Макс Планк был не просто физиком. Он был тем самым человеком, который переписал правила игры. Родившись в Киле, Германия, в 1858 году, он вырос и создал квантовую теорию. Это одно достижение принесло ему Нобелевскую премию по физике в 1918 году. Оно также изменило весь ход человеческого понимания.
До Планка мы думали, что понимаем, как работает материя. Мы не понимали. Его работы, наряду с теорией относительности Эйнштейна, стали основой науки XX века. Это не просто абстрактные концепции. Именно благодаря им у нас есть современная электроника, ядерная энергия и цифровые устройства, которые вы, вероятно, держите в руках прямо сейчас. Планк заставил нас признать, что мир на самом маленьком масштабе не подчиняется правилам, которые мы видим в повседневной жизни.
Жизнь, наполненная музыкой и горами
Ранние годы Планка были определены порядком. Он был шестым ребенком в семье выдающегося юриста. В семье ценились ученость, надежность и глубокая преданность церкви и государству. Эти ценности остались с ним на всю жизнь.
В девять лет семья переехала в Мюнхен. Там учитель по имени Герман Мюллер пробудил в нем интерес к физике и математике. Но Планк был хорош во всем. В семнадцать лет ему пришлось выбирать путь. Он мог бы продолжить изучение классической филологии. Он мог бы посвятить себя музыке. Он выбрал физику. Почему? Потому что понял, что его оригинальность заключалась именно там.
Однако музыка никогда его не покидала. У него был абсолютный слух. Он ежедневно играл на пианино. Шуберт и Брамс были его утешением. За клавишами он находил спокойствие.
Он также любил природу. Долгие прогулки. Походы в горы. Он делал это до глубокой старости. Это помогало ему сохранять связь с реальностью.
Одинокий путь к блеску
Университет дался ему нелегко. Он поступил в Мюнхенский университет в 1874 году. Профессор физики Филипп фон Йолли проявил мало энтузиазма. Он провел год в Берлине с 1877 по 1878 год. Лекции таких гигантов, как Гельмгольц и Кирхгоф, не произвели на него впечатления.
Он не стал ждать, пока учитель спасет его. Он учился самостоятельно. Он углубился в работу Рудольфа Клаузиуса по термодинамике. Именно там сформировался его фокус.
В июле 1879 года он получил докторскую степень. Ему было двадцать один год. Это молодой возраст для любой степени, не говоря уже о докторской по теоретической физике. В следующем году он защитил квалификационную диссертацию. Он стал Privatdozent, преподавателем.
Связи помогли позже. Профессиональная сеть его отца обеспечила ему должность доцента в Кильском университете в 1885 году. Затем, в 1889 году, умер Кирхгоф. Планк занял его место в Берлинском университете. Наконец, он нашел наставника в лице Гельмгольца.
К 1892 году он стал полноправным профессором. Он остался в Берлине до конца своей активной жизни. У него было всего девять аспирантов. Но его лекции? Они были легендарными. Они выходили многими изданиями и повлияли на бесчисленное множество умов.
Поиск абсолютной истины
Почему он это делал? Не только ради славы. Планк верил в нечто глубокое. Он писал, что человеческое мышление отражает законы впечатлений, которые мы получаем от мира. Чистое рассуждение, по его мнению, могло раскрыть механизм вселенной.
Он решил стать теоретическим физиком еще до того, как эта область стала отдельной дисциплиной. Он видел поиск физических законов как стремление к чему-то абсолютному. Внешний мир, по его мнению, был независим от человека.
«Поиск законов, применимых к этому абсолютному, представлялся… как самое возвышенное научное занятие в жизни».
Эта вера двигала его. Она двигала его к тому, чтобы бросить вызов статусу-кво. Она двигала его к предложению того, что энергия не непрерывна. Она состоит из порций. Квантов.
Эта идея сначала казалась небольшой. Просто математическое исправление проблемы излучения черного тела. Но она открыла дверь. Дверь, через которую мы все еще проходим.
Последствия повсюду. Если энергия квантована, то атомы ведут себя иначе, чем представлял Ньютон. Электроны не вращаются вокруг ядра, как планеты. Они совершают скачки. Они существуют в виде вероятностей. Это не просто теория. Это основа транзистора. Лазера. Томографа (МРТ).
Планк умер в Геттингене в 1947 году. Но созданная им структура остается. Мы живем в квантовом мире. Мы просто не всегда это видим.
Почему мы до сих пор полагаемся на его первоначальный скачок? Потому что каждый раз, когда мы расширяем границы технологий, мы упираемся в ту же стену. В стену, которую он помог построить. Вопрос не в том, верна ли его теория. Вопрос в том, как далеко мы можем зайти, прежде чем следующее открытие разрушит то, что мы считаем известным. И это открытие уже ждет.
Поиск абсолютного закона
Отношения Макса Планка с законами физики начались в классе. Ещё будучи студентом гимназии, он был поражён одной конкретной уверенностью: законом сохранения энергии. Первое начало термодинамики казалось незыблемым. К моменту поступления в университет он испытывал то же самое по отношению ко второму началу. Энтропия всегда возрастала. Это было абсолютно.
Эта вера определила содержание его докторской диссертации в Мюнхене. Она же привела его непосредственно к открытию кванта действия. Теперь мы называем его постоянной Планка h. Это произошло в 1900 году.
Чтобы понять, как он к этому пришёл, нужно обратиться к проблеме излучения абсолютно чёрного тела. Густав Кирхгоф определил этот объект ещё в 1859 году. Абсолютно чёрное тело поглощает всё падающее на него излучение. Оно испускает всё обратно. Это идеальный излучатель и поглотитель. В его поведении есть что-то жёсткое и абсолютное.
К 1890-м годам учёные были одержаны задачей картирования этого поведения. Им нужно было найти спектральное распределение энергии. Им требовалась кривая, показывающая, сколько энергии излучает абсолютно чёрное тело на разных частотах при заданной температуре. Это была головоломка о тепловом излучении.
Закон Вина рушится
Планк сильно опирался на работы Вильгельма Вина. Вин, работавший в Прусском физико-техническом институте (PTR) в Берлин-Шарлоттенбурге, вывел формулу в 1896 году. Она была элегантной. Планк попытался вывести её из второго начала термодинамики. Он думал, что сможет доказать её фундаментальность.
Не получилось.
Данные коллег Планка из PTR рассказывали другую историю. Отто Рихард Луммер, Эрнст Прингсхайм, Генрих Рубенс, Фердинанд Курльбаум. Эти экспериментаторы имели точные измерения. Они показали, что закон Вина хорошо работает на высоких частотах. На низких частотах он полностью давал сбой.
Кривая была неверной. Теория была неполной. Планк знал об этом до заседания Немецкого физического общества 19 октября.
Математическая ставка
У него была задача, которую нужно было решить. Он знал математическую зависимость между энтропией и энергией для области высоких частот. Закон Вина там выполнялся. Но он также знал, какой должна быть эта зависимость в области низких частот, чтобы соответствовать новым экспериментальным данным.
Две разные истины. Одна физическая реальность.
Ему нужно было преодолеть разрыв. Задача была простой по сути, но сложной в исполнении. Он должен был объединить эти два выражения максимально простым способом. Ему нужна была одна формула.
Она должна была напрямую связывать энергию излучения с её частотой.
«Планк предположил, что следует попытаться объединить эти два выражения максимально простым способом».
Он не просто подгонял существующую модель. Он создал новую. Он взял предел для высоких частот и предел для низких частот и заставил их говорить на одном языке. Результатом стала формула, которая точно описывала данные во всём спектре.
Это была не просто подгонка кривой. Это было структурное изменение в понимании энергии. Математика требовала дискретной единицы. Куска. Кванта.
Из уравнения emerged постоянная. h.
Это изменило всё.
Неохотный революционер и рождение квантов
Макс Планк смотрел на своё уравнение и видел чудо. Для научного сообщества закон излучения Планка был неоспоримым. Он идеально соответствовал данным. Но в его голове это было просто предположение. Счастливая интуиция. Если физика должна была воспринимать это всерьёз, Планку нужно было доказать, что это не случайность. Ему следовало вывести его из первых принципов.
К 14 декабря 1900 года он сделал это. Цена оказалась высокой.
Чтобы математика сработала, Планк должен был убить свою самую заветную веру. Он всегда считал второй закон термодинамики абсолютным, незыблемым правилом природы. Теперь же ему пришлось принять спорную интерпретацию Людвига Больцмана: второй закон статистичен. Речь идёт о вероятностях, а не о certeza.
Хуже того, ему пришлось предположить, что энергия не течёт подобно воде. Она поступала порциями. Планк предложил, что осцилляторы в абсолютно чёрном теле могут поглощать и переизлучать энергию только дискретными порциями. Квантами. Каждый пакет энергии (h ν) был пропорционален её частоте. Статистически распределяя эти дискретные пакеты между всеми осцилляторами, он наконец вывел формулу, которую нашёл два месяца назад.
Последствия были ошеломляющими. Он использовал свою новую формулу для вычисления фундаментальных констант. Его значение h (постоянной Планка) составило 6,55 × 10⁻²⁷ эрг·секунда. Близко к современному значению 6,626 × 10⁻²⁷. Он также точно определил постоянную Больцмана, число Авогадро и заряд электрона.
Одно число изменило всё. h не равнялась нулю. Она была мала, но существовала.
Это означало, что микроскопический мир нельзя описать классической механикой. Гладкий, непрерывный мир Ньютона был ложью на атомном уровне. Шла революция.
Эйнштейн входит в пустоту
Концепция квантов Планка противоречила каждому устоявшемуся положению физики. Он не хотел нарушать правила. Его вынудила к этому логика. Историки называют его неохотным революционером. Он ещё не видел полной картины.
Потребовались годы, чтобы последствия осознали в полной мере. Тяжёлую работу выполнил Альберт Эйнштейн.
В 1905 году Эйнштейн утверждал, что сам свет состоит из квантов. Он назвал их световыми квантами. Теперь мы называем их фотонами. Его не заботило, что Планк считал поглощение энергии квантованным, но испускание всё ещё могло быть непрерывным. Эйнштейн пошёл дальше. Он предположил, что само излучение было зернистым.
К 1907 году Эйнштейн доказал общность гипотезы. Он использовал её, чтобы объяснить, почему теплоёмкость твёрдых тел изменяется в зависимости от температуры. Классическая физика тут терпела неудачу. Квантовая теория работала.
Затем наступил 1909 год. Эйнштейн ввёл корпускулярно-волновой дуализм в основной научный дискурс. Вещество и энергия были не просто чем-то одним или другим. Они были и тем, и другим.
Конференция Солвэ и поворотный момент
Октябрь 1911 года. Брюссель. Первая конференция Солвэ.
Там были Планк и Эйнштейн. Там же были скептики. Дебаты были напряжёнными. Они подтолкнули Анри Пуанкаре к поиску математического доказательства. Он справился. Он показал, что закон излучения Планка неизбежно требовал введения квантов.
Доказание изменило умы. Джеймс Джинс, упорный классический физик, наконец присоединился к квантовому лагерю. Плотина прорвалась.
Нильс Бор добавил импульса в 1913 году. Его квантовая теория атома водорода предоставила структурное доказательство того, что атомы — это не просто маленькие солнечные системы. Это были квантованные системы.
Иронично, но Планк оказался одним из последних упрямцев. Ему было трудно вернуться к классической теории. Он делал это не из злобы или невежества. Он делал это, чтобы подвергнуть новую идею стресс-тесту. Сражаясь с ней так упорно, он убедил себя в её необходимости.
Противопоставление гипотезе световых квантов Эйнштейна 1905 года сохранялось. Многие отказывались принимать, что свет состоит из частиц. Они ждали окончательного доказательства. Они получили его с эффектом Комптона в 1922 году.
Старый мир исчез. Новый был хаотичным, контринтуитивным и бесспорно реальным. Мы всё ещё живём внутри уравнения, в которое Планк боялся поверить.
Вес авторитета в темнеющем мире
Максу Планку было 42 года, когда он навсегда изменил физику. Открытие 1900 года, за которое он получил Нобелевскую премию 1918 года, не привело к другим столь же революционным прорывам. Он не прекратил вносить вклад в науку. Он продолжал работать на высоком уровне в области оптики, термодинамики, статистической механики и физической химии. Он также стал первым физиком мирового уровня, публично поддержавшим специальную теорию относительности Эйнштейна в 1905 году.
«Скорость света для теории относительности… то же самое, что элементарная кванта действия для квантовой теории; это ее абсолютное ядро».
Это была не просто вежливая поддержка. Планк понимал структурную ДНК обеих теорий. К 1914 году он вместе с Вальтером Германом Нернстом успешно завербовал Эйнштейна в Берлин. После Первой мировой войны к ним присоединился Макс фон Лауэ, любимый ученик Планка. Когда Планк вышел на пенсию в 1928 году, его место занял Эрвин Шрёдингер. На короткое время Берлин стал бесспорной столицей теоретической физики. Затем в январе 1933 года наступила тьма.
Битва за объективную реальность
После выхода на пенсию фокус внимания Планка сместился. Он писал меньше об уравнениях и больше о философии, эстетике и религии. Он вступил в жесткую конфронтацию с новой квантовой ортодоксией. Бор, Борн и Гейзенберг выстраивали индетерминистскую, статистическую картину вселенной. Планк ненавидел это. Это противоречило его глубочайшим интуициям.
Он верил, что физическая вселенная существует независимо от человеческого наблюдения. Наблюдатель и наблюдаемое не были неразрывно связаны. Это было не просто академическое предпочтение. Это была моральная позиция относительно того, как функционирует реальность.
Его влияние было не только теоретическим. Будучи постоянным секретарем Прусской академии наук с 1912 по 1938 год и президентом Общества кайзера Вильгельма (ныне Общество Макса Планка) с 1930 по 1937 год, он обладал огромной властью. Но его авторитет проистекал не из титулов. Он проистекал из моральной силы. Его справедливость и честность не вызывали сомнений среди немецких физиков.
Когда к власти пришли нацисты, Планк не бежал. Он прямо отправился к Гитлеру, чтобы попытаться отменить расовую политику. Он остался в Германии, чтобы спасти то, что еще можно было спасти в немецкой физике. Другой человек мог бы уехать. Воля Планка была непоколебимой.
Трагедия как двигатель выносливости
Планку требовалась эта стоицизм. Без глубоких философских и религиозных убеждений он сломался бы задолго до конца. Трагедии начались рано.
В 1909 году его первая жена, Мари Мерк, умерла после 22 лет брака. Она была дочерью мюнхенского банкира. Планк остался с двумя сыновьями и дочерьми-близнецами. Старший сын, Карл, был убит в бою в 1916 году. В следующем году его дочь Маргарета умерла при родах. В 1919 году другая его дочь, Эмма, постигла та же участь.
Вторая мировая война нанесла最后的 удары. Его берлинский дом был разрушен бомбардировками в 1944 году. Его младший сын, Эрвин, был причастен к покушению на Гитлера 20 июля 1944 года. Гестапо казнило его в начале 1945 года. Этот беспощадный акт разрушил волю Планка к жизни.
В конце войны американские офицеры доставили Планка и его вторую жену, Маргу фон Хесслин (в браке с 1910 года, от которой у него был один сын), в Гёттинген. Он умер там в 1947 году. Ему было 89 лет. Джеймс Франк описал смерть как пришедшую к нему «как искупление».
Это не было поражением. Это был уход из мира, который разбил его сердце и разрушил его дом. Наука осталась. Кванта действия выдержала испытание временем. Но человек, который отстаивал объективную реальность против хаоса своего времени, наконец обрел свою собственную форму равновесия. Уравнения все еще существуют. Трагедия теперь является частью истории.
