Нобелевские лауреаты: Макс Планк. Самый постоянный из физиков
, №6, 2012 , №7, 2012 , №8, 2012 , №9, 2012 , №10, 2012 , №12, 2012 , №1, 2013 , №11, 2013 , №1, 2014 , №2, 2014 , №3, 2014 , №7, 2014 , №8, 2014 , №10, 2014 , №12, 2014 , №1, 2015 , №4, 2015 , №5, 2015 , №6, 2015 .
«Космические сыщики» - новая книга писателя, доктора физико-математических наук Николая Николаевича Горькавого. Её герои знакомы читателям по научно-фантастической трилогии «Астровитянка» и научным сказкам, опубликованным в журнале в 2010–2014 гг. и в №№ 1, 4, 5, 6, 2015 г.
Однажды в кабинет Филиппа фон Жолли, профессора Мюнхенского университета, робко постучавшись, вошёл аккуратный молодой человек, - начала рассказывать очередную вечернюю сказку своим детям принцесса Дзинтара.
Я недавно поступил в ваш университет, - сказал он, - и хочу заниматься теоретической физикой.
Теоретической физикой? - удивился профессор. - Не советую. В этой науке все открытия уже сделаны, осталось подчистить пару дыр.
Профессора можно понять. Шёл 1874 год. К этому времени теоретическая физика практически достигла совершенства, прочно базируясь на механике Ньютона, термодинамике, а также на электродинамике Максвелла.
Молодой человек скромно ответил:
Я не собираюсь делать открытия, я просто хотел бы разобраться в уже достигнутом в области теории.
Ну что ж, не буду вас отговаривать, можете посещать мои лекции. Как ваше имя?
Макс Планк.
Молодой человек по имени Макс Карл Эрнст Людвиг Планк был выходцем из старинного дворянского рода, который дал Германии военных, юристов и учёных. Он родился в городе Киле в семье профессора гражданского права Иоганна Юлиуса Вильгельма фон Планка и Эммы Планк. В детстве учился игре на фортепиано и органе и делал большие успехи. В 1867 году семья переехала в Мюнхен, где Макс поступил в Королевскую Максимилиановскую гимназию. Там юноша увлёкся точными и естественными науками. С 1874 года в течение трёх лет Планк изучал физику и математику в Мюнхенском университете и ещё год в Берлинском.
После окончания учёбы у него не было постоянной работы, но он усердно занимался теоретической физикой, изучал статьи Германа Гельмгольца, Густава Кирхгофа и других видных физиков. Его надолго увлекла термодинамика (эта область физики изучает явления теплоты и превращения различных видов энергии друг в друга). В 1879 году Планк защитил в Мюнхенском университете диссертацию, посвящённую второму закону термодинамики. После этого молодой талантливый физик начал быстро продвигаться по карьерной лестнице и к 34 годам стал профессором теоретической физики в Берлинском университете и директором Института теоретической физики.
Однажды известная электрическая компания обратилась к профессору Планку с предложением провести исследования и выяснить, как при минимальных затратах энергии достичь максимальной светимости электрической лампочки? Планк откликнулся и начал работу, которая открыла новую эпоху в науке.
В чём же состоит заслуга Планка? Давно было известно, что от температуры тела (например, раскалённой проволочки в электролампе) зависит интенсивность его свечения, а также цвет излучения.
Верно! - вскричала Галатея. - Свечка горит жёлтым цветом, а пламя электросварки - синее!
Для массового производства электроламп важно точно знать, при каких условиях их свет будет максимально ярким. Профессор Планк поставил перед собой задачу определить спектр свечения раскалённых тел и выяснить, как этот спектр зависит от температуры. К этому времени были выведены два закона, определяющих свечение тел как функции длины волны. Один из них - закон Вина - хорошо описывал яркость свечения в области коротких волн, но не соответствовал экспериментальным данным в длинноволновой части спектра. Другой - закон Рэлея-Джинса, - наоборот, отлично совпадал с экспериментом для длинных волн, но в области коротких волн безнадёжно врал: согласно ему, основная энергия излучения содержится в самых коротких волнах.
Взявшись за дело, Планк решил вывести формулу, которая хорошо соответствовала бы наблюдаемой зависимости свечения от длины волны, не заботясь об её теоретическом обосновании. Как физик-теоретик, он пошёл по пути получения эмпирической формулы , потому что свечение ламп было практически важным вопросом и производителям нужна была работающая формула, а о теориях они не думали.
Планку удалось вывести математический закон, который давал правильные, совпадающие с экспериментом данные для излучения как в длинных, так и в коротких волнах. Осталось понять, является ли эта формула лишь математическим трюком, не имеющим глубокого обоснования, или её можно получить на основе существующих научных принципов.
В поисках научного обоснования выдвинутого закона Планк опирался на работы австрийского физика Людвига Больцмана, который глубже своих современников понял статистическую природу термодинамических соотношений и основал статистическую механику. После долгих усилий Планк выяснил, что его формула никак не исходит из известных принципов. Зато она прекрасно выводится, если предположить, что элементарный осциллятор (заряд, совершающий колебания) может испускать волны только порциями, пропорциональными частоте волны. Планк записал энергию такой порции в виде
где h - постоянная, которую впоследствии стали называть в его честь постоянной Планка; ν - частота волны.
Это было очень странное выражение, которое никак не следовало из обычных законов физики.
А в чём его странность? - спросил Андрей.
Попробую объяснить. Герц открыл, что контур, в котором движется туда и обратно поток электронов, излучает радиоволны. Если упростить контур Герца до предела, то мы получим элементарный осциллятор - просто электрический заряд, колеблющийся под воздействием какой-то внешней силы. Неплохой пример такого осциллятора - электрически заряженный и качающийся маятник часов. Качающиеся или осциллирующие заряженные тела либо частицы всегда испускают электромагнитные волны. Теория Максвелла не накладывала никаких ограничений на такое излучение, а условие, которое Планк был вынужден положить в основу своей формулы, состояло в том, что осциллятор не может испускать волны как ему вздумается: он должен выпускать энергию только отдельными порциями (квантами). Какие бы осцилляторы ни рассматривались, это условие не менялось, они словно по приказу испускали энергию так, а не иначе.
Планк опубликовал свою теорию в 1900 году, но ни он сам, ни другие учёные не спешили признавать существование выдвинутой им квантовой теории. Лишь усилиями Эйнштейна и других физиков теория световых квантов стала постепенно завоёвывать своё место в физической науке.
Всё кардинально изменилось в 1913 году, когда молодой датчанин по имени Нильс Бор приехал в английский город Манчестер поработать в лаборатории выдающегося британского физика Эрнеста Резерфорда. Бор доказал, что кванты - это фундамент строения материи, и тем самым открыл новую страницу в истории науки. А Макс Планк открыл то, что полностью изменило здание мировой теоретической физики, которое было таким красивым и казалось практически завершённым.
В 1918 году Планк получил за свои работы Нобелевскую премию. Десятки научных учреждений Германии, которые занимались фундаментальной наукой, объединились в Общество имени Макса Планка. Высшей наградой страны за достижения в области теоретической физики стала медаль имени Макса Планка. Ну и самым впечатляющим свидетельством вклада Планка в мировую науку стало то, что среди пяти мировых фундаментальных констант: скорости света, заряда и массы электрона, гравитационной постоянной и постоянной Планка - только одна носит имя своего открывателя.
Мама, - осторожно спросила Галатея, - а есть ещё какая-нибудь неизвестная мировая константа?
Дзинтара улыбнулась:
Думаю, что есть. Но о существовании такой константы первым узнает её открыватель.
Эмпирические формулы не выводятся из какой-либо теории. Они подбираются или конструируются из математических функций так, чтобы наилучшим образом описывать экспериментальные данные.
Полное имя немецкого ученого – Макс Карл Эрнст Людвиг Планк. Много лет подряд он был одним из руководителей немецкого научного сообщества. Ему принадлежит открытие квантовой гипотезы. Физик изучал термодинамику, теорию квантов и теплового излучения. Работы ученого делают его основоположником квантовой физики. Один из немногих, кто посмел выступать в защиту евреев в период нацизма в Германии. До конца дней оставался верным науке и занимался ею, пока позволяло здоровье.
Детство и юность
Макс Планк появился на свет 23 апреля 1858 года в городе Киле. Его предки были из старого дворянского рода. Его дед (Heinrich Ludwig Planck) и прадед (Gottlieb Jakob Planck) преподавали теологию в университете Геттингена.
Embed from Getty Images Ученый Макс ПланкОтец Макса Вильгельм Планк – юрист и профессор права в университете Киля. Он был дважды женат. В первом браке появились двое детей. Второй раз он женился на матери Макса Эмме Патциг, в браке с которой родились пятеро детей. Она была из пасторской семьи и до встречи с Вильгельмом Планком жила в городе Грайфсвальд.
До 10 лет Макс жил в Киле. В 1867 году отец получает приглашение на профессорскую должность в Мюнхенский университет, и семья переезжает в столицу Баварии. Здесь мальчика отдают в Максимилиановскую гимназию, где он числится в рядах лучших учеников класса.
Большое влияние на юного Планка оказывает учитель математики Герман Мюллер. От него он впервые узнает, что такое закон сохранения энергии. Макс показывает блестящие математические данные. Занятия в гимназии закрепили в нем интерес к науке, в частности к изучению законов природы.
Архив Общества Макса ПланкаЕще одним детским увлечением Планка стала музыка. Он пел в хоре мальчиков, играл на нескольких инструментах и много занимался за роялем. Одно время изучал теорию музыки и даже пробовал сочинять, но пришел к выводу, что композитор из него не получится. К окончанию школы Планк уже сформировал свои пристрастия.
В молодости он хотел посвятить себя музыке, став пианистом. Мечтал заниматься филологией, проявлял большой интерес к физике и математике. В итоге Макс выбрал точные науки и поступил в Мюнхенский университет. Будучи студентом, не оставляет музыку. Его можно было видеть музицирующим на органе в студенческой церкви. Он руководил небольшим хором и дирижировал оркестром.
Отец советует Максу обратиться к профессору Филиппу фон Жолли, чтобы тот помог ему погрузиться в изучение теоретической физики. Профессор уговаривал студента отказаться от этой идеи, так как, по его мнению, данная наука близка к завершению. По его словам, новых открытий уже ждать не стоит, основные исследования сделаны.
Википедия Однако Планк не сдается. Ему не нужны открытия, он желает разобраться в основах физической теории и хотел бы по возможности их углубить. Студент начинает посещать лекции по экспериментальной физике Вильгельма фон Беца. Вместе с профессором Филиппом фон Жолли проводит исследование о проницаемости нагретой платины для водорода. Макса можно видеть на занятиях в аудиториях профессоров – математиков Людвига Зейделя и Густава Бауэра.
После знакомства с известным физиком Германом Гельмгольцем Планк уезжает получать образование в Берлинский университет. Он посещает лекции математика Карла Вейерштрасса. Изучает работы профессоров Гельмгольца и Густава Киргофа, которые берет для себя за образец для подражания по мастерству изложения сложного материала. После ознакомления с трудами Рудольфа Клазиуса по теории теплоты выбирает для себя новое направление для исследований – термодинамику.
Наука
В 1879 году Планк получает ученую степень доктора после защиты диссертации о втором начале термодинамики. В своей работе физик доказывает, что при самоподдерживающем процессе тепло не переносится от холодного тела к более теплому. В следующем году он пишет еще одну работу по термодинамике и получает должность младшего ассистента на физическом факультете в университете Мюнхена.
Embed from Getty Images Макс Планк на встрече в Обществе кайзера ВильгельмаВ 1885 году Планк становится адъюнкт-профессором в Кильском университете. Его исследования уже стали приносить ему дивиденды в виде международного признания. Через 3 года ученого приглашают в Берлинский университет, где он также находится в должности адъюнкт-профессора. Вместе с этим получает пост директора Института теоретической физики. В 1892 году Макс Планк становится действительным профессором.
Через 4 года ученый начинает заниматься исследованиями теплового излучения тел. По теории Планка электромагнитное излучение не может быть непрерывным. Оно идет отдельными квантами, величина которых зависит от излучаемой частоты. Макс Планк выводит формулу распределения энергии в спектре абсолютного черного тела.
В декабре 1900 года физик на заседании Берлинского ученого совета докладывает о своем открытии и дает начало новому направлению – квантовой теории. Уже в следующем году на основе формулы Планка вычисляется значение постоянной Больцмана. Планку удается получить постоянную Авогадро – число атомов в одном моле, и ученый устанавливает величину заряда электрона с высокой степенью точности.
Embed from Getty Images Макс Планк и Альберт ЭйнштейнВпоследствии способствовал укреплению квантовой теории.
В 1919 году ученый Макс Планк получает Нобелевскую премию 1918 года за открытие квантов энергии и развитие физики.
В 1928-м он уходит в отставку, но продолжает сотрудничать с Обществом фундаментальных наук кайзера Вильгельма. Через 2 года нобелевский лауреат становится его президентом.
Религия и философия
Макс План воспитывался в лютеранском духе, и для него всегда на первом месте находились ценности религии. Каждый раз за обедом он произносил молитву. Известно, что с 1920 года и до конца жизни служил пресвитером.
Ученый был против объединения науки и религии. Под его критику попадали астрология, теософия, спиритуализм и другие модные направления. При этом он считал, что наука и религия равноценны по своей значимости.
Embed from Getty Images Макс Планк в библиотекеЕго лекция «Религия и естествознание» от 1937 года пользовалась популярностью, что отразилось в ее неоднократных публикациях впоследствии. Текст стал отражением событий в стране, которая находилась под властью фашистов.
Планк ни разу не называет имя и вынужден постоянно опровергать слухи о смене своей веры. Ученый подчеркивал, что он не верит в личностного бога, но при этом остается религиозным.
Личная жизнь
В первый раз Макс Планк женился на подруге детства Марии Мерк в 1885 году. В браке родились четверо детей: два сына и дочери-близнецы. Он любил свою семью, был заботливым мужем и отцом. В 1909 году жена умирает. Через 2 года ученый пытается во второй раз устроить свою личную жизнь и делает предложение племяннице Марге фон Хесслин. Женщина дарит Максу Планку еще одного сына.
Embed from Getty Images Портрет Макса ПланкаВ биографии ученого наступает черная полоса. Старший сын погибает в Первую мировой войну, в 1916-м, а дочери умирают при родах в 1917 и 1918 годах. Второй сын от первого брака был казнен в начале 1945-го за участие в заговоре против , несмотря на прошение известного отца.
Нацисты знали о взглядах Макса Планка. Во время визита к Гитлеру, когда физик возглавлял Общество фундаментальных наук кайзера Вильгельма, он обратился к нему с просьбой не преследовать ученых-евреев. Гитлер гневно ему в лицо высказал все, что думает о еврейской нации. После этого Планк хранил молчание и старался быть сдержанным в своих мыслях.
Зимой 1944 года, после налета авиации армии союзников, дом ученого полностью сгорел. В огне уничтожены рукописи, дневники, книги. Он переезжает к другу Карлу Штилю в Рогец под Магдебургом.
Памятник Максу Планку / Mutter Erde, Википедия В 1945 году, во время лекции в Касселе, профессор чуть не погибает под бомбами. В апреле временный дом супругов Планк тоже был разрушен под авиаударами. Ученый и жена уходят в лес, потом живут у молочника. Здоровье Планка ухудшалось – обострился артрит позвоночника, и он ходил с большим трудом.
По просьбе профессора Роберта Поля за нобелевским лауреатом отправляются американские военные и вывозят его в безопасный Геттинген. Пять недель он находится на больничной койке, а затем, после выздоровления, приступает к работе: читает лекции.
Смерть
В июле 1946 года мужчина поехал в Англию на празднование 300-летнего юбилея . Интересный факт: ученый был на мероприятии единственным представителем от Германии. Незадолго до смерти физика Общество кайзера Вильгельма переименовывают в Общество Макса Планка, отметив тем самым еще раз его вклад в науку.
Инстаграм Он продолжает выступать с лекциями. В Бонне ученый заболел двусторонним воспалением легких, но сумел победить болезнь. В марте 1947 года он в последний раз выступает перед студентами. В октябре этого же года состояние Макcа Планка резко ухудшилось, и он скончался. Причина смерти – инсульт. Он не дожил до своего 90-летия полгода. Могила нобелевского лауреата находится на кладбище Геттингена.
После себя ученый оставил рукописи, книги, фотографии – наследие, которое бесценно и продолжает нести бескорыстное служение науке.
Награды и премии
- 1914 - Медаль Гельмгольца
- 1915 - Орден «За заслуги в науке и искусстве»
- 1918 - Нобелевская премия по физике
- 1927 - Медаль Лоренца
- 1927 - Медаль Франклина
- 1928 - Adlerschild des Deutschen Reiches
- 1929 - Медаль Макса Планка
- 1929 - Медаль Копли
- 1932 - Медаль и премия Гутри
- 1933 - Медаль Гарнака
- 1945 - Премия Гёте
Общая механика.
Читателя предлагается книга выдающегося немецкого ученого, нобелевского лауреата по физике Макса Планка (1858-1947), представляющая собой учебник по общей механике.
Автор рассматривает отдельную материальную точку, разделив всю механику на две части: механику материальной точки и механику системы материальных точек. Работа отличается глубиной и ясностью изложения материала и занимает важное место в научном наследии ученого.
Введение в теоретическую физику. Том 2
Механика деформируемых тел.
Настоящая книга, в которой рассматриваются вопросы механики упругого деформируемого тела, представляет собой продолжение курса «Общей механики» выдающегося немецкого физика Макса Планка.
Автор с обычным мастерством, сжато и ясно вводит читателя в круг исследований по теории упругости, гидродинамике и аэродинамике и в теорию вихревых движений. В представлении читателя этой книги механика деформируемых тел должна возникнуть как естественное, обусловленное внутренней необходимостью продолжение общей механики и прежде всего как ряд тесно связанных, логически обоснованных понятий. Это даст возможность не только изучать с полным пониманием более подробные курсы и специальную литературу, но и производить самостоятельные, более глубокие исследования.
Введение в теоретическую физику. Том 3
Теория электричества и магнетизма.
Настоящая книга, написанная выдающимся немецким ученым, основоположником квантовой механики Максом Планком, содержит изложение электрических и магнитных явлений. Работа входит в число монографий по основным разделам теоретической физики, занимающих важное место в научном наследии Планка.
Материал книги отличается глубиной и ясностью описания, благодаря чему она не утратила своего значения и сегодня.
Введение в теоретическую физику. Том 4
Оптика.
В книге выдающегося немецкого физика Макса Планка большое внимание уделено систематическому изложению и развитию основных положений теоретической оптики, представлены их связи с другими отделами физики.
В первых двух частях работы автор рассматривает материю как непрерывную среду с непрерывно меняющимися свойствами. В третьей части при описании дисперсии вводится атомистический метод рассмотрения. Автором также намечен естественный переход к квантовой механике на основе классической теории при помощи соответствующего обобщения.
Введение в теоретическую физику. Том 5
Теория теплоты.
Настоящая книга представляет собой пятый, заключительный том «Введения в теоретическую физику» Макса Планка.
В первых двух частях работы выдающегося немецкого физика излагаются классическая термодинамика и основы теории теплопроводности. Причем теплопроводность рассматривается автором в качестве простейшего примера необратимых процессов. Благодаря такой точке зрения переход от термодинамики к теории теплопроводности оказывается в изложении Планка ясным и естественным.
Третья часть книги целиком посвящена явлениям теплового излучения. В дальнейших главах автор излагает основы атомистики и теории квантов, классическую и квантовую статистику.
Избранные труды
В настоящее издание избранных трудов Макса Планка, одного из создателей современной физики, включены статьи по термодинамике, статистической физике, квантовой теории, специальной теории относительности, а также по общим вопросам физики и химии.
Книга представляет интерес для физиков, химиков, историков физики и химии.
Квантовая теория. Революция в микромире
Макса Планка часто называли революционером, хотя он был против этого.
В 1900 году ученый выдвинул идею о том, что энергия излучается не непрерывно, а в виде порций, или квантов. Отголоском этой гипотезы, перевернувшей сложившиеся представления, стало развитие квантовой механики — дисциплины, которая вместе с теорией относительности лежит в основе современного взгляда на Вселенную.
Квантовая механика рассматривает микроскопический мир, а некоторые ее постулаты настолько удивительны, что сам Планк не единожды признавал: он не успевает за последствиями своих открытий. Учитель учителей, в течение десятилетий он стоял у штурвала немецкой науки, сумев сохранить искру разума в сумрачный период нацизма.
Принцип сохранения энергии
Книга М. Планка «Принцип сохранения энергии» посвящена истории и обоснованию закона сохранения и превращения энергии, — этого важнейшего для обоснования материализма закона природы.
На немецком языке книга издавалась четыре раза; с последнего издания (1921 г.) и сделан настоящий перевод. Первая часть переведена Р.Я. Штейнманом, две остальные — С.Г. Суворовым.
Переводчики не желали при переводе отходить от своеобразного стиля автора, но в некоторых случаях, когда отдельные фразы оригинала распространялись на целую страницу, все же вынуждены были этот стиль «облегчать».
Кое-какие ссылки Планка на конкретные физические исследования уже устарели. Поэтому в издании 1908 г. Планк сделал ряд дополнительных замечаний. Такие замечания, — впрочем, не принципиального характера, — можно было бы несколько умножить. Третье и четвертое издания Планк оставил без изменений сравнительно со вторым. Переводчики также считали возможным ограничиться дополнениями самого автора ко второму изданию.
Более существенным является отсутствие в переизданиях истории закона сохранения и превращения энергии за последние пятьдесят лет, весьма важные для его развития. Исчерпать эту историю отдельными замечаниями переводчики, разумеется, не могли бы; она требует самостоятельного исследования, выходящего за рамки настоящей работы. Однако, некоторые весьма существенные моменты последующего развития закона, а именно, борьба различных направлений в физике вокруг оценки значения закона и его трактовки,- освещены в статье С.Г. Суворова. В ней же читатель найдет и оценку книги М. Планка.
Почему Макс Планк, выбирая между физикой и музыкой, предпочел науку, что общего у его учебы и фильмов о кунг-фу, почему он рассорился с Эйнштейном и как пострадал от Первой и Второй мировых войн, рассказывает рубрика «Как получить Нобелевку».
Нобелевская премия по физике 1918 года. Формулировка Нобелевского комитета: «В знак признания его заслуг в деле развития физики благодаря открытию квантов энергии».
Когда ты пишешь биографии нобелевских лауреатов в хронологическом порядке, приходится удивляться, насколько разное количество информации доступно о великих ученых. В одном случае приходится «закапываться» в журнальные статьи, пытаться понять тексты на языках, отличных от английского и русского, в другом же, наоборот, даже важных фактов столько, что приходится устраивать им строгий конкурс.
Случай нобелевского лауреата по физике за 1918 год явно относится ко второй категории. Макс Планк номинировался на премию ежегодно с 1910 года и получил награду сравнительно быстро, несмотря на то, что большая часть физического сообщества, включая многих первых лауреатов премии, была совсем не готова признать наступление новой физики. Даже под грузом накопившихся фактов.
Макс Планк - человек, имя которого сейчас для немецкой науки стало нарицательным (вспомните Общество Макса Планка, аналог нашей Академии наук). Его практически обожествляла немецкая наука при жизни (медаль имени Макса Планка - первую получил сам Планк и Эйнштейн - и Институт физики имени Макса Планка появились еще при жизни ученого). Наш герой был «человеком с происхождением». Его отец, Вильгельм Планк, представлял древний дворянский род, многие члены которого были известными деятелями науки и культуры. Например, дед Макса, Хайнрих Людвиг, как и прадед Готтлиб Якоб, преподавали теологию в Геттингене. Мама, Эмма Патциг, происходила из церковной семьи.
Вход в здание Общества Макса Планка (Мюнхен)
Wikimedia Commons
Он родился 23 апреля 1858 года в Киле, столицы Голштинии (именно отсюда происходил император Петр III, муж Екатерины II). За Киль постоянно спорили Германия и Дания, даже воевали за него. Семья Планков провела в этом городе первые девять лет жизни будущего великого ученого, и Макс на всю жизнь запомнил вступление прусских и австрийских войск в город в 1864 году. Вообще, войны постоянно били рядом с Планком - по самому близкому. В Первую мировую, в 1916 году, под Верденом погиб его старший сын Карл, в январе 1945 года нацисты повесили его второго сына Эрвина (его заподозрили к причастности к заговору полковника Штауффенберга). Бомбежки союзников едва не убили его во время лекции, завалив на несколько часов в бомбоубежище, в конце войны разорили его имение, куда-то исчезла его огромная библиотека…
Но пока что на дворе 1867 год, и отец юного Планка получает приглашение из Мюнхена. Позиция профессора юриспруденции знаменитого Мюнхенского университета оказалась очень заманчивой, и семья переехала в Баварию. Здесь Макс Планк пошел учиться в очень престижную Максимилиановскую гимназию, где стал первым учеником.
Максимилиановская гимназия
Wikimedia Commons
И прямо по структуре волшебной сказки Проппа или фильма про мастера кунг-фу, именно тут появился более опытный и мудрый советник, поделившийся частью своей мудрости. Таким сказочным наставником стал учитель математики Германн Мюллер. Он открыл в юноше талант к математике и дал ему первые уроки удивительной красоты законов природы: именно от Мюллера Планк узнал о законе сохранения энергии, поразившем его навсегда. Нужно сказать, что к моменту окончания школы канва волшебной сказки продолжилась: он оказался на распутье. Конечно, никакого камня с надписями не было, но, помимо явных способностей к физике и математике, Планк обнаружил недюжинный музыкальный талант. Может быть, на его выбор повлияло то, что Макс Планк при отличном голосе и замечательной технике игры на рояле понял, что он не самый лучший композитор.
Планк выбрал физику и в 1874 году поступил в Мюнхенский университет. Правда, играть, петь и дирижировать не бросил. Физика так физика. В ней тоже пришлось делать выбор: в какую из областей науки податься.
Вильгельм Планк отправил сына к профессору Филиппу Жолли. Юноша тяготел к теоретической физике и спросил у известного ученого, как ему такой выбор. Жолли, отговаривая его, сказал Планку ту самую фразу, которая теперь затерта до дыр: дескать, не ходи, мальчик, в теоретическую физику: все открытия тут уже сделаны, все формулы выведены, осталось немного частностей позакрывать, и все. Правда, цитируется это обычно с интонацией, мол, юноша героически бросился воевать против косности физики того времени. Но нет.
Макс Планк в 1878 году
Общественное достояние
Юноша обрадовался: он вовсе не собирался совершать новые открытия. Как объяснял потом свое решение Планк, он всего лишь собирался понять уже накопленные физикой знания и уточнить неточности. Кто же знал, что в ходе уточнения рухнет все здание физики 1874 года.
Вот как писал сам Планк о себе юном в «Научной автобиографии»: «С юности меня вдохновило на занятие наукой осознание того отнюдь не самоочевидного факта, что законы нашего мышления совпадают с закономерностями, имеющими место в процессе получения впечатлений от внешнего мира, и что, следовательно, человек может судить об этих закономерностях при помощи чистого мышления. Существенно важным при этом является то, что внешний мир представляет собой нечто не зависимое от нас, абсолютное, чему противостоим мы, а поиски законов, относящихся к этому абсолютному, представляются мне самой прекрасной задачей в жизни ученого».
Теоретическая физика привела его в Берлин, где он учился у великих Гельмгольца и Кирхгофа. Правда, лекциями по физике в Берлинском университете Планк был разочарован и засел за оригинальные работы своих учителей. К Гельмгольцу и Кирхгофу вскоре добавились работы по теории теплоты Рудольфа Клаузиуса. Так и определилась область научных работ молодого теоретика Макса Планка - термодинамика. Он с энтузиазмом берется «уточнять» детали: переформулирует второй закон термодинамики, пишет новые определения энтропии…
Портрет Германа Гельмгольца
Ханс Шадов/Wikimedia Commons
Здесь мы позволим себе процитировать Макса фон Лауэ из 1947 года: «Нынешняя физика несет совсем другой отпечаток, чем физика 1875 года, когда Планк посвятил себя ей; и в величайшем из этих переворотов Планк сыграл первую, решающую роль. Это было удивительное стечение обстоятельств. Подумать только, восемнадцатилетний абитуриент решил посвятить себя науке, о которой самый компетентный специалист, которого он мог спросить, сказал бы, что она мало перспективна. В процессе учебы он избирает отрасль этой науки, которая у смежных наук стоит совсем не в почете, а внутри этой отрасли - специальную область, которой никто не интересуется. Ни Гельмгольц, ни Кирхгоф, ни Клаузиус, которым это было всего ближе, даже не читают его первых работ, и все же он продолжает идти по своему пути, следуя внутреннему зову, до тех пор, пока он не сталкивается с проблемой, которую многие другие уже тщетно пытались решить и для которой - как выясняется - именно выбранный им путь был наилучшей подготовкой. В результате он смог, исходя из измерений излучения, открыть закон излучения, который носит его имя на все времена. Он сообщил его 19 октября 1900 года Физическому обществу в Берлине».
Что же открыл Планк и какую проблему он решил?
Еще в 1860-х годах один из учителей Планка, Густав Кирхгоф, придумал модельный объект для мысленных экспериментов по термодинамике - абсолютно черное тело. По определению, абсолютно черное тело - это такое тело, которое поглощает абсолютно все излучение, падающее на него. Кирхгоф показал, что абсолютное тело - это еще и лучший излучатель из всех возможных. Но оно излучает тепловую энергию.
Рудольф Клаузиус
Wikimedia Commons
В 1896 году нобелевский лауреат 1911 года, Вильгельм Вин , сформулировал свой второй закон, который объяснил форму кривой распределения энергии излучения черного тела на основе уравнений Максвелла. И вот тут начались противоречия. Второй закон Вина оказался справедлив для коротковолнового излучения. Независимо от Вина Уильям Стретт, лорд Рэлей , получил свою формулу, но она «работала» на длинных волнах.
Вид спектральных кривых, задаваемых законами излучения Планка и Вина при различных температурах. Видно, что различие между кривыми возрастает в длинноволновой области
Планк сумел, используя модель простейшего линейного гармонического резонатора, вывести формулу, которая объединяла формулу Вина и формулу Рэлея. Об этой формуле, ставшей потом формулой Планка, он и сделал доклад 19 октября. Однако, если бы Макс Планк сделал только это, вряд ли он почитался бы так высоко. Да, после доклада в октябре его нашли несколько физиков и сообщили ему: теория идеально сочетается с практикой. Но это означало только то, что он удачно подобрал формулу, которая объясняет узкоспециальную задачу. Планку этого было мало, и он занялся теоретическим обоснованием найденной эмпирически формулы. 14 декабря того же года он вновь выступил в Физическом обществе и сделал доклад, из которого следует: энергия абсолютно черного тела должна излучаться порциями. Квантами.
Немецкий физик Макс Карл Эрнст Людвиг Планк родился в г. Киле (принадлежавшем тогда Пруссии), в семье профессора гражданского права Иоганна Юлиуса Вильгельма фон Планка, профессора гражданского права, и Эммы (в девичестве Патциг) Планк. В детстве мальчик учился играть на фортепьяно и органе, обнаруживая незаурядные музыкальные способности. В 1867 г. семья переехала в Мюнхен, и там П. поступил в Королевскую Максимилиановскую классическую гимназию, где превосходный преподаватель математики впервые пробудил в нем интерес к естественным и точным наукам. По окончании гимназии в 1874 г. он собирался было изучать классическую филологию, пробовал свои силы в музыкальной композиции, но потом отдал предпочтение физике.
В течение трех лет П. изучал математику и физику в Мюнхенском и год – в Берлинском университетах. Один из его профессоров в Мюнхене, физик-экспериментатор Филипп фон Жолли, оказался плохим пророком, когда посоветовал молодому П. избрать другую профессию, так как, по его словам, в физике не осталось ничего принципиально нового, что можно было бы открыть. Эта точка зрения, широко распространенная в то время, возникла под влиянием необычайных успехов, которых ученые в XIX в. достигли в приумножении наших знаний о физических и химических процессах.
В бытность свою в Берлине П. приобрел более широкий взгляд на физику благодаря публикациям выдающихся физиков Германа фон Гельмгольца и Густава Кирхгофа, а также статьям Рудольфа Клаузиуса. Знакомство с их трудами способствовало тому, что научные интересы П. надолго сосредоточивались на термодинамике – области физики, в которой на основе небольшого числа фундаментальных законов изучаются явления теплоты, механической энергии и преобразования энергии. Ученую степень доктора П. получил в 1879 г., защитив в Мюнхенском университете диссертацию о втором начале термодинамики, утверждающем, что ни один непрерывный самоподдерживающийся процесс не может переносить тепло от более холодного тела к более теплому.
На следующий год П. написал еще одну работу по термодинамике, которая принесла ему должность младшего ассистента физического факультета Мюнхенского университета. В 1885 г. он стал адъюнкт-профессором Кильского университета, что упрочило его независимость, укрепило финансовое положение и предоставило больше времени для научных исследований. Работы П. по термодинамике и ее приложениям к физической химии и электрохимии снискали ему международное признание. В 1888 г. он стал адъюнкт-профессором Берлинского университета и директором Института теоретической физики (пост директора был создан специально для него). Полным (действительным) профессором он стал в 1892 г.
С 1896 г. П. заинтересовался измерениями, производившимися в Государственном физико-техническом институте в Берлине, а также проблемами теплового излучения тел. Любое тело, содержащее тепло, испускает электромагнитное излучение. Если тело достаточно горячее, то это излучение становится видимым. При повышении температуры тело сначала раскаляется докрасна, затем становится оранжево-желтым и, наконец, белым. Излучение испускает смесь частот (в видимом диапазоне частота излучения соответствует цвету). Однако излучение тела зависит не только от температуры, но и до некоторой степени от таких характеристик поверхности, как цвет и структура.
В качестве идеального эталона для измерения и теоретических исследований физики приняли воображаемое абсолютное черное тело. По определению, абсолютно черным называется тело, которое поглощает все падающее на него излучение и ничего не отражает. Излучение, испускаемое абсолютно черным телом, зависит только от его температуры. Хотя такого идеального тела не существует, неким приближением к нему может служить замкнутая оболочка с небольшим отверстием (например, надлежащим образом сконструированная печь, стенки и содержимое которой находятся в равновесии при одной и той же температуре).
Одно из доказательств чернотельных характеристик такой оболочки сводится к следующему. Излучение, падающее на отверстие, попадает в полость и, отражаясь от стенок, частично отражается и частично поглощается. Поскольку вероятность того, что излучение в результате многочисленных отражений выйдет через отверстие наружу, очень мала, оно практически полностью поглощается. Излучение, берущее начало в полости и выходящее из отверстия, принято считать эквивалентным излучению, испускаемому площадкой размером с отверстие на поверхности абсолютно черного тела при температуре полости и оболочки. Подготавливая собственные исследования, П. прочитал работу Кирхгофа о свойствах такой оболочки с отверстием. Точное количественное описание наблюдаемого распределения энергии излучения в этом случае получило название проблемы черного тела.
Как показали эксперименты с черным телом, график зависимости энергии (яркости) от частоты или длины волны является характеристической кривой. При низких частотах (больших длинах волн) она прижимается к оси частот, затем на некоторой промежуточной частоте достигает максимума (пик с округлой вершиной), а затем при более высоких частотах (коротких длинах волн) спадает. При повышении температуры кривая сохраняет свою форму, но сдвигается в сторону более высоких частот. Были установлены эмпирические соотношения между температурой и частотой пика на кривой излучения черного тела (закон смещения Вина, названный так в честь Вильгельма Вина) и между температурой и всей излученной энергией (закон Стефана – Больцмана, названный так в честь австрийских физиков Йозефа Стефана и Людвига Больцмана), но никому не удавалось вывести кривую излучения черного тела из основных принципов, известных в то время.
Вину удалось получить полуэмпирическую формулу, которую можно подогнать так, что она хорошо описывает кривую при высоких частотах, но неверно передает ее ход при низких частотах. Дж. У. Стретт (лорд Рэлей) и английский физик Джеймс Джинс применили принцип равного распределения энергии по частотам колебаний осцилляторов, заключенных в пространстве черного тела, и пришли к другой формуле (формуле Рэлея – Джинса). Она хорошо воспроизводила кривую излучения черного тела при низких частотах, но расходилась с ней на высоких частотах.
П. под влиянием теории электромагнитной природы света Джеймса Клерка Максвелла (опубликованной в 1873 г. и подтвержденной экспериментально Генрихом Герцем в 1887 г.) подошел к проблеме черного тела с точки зрения распределения энергии между элементарными электрическими осцилляторами, физическая форма которых никак не конкретизируется. Хотя на первый взгляд может показаться, что выбранный им метод напоминает вывод Рэлея – Джинса, П. отверг некоторые из принятых этими учеными допущений.
В 1900 г., после продолжительных и настойчивых попыток создать теорию, которая удовлетворительно объясняла бы экспериментальные данные, П. удалось вывести формулу, которая, как обнаружили физики-экспериментаторы из Государственного физико-технического института, согласовывалась с результатами измерений с замечательной точностью. Законы Вина и Стефана – Больцмана также следовали из формулы Планка. Однако для вывода своей формулы ему пришлось ввести радикальное понятие, идущее вразрез со всеми установленными принципами. Энергия планковских осцилляторов изменяется не непрерывно, как следовало бы из традиционной физики, а может принимать только дискретные значения, увеличивающиеся (или уменьшающиеся) конечными шагами. Каждый шаг по энергии равен некоторой постоянной (называемой ныне постоянной Планка), умноженной на частоту. Дискретные порции энергии впоследствии получили название квантов. Введенная П. гипотеза ознаменовала рождение квантовой теории, совершившей подлинную революцию в физике. Классическая физика в противоположность современной физике ныне означает «физика до Планка».
П. отнюдь не был революционером, и ни он сам, ни другие физики не сознавали глубокого значения понятия «квант». Для П. квант был всего лишь средством, позволившим вывести формулу, дающую удовлетворительное согласие с кривой излучения абсолютно черного тела. Он неоднократно пытался достичь согласия в рамках классической традиции, но безуспешно. Вместе с тем он с удовольствием отметил первые успехи квантовой теории, последовавшие почти незамедлительно. Его новая теория включала в себя, помимо постоянной Планка, и другие фундаментальные величины, такие, как скорость света и число, известное под названием постоянной Больцмана. В 1901 г., опираясь на экспериментальные данные по излучению черного тела, П. вычислил значение постоянной Больцмана и, используя другую известную информацию, получил число Авогадро (число атомов в одном моле элемента). Исходя из числа Авогадро, П. сумел с замечательной точностью найти электрический заряд электрона.
Позиции квантовой теории укрепились в 1905 г., когда Альберт Эйнштейн воспользовался понятием фотона – кванта электромагнитного излучения – для объяснения фотоэлектрического эффекта (испускание электронов поверхностью металла, освещаемой ультрафиолетовым излучением). Эйнштейн предположил, что свет обладает двойственной природой: он может вести себя и как волна (в чем нас убеждает вся предыдущая физика), и как частица (о чем свидетельствует фотоэлектрический эффект). В 1907 г. Эйнштейн еще более упрочил положение квантовой теории, воспользовавшись понятием кванта для объяснения загадочных расхождений между предсказаниями теории и экспериментальными измерениями удельной теплоемкости тел – количества тепла, необходимого для того, чтобы поднять на один градус температуру одной единицы массы твердого тела.
Еще одно подтверждение потенциальной мощи введенной П. новации поступило в 1913 г. от Нильса Бора, применившего квантовую теорию к строению атома. В модели Бора электроны в атоме могли находиться только на определенных энергетических уровнях, определяемых квантовыми ограничениями. Переход электронов с одного уровня на другой сопровождается выделением разности энергий в виде фотона излучения с частотой, равной энергии фотона, деленной на постоянную Планка. Тем самым получали квантовое объяснение характеристические спектры излучения, испускаемого возбужденными атомами.
В 1919 г. П. был удостоен Нобелевской премии по физике за 1918 г. «в знак признания его заслуг в деле развития физики благодаря открытию квантов энергии». Как заявил А.Г. Экстранд, член Шведской королевской академии наук, на церемонии вручения премии, «теория излучения П. – самая яркая из путеводных звезд современного физического исследования, и пройдет, насколько можно судить, еще немало времени, прежде чем иссякнут сокровища, которые были добыты его гением». В Нобелевской лекции, прочитанной в 1920 г., П. подвел итог своей работы и признал, что «введение кванта еще не привело к созданию подлинной квантовой теории».
20-е гг. стали свидетелями развития Эрвином Шредингером, Вернером Гейзенбергом, П.А.М. Дираком и другими квантовой механики – оснащенной сложным математическим аппаратом квантовой теории. П. пришлась не по душе новая вероятностная интерпретация квантовой механики, и, подобно Эйнштейну, он пытался примирить предсказания, основанные только на принципе вероятности, с классическими идеями причинности. Его чаяниям не суждено было сбыться: вероятностный подход устоял.
Вклад П. в современную физику не исчерпывается открытием кванта и постоянной, носящей ныне его имя. Сильное впечатление на него произвела специальная теория относительности Эйнштейна, опубликованная в 1905 г. Полная поддержка, оказанная П. новой теории, в немалой мере способствовала принятию специальной теории относительности физиками. К числу других его достижений относится предложенный им вывод уравнения Фоккера – Планка, описывающего поведение системы частиц под действием небольших случайных импульсов (Адриан Фоккер – нидерландский физик, усовершенствовавший метод, впервые использованный Эйнштейном для описания броуновского движения – хаотического зигзагообразного движения мельчайших частиц, взвешенных в жидкости). В 1928 г. в возрасте семидесяти лет Планк вышел в обязательную формальную отставку, но не порвал связей с Обществом фундаментальных наук кайзера Вильгельма, президентом которого он стал в 1930 г. И на пороге восьмого десятилетия он продолжал исследовательскую деятельность.
Личная жизнь П. была отмечена трагедией. Его первая жена, урожденная Мария Мерк, с которой он вступил в брак в 1885 г. и которая родила ему двух сыновей и двух дочерей-близнецов, умерла в 1909 г. Двумя годами позже он женился на своей племяннице Марге фон Хесслин, от которой у него также родился сын. Старший сын П. погиб в первую мировую войну, а в последующие годы обе его дочери умерли при родах. Второй сын от первого брака был казнен в 1944 г. за участие в неудавшемся заговоре против Гитлера.
Как человек сложившихся взглядов и религиозных убеждений, да и просто как справедливый человек, П. после прихода в 1933 г. Гитлера к власти публично выступал в защиту еврейских ученых, изгнанных со своих постов и вынужденных эмигрировать. На научной конференции он приветствовал Эйнштейна, преданного анафеме нацистами. Когда П. как президент Общества фундаментальных наук кайзера Вильгельма наносил официальный визит Гитлеру, он воспользовался этим случаем, чтобы попытаться прекратить преследования ученых-евреев. В ответ Гитлер разразился тирадой против евреев вообще. В дальнейшем П. стал более сдержанным и хранил молчание, хотя нацисты, несомненно, знали о его взглядах.
Как патриот, любящий родину, он мог только молиться о том, чтобы германская нация вновь обрела нормальную жизнь. Он продолжал служить в различных германских ученых обществах в надежде сохранить хоть какую-то малость немецкой науки и просвещения от полного уничтожения. После того как его дом и личная библиотека погибли во время воздушного налета на Берлин, П. и его жена пытались найти убежище в имении Рогец неподалеку от Магдебурга, где оказались между отступающими немецкими войсками и наступающими силами союзных войск. В конце концов супруги Планк были обнаружены американскими частями и доставлены в безопасный тогда Геттинген.
Скончался П. в Геттингене 4 октября 1947 г., за шесть месяцев до своего 90-летия. На его могильной плите выбиты только имя и фамилия и численное значение постоянной Планка.
Подобно Бору и Эйнштейну, П. глубоко интересовался философскими проблемами, связанными с причинностью, этикой и свободой воли, и выступал на эти темы в печати и перед профессиональными и непрофессиональными аудиториями. Исполнявший обязанности пастора (но не имевший священнического сана) в Берлине, П. был глубоко убежден в том, что наука дополняет религию и учит правдивости и уважительности.
Через всю свою жизнь П. пронес любовь к музыке, вспыхнувшую в нем еще в раннем детстве. Великолепный пианист, он часто играл камерные произведения со своим другом Эйнштейном, пока тот не покинул Германию. П. был также увлеченным альпинистом и почти каждый свой отпуск проводил в Альпах.
Кроме Нобелевской премии, П. был удостоен медали Копли Лондонского королевского общества (1928) и премии Гете г. Франкфурта-на-Майне (1946). Германское физическое общество назвал в честь него свою высшую награду медалью Планка, и сам П. был первым обладателем этой почетной награды. В честь его 80-летия одна из малых планет была названа Планкианой, а после окончания второй мировой войны Общество фундаментальных наук кайзера Вильгельма было переименовано в Общество Макса Планка. П. состоял членом Германской и Австрийской академий наук, а также научных обществ и академий Англии, Дании, Ирландии, Финляндии, Греции, Нидерландов, Венгрии, Италии, Советского Союза, Швеции, Украины и Соединенных Штатов.
