Макс Планк

«Научная истина торжествует по мере того, как вымирают её противники»

Макс Планк (1858-1947) (Макс Карл Эрнест Людвиг) — немецкий физик, один из основоположников квантовой теории, иностранный член-корреспондент Петербургской АН (1913) и почетный член АН СССР (1926). Ввел (1900) квант действия (постоянная Планка) и, исходя из идеи квантов, вывел закон излучения, назван его именем. Труды по термодинамике, теории относительности, философии естествознания. Нобелевская премия (1918).  

Годы учёбы

Макс Планк родился 28 апреля 1858 (Киль) в семье юриста, профессора права Кильского университета Иоганна Юлиуса Вильгельма фон Планка и Эммы Планк, урожденной Патциг. 

Когда мальчику исполнилось девять лет, семья переехала в Мюнхен. В Королевской Максимилиановской гимназии, учеником которой он стал, преподавателем математики был Г. Мюллер. Человек изобретательный и остроумный, умевший продемонстрировать на простых и убедительных примерах законы физики, он пробудил у одаренного ученика интерес к естественным и точным наукам. Впоследствии Планк писал, что закон сохранения энергии был принят им «как Евангелие», как первый из тех «абсолютных законов», которые управляют внешним миром. 

Однако, выбирая профессию, Макс Планк не сразу избрал физику. Его привлекала и классическая филология, и музыка, незаурядные способности к которой он проявлял еще в детстве, выучившись играть на фортепиано и органе. И хотя физика одержала верх, музыка всегда оставалась на видном месте в жизни Планка и даже в некоторые периоды вытесняла остальные интересы. После окончания гимназии в 1874 М. Планк три года занимался в Мюнхенском университете, где получил хорошую математическую подготовку. Но только после перехода в университет в Берлине, где он проучился год под руководством таких выдающихся физиков, как Герман Гельмгольц и Густав Кирхгоф, определилось его призвание. Как писал впоследствии Планк, это произошло благодаря изучению их трудов, а не лекциям (Гельмгольц как следует не готовился к лекциям и подчас ошибался у доски, а Кирхгоф, хотя и готовился очень тщательно, но читал скучно и монотонно), а также знакомству с публикациями немецкого физика Р. Клаузиуса, одного из основателей термодинамики и молекулярно-кинетической теории. 

Обращение к термодинамике.

Профессура в Киле.Именно работы Клаузиуса обусловили на долгие годы особое пристрастие Планка к термодинамике. Не удовлетворившись определением необратимых процессов, данным Клаузиусом, Макс Планк предложил более общее определение. Эти работы, к огорчению Планка, не вызвали интереса в научных кругах, не помогли и личные контакты, и переписка с рядом известных специалистов по термодинамике. Но М.Планк продолжал упорно работать. В 1879 он защитил докторскую диссертацию, посвященную второму началу термодинамики, и уже через год получил должность приват-доцента Мюнхенского университета, а в 1885 стал профессором. В 1897 впервые появилась его книга «Лекции по термодинамике», впоследствии многократно переиздававшаяся и переведенная на многие языки. В 1887 Максу Планку предложено место экстраординарного профессора в Кильском университете. День, когда пришло это приглашение, Планк считал одним из счастливейших в своей жизни. Он активно работает и добивается, в частности, важных результатов в области молодой и развивающейся науки — физической химии, в которой в изобилии совершаются открытия, а также разрабатывает термодинамическую теорию диссоциации газов, осмотического давления, изменения точки замерзания растворов. 

Переезд в Берлин

В 1889 Планк приглашен на философский факультет Берлинского университета на кафедру теоретической физики вначале экстраординарным, а с 1892 ординарным профессором. Именно в это время он впервые получил возможность установить личные научные контакты с ведущими немецкими физиками того времени. Не осталась в стороне и музыкальная деятельность. Департаменту физики была передана большая фисгармония со многими регистрами, которая, по предложению Гельмгольца, была выполнена в нетемперированной настройке. Освоив этот сложный инструмент, Макс Планк произвел сравнение с темперированной настройкой, введенной Бахом, и описал результаты сравнения в статье, опубликованной в 1893, в которой обосновал преимущества настройки Баха. В середине 90-х гг. в физике сформировалась школа «энергетиков», придерживавшихся мнения, что на базе закона сохранения энергии можно объяснить все физические и химические явления. Против этой позиции выступил австрийский физик Людвиг Больцман. Планк также принял участие в дискуссии и в своей статье, вышедшей с 1896, поддержал Больцмана, хотя в то время (как сам Планк подчеркивал позже) он был не только безразличен к статистическому подходу Больцмана, но даже сомневался в его правильности. Причиной тому была убежденность Планка в универсальности закона возрастания энтропии, тогда как Больцман трактовал этот закон как вероятностный. По этому поводу также возникла дискуссия, порой принимавшая острые формы, и не слишком дружественное отношение Больцмана к Планку изменилось лишь после «атомистического» вывода последним законов теплового излучения. 

Тепловое излучение

Интерес к проблемам теплового излучения  возник у Планка под влиянием экспериментальных исследований, проводившихся в то время в Государственном физико-техническом институте (Берлин — Шарлоттенбург) и теоретических работ Кирхгофа, посвященных излучению абсолютно черного тела. Кирхгоф доказал, что спектральный состав равновесного излучения не зависит от природы излучающих тел и в этом смысле является универсальным. Это утверждение не могло не вызвать интереса Планка, склад ума которого делал для него особенно привлекательными положения, несущие черты чего-то «абсолютного». С другой стороны, оно открывало важные возможности теоретического анализа, поскольку позволяло, исследуя излучение, заменять реальные тела некими «моделями». Наиболее простой и поэтому удобной явилась предложенная Планком модель электрических осцилляторов — заряженных частиц, гармонически колеблющихся подобно маятникам. Уравнения Максвелла позволяли вычислить, как осцилляторы излучают и поглощают электромагнитные волны, а статистические законы Больцмана давали возможность связать особенности колебаний с температурой. На основании вышесказанного, можно было, казалось, точно рассчитать спектральный состав равновесного излучения. Однако все попытки такого рода встречали серьезные затруднения у исследователей. 

Квант действия

Попытки самого Планка решить эту проблему, описать экспериментальные данные единой теоретической формулой, увенчались успехом только после того, как он (вопреки всем известным законам физики) фактически принял, что осциллятор, колеблющийся с частотой n, излучает дискретными порциями (квантами), энергия которых пропорциональна частоте Е = hn. Полученную формулу для распределения энергии в спектре электромагнитного излучения абсолютно черного тела Планк доложил 19 декабря 1900 на заседании Берлинского физического общества. Этот день по праву называют днем рождения квантовой теории. Изменения, начало которым он положил, явились поистине революционными. Их масштабы прекрасно понимал и сам Планк, писавший о кванте действия (так он называл множитель h, численное значение которого им было найдено, известный теперь как «постоянная Планка»), что это «... либо фиктивная величина, и тогда весь вывод закона излучения был в принципе ложным и представлял собой всего лишь пустую игру в формулы, лишенную смысла, либо же вывод закона излучения опирается на некую физическую реальность, и тогда квант действия должен приобрести фундаментальное значение в физике и означает собой нечто совершенно новое и неслыханное, что должно произвести переворот в нашем физическом мышлении, основывавшемся со времен Лейбница и Ньютона, открывших дифференциальное исчисление, на гипотезе непрерывности всех причинных соотношений». 

Для Планка, который, по словам хорошо знавшего его Макса Борна, «от природы был консерватором, ничего не имел от революционера и весьма скептически относился к спекулятивным рассуждениям», было весьма нелегко примириться с идеей дискретности, противоречившей всем традициям классической теории. Планк много лет тщетно пытался преодолеть эти противоречия. Он с энтузиазмом встретил появление работ Эрвина Шредингера, создателя волновой механики, которому в 1928, достигнув 70 лет, передал кафедру теоретической физики в университете. Но даже оставив кафедру, Макс Планк продолжал упорно работать. Он не создал того, что называют научной школой, но круг его научного общения был достаточно широк. Заметное место в нем занял Альберт Эйнштейн, для которого в 1913 Прусская академия, благодаря инициативе ряда ведущих ученых, в том числе и Планка, открыла специальную кафедру. Двух великих физиков сблизила и большая любовь к музыке, и, возможно, их отношение к вероятностной интерпретации квантовой механики. 

Макс Планк и Альберт Эйнштейн

Последнее десятилетие

Последние десятилетия жизни Планка были омрачены трагическими событиями. Его первая жена, урожденная Мария Мерк, с которой он вступил в брак в 1885, умерла в 1909, оставив четверых детей, трое из которых не пережили Первой мировой войны (First World War) (1914-1918). В 1916 был убит воевавший во Франции старший сын Карл, в последующие два года умерли от родов две его дочери-близнецы. От первой жены оставался только один сын Эрвин, но и его пережил Планк. В 1944 Эрвин был вовлечен в заговор против Гитлера и казнен. Планк воспринял приход фашистов в 1933 к власти в Германии как национальную трагедию. Человек сложившихся взглядов и религиозных убеждений, он открыто выступал в защиту еврейских ученых, изгнанных со своих постов и вынужденных эмигрировать за границу. Будучи президентом Общества фундаментальных наук Кайзера Вильгельма, Планк использовал все возможности, чтобы сохранить немецкую науку, прекратить преследования ученых-евреев. Порой его действия «приводили Гитлера в такой раж, что уже ничего не оставалось, как молча все выслушать и удалиться». В дальнейшем Планк изменил тактику, стал более сдержанным и осмотрительным, хотя нацисты, несомненно, знали о его взглядах. 

Макс Планк скончался 4 октября 1947 года, в Геттингене, в Пруссии не дожил несколько месяцев до своего девяностолетия. Его научные заслуги, прежде всего «открытие квантовой энергии», были отмечены Нобелевской премией по физике в 1919, избранием во все немецкие и австрийские академии и в академии многих других стран. Общество, президентом которого он был много лет, носит теперь его имя. Но самым значительным памятником Планку останется квантовая теория, отцом которой он может быть назван по праву.