1858年的4月23日，德國(guó)物理學(xué)家馬克斯·普朗克誕生，他被譽(yù)為量子物理學(xué)的奠基人。20世紀(jì)初，普朗克確立了量子論，這一理論成為推動(dòng)物理學(xué)深刻變革的關(guān)鍵因素之一（另一關(guān)鍵因素是相對(duì)論）。因其對(duì)黑體輻射的深入研究，他提出了能量子的概念，并因此榮獲1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

緣起大煉鋼鐵

在19世紀(jì)與20世紀(jì)交替之際，德國(guó)正經(jīng)歷著一場(chǎng)深刻的工業(yè)化變革，其中鋼鐵工業(yè)的迅猛崛起尤為引人注目。在這一進(jìn)程中，一個(gè)至關(guān)重要的技術(shù)難題浮出水面：如何精確測(cè)量鐵水或鋼水的溫度？

起初，工匠們僅憑觀察鐵水的顏色來(lái)大致估算爐火的溫度。然而，隨著20世紀(jì)初經(jīng)典物理學(xué)的飛速發(fā)展，這種粗略的方法已難以滿足工業(yè)生產(chǎn)的精確需求。因此，對(duì)鐵水溫度進(jìn)行精確測(cè)量的呼聲日益高漲。

20世紀(jì)偉大科學(xué)家合影（第一排左起：朗繆爾、普朗克、居里夫人、洛倫茲、愛(ài)因斯坦等）

物理學(xué)家們迅速響應(yīng)這一挑戰(zhàn)，他們深知光作為一種電磁波，其顏色與波長(zhǎng)緊密相關(guān)。于是，一個(gè)創(chuàng)新的思路應(yīng)運(yùn)而生：通過(guò)測(cè)定鐵水發(fā)出的光的波長(zhǎng)，即可推算出其對(duì)應(yīng)的溫度。

德國(guó)物理學(xué)家維恩在這一領(lǐng)域取得了初步成果。他認(rèn)為，決定鐵水顏色的主要光的波長(zhǎng)與鐵水的溫度呈反比關(guān)系，并據(jù)此提出了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，即著名的維恩位移定理。盡管當(dāng)時(shí)維恩尚未揭示這一公式背后的深層物理意義，但他的工作無(wú)疑為后續(xù)的研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

隨后，眾多物理學(xué)家紛紛投身這一研究領(lǐng)域，其中玻爾茲曼作為普朗克的導(dǎo)師，貢獻(xiàn)尤為突出。他們?yōu)殇撍畼?gòu)建了一個(gè)名為“黑體”的物理模型，將高溫鋼水發(fā)出的光稱為黑體輻射。玻爾茲曼通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，黑體輻射的總功率與溫度的四次方成正比，這一發(fā)現(xiàn)被稱為玻爾茲曼定理。

在玻爾茲曼的影響下，普朗克也加入了黑體輻射的研究行列。與其他物理學(xué)家不同，普朗克以熵的公式著稱，因此他在思考問(wèn)題時(shí)，不僅從能量的角度出發(fā)，還善于從熵的角度進(jìn)行深入分析。

當(dāng)時(shí)，維恩近似在短波范圍內(nèi)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，但在長(zhǎng)波范圍內(nèi)則存在較大偏差；而瑞利-金斯公式則恰好相反，在長(zhǎng)波范圍內(nèi)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符，但在短波處則出現(xiàn)較大偏差。面對(duì)這一困境，普朗克決定對(duì)這兩個(gè)公式進(jìn)行整合。

通過(guò)運(yùn)用純數(shù)學(xué)的方法，普朗克成功推導(dǎo)出一個(gè)簡(jiǎn)潔的微分方程。這一方程的提出，不僅為鐵水溫度的精確測(cè)量提供了理論支持，更為后續(xù)量子力學(xué)的誕生奠定了重要基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)深入探究與積分運(yùn)算，科學(xué)家最終得出了普朗克黑體輻射方程。與普朗克的前輩科學(xué)家們相似，當(dāng)這一方程首次面世時(shí)，普朗克本人對(duì)其蘊(yùn)含的物理意義亦不甚了了。然而，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家們?cè)陔S后的研究中驚奇地發(fā)現(xiàn)，普朗克所提出的這一公式，在整個(gè)電磁波譜的范圍內(nèi)，與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果均展現(xiàn)出了驚人的吻合度。

在推導(dǎo)該方程的過(guò)程中，普朗克創(chuàng)造性地設(shè)想電磁場(chǎng)的能量是按照物質(zhì)內(nèi)部帶電振子的不同振動(dòng)模式進(jìn)行分布的。而普朗克公式得以成立的一個(gè)核心前提假設(shè)是：這些振子的能量并非連續(xù)可變，而是只能取某些基本能量單位的整數(shù)倍。這些基本能量單位的大小僅與電磁波的頻率相關(guān)聯(lián)，并且與頻率成正比——這一革命性的觀點(diǎn)，即為普朗克所提出的能量量子化假說(shuō)。

不情愿的革命者

普朗克提出的量子假說(shuō)揭示了輻射的本質(zhì)：輻射由離散的能量單元組成，即量子，這一觀念類似于物質(zhì)由原子構(gòu)成的概念。量子的能量水平與其波長(zhǎng)成反比，波長(zhǎng)越短則能量越高，反之則越低；同時(shí)，量子能量與頻率成正比。這一發(fā)現(xiàn)為新物理學(xué)的誕生奠定了基石。

年輕時(shí)的普朗克

量子假說(shuō)標(biāo)志著物理學(xué)邁入了一個(gè)嶄新的發(fā)展階段，它在經(jīng)典物理學(xué)的龐大體系中開(kāi)辟了新的道路，為現(xiàn)代物理學(xué)理論的構(gòu)建提供了全新的基礎(chǔ)。光量子的提出堪稱革命性突破，普朗克因此成為量子力學(xué)發(fā)展史上的先驅(qū)。然而，深受經(jīng)典物理學(xué)熏陶的普朗克，對(duì)于量子假說(shuō)對(duì)經(jīng)典理論的“挑戰(zhàn)”感到內(nèi)心掙扎，這在一定程度上阻礙了他進(jìn)一步突破經(jīng)典物理學(xué)框架，探索全新物理學(xué)理論的步伐。相反，他試圖將量子假說(shuō)融入經(jīng)典物理學(xué)體系，甚至一度努力取消這一假說(shuō)。

在1901年至1914年的15年間，普朗克兩次嘗試修改其原始理論，以期與經(jīng)典物理學(xué)理論相協(xié)調(diào)。1911年，他提出了第二個(gè)理論，對(duì)量子假說(shuō)進(jìn)行了部分調(diào)整，認(rèn)為量子在發(fā)射時(shí)是不連續(xù)的，而在吸收時(shí)則保持連續(xù)。1914年，他進(jìn)一步提出了第三個(gè)理論，全面修改了量子假說(shuō)，認(rèn)為無(wú)論是發(fā)射還是吸收，量子都是連續(xù)的。然而，這一理論在1915年未獲廣泛認(rèn)可而被放棄。

普朗克晚年終于意識(shí)到，將量子假說(shuō)納入經(jīng)典物理學(xué)體系的努力是徒勞的。 普朗克坦承：“我多年致力于將基本作用量子融入古典理論，卻未能如愿，付出了巨大努力卻收效甚微。如今我深刻意識(shí)到，基本作用量子在物理學(xué)理論中的地位，遠(yuǎn)超我昔日所受質(zhì)疑的程度?！?/p>

盡管普朗克作為新理論的先驅(qū)，率先提出了量子假說(shuō)，但遺憾的是，他并未能在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步構(gòu)建出微觀物理學(xué)的新紀(jì)元——量子力學(xué)體系，而是在這一關(guān)鍵點(diǎn)上止步不前，錯(cuò)失了深化研究成果的良機(jī)。正當(dāng)普朗克對(duì)其量子假說(shuō)進(jìn)行修正之際，德國(guó)物理學(xué)家愛(ài)因斯坦挺身而出，以非凡的勇氣與洞察力，繼續(xù)推動(dòng)量子理論的發(fā)展。他不僅驗(yàn)證了量子的存在，更是在普朗克假說(shuō)的基礎(chǔ)上，為量子力學(xué)的構(gòu)建添磚加瓦，做出了重要貢獻(xiàn)。

參考來(lái)源：科普中國(guó)、環(huán)球物理、搜狐網(wǎng)