1858年的4月23日，德国物理学家马克斯·普朗克诞生，他被誉为量子物理学的奠基人。20世纪初，普朗克确立了量子论，这一理论成为推动物理学深刻变革的关键因素之一（另一关键因素是相对论）。因其对黑体辐射的深入研究，他提出了能量子的概念，并因此荣获1918年诺贝尔物理学奖。
缘起大炼钢铁
在19世纪与20世纪交替之际，德国正经历着一场深刻的工业化变革，其中钢铁工业的迅猛崛起尤为引人注目。在这一进程中，一个至关重要的技术难题浮出水面：如何精确测量铁水或钢水的温度？
起初，工匠们仅凭观察铁水的颜色来大致估算炉火的温度。然而，随着20世纪初经典物理学的飞速发展，这种粗略的方法已难以满足工业生产的精确需求。因此，对铁水温度进行精确测量的呼声日益高涨。
20世纪伟大科学家合影（第一排左起：朗缪尔、普朗克、居里夫人、洛伦兹、爱因斯坦等）
物理学家们迅速响应这一挑战，他们深知光作为一种电磁波，其颜色与波长紧密相关。于是，一个创新的思路应运而生：通过测定铁水发出的光的波长，即可推算出其对应的温度。
德国物理学家维恩在这一领域取得了初步成果。他认为，决定铁水颜色的主要光的波长与铁水的温度呈反比关系，并据此提出了一个经验公式，即著名的维恩位移定理。尽管当时维恩尚未揭示这一公式背后的深层物理意义，但他的工作无疑为后续的研究奠定了坚实基础。
随后，众多物理学家纷纷投身这一研究领域，其中玻尔兹曼作为普朗克的导师，贡献尤为突出。他们为钢水构建了一个名为“黑体”的物理模型，将高温钢水发出的光称为黑体辐射。玻尔兹曼通过实验发现，黑体辐射的总功率与温度的四次方成正比，这一发现被称为玻尔兹曼定理。
在玻尔兹曼的影响下，普朗克也加入了黑体辐射的研究行列。与其他物理学家不同，普朗克以熵的公式著称，因此他在思考问题时，不仅从能量的角度出发，还善于从熵的角度进行深入分析。
当时，维恩近似在短波范围内与实验数据吻合较好，但在长波范围内则存在较大偏差；而瑞利-金斯公式则恰好相反，在长波范围内与实验数据相符，但在短波处则出现较大偏差。面对这一困境，普朗克决定对这两个公式进行整合。
通过运用纯数学的方法，普朗克成功推导出一个简洁的微分方程。这一方程的提出，不仅为铁水温度的精确测量提供了理论支持，更为后续量子力学的诞生奠定了重要基础。经过深入探究与积分运算，科学家最终得出了普朗克黑体辐射方程。与普朗克的前辈科学家们相似，当这一方程首次面世时，普朗克本人对其蕴含的物理意义亦不甚了了。然而，实验物理学家们在随后的研究中惊奇地发现，普朗克所提出的这一公式，在整个电磁波谱的范围内，与实验观测结果均展现出了惊人的吻合度。
在推导该方程的过程中，普朗克创造性地设想电磁场的能量是按照物质内部带电振子的不同振动模式进行分布的。而普朗克公式得以成立的一个核心前提假设是：这些振子的能量并非连续可变，而是只能取某些基本能量单位的整数倍。这些基本能量单位的大小仅与电磁波的频率相关联，并且与频率成正比——这一革命性的观点，即为普朗克所提出的能量量子化假说。
不情愿的革命者
普朗克提出的量子假说揭示了辐射的本质：辐射由离散的能量单元组成，即量子，这一观念类似于物质由原子构成的概念。量子的能量水平与其波长成反比，波长越短则能量越高，反之则越低；同时，量子能量与频率成正比。这一发现为新物理学的诞生奠定了基石。
年轻时的普朗克
量子假说标志着物理学迈入了一个崭新的发展阶段，它在经典物理学的庞大体系中开辟了新的道路，为现代物理学理论的构建提供了全新的基础。光量子的提出堪称革命性突破，普朗克因此成为量子力学发展史上的先驱。然而，深受经典物理学熏陶的普朗克，对于量子假说对经典理论的“挑战”感到内心挣扎，这在一定程度上阻碍了他进一步突破经典物理学框架，探索全新物理学理论的步伐。相反，他试图将量子假说融入经典物理学体系，甚至一度努力取消这一假说。
在1901年至1914年的15年间，普朗克两次尝试修改其原始理论，以期与经典物理学理论相协调。1911年，他提出了第二个理论，对量子假说进行了部分调整，认为量子在发射时是不连续的，而在吸收时则保持连续。1914年，他进一步提出了第三个理论，全面修改了量子假说，认为无论是发射还是吸收，量子都是连续的。然而，这一理论在1915年未获广泛认可而被放弃。
普朗克晚年终于意识到，将量子假说纳入经典物理学体系的努力是徒劳的。 普朗克坦承：“我多年致力于将基本作用量子融入古典理论，却未能如愿，付出了巨大努力却收效甚微。如今我深刻意识到，基本作用量子在物理学理论中的地位，远超我昔日所受质疑的程度。”
尽管普朗克作为新理论的先驱，率先提出了量子假说，但遗憾的是，他并未能在此基础上进一步构建出微观物理学的新纪元——量子力学体系，而是在这一关键点上止步不前，错失了深化研究成果的良机。正当普朗克对其量子假说进行修正之际，德国物理学家爱因斯坦挺身而出，以非凡的勇气与洞察力，继续推动量子理论的发展。他不仅验证了量子的存在，更是在普朗克假说的基础上，为量子力学的构建添砖加瓦，做出了重要贡献。
参考来源：科普中国、环球物理、搜狐网
