01.16 世紀之交的物理學革命(一)——兩位青年

1874年夏天,慕尼黑馬克西米利安文理中學的畢業典禮剛剛結束,一位十六歲的青年正收拾他的行李,準備啟程前往慕尼黑大學報道。他出身書香門第,曾祖父與祖父都是普魯士的神學教授,而他的父親與叔叔則是著名法學家。不過在中學時期,受到恩師馮·米勒的啟蒙,他對數學與物理產生了濃厚的興趣,並決定選此作為他大學的專業。此時的青年相貌非凡,風度翩翩,他的名字,叫做馬克思·普朗克。


世紀之交的物理學革命(一)——兩位青年

青年普朗克

就在普朗克進入大學的前一年,英國物理學家麥克斯韋出版了著作《電磁理論》,書中囊括了他那如上帝給出般完美的方程組,將電場與磁場進行了完整的統一,並預言了電磁波的存在。隨著麥克斯韋的理論橫空出世,關於光的本質那場長達200多年的論戰終於塵埃落定,勝利的天平倒向了惠更斯的光波動學說,而牛頓的光微粒學說暫且成為了歷史的過客。如今,經典物理的最後一張面紗終於被揭起,人們有理由相信,這門學科已然接近完美。


世紀之交的物理學革命(一)——兩位青年

英國物理學家麥克斯韋


世紀之交的物理學革命(一)——兩位青年

麥克斯韋方程組和由其推導出的電磁波


當普朗克走進大學教授馮·約利的辦公室後,馮·約利感受到了眼前這位年輕人對物理學崇高的熱忱,但他還是善意勸說普朗克不要學習物理,因為這門學科中的一切皆已被研究,只剩一些不重要的空白待人填補完善。普朗克略加思考後回答道:“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。”在接下來的3年之中,普朗克一直實踐著自己的這句回答,對基礎物理學理論深入學習廣泛涉獵,特別對於熱力學,普朗克十分著迷。在1877年本科畢業後,他前往柏林大學繼續深造,期間結識了亥姆霍茲與基爾霍夫教授,並通過學習克勞修斯的熱力學講義而獲益頗深,開始專注於熱力學領域的研究。兩年之後的1879年,普朗克完成博士論文《論熱力學第二定律》,並順利獲得博士學位。

就在同一年,距離慕尼黑西北約130公里的城市烏爾姆,一個猶太家庭迎來了他們的第一位孩子,他們為他取名艾爾伯特·愛因斯坦。彼時的德國,受到上個世紀法國大革命後歐洲自由與人權思潮的影響,對猶太人實行了寬鬆的政策;而另一方面,在鐵血宰相俾斯麥的帶領下,普魯士王國接連贏下普丹戰爭(1864年)、普奧戰爭(1866年),與普法戰爭(1870年),並於1871年合併除奧地利以外的其他德意志聯邦各邦國,成立德意志帝國。德國自此走向統一的民族國家之路。


世紀之交的物理學革命(一)——兩位青年

在鐵血宰相俾斯麥的帶領下,德意志走向民族統一與工業強大,但軍國主義思想也在國內社會也大肆蔓延

“鐵”與“血”獲得空前成功,讓社會上下對軍國主義、國家意志的思想行為產生了極大的認同,這種氛圍也浸潤到了德國的中學教育。與普朗克天生純正的日耳曼血統有所不同,愛因斯坦作為一名猶太青年,對這古板的軍事化教學管理產生了極大的厭倦。終於在1894年,愛因斯坦選擇了退學。16歲肄業的愛因斯坦,已徹底失去了就讀德國大學的機會(沒有高中畢業證),但他馬上面臨著一個更大的噩夢:服兵役。要說軍事化管理的德國中學已給愛因斯坦帶來無法忍受的壓抑,以至於其在畢業前選擇退學,那麼在德國從軍則是他無論如何也不能接受的現實。終於,他踏上從慕尼黑前往米蘭的列車,去意大利與他的父母和妹妹瑪雅·愛因斯坦會合,著手新的出路。

世紀之交的物理學革命(一)——兩位青年

中學時的愛因斯坦(右下方)

同年,普朗克當選了普魯士科學院院士。此時的他,正在柏林大學任教,接手的是已故教授基爾霍夫生前的教職工作。基爾霍夫在熱輻射領域有一項重要定律:在同樣溫度下,不同物體對單一波長的熱輻射通量密度與吸收率之比為常數換句話說,“熱輻射通量密度/吸收率”這個數值只是一個關於溫度與輻射波長的函數,而與物體本身的物性無關。這種不依賴於具體物性的規律,往往揭示了由基礎物理量決定的普適性法則,具有很高的研究價值。

接下來,基爾霍夫又提出了一種吸收率等於1的理想化模型——黑體。對黑體而言,基爾霍夫定律就簡化成了“黑體的熱輻射通量密度只與其溫度和輻射波長有關”。至此,黑體輻射成為科學家們研究物體熱輻射的主要手段。作為基爾霍夫的繼任者,普朗克大概就是從這年開始專注於黑體輻射的研究。六年之後,他的成果將為人類開啟一扇通往全新領域的大門……


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基爾霍夫 與一種理想黑體模型

1895年,愛因斯坦終於找到一所適合自己的大學——瑞士蘇黎世聯邦理工學院。這所全歐洲著名的高校,不需要高中畢業證也能報考。16歲的愛因斯坦自學完微積分,參加了學校的入學考試,不幸的是他落榜了。在瑞士阿勞中學又經過一年的複習準備,愛因斯坦才於1896年成功進入蘇黎世聯邦理工學院,學習數學與物理。


世紀之交的物理學革命(一)——兩位青年

今天的瑞士蘇黎世利馬特河畔

愛因斯坦的大學生活可謂是相當不羈,一方面可能是教授的講義太過古板,另一方面則確實是他的性格使然。在四年的時間裡,翹課成為了愛因斯坦的日常。如果今天我們要追尋這位物理學符號式人物青年時代的足跡,也許利馬特河畔的大都會咖啡館是個比蘇黎世聯邦理工學院更好的地方,愛因斯坦與同學高斯曼、貝索等人是這裡的常客,他們在此談論的話題從數學、物理,到哲學、歷史,無不涉獵。這段大學逃課時光造就的咖啡館小論壇,對愛因斯坦產生了深遠的影響。日後,擅長數學的高斯曼和擅長哲學的貝索,都會給愛因斯坦帶來意想不到的幫助。當然,逃課的不良後果也顯而易見,從聯邦理工學院畢業時,愛因斯坦沒能給物理系的教授留下良好的印象,從而失去了留校當助教的機會。另一個逃課的遺憾,則是愛因斯坦錯過了一名與他同年進入學校的優秀教授——閔可夫斯基的大部分數學課程。但是這位具有高尚人格的數學家,卻在若干年後為愛因斯坦的《相對論》做出了重要的數學工作。


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大學時期的愛因斯坦與他的同學們

20世紀元年的鐘聲敲響了······

(待續)


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