Max Planck byl víc než jen fyzik. Byl to muž, který přepsal pravidla hry. Narodil se v německém Kielu v roce 1858 a vyrostl ve vytvoření kvantové teorie. Tento jediný úspěch mu v roce 1918 vynesl Nobelovu cenu za fyziku. Změnil také celý směr lidského chápání.
Před Planckem jsme si mysleli, že rozumíme tomu, jak hmota funguje. Nerozuměli jsme. Jeho práce se spolu s Einsteinovou teorií relativity stala základem vědy 20. století. Nejsou to jen abstraktní pojmy. Jsou důvodem, proč máme moderní elektroniku, jadernou energii a digitální zařízení, která pravděpodobně právě teď držíte v rukou. Planck nás donutil uznat, že svět v nejmenším měřítku nedodržuje pravidla, která vidíme v každodenním životě.
Život plný hudby a hor
Planckovy rané roky byly definovány řádem. Byl šestým dítětem v rodině vynikajícího právníka. Rodina si cenila stipendia, spolehlivosti a hluboké oddanosti církvi a státu. Tyto hodnoty mu zůstaly po celý život.
V devíti letech se rodina přestěhovala do Mnichova. Učitel jménem Hermann Müller tam probudil zájem o fyziku a matematiku. Ale Planck byl dobrý ve všem. V sedmnácti si musel vybrat cestu. Mohl pokračovat ve studiu klasické filologie. Mohl se věnovat hudbě. Vybral si fyziku. Proč? Protože jsem si uvědomil, že v tom spočívá jeho originalita.
Hudba ho však nikdy neopustila. Měl perfektní hřiště. Každý den hrál na klavír. Schubert a Brahms mu byli útěchou. U klíčů našel klid.
Miloval také přírodu. Dlouhé procházky. Pěší turistika v horách. Dělal to, dokud nebyl velmi starý. To mu pomohlo zůstat v kontaktu s realitou.
Osamělá cesta k lesku
Univerzita pro něj nebyla jednoduchá. V roce 1874 nastoupil na univerzitu v Mnichově. Profesor fyziky Philipp von Jolly neprojevil nadšení. V letech 1877 až 1878 strávil rok v Berlíně. Přednášky takových velikánů jako Helmholtz a Kirchhoff na něj nezapůsobily.
Nečekal, až ho učitel zachrání. Učil se sám. Ponořil se do díla Rudolfa Clausia o termodynamice. Tam se zformovalo jeho zaměření.
V červenci 1879 získal doktorát. Bylo mu jednadvacet let. To je mladý věk pro jakýkoli titul, natož doktorát v teoretické fyzice. V následujícím roce obhájil kvalifikační disertační práci. Stal se Privatdozent, učitelem.
Spoje pomohly později. Profesní síť jeho otce mu zajistila místo asistenta profesora na univerzitě v Kielu v roce 1885. Poté, v roce 1889, Kirchhoff zemřel. Planck zaujal jeho místo na univerzitě v Berlíně. Nakonec našel mentora v Helmholtzovi.
V roce 1892 se stal řádným profesorem. Zůstal v Berlíně po zbytek svého aktivního života. Měl pouze devět postgraduálních studentů. Ale jeho přednášky? Byli legendární. Vycházely v mnoha vydáních a ovlivnily nespočet myslí.
Hledejte absolutní pravdu
Proč to udělal? Nejen pro slávu. Planck věřil v něco hlubokého. Napsal, že lidské myšlení odráží zákony dojmů, které dostáváme ze světa. Čistá úvaha by podle jeho názoru mohla odhalit mechanismus vesmíru.
Pro teoretický fyzik se rozhodl ještě dříve, než se obor stal samostatnou disciplínou. Hledání fyzikálních zákonů chápal jako touhu po něčem absolutním. Vnější svět byl podle jeho názoru nezávislý na člověku.
“Hledání zákonů platných pro toto absolutno bylo prezentováno… jako nejvznešenější vědecké úsilí v životě.”
Tato víra ho pohnula. Přiměla ho, aby zpochybnil status quo. Pohnula ho, aby naznačil, že energie není nepřetržitá. Skládá se z porcí. Quanta.
Tato myšlenka se zpočátku zdála malá. Jen matematická oprava problému záření černého tělesa. Ale otevřela dveře. Dveře, kterými stále procházíme.
Následky jsou všude. Pokud je energie kvantována, pak se atomy chovají jinak, než si Newton představoval. Elektrony neobíhají kolem jádra jako planety. Dělají skoky. Existují ve formě pravděpodobností. To není jen teorie. To je základ tranzistoru. Laser. Tomograf (MRI).
Planck zemřel v Göttingenu v roce 1947. Ale struktura, kterou vytvořil, zůstává. Žijeme v kvantovém světě. Jen to vždy nevidíme.
Proč stále spoléháme na jeho počáteční skok? Protože pokaždé, když posouváme hranice technologií, narazíme na stejnou zeď. Do zdi, kterou pomáhal stavět. Otázkou není, zda je jeho teorie správná. Otázkou je, jak daleko můžeme zajít, než další objev zničí to, co si myslíme, že víme. A tento objev už čeká.
Hledejte absolutní zákon
Vztah Maxe Plancka k fyzikálním zákonům začal ve třídě. Ještě jako student střední školy ho zarazila jedna konkrétní jistota: zákon zachování energie. První zákon termodynamiky se zdál neotřesitelný. Když nastoupil na univerzitu, cítil se stejně o druhém principu. Entropie se vždy zvyšovala. Bylo to absolutně.
Toto přesvědčení určilo obsah jeho doktorské práce v Mnichově. Vedlo ho to také přímo k objevu kvanta akce. Nyní tomu říkáme Planckova konstanta h. Stalo se tak v roce 1900.
Abychom pochopili, jak k tomu přišel, musíme se podívat na problém záření černého tělesa. Gustav Kirchhoff identifikoval tento objekt již v roce 1859. Zcela černé těleso pohlcuje veškeré záření, které na něj dopadá. Vyzařuje vše zpět. Je to ideální zářič a absorbér. V jeho chování je cosi drsného a absolutního.
V 90. letech 19. století byli vědci posedlí mapováním tohoto chování. Potřebovali najít spektrální rozložení energie. Potřebovali křivku ukazující, kolik energie černé těleso vyzařuje na různých frekvencích při dané teplotě. Byla to hádanka o tepelném záření.
Zákon vína se hroutí
Planck silně čerpal z díla Wilhelma Wiena. Wien, pracující na Pruském institutu fyziky a technologie (PTR) v Berlíně-Charlottenburgu, odvodila vzorec v roce 1896. Byla elegantní. Planck se jej pokusil odvodit z druhého zákona termodynamiky. Myslel si, že by mohl dokázat její fundamentálnost.
Nevyšlo to.
Data od Planckových kolegů z PTR vyprávěla jiný příběh. Otto Richard Lummer, Ernst Pringsheim, Heinrich Rubens, Ferdinand Kurlbaum. Tito experimentátoři měli přesná měření. Ukázali, že Wienův zákon funguje dobře na vysokých frekvencích. Na nízkých frekvencích to úplně selhalo.
Křivka byla špatná. Teorie byla neúplná. Planck o tom věděl před zasedáním Německé fyzikální společnosti 19. října.
Matematická sazba
Měl problém vyřešit. Znal matematický vztah mezi entropií a energií pro oblast vysokých frekvencí. Naplnil se tam vinařský zákon. Věděl však také, jaká tato závislost musí být v nízkofrekvenční oblasti, aby odpovídala novým experimentálním datům.
Dvě různé pravdy. Jedna fyzická realita.
Potřeboval překlenout propast. Úkol byl v podstatě jednoduchý, ale náročný na provedení. Tyto dva výrazy musel zkombinovat co nejjednodušším způsobem. Potřeboval jeden vzorec.
Mělo přímo propojit energii záření s jeho frekvencí.
“Planck navrhl, že bychom se měli pokusit tyto dva výrazy zkombinovat co nejjednodušším způsobem.”
Neupravil jen stávající model. Vytvořil nový. Vzal limit vysoké frekvence a limit nízké frekvence a přiměl je mluvit stejným jazykem. Výsledkem byl vzorec, který přesně popisoval data v celém spektru.
Tohle nebylo jen křivky. To byla strukturální změna v chápání energie. Matematika vyžadovala samostatnou jednotku. Kuska. Quanta.
Z rovnice vyplynula konstanta. h.
Tohle všechno změnilo.
Neochotný revolucionář a zrození kvanta
Max Planck se podíval na svou rovnici a uviděl zázrak. Pro vědeckou komunitu byl Planckův radiační zákon nepopiratelný. Dokonale to sedí na data. Ale v jeho hlavě to byl jen odhad. Šťastná intuice. Pokud to fyzika měla brát vážně, musel Planck dokázat, že to nebyla náhoda. Měl to odvodit z prvních principů.
Do 14. prosince 1900 tak učinil. Cena se ukázala být vysoká.
Aby matematika fungovala, musel Planck zabít svou nejcennější víru. Vždy považoval druhý termodynamický zákon za absolutní, neotřesitelné pravidlo přírody. Nyní musel přijmout kontroverzní výklad Ludwiga Boltzmanna: druhý zákon je statistický. Mluvíme o pravděpodobnostech, ne o certeze.
Horší bylo, že musel předpokládat, že energie neteče jako voda. Přišlo to po částech. Planck navrhl, že oscilátory v černém tělese mohou absorbovat a re-emitovat energii pouze v diskrétních částech. Quanta. Každý balíček energie (h ν) byl úměrný jeho frekvenci. Statistickým rozdělením těchto diskrétních paketů mezi všechny oscilátory nakonec odvodil vzorec, který našel před dvěma měsíci.
Následky byly ohromující. Použil svůj nový vzorec k výpočtu základních konstant. Jeho hodnota h (Planckova konstanta) byla 6,55 × 10⁻²⁷ erg·sekunda. Blíží se moderní hodnotě 6,626 × 10⁻²⁷. Také přesně určil Boltzmannovu konstantu, Avogadrovo číslo a náboj elektronu.
Jedno číslo změnilo vše. h se nerovnalo nule. Byl malý, ale existoval.
To znamenalo, že mikroskopický svět nelze popsat klasickou mechanikou. Newtonův hladký, nepřetržitý svět byl lží na atomové úrovni. Probíhala revoluce.
Einstein vstupuje do prázdnoty
Planckův koncept kvant odporoval všem zavedeným pozicím ve fyzice. Nechtěl porušovat pravidla. Logika ho k tomu donutila. Historici ho označují za neochotného revolucionáře. Ještě neviděl celý obrázek.
Trvalo roky, než se plně projevily důsledky. Albert Einstein odvedl tvrdou práci.
V roce 1905 Einstein tvrdil, že samotné světlo je vyrobeno z kvant. Nazval je světelná kvanta. Nyní je nazýváme fotony. Nezajímalo ho, že Planck považoval absorpci energie za kvantovanou, ale emise mohla být stále spojitá. Einstein šel ještě dál. Navrhl, že samotné záření bylo zrnité.
V roce 1907 Einstein dokázal obecnost hypotézy. Použil to k vysvětlení, proč se tepelná kapacita pevných látek mění s teplotou. Klasická fyzika zde selhala. Kvantová teorie fungovala.
Pak přišel rok 1909. Einstein zavedl dualismus vlna-částice do hlavního proudu vědeckého diskurzu. Hmota a energie nebyly jen jedna nebo druhá věc. Byli oba.
Solvayova konference a bod zlomu
října 1911. Brusel. První Solvayova konference.
Byli tam Planck a Einstein. Našli se i skeptici. Debata byla napjatá. Přinutili Henriho Poincarého, aby hledal matematický důkaz. Udělal to. Ukázal, že Planckův radiační zákon nevyhnutelně vyžaduje zavedení kvant.
Důkaz změnil názor. James Jeans, houževnatý klasický fyzik, se konečně připojil ke kvantovému táboru. Přehrada se protrhla.
Niels Bohr přidal impuls v roce 1913. Jeho kvantová teorie atomu vodíku poskytla strukturální důkaz, že atomy nejsou jen malé sluneční soustavy. Jednalo se o kvantované systémy.
Ironií osudu se ukázalo, že Planck byl jedním z posledních tvrdohlavých. Bylo pro něj těžké vrátit se ke klasické teorii. Neudělal to ze zloby nebo nevědomosti. Udělal to, aby nový nápad podrobil zátěžovému testu. Tím, že s tím tak tvrdě bojoval, přesvědčil sám sebe o jeho nutnosti.
Opozice vůči Einsteinově světelné kvantové hypotéze z roku 1905 přetrvávala. Mnoho lidí odmítlo přijmout, že světlo se skládá z částic. Čekali na konečný důkaz. Získali to s Comptonovým efektem v roce 1922.
Starý svět zmizel. Ten nový byl chaotický, neintuitivní a nepopiratelně skutečný. Stále žijeme uvnitř rovnice, které se Planck bál uvěřit.
Tíha autority v temném světě
Maxu Planckovi bylo 42 let, když navždy změnil fyziku. Objev z roku 1900, za který dostal v roce 1918 Nobelovu cenu, nevedl k dalším stejně revolučním průlomům. Nepřestal přispívat k vědě. Nadále pracoval na vysoké úrovni v oborech optiky, termodynamiky, statistické mechaniky a fyzikální chemie. Stal se také prvním světovým fyzikem, který v roce 1905 veřejně podpořil Einsteinovu teorii speciální relativity.
“Rychlost světla je pro teorii relativity… stejná jako elementární kvantum akce pro kvantovou teorii; toto je její absolutní jádro.”
To nebyla jen zdvořilá podpora. Planck pochopil strukturní DNA obou teorií. V roce 1914 spolu s Walterem Hermannem Nernstem úspěšně rekrutoval Einsteina do Berlína. Po první světové válce se k nim přidal Max von Laue, Planckův oblíbený žák. Když Planck odešel v roce 1928 do důchodu, jeho místo zaujal Erwin Schrödinger. Berlín se na krátkou dobu stal nesporným hlavním městem teoretické fyziky. Pak v lednu 1933 padla tma.
Bitva o objektivní realitu
Po odchodu do důchodu se Planckovo zaměření přesunulo. Psal méně o rovnicích a více o filozofii, estetice a náboženství. Dostal se do ostré konfrontace s novou kvantovou ortodoxií. Bohr, Born a Heisenberg vytvořili indeterministický, statistický obraz vesmíru. Planck to nenáviděl. Šlo to proti jeho nejhlubší intuici.
Věřil, že fyzický vesmír existuje nezávisle na lidském pozorování. Pozorovatel a pozorovaný nebyli nerozlučně spjati. Nebyla to jen akademická preference. Byl to morální postoj ohledně toho, jak realita funguje.
Jeho vliv nebyl pouze teoretický. Jako stálý tajemník Pruské akademie věd v letech 1912 až 1938 a prezident Společnosti císaře Viléma (nyní Společnost Maxe Plancka) v letech 1930 až 1937 měl obrovskou moc. Ale jeho autorita nepocházela z titulů. Pocházelo z morální síly. O jeho spravedlnosti a poctivosti mezi německými fyziky nebylo pochyb.
Když se nacisté dostali k moci, Planck neutekl. Šel přímo za Hitlerem, aby se pokusil zvrátit rasovou politiku. Zůstal v Německu, aby zachránil to, co se v německé fyzice ještě zachránit dalo. Mohl odejít jiný člověk. Planckova vůle byla neotřesitelná.
Tragédie jako motor vytrvalosti
Planck tento stoicismus potřeboval. Bez hlubokého filozofického a náboženského přesvědčení by se dávno před koncem zhroutil. Tragédie začaly brzy.
V roce 1909 zemřela po 22 letech manželství jeho první manželka Marie Merck. Byla dcerou mnichovského bankéře. Planckovi zůstali dva synové a dvojčata. Nejstarší syn Karl byl zabit v akci v roce 1916. Následující rok zemřela jeho dcera Margaretha při porodu. V roce 1919 potkal stejný osud i jeho další dceru Emmu.
Druhá světová válka zasadila rány. Jeho berlínský dům byl zničen bombardováním v roce 1944. Jeho nejmladší syn Erwin byl zapojen do atentátu na Hitlera 20. července 1944. Gestapo ho popravilo počátkem roku 1945. Tento nemilosrdný čin zničil Planckovu vůli žít.
Na konci války přivezli američtí důstojníci Plancka a jeho druhou manželku Margu von Hesslinovou (od roku 1910 provdanou, s níž měl jednoho syna) do Göttingenu. Zemřel tam v roce 1947. Bylo mu 89 let. James Frank popsal smrt tak, že k němu přichází „jako vykoupení“.
Nebyla to prohra. Byl to odchod ze světa, který mu zlomil srdce a zničil jeho domov. Věda zůstává. Množství akce obstálo ve zkoušce času. Ale muž, který stál za objektivní realitou proti chaosu své doby, konečně našel svou vlastní formu rovnováhy. Rovnice stále existují. Tragédie je nyní součástí historie.
