Макс Планк був не просто фізиком. Він був тією самою людиною, яка переписала правила гри. Народившись у Кілі, Німеччина, в 1858 році, він виріс і створив квантову теорію. Це одне досягнення принесло йому Нобелівську премію з фізики 1918 року. Воно також змінило весь перебіг людського розуміння.
До Планка ми думали, що розуміємо як працює матерія. Ми не розуміли. Його роботи поряд з теорією відносності Ейнштейна стали основою науки XX століття. Це не просто абстрактні концепції. Саме завдяки їм у нас є сучасна електроніка, ядерна енергія та цифрові пристрої, які ви, мабуть, тримаєте в руках прямо зараз. Планк змусив нас визнати, що світ на найменшому масштабі не підкоряється правилам, які ми бачимо у повсякденному житті.
Життя, наповнене музикою та горами
Ранні роки Планка було визначено порядком. Він був шостою дитиною у сім’ї видатного юриста. У сім’ї цінувалися вченість, надійність та глибока відданість церкві та державі. Ці цінності залишилися з ним протягом усього життя.
У дев’ять років родина переїхала до Мюнхена. Там вчитель на ім’я Герман Мюллер пробудив у ньому інтерес до фізики та математики. Але Планк був добрий у всьому. У сімнадцять років йому довелося обирати шлях. Він міг би продовжити вивчення класичної філології. Він міг би присвятити себе музиці. Він вибрав фізику. Чому? Тому що зрозумів, що його оригінальність полягала саме там.
Однак музика ніколи його не покидала. Він мав абсолютний слух. Він щоденно грав на піаніно. Шуберт і Брамс були його втіхою. За кнопками він знаходив спокій.
Він також любив природу. Довгі прогулянки. Походи у гори. Він робив це до глибокої старості. Це допомагало йому зберігати зв’язок із реальністю.
Самотній шлях до блиску
Університет дався йому нелегко. Він вступив до Мюнхенського університету в 1874 році. Професор фізики Філіп фон Йоллі виявив мало ентузіазму. Він провів рік у Берліні з 1877 по 1878 рік. Лекції таких гігантів, як Гельмгольц та Кірхгоф, не справили на нього враження.
Він не чекав, поки вчитель врятує його. Він навчався самостійно. Він заглибився у роботу Рудольфа Клаузіуса з термодинаміки. Саме там сформувався його фокус.
У липні 1879 року він отримав докторський ступінь. Йому було двадцять один рік. Це молодий вік для будь-якого ступеня, не кажучи вже про докторську теоретичну фізику. Наступного року він захистив кваліфікаційну дисертацію. Він став “Privatdozent”, викладачем.
Зв’язки допомогли пізніше. Професійна мережа його батька забезпечила йому посаду доцента у Кільському університеті у 1885 році. Потім, 1889 року, помер Кірхгоф. Планк зайняв його місце у Берлінському університеті. Нарешті він знайшов наставника в особі Гельмгольця.
До 1892 він став повноправним професором. Він залишився у Берліні до кінця свого активного життя. Він мав лише дев’ять аспірантів. Але чи його лекції? Вони були легендарними. Вони виходили багатьма виданнями і вплинули на безліч умів.
Пошук абсолютної істини
Чому він це робив? Не лише заради слави. Планк вірив у щось глибоке. Він писав, що людське мислення відбиває закони вражень, які ми отримуємо від світу. Чисте міркування, на його думку, могло розкрити механізм всесвіту.
Він вирішив стати теоретичним фізиком ще до того, як ця сфера стала окремою дисципліною. Він бачив пошук фізичних законів як прагнення чогось абсолютного. Зовнішній світ, на його думку, був незалежним від людини.
«Пошук законів, застосовних до цього абсолютного, представлявся… як найвище наукове заняття у житті».
Ця віра рухала його. Вона рухала його до того, щоб кинути виклик статус-кво. Вона рухала його до пропозиції, що енергія не безперервна. Вона складається із порцій. Кванти.
Ця ідея спочатку здавалася невеликою. Просто математичне виправлення проблеми випромінювання чорного тіла. Але вона відчинила двері. Двері, через які ми все ще проходимо.
Наслідки усюди. Якщо енергія квантована, то атоми поводяться інакше, ніж уявляв Ньютон. Електрони не обертаються довкола ядра, як планети. Вони роблять стрибки. Вони є у вигляді ймовірностей. Це не просто теорія. Це є основою транзистора. Лазери. Томограф (МРТ).
Планк помер у Геттінгені в 1947 році. Але створена ним структура залишається. Ми живемо у квантовому світі. Ми просто не завжди це бачимо.
Чому ми досі покладаємось на його початковий стрибок? Тому що кожного разу, коли ми розширюємо межі технологій, ми упираємось у ту саму стіну. У стіну, яку він допоміг збудувати. Питання не в тому, чи вірна його теорія. Питання, як далеко ми можемо зайти, перш ніж наступне відкриття зруйнує те, що ми вважаємо відомим. І на це відкриття вже чекає.
Пошук абсолютного закону
Відносини Макса Планка із законами фізики почалися у класі. Ще будучи студентом гімназії, він був уражений однією впевненістю: законом збереження енергії. Перший початок термодинаміки здавався непорушним. До моменту вступу до університету він відчував те саме по відношенню до другого початку. Ентропія завжди зростала. Це було абсолютно.
Ця віра визначила зміст його докторської дисертації у Мюнхені. Вона привела його безпосередньо до відкриття кванта дії. Тепер ми називаємо його постійною Планкою h. Це сталося 1900 року.
Щоб зрозуміти, як він прийшов до цього, потрібно звернутися до проблеми випромінювання абсолютно чорного тіла. Густав Кірхгоф визначив цей об’єкт ще 1859 року. Абсолютно чорне тіло поглинає все, що падає на нього випромінювання. Воно випускає все назад. Це ідеальний випромінювач та поглинач. У його поведінці є щось жорстке та абсолютне.
До 1890-х років вчені отримали завдання картування цієї поведінки. Їм потрібно було знайти спектральний розподіл енергії. Їм була потрібна крива, що показує, скільки енергії випромінює абсолютно чорне тіло на різних частотах при заданій температурі. То була головоломка про теплове випромінювання.
Закон Вина руйнується
Планк сильно спирався роботи Вільгельма Вина. Він, який працював у Прусському фізико-технічному інституті (PTR) у Берлін-Шарлоттенбурзі, вивів формулу у 1896 році. Вона була елегантною. Планк спробував вивести її із другого початку термодинаміки. Він думав, що зможе довести її фундаментальність.
Чи не вийшло.
Дані колег Планка із PTR розповідали іншу історію. Отто Ріхард Луммер, Ернст Прінгсхайм, Генріх Рубенс, Фердінанд Курльбаум. Ці експериментатори мали точні виміри. Вони показали, що закон «Вина» добре працює на високих частотах. На низьких частотах він повністю давав збій.
Крива була невірною. Теорія була неповною. Планк знав про це до засідання Німецького фізичного товариства 19 жовтня.
Математична ставка
Він мав завдання, яке треба було вирішити. Він знав математичну залежність між ентропією та енергією для області високих частот. Закон Вина там виконувався. Але він також знав, якою має бути ця залежність у галузі низьких частот, щоб відповідати новим експериментальним даним.
Дві різні істини. Одна фізична дійсність.
Йому треба було подолати розрив. Завдання було простим по суті, але складним у виконанні. Він мав об’єднати ці два вирази максимально простим способом. Йому потрібна була одна формула.
Вона мала безпосередньо пов’язувати енергію випромінювання з її частотою.
“Планк припустив, що слід спробувати об’єднати ці два вирази максимально простим способом”.
Він не просто підганяв існуючу модель. Він створив нову. Він узяв межу для високих частот і межу для низьких частот і змусив їх говорити однією мовою. Результатом стала формула, яка точно описувала дані у всьому спектрі.
Це було не просто припасування кривої. Це була структурна зміна у розумінні енергії. Математика вимагала дискретної одиниці. Шматок. Кванти.
З рівняння emerged стала. h.
Це змінило все.
Неохочий революціонер і народження квантів
Макс Планк дивився на своє рівняння та бачив диво. Для наукового співтовариства закон випромінювання Планка був незаперечним. Він ідеально відповідав даним. Але в його голові це просто припущення. Щасливі інтуїції. Якщо фізика мала сприймати це всерйоз, Планку треба було довести, що це не випадковість. Йому слід вивести його з перших принципів.
До 14 грудня 1900 він зробив це. Ціна виявилася високою.
Щоб математика спрацювала, Планк мав убити свою заповітну віру. Він завжди вважав другий закон термодинаміки абсолютним, непорушним правилом природи. Тепер йому довелося прийняти спірну інтерпретацію Людвіга Больцмана: другий закон статистичний. Йдеться про ймовірності, а не про certeza.
Гірше того, йому довелося припустити, що енергія не тече подібно до води. Вона надходила порціями. Планк запропонував, що осцилятори в абсолютно чорному тілі можуть поглинати та перевипромінювати енергію лише дискретними порціями. квантами. Кожен пакет енергії (h ν) пропорційний її частоті. Статистично розподіляючи ці дискретні пакети між усіма осциляторами, він вивів формулу, яку знайшов два місяці тому.
Наслідки були приголомшливими. Він використав свою нову формулу для обчислення фундаментальних констант. Його значення h (постійної Планка) склало 6,55 × 10⁻²⁷ ерг-секунду. Близько сучасного значення 6,626 × 10⁻²⁷. Він також точно визначив постійну Больцмана, число Авогадро та заряд електрона.
Одне число змінило все. h не дорівнювала нулю. Вона мала, але існувала.
Це означало, що мікроскопічний світ не можна описати класичною механікою. Гладкий безперервний світ Ньютона був брехнею на атомному рівні. Йшла революція.
Ейнштейн входить у порожнечу
Концепція квантів Планка суперечила кожному усталеному положенню фізики. Він не хотів порушувати правила. Його змусила до цього логіка. Історики називають його неохочним революціонером. Він ще бачив повної картини.
Потрібні були роки, щоб наслідки усвідомили повною мірою. Тяжку роботу виконав Альберт Ейнштейн.
1905 року Ейнштейн стверджував, що саме світло складається з квантів. Він назвав їх світловими квантами. Тепер ми називаємо їх фотонами. Його не турбувало, що Планк вважав поглинання енергії квантованим, але випромінювання все ще могло бути безперервним. Ейнштейн пішов далі. Він припустив, що саме випромінювання було зернистим.
До 1907 Ейнштейн довів спільність гіпотези. Він використав її, щоб пояснити, чому теплоємність твердих тіл змінюється залежно від температури. Класична фізика тут зазнавала невдачі. Квантова теорія працювала.
Потім настав 1909 рік. Ейнштейн ввів корпускулярно-хвильовий дуалізм до основного наукового дискурсу. Речовина та енергія були не просто чимось одним чи іншим. Вони були і тим, і іншим.
Конференція Солве та поворотний момент
Жовтень 1911 року. Брюссель. Перша конференція Солве.
Там були Планк та Ейнштейн. Там були скептики. Дебати були напруженими. Вони підштовхнули Анрі Пуанкаре до пошуку математичного підтвердження. Він упорався. Він показав, що закон випромінювання Планка неминуче вимагав введення квантів.
Доказ змінив уми. Джеймс Джинс, наполегливий класичний фізик, нарешті приєднався до квантового табору. Гребля прорвалася.
Нільс Бор додав імпульсу у 1913 році. Його квантова теорія атома водню надала структурний доказ того, що атоми – це не просто дрібні сонячні системи. То були квантовані системи.
Іронічно, але Планк виявився одним із останніх упертих. Йому було важко повернутись до класичної теорії. Він робив це не зі злості чи невігластва. Він робив це, щоб піддати нову ідею стрес-тесту. Борючись з нею так завзято, він переконав себе у її необхідності.
Протиставлення гіпотезі світлових квантів Ейнштейна 1905 зберігалося. Багато хто відмовлявся приймати, що світло складається з частинок. Вони чекали на остаточний доказ. Вони отримали його з ефектом Комптона у 1922 році.
Старий світ зник. Новий був хаотичним, контрінтуїтивним та безперечно реальним. Ми ще живемо всередині рівняння, в яке Планк боявся повірити.
Вага авторитету в темнішому світі
Максу Планку було 42 роки, коли він назавжди змінив фізику. Відкриття 1900 року, за яке він отримав Нобелівську премію 1918 року, не призвело до інших так само революційних проривів. Він не припинив робити внесок у науку. Він продовжував працювати на високому рівні в галузі оптики, термодинаміки, статистичної механіки та фізичної хімії. Він також став першим фізиком світового рівня, який публічно підтримав спеціальну теорію відносності Ейнштейна в 1905 році.
«Швидкість світла для теорії відносності… те саме, що елементарна кванта дії для квантової теорії; це її абсолютне ядро».
Це була не просто ввічлива підтримка. Планк розумів структурну ДНК обох теорій. До 1914 року він разом із Вальтером Германом Нернстом успішно завербував Ейнштейна до Берліна. Після Першої світової війни до них приєднався Макс фон Лауе, улюблений учень Планка. Коли Планк вийшов на пенсію у 1928 році, його місце зайняв Ервін Шредінгер. На короткий час Берлін став незаперечною столицею теоретичної фізики. Потім у січні 1933 року настала темрява.
Битва за об’єктивну реальність
Після виходу на пенсію фокус уваги Планка змістився. Він писав менше про рівняння і більше про філософію, естетику та релігію. Він вступив у жорстку конфронтацію з новою квантовою ортодоксією. Бор, Борн та Гейзенберг вибудовували індетерміністську, статистичну картину всесвіту. Планк ненавидів це. Це суперечило його глибоким інтуїціям.
Він вірив, що фізичний всесвіт існує незалежно від людського спостереження. Спостерігач і спостережуване були нерозривно пов’язані. Це була не просто академічна перевага. То була моральна позиція щодо того, як функціонує реальність.
Його вплив був не лише теоретичним. Будучи постійним секретарем Прусської академії наук з 1912 по 1938 рік і президентом Товариства кайзера Вільгельма (нині Товариство Макса Планка) з 1930 по 1937 рік, він мав величезну владу. Але його авторитет випливав не з титулів. Він випливав із моральної сили. Його справедливість та чесність не викликали сумнівів серед німецьких фізиків.
Коли до влади прийшли нацисти, Планк не втік. Він прямо вирушив до Гітлера, щоб спробувати скасувати расову політику. Він залишився в Німеччині, щоб урятувати те, що ще можна було врятувати в німецькій фізиці. Інша людина могла б виїхати. Воля Планка була непохитною.
Трагедія як двигун витривалості
Планку була потрібна ця стоїцизм. Без глибоких філософських і релігійних переконань він зламався задовго до кінця. Трагедії почалися зарано.
У 1909 році його перша дружина Марі Мерк померла після 22 років шлюбу. Вона була дочкою мюнхенського банкіра. Планк залишився з двома синами та дочками-близнюками. Старшого сина, Карла, було вбито в бою в 1916 році. Наступного року його дочка Маргарета померла під час пологів. У 1919 році інша його дочка, Емма, спіткала та сама доля.
Друга світова війна завдала сильних ударів. Його берлінський будинок було зруйновано бомбардуванням у 1944 році. Його молодший син, Ервін, був причетний до замаху на Гітлера 20 липня 1944 року. Гестапо стратило його на початку 1945 року. Цей жорстокий акт зруйнував волю Планка до життя.
Наприкінці війни американські офіцери доставили Планку та його другу дружину, Маргу фон Хесслін (у шлюбі з 1910 року, від якої у нього був один син), до Геттінгена. Він помер там у 1947 році. Йому було 89 років. Джеймс Франк описав смерть як «придбання», що прийшла до нього.
Це було поразкою. Це був відхід зі світу, який розбив його серце і зруйнував його будинок. Наука лишилася. Кванта дії витримала випробування часом. Але людина, яка відстоювала об’єктивну реальність проти хаосу свого часу, нарешті набула своєї власної форми рівноваги. Рівняння ще існують. Трагедія тепер є частиною історії.
