主题:《量子》重启贴 -- 奔波儿

大河奔流 导读 复 82 阅 47262

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2018-06-03 19:31:08
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奔波儿
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【原创翻译】第一章·欲拒还迎的革命者(2) 30

普朗克的全名为马克斯·卡尔·恩斯特·路德维希·普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck),他于1858年4月23日出生在基尔(Kiel)市,他的家族是为教堂和政府工作的,而基尔所在的荷尔斯泰因(Holstein)州当时还是丹麦的一部分。普朗克出身于书香门第,他的祖父和曾祖父都是著名的神学家,而他的父亲是慕尼黑大学的宪法学教授。这些热爱上帝和世人法则的男人们恪尽职守,性格坚毅,忠于祖国,马克斯也是这样一个人。

普朗克所就读的马克西米利安中学(Maximilian Gymnasium)是慕尼黑市最著名的中学。普朗克在班上总是位居前列,虽说从没有得过第一名,但他通过刻苦学习和严格自律不断取得优异成绩。当时德国的课程设置就是鼓励学生通过死记硬背学习实用知识,而普朗克就是这一体制的优良产品。在一份学校报告中,是这么写的,“尽管有些孩子气......十岁的普朗克思维清晰、逻辑缜密.......他将成为一个出色的人。”在他十六岁的时候,普朗克对酒吧敬而远之,而非常喜欢去剧院和音乐厅。作为一个天才的钢琴家,他甚至产生了努力成为一位职业音乐家的想法。因为对此心存疑虑,他向人征询意见,结果别人一点不留情面,告诉他说:“如果你真的要问,建议你最好去学点别的什么”。

1874年10月,16岁的普朗克进入了慕尼黑大学,并选择学习物理学,因为他强烈地想探寻自然的奥秘。与准军事化管理的中学相比,德国大学则给予学生们几乎完全的自由。没有人督促你的学业,也没有什么硬性的要求,学生可以自由地从一个大学转到另一个大学,可以任意选课。那些喜欢学术的学生就这样一步步走入最好的大学,投入到最杰出的教授门下学习。普朗克在慕尼黑待了三年,有人对他说“物体学根本就是一个不值得进入的领域,那儿已经没什么值得发现的东西了”,于是他决定转学,进入了德语区最顶尖的大学----柏林大学。

在1870年至1871年的普法战争中,普鲁士取得了辉煌的胜利,一个统一的德意志被锻造出来,而柏林就是这位欧洲新贵的首都。柏林位于哈维尔河(Havel)和施普雷河(Spree)之间,法国的战争赔款被大笔用在柏林的市政建设上,这将是一个能与伦敦和巴黎比肩的城市。1871年的时候,柏林的人口是86.5万,而到了1900年,人口暴增到接近200万,而柏林也成为了欧洲第三大城市。当时,在东欧地区掀起了一场排犹风潮,特别是在沙皇俄国,大批犹太人惨遭屠杀,很多人被迫逃难来到了柏林,成为这座城市的新移民中的一群。人口的激增导致房价高企、物价飞涨,许多人无家可归穷苦潦倒。城市的一些街区成了平民窟,连纸板商都在打出的广告上吹嘘自家的纸箱子“价廉物美,适宜居住”。

尽管生活如此艰辛,还是有源源不断的新移民融入到柏林这座城市,而德国也进入了一个前所未有的时代,工业蓬勃发展,经济高速增长。德国统一以后,原来因为封建割据所带来的苛捐杂税随之消失,同时,法国缴来了巨额的战争赔款,这些因素都促进了德国的发展。在第一次世界大战爆发之前,德国已经成为仅次于美国的第二大经济体。当时,德国生产了整个欧洲大陆2/3的钢铁,一半的煤炭,而其发电量超过了英国、法国和意大利的总和。1873年,由于股票市场崩盘导致整个欧洲进入经济衰退和恐慌期,但这一切仅仅让德国飞速发展的步伐略微减慢了几年。

德国统一激发出德意志帝国的雄心壮志,德国人想让柏林大学成为世界上最好的大学。德国最著名的物理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹(Herman von Helmholtz:1821~1894)被从海德堡聘请来。亥姆霍兹同时是一位训练有素的外科医生,也是一位杰出的生理学家,他发明了验眼镜,帮助人们了解人眼的工作原理。这位年过半百知识渊博的智者知道自己的价值,他的薪酬是普通水平的好几倍,另外,他还有一个条件,就是建一所全新的研究所。该研究所是1877年开建的,那一年,普朗克转学来到了柏林大学,开始去主楼里上各种课程。该建筑坐落于菩提树下大街(Unter den Linden),以前是一处王宫,正对着柏林国立歌剧院(Opera House)。

作为一名教师,亥姆霍兹并不称职。“这一点显而易见,”普朗克后来说:“亥姆霍兹从来不好好备课。”古斯塔夫·基尔霍夫也是从海德堡过来的,他备课倒是非常认真,但是讲的课呢,“就像是一本行文准确的课文,干巴巴的,单调乏味”。对满怀希望寻求科学火花的普朗克来说,“这些人讲的课让我觉得自己是竹篮打水。”为了抚慰自己“渴求先进科学知识的心灵”,普朗克偶然读到了鲁道夫·克劳修斯(Rudolf Clausius:1822~1888)的著作,克劳修斯当时是波恩大学的物理学教授。

和普朗克所遇到的那两位讲课平淡无趣的著名教授相比,克劳修斯拥有“清晰而充满启发的逻辑思辨”,这让普朗克为之着迷。当他读到克劳修斯所写的热力学论文时,那种久违的对于物理学的热情又回到了他的身上。当时,热力学被用来解释热量,以及它与其他各种能量形式之间的关系,其基本理论主要包含在两大定理中。第一定理是用一个严谨的公式,它指出能量无论以何种形式出现,总是保持守恒。能量既不会自己生成,也不会消失,只能从一种形式转化为另一种形式。树上的苹果在树上挂着的时候就具有了一定的重力势能,当它落下来的时候,苹果的势能就转化为动能。

普朗克在第一次接触能量守恒定理的时候,还是一个中学生。他后来回忆说这一定理给自己的感觉就像“一道神启”,因为它反映了“大自然绝对的永恒的规律,不受任何人类的干扰”。就是在那一刻,他窥视到了永恒的奥秘,从此他把追寻大自然这些绝对的基本的法则视为“生命中最高尚的科学追求”。这时,普朗克正沉浸在克劳修斯所推导的第二热力学定理——“热量不会自发地从冷处转移到热处”。冰箱的发明正是克劳修斯所说的“自发”过程的最好例证。通过从外部获得能量,比如说电能,冰箱使热量能够从低温处转移到高温处。

普朗克认为克劳修斯的定理并非像表面上看去那么简单,而是具有伟大的意义。由于温差的存在,能量从A点转移到B点,这与大家日常所观察到的很多现象都是吻合的,比如一杯热咖啡会逐渐变凉,而一卷冰激凌会慢慢融化。如果没有人为干预,反向的情况是不会出现的。为什么不会呢?能量守恒定律并没有严禁一杯热咖啡变得更热而同时其周边的空气变凉,或者一杯水变热而(同一杯子中的)一块冰变得更凉。它并没有剥夺能量自然地从冷处传递到热处的权利。然而却有什么东西阻止这一切的发生,克劳修斯将其命名为“熵(Entropy)”,它解释了在自然界中为什么某些过程会发生,而另外一种过程却不能。

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当一杯咖啡变凉的时候,咖啡周边的空气会逐渐变热,咖啡的热能逐渐散失,并一去不复返,而相反的过程却不会(自然地)发生。假定能量的守恒就是大自然用于掌控各种物理交易的法则,大自然当然有资格为每一笔交易制定一个价格。正如克劳修斯指出的,“熵”就是这个交易能否进行的价格。在任何封闭的系统中发生的物理过程,熵只能保持不变或者增加,而任何引起熵减少的过程则是严格禁止的。

克劳修斯所定义的“熵”也就是某一物体或者系统中流入或者流失的热量除以其温度。假如一个温度为500度的热物体传递了1000份能量到一个250度的冷物体,则该热物体的熵值的变化量为-1000/500=-2。原来温度为250度的冷物体则因为获得了1000份能量,所以其熵值增加量为1000/250=4。对于这两个物体所组成的总的系统而言,其熵值增加量为2。因为所有真实发生的过程都会导致熵的增加,因而是不可逆的。大自然用自己的方式阻止了热量自然地从冷处传递到热处。在理想状态下,只有当熵值不变时,一个物理过程才是可逆的。可是,这样的过程在现实世界中并不存在,而只存在于物理学家的思想中。至于宇宙,它的熵值将不断变大。

除了能量,普朗克认为熵是“物理系统中最重要的特性”。在柏林大学待了一年之后,普朗克又回到慕尼黑大学,他的博士论文是研究“不可逆性(Irreversibility)”这一概念。在某种程度上,普朗克的这篇论文可以说是他进入物理学术殿堂的一块敲门砖。可令他感到绝望的是,“包括那些与他的研究问题有关联的物理学家在内,几乎没人对他的研究感兴趣,更没有人赞同他的观点。”亥姆霍兹根本就没有读他的论文;基尔霍夫倒是读了,但却不同意他的观点;至于那位对他影响如此深远的克劳修斯,对他的问题置之不理。普朗克在70年之后甚至还略带苦涩地回忆说“当时,这些物理学家对我的论文没有任何帮助”。但是,在他自己“内心的驱动”之下,普朗克一往无前。热力学,特别是第二定律,成为了普朗克研究的关注点,也就是从这一步起,他正式开始了自己的科学生涯。

德国大学都是国立学府,所有的辅助教授(助教)和普通教授(正教授)都是教育部聘用的国家公务员。1880年,普朗克成为慕尼黑大学的一位不拿薪水的讲师(Privatdozent)。无论是国家还是大学都不会付他一分钱,听他课的学生所交的学费就是他的收入。五年时光,他徒劳地等待着一个辅助教授的位置。作为一名理论物理学家,普朗克对做实验不感兴趣,获得晋升的可能性微乎其微,因为理论物理学在当时还不是一个非常成熟的研究领域。一直到1900年,整个德国只有十六位理论物理学教授。

如果想在事业上有所发展,普朗克明白自己“必须在科学领域扬名立万”。哥廷根大学宣布将开展一次论文竞赛,竞赛题目是“能量的本质”,普朗克的机会终于来了。1885年5月,普朗克正忙着写论文,这时,传来“一个让人彻底解脱的好消息”,基尔大学给了27岁的普朗克一个辅助教授的职位。他怀疑自己之所以能得到这个职位,是由于自己的父亲与基尔大学物理系的主管有交情,因为他知道还有很多更有名的求职者比自己更有可能获得这份工作。普朗克接受了这个职位,在他回到家乡不久,就向哥廷根大学的竞赛组织方递交了自己的论文。

在哥廷根大学举办的这次学术论文大赛中,仅有三篇论文参加,最终结果的发布却花了整整三年时间,而且没有获胜者。普朗克的文章倒是获得了第二名,但是因为他在一次学术辩论中站在亥姆霍兹这一边,得罪了与其唱反调的一位哥廷根大学的教授,因此本该获得的奖金也化为乌有。这帮学术判官们对普朗克的不公平对待反而引起了亥姆霍兹对普朗克及其研究工作的注意。1888年11月,在基尔大学待了三年多以后,普朗克收获了一份意想不到的荣誉。基尔霍夫去世以后,柏林大学的理论物理学教授职位有了空缺,求职者纷至沓来,普朗克也投了简历,可他在诸多候选人之中既不是第一也不是第二。但是在其他候选人纷纷被刷掉以后,凭借亥姆霍兹的支持,普朗克成功地获得了理论物理学教授一职。

1889年的春天到了,这时的柏林不再是普朗克十一年前离开时候的模样,完善的下水道系统取代了露天排水沟,以往那些让游客退避三舍的刺鼻恶臭“风光”不再,一到晚上,星星盏盏的街灯就照亮了所有的主街。亥姆霍兹这时已经不是柏林大学物理系主任了,而去执掌距离柏林大学三英里以外的德国物理技术研究所(PTR)。他的继任者是奥古斯特·孔德特(August Kundt:1839~1894)。孔德特虽然没有参与聘用普朗克这件事,但他还是热情欢迎普朗克的到来,称其为“一位优秀的教员”和“一个能干的人”。

1894年,73岁的亥姆霍兹和55岁的孔德特在数月间相继离世。普朗克在进入柏林大学两年以后被晋升为正教授,成为这座顶尖大学的高级物理学家,时年36岁。面对越来越重的责任,他别无选择,其中一项新的工作就是为理论物理期刊《物理通报》(Annalen der Physik)做顾问。这个顾问的位置非常重要,因为他对提交给这个最为权威的物理学期刊的所有论文有一锤定音的权利。位置越高,压力越大,同时也因为自己的两位同事的病逝,普朗克心怀忧伤,他只有把所有的愁苦转化为自己工作的动力。

作为柏林物理学界中最顶尖的物理学家,他在PTR所开展的、并受到工业界大力推动的黑体研究尚处于起步阶段时,就关注着这项研究。要想研究黑体辐射的光和热,热动力学是关键,但由于缺乏可靠的实验数据,普朗克无法推导出基尔霍夫所揣测的那个虚构的公式。很快,他的一位在PTR工作的老朋友取得了一项突破,普朗克不得不直面黑体问题。

第一章·欲拒还迎的革命者(3)


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最后于2018-06-10 10:04:41改,共1次;
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