Max Planck był kimś więcej niż tylko fizykiem. To on napisał na nowo zasady gry. Urodzony w Kilonii w Niemczech w 1858 roku, dorastał, tworząc teorię kwantową. To pojedyncze osiągnięcie zapewniło mu Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1918 r. Zmieniło także cały bieg ludzkiego zrozumienia.
Przed Planckiem wydawało nam się, że rozumiemy działanie materii. Nie zrozumieliśmy. Jego prace, wraz z teorią względności Einsteina, stały się podstawą nauki XX wieku. To nie są tylko abstrakcyjne pojęcia. To dzięki nim mamy nowoczesną elektronikę, energię jądrową i urządzenia cyfrowe, które prawdopodobnie trzymasz teraz w rękach. Planck zmusił nas do uznania, że świat w najmniejszej skali nie przestrzega zasad, które widzimy w życiu codziennym.
Życie wypełnione muzyką i górami
Wczesne lata Plancka zostały określone porządkiem. Był szóstym dzieckiem w rodzinie wybitnego prawnika. Rodzina ceniła naukę, niezawodność i głębokie oddanie kościołowi i państwu. Wartości te pozostały z nim przez całe życie.
W wieku dziewięciu lat rodzina przeniosła się do Monachium. Tam nauczyciel Hermann Müller wzbudził jego zainteresowanie fizyką i matematyką. Ale Planck był dobry we wszystkim. W wieku siedemnastu lat musiał wybrać ścieżkę. Mógłby kontynuować naukę filologii klasycznej. Mógł poświęcić się muzyce. Wybrał fizykę. Dlaczego? Ponieważ zdałem sobie sprawę, że w tym kryje się jego oryginalność.
Jednak muzyka nigdy go nie opuściła. Miał doskonały słuch. Codziennie grał na pianinie. Schubert i Brahms byli jego pocieszeniem. Znalazł spokój u klawiszy.
Kochał także przyrodę. Długie spacery. Wędrówki po górach. Robił to aż do bardzo starego wieku. To pomogło mu zachować kontakt z rzeczywistością.
Samotna droga do blasku
Uniwersytet nie był dla niego łatwy. W 1874 roku rozpoczął studia na uniwersytecie w Monachium. Profesor fizyki Philipp von Jolly nie okazywał entuzjazmu. W latach 1877–1878 spędził rok w Berlinie. Wykłady takich gigantów jak Helmholtz i Kirchhoff nie zrobiły na nim wrażenia.
Nie czekał, aż nauczyciel go uratuje. Studiował samodzielnie. Zagłębił się w prace Rudolfa Clausiusa dotyczące termodynamiki. To tam ukształtowała się jego koncentracja.
W lipcu 1879 uzyskał stopień doktora. Miał dwadzieścia jeden lat. To młody wiek na jakikolwiek stopień, nie mówiąc już o doktoracie z fizyki teoretycznej. W następnym roku obronił pracę kwalifikacyjną. Został Privatdozentem, nauczycielem.
Połączenia pomogły później. Sieć zawodowa ojca zapewniła mu w 1885 r. stanowisko adiunkta na Uniwersytecie w Kilonii. Następnie w 1889 r. Kirchhoff zmarł. Planck zajął jego miejsce na Uniwersytecie w Berlinie. Wreszcie znalazł mentora w Helmholtzu.
W 1892 roku został profesorem zwyczajnym. Do końca aktywnego życia pozostał w Berlinie. Miał tylko dziewięciu absolwentów. Ale jego wykłady? Byli legendarni. Zostały opublikowane w wielu wydaniach i wywarły wpływ na niezliczone umysły.
Szukaj prawdy absolutnej
Dlaczego to zrobił? Nie tylko dla sławy. Planck wierzył w coś głębokiego. Pisał, że ludzkie myślenie odzwierciedla prawa wrażeń, jakie otrzymujemy od świata. Jego zdaniem czyste rozumowanie mogłoby odkryć mechanizm wszechświata.
Zdecydował się zostać fizykiem teoretykiem jeszcze zanim dziedzina ta stała się odrębną dyscypliną. Poszukiwanie praw fizycznych postrzegał jako pragnienie czegoś absolutnego. Świat zewnętrzny, jego zdaniem, był niezależny od człowieka.
„Poszukiwanie praw mających zastosowanie do tego absolutu zostało przedstawione… jako najbardziej wysublimowane zajęcie naukowe w życiu.”
Ta wiara go poruszyła. Namówiła go do zakwestionowania status quo. Poruszyła go, aby zasugerować, że energia nie jest ciągła. Składa się z porcji. Kwanta.
Pomysł ten początkowo wydawał się niewielki. To tylko matematyczne rozwiązanie problemu promieniowania ciała doskonale czarnego. Ale otworzyła drzwi. Drzwi, przez które wciąż przechodzimy.
Konsekwencje są wszędzie. Jeśli energia zostanie skwantowana, wówczas atomy zachowują się inaczej, niż wyobrażał sobie Newton. Elektrony nie krążą wokół jądra tak jak planety. Robią skoki. Istnieją w formie prawdopodobieństw. To nie jest tylko teoria. To jest podstawa tranzystora. Laser. Tomograf (MRI).
Planck zmarł w Getyndze w 1947 r. Ale konstrukcja, którą stworzył, pozostała. Żyjemy w świecie kwantowym. Po prostu nie zawsze to widzimy.
Dlaczego wciąż polegamy na jego początkowym skoku? Ponieważ za każdym razem, gdy przekraczamy granice technologii, uderzamy w tę samą ścianę. W ścianę, którą pomógł zbudować. Pytanie nie brzmi, czy jego teoria jest słuszna. Pytanie brzmi, jak daleko możemy się posunąć, zanim kolejne odkrycie zniszczy to, co myślimy, że wiemy. A to odkrycie już czeka.
Szukaj prawa absolutnego
Związek Maxa Plancka z prawami fizyki rozpoczął się w klasie. Będąc jeszcze uczniem szkoły średniej, uderzyła go jedna szczególna pewność: prawo zachowania energii. Pierwsza zasada termodynamiki wydawała się niewzruszona. Zanim wstąpił na uniwersytet, miał takie same odczucia co do drugiej zasady. Entropia zawsze rosła. To było absolutnie.
To przekonanie zadecydowało o treści jego rozprawy doktorskiej w Monachium. Doprowadziło go to także bezpośrednio do odkrycia kwantu działania. Teraz nazywamy ją stałą Plancka h. Stało się to w roku 1900.
Aby zrozumieć, jak do tego doszedł, musimy przyjrzeć się problemowi promieniowania ciała doskonale czarnego. Gustav Kirchhoff zidentyfikował ten obiekt już w 1859 roku. Całkowicie czarne ciało pochłania całe padające na niego promieniowanie. Emituje wszystko z powrotem. Jest idealnym emiterem i absorberem. W jego zachowaniu jest coś surowego i bezwzględnego.
XIX wieku naukowcy mieli obsesję na punkcie mapowania tego zachowania. Musieli znaleźć widmowy rozkład energii. Potrzebowali krzywej pokazującej, ile energii emituje ciało doskonale czarne przy różnych częstotliwościach w danej temperaturze. Była to zagadka dotycząca promieniowania cieplnego.
Upada prawo wina
Planck w dużym stopniu czerpał z twórczości Wilhelma Wiena. Wien, pracująca w Pruskim Instytucie Fizyki i Technologii (PTR) w Berlinie-Charlottenburgu, opracowała ten wzór w 1896 roku. Była elegancka. Planck próbował wyprowadzić to z drugiej zasady termodynamiki. Myślał, że może udowodnić jego fundamentalność.
Nie wyszło.
Dane uzyskane od kolegów Plancka z PTR mówią co innego. Otto Richard Lummer, Ernst Pringsheim, Heinrich Rubens, Ferdinand Kurlbaum. Ci eksperymentatorzy mieli dokładne pomiary. Pokazali, że prawo Wiena działa dobrze przy wysokich częstotliwościach. Przy niskich częstotliwościach całkowicie się nie udało.
Krzywa była błędna. Teoria była niekompletna. Planck wiedział o tym przed spotkaniem Niemieckiego Towarzystwa Fizycznego 19 października.
Współczynnik matematyczny
Miał problem do rozwiązania. Znał matematyczną zależność pomiędzy entropią i energią dla obszaru wysokich częstotliwości. Spełniło się tam prawo Wine’a. Wiedział jednak również, jaka musi być ta zależność w obszarze niskich częstotliwości, aby odpowiadała nowym danym eksperymentalnym.
Dwie różne prawdy. Jedna rzeczywistość fizyczna.
Musiał wypełnić tę lukę. Zadanie było w istocie proste, ale trudne w wykonaniu. Musiał połączyć te dwa wyrażenia w najprostszy możliwy sposób. Potrzebował jednej formuły.
Miał on bezpośrednio łączyć energię promieniowania z jego częstotliwością.
„Planck zasugerował, że powinniśmy spróbować połączyć te dwa wyrażenia w możliwie najprostszy sposób.”
Nie tylko ulepszył istniejący model. Stworzył nowy. Wziął górny limit częstotliwości i dolny limit częstotliwości i sprawił, że mówili tym samym językiem. W rezultacie powstał wzór, który dokładnie opisywał dane w całym spektrum.
To nie było tylko dopasowanie do krzywizny. Była to strukturalna zmiana w rozumieniu energii. Matematyka wymagała jednostki dyskretnej. Kuska. Kwanta.
Z równania wyłoniła się stała. H.
To zmieniło wszystko.
Niechętny rewolucjonista i narodziny kwantu
Max Planck spojrzał na swoje równanie i zobaczył cud. Dla społeczności naukowej prawo Plancka dotyczące promieniowania było niezaprzeczalne. Idealnie pasuje do danych. Ale w jego głowie było to tylko przypuszczenie. Szczęśliwa intuicja. Jeśli fizyka miała potraktować to poważnie, Planck musiał udowodnić, że to nie był wypadek. Powinien był to wyprowadzić z pierwszych zasad.
Uczynił to już 14 grudnia 1900 roku. Cena okazała się wysoka.
Aby matematyka zadziałała, Planck musiał zabić swoje najbardziej cenione przekonanie. Zawsze uważał drugą zasadę termodynamiki za absolutną, niewzruszoną zasadę natury. Teraz musiał zaakceptować kontrowersyjną interpretację Ludwiga Boltzmanna: drugie prawo ma charakter statystyczny. Mówimy o prawdopodobieństwie, a nie o certezie.
Co gorsza, musiał założyć, że energia nie płynie jak woda. Przyszło w porcjach. Planck zaproponował, że oscylatory w ciele doskonale czarnym mogą absorbować i ponownie emitować energię tylko w dyskretnych porcjach. Kwanta. Każdy pakiet energii (h ν) był proporcjonalny do jego częstotliwości. Rozdzielając statystycznie te dyskretne pakiety pomiędzy wszystkie oscylatory, w końcu wyprowadził wzór, który znalazł dwa miesiące temu.
Konsekwencje były oszałamiające. Użył swojego nowego wzoru do obliczenia stałych podstawowych. Jej wartość h (stała Plancka) wynosiła 6,55 × 10⁻²⁷ erg·sekunda. Blisko współczesnej wartości 6,626 × 10⁻²⁷. Dokładnie wyznaczył także stałą Boltzmanna, liczbę Avogadro i ładunek elektronu.
Jeden numer zmienił wszystko. h nie było równe zero. Był mały, ale istniał.
Oznaczało to, że mikroskopijnego świata nie dało się opisać mechaniką klasyczną. Gładki, ciągły świat Newtona był kłamstwem na poziomie atomowym. Trwała rewolucja.
Einstein wkracza w pustkę
Koncepcja kwantów Plancka zaprzeczała każdemu ustalonemu stanowisku w fizyce. Nie chciał łamać zasad. Logika go do tego zmusiła. Historycy nazywają go niechętnym rewolucjonistą. Nie widział jeszcze pełnego obrazu sytuacji.
Uświadomienie sobie pełnych konsekwencji zajęło lata. Albert Einstein wykonał ciężką pracę.
W 1905 roku Einstein argumentował, że samo światło składa się z kwantów. Nazwał je kwantami światła. Teraz nazywamy je fotonami. Nie obchodziło go, że Planck uważał absorpcję energii za skwantowaną, ale emisja mogła nadal mieć charakter ciągły. Einstein poszedł dalej. Zasugerował, że samo promieniowanie było ziarniste.
W 1907 roku Einstein udowodnił ogólność hipotezy. Użył go do wyjaśnienia, dlaczego pojemność cieplna ciał stałych zmienia się wraz z temperaturą. Fizyka klasyczna tu zawiodła. Teoria kwantowa zadziałała.
Potem przyszedł rok 1909. Einstein wprowadził dualizm korpuskularno-falowy do głównego nurtu dyskursu naukowego. Materia i energia nie były po prostu jedną lub drugą rzeczą. Byli oboje.
Konferencja Solvay i punkt zwrotny
Październik 1911. Bruksela. Pierwsza konferencja Solvay.
Byli tam Planck i Einstein. Byli też sceptycy. Debata była napięta. Zmusili Henriego Poincarégo do poszukiwania dowodu matematycznego. Zrobił to. Pokazał, że prawo promieniowania Plancka nieuchronnie wymaga wprowadzenia kwantów.
Dowód zmienił zdanie. James Jeans, nieustępliwy fizyk klasyczny, w końcu dołączył do obozu kwantowego. Tama pękła.
Niels Bohr dodał impulsu w 1913 roku. Jego kwantowa teoria atomu wodoru dostarczyła strukturalnego dowodu na to, że atomy to nie tylko małe układy słoneczne. Były to systemy skwantowane.
Jak na ironię, Planck okazał się jednym z ostatnich upartych. Powrót do teorii klasycznej był dla niego trudny. Nie zrobił tego ze złośliwości czy niewiedzy. Zrobił to, aby poddać nowy pomysł testowi warunków skrajnych. Walcząc z tym tak mocno, przekonał się o jego konieczności.
Sprzeciw wobec hipotezy kwantowej światła Einsteina z 1905 r. utrzymywał się. Wiele osób nie chciało zaakceptować faktu, że światło składa się z cząstek. Czekali na ostateczny dowód. Doszło do tego w 1922 roku dzięki efektowi Comptona.
Stary świat zniknął. Nowe było chaotyczne, sprzeczne z intuicją i niezaprzeczalnie prawdziwe. Nadal żyjemy w równaniu, w które Planck bał się uwierzyć.
Waga władzy w pogrążającym się w ciemności świecie
Max Planck miał 42 lata, kiedy na zawsze zmienił fizykę. Odkrycie z 1900 r., za które w 1918 r. otrzymał Nagrodę Nobla, nie doprowadziło do innych, równie rewolucyjnych odkryć. Nie zaprzestał wnoszenia wkładu w naukę. Kontynuował pracę na wysokim poziomie w dziedzinach optyki, termodynamiki, mechaniki statystycznej i chemii fizycznej. Został także pierwszym światowej klasy fizykiem, który w 1905 roku publicznie poparł szczególną teorię względności Einsteina.
„Prędkość światła jest dla teorii względności… tym samym, co elementarny kwant działania dla teorii kwantowej; to jest jej absolutny rdzeń.”
To nie było tylko grzeczne wsparcie. Planck zrozumiał strukturalne DNA obu teorii. Do 1914 roku wraz z Walterem Hermannem Nernstem z powodzeniem zwerbował Einsteina do Berlina. Po I wojnie światowej dołączył do nich Max von Laue, ulubiony uczeń Plancka. Kiedy Planck przeszedł na emeryturę w 1928 r., jego miejsce zajął Erwin Schrödinger. Berlin na krótki czas stał się niekwestionowaną stolicą fizyki teoretycznej. Potem, w styczniu 1933 roku, zapadła ciemność.
Walka o obiektywną rzeczywistość
Po przejściu na emeryturę Planck zmienił swoje zainteresowania. Mniej pisał o równaniach, a więcej o filozofii, estetyce i religii. Doszedł do ostrej konfrontacji z nową ortodoksją kwantową. Bohr, Born i Heisenberg zbudowali indeterministyczny, statystyczny obraz wszechświata. Planckowi tego nienawidził. Było to sprzeczne z jego najgłębszą intuicją.
Wierzył, że wszechświat fizyczny istnieje niezależnie od ludzkiej obserwacji. Obserwator i obserwowany nie były ze sobą nierozerwalnie związane. Nie były to wyłącznie preferencje akademickie. Było to stanowisko moralne dotyczące sposobu działania rzeczywistości.
Jego wpływ nie był tylko teoretyczny. Jako stały sekretarz Pruskiej Akademii Nauk od 1912 do 1938 i prezes Towarzystwa Cesarza Wilhelma (obecnie Towarzystwa Maxa Plancka) od 1930 do 1937 sprawował ogromną władzę. Ale jego autorytet nie wynikał z tytułów. To wynikało z siły moralnej. Jego sprawiedliwość i uczciwość nie budziły wątpliwości wśród niemieckich fizyków.
Kiedy naziści doszli do władzy, Planck nie uciekł. Udał się prosto do Hitlera, aby spróbować odwrócić politykę rasową. Pozostał w Niemczech, aby ocalić to, co można było jeszcze ocalić w niemieckiej fizyce. Mogła odejść kolejna osoba. Wola Plancka była niezachwiana.
Tragedia jako motor wytrzymałości
Planck potrzebował tego stoicyzmu. Bez głębokich przekonań filozoficznych i religijnych załamałby się na długo przed końcem. Tragedie zaczęły się wcześnie.
W 1909 roku, po 22 latach małżeństwa, zmarła jego pierwsza żona, Marie Merck. Była córką bankiera z Monachium. Planck pozostał z dwoma synami i córkami bliźniakami. Najstarszy syn, Karl, zginął w akcji w 1916 roku. W następnym roku jego córka Margaretha zmarła przy porodzie. W 1919 roku ten sam los spotkał jego drugą córkę Emmę.
Druga wojna światowa zadała ciosy. Jego berliński dom został zniszczony w wyniku bombardowań w 1944 r. Jego najmłodszy syn, Erwin, brał udział w zamachu na Hitlera 20 lipca 1944 r. Gestapo rozstrzelało go na początku 1945 r. Ten bezlitosny czyn zniweczył wolę życia Plancka.
Pod koniec wojny amerykańscy oficerowie sprowadzili do Getyngi Plancka i jego drugą żonę Margę von Hesslin (mężatką od 1910 r., z którą miał jednego syna). Zmarł tam w 1947 roku. Miał 89 lat. James Frank opisał śmierć jako przychodzącą do niego „jak odkupienie”.
To nie była porażka. To odejście od świata złamało mu serce i zniszczyło dom. Nauka pozostaje. Ilość działania przetrwała próbę czasu. Ale człowiek, który opowiadał się za obiektywną rzeczywistością wbrew chaosowi swoich czasów, w końcu znalazł własną formę równowagi. Równania nadal istnieją. Tragedia przeszła już do historii.
