普朗克與愛因斯坦的故事——量子光學時期

2021-06-24 13:45:57

普朗克，量子光學的創(chuàng)始人，和愛因斯坦一起成為"20世紀最重要的兩位物理學家。"。普朗克最大的貢獻，這是能量量子化。普朗克量子理論的核心是， 電磁波的吸收和發(fā)射是不連續(xù)的， 它是用最小的能量單位 也就是說，“能子”的增減是跳躍式的。 因為量子理論的正式時間 那是1900年12月14日， 因此，12月14日成為“量子日”， 為了紀念這位偉大的圣人。 靈感來自普朗克， 1905年，愛因斯坦提出了光子假說， 人們認為光在空間中是以光量子的形式傳播的， 光子的能量與光的頻率成正比， 光的頻率越高， 光子的能量越多。 光量子假說， 從理論上論證了赫茲的光電效應， 他還獲得了諾貝爾物理學獎。 同年5月， 愛因斯坦提出了狹義相對論， 它開創(chuàng)了物理學的新紀元。 所以1905年被稱為“愛因斯坦奇跡年”。 所以，在20世紀初， 一方面，確認光是電磁波， 另一方面，它證實了光的量子性質， 證實了波粒二象性是光的實相。

普朗克向愛因斯坦頒獎

兩人的友誼是建立在科學研究、理解和支持的基礎上的。

“正因為如此，普朗克才專注于這門科學中最常見的問題，而不會分散自己對更令人愉快、更容易實現(xiàn)的目標的注意力。我經常聽到同事們試圖把他的態(tài)度歸因于非凡的意志力和修養(yǎng)，但我認為這是錯誤的……”1918年4月，柏林物理學會為著名物理學家馬克斯·普朗克舉行60歲生日慶?；顒?，天才科學家愛因斯坦在會上朗誦了他熱情洋溢的祝賀詞。

這些詞都不是社會性的。普朗克和愛因斯坦既是老師又是朋友。他們有很多友誼，并在科學界傳播了一個好故事。他們都是具有科學獨創(chuàng)性和藝術性的頂尖科學家，也是物理學的代名詞。他們相互作用的故事始于愛因斯坦年（1905年）的一次聚會。

高山流水知己

1905年初春，瑞士伯爾尼專利局的技術人員愛因斯坦應邀參加了德國普朗克莊園的一個由頂尖科學家參加的家庭聚會。晚會的主題是物理和音樂的交流。

普朗克莊園的主人是著名的熱力學權威普朗克，柏林大學物理學教授。他不僅對力學有很深的研究，而且對音樂也有很好的掌握。他擅長彈鋼琴和大提琴。他曾擔任慕尼黑大學學生音樂會的作曲家。他與愛因斯坦的相識是非常偶然的。一個月前，在讀了《物理學紀事》中一篇關于相對論的論文后，他主動聯(lián)系了不知名的作家愛因斯坦。他們交流得很好，現(xiàn)在見面已經太遲了。普朗克邀請愛因斯坦到莊園進行深入交流。

那一年，普朗克47歲，愛因斯坦26歲，從雙方的年齡和社會影響來看，愛因斯坦自然感到受寵若驚。 

普朗克為科學和友誼而“改變”

聚會上，普朗克彈鋼琴，愛因斯坦拉小提琴。他們一起演奏貝多芬的名曲。兩人都是被科學耽誤的音樂家，他們對音樂和物理的熱愛使他們成為知心朋友。然而，沒有人想到他們的量子理論和相對論會成為現(xiàn)代物理學的兩大支柱。

演出結束時，大家喝了酒，交換了物理知識。普朗克和愛因斯坦討論了量子理論和黑體輻射公式的應用。

“我聽說你今年要寫幾篇論文，其中一篇將用量子理論來解釋光電效應，對嗎？”普朗克對這個比自己年輕21歲的年輕人評價很高，因為他不知道對方腦子里有多少新奇的想法。

“是的。你已經發(fā)現(xiàn)黑體輻射公式五年了，但是很多人仍然不同意量子理論，”愛因斯坦直接說，“我希望我的論文能讓更多的人相信這個新理論?！?/span>

“非常感謝。你的論文發(fā)表后，我還可以全面闡述黑體輻射公式，總結量子理論。”普朗克高興地說。

3月18日，在普朗克莊園會議結束后，愛因斯坦發(fā)表了一篇題為“光的產生和轉換的啟發(fā)性觀點”的論文。本文認為光可以看作是一個具有能量的粒子。光子是量子的一種形式，是著名的“光電效應”。量子理論是由普朗克創(chuàng)立的，愛因斯坦豐富了量子理論，提出了新的“光電效應”，他們分別于1918年和1921年獲得諾貝爾物理學獎。他們的友誼在科學研究中得到了升華。

全力支持程伯樂

“奇跡年”最初是天才物理學家牛頓的專利，這意味著他在1666創(chuàng)立了萬有引力理論，奠定了經典物理學的基礎。1905，愛因斯坦發(fā)表了六篇“驚天動地”的論文，一舉奠定了現(xiàn)代物理學的基礎，因此科學界稱之為“愛因斯坦奇跡年”。六篇論文中的第一篇是關于光的產生和轉換的啟發(fā)性觀點。

從這篇論文中，普朗克更加關心愛因斯坦，并充分利用自己的地位幫助和支持這位物理學新秀。

德國官方馬克2號硬幣使用普朗克肖像（圖片來源：物理網(wǎng)）

同年6月，愛因斯坦向德國權威物理學雜志《物理年鑒》提交了一篇題為《運動物體的電動力學》的論文。作為該雜志的總編輯，當普朗克第一次看到這篇文章時，他不禁為之鼓掌。然而，他在發(fā)表這篇文章時仍然猶豫不決：文章中提到的相對論（即狹義相對論）很少有人能理解（愛因斯坦以前在其他場合也提到過），德國更難承認這位同胞的巨大貢獻；兩本《物理年鑒》是一本權威雜志，以“半個世紀前敢于擅自拒絕發(fā)表有關能量守恒定律的論文”而聞名。

盡管如此，普朗克不僅及時地將狹義相對論引入了德國物理學界，而且還發(fā)表了《受壓運動物體的電動力學》一文。這是愛因斯坦當年發(fā)表的第四篇天才論文。

在歐洲發(fā)表的論文引起軒然大波，一些反對狹義相對論的組織出現(xiàn)在德國，競相批評愛因斯坦。在這方面，普朗克不僅寫了支持狹義相對論的文章，還在各種集會上對愛因斯坦表示支持。他成了最早的相對論保護者。

除了學術上的支持，普朗克還對愛因斯坦表現(xiàn)出博樂式的關懷。他知道愛因斯坦不善于講課。雖然他從伯爾尼專利局轉為伯尼爾大學作為副教授，講課浪費了很多時間。經過深思熟慮后，他要求有人給愛因斯坦寄一封特殊的聘書，上面寫著：“愛因斯坦先生是柏林洪堡特大學的一名講師，他可以選擇教與不教?！?/span>

普朗克（中）和愛因斯坦（圖片來源：物理網(wǎng)）在柏林出席物理學會會議

后來，以普朗克為首的四位最著名學者聯(lián)合致函德國教育部，提議選舉愛因斯坦為普魯士科學院院士。那一年是1913年，也就是相對論被證實的六年前，愛因斯坦紅得發(fā)紫！

正義之聲被移除

第一次世界大戰(zhàn)后，德國納粹黨領袖希特勒迫害猶太科學家。1933年秋，來自猶太家庭的愛因斯坦被迫去了美國，后來不得不成為美國公民。在憤怒中，希特勒首先要求人們檢查愛因斯坦的住所，燒毀所有書籍，并查封銀行賬戶。隨后，他啟動了一臺宣傳機器，稱愛因斯坦為“祖國的叛徒”，并懸賞10萬馬克買他的頭。

普朗克剛從國外旅游回來，得到消息后非常焦慮。經過深思熟慮，作為德國威廉皇家學會會長，他向德國科學院鄭重聲明：“愛因斯坦先生是杰出的物理學家之一。他在我們科學院發(fā)表的著作對本世紀的物理學作出了巨大貢獻。只有開普勒和牛頓的成就才能與之匹敵。。。我認為說這些話很有必要，首先要讓后人不要認為愛因斯坦在科學院的同事不能充分理解他對科學發(fā)展的意義?！?/span>

普朗克為科學和友誼“改變”（圖片來源：物理學雙月刊）

希特勒對這一聲明感到憤怒。他沒有當場采取行動，而是等了一年多才以其他理由解除普朗克的總統(tǒng)職務。

附言

普朗克的感激和幫助使愛因斯坦終生難忘。他們既是老師又是朋友，他們之間的友誼在時間的洗禮中變得更加醇厚。這是一種基于科學研究和相互理解與支持的友誼。除了上述愛因斯坦發(fā)自內心的對普朗克60歲生日的衷心祝賀外，還可以看到愛因斯坦在1947年普朗克逝世后的悼詞，悼詞對普朗克做出了公正的評價，其部分句子如下：

“一個用偉大的創(chuàng)意造福世界的人，不需要后人的贊揚。他（普朗克）的成就本身給了他更高的回報(量子理論）打破了經典力學和電動力學的整體框架，為科學提出了一項新的任務：為所有物理學找到新的概念基礎