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普朗克与爱因斯坦的故事——量子光学时期 2021-06-24

普朗克,量子光学的创始人,和爱因斯坦一起成为"20世纪最重要的两位物理学家。"。普朗克最大的贡献,这是能量量子化。普朗克量子理论的核心是, 电磁波的吸收和发射是不连续的, 它是用最小的能量单位 也就是说,“能子”的增减是跳跃式的。 因为量子理论的正式时间 那是1900年12月14日, 因此,12月14日成为“量子日”, 为了纪念这位伟大的圣人。 灵感来自普朗克, 1905年,爱因斯坦提出了光子假说, 人们认为光在空间中是以光量子的形式传播的, 光子的能量与光的频率成正比, 光的频率越高, 光子的能量越多。 光量子假说, 从理论上论证了赫兹的光电效应, 他还获得了诺贝尔物理学奖。 同年5月, 爱因斯坦提出了狭义相对论, 它开创了物理学的新纪元。 所以1905年被称为“爱因斯坦奇迹年”。 所以,在20世纪初, 一方面,确认光是电磁波, 另一方面,它证实了光的量子性质, 证实了波粒二象性是光的实相。

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普朗克向爱因斯坦颁奖


两人的友谊是建立在科学研究、理解和支持的基础上的。

“正因为如此,普朗克才专注于这门科学中最常见的问题,而不会分散自己对更令人愉快、更容易实现的目标的注意力。我经常听到同事们试图把他的态度归因于非凡的意志力和修养,但我认为这是错误的……”1918年4月,柏林物理学会为著名物理学家马克斯·普朗克举行60岁生日庆祝活动,天才科学家爱因斯坦在会上朗诵了他热情洋溢的祝贺词。


这些词都不是社会性的。普朗克和爱因斯坦既是老师又是朋友。他们有很多友谊,并在科学界传播了一个好故事。他们都是具有科学独创性和艺术性的顶尖科学家,也是物理学的代名词。他们相互作用的故事始于爱因斯坦年(1905年)的一次聚会。

高山流水知己

1905年初春,瑞士伯尔尼专利局的技术人员爱因斯坦应邀参加了德国普朗克庄园的一个由顶尖科学家参加的家庭聚会。晚会的主题是物理和音乐的交流。

普朗克庄园的主人是著名的热力学权威普朗克,柏林大学物理学教授。他不仅对力学有很深的研究,而且对音乐也有很好的掌握。他擅长弹钢琴和大提琴。他曾担任慕尼黑大学学生音乐会的作曲家。他与爱因斯坦的相识是非常偶然的。一个月前,在读了《物理学纪事》中一篇关于相对论的论文后,他主动联系了不知名的作家爱因斯坦。他们交流得很好,现在见面已经太迟了。普朗克邀请爱因斯坦到庄园进行深入交流。

那一年,普朗克47岁,爱因斯坦26岁,从双方的年龄和社会影响来看,爱因斯坦自然感到受宠若惊。 


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普朗克为科学和友谊而“改变”


聚会上,普朗克弹钢琴,爱因斯坦拉小提琴。他们一起演奏贝多芬的名曲。两人都是被科学耽误的音乐家,他们对音乐和物理的热爱使他们成为知心朋友。然而,没有人想到他们的量子理论和相对论会成为现代物理学的两大支柱。

演出结束时,大家喝了酒,交换了物理知识。普朗克和爱因斯坦讨论了量子理论和黑体辐射公式的应用。

“我听说你今年要写几篇论文,其中一篇将用量子理论来解释光电效应,对吗?”普朗克对这个比自己年轻21岁的年轻人评价很高,因为他不知道对方脑子里有多少新奇的想法。

“是的。你已经发现黑体辐射公式五年了,但是很多人仍然不同意量子理论,”爱因斯坦直接说,“我希望我的论文能让更多的人相信这个新理论。”

“非常感谢。你的论文发表后,我还可以全面阐述黑体辐射公式,总结量子理论。”普朗克高兴地说。

3月18日,在普朗克庄园会议结束后,爱因斯坦发表了一篇题为“光的产生和转换的启发性观点”的论文。本文认为光可以看作是一个具有能量的粒子。光子是量子的一种形式,是著名的“光电效应”。量子理论是由普朗克创立的,爱因斯坦丰富了量子理论,提出了新的“光电效应”,他们分别于1918年和1921年获得诺贝尔物理学奖。他们的友谊在科学研究中得到了升华。


全力支持程伯乐

“奇迹年”最初是天才物理学家牛顿的专利,这意味着他在1666创立了万有引力理论,奠定了经典物理学的基础。1905,爱因斯坦发表了六篇“惊天动地”的论文,一举奠定了现代物理学的基础,因此科学界称之为“爱因斯坦奇迹年”。六篇论文中的第一篇是关于光的产生和转换的启发性观点。

从这篇论文中,普朗克更加关心爱因斯坦,并充分利用自己的地位帮助和支持这位物理学新秀。

德国官方马克2号硬币使用普朗克肖像(图片来源:物理网)

同年6月,爱因斯坦向德国权威物理学杂志《物理年鉴》提交了一篇题为《运动物体的电动力学》的论文。作为该杂志的总编辑,当普朗克第一次看到这篇文章时,他不禁为之鼓掌。然而,他在发表这篇文章时仍然犹豫不决:文章中提到的相对论(即狭义相对论)很少有人能理解(爱因斯坦以前在其他场合也提到过),德国更难承认这位同胞的巨大贡献;两本《物理年鉴》是一本权威杂志,以“半个世纪前敢于擅自拒绝发表有关能量守恒定律的论文”而闻名。

尽管如此,普朗克不仅及时地将狭义相对论引入了德国物理学界,而且还发表了《受压运动物体的电动力学》一文。这是爱因斯坦当年发表的第四篇天才论文。


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在欧洲发表的论文引起轩然大波,一些反对狭义相对论的组织出现在德国,竞相批评爱因斯坦。在这方面,普朗克不仅写了支持狭义相对论的文章,还在各种集会上对爱因斯坦表示支持。他成了最早的相对论保护者。

除了学术上的支持,普朗克还对爱因斯坦表现出博乐式的关怀。他知道爱因斯坦不善于讲课。虽然他从伯尔尼专利局转为伯尼尔大学作为副教授,讲课浪费了很多时间。经过深思熟虑后,他要求有人给爱因斯坦寄一封特殊的聘书,上面写着:“爱因斯坦先生是柏林洪堡特大学的一名讲师,他可以选择教与不教。”

普朗克(中)和爱因斯坦(图片来源:物理网)在柏林出席物理学会会议

后来,以普朗克为首的四位最著名学者联合致函德国教育部,提议选举爱因斯坦为普鲁士科学院院士。那一年是1913年,也就是相对论被证实的六年前,爱因斯坦红得发紫!

正义之声被移除

第一次世界大战后,德国纳粹党领袖希特勒迫害犹太科学家。1933年秋,来自犹太家庭的爱因斯坦被迫去了美国,后来不得不成为美国公民。在愤怒中,希特勒首先要求人们检查爱因斯坦的住所,烧毁所有书籍,并查封银行账户。随后,他启动了一台宣传机器,称爱因斯坦为“祖国的叛徒”,并悬赏10万马克买他的头。

普朗克刚从国外旅游回来,得到消息后非常焦虑。经过深思熟虑,作为德国威廉皇家学会会长,他向德国科学院郑重声明:“爱因斯坦先生是杰出的物理学家之一。他在我们科学院发表的著作对本世纪的物理学作出了巨大贡献。只有开普勒和牛顿的成就才能与之匹敌。。。我认为说这些话很有必要,首先要让后人不要认为爱因斯坦在科学院的同事不能充分理解他对科学发展的意义。”

普朗克为科学和友谊“改变”(图片来源:物理学双月刊)

希特勒对这一声明感到愤怒。他没有当场采取行动,而是等了一年多才以其他理由解除普朗克的总统职务。

附言

普朗克的感激和帮助使爱因斯坦终生难忘。他们既是老师又是朋友,他们之间的友谊在时间的洗礼中变得更加醇厚。这是一种基于科学研究和相互理解与支持的友谊。除了上述爱因斯坦发自内心的对普朗克60岁生日的衷心祝贺外,还可以看到爱因斯坦在1947年普朗克逝世后的悼词,悼词对普朗克做出了公正的评价,其部分句子如下:

“一个用伟大的创意造福世界的人,不需要后人的赞扬。他(普朗克)的成就本身给了他更高的回报(量子理论)打破了经典力学和电动力学的整体框架,为科学提出了一项新的任务:为所有物理学找到新的概念基础









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