Немецкий физик Макс Карл Эрнст Людвиг Планк родился в г. Киле (принадлежавшем тогда Пруссии), в семье профессора гражданского права Иоганна Юлиуса Вильгельма фон Планка, профессора гражданского права, и Эммы (в девичестве Патциг) Планк. В детстве мальчик учился играть на фортепьяно и органе, обнаруживая незаурядные музыкальные способности. В 1867 г. семья переехала в Мюнхен, и там П. поступил в Королевскую Максимилиановскую классическую гимназию, где превосходный преподаватель математики впервые пробудил в нем интерес к естественным и точным наукам. По окончании гимназии в 1874 г. он собирался было изучать классическую филологию, пробовал свои силы в музыкальной композиции, но потом отдал предпочтение физике.
В течение трех лет П. изучал математику и физику в Мюнхенском и год – в Берлинском университетах. Один из его профессоров в Мюнхене, физик-экспериментатор Филипп фон Жолли, оказался плохим пророком, когда посоветовал молодому П. избрать другую профессию, так как, по его словам, в физике не осталось ничего принципиально нового, что можно было бы открыть. Эта точка зрения, широко распространенная в то время, возникла под влиянием необычайных успехов, которых ученые в XIX в. достигли в приумножении наших знаний о физических и химических процессах.
В бытность свою в Берлине П. приобрел более широкий взгляд на физику благодаря публикациям выдающихся физиков Германа фон Гельмгольца и Густава Кирхгофа, а также статьям Рудольфа Клаузиуса. Знакомство с их трудами способствовало тому, что научные интересы П. надолго сосредоточивались на термодинамике – области физики, в которой на основе небольшого числа фундаментальных законов изучаются явления теплоты, механической энергии и преобразования энергии. Ученую степень доктора П. получил в 1879 г., защитив в Мюнхенском университете диссертацию о втором начале термодинамики, утверждающем, что ни один непрерывный самоподдерживающийся процесс не может переносить тепло от более холодного тела к более теплому.
На следующий год П. написал еще одну работу по термодинамике, которая принесла ему должность младшего ассистента физического факультета Мюнхенского университета. В 1885 г. он стал адъюнкт-профессором Кильского университета, что упрочило его независимость, укрепило финансовое положение и предоставило больше времени для научных исследований. Работы П. по термодинамике и ее приложениям к физической химии и электрохимии снискали ему международное признание. В 1888 г. он стал адъюнкт-профессором Берлинского университета и директором Института теоретической физики (пост директора был создан специально для него). Полным (действительным) профессором он стал в 1892 г.
С 1896 г. П. заинтересовался измерениями, производившимися в Государственном физико-техническом институте в Берлине, а также проблемами теплового излучения тел. Любое тело, содержащее тепло, испускает электромагнитное излучение. Если тело достаточно горячее, то это излучение становится видимым. При повышении температуры тело сначала раскаляется докрасна, затем становится оранжево-желтым и, наконец, белым. Излучение испускает смесь частот (в видимом диапазоне частота излучения соответствует цвету). Однако излучение тела зависит не только от температуры, но и до некоторой степени от таких характеристик поверхности, как цвет и структура.
В качестве идеального эталона для измерения и теоретических исследований физики приняли воображаемое абсолютное черное тело. По определению, абсолютно черным называется тело, которое поглощает все падающее на него излучение и ничего не отражает. Излучение, испускаемое абсолютно черным телом, зависит только от его температуры. Хотя такого идеального тела не существует, неким приближением к нему может служить замкнутая оболочка с небольшим отверстием (например, надлежащим образом сконструированная печь, стенки и содержимое которой находятся в равновесии при одной и той же температуре).
Одно из доказательств чернотельных характеристик такой оболочки сводится к следующему. Излучение, падающее на отверстие, попадает в полость и, отражаясь от стенок, частично отражается и частично поглощается. Поскольку вероятность того, что излучение в результате многочисленных отражений выйдет через отверстие наружу, очень мала, оно практически полностью поглощается. Излучение, берущее начало в полости и выходящее из отверстия, принято считать эквивалентным излучению, испускаемому площадкой размером с отверстие на поверхности абсолютно черного тела при температуре полости и оболочки. Подготавливая собственные исследования, П. прочитал работу Кирхгофа о свойствах такой оболочки с отверстием. Точное количественное описание наблюдаемого распределения энергии излучения в этом случае получило название проблемы черного тела.
Как показали эксперименты с черным телом, график зависимости энергии (яркости) от частоты или длины волны является характеристической кривой. При низких частотах (больших длинах волн) она прижимается к оси частот, затем на некоторой промежуточной частоте достигает максимума (пик с округлой вершиной), а затем при более высоких частотах (коротких длинах волн) спадает. При повышении температуры кривая сохраняет свою форму, но сдвигается в сторону более высоких частот. Были установлены эмпирические соотношения между температурой и частотой пика на кривой излучения черного тела (закон смещения Вина, названный так в честь Вильгельма Вина) и между температурой и всей излученной энергией (закон Стефана – Больцмана, названный так в честь австрийских физиков Йозефа Стефана и Людвига Больцмана), но никому не удавалось вывести кривую излучения черного тела из основных принципов, известных в то время.
Вину удалось получить полуэмпирическую формулу, которую можно подогнать так, что она хорошо описывает кривую при высоких частотах, но неверно передает ее ход при низких частотах. Дж. У. Стретт (лорд Рэлей) и английский физик Джеймс Джинс применили принцип равного распределения энергии по частотам колебаний осцилляторов, заключенных в пространстве черного тела, и пришли к другой формуле (формуле Рэлея – Джинса). Она хорошо воспроизводила кривую излучения черного тела при низких частотах, но расходилась с ней на высоких частотах.
П. под влиянием теории электромагнитной природы света Джеймса Клерка Максвелла (опубликованной в 1873 г. и подтвержденной экспериментально Генрихом Герцем в 1887 г.) подошел к проблеме черного тела с точки зрения распределения энергии между элементарными электрическими осцилляторами, физическая форма которых никак не конкретизируется. Хотя на первый взгляд может показаться, что выбранный им метод напоминает вывод Рэлея – Джинса, П. отверг некоторые из принятых этими учеными допущений.
В 1900 г., после продолжительных и настойчивых попыток создать теорию, которая удовлетворительно объясняла бы экспериментальные данные, П. удалось вывести формулу, которая, как обнаружили физики-экспериментаторы из Государственного физико-технического института, согласовывалась с результатами измерений с замечательной точностью. Законы Вина и Стефана – Больцмана также следовали из формулы Планка. Однако для вывода своей формулы ему пришлось ввести радикальное понятие, идущее вразрез со всеми установленными принципами. Энергия планковских осцилляторов изменяется не непрерывно, как следовало бы из традиционной физики, а может принимать только дискретные значения, увеличивающиеся (или уменьшающиеся) конечными шагами. Каждый шаг по энергии равен некоторой постоянной (называемой ныне постоянной Планка), умноженной на частоту. Дискретные порции энергии впоследствии получили название квантов. Введенная П. гипотеза ознаменовала рождение квантовой теории, совершившей подлинную революцию в физике. Классическая физика в противоположность современной физике ныне означает «физика до Планка».
П. отнюдь не был революционером, и ни он сам, ни другие физики не сознавали глубокого значения понятия «квант». Для П. квант был всего лишь средством, позволившим вывести формулу, дающую удовлетворительное согласие с кривой излучения абсолютно черного тела. Он неоднократно пытался достичь согласия в рамках классической традиции, но безуспешно. Вместе с тем он с удовольствием отметил первые успехи квантовой теории, последовавшие почти незамедлительно. Его новая теория включала в себя, помимо постоянной Планка, и другие фундаментальные величины, такие, как скорость света и число, известное под названием постоянной Больцмана. В 1901 г., опираясь на экспериментальные данные по излучению черного тела, П. вычислил значение постоянной Больцмана и, используя другую известную информацию, получил число Авогадро (число атомов в одном моле элемента). Исходя из числа Авогадро, П. сумел с замечательной точностью найти электрический заряд электрона.
Позиции квантовой теории укрепились в 1905 г., когда Альберт Эйнштейн воспользовался понятием фотона – кванта электромагнитного излучения – для объяснения фотоэлектрического эффекта (испускание электронов поверхностью металла, освещаемой ультрафиолетовым излучением). Эйнштейн предположил, что свет обладает двойственной природой: он может вести себя и как волна (в чем нас убеждает вся предыдущая физика), и как частица (о чем свидетельствует фотоэлектрический эффект). В 1907 г. Эйнштейн еще более упрочил положение квантовой теории, воспользовавшись понятием кванта для объяснения загадочных расхождений между предсказаниями теории и экспериментальными измерениями удельной теплоемкости тел – количества тепла, необходимого для того, чтобы поднять на один градус температуру одной единицы массы твердого тела.
Еще одно подтверждение потенциальной мощи введенной П. новации поступило в 1913 г. от Нильса Бора, применившего квантовую теорию к строению атома. В модели Бора электроны в атоме могли находиться только на определенных энергетических уровнях, определяемых квантовыми ограничениями. Переход электронов с одного уровня на другой сопровождается выделением разности энергий в виде фотона излучения с частотой, равной энергии фотона, деленной на постоянную Планка. Тем самым получали квантовое объяснение характеристические спектры излучения, испускаемого возбужденными атомами.
В 1919 г. П. был удостоен Нобелевской премии по физике за 1918 г. «в знак признания его заслуг в деле развития физики благодаря открытию квантов энергии». Как заявил А.Г. Экстранд, член Шведской королевской академии наук, на церемонии вручения премии, «теория излучения П. – самая яркая из путеводных звезд современного физического исследования, и пройдет, насколько можно судить, еще немало времени, прежде чем иссякнут сокровища, которые были добыты его гением». В Нобелевской лекции, прочитанной в 1920 г., П. подвел итог своей работы и признал, что «введение кванта еще не привело к созданию подлинной квантовой теории».
20-е гг. стали свидетелями развития Эрвином Шредингером, Вернером Гейзенбергом, П.А.М. Дираком и другими квантовой механики – оснащенной сложным математическим аппаратом квантовой теории. П. пришлась не по душе новая вероятностная интерпретация квантовой механики, и, подобно Эйнштейну, он пытался примирить предсказания, основанные только на принципе вероятности, с классическими идеями причинности. Его чаяниям не суждено было сбыться: вероятностный подход устоял.
Вклад П. в современную физику не исчерпывается открытием кванта и постоянной, носящей ныне его имя. Сильное впечатление на него произвела специальная теория относительности Эйнштейна, опубликованная в 1905 г. Полная поддержка, оказанная П. новой теории, в немалой мере способствовала принятию специальной теории относительности физиками. К числу других его достижений относится предложенный им вывод уравнения Фоккера – Планка, описывающего поведение системы частиц под действием небольших случайных импульсов (Адриан Фоккер – нидерландский физик, усовершенствовавший метод, впервые использованный Эйнштейном для описания броуновского движения – хаотического зигзагообразного движения мельчайших частиц, взвешенных в жидкости). В 1928 г. в возрасте семидесяти лет Планк вышел в обязательную формальную отставку, но не порвал связей с Обществом фундаментальных наук кайзера Вильгельма, президентом которого он стал в 1930 г. И на пороге восьмого десятилетия он продолжал исследовательскую деятельность.
Личная жизнь П. была отмечена трагедией. Его первая жена, урожденная Мария Мерк, с которой он вступил в брак в 1885 г. и которая родила ему двух сыновей и двух дочерей-близнецов, умерла в 1909 г. Двумя годами позже он женился на своей племяннице Марге фон Хесслин, от которой у него также родился сын. Старший сын П. погиб в первую мировую войну, а в последующие годы обе его дочери умерли при родах. Второй сын от первого брака был казнен в 1944 г. за участие в неудавшемся заговоре против Гитлера.
Как человек сложившихся взглядов и религиозных убеждений, да и просто как справедливый человек, П. после прихода в 1933 г. Гитлера к власти публично выступал в защиту еврейских ученых, изгнанных со своих постов и вынужденных эмигрировать. На научной конференции он приветствовал Эйнштейна, преданного анафеме нацистами. Когда П. как президент Общества фундаментальных наук кайзера Вильгельма наносил официальный визит Гитлеру, он воспользовался этим случаем, чтобы попытаться прекратить преследования ученых-евреев. В ответ Гитлер разразился тирадой против евреев вообще. В дальнейшем П. стал более сдержанным и хранил молчание, хотя нацисты, несомненно, знали о его взглядах.
Как патриот, любящий родину, он мог только молиться о том, чтобы германская нация вновь обрела нормальную жизнь. Он продолжал служить в различных германских ученых обществах в надежде сохранить хоть какую-то малость немецкой науки и просвещения от полного уничтожения. После того как его дом и личная библиотека погибли во время воздушного налета на Берлин, П. и его жена пытались найти убежище в имении Рогец неподалеку от Магдебурга, где оказались между отступающими немецкими войсками и наступающими силами союзных войск. В конце концов супруги Планк были обнаружены американскими частями и доставлены в безопасный тогда Геттинген.
Скончался П. в Геттингене 4 октября 1947 г., за шесть месяцев до своего 90-летия. На его могильной плите выбиты только имя и фамилия и численное значение постоянной Планка.
Подобно Бору и Эйнштейну, П. глубоко интересовался философскими проблемами, связанными с причинностью, этикой и свободой воли, и выступал на эти темы в печати и перед профессиональными и непрофессиональными аудиториями. Исполнявший обязанности пастора (но не имевший священнического сана) в Берлине, П. был глубоко убежден в том, что наука дополняет религию и учит правдивости и уважительности.
Через всю свою жизнь П. пронес любовь к музыке, вспыхнувшую в нем еще в раннем детстве. Великолепный пианист, он часто играл камерные произведения со своим другом Эйнштейном, пока тот не покинул Германию. П. был также увлеченным альпинистом и почти каждый свой отпуск проводил в Альпах.
Кроме Нобелевской премии, П. был удостоен медали Копли Лондонского королевского общества (1928) и премии Гете г. Франкфурта-на-Майне (1946). Германское физическое общество назвал в честь него свою высшую награду медалью Планка, и сам П. был первым обладателем этой почетной награды. В честь его 80-летия одна из малых планет была названа Планкианой, а после окончания второй мировой войны Общество фундаментальных наук кайзера Вильгельма было переименовано в Общество Макса Планка. П. состоял членом Германской и Австрийской академий наук, а также научных обществ и академий Англии, Дании, Ирландии, Финляндии, Греции, Нидерландов, Венгрии, Италии, Советского Союза, Швеции, Украины и Соединенных Штатов.
Сегодня имя Макса Планка обычно всплывает в связи с престижными научными институтами, названными в его честь – Общество Макса Планка включает в себя 83 подразделения в Германии и по всему миру. Но кем был настоящий Макс Планк и почему ему посвящено столько исследовательских центров? Объясняем на примере 17 фактов о крутом ученом.
Современная физика использует две теории для объяснения Вселенной: теорию относительности Эйнштейна и квантовую теорию, придуманную Планком. В конце 1890-х он начал свою работу по изучению теплового излучения и нашел формулу для черного тела излучения, которая в конечном итоге стала законом Планка. Для объяснения работы формулы он предложил идею о том, что энергия испускается в виде порций, которые он назвал «квантами», что привело к квантовой физике.
Сам Планк был поражен радикальностью своего открытия, написав : «Мои тщетные попытки как-то ввести квант действия в классическую теорию продолжались в течение ряда лет и стоили мне немалых трудов».
К моменту своей смерти Планк успел стать легендой в научном сообществе. В октябре 1947 года журнал «The New York Times» писал о нем как об интеллектуальном гиганте XX века и одном из самых выдающихся интеллектов за всю историю, ставя его на одну ступень с Архимедом, Галилео, Ньютоном и Эйнштейном.
2. Сделал теорию Эйнштейна теорией
Планк способствовал популяризации термина «теория» для описания работы Эйнштейна по относительности. В 1906 год, сославшись на модель, выдвинутую Эйнштейном, он назвал его работу «Relativtheorie», которая на немецком превратилась в «Relativitätstheorie» или в теорию относительности. Сам Эйнштейн называл ее принципом относительности, однако прижилась именно терминология Планка.
3. Нобелевский лауреат
В течение жизни Планк был очень уважаемым академиком. Как объясняет Барбара Ловетт Клайн, в Германии в тот период лишь принцы и бароны получали большее уважение, чем профессора, и Планк не был исключением. Получив множество наград, Планк был удостоен Нобелевской премии по физике в возрасте 60 лет. Он получил больше номинаций на Нобеля, чем любой другой кандидат в то время. В 1918 он наконец получил премию «в знак признания его эпохальных исследований в области квантовой теории».
4. Один из первых сподвижников Эйнштейна
Планк одним из первых оценил важность работы Эйнштейна по относительности и поддержал его. Д.Л. Хейлброн в своей книге «Дилеммы честного человека: Макс Планк как представитель немецкой науки» пишет, что Эйнштейна можно считать вторым великим открытием Планка, а его поддержка, по мнению самого Эйнштейна, сыграла важную роль в быстром принятии новых идей среди физиков. В то время у Эйнштейна не было ни докторской степени, ни работы в университете, так что поддержка такого уважаемого ученого как Макс Планк помогла ему войти в научный мейнстрим. Хотя Планк скептически относился к ряду идей молодого коллеги, например, к исследованиям 1915 года о «световых квантах» или фотонах, оба ученых оставались близкими друзьями в течение всей жизни. Согласно некрологу в «The New York Times», когда физическое общество Берлина вручило Планку специальную медаль, он отдал дубликат своему другу, Альберту Эйнштейну.
5. Талантливый музыкант
Планк был одаренным пианистом и чуть было не посвятил свою карьеру музыке, а не физике. Он принимал музыкальные салоны в своем доме, приглашая других физиков и академиков, а также профессиональных музыкантов. Альберт Эйнштейн также присутствовал, иногда принося с собой скрипку, чтобы играть в квартетах или трио с Планком. По словам Хейлброна, «чувство тона Планка было настолько совершенным, что он едва мог насладиться концертом», боясь, как кто не сфальшивил.
6. Профессор не советовал ему заниматься физикой
Вскоре после того, как 16-летний Планк попал в Мюнхенский университет в 1874 году, профессор физики Филипп фон Жюлли попытался отговорить молодого студента от перехода в теоретическую физику. Жюлли настаивал на том, что ученые в основном уже выяснили все, что нужно знать: «В области, где почти все уже открыто, остается лишь заполнить несколько лакун». К счастью, начинающий ученый проигнорировал его советы.
7. Лекции были только стоя
Хотя Планк вел себя довольно сухо и сдержанно перед классом, студенты его обожали. Английский химик Джеймс Партингтон называл его «лучшим лектором, которого я только слышал», описывая лекции как популярные представления. Людей в классе всегда было битком, многие стояли: «Так как лекционная аудитория хорошо отапливалась и была довольно маленькой, некоторые из слушателей время от времени падали на пол, но это совсем не мешало лекции».
8. Четкое расписание
В своей монографии Хейлборн описывает Планка как человека, управляющего своим времени. Каждый день он садился завтракать ровно в 8 утра, затем интенсивно работал до полудня, а по вечерам и в обед отдыхал и развлекал друзей. Его распорядок дня подчинялся жесткому графику во время семестра: чтение лекций и написание работ утром, ланч, отдых, игра на пианино, прогулка, корреспонденция и весьма безжалостный отдых – альпинизм без остановок на перерыв и апартаменты в альпийском стиле без намека на комфорт и уединение.
«Применению должно предшествовать познание»
9. Заядлый альпинист
Планк занимался спортом в течение всей жизни, увлекаясь походами и альпинизмом даже в преклонном возрасте. Достигнув 80 лет, он продолжал регулярно взбираться на горные вершины высотой около 3000 метров.
10. Профессиональный игрок в салки
По рассказу известного физика-ядерщика Лизы Мейтнер в 1958 году, Планк любил веселую компанию, а его дом был местом радушия: «Когда приглашения приходили во время летнего семестра, то проводились активные игры в саду, в которых Планк принимал участие с детской радостью и мастерством. Было почти невозможно от него увернуться. А как он радовался, когда ловил кого-нибудь!».
11. Во время Второй Мировой войны Гестапо вел в его отношении расследование
В связи с открытым проявлением помощи таким еврейским физикам как Эйнштейн, Планк был объявлен националистической фракцией арийских ученых участником Теории заговора евреев с целью оградить немецких ученых от встреч на кафедре физики от круга Эйнштейна. В официальной газете СС «Das Schwarze Korp» его называли «переносчик бактерий» и «белый жид», а его родословную тщательно изучали в Гестапо.
12. Он лично просил Гитлера не увольнять ученых-евреев
Хотя Планк не всегда поддерживал своих еврейских коллег в отношении нацистов, – под давлением Третьего рейха он «наказал» Эйнштейна за то, что тот не вернулся в Германию после того, как Гитлер пришел к власти и уволил еврейских членов Общества Кайзера Вильгельма (впоследствии Общества Макса Планка) – он все же выступал против нацистской политики. Планк боролся против включения в состав Прусской академии членов нацисткой партии и, будучи президентом Общества Кайзера Вильгельма, встретился с Гитлером и призывал фюрера разрешить еврейским коллегам продолжить работать.
Это не сработало. К 1935 году каждый пятый немецкий ученый был снят с постов (по сути каждый четвертый в области физики), а оказание помощи еврейским ученым стало очень опасным. Тем не менее, в 1935 году Планк созвал торжественное собрание Общества кайзеров Вильгельма, чтобы почтить покойного еврейского химика Фрица Хабера, несмотря на явный запрет правительства на участие в мероприятии. Его заметная поддержка таких еврейских коллег, как Хабер и Эйнштейн, и отказ вступит в нацистскую партию привели к тому, что правительство вынудило его покинуть должность президента Прусской академии наук, а также не дало получить ряд профессиональный наград.
13. Сложные отношения с нацистами
Он был одним из многих аполитичных государственных служащих в немецкой академии, кто надеялся, что худшие последствия антисемитского национализма в конечном счете пройдут, и кто в то же время стремился сохранить значение Германии на мировой научной арене. Когда Гитлер начал требовать, чтобы речи открывались с «Хайль, Гитлер», Планк неохотно согласился. Физик Пауль Эвальд вспоминал выступление на открытии Института металлов Кайзера Вильгельма в 1930-е годы: «Все уставились на Планка, ожидая, что же он будет делать на открытии, потому что на тот момент официально предписывалось открывать подобные обращения с "Хайль, Гитлер". Планк встал на трибуну и наполовину поднял руку и опустил. Он сделал это во второй раз. Наконец, он поднял руку и сказал: "Хайль Гитлер"… это было единственное, что мог сделать Планк, чтобы не поставить под угрозу все Общество". По мнению научного журналиста Филиппа Болла, для Планка подъем Гитлера и нацистской Германия стал "катастрофой, которая его охватила и которая, в конце концов, его уничтожила".
14. Его сын был связан с покушением на Гитлера
До того, как нацисты пришли к власти, Эрвин Планк был высокопоставленным чиновником, и, хотя после 1933 года он уже не участвовал в политической жизни, он тайно помогал составить конституцию для пост-нацистского правительства. В 1944 году он был арестован и обвинен в участии в покушении Клауса Штауффенберга на Адольфа Гитлера, в котором нацистский лидер был ранен в результате взрыва в портфеле. На первый взгляд кажется, что Эрвин никак напрямую не связан со взрывов, однако он нанял сторонников для заговорщиков и был приговорен к смертной казни за измену Родине. Пытаясь спасти любимого сына, 87-летний Макс Планк писал письма с просьбой о помиловании и Гитлеру, и главе СС, Генриху Гиммеру. Эрвин был казнен в 1945 году.
15. "Продолжай работать"
После Первой Мировой войны Планк призывал своих коллег игнорировать шаткость политической ситуации и сконцентрироваться на важности их научных достижений: "Упорно продолжай работать", – был его слоган.
16. Он назвал физику "самым возвышенным научным стремлением в жизни"
В своей автобиографии Планк объясняет, почему он посвятил себя физике: "Внешний мир не зависит от человека, это нечто абсолютное, и стремление к законам, управляющим этим абсол ютом, кажется мне самым возвышенным научным стремлением в жизни".
17. Есть много вещей, названных в его честь
Несколько открытий Планка были названы в конце концов в его честь, в том числе закон Планка, постоянная Планка (h = 6.62607004 × 10^-34 Дж-с), и планковские единицы. Есть планковская эпоха (первый этап Большого взрыва), частицы Планка (крошечные черны дыры), лунный кратер Планка и космический аппарат "Планк" Европейского космического агентства. Не говоря уже об Обществе Макса Планка и его 83 институтах. И, несомненно, он это заслужил.
Макс Планк
(1858-1947).
Немецкий физик Макс Карл Эрнст Людвиг Планк родился 23 апреля 1858 года в прусском городе Киле, в семье профессора гражданского права Иоганна Юлиуса Вильгельма фон Планка, профессора гражданского права, и Эммы (в девичестве Патциг) Планк. В детстве мальчик учился играть на фортепиано и органе, обнаруживая незаурядные музыкальные способности. В 1867 году семья переехала в Мюнхен, и там Планк поступил в Королевскую Максимилиановскую классическую гимназию, где превосходный преподаватель математики впервые пробудил в нем интерес к естественным и точным наукам. По окончании гимназии в 1874 году он поначалу собирался изучать классическую филологию, пробовал свои силы в музыкальной композиции, но потом отдал предпочтение физике.
В течение трех лет Планк изучал математику и физику в Мюнхенском и год в Берлинском университетах. Один из его профессоров в Мюнхене, физик-экспериментатор Филипп фон Жолли, оказался плохим пророком, когда посоветовал молодому Планку избрать другую профессию, так как, по его словам, в физике не осталось ничего принципиально нового, что можно было бы открыть. Эта точка зрения, широко распространенная в то время, возникла под влиянием необычайных успехов, которых ученые в XIX веке достигли в приумножении наших знаний о физических и химических процессах.
В бытность свою в Берлине Планк приобрел более широкий взгляд на физику благодаря публикациям выдающихся физиков Германа фон Гельмгольца и Густава Кирхгофа, а также статьям Рудольфа Клаузиуса. Знакомство с их трудами способствовало тому, что научные интересы Планка надолго сосредоточивались на термодинамике - области физики, в которой на основе небольшого числа фундаментальных законов изучаются явления теплоты, механической энергии и преобразования энергии.
Ученую степень доктора Планк получил в 1879 году, защитив в Мюнхенском университете диссертацию "О втором законе механической теории тепла" - втором начале термодинамики, утверждающем, что ни один непрерывный самоподдерживающийся процесс не может переносить тепло от более холодного тела к более теплому. Через год он защитил диссертацию "Равновесное состояние изотропных тел при различных температурах", которая принесла ему должность младшего ассистента физического факультета Мюнхенского университета.
В 1885 году он стал адъюнкт-профессором Кильского университета, что упрочило его независимость, укрепило финансовое положение и предоставило больше времени для научных исследований. Работы Планка по термодинамике и ее приложениям к физической химии и электрохимии снискали ему международное признание. В 1888 году он стал адъюнкт-профессором Берлинского университета и директором Института теоретической физики (пост директора был создан специально для него).
Работая доцентом Мюнхенского университета, Планк начал составлять курс лекций по теоретической физике. Но до 1897 года он не мог приступить к публикации своих лекций. В 1887 году он написал конкурсное сочинение на премию философского факультета Геттингенского университета. За это сочинение Планк получил премию, а сама работа, содержащая историко-методологический анализ закона сохранения энергии, переиздавалась пять раз, с 1887 по 1924 год. За это же время Планк опубликовал ряд работ по термодинамике физико-химических процессов. Особую известность получила созданная им теория химического равновесия разведенных растворов. В 1897 году вышло первое издание его лекций по термодинамике. Эта классическая книга переиздавалась несколько раз (последнее издание вышло в 1922 году) и переводилась на иностранные языки, в том числе и на русский. К тому времени Планк был уже ординарным профессором Берлинского университета и членом Прусской академии наук.
С 1896 года Планк заинтересовался измерениями, производившимися в Государственном физико-техническом институте в Берлине, а также проблемами теплового излучения тел. Проводя свои исследования, Планк обратил внимание на новые физические закономерности. Он установил на основе эксперимента закон теплового излучения нагретого тела. При этом он столкнулся с тем, что излучение имеет прерывный характер. Планк смог обосновать свой закон лишь с помощью замечательного предположения, что энергия колебания атомов не произвольная, а может принимать лишь ряд вполне определенных значений. Позднейшие исследования целиком подтвердили это предположение. Оказалось, что прерывность присуща любому излучению, что свет состоит из отдельных порций (квантов) энергии.
Планк установил, что свет с частотой колебания должен испускаться и поглощаться порциями, причем энергия каждой такой порции равна частоте колебания умноженной на специальную константу, получившую название постоянной Планка.
14 декабря 1900 года Планк доложил Берлинскому физическому обществу о своей гипотезе и новой формуле излучения. Введенная Планком гипотеза ознаменовала рождение квантовой теории, совершившей подлинную революцию в физике. Классическая физика в противоположность современной физике ныне означает "физика до Планка".
В 1906 году вышла монография Планка "Лекции по теории теплового излучения". Она переиздавалась несколько раз. Русский перевод книги под названием "Теория теплового излучения" вышел в 1935 году.
Его новая теория включала в себя, помимо постоянной Планка, и другие фундаментальные величины, такие как скорость света и число, известное под названием постоянной Больцмана. В 1901 году, опираясь на экспериментальные данные по излучению черного тела, Планк вычислил значение постоянной Больцмана и, используя другую известную информацию, получил число Авогадро (число атомов в одном моле элемента). Исходя из числа Авогадро, Планк сумел с высочайшей точностью найти электрический заряд электрона.
Планк отнюдь не был революционером, и ни он сам, ни другие физики не сознавали глубокого значения понятия "квант". Для Планка квант был всего лишь средством, позволившим вывести формулу, дающую удовлетворительное согласие с кривой излучения абсолютно черного тела. Он неоднократно пытался достичь согласия в рамках классической традиции, но безуспешно. Вместе с тем он с удовольствием отметил первые успехи квантовой теории, последовавшие почти незамедлительно.
Позиции квантовой теории укрепились в 1905 году, когда Альберт Эйнштейн воспользовался понятием фотона - кванта электромагнитного излучения. Эйнштейн предположил, что свет обладает двойственной природой: он может вести себя и как волна, и как частица. В 1907 году Эйнштейн еще более упрочил положение квантовой теории, воспользовавшись понятием кванта для объяснения загадочных расхождений между предсказаниями теории и экспериментальными измерениями удельной теплоемкости тел. Еще одно подтверждение потенциальной мощи введенной Планком новации поступило в 1913 году от Нильса Бора, применившего квантовую теорию к строению атома.
В тоже время личная жизнь Планка была отмечена трагедией. Его первая жена, урожденная Мария Мерк, с которой он вступил в брак в 1885 году и которая родила ему двух сыновей и двух дочерей-близнецов, умерла в 1909 году. Двумя годами позже он женился на своей племяннице Марге фон Хесслин, от которой у него также родился сын. Во время Первой мировой войны погиб под Верденом один из его сыновей, а в последующие годы обе его дочери умерли при родах.
В 1919 году Планк был удостоен Нобелевской премии по физике за 1918 год "в знак признания его заслуг в деле развития физики благодаря открытию квантов энергии". Как заявил А. Г. Экстранд, член Шведской королевской академии наук, на церемонии вручения премии, "теория излучения Планка - самая яркая из путеводных звезд современного физического исследования, и пройдет, насколько можно судить, еще немало времени, прежде чем иссякнут сокровища, которые были добыты его гением". В нобелевской лекции, прочитанной в 1920 году, Планк подвел итог своей работы и признал, что "введение кванта еще не привело к созданию подлинной квантовой теории".
В двадцатые годы Шредингер, Гейзенберг, Дирак и другие развили квантовую механику. Планку пришлась не по душе новая вероятностная интерпретация квантовой механики, и, подобно Эйнштейну, он пытался примирить предсказания, основанные только на принципе вероятности, с классическими идеями причинности. Его чаяниям не суждено было сбыться: вероятностный подход устоял.
Вклад Планка в современную физику не исчерпывается открытием кванта и постоянной, носящей ныне его имя. Сильное впечатление на него произвела специальная теория относительности Эйнштейна, опубликованная в 1905 году. Полная поддержка, оказанная Планком новой теории, в немалой мере способствовала принятию специальной теории относительности физиками. К числу других его достижений относится предложенный им вывод уравнения Фоккера-Планка, описывающего поведение системы частиц под действием небольших случайных импульсов.
В 1928 году в возрасте семидесяти лет Планк вышел в обязательную формальную отставку, но не порвал связей с Обществом фундаментальных наук кайзера Вильгельма, президентом которого он стал в 1930 году. И на пороге восьмого десятилетия он продолжал исследовательскую деятельность.
Как человек сложившихся взглядов и религиозных убеждений, да и просто как справедливый человек, Планк после прихода в 1933 году Гитлера к власти публично выступал в защиту еврейских ученых, изгнанных со своих постов и вынужденных эмигрировать. На научной конференции он приветствовал Эйнштейна, преданного анафеме нацистами. Когда Планк как президент Общества фундаментальных наук кайзера Вильгельма наносил официальный визит Гитлеру, он воспользовался этим случаем, чтобы попытаться прекратить преследования ученых-евреев. В ответ Гитлер разразился тирадой против евреев вообще. В дальнейшем Планк стал более сдержанным и хранил молчание, хотя нацисты, несомненно, знали о его взглядах. Как патриот, любящий родину, он мог только молиться о том, чтобы германская нация вновь обрела нормальную жизнь. Он продолжал служить в различных германских ученых обществах в надежде сохранить хоть какую-то малость немецкой науки и просвещения от полного уничтожения.
Планка ждало новое потрясение. Второй сын от первого брака был казнен в 1944 году за участие в неудавшемся заговоре против Гитлера. После того как его дом и личная библиотека погибли во время воздушного налета на Берлин, Планк и его жена пытались найти убежище в имении Рогец неподалеку от Магдебурга, где оказались между отступающими немецкими войсками и наступающими силами союзных войск. В конце концов, супруги Планк были обнаружены американскими частями и доставлены в безопасный тогда Геттинген.
Планк глубоко интересовался философскими проблемами, связанными с причинностью, этикой и свободой воли, и выступал на эти темы в печати и перед профессиональными и непрофессиональными аудиториями. Исполнявший обязанности пастора (но не имевший священнического сана) в Берлине, Планк был глубоко убежден в том, что наука дополняет религию и учит правдивости и уважительности.
Планк верил в реальности внешнего мира и в могущество разума. Это существенно отметить, потому что очень важный этап его деятельности протекал в обстановке кризиса в физике. Однако материалистически настроенный Планк твердо противостоял модным позитивистским увлечениям Маха и Оствальда. "Он был типичным немцем в лучшем смысле этого слова, - пишет в своей книге Джордж Паджет Томсон, видный физик, сын Дж. Дж. Томсона. - Честный, педантичный, с чувством собственного достоинства, по-видимому, довольно твердый, но в благоприятных условиях способный отбросить всю чопорность и превратиться в обаятельного человека".
Через всю свою жизнь Планк пронес любовь к музыке: великолепный пианист, он часто играл камерные произведения со своим другом Эйнштейном, пока тот не покинул Германию. Планк был также увлеченным альпинистом и почти каждый свой отпуск проводил в Альпах.
Планк состоял членом Германской и Австрийской академий наук, а также научных обществ и академий Англии, Дании, Ирландии, Финляндии, Греции, Нидерландов, Венгрии, Италии, Советского Союза, Швеции и Соединенных Штатов. Германское физическое общество назвало в честь него свою высшую награду медалью Планка, и сам ученый стал первым обладателем этой почетной награды. В честь его восьмидесятилетия одна из малых планет была названа Планкианой, а после окончания Второй мировой войны Общество фундаментальных наук кайзера Вильгельма было переименовано в Общество Макса Планка.
Скончался Планк в Геттингене 4 октября 1947 года, за шесть месяцев до своего девяностолетия. На его могильной плите выбиты только имя и фамилия и численное значение постоянной Планка.
Почему Макс Планк, выбирая между физикой и музыкой, предпочел науку, что общего у его учебы и фильмов о кунг-фу, почему он рассорился с Эйнштейном и как пострадал от Первой и Второй мировых войн, рассказывает рубрика «Как получить Нобелевку».
Нобелевская премия по физике 1918 года. Формулировка Нобелевского комитета: «В знак признания его заслуг в деле развития физики благодаря открытию квантов энергии».
Когда ты пишешь биографии нобелевских лауреатов в хронологическом порядке, приходится удивляться, насколько разное количество информации доступно о великих ученых. В одном случае приходится «закапываться» в журнальные статьи, пытаться понять тексты на языках, отличных от английского и русского, в другом же, наоборот, даже важных фактов столько, что приходится устраивать им строгий конкурс.
Случай нобелевского лауреата по физике за 1918 год явно относится ко второй категории. Макс Планк номинировался на премию ежегодно с 1910 года и получил награду сравнительно быстро, несмотря на то, что большая часть физического сообщества, включая многих первых лауреатов премии, была совсем не готова признать наступление новой физики. Даже под грузом накопившихся фактов.
Макс Планк - человек, имя которого сейчас для немецкой науки стало нарицательным (вспомните Общество Макса Планка, аналог нашей Академии наук). Его практически обожествляла немецкая наука при жизни (медаль имени Макса Планка - первую получил сам Планк и Эйнштейн - и Институт физики имени Макса Планка появились еще при жизни ученого). Наш герой был «человеком с происхождением». Его отец, Вильгельм Планк, представлял древний дворянский род, многие члены которого были известными деятелями науки и культуры. Например, дед Макса, Хайнрих Людвиг, как и прадед Готтлиб Якоб, преподавали теологию в Геттингене. Мама, Эмма Патциг, происходила из церковной семьи.
Вход в здание Общества Макса Планка (Мюнхен)
Wikimedia Commons
Он родился 23 апреля 1858 года в Киле, столицы Голштинии (именно отсюда происходил император Петр III, муж Екатерины II). За Киль постоянно спорили Германия и Дания, даже воевали за него. Семья Планков провела в этом городе первые девять лет жизни будущего великого ученого, и Макс на всю жизнь запомнил вступление прусских и австрийских войск в город в 1864 году. Вообще, войны постоянно били рядом с Планком - по самому близкому. В Первую мировую, в 1916 году, под Верденом погиб его старший сын Карл, в январе 1945 года нацисты повесили его второго сына Эрвина (его заподозрили к причастности к заговору полковника Штауффенберга). Бомбежки союзников едва не убили его во время лекции, завалив на несколько часов в бомбоубежище, в конце войны разорили его имение, куда-то исчезла его огромная библиотека…
Но пока что на дворе 1867 год, и отец юного Планка получает приглашение из Мюнхена. Позиция профессора юриспруденции знаменитого Мюнхенского университета оказалась очень заманчивой, и семья переехала в Баварию. Здесь Макс Планк пошел учиться в очень престижную Максимилиановскую гимназию, где стал первым учеником.
Максимилиановская гимназия
Wikimedia Commons
И прямо по структуре волшебной сказки Проппа или фильма про мастера кунг-фу, именно тут появился более опытный и мудрый советник, поделившийся частью своей мудрости. Таким сказочным наставником стал учитель математики Германн Мюллер. Он открыл в юноше талант к математике и дал ему первые уроки удивительной красоты законов природы: именно от Мюллера Планк узнал о законе сохранения энергии, поразившем его навсегда. Нужно сказать, что к моменту окончания школы канва волшебной сказки продолжилась: он оказался на распутье. Конечно, никакого камня с надписями не было, но, помимо явных способностей к физике и математике, Планк обнаружил недюжинный музыкальный талант. Может быть, на его выбор повлияло то, что Макс Планк при отличном голосе и замечательной технике игры на рояле понял, что он не самый лучший композитор.
Планк выбрал физику и в 1874 году поступил в Мюнхенский университет. Правда, играть, петь и дирижировать не бросил. Физика так физика. В ней тоже пришлось делать выбор: в какую из областей науки податься.
Вильгельм Планк отправил сына к профессору Филиппу Жолли. Юноша тяготел к теоретической физике и спросил у известного ученого, как ему такой выбор. Жолли, отговаривая его, сказал Планку ту самую фразу, которая теперь затерта до дыр: дескать, не ходи, мальчик, в теоретическую физику: все открытия тут уже сделаны, все формулы выведены, осталось немного частностей позакрывать, и все. Правда, цитируется это обычно с интонацией, мол, юноша героически бросился воевать против косности физики того времени. Но нет.
Макс Планк в 1878 году
Общественное достояние
Юноша обрадовался: он вовсе не собирался совершать новые открытия. Как объяснял потом свое решение Планк, он всего лишь собирался понять уже накопленные физикой знания и уточнить неточности. Кто же знал, что в ходе уточнения рухнет все здание физики 1874 года.
Вот как писал сам Планк о себе юном в «Научной автобиографии»: «С юности меня вдохновило на занятие наукой осознание того отнюдь не самоочевидного факта, что законы нашего мышления совпадают с закономерностями, имеющими место в процессе получения впечатлений от внешнего мира, и что, следовательно, человек может судить об этих закономерностях при помощи чистого мышления. Существенно важным при этом является то, что внешний мир представляет собой нечто не зависимое от нас, абсолютное, чему противостоим мы, а поиски законов, относящихся к этому абсолютному, представляются мне самой прекрасной задачей в жизни ученого».
Теоретическая физика привела его в Берлин, где он учился у великих Гельмгольца и Кирхгофа. Правда, лекциями по физике в Берлинском университете Планк был разочарован и засел за оригинальные работы своих учителей. К Гельмгольцу и Кирхгофу вскоре добавились работы по теории теплоты Рудольфа Клаузиуса. Так и определилась область научных работ молодого теоретика Макса Планка - термодинамика. Он с энтузиазмом берется «уточнять» детали: переформулирует второй закон термодинамики, пишет новые определения энтропии…
Портрет Германа Гельмгольца
Ханс Шадов/Wikimedia Commons
Здесь мы позволим себе процитировать Макса фон Лауэ из 1947 года: «Нынешняя физика несет совсем другой отпечаток, чем физика 1875 года, когда Планк посвятил себя ей; и в величайшем из этих переворотов Планк сыграл первую, решающую роль. Это было удивительное стечение обстоятельств. Подумать только, восемнадцатилетний абитуриент решил посвятить себя науке, о которой самый компетентный специалист, которого он мог спросить, сказал бы, что она мало перспективна. В процессе учебы он избирает отрасль этой науки, которая у смежных наук стоит совсем не в почете, а внутри этой отрасли - специальную область, которой никто не интересуется. Ни Гельмгольц, ни Кирхгоф, ни Клаузиус, которым это было всего ближе, даже не читают его первых работ, и все же он продолжает идти по своему пути, следуя внутреннему зову, до тех пор, пока он не сталкивается с проблемой, которую многие другие уже тщетно пытались решить и для которой - как выясняется - именно выбранный им путь был наилучшей подготовкой. В результате он смог, исходя из измерений излучения, открыть закон излучения, который носит его имя на все времена. Он сообщил его 19 октября 1900 года Физическому обществу в Берлине».
Что же открыл Планк и какую проблему он решил?
Еще в 1860-х годах один из учителей Планка, Густав Кирхгоф, придумал модельный объект для мысленных экспериментов по термодинамике - абсолютно черное тело. По определению, абсолютно черное тело - это такое тело, которое поглощает абсолютно все излучение, падающее на него. Кирхгоф показал, что абсолютное тело - это еще и лучший излучатель из всех возможных. Но оно излучает тепловую энергию.
Рудольф Клаузиус
Wikimedia Commons
В 1896 году нобелевский лауреат 1911 года, Вильгельм Вин , сформулировал свой второй закон, который объяснил форму кривой распределения энергии излучения черного тела на основе уравнений Максвелла. И вот тут начались противоречия. Второй закон Вина оказался справедлив для коротковолнового излучения. Независимо от Вина Уильям Стретт, лорд Рэлей , получил свою формулу, но она «работала» на длинных волнах.
Вид спектральных кривых, задаваемых законами излучения Планка и Вина при различных температурах. Видно, что различие между кривыми возрастает в длинноволновой области
Планк сумел, используя модель простейшего линейного гармонического резонатора, вывести формулу, которая объединяла формулу Вина и формулу Рэлея. Об этой формуле, ставшей потом формулой Планка, он и сделал доклад 19 октября. Однако, если бы Макс Планк сделал только это, вряд ли он почитался бы так высоко. Да, после доклада в октябре его нашли несколько физиков и сообщили ему: теория идеально сочетается с практикой. Но это означало только то, что он удачно подобрал формулу, которая объясняет узкоспециальную задачу. Планку этого было мало, и он занялся теоретическим обоснованием найденной эмпирически формулы. 14 декабря того же года он вновь выступил в Физическом обществе и сделал доклад, из которого следует: энергия абсолютно черного тела должна излучаться порциями. Квантами.
ПЛАНК, МАКС (Planck, Max) (1858–1947), немецкий физик-теоретик, основоположник квантовой теории. Родился 23 апреля 1858 в Киле. Учился в Мюнхенском и Берлинском университетах, в последнем прослушал курс лекций физиков Гельмгольца и Кирхгофа и математика Вейерштрасса. А это же время тщательно проработал труды по термодинамике Клаузиуса, во многом определившие направление исследований Планка в эти годы. В 1879 стал доктором философии, представив к защите диссертацию О втором законе механической теплоты . В своей диссертационной работе рассмотрел вопрос о необратимости процесса теплопроводности и дал первую общую формулировку закона возрастания энтропии. Через год после защиты получил право на преподавание теоретической физики и пять лет читал этот курс в Мюнхенском университете. В 1885 стал профессором теоретической физики Кильского университета. Самой значительной его публикацией в этот период стала книга Принцип сохранения энергии , получившая премию на конкурсе философского факультета Гёттингенского университета. В 1889 Планк был приглашен в Берлинский университет на должность экстраординарного профессора, через три года был назначен ординарным профессором. В первые годы пребывания в Берлине занимался вопросами теории теплоты, электро- и термохимией, равновесием в газах и разбавленных растворах.
В 1896 Планк начал свои классические исследования в области теплового излучения. Занявшись решением задачи о распределении энергии в спектре излучения абсолютно черного тела, он в 1900 вывел полуэмпирическую формулу, которая при высоких температурах и больших длинах волн удовлетворительно описывала экспериментальные данные Курлбаума и Рубенса, а при коротких волнах и низких температурах переходила в закон Вина. В процессе теоретического обоснования своей формулы Планк пришел к ошеломляющему выводу: он обнаружил, что уравнение справедливо только при одном совершенно новом представлении, а именно: при излучении энергия испускается или поглощается не непрерывно и не в любых количествах, а лишь неделимыми порциями – «квантами». При этом энергия кванта пропорциональна частоте колебания и новой фундаментальной постоянной, имеющей размерность действия. Сейчас эту фундаментальную константу называют постоянной Планка. День 14 декабря 1900, когда Планк доложил в Немецком физическом обществе о теоретическом выводе закона излучения, стал датой рождения квантовой теории и новой эры в естествознании. Впрочем, теория, предложенная Планком как обоснование выведенной им формулы, не привлекала внимания ученых вплоть до 1905, когда революционную идею квантов использовал А.Эйнштейн, распространив ее на сам процесс излучения и предсказав существование фотона. В 1918 Планк был удостоен за свою теорию Нобелевской премии по физике. Сам же ученый на закате жизни признал, что много лет подряд пытался «как-нибудь встроить квант действия в систему классической физики», однако это ему не удалось.
Большое значение имели работы Планка по теории относительности. В 1906 он вывел уравнения релятивистской динамики, получив выражения для энергии и импульса электрона.
В 1926 Планк оставил свой пост в Берлинском университете (где его преемником стал Э.Шрёдингер), но продолжал активно участвовать в его научной жизни, а также читал публичные лекции по физике. В 1912–1938 он был непременным секретарем Берлинской АН, долгое время был президентом Общества кайзера Вильгельма (с 1948 – Общество Макса Планка). Будучи обязанным по должности засвидетельствовать свое почтение Гитлеру, имел в 1933 беседу с ним, которую пытался использовать для того, чтобы предотвратить массовое увольнение ученых-евреев.
Во время Второй мировой войны Планк перенес немало лишений. Последние годы его жизни были омрачены гибелью сына, казненного за участие в покушении на Гитлера 20 июля 1944. Умер Планк в Гёттингене 4 октября 1947.
Среди многочисленных трудов ученого – Лекции по теории теплового излучения (Vorlesungen über die Theorie der Warmestrahlung , 1906), Введение в теоретическую физику (Einführung in die theoretische Physik , Bd. 1–5, 1916–1930), Пути физического познания (Wege zur physikalischen Erkenntnis , 1933).
