科学史上最深刻的革命之一,是由一位最不像革命者的人点燃的。马克斯·普朗克拘谨、保守、崇敬传统,毕生信奉绝对的热力学定律;可正是他在 1900 年冬天写下的一个假设,炸开了经典物理的地基。他自己花了十几年都不愿相信这一点。
「这门学科几乎已经完成」
1874 年,16 岁的普朗克到慕尼黑大学求学,物理学教授约利善意地劝他改行:这门学科里「几乎一切都已被发现,剩下的只是填补一些不起眼的空白」。普朗克的回答很能说明他的一生——他说自己并不奢望发现新东西,只想把已有的根基理解透彻。他 21 岁便以热力学第二定律的论文拿到博士学位,1889 年赴柏林接续基尔霍夫的教席。而基尔霍夫留下的一道题,正等着他。
黑体辐射:一朵不起眼的乌云
一个只吸收不反射的「黑体」被加热后,会在各个频率上辐射多少能量?这道基尔霍夫 1859 年提出的问题,到世纪末成了柏林的热门课题——帝国物理技术研究院为电灯工业做的精密测量,把辐射谱量到了前所未有的精度。1896 年维恩给出的公式在短波段近乎完美,但 1900 年鲁本斯与库尔鲍姆深入红外长波段一测:维恩公式系统性地偏了。
绝望中的一跃
1900 年 10 月,鲁本斯到普朗克家做客,带来最新数据。当晚普朗克用内插法「凑」出一条新公式,与实验严丝合缝。可公式为什么对?为了从原理推导它,这位曾抵触统计方法多年的热力学家被迫拿起玻尔兹曼的武器,还引入了一个他自称「纯粹形式上的假设」:能量只能一份一份地被发射和吸收,每份等于 。12 月 14 日,他在德国物理学会宣读了这一结果——后人把这一天称为量子理论的生日。三十年后他在信中坦承,那是一次「孤注一掷的绝望之举」。
保守的革命者
此后十余年,普朗克一直试图把常数 h 重新塞回经典物理的框架,反复修改理论,希望量子化只是发射过程的表面现象。他长期不接受爱因斯坦的光量子——1913 年他推荐爱因斯坦进普鲁士科学院的信里甚至替对方开脱:不该因为他在光量子上「想过了头」而苛责这位天才。但也正是普朗克,1905 年顶着同行的冷眼在《物理学年鉴》刊发了那篇没有一条参考文献的狭义相对论论文,又亲自出面把爱因斯坦请到柏林。革命他未必情愿,天才他从不错认。
至暗岁月
命运对这位老人近乎残忍:长子卡尔 1916 年死于凡尔登战场,两个女儿相继死于难产,1944 年空袭焚毁了他的住宅和毕生藏书手稿,1945 年初,次子埃尔温因牵涉刺杀希特勒的密谋被纳粹处决。纳粹当政时他曾当面向希特勒进言、试图保护犹太同事,未果,只能选择留下来「守住残存的东西」。1947 年他在哥廷根去世;两年后,重建的德国最高科研机构定名为马克斯·普朗克学会——以他的名字,为德国科学续上了脊梁。
他没能拦住自己点燃的革命,也没能拦住时代碾过他的家庭。但无论对科学还是对国家,普朗克都做了同一件事:在崩塌处,做那根承重的梁。