Max Planck was niet alleen een natuurkundige. Hij was de man die de regels overtrad. Geboren in Kiel, Duitsland, in 1858, groeide hij op met het ontstaan van de kwantumtheorie. Die ene prestatie leverde hem in 1918 de Nobelprijs voor de natuurkunde op. Het veranderde ook het hele traject van het menselijk begrip.
Vóór Planck dachten we dat we wisten hoe materie werkte. Dat hebben wij niet gedaan. Zijn werk vormde, naast de relativiteitstheorie van Einstein, de ruggengraat van de 20e-eeuwse wetenschap. Dit zijn niet alleen abstracte concepten. Zij zijn de reden dat we moderne elektronica, kernenergie en de digitale apparaten hebben die je nu waarschijnlijk vasthoudt. Planck dwong ons toe te geven dat de wereld op zijn kleinste schaal niet de regels volgt die we in het dagelijks leven zien.
Een leven vol muziek en bergen
De vroege jaren van Planck werden per bevel bepaald. Hij was het zesde kind van een vooraanstaand jurist. De familie waardeerde wetenschap, betrouwbaarheid en een diepe toewijding aan kerk en staat. Deze waarden bleven hem bij.
Op negenjarige leeftijd verhuisde het gezin naar München. Daar wekte een leraar genaamd Hermann Müller interesse in natuurkunde en wiskunde. Maar Planck was overal goed in. Op zijn zeventiende moest hij een pad kiezen. Hij had de klassieke filologie kunnen volgen. Hij had muziek kunnen achtervolgen. Hij koos voor natuurkunde. Waarom? Omdat hij besefte dat daar zijn originaliteit lag.
De muziek heeft hem echter nooit verlaten. Hij had absolute toonhoogte. Hij speelde dagelijks piano. Schubert en Brahms waren zijn troost. Hij vond rust op het toetsenbord.
Hij hield ook van het buitenleven. Lange wandelingen. Bergwandelingen. Dit heeft hij tot op hoge leeftijd gedaan. Het hield hem op de been.
Het eenzame pad naar genialiteit
De universiteit was niet gemakkelijk voor hem. Hij kwam in 1874 München binnen. Professor natuurkunde Philipp von Jolly bood weinig aanmoediging. Van 1877 tot 1878 bracht hij een jaar door in Berlijn. De lezingen van reuzen als Helmholtz en Kirchhoff lieten hem niet onder de indruk.
Hij wachtte niet tot een leraar hem zou redden. Hij studeerde zelfstandig. Hij verdiepte zich in het werk van Rudolf Clausius over de thermodynamica. Daar kwam de focus.
Hij promoveerde in juli 1879. Hij was eenentwintig. Dat is jong voor welke graad dan ook, laat staan een doctoraat in de theoretische natuurkunde. Het jaar daarop voltooide hij zijn kwalificerende proefschrift. Hij werd Privatdozent, docent.
Verbindingen hielpen later. Het professionele netwerk van zijn vader zorgde ervoor dat hij in 1885 een universitair hoofddocent werd aan de Universiteit van Kiel. In 1889 stierf Kirchhoff. Planck nam zijn plek in aan de Universiteit van Berlijn. Eindelijk vond hij een mentor in Helmholtz.
In 1892 was hij hoogleraar. De rest van zijn actieve leven bleef hij in Berlijn. Hij had slechts negen promovendi. Maar zijn lezingen? Ze waren legendarisch. Ze hebben vele edities meegemaakt en talloze geesten beïnvloed.
De zoektocht naar absolute waarheid
Waarom deed hij het? Het was niet alleen voor de bekendheid. Planck geloofde iets diepzinnigs. Hij schreef dat het menselijk redeneren de wetten weerspiegelt van de indrukken die we van de wereld ontvangen. Zuiver redeneren, dacht hij, zou het mechanisme van het universum kunnen ontsluiten.
Hij besloot theoretisch natuurkundige te worden voordat het vakgebied zelfs maar als een aparte discipline bestond. Hij zag het nastreven van natuurwetten als de zoektocht naar iets absoluuts. De buitenwereld was voor hem onafhankelijk van de mens.
“De zoektocht naar de wetten die op dit absolute van toepassing zijn, leek…als de meest sublieme wetenschappelijke bezigheid in het leven.”
Dat geloof dreef hem. Het dreef hem ertoe de status quo uit te dagen. Het bracht hem ertoe te stellen dat energie niet continu is. Het komt in stukjes. Hoeveelheid.
Dit idee leek aanvankelijk klein. Gewoon een wiskundige oplossing voor een probleem met straling van zwarte lichamen. Maar het opende een deur. Een deur waar we nog steeds doorheen lopen.
De gevolgen zijn overal. Als energie wordt gekwantiseerd, gedragen atomen zich anders dan Newton zich had voorgesteld. Elektronen draaien niet rond zoals planeten. Ze springen. Ze bestaan in waarschijnlijkheden. Dit is niet alleen theorie. Het is de basis van de transistor. De laser. De MRI-scanner.
Planck stierf in 1947 in Göttingen. Maar het raamwerk dat hij bouwde blijft bestaan. We leven in een kwantumwereld. We zien het alleen niet altijd.
Waarom vertrouwen we nog steeds op zijn eerste sprong? Want elke keer dat we de grenzen van de technologie verleggen, stuiten we op dezelfde muur. De muur die hij hielp bouwen. De vraag is niet of zijn theorie klopt. Het is hoe ver we kunnen gaan voordat de volgende ontdekking vernietigt wat we denken te weten. En die ontdekking wacht al.
De zoektocht naar een absolute wet
De relatie van Max Planck met de wetten van de natuurkunde begon in het klaslokaal. Al als student aan het Gymnasium werd hij getroffen door één specifieke zekerheid: het behoud van energie. De eerste wet van de thermodynamica voelde onbreekbaar. Tegen de tijd dat hij de universiteit bereikte, dacht hij hetzelfde over de tweede wet. De entropie nam altijd toe. Het was absoluut.
Deze overtuiging was de aanleiding voor zijn proefschrift in München. Het leidde hem ook rechtstreeks naar de ontdekking van het kwantum van actie. We noemen het nu de constante van Planck h. Het jaar was 1900.
Om te begrijpen hoe hij daar terechtkwam, moet je naar het blackbody-probleem kijken. Gustav Kirchhoff definieerde dit object in 1859. Een zwart lichaam absorbeert alle straling die erop valt. Het zendt alles terug. Het is een perfecte emitter en absorber. Er is iets rigide en absoluuts aan de manier waarop het zich gedraagt.
Rond 1890 waren wetenschappers geobsedeerd door het in kaart brengen van dit gedrag. Ze wilden de spectrale energieverdeling. Ze hadden een curve nodig die liet zien hoeveel energie een zwart lichaam uitzendt op verschillende frequenties bij een ingestelde temperatuur. Het was een puzzel van stralingswarmte.
De wet van Wien vervalt
Planck leunde zwaar op het werk van Wilhelm Wien. Wien, werkzaam bij de Physikalisch-Technische Reichsanstalt (PTR) in Berlijn-Charlottenburg, had in 1896 een formule geproduceerd. Het was elegant. Planck probeerde dit af te leiden uit de tweede wet van de thermodynamica. Hij dacht dat hij kon bewijzen dat dit van fundamenteel belang was.
Het werkte niet.
De gegevens van Plancks collega’s bij de PTR vertelden een ander verhaal. Otto Richard Lummer. Ernst Pringsheim. Hendrik Rubens. Ferdinand Kurlbaum. Deze experimentatoren hadden nauwkeurige metingen. Ze toonden aan dat de wet van Wien prima werkte bij hoge frequenties. Bij lage frequenties faalde het volledig.
De curve was verkeerd. De theorie was onvolledig. Planck wist dit vóór een bijeenkomst van de Duitse Natuurkundige Vereniging op 19 oktober.
De wiskundige gok
Hij had een probleem op te lossen. Hij kende de wiskundige relatie tussen entropie en energie voor het hoogfrequente gebied. De wet van Wien gold daar. Maar hij wist ook wat de relatie in het laagfrequente gebied moest zijn om overeen te komen met de nieuwe experimentele gegevens.
Twee verschillende waarheden. Eén fysieke realiteit.
Hij moest de kloof overbruggen. De uitdaging was eenvoudig van opzet, maar moeilijk in uitvoering. Hij moest deze twee uitdrukkingen op een zo eenvoudig mogelijke manier combineren. Hij had één enkele formule nodig.
Het moest de energie van straling rechtstreeks in verband brengen met de frequentie ervan.
“Planck vermoedde dat hij moest proberen deze twee uitdrukkingen op de eenvoudigst mogelijke manier te combineren.”
Hij heeft niet alleen het bestaande model aangepast. Hij bouwde een nieuwe. Hij nam de hoogfrequente limiet en de laagfrequente limiet en dwong hen dezelfde taal te spreken. Het resultaat was een formule die paste bij de gegevens over het hele spectrum.
Dit was niet alleen curve-fitting. Het was een structurele verandering in de manier waarop energie werd begrepen. De wiskunde vereiste een discrete eenheid. Een stuk. Een kwantum.
De constante kwam uit de vergelijking naar voren. H.
Het veranderde alles.
De aarzelende revolutionair en de geboorte van Quanta
Max Planck staarde naar zijn vergelijking en zag een wonder. Voor de wetenschappelijke gemeenschap was de stralingswet van Planck onbetwistbaar. Het paste perfect bij de gegevens. Maar in zijn hoofd was het slechts een gok. Een gelukkige intuïtie. Als de natuurkunde het serieus wilde nemen, moest Planck bewijzen dat het geen toevalstreffer was. Hij moest het afleiden uit de eerste beginselen.
Op 14 december 1900 had hij het gedaan. De kosten waren hoog.
Om de wiskunde te laten werken, moest Planck zijn meest gekoesterde overtuiging om zeep helpen. Hij was altijd van mening geweest dat de tweede wet van de thermodynamica een absolute, onbreekbare natuurregel was. Nu moest hij de controversiële interpretatie van Ludwig Boltzmann overnemen: de tweede wet is statistisch. Het gaat om waarschijnlijkheden, niet om zekerheden.
Erger nog, hij moest aannemen dat energie niet als water stroomde. Het kwam in stukjes. Planck stelde voor dat de oscillatoren in een zwart lichaam alleen energie in discrete hoeveelheden konden absorberen en opnieuw uitzenden. Hoeveelheid. Elk energiepakket (h ν) was evenredig met de frequentie ervan. Door deze discrete pakketten statistisch over alle oscillatoren te verdelen, leidde hij uiteindelijk de formule af die hij twee maanden eerder was tegengekomen.
De gevolgen waren onthutsend. Hij gebruikte zijn nieuwe formule om fundamentele constanten te berekenen. Zijn waarde voor h (de constante van Planck) was 6,55 × 10⁻²⁷ erg-seconde. Dicht bij de moderne 6.626 × 10⁻²⁷. Hij legde ook de constante van Boltzmann, het getal van Avogadro en de lading van het elektron vast.
Eén nummer veranderde alles. h was niet nul. Het was klein, maar het bestond.
Dit betekende dat de microscopische wereld niet beschreven kon worden door de klassieke mechanica. De gladde, continue wereld van Newton was een leugen op atomaire schaal. Er was een revolutie gaande.
Einstein stapt de leegte in
Plancks concept van quanta botste met elk onderdeel van de gevestigde natuurkunde. Hij wilde de regels niet overtreden. Hij werd daartoe gedwongen door de logica. Historici noemen hem een onwillige revolutionair. Hij heeft nog niet het volledige plaatje gezien.
Het duurde jaren voordat de gevolgen doordrong. Albert Einstein deed het zware werk.
In 1905 betoogde Einstein dat licht zelf uit quanta bestond. Hij noemde ze lichte quanta. We noemen ze nu fotonen. Het kon hem niet schelen dat Planck dacht dat de energie-absorptie gekwantiseerd was, maar dat de emissie nog steeds continu kon zijn. Einstein ging verder. Hij suggereerde dat de straling zelf korrelig was.
In 1907 bewees Einstein de algemeenheid van de hypothese. Hij gebruikte het om uit te leggen waarom de soortelijke warmte van vaste stoffen veranderde met de temperatuur. De klassieke natuurkunde faalde daar. De kwantumtheorie werkte.
Toen kwam 1909. Einstein introduceerde de dualiteit van golven en deeltjes in het reguliere discours. Materie en energie waren niet alleen het een of het ander. Ze waren allebei.
De Solvay-conferentie en het keerpunt
Oktober 1911. Brussel. De eerste Solvay-conferentie.
Planck en Einstein waren erbij. Dat waren de sceptici ook. De debatten waren intens. Ze spoorden Henri Poincaré aan om een wiskundig bewijs te vinden. Hij leverde. Hij toonde aan dat de stralingswet van Planck noodzakelijkerwijs de introductie van kwanta vereiste.
Het bewijs veranderde van mening. James Jeans, een fervent klassiek natuurkundige, sloot zich uiteindelijk aan bij het kwantumkamp. De dam brak.
Niels Bohr droeg in 1913 bij aan het momentum. Zijn kwantumtheorie van het waterstofatoom leverde het structurele bewijs dat atomen niet alleen maar kleine zonnestelsels waren. Het waren gekwantiseerde systemen.
Ironisch genoeg was Planck een van de laatste overgeblevenen. Hij had moeite om terug te keren naar de klassieke theorie. Hij deed het niet uit boosaardigheid of onwetendheid. Hij deed het om het nieuwe idee aan een stresstest te onderwerpen. Door er zo hard tegen te vechten, overtuigde hij zichzelf van de noodzaak ervan.
Het verzet tegen Einsteins lichtkwantumhypothese uit 1905 bleef bestaan. Velen weigerden te accepteren dat licht uit deeltjes bestond. Ze wachtten op een definitief bewijs. Ze kregen het met het Compton-effect in 1922.
De oude wereld was verdwenen. De nieuwe was rommelig, contra-intuïtief en onmiskenbaar echt. We leven nog steeds binnen de vergelijking die Planck te bang was om te geloven.
Het gewicht van autoriteit in een verduisterende wereld
Max Planck was 42 toen hij de natuurkunde voor altijd veranderde. De ontdekking uit 1900 die hem in 1918 de Nobelprijs opleverde, leidde niet tot meer wereldschokkende doorbraken. Hij stopte niet met bijdragen. Hij bleef op een hoog niveau werken op het gebied van de optica, thermodynamica, statistische mechanica en fysische chemie. Hij was ook de eerste grote natuurkundige die in 1905 publiekelijk de speciale relativiteitstheorie van Einstein steunde.
“De snelheid van het licht is voor de relativiteitstheorie… wat het elementaire kwantum van actie is voor de kwantumtheorie; het is de absolute kern ervan.”
Dit was niet alleen beleefde steun. Planck begreep het structurele DNA van beide theorieën. In 1914 hadden hij en Walther Hermann Nernst met succes Einstein naar Berlijn gerekruteerd. Na de Eerste Wereldoorlog voegde Max von Laue, Plancks favoriete student, zich ook bij hem. Toen Planck in 1928 met pensioen ging, nam Erwin Schrödinger zijn voorzitterschap over. Voor een kort moment was Berlijn de onbetwiste hoofdstad van de theoretische natuurkunde. Toen viel de duisternis in januari 1933.
De strijd om de objectieve realiteit
Na zijn pensionering verschoof de focus van Planck. Hij schreef minder over vergelijkingen en meer over filosofie, esthetiek en religie. Hij botste fel met de nieuwe kwantumorthodoxie. Bohr, Born en Heisenberg bouwden een indeterministische, statistische kijk op het universum op. Planck haatte het. Het was in strijd met zijn diepste intuïties.
Hij geloofde dat het fysieke universum onafhankelijk van menselijke observatie bestond. De waarnemer en het waargenomene waren niet onlosmakelijk met elkaar verbonden. Dit was niet alleen een academische voorkeur. Het was een moreel standpunt over hoe de werkelijkheid functioneert.
Zijn invloed was niet alleen theoretisch. Als permanent secretaris van de Pruisische Academie van Wetenschappen van 1912 tot 1938, en voorzitter van de Kaiser Wilhelm Society (nu de Max Planck Society) van 1930 tot 1937, had hij een enorme macht. Maar zijn autoriteit kwam niet voort uit titels. Het kwam voort uit morele kracht. Zijn eerlijkheid en integriteit stonden onder Duitse natuurkundigen buiten kijf.
Toen de nazi’s opstonden, vluchtte Planck niet. Hij ging rechtstreeks naar Hitler om te proberen het rassenbeleid ongedaan te maken. Hij bleef in Duitsland om te redden wat hij kon van de Duitse natuurkunde. Er zou een andere man zijn vertrokken. Plancks wil was onverzettelijk.
Tragedie als motor van uithoudingsvermogen
Planck had dat stoïcisme nodig. Zonder diepe filosofische en religieuze overtuiging zou hij al lang voor het einde gebroken zijn. De tragedies begonnen al vroeg.
In 1909 stierf zijn eerste vrouw, Marie Merck, na 22 jaar huwelijk. Ze was de dochter van een bankier uit München. Planck bleef achter met twee zonen en tweelingdochters. De oudste zoon, Karl, sneuvelde in 1916. Het jaar daarop stierf zijn dochter Margarete tijdens de bevalling. In 1919 onderging zijn andere dochter, Emma, hetzelfde lot.
De Tweede Wereldoorlog bracht de genadeslag. Zijn huis in Berlijn werd in 1944 door bommen verwoest. Zijn jongste zoon, Erwin, was betrokken bij de moordaanslag op Hitler op 20 juli 1944. De Gestapo executeerde hem begin 1945. Die meedogenloze daad vernietigde Plancks wil om te leven.
Aan het einde van de oorlog namen Amerikaanse officieren Planck en zijn tweede vrouw, Marga von Hoesslin (getrouwd in 1910, met wie hij één zoon kreeg) mee naar Göttingen. Hij stierf daar in 1947. Hij was 89. James Franck beschreef de dood als een komst naar hem toe ‘als een verlossing’.
Het was geen nederlaag. Het was een uitgang uit een wereld die zijn hart en zijn huis had gebroken. De wetenschap bleef. Het kwantum van actie bleef bestaan. Maar de man die de objectieve werkelijkheid verdedigde tegenover de chaos van zijn tijd vond eindelijk zijn eigen vorm van evenwicht. De vergelijkingen zijn er nog steeds. De tragedie maakt nu deel uit van het record.
