普郎克

一、童年時代

1858年4月23日,著名法律教授J.W.普朗克和夫人E.P.普朗克的第六個孩子——馬克斯出生了。

這是個遠近聞名的學者家庭。馬克斯的祖輩有不少人擔任過施瓦本的教士、教師和城市錄事;曾祖父是哥廷根大學的神學教授,萊布尼茲的再傳弟子;祖父也是哥廷根大學的神學教授,深得家學淵源。在這有著嚴肅正派的學術氣氛的家庭裏,馬克斯和他的三個哥哥、兩個姐姐,以及後來出生的弟弟,受到了很好的教養。

幸福的家庭總是讓人羨慕的。

也不知從哪一天起,普朗克家的窗口,每天下午都傳來美妙動聽的琴聲。好奇的鄰居相互打聽:

“是誰在彈琴?”

“大概是普朗克教授夫人吧!”鄰居們都知道,普朗克夫人出生於牧師家庭,有著良好的音樂素養。

“彈得多好啊!”

連路過的行人也忍不住停下腳步,聽了一會兒之後,不由自主地發出感歎。

有一天,普朗克教授在自己家裏舉辦一個聚會,邀請幾位住在鄰近的同事參加。客人們準時到齊了,一邊吃著普朗克夫人準備的茶和點心,一邊隨意地聊天。有位客人見普朗克夫人一直忙裏忙外,很過意不去,於是說:“普朗克夫人,您休息一下吧!”

另一位客人聽了立即接口說:“給我們彈一曲吧,我們都很喜歡聽您彈琴。”

“是啊,您彈得好聽極了!我隻要下午有空,一定會坐在窗口聽您的琴聲。”有人在旁邊附和道。

普朗克夫人先是一怔,隨即笑了,“先生們,我可是從不在下午彈琴的呀!”她沒有繼續解釋,禮貌地退出了客廳,把一個個麵露疑惑之色的客人們留在了身後。

客人們圍在普朗克教授身邊,急於想知道,到底誰每天在下午彈琴。普朗克教授隻是微微一笑,並不回答。

這時,所有的客人都聽到了他們熟悉的琴聲,於是不約而同地朝客廳的角落望去,那裏擺放著一架鋼琴。

一個很小的男孩坐在加了兩個墊子的琴凳上,他的小手熟練的敲擊著琴鍵,彈的正是奧地利著名音樂家舒伯特的名曲。

小男孩的手指是那麼輕巧靈活,他對樂感的把握和理解是那麼準確。跳躍的音符仿佛不是鋼琴發出來的,倒像是從男孩的指尖一股腦兒地傾瀉下來。

客人們聽得如醉如癡,等到小男孩停下來很久以後,他們依然沉浸在飄渺的音樂聲中。不知誰帶頭鼓起掌來,緊接著所有的客人都站起來鼓掌,掌聲久久不絕。

一位客人走近小男孩,伸手將他抱在懷中問道:“你叫什麼名字呀?”

“馬克斯,先生。”小馬克斯羞怯地低著頭,輕聲答道。

客人們聚在一起,像欣賞一件稀世珍寶一樣看著小馬克斯。“馬克斯,你的琴彈得非常好,你想成為音樂家嗎?”有人這樣對馬克斯說。

一直低著頭的馬克斯聽了這話,忽然抬起頭來,大聲說:“我要成為舒伯特!”

晚上,馬克斯躺在床上怎麼也睡不著,今天實在是太令人興奮了。母親走進他的臥室,說:“我的小乖乖,你怎麼還不睡?”

“媽媽,你說我能成為舒伯特嗎?”

“怎麼不能,隻要肯努力,沒有你辦不到的。”母親憐愛地看著兒子,“我真為你感到驕傲,馬克斯。”

在母親的鼓勵聲中,馬克斯這才感到了疲倦,他沉沉地睡了。夢裏,馬克斯發現自己來到維也納,置身於大劇場中,四周掌聲如潮,他覺得自己幸福極了。

那一年,馬克斯隻有5歲,但“普朗克家的小舒伯特”的外號卻不徑而走。

可是鄰居們依然滿腹疑惑,一個小孩學彈琴,難道能一下子彈得那麼好嗎?他難道從不需要練習?他難道從來不會彈錯?

帶著許多疑問,鄰居們來看望普朗克夫人和小馬克斯,他們想徹底問個明白。

麵對鄰居的詢問,普朗克夫人很愉快的回答:“沒有神童,真的沒有。”她從儲藏室裏取出一塊長條形的木板。

木板上,用黑色和白色的油漆刷成琴鍵,非常精致,就像真的一樣。

“小孩學琴的時候,總是會因為指法不熟練而影響鄰居們休息,所以我一開始就讓小馬克斯在木板上練習。等他把指法練得熟練了,我才讓他坐在琴凳上。就這麼簡單。”普朗克夫人解釋道。

鄰居們發出陣陣慨歎,深為普朗克夫人體諒鄰居的做法感動。

“他很努力。”普朗克夫人最後說,“這比什麼都重要,他自己知道努力。”

二、馬克斯的選擇

1867年,馬克斯的父親應邀到慕尼黑大學講學,而馬克斯正好完成了小學低年級的課程,於是他們全家遷居慕尼黑。

在慕尼黑,馬克斯·普朗克度過了幸福的少年時代。他考入古典皇家馬克西米連大學預科學校。他在學校的學習幾乎沒有遇到什麼困難,總是名列前茅。他具有很高的天分,而且刻苦用功。

但馬克斯·普朗克不是一般人所理解的天才和神童,一直到晚年,他還聲稱自己在物理學方麵沒有特殊的天賦。他說自己性情平和,不願冒風險,而且不能同時研究多個問題,對新事物不能迅速地有所反應或掌握其實質。然而,他通過勤勉認真和深思熟慮,為現代物理學做出卓絕的貢獻,遠比那些被稱為天才的人成就更大。

如果說是母親開發了馬克斯的音樂天賦,那麼中學時代的數學老師赫爾曼·米勒爾無疑是引導馬克斯走上科學道路的人,這位數學教師發現馬克斯·普朗克有傑出的數學才能。米勒爾不但鼓勵馬克斯學好數學,同時還利用業餘時間教他天文學、力學,激發起他探求世界本原奧秘的強烈願望。

馬克斯是個不怕困難的人,他總有辦法克服麵對的一切障礙。可誰又能知道,他也曾被一件事難倒過呢!當時他麵臨著一個選擇,既然是選擇,那就意味著必須放棄一部分,然後才能得到一部分。

1874年,馬克斯·普朗克以優異的成績結束了預科學校的學習,他準備上大學。

到底學什麼好呢?馬克斯感到苦惱。音樂是由來已久的愛好,而且他曾說過要成為舒伯特的,這似乎應該優先考慮;在中學裏,他又對古典文學發一了興趣,他仔細閱讀了莎士比亞、彌爾頓、但丁、哥德等名家的作品,他甚至已經在動手寫一部詩劇;而赫爾曼·米勒爾老師還像往常一樣,繼續鼓勵他獻身於自然科學。

音樂、古典文學和自然科學,這三樣東西像走馬燈一樣在馬克斯的腦子裏轉來轉去。一會兒這個占上風,一會兒又覺得學那一個也許更好,後來馬克斯發現,這三門學科他都非常喜歡,很難做出選擇。

時間一天天過去,可馬克斯依然沒有作出決定。母親看著寢食無味、憂心忡忡的兒子十分擔心,但她又無能為力,幫不上什麼忙。於是母親把馬克斯的問題告訴了父親,希望父親能出麵幫幫兒子。

這天晚上,馬克斯回到家,他和往常一樣無精打采。母親照例迎上來,親吻他寬廣的額頭,然後輕聲告訴他:“馬克斯,爸爸在書房裏等你,他有話要對你說。”

從小到大,父親一直要求孩子們要養成自立的習慣,他總是說:“自己的問題一定要自己解決!”馬克斯走進書房的時候想,他該不是要和我談選擇學科的問題吧。

“馬克斯,”父親見他進來,摁滅了手中的煙鬥說,“你最近遇上麻煩了?”

“是的,爸爸。”馬克斯答道,“我拿不定主意選什麼學科作為自己的主課。”

父親沉默了片刻,說:“你不是一直很喜歡音樂嗎?”

馬克斯點點頭,他臉上隨即流露出迷惑、茫然的神色,“我今天去見了科林先生。”科林先生是父親的一位朋友,也是慕尼黑相當有名的鋼琴演奏家。“科林先生勸我不要專門從事音樂工作,他說我不適合。”

“那文學呢?你不是在寫劇本嗎?”

“我的確很喜歡文學,但我的同學認為我寫的東西很刻板,缺乏技巧和熱情。”馬克斯喃喃說道。

“米勒爾老師不是一直在鼓勵你學習數學嗎?你對數學有什麼想法?”

馬克斯想了想才回答說:“爸爸,您不是不知道,現在的社會風氣是重視人文科學和藝術,輕視自然科學。我怕選擇了數學之後,會受人輕視,再者說……”

“馬克斯!”父親沉穩而有力的聲音打斷了他,“你到底想幹什麼?”

馬克斯吃驚地抬起頭,在他的記憶中,父親是個溫和的人,他從沒見父親用這麼大的聲音說話。

父親嚴肅地說:“馬克斯,我一直在聽你說,我在等著聽你自己的想法。而事實上你始終在轉述別人的意見,馬克斯,你的意見在哪裏?要知道,你的選擇關係著的是你的一生,和別人沒有任何關係。如果你老是斤斤計較別人的想法,那麼你不妨問一下自己,你打算為誰活這一輩子?”

馬克斯沒吱聲,父親的話像是一柄重錘,重重地敲打在他的心上。是啊,我為什麼要那麼在乎別人的意見呢?馬克斯再一次抬頭看父親,目光相對,他看見父親的眼中滿是關懷和憐惜,而藏在最深處的,是所有父親對兒子的那份期待。

“爸爸,我明白你的意思了。”馬克斯堅定地說,“我決定去學數學。”

父親欣慰地點點頭,“我永遠支持你,馬克斯。”

馬克斯走出書房之前,父親又把他叫住,“馬克斯,你不會因為學習數學就不再彈琴了吧?”

“不,我還要彈琴,每天都彈!”

1874年10月21日,馬克斯·普朗克考入慕尼黑大學,主攻數學。

三、在大學

進入慕尼黑大學後不久,馬克斯·普朗克就認識了許多誌同道合的朋友,他們一起聽講座,相互核對筆記,一起探討學習中出現的各種新問題。

如果不是菲力浦·馮·約裏的那次講座,馬克斯·普朗克恐怕會畢生致力於數學方麵的研究,而不是物理學,那麼馬克斯·普朗克就與1918年度的諾貝爾物理學獎無緣了。

“如果丟番圖的結果被加強一點,就可以推出:每一個大於或等於(88-1)×(945-1)=87×944=82128的整數都能表示兩個過剩數之和。”馬克斯·普朗克正在和同學討論畢達哥拉斯算術中的過剩數問題。

有個同學接著說:“隻要建立你所說的丟番圖的結果,我們的證明就全部完成了!”

這時,一個同學風風火火地衝進教室:“馬克斯,你又忘了!”

“什麼?”馬克斯·普朗克一楞,倒是和他一起討論問題的同學明白過來了,“今天菲力浦·馮·約裏先生要舉辦一個物理學講座,馬克斯,我們約好一塊去聽的。天呐,為了丟番圖方程,我們竟然把這麼重要的事忘了!”

“對呀!”馬克斯一拍腦袋,恍然大悟。

等他們幾個趕到講座現場時,講座已經開始了。人並不多,他們貓著腰進入課堂,隨便找了個地方坐下來。

菲力浦·馮·約裏講師中等個子,講課時充滿激情,馬克斯·普朗克和他的同學很喜歡聽他的講座。此刻,這位講師正在給為數不多的聽眾描述物理學的學習條件和前景:

“物理學是一門高度發展的、幾乎是盡善盡美的科學。現在,能量守恒定律的發現給物理學戴上桂冠之後,這門科學已接近於最終穩定的形式。也許,在某個角落還有一粒微塵或一個小氣泡,對它們可以進行研究和分類,但是,作為一個完整的體係,那是建立得足夠牢固的;而理論物理學正在明顯地接近於如幾何學在數百年中所具有的那樣完善的程度。”

馬克斯·普朗克心中一動。

在古希臘,早期科學家們認為世界上最完美的圖形是正圓形;稍後的柏拉圖和亞裏斯多德發展了這一學說,他們認為最完美的應該是橢圓形。仿佛有這樣一個說法,自然科學家們都是標準的美學家,他們好像不是為了探索世界本質而研究科學,倒像是為了追求完美的境界而工作。

年輕的馬克斯·普朗克隻覺得熱血滿腔,立即決定改學物理學。也許他正是追求和諧、對稱的完美,才開始學習數學,當他得知世界上還有一個完美的學科時,他發現自己根本經不起這個誘惑。

但他並不知道,約裏發表的觀點表現了普遍的錯誤認識,這是從當時物理學家頭腦中占統治地位的、機械的自然觀念出發的。力學無疑是高度發展的、成熟的科學。當時——1875年前後,隻有為數不多的人曾考慮自然學說的其它一些領域,例如電動力學,已不可能用力學發展中的原先的方法去深入地研究了。

馬克斯·普朗克向學校提出了兼修理論物理的請求。但很多物理老師都試圖勸阻17歲的少年進入純理論的領域,他們羅列了許多理由,想說服馬克斯·普朗克。

然而馬克斯·普朗克下定了決心,說什麼也不改變自己的決定,這是他不顧教師們的勸阻而獨自作出的獻身物理科學研究的決定。

馬克斯·普朗克在慕尼黑大學極其認真地從事數學和物理學的研究達6個學期,他還進行了他一生中唯一的一些實驗。

繁重的課程並沒有壓倒馬克斯·普朗克,他一邊努力學習,一邊仍然從事音樂工作。他曾是大學合唱團的指揮,還領導了一個樂隊,每逢節日就在大學教堂裏演奏。在音樂家中,他依然喜歡童年時的偶像:舒伯特、舒曼和勃拉姆斯。

正當馬克斯·普克發憤求學之時,一場疾病從天而降。

1875年冬,馬克斯·普朗克不幸得了肺病,使他不得不休學了。

在家養病的馬克斯·普朗克並沒有停止學習,他認為時間是無比寶貴的。在病榻上,他依然手不釋卷。心無旁騖的學習,使得馬克斯·普朗克的眼界更開闊,他了解到,在柏林大學許多人在從事理論物理學的研究,如赫爾姆霍茨、基爾霍夫、克勞休斯和波爾茨曼等,這些人都是德國理論物理學中的傑出人才。

他迫不及待地想去柏林。

1877年,馬克斯·普朗克的身體完全康複了,他馬上向柏林大學提出申請,要求轉到那兒去完成學業。經過努力,馬克斯·普朗克終於如願以償,進入柏林大學,在赫爾姆霍茨和基爾霍夫門下攻讀物理學。

得到柏林大學來的通知時,馬克斯·普朗克高興得像一個小孩子,他仿佛感覺到,一個屬於他的時代已經到來了。

四、孤獨的熱力學家

按理說在著名的研究者門下學習,應該是件好事,最起碼耳濡目染能了解物理學最新的研究動態。但這樣的環境,馬克斯·普朗克卻並未覺得對自己有“顯著的效益”。他在《科學傳記》中回憶了當時的情景:

“顯然,赫爾姆霍茨從來沒有對講課認真地作過準備,說起話來總是囁囁嚅嚅,吞吞吐吐。他從小小的筆記本裏取出必要的數據,而且在黑板上還常常寫錯,在我們的腦海裏沒有去掉這樣的感覺,即感到他自己也同我們一樣似乎至少是厭煩這次講課。因此,聽課的人逐漸減少,最後隻剩下三個人……

“與此相反,基爾霍夫卻精心準備宣讀的教程,在教程裏,每一個句子都是經過反複斟酌的,該擺在什麼位置就擺在什麼位置上,不少一句話,也不多一句話。但總的說來,這像是某種背熟的、枯燥的和單調的東西。我們讚歎的是講課者本人,而不是他講的東西。”

盡管這樣,馬克斯·普朗克仍然一節不拉地去聽講課。不像其他物理學家,馬克斯·普朗克沒有在物理學實驗室裏工作過,他隻是詳細記錄兩位導師和數學家魏爾斯特拉斯的講課綱要,並在家裏用心地研究這些講課綱要。

在70年代,這位開始起步的理論物理學家在很大程度上還是一個自學者,盡管他是名正言順的柏林大學的學生。

在論文著作課中,馬克斯·普朗克自修了熱學領域的權威克勞休斯的著作,使他受益很大。克勞休斯——這位偉大的研究者——的作品以其闡述的清晰和令人信服的力量吸引著馬克斯·普朗克。

直到今天,當我們來評價馬克斯·普朗克的貢獻時,首先要講到的,無疑是他在熱力學方麵的成績。

馬克斯·普朗克一生在熱力學方麵下最長久的功夫,取得了重要的成績。他曾經著重研究了不可逆方程,提出了自己的熱力學第二定律的敘述方式。在另外一些方麵,他也發表了一些發人深省的見解。他起初重視熱力學理論的唯象性和連續性,宣稱不必借助於有關物質由分子構成的特殊假設來解決問題。但是他的這種看法後來發生了一定程度的變化。他的研究結果和美國人吉布斯的結果不謀而合,當他得知此事後,就很自願地承認了吉布斯的先見之明。他寫的《熱力學講義》一書,曾經在30多年的時間內被公認為一本特別清楚、特別係統和特別精辟的熱力學名著。事實上,在1900年前後,他已經成為了國際性的熱力學權威。

1879年,21歲的馬克斯·普朗克提交論文《論機械熱學第二定律》進行答辯,使他獲得了哲學博士學位。

在論文中,馬克斯·普朗克研究了導熱過程不可逆的問題,還提出了表達熵最初的一般公式。

熵——沒有給出明顯概念的狀態和數量特征,決定著能量轉換不可逆的程度。馬克斯·普朗克的表達方式是:“任可方法也不能使導熱過程為可逆的”,——這就超越了克勞休斯提出的熵概念定義的範圍。他把熵概念變為甚至適用於不平衡狀態的科學抽象,因而創造性地概括了熵概念。他從一開始就把熵的問題擺在自己研究的中心,這一確定決定性地促使了量子論的創立。

然而,這一篇遠遠超越科學發展的著作,“給當時的科學界的印象等於零。”——60年後,馬克斯·普朗克在《科學傳記》中如是說。

雖然他在論文答辯時獲得高度評價,但是主考之一阿道夫·馮·拜耳卻暗自認為理論物理學是完全空洞的科學,所以對年輕的馬克斯·普朗克表現了極為輕視的態度。

拜爾是一名化學家,諾貝爾化學獎得主。他屬於充滿經驗主義情緒的自然科學家之列,這些科學家把直接證明的實驗數據範圍以外的一切統統棄掉,認為是“投機的東西”。

馬克斯·普朗克把他的博士論文寄給赫爾姆霍茨,而這位導師也許根本沒有翻閱過它。在這個領域內進行研究工作的基爾霍夫仔細地讀了這篇文章,但他把馬克斯·普朗克的思維過程當做錯誤的想法否定了。最後,連克勞休斯也沒有回信,盡管克勞休斯的著作最接近馬克斯·普朗克的想法,並以其作品直接喚起了這個年輕科學家對熵的研究。

麵對這樣的挫折,馬克斯·普朗克並沒有停步不前,也沒有陷入失望和喪失勇氣。他是那樣地堅信自己道路的正確性和自己結論的合理性。

1880年6月14日,也就是馬克斯·普朗克博士論文發表的第二年,為了獲得在大學教授“理論物理學”的權利,年輕勇敢的研究者提交了《各向同性體在各種溫度下的平衡狀態》這篇論文,並順利地通過答辯。這是再一次論述熱和機械能相互作用的研究。