Макс Планк
Выдающийся французский математик А. Пуанкаре писал: «Квантовая теория Планка есть, без всякого сомнения, самая большая и самая глубокая революция, которую натуральная философия претерпела со времен Ньютона».
Макс Карл Эрнст Людвиг Планк родился 23 апреля 1858 года в прусском городе Киле, в семье профессора гражданского права Иоганна Юлиуса Вильгельма фон Планка и Эммы (в девичестве Патциг) Планк.
В 1867 году семья переехала в Мюнхен. Планк потом вспоминал: «В обществе моих родителей и сестер я счастливо провел юные годы». В Королевской Максимилиановской классической гимназии Макс учился хорошо. Рано выявились и его яркие математические способности: в средних и старших классах стало обыкновением, что он заменял заболевших учителей математики. Планк вспоминал уроки Германа Мюллера, «общительного, проницательного, остроумного человека, умевшего на ярких примерах объяснять смысл тех физических законов, о которых он нам, ученикам, говорил».
По окончании гимназии в 1874 году он в течение трех лет изучал математику и физику в Мюнхенском и год - в Берлинском университетах. Физику преподавал профессор Ф. фон Жолли. О нем, как и о других, Планк говорил потом, что он у них многому научился и хранил о них благодарную память, «однако в научном отношении они были, в сущности, людьми ограниченными». Макс решил завершать образование в Берлинском университете. Хотя здесь он занимался у таких корифеев науки, как Гельмгольц и Кирхгоф, но и здесь он не получил полного удовлетворения: его огорчало, что лекции корифеи читали плохо, особенно Гельмгольц. Гораздо больше он получил от знакомства с публикациями этих выдающихся физиков. Они способствовали тому, что научные интересы Планка надолго сосредоточивались на термодинамике.
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.
Как вспоминал ученый: «Будучи приват доцентом в Мюнхене в течение многих лет, я напрасно ждал приглашения в профессуру, на что, конечно, шансов было мало, так как теоретическая физика тогда еще не служила отдельным предметом. Тем более настоятельной была потребность так или иначе выдвинуться в научном мире.
С этим намерением я решил разработать проблему о сущности энергии, поставленную Геттингенским философским факультетом на соискание премии за 1887 год. Еще до окончания этой работы, весной 1885 года, меня пригласили в качестве экстраординарного профессора теоретической физики в Кильский университет. Это казалось мне спасением; день, когда министериал директор Альтгоф пригласил меня к себе в отель «Мариенбад» и более подробно сообщил мне условия, я считал самым счастливым в моей жизни. Хотя в доме родителей я и вел беззаботную жизнь, я все же стремился к самостоятельности…
Вскоре я переехал в Киль; моя геттингенская работа была там вскоре закончена и увенчалась второй премией».
В 1888 году Планк стал адъюнкт профессором Берлинского университета и директором Института теоретической физики (пост директора был создан специально для него).
К тому времени Планк опубликовал ряд работ по термодинамике. Особую известность получила созданная им теория химического равновесия ненасыщенных растворов.
В 1896 году Планк заинтересовался измерениями, производившимися в Государственном физико-техническом институте в Берлине. Экспериментальная работа по изучению спектрального распределения излучения «черного тела», выполненная здесь, привлекла внимание ученого к проблеме теплового излучения.
К тому времени существовало две формулы для описания излучения «черного тела»: одна для коротковолновой части спектра (формула Вина), другая для длинноволновой (формула Рэлея). Задача состояла в том, чтобы состыковать их.
«Ультрафиолетовой катастрофой» назвали исследователи расхождение теории излучения с экспериментом. Расхождение, которое никак не удавалось устранить. Современник «ультрафиолетовой катастрофы», физик Лоренц, грустно заметил: «Уравнения классической физики оказались неспособными объяснить, почему угасающая печь не испускает желтых лучей наряду с излучением больших длин волн…»
«Сшить» формулы Вина и Рэлея и вывести формулу, совершенно точно описывающую спектр излучения черного тела, удалось Планку.
Вот как пишет об этом сам ученый:
«Именно в ту пору все выдающиеся физики обратились, как с экспериментальной, так и теоретической стороны, к проблеме распределения энергии в нормальном спектре. Однако ее они искали в направлении представления интенсивности излучения в ее зависимости от температуры, тогда как я подозревал более глубокую связь в зависимости энтропии от энергии. Так как значение энтропии тогда еще не нашло подобающего ему признания, то я нисколько не волновался за используемый мною метод и мог свободно и основательно проводить свои расчеты, не опасаясь вмешательства или опережения с чьей либо стороны.
Так как для необратимости обмена энергии между осциллятором и возбужденным им излучением имеет особое значение вторая производная его энтропии по его энергии, то я вычислил значение этой величины для случая, стоявшего тогда в центре всех интересов виновского распределения энергии, и нашел замечательный результат, что для этого случая обратная величина такого значения, которую я здесь обозначил К, пропорциональна энергии. Эта связь так ошеломляюще проста, что я долгое время признавал ее совершенно общей и трудился над ее теоретическим обоснованием. Однако шаткость такого понимания скоро обнаружилась перед результатами новых измерений. Именно в то время, как для малых значений энергии, или для коротких волн, закон Вина отлично подтвердился также и впоследствии, для больших значений энергии, или для больших волн, установили сперва Люммер и Прингсгейм заметное отклонение, а проведенные Рубенсом и Ф. Курлбаумом совершенные измерения с плавиковым шпатом и калийной солью обнаружили совершенно иное, однако опять таки простое отношение, что величина К пропорциональна не энергии, а квадрату энергии при переходе к большим значениям энергии и длин волн.
Так прямыми опытами были установлены для функции две простые границы: для малых энергий пропорциональность (первой степени) энергии, для больших - квадрату энергии. Понятно, что так же как любой принцип распределения энергии дает определенное значение К, так и всякое выражение приводит к определенному закону распределения энергии, и речь идет теперь о том, чтобы найти такое выражение, которое давало бы установленное измерениями распределение энергии. Но теперь ничего не было естественнее, как составить для общего случая величину в виде суммы двух членов: одного первой степени, а другого второй степени энергии, так что для малых энергий будет решающим первый член, для больших - второй; вместе с тем была найдена новая формула излучения, которую я предложил на заседании Берлинского физического общества 19 октября 1900 года и рекомендовал для исследования.
.. .Последующими измерениями формула излучения также подтверждалась, а именно, тем точнее, чем к более тонким методам измерения переходили. Однако формула измерения, если предполагать ее абсолютно точную истинность, была сама по себе только счастливо угаданным законом, имеющим только формальное значение».
Планк установил, что свет должен испускаться и поглощаться порциями, причем энергия каждой такой порции равна частоте колебания умноженной на специальную константу, получившую название постоянной Планка.
Ученый сообщает, как упорно пытался он ввести квант действия в систему классической теории: «Но эта величина [постоянная h] оказалась строптивой и сопротивлялась всем подобного рода попыткам. До тех пор пока ее можно считать бесконечно малой, т е. при больших энергиях и более продолжительных периодах, все было в полном порядке. Но в общем случае то там, то здесь возникала зияющая трещина, которая становилась тем более заметной, чем более быстрые колебания рассматривались. Провал всех попыток перекинуть мост через эту пропасть не оставил вскоре никаких сомнений в том, что квант действия играет фундаментальную роль в атомной физике и что с его появлением началась новая эпоха в физической науке, ибо в нем заложено нечто, до того времени неслыханное, что призвано радикально преобразить наше физическое мышление, построенное на понятии непрерывности всех причинных связей с того времени, как Лейбниц и Ньютон создали исчисление бесконечно малых».
В. Гейзенберг так передает широко известную легенду о раздумьях Планка: «Его сын Эрвин Планк вспоминал об этом времени, что он гулял со своим отцом в Грюневальде, что Планк в течение всей прогулки возбужденно и волнуясь рассказывал о результате своих исследований. Он говорил ему примерно так: «Или то, чем я занимаюсь теперь, есть совершенная бессмыслица, или речь идет, может быть, о самом большом открытии в физике со времен Ньютона»».
14 декабря 1900 года Планк на заседании Немецкого физического общества выступил со своим историческим докладом «К теории распределения энергии излучения нормального спектра». Он доложил 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».
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.
Позиции квантовой теории укрепились в 1905 году, когда Альберт Эйнштейн воспользовался понятием фотона — кванта электромагнитного излучения. Еще через два года Эйнштейн еще более упрочил положение квантовой теории, воспользовавшись понятием кванта для объяснения загадочных расхождений между теорией и экспериментальными измерениями удельной теплоемкости тел. Еще одно подтверждение теории Планка поступило в 1913 году от Бора, применившего квантовую теорию к строению атома.
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».
К числу других его достижений относится, в частности, 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.
После прихода в 1933 году Гитлера к власти Планк не раз публично выступал в защиту еврейских ученых, изгнанных со своих постов и вынужденных эмигрировать. 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.
Планк жил в предместье Берлина - Грюневальд. В его доме, расположенном по соседству с чудесным лесом, было просторно, уютно, на всем лежала печать благородной простоты. Огромная, любовно и вдумчиво подобранная библиотека. Музыкальная комната, где хозяин угощал своей изысканной игрой больших и небольших знаменитостей.
Его первая жена, урожденная Мария Мерк, с которой он вступил в брак в 1885 году, родила ему двух сыновей и двух дочерей близнецов. С ней Планк счастливо прожил более двадцати лет. В 1909 году она умерла. Это был удар, от которого ученый долго не мог оправиться.
Двумя годами позже он женился на своей племяннице Марге фон Хесслин, от которой у него также родился сын. Но с той поры несчастья преследовали Планка. Во время Первой мировой войны погиб под Верденом один из его сыновей, а в последующие годы обе его дочери умерли при родах. Второй сын от первого брака был казнен в 1944 году за участие в неудавшемся заговоре против Гитлера. Дом и личная библиотека ученого погибли во время воздушного налета на Берлин.
Силы Планка были подорваны, все больше страданий причинял артрит позвоночника. Некоторое время ученый находился в университетской клинике, а затем переехал к одной из своих племянниц.
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.
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.