屈辱、兒女先後死於非命,就連他掀起的物理革命——量子力學,也不是他想要的。無論如何,他的貢獻與付出有目共睹,二次大戰結束後,威廉皇帝學會於 1946 年更名為「馬克斯.普朗克學會」,並給予他名譽主席的榮銜。隔年普朗克因病過世,享年89歲。

如今馬克斯.普朗克學會轄下已有超過 80 個研究院,涵蓋各種領域,普朗克在天之靈應該能感到欣慰。這些研究所大多座落於德國各個城市,我到慕尼黑特地去拍照留念的馬克斯·普朗克物理研究所便是其中之一。對我而言,普朗克一生研究的正是物理,因此這個研究所別具意義。

2022/5/24 拍照留念。
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