Max Planck non era solo un fisico. Era il ragazzo che ha infranto le regole. Nato a Kiel, in Germania, nel 1858, crebbe fino a dare origine alla teoria quantistica. Quel singolo risultato gli valse il Premio Nobel per la fisica nel 1918. Ha anche cambiato l’intera traiettoria della comprensione umana.
Prima di Planck pensavamo di sapere come funziona la materia. Non l’abbiamo fatto. Il suo lavoro, insieme alla relatività di Einstein, ha costituito la spina dorsale della scienza del XX secolo. Questi non sono solo concetti astratti. Sono la ragione per cui abbiamo l’elettronica moderna, l’energia nucleare e i dispositivi digitali che probabilmente hai in mano in questo momento. Planck ci ha costretti ad ammettere che il mondo nella sua scala più piccola non segue le regole che vediamo nella vita quotidiana.
Una vita di musica e montagne
I primi anni di Planck furono definiti da un ordine. Era il sesto figlio di un illustre giurista. La famiglia apprezzava la borsa di studio, l’affidabilità e una profonda devozione alla chiesa e allo stato. Questi valori gli sono rimasti impressi.
Alle nove la famiglia si trasferì a Monaco. Lì, un insegnante di nome Hermann Müller suscitò l’interesse per la fisica e la matematica. Ma Planck era bravo in tutto. A diciassette anni dovette scegliere una strada. Avrebbe potuto dedicarsi alla filologia classica. Avrebbe potuto inseguire la musica. Ha scelto la fisica. Perché? Perché ha capito che la sua originalità stava lì.
La musica, però, non lo ha mai abbandonato. Aveva un tono assoluto. Suonava il pianoforte tutti i giorni. Schubert e Brahms furono il suo conforto. Ha trovato la serenità alla tastiera.
Amava anche la vita all’aria aperta. Lunghe passeggiate. Escursioni in montagna. Lo ha fatto fino alla vecchiaia. Lo ha tenuto con i piedi per terra.
Il solitario cammino verso la brillantezza
L’università non è stata facile per lui. Entrò a Monaco nel 1874. Il professore di fisica Philipp von Jolly gli offrì poco incoraggiamento. Trascorse un anno a Berlino dal 1877 al 1878. Le lezioni di giganti come Helmholtz e Kirchhoff non lo impressionarono.
Non ha aspettato che un insegnante lo salvasse. Ha studiato in modo indipendente. Ha approfondito il lavoro di Rudolf Clausius sulla termodinamica. È qui che è arrivata l’attenzione.
Ottenne il dottorato nel luglio 1879. Aveva ventuno anni. È giovane per qualsiasi laurea, per non parlare di un dottorato di ricerca in fisica teorica. L’anno successivo completò la sua tesi di abilitazione. Divenne un Privatdozent, un conferenziere.
Le connessioni hanno aiutato più tardi. La rete professionale di suo padre gli assicurò una cattedra associata presso l’Università di Kiel nel 1885. Poi, nel 1889, Kirchhoff morì. Planck prese posto all’Università di Berlino. Alla fine ha trovato un mentore in Helmholtz.
Nel 1892 era professore ordinario. Rimase a Berlino per il resto della sua vita attiva. Aveva solo nove studenti di dottorato. Ma le sue lezioni? Erano leggendari. Hanno attraversato molte edizioni e influenzato innumerevoli menti.
La ricerca della verità assoluta
Perché lo ha fatto? Non era solo per la fama. Planck credeva in qualcosa di profondo. Ha scritto che il ragionamento umano rispecchia le leggi delle impressioni che riceviamo dal mondo. Il ragionamento puro, pensava, poteva sbloccare il meccanismo dell’universo.
Decise di diventare un fisico teorico prima ancora che il campo esistesse come disciplina distinta. Vedeva il perseguimento delle leggi fisiche come la ricerca di qualcosa di assoluto. Il mondo esterno, per lui, era indipendente dall’uomo.
“La ricerca delle leggi applicabili a questo assoluto appariva… come la ricerca scientifica più sublime della vita.”
Quella convinzione lo ha guidato. Lo ha spinto a sfidare lo status quo. Lo ha spinto a proporre che l’energia non è continua. Arriva a pezzi. Quanti.
All’inizio questa idea sembrava piccola. Solo una soluzione matematica per un problema con la radiazione del corpo nero. Ma ha aperto una porta. Una porta che stiamo ancora attraversando.
Le implicazioni sono ovunque. Se l’energia viene quantizzata, gli atomi si comportano diversamente da quanto immaginava Newton. Gli elettroni non orbitano come i pianeti. Saltano. Esistono nelle probabilità. Questa non è solo teoria. È il fondamento del transistor. Il laser. Lo scanner MRI.
Planck morì a Gottinga nel 1947. Ma il quadro da lui costruito rimane. Viviamo in un mondo quantistico. Semplicemente non lo vediamo sempre.
Perché facciamo ancora affidamento sul suo salto iniziale? Perché ogni volta che spingiamo i limiti della tecnologia, ci scontriamo con lo stesso muro. Il muro che ha contribuito a costruire. La domanda non è se la sua teoria sia corretta. È quanto lontano possiamo arrivare prima che la prossima scoperta distrugga ciò che pensiamo di sapere. E quella scoperta è già in attesa.
La ricerca di una legge assoluta
Il rapporto di Max Planck con le leggi della fisica è iniziato in classe. Già da studente del Gymnasium fu colpito da una certezza precisa: la conservazione dell’energia. La prima legge della termodinamica sembrava infrangibile. Quando raggiunse l’università, sentiva la stessa cosa riguardo alla Seconda Legge. L’entropia aumentava sempre. Era assoluto.
Questa convinzione ha guidato la sua tesi di dottorato a Monaco. Inoltre lo portò direttamente alla scoperta del quanto d’azione. Adesso la chiamiamo costante di Planck h. L’anno era il 1900.
Per capire come sia arrivato lì, bisogna considerare il problema del corpo nero. Gustav Kirchhoff definì questo oggetto nel 1859. Un corpo nero assorbe tutta la radiazione che lo colpisce. Restituisce tutto. È un emettitore e un assorbitore perfetto. C’è qualcosa di rigido e assoluto nel modo in cui si comporta.
Nel 1890, gli scienziati erano ossessionati dalla mappatura di questo comportamento. Volevano la distribuzione spettrale dell’energia. Avevano bisogno di una curva che mostrasse quanta energia emette un corpo nero a frequenze diverse per una temperatura impostata. Era un puzzle di calore radiante.
La legge di Wien non funziona
Planck si appoggiò molto al lavoro di Wilhelm Wien. Wien, che lavorava al Physikalisch-Technische Reichsanstalt (PTR) di Berlino-Charlottenburg, aveva prodotto una formula nel 1896. Era elegante. Planck cercò di derivarlo dalla seconda legge della termodinamica. Pensava di poter dimostrare che era fondamentale.
Non ha funzionato.
I dati dei colleghi di Planck al PTR raccontano una storia diversa. Otto Richard Lummer. Ernest Pringsheim. Heinrich Rubens. Ferdinand Kurlbaum. Questi sperimentali avevano misurazioni precise. Hanno dimostrato che la legge di Wien funziona bene alle alte frequenze. Ha fallito completamente alle basse frequenze.
La curva era sbagliata. La teoria era incompleta. Planck lo sapeva prima di una riunione della Società tedesca di fisica il 19 ottobre.
La scommessa matematica
Aveva un problema da risolvere. Conosceva la relazione matematica tra entropia ed energia per la regione delle alte frequenze. La legge di Wien valeva lì. Ma sapeva anche quale doveva essere la relazione nella regione delle basse frequenze per corrispondere ai nuovi dati sperimentali.
Due verità diverse. Una realtà fisica.
Aveva bisogno di colmare il divario. La sfida era semplice nel concetto ma difficile nell’esecuzione. Doveva coniugare queste due espressioni nel modo più semplice possibile. Aveva bisogno di una formula unica.
Doveva mettere in relazione l’energia della radiazione direttamente con la sua frequenza.
“Planck pensò di dover cercare di combinare queste due espressioni nel modo più semplice possibile.”
Non si è limitato a modificare il modello esistente. Ne costruì uno nuovo. Ha preso il limite di alta frequenza e il limite di bassa frequenza e li ha costretti a parlare la stessa lingua. Il risultato è stato una formula che adattava i dati all’intero spettro.
Questo non era solo un adattamento alla curva. Si è trattato di un cambiamento strutturale nel modo in cui l’energia veniva intesa. La matematica richiedeva un’unità discreta. Un pezzo. Un quanto.
La costante è emersa dall’equazione. H.
Ha cambiato tutto.
Il rivoluzionario riluttante e la nascita di Quanta
Max Planck guardò la sua equazione e vide un miracolo. Per la comunità scientifica, la legge sulle radiazioni di Planck era indiscutibile. Si adatta perfettamente ai dati. Ma nella sua testa era solo un’ipotesi. Un’intuizione fortunata. Se la fisica voleva prenderlo sul serio, Planck doveva dimostrare che non si era trattato di un colpo di fortuna. Doveva derivarlo dai principi primi.
Entro il 14 dicembre 1900 lo aveva fatto. Il costo è stato elevato.
Per far funzionare i conti, Planck dovette uccidere la sua convinzione più cara. Aveva sempre sostenuto che la seconda legge della termodinamica fosse una regola assoluta e inviolabile della natura. Ora dovette adottare la controversa interpretazione di Ludwig Boltzmann: la seconda legge è statistica. Si tratta di probabilità, non di certezze.
Peggio ancora, doveva presumere che l’energia non scorresse come l’acqua. È arrivato a pezzi. Planck propose che gli oscillatori di un corpo nero potessero assorbire e riemettere energia solo in quantità discrete. Quanti. Ogni pacchetto di energia (h ν) era proporzionale alla sua frequenza. Distribuendo statisticamente questi pacchetti discreti su tutti gli oscillatori, alla fine derivò la formula in cui si era imbattuto due mesi prima.
Le implicazioni erano sconcertanti. Ha usato la sua nuova formula per calcolare le costanti fondamentali. Il suo valore per h (costante di Planck) era 6,55 × 10⁻²⁷ erg-secondo. Vicino al moderno 6.626 × 10⁻²⁷. Ha anche individuato la costante di Boltzmann, il numero di Avogadro e la carica dell’elettrone.
Un numero ha cambiato tutto. h non era zero. Era piccolo, ma esisteva.
Ciò significava che il mondo microscopico non poteva essere descritto dalla meccanica classica. Il mondo liscio e continuo di Newton era una bugia su scala atomica. Era in corso una rivoluzione.
Einstein entra nel vuoto
Il concetto di quanti di Planck si scontrava con ogni aspetto della fisica consolidata. Non voleva infrangere le regole. È stato costretto a farlo dalla logica. Gli storici lo definiscono un rivoluzionario riluttante. Non aveva ancora visto il quadro completo.
Ci sono voluti anni perché le conseguenze si rendessero conto. Albert Einstein ha fatto il lavoro pesante.
Nel 1905 Einstein sostenne che la luce stessa è costituita da quanti. Li chiamò quanti di luce. Ora li chiamiamo fotoni. Non gli importava che Planck pensasse che l’assorbimento di energia fosse quantizzato ma che l’emissione potesse essere ancora continua. Einstein andò oltre. Ha suggerito che la radiazione stessa fosse granulare.
Nel 1907 Einstein dimostrò la generalità dell’ipotesi. Lo usò per spiegare perché i calori specifici dei solidi cambiavano con la temperatura. In questo caso la fisica classica ha fallito. La teoria quantistica ha funzionato.
Poi arrivò il 1909. Einstein introdusse la dualità onda-particella nel discorso mainstream. La materia e l’energia non erano solo l’una o l’altra. Erano entrambi.
La Conferenza Solvay e la svolta
Ottobre 1911. Bruxelles. La prima conferenza Solvay.
Planck ed Einstein erano lì. Così erano gli scettici. I dibattiti sono stati intensi. Spinsero Henri Poincaré a trovare una dimostrazione matematica. Ha consegnato. Mostrò che la legge sulla radiazione di Planck richiedeva necessariamente l’introduzione dei quanti.
La prova ha fatto cambiare idea. James Jeans, un convinto fisico classico, si unì finalmente al campo quantistico. La diga si è rotta.
Niels Bohr aumentò lo slancio nel 1913. La sua teoria quantistica dell’atomo di idrogeno fornì la prova strutturale che gli atomi non erano solo piccoli sistemi solari. Erano sistemi quantizzati.
Ironicamente, Planck fu uno degli ultimi a resistere. Ha lottato per tornare alla teoria classica. Non lo ha fatto per malizia o ignoranza. Lo ha fatto per testare la nuova idea. Combattendolo così duramente, si convinse della sua necessità.
L’opposizione all’ipotesi dei quanti della luce avanzata da Einstein nel 1905 persisteva. Molti rifiutarono di accettare che la luce fosse fatta di particelle. Si aspettava una prova definitiva. L’hanno ottenuto con l’effetto Compton nel 1922.
Il vecchio mondo era sparito. Il nuovo era disordinato, controintuitivo e innegabilmente reale. Viviamo ancora nell’equazione che Planck aveva troppa paura per credere.
Il peso dell’autorità in un mondo sempre più oscuro
Max Planck aveva 42 anni quando cambiò per sempre la fisica. La scoperta del 1900 che gli valse il Premio Nobel nel 1918 non portò a scoperte più sconvolgenti. Non ha smesso di contribuire. Continuò a lavorare ad alto livello nel campo dell’ottica, della termodinamica, della meccanica statistica e della chimica fisica. Fu anche il primo fisico di grande nome a sostenere pubblicamente la relatività speciale di Einstein nel 1905.
“La velocità della luce sta alla Teoria della Relatività… come il quanto elementare d’azione sta alla Teoria Quantistica; ne è il nucleo assoluto.”
Questo non era solo un supporto educato. Planck capì il DNA strutturale di entrambe le teorie. Nel 1914, lui e Walther Hermann Nernst avevano reclutato con successo Einstein a Berlino. Dopo la prima guerra mondiale si unì a lui anche Max von Laue, lo studente preferito di Planck. Quando Planck si ritirò nel 1928, Erwin Schrödinger prese il suo posto. Per un breve momento Berlino è stata la capitale indiscussa della fisica teorica. Poi, nel gennaio 1933, calò l’oscurità.
La battaglia per la realtà oggettiva
Dopo il pensionamento, l’attenzione di Planck si è spostata. Ha scritto meno sulle equazioni e più sulla filosofia, l’estetica e la religione. Si scontrò ferocemente con la nuova ortodossia quantistica. Bohr, Born e Heisenberg stavano costruendo una visione statistica e indeterministica dell’universo. Planck lo odiava. Ha violato le sue intuizioni più profonde.
Credeva che l’universo fisico esistesse indipendentemente dall’osservazione umana. L’osservatore e l’osservato non erano indissolubilmente legati. Questa non era solo una preferenza accademica. Era una presa di posizione morale su come funziona la realtà.
La sua influenza non era solo teorica. Come segretario permanente dell’Accademia prussiana delle scienze dal 1912 al 1938 e presidente della Società Kaiser Wilhelm (ora Società Max Planck) dal 1930 al 1937, detenne un potere immenso. Ma la sua autorità non proveniva dai titoli. Veniva dalla forza morale. La sua correttezza e integrità erano indiscusse tra i fisici tedeschi.
Quando i nazisti insorsero, Planck non fuggì. Andò direttamente da Hitler per cercare di invertire le politiche razziali. Rimase in Germania per salvare ciò che poteva della fisica tedesca. Un uomo diverso avrebbe potuto andarsene. La volontà di Planck era indomabile.
La tragedia come motore della resistenza
Planck aveva bisogno di quello stoicismo. Senza una profonda convinzione filosofica e religiosa, si sarebbe rotto molto prima della fine. Le tragedie iniziarono presto.
Nel 1909, la sua prima moglie, Marie Merck, morì dopo 22 anni di matrimonio. Era la figlia di un banchiere di Monaco. Planck rimase con due figli e due gemelle. Il figlio maggiore, Karl, fu ucciso in azione nel 1916. L’anno successivo sua figlia Margarete morì di parto. Nel 1919, l’altra figlia, Emma, subì la stessa sorte.
La seconda guerra mondiale portò i colpi finali. La sua casa a Berlino fu distrutta dalle bombe nel 1944. Suo figlio minore, Erwin, fu implicato nell’attentato del 20 luglio 1944 a Hitler. La Gestapo lo giustiziò all’inizio del 1945. Quell’atto spietato distrusse la voglia di vivere di Planck.
Alla fine della guerra, gli ufficiali americani portarono Planck e la sua seconda moglie, Marga von Hoesslin (sposata nel 1910, dalla quale ebbe un figlio), a Gottinga. Morì lì nel 1947. Aveva 89 anni. James Franck descrisse la morte come se fosse venuta per lui “come una redenzione”.
Non è stata una sconfitta. Era un’uscita da un mondo che gli aveva spezzato il cuore e la sua casa. La scienza è rimasta. Il quanto d’azione resistette. Ma l’uomo che difese la realtà oggettiva contro il caos del suo tempo trovò finalmente la propria forma di equilibrio. Le equazioni sono ancora lì. La tragedia ormai è parte della cronaca.
