『壹』 普朗克量子论的二次革命
在20年代中期创立量子力学的狂热年代里,也在进行着另一场革命,量子物理的另一个分支——量子场论的基础正在建立。不像量子力学的创立那样如暴风疾雨般一挥而就,量子场论的创立经历了一段曲折的历史,一直延续到今天。尽管量子场论是困难的,但它的预测精度是所有物理学科中最为精确的,同时,它也为一些重要的理论领域的探索提供了范例。
激发提出量子场论的问题是电子从激发态跃迁到基态时原子怎样辐射光。1916年,爱因斯坦研究了这一过程,并称其为自发辐射,但他无法计算自发辐射系数。解决这个问题需要发展电磁场(即光)的相对论量子理论。量子力学是解释物质的理论,而量子场论正如其名,是研究场的理论,不仅是电磁场,还有后来发现的其它场。
1925年,玻恩,海森堡和约当发表了光的量子场论的初步想法,但关键的一步是年轻且本不知名的物理学家狄拉克于1926年独自提出的场论。狄拉克的理论有很多缺陷:难以克服的计算复杂性,预测出无限大量,并且显然和对应原理矛盾。
40年代晚期,量子场论出现了新的进展,理查德·费曼(Richard Feynman),朱利安·施温格(Julian Schwinger)和朝永振一郎(Sinitiro Tomonaga)提出了量子电动力学(缩写为QED)。他们通过重整化的办法回避无穷大量,其本质是通过减掉一个无穷大量来得到有限的结果。由于方程复杂,无法找到精确解,所以通常用级数来得到近似解,不过级数项越来越难算。虽然级数项依次减小,但是总结果在某项后开始增大,以至于近似过程失败。尽管存在这一危险,QED仍被列入物理学史上最成功的理论之一,用它预测电子和磁场的作用强度与实验可靠值仅差2/1,000,000,000,000。
尽管QED取得了超凡的成功,它仍然充满谜团。对于虚空空间(真空),理论似乎提供了荒谬的看法,它表明真空不空,它到处充斥着小的电磁涨落。这些小的涨落是解释自发辐射的关键,并且,它们使原子能量和诸如电子等粒子的性质产生可测量的变化。虽然QED是古怪的,但其有效性是为许多已有的最精确的实验所证实的。
对于我们周围的低能世界,量子力学已足够精确,但对于高能世界,相对论效应作用显著,需要更全面的处理办法,量子场论的创立调和了量子力学和狭义相对论的矛盾。
量子场论的杰出作用体现在它解释了与物质本质相关的一些最深刻的问题。它解释了为什么存在玻色子和费米子这两类基本粒子,它们的性质与内禀自旋有何关系;它能描述粒子(包括光子,电子,正电子即反电子)是怎样产生和湮灭的;它解释了量子力学中神秘的全同性,全同粒子是绝对相同的是因为它们来自于相同的基本场;它不仅解释了电子,还解释了μ子,τ子及其反粒子等轻子。
QED是一个关于轻子的理论,它不能描述被称为强子的复杂粒子,它们包括质子、中子和大量的介子。对于强子,提出了一个比QED更一般的理论,称为量子色动力学(QCD)。QED和QCD之间存在很多类似:电子是原子的组成要素,夸克是强子的组成要素;在QED中,光子是传递带电粒子之间作用的媒介,在QCD中,胶子是传递夸克之间作用的媒介。尽管QED和QCD之间存在很多对应点,它们仍有重大的区别。与轻子和光子不同,夸克和胶子永远被幽禁在强子内部,它们不能被解放出来孤立存在。
QED和QCD构成了大统一的标准模型的基石。标准模型成功地解释了现今所有的粒子实验,然而许多物理学家认为它是不完备的,因为粒子的质量,电荷以及其它属性的数据还要来自实验;一个理想的理论应该能给出这一切。
今天,寻求对物质终极本性的理解成为重大科研的焦点,使人不自觉地想起创造量子力学那段狂热的奇迹般的日子,其成果的影响将更加深远。现在必须努力寻求引力的量子描述,半个世纪的努力表明,QED的杰作——电磁场的量子化程序对于引力场失效。问题是严重的,因为如果广义相对论和量子力学都成立的话,它们对于同一事件必须提供本质上相容的描述。在我们周围世界中不会有任何矛盾,因为引力相对于电力来说是如此之弱以至于其量子效应可以忽略,经典描述足够完美;但对于黑洞这样引力非常强的体系,我们没有可靠的办法预测其量子行为。
一个世纪以前,我们所理解的物理世界是经验性的;20世纪,量子力学给我们提供了一个物质和场的理论,它改变了我们的世界;展望21世纪,量子力学将继续为所有的科学提供基本的观念和重要的工具。我们作这样自信的预测是因为量子力学为我们周围的世界提供了精确的完整的理论;然而,今日物理学与1900年的物理学有很大的共同点:它仍旧保留了基本的经验性,我们不能彻底预测组成物质的基本要素的属性,仍然需要测量它们。
或许,超弦理论是唯一被认为可以解释这一谜团的理论,它是量子场论的推广,通过有长度的物体取代诸如电子的点状物体来消除所有的无穷大量。无论结果何如,从科学的黎明时期就开始的对自然的终极理解之梦将继续成为新知识的推动力。从现在开始的一个世纪,不断地追寻这个梦,其结果将使我们所有的想象成为现实。
『贰』 普朗克一生有什么重要成就并产生了什么影响
普朗克一生发表了215篇研究论文和7部著作,内容涉及热力学、动力学等许多领域,这些都是人类历史上宝贵的财富。但他最大的成就还是提出了“量子假说”,打破了经典物理学的框架,从而开辟了一个物理学研究的新纪元。
『叁』 普朗克和玻尔给我们留下了什么科学成果
普朗克和玻尔使物理学从经典力学引入到量子力学。
1900年德国科学家马克斯·普朗克提出了一个大胆的假说,在科学界一鸣惊人。这一假说认为辐射能(即光波能)不是一种连续不断的流的形式,而是由小微粒组成的。他把这种小微粒叫做量子。
玻尔通过引入量子化条件,提出了玻尔模型来解释氢原子光谱;提出互补原理和哥本哈根诠释来解释量子力学,他还是哥本哈根学派的创始人,对二十世纪物理学的发展有深远的影响。
『肆』 伟大科学家普朗克简介 普朗克有哪些研究成果
一、生平简介
普朗克,M.(Max Planck 1858~1947)近代伟大的德国物理学家,量子论的奠基人。1858年4月23日生于基尔。1867年,其父民法学教授J.W.von普朗克应慕尼黑大学的聘请任教,从而举家迁往慕尼黑。普朗克在慕尼黑度过了少年时期,1874年入慕尼黑大学。1877~1878年间,去柏林大学听过数学家K.外尔斯特拉斯和物理学家H.von亥姆霍兹和G.R.基尔霍夫的讲课。普朗克晚年回忆这段经历时说,这两位物理学家的人品和治学态度对他有深刻影响,但他们的讲课却不能吸引他。在柏林期间,普朗克认真自学了R.克劳修斯的主要著作《力学的热理论》,使他立志去寻找象热力学定律那样具有普遍性的规律。1879年普朗克在慕尼黑大学得博士学位后,先后在慕尼黑大学和基尔大学任教。1888年基尔霍夫逝世后,柏林大学任命他为基尔霍夫的继任人(先任副教授,1892年后任教授)和理论物理学研究所主任。1900年,他在黑体辐射研究中引入能量量子。由于这一发现对物理学的发展作出的贡献,他获得1918年诺贝尔物理学奖。
自20世纪20年代以来,普朗克成了德国科学界的中心人物,与当时德国以及国外的知名物理学家都有着密切联系。1918年被选为英国皇家学会会员,1930~1937年他担任威廉皇帝协会会长。在那时期,柏林、哥廷根、慕尼黑、莱比锡等大学成为世界科学的中心,是同普朗克、W.能斯脱、A.索末菲等人的努力分不开的。在纳粹攫取德国政权后,以一个科学家对科学、对祖国的满腔热情与纳粹分子展开了,为捍卫科学的尊严而斗争。1947年10月4日在哥廷根逝世。
二、科学成就
1.普朗克早期的研究领域主要是热力学。他的博士论文就是《论热力学的第二定律》。此后,他从热力学的观点对物质的聚集态的变化、气体与溶液理论等进行了研究。
2.提出能量子概念
普朗克在物理学上最主要的成就是提出著名的普朗克辐射公式,创立能量子概念。
19世纪末,人们用经典物理学解释黑体辐射实验的时候,出现了著名的所谓“紫外灾难”。虽然瑞利、金斯(1877—1946)和维恩(1864—1928)分别提出了两个公式,企图弄清黑体辐射的规律,但是和实验相比,瑞利-金斯公式只在低频范围符合,而维恩公式只在高频范围符合。普朗克从1896年开始对热辐射进行了系统的研究。他经过几年艰苦努力,终于导出了一个和实验相符的公式。他于1900年10月下旬在《德国物理学会通报》上发表一篇只有三页纸的论文,题目是《论维恩光谱方程的完善》,第一次提出了黑体辐射公式。12月14日,在德国物理学会的例会上,普朗克作了《论正常光谱中的能量分布》的报告。在这个报告中,他激动地阐述了自己最惊人的发现。他说,为了从理论上得出正确的辐射公式,必须假定物质辐射(或吸收)的能量不是连续地、而是一份一份地进行的,只能取某个最小数值的整数倍。这个最小数值就叫能量子,辐射频率是ν的能量的最小数值ε=hν。其中h,普朗克当时把它叫做基本作用量子,现在叫做普朗克常数。普朗克常数是现代物理学中最重要的物理常数,它标志着物理学从“经典幼虫”变成“现代蝴蝶”。1906年普朗克在《热辐射讲义》一书中,系统地总结了他的工作,为开辟探索微观物质运动规律新途径提供了重要的基础。
三、趣闻轶事
1.启蒙老师
普朗克走上研究自然科学的道路,在很大程度上应该归功于一个名叫缪勒的中学老师。普朗克童年时期爱好音乐,又爱好文学。后来他听了缪勒讲的一个动人故事:一个建筑工匠花了很大的力气把砖搬到屋顶上,工匠做的功并没有消失,而是变成能量贮存下来了;一旦砖块因为风化松动掉下来,砸在别人头上或者东西上面,能量又会被释放出来,……这个能量守恒定律的故事给普朗克留下了终生难忘的印象,不但使他的爱好转向自然科学,而且成为他以后研究工作的基础之一。
2.“普朗克行星”
普朗克进入科学殿堂以后,无论遇到什么困难,都没有动摇过他献身于科学的决心。他的家庭相继发生过许多不幸:1909年妻子去世,1916年儿子在第一次世界大战中战死,1917年和1919年两个女儿先后都死于难产,1944年长子被希特勒处死。但是普朗克总是用奋发忘我的工作抑制自己的感情和悲痛,为科学做出了一个又一个重要的贡献。
他一生发表了215篇研究论文和7部著作,其中包括1959年所著的《物理学中的哲学》一书。
在普朗克诞辰80周年的庆祝会上,人们“赠给”他一个小行星,并命名为“普朗克行星”。1946年他虽然体弱,但却非常高兴地出席了皇家学会的纪念牛顿的集会。
3.墓碑号刻着他的名和h的值
普朗克为人谦虚,作风严谨。在1918年4月德国物理学会庆贺他60寿辰的纪念会上,普朗克致答词说:“试想有一位矿工,他竭尽全力地进行贵重矿石的勘探,有一次他找到了天然金矿脉,而且在进一步研究中发现它是无价之宝,比先前可能设想的还要贵重无数倍。假如不是他自己碰上这个宝藏,那么无疑地,他的同事也会很快地、幸运地碰上它的。”这当然是普朗克的谦虚。洛仑兹在评论普朗克关于能量子这个大胆假设的时候所说的话,才道出了问题的本质。他说:“我们一定不要忘记,这样灵感观念的好运气,只有那些刻苦工作和深入思考的人才能得到。”
1947年10月3日,普朗克在哥廷根病逝,终年89岁。德国政府为了纪念这位伟大的物理学家,把威廉皇家研究所改名叫普朗克研究所。
普朗克的墓在哥庭根市公墓内,其标志是一块简单的矩形石碑,上面只刻着他的名字,下角写着: h=6.62×10-27尔格·秒。
有几点不明确或者欠妥
1 Planck在客观上也是事实上最早引入了量子的概念,但其主观初衷正好相反,他是在维护经典物理,只是用量子在调和实验与理论的矛盾,这点他自己都不否认,也许这才是他值得尊敬的地方,真正在主观上刻意引入量子的是老爱,用途?解释光电效应
2 说道物理学中最重要的常数,只说h未免少了一个c?这样才能4分物理
3 说道对抗纳粹,有2类人,1类,老爱,费米,伦敦兄弟(London,Fritz; Heinz),Born,Max,他们直接离开了当时的纳粹德国或者意大利,第2类,Sommerfeld,Planck,Hahn,von Laue,Heisenberg都反对当时Stark提出的所谓亚利安物理学,(Stark是有一定学术造诣的,也是个彻头彻尾的纳粹,赶跑了老爱,当上了威廉皇家研究所的头,二战后还被关了10个月),其实若不是Hahn和Heisenberg是反对纳粹,而消极怠工,最先造出原子弹的很可能是德国,历史恐怕也不会有现在这么简单,战后,Goettingen18著名科学家联名反对联邦德国发展核武器,所以德国至今没有核武,不得不与法国走到一起。
『伍』 普朗克在俩次世界大战中失去了什么并有什么影响
普朗克经历了两次世界大战,在战争中,他失去了一切,包括亲人和他一生的研究成果——最珍爱的手稿。遭受这样的打击,对一般人来说是难以承受的,更不要说对一位年过半百的老人。在如此艰难的条件下,普朗克仍以忘我的工作精神抑制了内心的悲痛,为科学做出了一个又一个重要的贡献。
『陆』 普朗克的主要成就
马克斯·普朗克(Max Planck,1858年4月23日-1947年10月4日),出生于德国荷尔施泰因,是德国著名的物理学家和量子力学的重要创始人。
且和爱因斯坦并称为二十世纪最重要的两大物理学家。他因发现能量量子化而对物理学的又一次飞跃做出了重要贡献,并在1918年荣获诺贝尔物理学奖 。
1874年,普朗克进入慕尼黑大学攻读数学专业,后改读物理学专业。1877年转入柏林大学,曾聆听亥姆霍兹和基尔霍夫教授的讲课,1879年获得博士学位。1930年至1937年任德国威廉皇家学会的会长,该学会后为纪念普朗克而改名为马克斯·普朗克学会 。
从博士论文开始,普朗克一直关注并研究热力学第二定律,发表诸多论文。大约1894年起,开始研究黑体辐射问题,发现普朗克辐射定律,并在论证过程中提出能量子概念和常数h(后称为普朗克常数),成为此后微观物理学中最基本的概念和极为重要的普适常量。1900年12月14日,普朗克在德国物理学会上报告这一结果,成为量子论诞生和新物理学革命宣告开始的伟大时刻。由于这一发现,普朗克获得了1918年诺贝尔物理学奖 。
『柒』 普朗克黑体公式为什么宣告了牛顿时代的终结
物理学史可以分为三个时代,分别是由古希腊学者亚里士多德开创的亚里士多德时代,第二个时代就是由伽利略开创到牛顿手里完善的经典物理学时代,也被称为牛顿时代,经典物理学是以经典力学、经典电磁场理论和经典统计力学为三大支柱的经典物理体系。。而第三个时代则是现代物理学时代。