物理学“完美”大厦被他一夜推翻，科学进步源自一次不情愿的妥协

19世纪末，经典物理学看似坚不可摧，开尔文勋爵甚至断言“物理学已接近完美”，然而，小小的“乌云”中却暗藏着一场翻天覆地的风暴，最终引爆了20世纪的量子革命。

图（1）“普朗克公式”拟合曲线与黑体辐射实验曲线的对比图

（图片来源：Wikipedia）

1900年，德国物理学家普朗克基于对实验数据的深入分析和数学推导，成功得到与黑体辐射实验曲线完美吻合的“普朗克公式”。这次发现开启了经典物理学向量子理论转变的第一扇大门。他提出的“能量量子化”假说，颠覆了自牛顿以来的连续性世界观，开启了人类认知量子世界的全新纪元。

出道即巅峰：具有敏锐物理直觉的普朗克

其实早在1894年，普朗克就全身心投入到黑体辐射的研究中，他尝试了经典物理学中的几乎所有方法——从电磁理论到热力学统计，却始终未能取得突破。直到1900年10月，普朗克在与德国实验物理学家海因里希・鲁本斯共进晚餐交流后，才开始重新审视和思考自己推导黑体辐射规律的方式。

在当时的研究背景下，普朗克面临的情况是：适用于短波的维恩公式和适用于长波的瑞利-金斯公式，各有优缺点。

维恩公式：基于经典统计的半经验公式，它在短波（高频）区域与实验吻合较好，但在长波（低频）区域则不适用。这主要是因为它仅考虑了高频辐射的一些特性，而在长波区域，其预测结果与实验数据存在较大偏差。这一现象表明，经典统计方法在长波区域具有一定的局限性。

瑞利-金斯公式：基于能量均分原理推导出的理论公式，它在长波区域与实验结果较为一致，但在短波区域却因能量发散导致所谓的“紫外灾难”。“紫外灾难”指的是在短波区域，根据该公式计算得出的辐射强度会随着波长的减小急剧增大，最终导致总辐射能量趋于无穷大。这与实验结果严重不符，深刻揭示了经典能量均分原理在微观领域的局限性。

在深入分析了两个公式的优缺点后，普朗克在那一夜决定暂时抛开经典物理学的理论束缚，尝试用数学中的“内插法”，将维恩公式和瑞利-金斯公式结合起来，以得到一个既能与黑体辐射实验曲线相吻合，又能涵盖短波和长波区域的全新物理学公式。

具体来说，普朗克首先对维恩公式进行了巧妙的调整，引入了一个指数修正项。这一创新性的调整使得新公式在短波区域近似于维恩公式，而在长波区域则近似于瑞利-金斯公式，实际上是在数学形式上寻求一种平衡，以兼顾短波和长波区域的特性。

接着，普朗克通过对黑体辐射实验数据的拟合分析，发现还需要将公式中的某些常数替换为与物理实际相关的参数。其中，最为关键的一步是引入了一个全新的物理常数h，也就是后来闻名于世的普朗克常数。普朗克常数的引入，标志着物理学从传统的经典时代迈入了全新的量子时代，为后续的量子理论发展奠定了重要的基础。

最终，普朗克成功地将维恩公式和瑞利-金斯公式的优点有机结合起来，提出了具有划时代意义的普朗克公式。该公式在短波时与维恩公式相符，长波时则与瑞利-金斯公式一致，完美地解释了黑体辐射现象，解决了长期困扰物理学界的难题。

从本质上来说，普朗克公式的提出具有重要的理论价值和实践意义。当波长很短时，它主要体现了维恩公式的特性；而当波长很长时，则会近似为瑞利-金斯公式的形式。这一公式不仅成功地解释了黑体辐射现象，更重要的是，它暗示了能量的量子化特性，为量子理论的诞生和发展开辟了新的道路，推动了现代物理学的深刻变革。

普朗克公式的重要突破：“能量量子化”假说

为了更清晰地揭示普朗克公式所蕴含的重大意义，我们可从波长与频率的关系切入，深入剖析普朗克公式的频率形式。

普朗克公式表明，电磁波辐射的能量并非如经典物理学所认为的那样是连续的，而是呈现为离散的形式，其能量交换的最小单位是一个被称为“能量子”的基本单位。这一观点在当时无疑是极具颠覆性的，因为经典物理学长期以来一直秉持着能量可连续变化、取任意值的观点。普朗克的发现犹如平地起惊雷，彻底改变了人们对能量的认知，开启了能量量子化的新篇章。

图（3）“能量量子化”的示意图

（图片来源：Wikipedia）

1900年10月19日，在经历无数次基于经典公式的推导却以失败告终后，普朗克带着他的新成果登上了柏林物理学会会议的讲台，发表了一份题为《改进维恩辐射定律》的报告。在报告中，他详细地向在场的科学家们介绍了他的新公式，并阐述了这一公式背后的创新性假设——黑体辐射的能量变化并非连续，而是以最小能量单位的整数倍跳跃式地进行，这个最小能量单位被普朗克命名为“能量子（quantus）”。这一假设在当时无疑是大胆且超前的，毫不客气地挑战了经典物理学的核心观念，为量子力学的诞生奠定了坚实的理论基础。

图（4）1900年，普朗克发表的《改进维恩辐射定律》学术论文

（图片来源：参考文献[1]，Ann. Physik）

然而，普朗克的大胆假设和全新公式一经提出，便在当时的物理学界引发了轩然大波，引起了强烈的反响。一些物理学家对此议论纷纷，甚至有人认为这是“异端邪说”，与经典物理学的理论体系格格不入。在当时的学术环境下，普朗克的理论仿若一颗投入平静湖面的巨石，瞬间激起了千层浪，引发了广泛的争议和讨论。

但就在当天晚上，鲁本斯凭借着对普朗克新公式的极大兴趣和敏锐的科学直觉，迅速地根据这一公式进行了深入计算。他将计算结果与自己手头积累的大量精准实验数据进行了仔细的对比分析，结果发现两者出人意料地一致。这一实验验证犹如一记重锤，为普朗克的理论提供了强有力的支持，使得这一新理论逐渐在众多的质疑声中崭露头角，赢得了更多科学家的关注和认可。

最终，在1900年12月14日，经过对公式和推导过程的进一步完善，普朗克成功地计算出了普朗克常数h=6.626×10⁻³⁴J • s，正式发表了自己的学术论文，这一天也被视为量子物理学的诞生日。普朗克的这一成果不仅成功地解决了黑体辐射问题，更重要的是，它标志着量子时代的到来，为后续物理学的发展开辟了全新的道路。

一个保守主义者的“自我挣扎”

尽管普朗克创立了量子理论，但长期以来，他只是将能量量子化视为一种数学工具，而非全新的物理理论。作为一个保守主义者，普朗克曾试图借助经典物理中的统计力学理论来“修正”量子化假说，将其纳入经典物理学的理论框架中，但都以失败告终。普朗克的这种保守态度，反映了他在新旧理论交替时期的矛盾心理：一方面，他渴望解决黑体辐射问题；另一方面，他却不愿意完全抛弃经典物理学的框架。他曾说：“我从未想过颠覆经典理论，但事实迫使我必须这么做。”

普朗克引入的普朗克常数h，为微观世界提供了“最小货币单位”，每个能量子的大小均为ε=hv。尽管普朗克将这一假设称为“数学技巧”，但它却完美地统一了维恩公式与瑞利-金斯公式的矛盾，不仅解决了黑体辐射难题，更动摇了“自然无跳跃”的经典预设。尽管起初普朗克本人并未完全意识到这一理论创新的深远影响，但它最终成为了量子力学的基石之一。

直到1905年爱因斯坦用光量子解释光电效应、1913年玻尔提出量子化原子模型，普朗克才逐渐承认量子的存在。这种认知滞后，恰似牛顿对万有引力“超距作用”的困惑——革命者往往最晚接受自己的革命。普朗克的转变过程，生动地反映了科学理论发展的复杂性和曲折性，即使是伟大的科学家，也需要时间来接受和适应新的理论观念。

图（5） 1931年11月11日，普朗克在柏林冯·劳厄举行的晚宴上

（从左数第三位）

（图片来源：Wikipedia）

不仅如此，1918年诺贝尔奖委员会决定授予普朗克诺贝尔物理学奖，以表彰他对热力学和黑体辐射研究的贡献。然而，颁奖词却刻意避开了“量子”一词。评委会对这颗“理论炸弹”的谨慎态度，与后世将“紫外灾难”塑造成教学典故的戏剧化叙事，构成了科学史的双重反讽。这一事件深刻地反映了当时科学界对量子理论的复杂心理：一方面不得不承认其在解决黑体辐射问题上的贡献；另一方面又对其颠覆性影响感到担忧和恐惧。

普朗克常数h：刻在墓碑上的量子密码

1947年10月4日，物理学家普朗克结束了他辉煌灿烂的一生，被安葬于德国哥廷根市公墓。他的墓碑简约而深邃，除了名字，仅镌刻着一行数字：h=6.62×10⁻³⁴W • s²。这行数字宛如科学史上的永恒坐标，既彰显了普朗克对量子理论的卓越贡献，也映照出他对科学的无限热忱。

根据2017年国际科技数据委员会（CODATA）公布的数据，目前国际上最权威的普朗克常数h测量值是：6.62607015×10⁻³⁴J • s。墓碑上刻的单位是W • s²，和我们现在最常用的J • s并不一致，但因为1J=1W • s，所以量纲是等价的。它虽小到在日常生活中几乎可以忽略不计，却在微观世界中扮演着举足轻重的角色，决定着能量的量子化特性，是量子力学的核心参数之一。

普朗克常数h被镌刻在墓碑上，这微小的数字如同一把钥匙，开启了微观世界的神秘大门。它宣告自然并非无限可分，微观世界的跳跃性与宏观世界的连续性在此分道扬镳，量子物理学由此成为物理学的重要分支。这一发现不仅重塑了物理学的理论版图，更深远地影响了现代科技的发展进程。从半导体技术到量子计算，从精密测量到量子通信，无数前沿科技都建立在量子理论的基础之上，持续推动着人类社会的进步与变革。

图（6）位于德国哥廷根市公墓内的普朗克墓碑

（图片来源：Wikipedia）

乌云之上，星光璀璨

黑体辐射这朵“乌云”，非但没有摧毁经典热力学的大厦，反而在其基础上建起了一座更加宏伟的量子殿堂。普朗克的故事提醒我们：科学的进步往往始于一次“不情愿的妥协”，而真理的锋芒，终将刺破固有认知的茧房。正如普朗克晚年感慨：“科学无法解答自然的终极谜题，因为归根结底，我们自身就是谜题的一部分。”这句话深刻地揭示了科学探索的无穷性和人类认知的局限性，也激励着后人不断追求真理，探索未知。

图（7）1952年，发行于西德邮票上的普朗克肖像

（图片来源：Wikipedia）

当乌云散尽，人类终于抬头看见——那片星空，原来是由量子点亮。量子理论的诞生，彻底改变了我们对物质世界的认识，为我们打开了通往微观世界的大门，让我们得以窥见宇宙更深层次的奥秘。普朗克的贡献，如同一座不朽的丰碑，永远铭刻在科学史上，激励着一代又一代的科学家继续前行，在探索未知的道路上永不止步。

参考文献

[1] Planck M. On an Improvement of Wien’s Equation for the Spectrum[J]. Ann. Physik, 1900, 1: 719-721.

出品：科普中国

作者：栾春阳 王雨桐（物理学博士）

监制：中国科普博览