不自愿的物理学革命者

普朗克语录
———一个新的科学真理的获胜与其说是靠说服反对者并使其领悟，不如说是因为它的反对者们最终死掉，而熟悉这个真理的新一代成长起来了。
———在科学的发展中，一个概念从来都不会是刚开始就以其最后的完整形式出现，就像古希腊神话中雅典娜一下子从宙斯的头里跳出来那样。
———科学不能解决自然界最终的谜团。这是因为在最后的分析中，我们自身也是这个待解之谜的一部分。
———我试图使物理学基本理论适应量子论的努力彻底失败了。这就好比是把地基从建筑物下面抽走———这个建筑无疑就成了空中楼阁。
———每一种假说都是想象力发挥作用的产物，而想象力又是通过直觉发挥作用的。
【英国《焦点》月刊2月号文章】题：千年智者：麦克斯·普朗克———不自愿的革命者（作者　罗伯特·马修斯）
最伟大的发现来自最基础的研究
1900年柏林的一个冬日，一位42岁的教授带着自己年幼的儿子散步，他向儿子透露了一个秘密：“我今天有一个想法，它像牛顿的那些想法一样了不起和具有革命性。”
他的话绝非为了逗孩子乐而异想天开。这位教授就是麦克斯·普朗克——仅仅几个小时前，他所得到的有关现实世界本质的真知灼见将会粉碎经典的物理学理论，彻底改变现代世界的思维。
但是，令他非凡的洞察力更显惊人的是，它来自一个看似平凡的研究。跟一个世纪前的无数其他物理学家一样，普朗克当时正在研究有关热能基本性质的问题。在试图认识一个简单的发光发热物体所产生的光热性质的过程中，他发现自己不得不接受一个看来很滑稽的想法：该物体所辐射出的能量不是连续的，而是分为一小股一小股的。
普朗克称这些小股能量为“量子”，取自拉丁语的“多少”一词，他写下了把它们的能量与频率相联系的法则，从而被称为量子理论之父。这些法则后来被证明具有更加普遍的适用性。现在认为，量子理论指导着宇宙中的万物———从最小的亚原子粒子到时间与空间本身的力量。它是整个电子工业的基石，而且可能会解释宇宙的本源。
普朗克在有生之年亲眼看到了自己的量子论被用来解释各种自然现象———其范畴远远没有穷尽。但他仍是一个不情愿的革命者。普朗克长期以来把热力学第二定律当作珍爱的信条，相信它是自然界的绝对真理。他花费多年时间，寻找途径来消除对“量子”的需要，却因为这一连自己都不敢相信的概念而闻名于世。虽然量子论证明了热力学第二定律是一个统计定律而非真理，普朗克本人却是为回到经典物理理论而斗争的最后一批人中的一个。
最终，普朗克的革命性发现与其说是他科学天赋的成果，不如说是他不可动摇的正直品质的结果。尽管目睹了自己的信念被推翻，普朗克最终还是接受了他的方程式所告诉自己的一切。正如他在放弃了回避“量子论”的斗争之后对一位物理学界同行所说：“无济于事。我们必须与量子理论共处。”
最大胆的假设打破最珍爱的信条
这种对真理的正直态度反映了普朗克的背景。麦克斯·卡尔·恩斯特·路德维希·普朗克1858年4月23日出生在德国基尔一个书香门第，家中几代人都杰出地服务于教会与国家。十几岁时，他的多才多艺使他必须在音乐、文学或物理学的大学学习之间做出选择。
在试图作出抉择的过程中，普朗克拜见了慕尼黑大学物理学教授菲利普·冯·约利。这次会面本来可能会改变科学史，因为冯·约利宣称，物理学当时拿不出什么来给任何希望作出伟大发现的人，绝大多数人都相信，在经典物理学的大厦建立之后，余下的就只剩下一些扫尾工作了。值得庆幸的是，普朗克并没有把这位教授的话当成金科玉律，他从17岁开始学习物理学，最初在慕尼黑大学，后来在柏林。
普朗克年仅22岁时就已经拥有了博士学位和慕尼黑大学的学衔。然而在一些年里，他的事业似乎证实了冯·约利的预言。普朗克成了一位热动力学专家，他对描述热动力的定律非常着迷，而他那些杰出的导师们却没有一位对此表现出很大兴趣。直到快四十岁，当时担任柏林大学教授的普朗克才致力于物体发光发热规律的研究。
这项工作的重点在于描述太阳等物体发光发热规律的一些定律。这些定律具有很大的潜在用途：例如它们可以简单地通过测量到达地球的太阳能量来计算出太阳的温度。
为了使这种研究容易一些，19世纪中叶，物理学家们曾经假设了一个理想化的物体（它被缺乏想象力地称为“黑体”），它是光和热等辐射能的完全发射体和吸收体。
到19世纪90年代，欧洲的物理学家们已经通过理论和实验揭示了黑体辐射的一些法则。1896年柏林物理学家魏因发现了一条看似能反映热黑体辐射规律的定律。普朗克于是试图根据基本物理学来推导出这一定律。但这时一个重大问题显露出来：魏因的同事们发现，他的定律并非总是给出正确答案。尤其是它不能解释在长波段辐射区的测量结果。
1900年10月的一个星期日下午，普朗克与魏因实验室的一位科学家一起喝茶，这位科学家提到了这种奇怪的不一致。作为物理学家，他俩当时都认为，自然界不会容忍同一现象两种定律的怪事。当天晚上，普朗克着手探索适用于所有波段的法则。
不出几个小时，他就发现了一个似乎很合适的公式，不论辐射的波长如何，它都能给出正确的答案。其他科学家很快就盛赞他的发现，说这是一项重大突破。然而对普朗克来说，这却不够———他想要知道这个公式为什么灵验。
在寻求答案过程中，他最初想象黑体是由微小的振子组成的，每个振子都发出电磁辐射。这是激进的一步，当时很少有哪位物理学家敢于相信物质是由原子组成的，更不用说能量也能像这样被分解。普朗克利用电磁理论发现，他的这一模型可以推导出描述黑体辐射公式的一部分。剩下的工作只要使这一公式与他那个星期日晚上拼凑起来的公式相一致。
就在这一刻，普朗克取得了他具有历史意义的发现。为了实现两个公式之间必要的一致性，普朗克发现必须假设这些微小的振子并不能以任意频率振动。对于一位沉浸在几千年来对振动研究的传统方式中的物理学家来说，这纯粹是异端邪说———就连古希腊人也知道被弹拨的琴弦能够在任何频率上振动，虽然产生的声音并不那么悦耳。但要想使自己的公式灵验，普朗克就不得不接受这样一点：一个黑体中的微小的振子就如同只能发出降E调和G调、却不能发出两者之间任何音调的琴弦。
普朗克努力要明白自己的奇特发现，但已知的物理学中没有任何东西可以帮助他。以他后来所说的“一项孤注一掷的举动”，普朗克接受了一种认识：辐射的能量是以他所说的“量子”形式一小股一小股为单位发出的，除此之外再也没有更好的办法来解释这个公式的有效性。但普朗克意识到自己取得了一项重大发现，正如他在散步时向儿子解释的那样。
这一发现的另一个成果是一个简单的描述每个量子的能量E与其辐射频率ν之间关系的公式：E＝hν，其中h是普朗克常量。它表明，量子的频率越高（也就是波长越短），能量就越大。如今，普朗克常量h、牛顿的万有引力常量G以及爱因斯坦相对论中的光速C被认为是描述宇宙的最重要的三个常量。
最成功的理论得到最广泛的应用
又过了一些年，其他物理学家才开始重视普朗克的奇特“量子”的重要性。第一位这样做的是当时正在瑞士伯尔尼工作的26岁的专利局职员———艾伯特·爱因斯坦。1905年他阐明，量子的存在能够解释由来已久的“光电效应”之谜。他说明，光强度的增加并不产生更多的电，只有光的波长是重要的，波长越短，所产生的电流越强。这是因为波长较短的光由能量较高的量子组成，这些量子更容易使电子脱离金属，从而产生较强的电流。这一有关普朗克公式威力的杰出演示使爱因斯坦荣获了诺贝尔奖。
在此后的日子里，许多杰出的物理学家利用量子论解决了大量的谜团，这个理论的适用范围从物质性质到原子结构。量子论应用得越广泛，它取得的成功就越大：目前量子论的预测精度可以达到小数点后11位，这相当于以一根头发宽度的误差来测量英国伦敦议会大厦顶上的大钟到法国埃菲尔铁塔的距离。
量子物理学现在被看作科学领域中最成功的理论，作为其创始人，普朗克获得了多如雨点的荣誉，包括1918年的诺贝尔物理学奖。60岁以后，他把主要精力放在带领爱因斯坦等杰出物理学家继续研究量子论上。普朗克于1947年在德国逝世，享年89岁。爱因斯坦一直将普朗克视为自己心目中的科学英雄之一，获悉其去世的消息后，他写信给普朗克的遗孀，回忆了与这位伟人合作的经历。爱因斯坦说，普朗克“所凝视的是永恒的真理，却积极地从事与人类相关的一切活动”。
普朗克计量单位体系
怎样向一个外国人描述一头大象的重量？这听起来轻而易举，只要告诉他这头象重多少斤就够了。可问题在于，你得把“斤”换算成他所用的计量单位比如“千克”。
1899年，普朗克发明了一套通用计量单位体系。他说这套计量单位“独立于特殊的个体和材质，适用于各种时间和文明——甚至那些地球以外的、非人类的文明”。普朗克指出，有可能将通用计量单位体系建立在自然界的三个重要常量上：光速、万有引力常量和普朗克常量。
在这个体系中，有三个重要的极限尺度：普朗克长度（约为1·6×10—35米、普朗克时间间隔（约为5·4×10—44秒）和普朗克质量（约为10—8千克），根据现代物理学理论，对于超过这三个计量尺度的微观粒子，时间和空间就会丧失其属性，产生被称之为“时空泡沫”的现象。这一预言将被正在组建的美国激光干涉计重力波观测台所检验。在通常情况下，要直接“看”到这种现象需要把电子的尺寸放大到跟银河系一样。
看似无用的普朗克计量单位体系是科学家尝试找到宇宙万物原理的产物。如果这种理论能够建立，那么最广袤的宇宙和最微小的粒子都可以在同一个方程式里得到统一描述。普朗克、爱因斯坦等人在晚年都曾致力于此项研究。