马克斯·普朗克----物理玩梗之外,蒙尘世道之中,毁灭重生之后:坚定纯盈的心性,走向崇高 szthrk.cn

自互联网刚实现普及的时候,论坛上就流传一张梗图,大概是学物理就是一把杀猪刀。在广大理工科学子自嘲般吐苦水的推波助澜下,以及一众“颜控”女孩的追逐下,普朗克在不同年龄阶段的几张照片被拿出来做成了物理梗图得到了很好的传播:

其实笔者还蛮高兴普朗克能以这种方式被更多人知晓。毕竟,作为一个活跃在一百多年前的德国物理学界的人物,能在互联网时代重新翻红的定是寥寥,而只要更多人看见、知道了他,总有那么一些人,哪怕很少,会进一步走近他多一点、了解他多一点,从而发现一座伟大的人格富矿,那安静而沉着的力量,那对真理和心志的信念,是我们这些不同国别的后人也能受益匪浅的。

感谢他曾经来过这个世界。

笔者于2018年10月4日第一次来到普朗克的墓前,在接近墓碑的小径上愈发期待和紧张,紧张于不知道当自己亲眼看到那方墓碑时的心情究竟是什么样的,虽然照片早就在网上看过,但当自己真正伫立于前的时候,不知道心里会生发出什么样的感受……

草木树枝缓缓向后移动,我的脚步和呼吸声在四下一片寂静中显得那么清晰……

笔者刚学会德语的时候,就迫不及待地写了一首诗表达我对普朗克的敬意,以及想象久久伫立于他墓碑前的场景。

数月之后,这个立誓兑现了。

当那座墓碑真正出现在我眼前的时候,我屏住了呼吸数秒,然后长舒一口气:

“Max Planck”——简朴的墓碑没有任何多余的装饰,就是干干净净一块矩形石板,底部刻着普朗克常数——这个宇宙刻在能量上的最小刻度——正是由长眠在这里的这位先生从手稿里算出来的。

我约略在他墓前徘徊了一个多小时,上前抚摸那方石碑,石碑承载着岁月的痕迹;青苔生发于其上,斑驳的锈蚀痕迹提醒着我:得以一窥宇宙天机的人,撬开量子裂隙的人,历经89载岁月史诗,穿越德国四个政体变迁的伟大人物,最终还是要把自己留在哥廷根的这一方静寂的草木之间。

那些曾震荡整个物理学界的思考,那些在深夜里与宇宙法则对峙的时刻,如今都凝在这一行微小的数字之中。

墓碑底部刻着的普朗克常数

风穿过墓园的林木,哥廷根已是深秋,落叶簌簌,但没有喧嚣,仿佛时空在此处轻轻收束。

普朗克先生,你的成就让人惊叹,你的人格引人钦佩,你的命运令人心碎。

一、他本可以成为一名音乐家

如果只看年轻时的照片,很难觉得普朗克是个物理学家,他的气质更像一个文艺的诗人或者艺术家。

普朗克 20岁 1878年

1858年普朗克出生于德国北部的基尔(Kiel)。那时普鲁士王国正在崛起,德意志诸邦尚未完成政治统一,科学精神与大学教育却已经成为德意志文化教养阶层生活中极为重要的组成部分。

普朗克成长在一个有着深厚学术传统的、信奉路德宗的新教家庭,他父亲是一位法学教授,后来在慕尼黑大学任教。家族中不乏神学家、法学家和大学教授。对于这个家庭而言,知识、纪律与责任并不是需要刻意强调的品质,而是日常生活的一部分。

这里笔者梳理了普朗克家族与哥廷根的渊源:

马克斯·普朗克的曾祖父戈特利布·雅各布·普朗克(Gottlieb Jakob Planck),1784年起在哥廷根大学担任神学教授,其子海因里希·路德维希·普朗克(普朗克的祖父)亦在此任教,也是一位神学家。

Gottlieb Jakob Planck

Gottlieb Jakob Planck 在哥廷根的故居名牌

普朗克父亲:威廉·普朗克(Johann Julius Wilhelm von Planck),曾参与《德国民法典》的早期编纂和准备工作;

普朗克的父亲 威廉·普朗克

而普朗克叔叔:哥特利布·普朗克(Gottlieb Planck)则是现代德国法律体系的奠基人,被誉为“《德国民法典》之父”。

普朗克的叔叔-Gottlieb Planck

奇妙的时空重叠:

普朗克的叔叔哥特利布·普朗克(Gottlieb Planck) 在1910年去世时,哥廷根著名的 Stadtfriedhof Göttingen(城市墓园) 已经启用,他被安葬在这座城市墓园中。

普朗克叔叔 Gottlieb Planck 的墓碑

而本文主人公马克斯·普朗克于1947年在哥廷根溘然长逝,同样被安葬在这座城市墓园。叔侄二人最终在同一片墓园里重聚,共同守护着这座小城的学术灵魂。

冥冥之中,普朗克是哥廷根学术上的“归乡者”。

1867年,普朗克9岁那年,跟随家人一起迁往慕尼黑。

1860年代的慕尼黑

这座城市给少年普朗克提供了良好的教育环境,也让他有机会接触德国古典文化。与许多后来成为物理学家的年轻人不同,普朗克并不是一个从小就只对数学和机械装置着迷的孩子。他的兴趣相当广泛,尤其热爱音乐。

他学习钢琴、风琴和大提琴,作曲水平比肩专业级。普朗克在上大学前曾经在音乐与物理之间犹豫,甚至考虑过成为职业音乐家。

但在中学的时候,他的数学老师赫尔曼・穆勒(Hermann Müller)用泥瓦匠把砖头扛上屋顶的例子来讲能量守恒定律(泥瓦匠消耗的能量被转化成重力势能储存起来),给年少的普朗克留下了极深的印象,被他形容“如同福音”,从此便点燃了他对自然哲学奥秘的兴趣。

这位老师显然是普朗克能走上理论物理学研究的贵人,在普朗克晚年的一段视频自述中,他这样说道:

“他们(他的家族成员)大多数是神学家,哲学家,我可能是我们家第一个自然科学家,这追溯到后天的环境影响,因为我在上中学的时候受到了我的数学老师的启蒙和鼓舞,他叫Hermann Müller,一个清心寡欲,严于律己的人,因为他,我们被一切与数学和自然科学有关的东西吸引,一方面是严谨的数学方法,另一方面,是那蕴含于天地间自然法则的崇高和至美。那时起我就觉得,从事学术工作对我来说是很享受的,包括今天还是一样,细细感受那种和谐:一方面于严谨的数学之中,另一方面又满足我们身边环境的自然法则;相应地,这预示了一种可能性,就是用人的逻辑思维的精锐性去掌握自然,找出逻辑思维和自然法则的适配之处,这样我们就可以支配自然。这对我来说是世间至美的,通过学术努力所能达到的目标。”(笔者译)

小彩蛋:普朗克就读于慕尼黑马克西米利安文理中学(Maximiliansgymnasium München),四十年后少年海森堡也就读于这所中学。

最终,他选择了学习自然科学。

1874年,16岁的普朗克进入慕尼黑大学学习。对于一个年轻人而言,这意味着他开始进入一套相当成熟的德国大学教育体系:系统的课程训练、严格的学术要求,以及教授与学生之间紧密的学术传承。

不过,大学生活并没有立即让他找到自己的研究方向。

普朗克曾向物理学教授菲利普·冯·约利(Phillip von Jolly)咨询是否应该选择物理学。据普朗克后来的回忆,约利曾提醒他,理论物理学作为一门学科虽然很美,但是许多重要问题已经得到解决,原则上人们在新的领域很难有所建树,剩下的可能只是一些零碎的发现。

而普朗克当时的想法也不是能够做出什么新的发现,而更多的是希望弄懂已有的领域就满足了。这倒一如既往地反映了他的性格:沉静、稳重、内敛。

普朗克原话:“我并不期望发现新大陆,只希望理解已经存在的物理学基础,或许还能将其加深。”

这段谈话后来经常被传记作者引用,原因当然在于一种宿命般反讽的趣味性:教授试图劝一个年轻人不要进入物理学,而这个年轻人最终却成为改变物理学面貌的人。

当然,不能因此把约利描写成目光短浅的人。19世纪后半叶,经典物理学确实取得了令人瞩目的成就。牛顿力学已经建立起成熟的理论体系,麦克斯韦的电磁理论统一了电与磁,热力学也逐渐形成了严密的数学框架。

从当时的知识版图来看,物理学似乎已经拥有了理解自然界的主要工具。而普朗克却对其中一个问题产生了持久兴趣:热力学。

1877年,他前往柏林大学继续学习,听取赫尔曼·冯·赫姆霍兹和古斯塔夫·基尔霍夫等人的课程。其中,真正吸引他的是热力学第二定律。

赫尔曼·冯·赫姆霍兹

古斯塔夫·基尔霍夫

简单来说,热力学第一定律讲的是能量守恒:能量不会凭空产生或消失,只会从一种形式转化为另一种形式。

而热力学第二定律讨论的则是过程的方向性。比如,热量会自发地从高温物体流向低温物体,却不会在没有外界作用的情况下反过来;这种不可逆性,揭示了自然界并非所有过程都可以简单地倒转。

普朗克对这个问题产生了浓厚兴趣,尤其关注熵(Entropie)的概念。

熵是描述热力学系统状态及其变化方向的重要物理量。它后来成为理解统计物理学、信息理论乃至现代科学的重要概念;对普朗克来说,热力学第二定律的吸引力不仅在于它能够解释某些物理现象,更在于它似乎揭示了自然界深层的普遍规律。

1879年,他获得慕尼黑大学博士学位。1885年,他受聘于基尔大学;1889年,接替基尔霍夫,进入柏林大学任教。

基尔大学时期,和第一任妻子玛丽

此时的普朗克已经形成了相当鲜明的学术性格:他不是那种热衷于制造轰动性观点的人,也不以挑战权威为乐。相反,他相信严密的推导,相信理论应当服从自然规律。他的研究兴趣集中在那些看起来抽象、甚至有些枯燥的问题上。

后来,人们常常用“保守”来形容普朗克。这个评价有一定道理。他尊重传统,重视秩序,对已有理论体系抱有很强的信任。

但也正是这样一个人,最终会在经典物理学最自信的时代,遇到一个它无法解释的问题。

二、一个保守的人,打开了量子世界

1900年,马克斯·普朗克已经42岁,经典物理学的基本框架对他来说显然是正确的,他尤其重视热力学定律。在他看来,物理学家的任务,是找到自然规律中尚未被解释清楚的部分,而不是轻易宣布旧世界已经崩塌。

但一个问题,偏偏卡在了经典物理学的边界上。

问题来自黑体辐射。

所谓黑体,是物理学中一种理想化物体:它能够吸收所有照射到自身的辐射,也会按照自身温度向外发射辐射。物理学家研究它,是因为黑体辐射的规律相对纯粹,可以帮助人们理解热与光之间的关系。19世纪末,实验物理学家已经能够较精确地测量不同温度下,黑体在不同波长上释放多少能量。

问题是,理论跟不上实验。

实验物理学家鲁本斯和卢梅尔等人的实验显示:维恩提出的辐射公式,在较短波长范围内与实验吻合,却无法准确描述长波部分。而瑞利-金斯公式则正好相反,在长波区域完美符合,但短波部分就会导致辐射能量密度趋近于无穷大,也就是“紫外灾难”。

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这不是一个无关紧要的误差,这意味着物理学家手中最成熟的理论工具,无法完整解释眼前的自然现象。最后普朗克是用数学插值法拼凑出了一个在全波段都成立的辐射公式,这个公式能够很好地符合当时已有的实验数据。

但公式本身还不是革命。真正关键的问题是:为什么自然界会服从这个公式?

为了从理论上推导它,普朗克转向了统计物理学。他借助玻尔兹曼关于熵与概率的思想,尝试从微观层面解释辐射能量的分布。在推导过程中,他引入了一个此前并不属于经典物理学常规框架的设定:振子交换能量时,可以把能量看作由一个个有限的“能量子”组成。

这意味着,能量不再能够以任意小的连续份额进行交换,而是受到一个最小单位的限制。后来,人们将这种设定称为量子假说。

1900年12月14日,普朗克在德国物理学会报告了相关推导。这一天后来常被视为量子理论的诞生标志。

1900.12.14会议记录 普朗克的报告

普朗克打开了一扇门,却未必已经看清门后的世界。他后来更是承认自己当时的假设是“孤注一掷的绝望之举”,他并不真的相信能量是一份一份离散的。

事实上,普朗克试图把量子纳入经典理论的徒劳尝试在这以后持续了好些年,耗费了他大量精力。

在一封给友人Robert Williams Wood的信中,普朗克曾这么写道:

……我可以把这整个的步骤描述成一种孤注一掷的行动,因为我在天性上是平和的、反对可疑的冒险的,然而我已经和辐射与物质之间的平衡问题斗争了六年(从 1894 年开始)而没有得到任何成功的结果。我明白,这个问题在物理学中是有根本重要性的,而且我也知道了描述正常谱(即黑体辐射谱)中的能量分布的公式,因此就必须不惜任何代价来找出它的一种理论诠释,不管那代价有多高。

后来,爱因斯坦将量子思想进一步用于解释光电效应;玻尔将其引入原子结构理论;海森堡、薛定谔等人则在20世纪20年代建立起量子力学……

普朗克原本只是想解决一个辐射公式的问题,他没有打算推翻经典物理学,却在严谨的推导中,触碰到了经典物理学无法跨越的边界。

量子理论最终改变了人类对微观世界的理解。有趣的是,开启这场革命的人,恰恰不是一个渴望革命的人。

而接下来,他还将遇到一个比自己更大胆的年轻人——阿尔伯特·爱因斯坦。

三、看见爱因斯坦,也看见了新物理学

1905年,爱因斯坦还是瑞士伯尔尼专利局的一名三级技术审查员,就连这份工作,还是他大学同学,好基友格罗斯曼拜托父亲给他谋得的。

就是这么一个学界查无此人的小人物,在1905年接连发表了5篇论文,讨论光量子、布朗运动、狭义相对论等问题。后来,这一年被称为爱因斯坦的“奇迹年”。

其中最让物理学界感到不安的,是他对光的理解:几个世纪以来,光的波动理论已经取得了巨大成功。麦克斯韦电磁理论更将光解释为电磁波。可是,爱因斯坦在1905年提出:在某些现象中,光似乎不是连续铺展开来的波,而是以一个个离散的能量单位发挥作用。

这与普朗克几年前的工作有联系,却又走得更远。

普朗克当初引入能量元素,主要是为了推导黑体辐射公式,他并没有立即把它理解为光本身由离散的能量单位构成,而爱因斯坦把这一思想推向了一个更大胆的方向,并用它解释光电效应——光照射金属表面时,电子为何会逸出的现象。

普朗克打开了一道理论上的缝隙,爱因斯坦则试着从这道缝隙里,重新观察整个世界。

就这样,普朗克注意到了他。

普朗克与爱因斯坦

1905年,普朗克已经是德国物理学界颇有声望的教授。他没有因为爱因斯坦年轻、没有显赫职位,学界无名,就轻视他的工作,而是认真研究了相对论,并成为最早公开支持这一理论的重要物理学家之一。

这份支持并不只是学术上的礼貌:当时的相对论挑战了人们对时间、空间和运动的传统理解。它不仅需要新的数学表达,也需要物理学家改变已经习惯的思考方式。

普朗克愿意站出来讨论、解释和捍卫它,实际上是在帮助一个尚未被广泛接受的年轻理论获得立足之地。不过,普朗克并不是爱因斯坦所有思想的拥护者。对于光量子,他一度相当谨慎。

光的波动理论已经建立了深厚的实验和理论基础,普朗克不愿意轻易放弃它。他能够欣赏爱因斯坦的创造力,却并不意味着他已经接受了爱因斯坦对光的全部解释。

1913年,普朗克与化学家能斯特一起前往苏黎世,邀请爱因斯坦到柏林工作。这次邀请相当有诚意,爱因斯坦将获得普鲁士科学院院士职位,也可以在柏林大学任教,同时参与筹建威廉皇帝物理研究所。更重要的是,他不必承担繁重的日常教学任务,可以把更多时间留给自己的研究。

1913年普朗克已经是是柏林大学物理教授兼轮值校长、普鲁士科学院的数理学部常务秘书。能不远千里亲自邀请爱因斯坦,可见其对真人才的重视。

对于一位理论物理学家而言,这是一个难得的研究环境。1914年,爱因斯坦来到柏林。此后,他与普朗克成为同一座城市学术圈子里的重要人物。普朗克不仅是学术上的前辈,也是爱因斯坦在德国科学界的重要支持者。

从左至右:能斯特、爱因斯坦、普朗克、密立根、劳厄

两人的关系,也不只有论文和学术会议。

普朗克的家中常有音乐聚会,他热爱音乐,喜欢在家中接待朋友和同事。著名物理学家的莉泽·迈特纳曾回忆,普朗克喜欢热闹、自然的交往,他的家是这种聚会的中心。

莉泽・迈特纳 Lise Meitner(1878.11.7 — 1968.10.27)是普朗克的博士生,与哈恩、施特拉斯曼一起发现核裂变反应,裂变(fission)这个词正是迈特纳创造的。

普朗克家是柏林科学圈子固定的音乐沙龙据点,普朗克弹钢琴,爱因斯坦拉小提琴,是他们很有名的活动。科学之外,音乐成为两人能够共享的一种生活语言。

普朗克弹钢琴

爱因斯坦拉小提琴

很容易想象,他们谈论的当然不只有物理学。普朗克欣赏爱因斯坦的才华,也为这位年轻同行提供了一个能够施展才智的环境;

后来,爱因斯坦在柏林完成了广义相对论的重要工作。1915年,他发表了广义相对论的场方程,将引力重新解释为时空几何的表现。普朗克见证了这一进程。

但历史并没有把两个人的角色安排成简单的“伯乐”与“天才”。

普朗克是一个重视秩序、连续性和理论严谨性的物理学家;爱因斯坦则更愿意追问那些看似牢固的基础是否真的不可动摇。普朗克帮助爱因斯坦进入德国科学界的中心,而爱因斯坦却不断推动物理学走向连普朗克也需要重新理解的方向。

普朗克开启了量子理论,却没有独自完成量子革命;他看见了爱因斯坦,也没有要求爱因斯坦成为另一个自己;后来,爱因斯坦也没能把持住量子力学的喷薄态势……一条崭新的理论之河,就这样从源头注入万顷平川,冲刷出深深的河谷。

1929年,爱因斯坦被授予普朗克奖章,由普朗克亲自颁发

而此时对于普朗克,当他在科学世界中为新思想寻找位置时,自己的生活却开始走向一种无法用公式解决的难题:

1909年,他的第一任妻子玛丽去世。此后十多年里,死亡接二连三地降临到这个家庭;这一次,普朗克需要面对的,不再是经典物理学的边界,而是一个凡人难以承受的命运之重。