國立中興大學物理學系

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2019-05-17

讓鉑銥金屬退場的男人—普朗克 (廖仁吉 中興大學物理系學生)

想像在多年後,地球人想與外星人進行食物交易,地球人的你還拿著鉑銥公斤原器作為測量質量的標準,這也許會變成銀河系的笑話。幸好這個笑話不會發生,在2018年11月16日,第26屆國際度量衡大會通過了新的國際單位制基本單位定義的提案,新定義則將於2019年5月20日生效;其中最引人注目的改變就是:一公斤的定義;之前我們都是以一個被嚴加保護的「鉑銥公斤原器」作為標準去定義一公斤有多重;現在我們不需要這個受到嚴密監控的原器了,而改由用電磁力測量普朗克常數時衍生之數值來定義。
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但「普朗克」到底是誰,為什麼這個常數可以用他的名字來命名?在科學的發展史上,多虧了普朗克開啟物理界一道新的大門「量子物理」;他提出了「量子」這個的想法,推翻了之前的古典理論。

馬克斯・普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck, 1858-1947)出身於傳統學者家族。在他慕尼黑的中學時代,遇到物理學的啟蒙老師:奧斯卡·馮·米勒(Oskar von Miller),在米勒的教導下,學習許多力學、數學及天文學的相關背景知識。也就是因為在如此傳統的教育下成長,導致他發現「量子現象」後,依舊對古典物理深信不疑。
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「連續性」的觀念,從17世紀牛頓力學建立後已經深入了物理學,在古典物理學認為能量是連續的,在19世紀時,又因為馬克士威電磁場理論的整理,使這一觀念更加深植人心。所以19世紀後,人們認為這個世界再也沒有任何新的理論需要提出了,因為古典物理學解決了我們生活中大部分所遇到的的問題,也獲得人民巨大的認同,科學家們便認為物理學已經走到它的頂峰和盡頭。

就因為在這樣的教育環境下,普朗克向慕尼黑大學的物理學教授詢問意見時,就曾被苦口婆心地告誡:「這門科學中的一切都已經被研究了,只有一些不重要的空白需要被填補」,但幸好普朗克回覆:「我並不期望發現新大陸,只希望理解已經存在的物理學基礎,或許能將其加深。」

當時有個黑體輻射的問題正是古典物理的例外。科學家將一個密閉的金屬容器開一個極小的孔,將金屬容器加熱後,從小孔輻射出來的光就是黑體輻射。在黑體輻射實驗中,輻射強度與頻率的關係是無法依靠著古典物理的理論解釋。因此這個問題難倒所有物理學家,而普朗克也把心力全部放在研究黑體輻射上。

 
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圖片來源:Daniel V. Schroeder所著的《An Introduction to Thermal Physics》

在當時有兩個描述黑體輻射的理論:一個是從熱力學推導的「維因定律」只適用於高頻區段;另一個則是結合電磁學的「瑞利─金斯定律」,則在中低頻的區段相符。普朗克在研究這兩個定律後,認為必須假設能量像粒子般有最小不可分割的基本單位,圓滿地解釋實驗現象,才得出正確的黑體輻射定律。也就是說在黑體輻射的情況下能量是不連續,與他從小學習的古典物理不符。雖然一開始疑惑許久,最後在1900年底,普朗克發表他的大膽的假說,並給出公式:
 
E=hν

每一個光量子的能量等於一個固定常數乘以其頻率。這個常數就便是我們前面提到的普朗克常數;它非常的小,只有約10-34[HY1] ,卻是個相當重要的鑰匙,從此打開了物理界的大門。

量子這個概念太超乎想像了,但它也畢竟成功解釋了黑體輻射的問題。所以在1908年普朗克第一次被提名諾貝爾物理獎,可是他的提名很快地被否決了,是因為普朗克量子假說的基礎,是以馬克士威的電磁場理論,還不能夠算是真正的量子假說。必須要等到愛因斯坦在1905年用它成功解釋了光電效應,並由密立根於1916年用實驗證實光電效應後,普朗克在1918年終於獲得諾貝爾物理獎。

特別的是普朗克本人卻一直無法接受量子力學。他認為量子的概念只是描述能量吸收與發射的過程,並非把光當成是真的粒子;這與愛因斯坦相同,儘管身為量子力學的發現、推動者,卻始終無法接受逐漸脫離古典物理的量子理論。普朗克晚年回顧這一生,便感嘆:「我的那些試圖將普朗克常數歸入古典理論的嘗試是徒勞的,卻花費了我多年的時間和精力。」(原文:Meine vergeblichen Versuche, das Wirkungsquantum irgendwie der klassischen Theorie einzugliedern, erstreckten sich auf eine Reihe von Jahren und kosteten mich viel Arbeit.)

從這句話得知了他對量子理論的不信任,但更多的是對古典理論的熱愛及深信不疑。

晚年,普朗克本人雖然受到越來越多的健康問題的影響,但他依然前往各地進行巡迴演講。1946年7月,普朗克成為唯一一位被邀請的德國人,參加了皇家學會紀念牛頓誕辰300周年的慶典。在1947年10月4日,普朗克在跌倒和多次中風的後遺症下逝世,終年享89歲。


參考資料

維基百科、物理雙月刊、
https://kknews.cc/zh-tw/science/9x8aoj.html
https://hk.thenewslens.com/article/64739
http://history.pansci.asia/post/117137477020/%E7%A7%91%E5%AD%B8%E5%8F%B2%E4%B8%8A%E7%9A%84%E4%BB%8A%E5%A4%A9423%E6%99%AE%E6%9C%97%E5%85%8B%E8%AA%95%E8%BE%B0max-planck-18581947