Max Planck cambiò per sempre la fisica e la nostra comprensione del mondo quando scoprì che gli oggetti caldi non irradiano una gamma uniforme e continua di energie come era stato assunto nella fisica classica. Invece, scoprì che le energie irradiate dagli oggetti caldi hanno valori distinti, con tutti gli altri valori proibiti. Questa scoperta fu l’inizio della teoria quantistica – un tipo di fisica completamente nuovo – che sostituì la fisica classica per gli eventi su scala atomica.
La teoria dei quanti ha rivoluzionato la nostra comprensione dei processi atomici e subatomici, così come le teorie della relatività di Albert Einstein hanno rivoluzionato la nostra comprensione della gravità, dello spazio e del tempo. Insieme queste teorie costituiscono le scoperte più spettacolari della fisica del ventesimo secolo.
Di grande intelligenza, dimostrando brillantezza in matematica, scienza e musica, Planck era un uomo profondamente riflessivo ed etico. Ebbe una lunga vita, vivendo quasi 90 anni. Nei suoi ultimi anni visse in Germania durante la grande depressione ed entrambe le guerre mondiali, soffrendo una serie di tragedie personali.
Elementi
Max Karl Ernst Ludwig Planck nacque a Kiel, sulla costa nord della Germania, il 23 aprile 1858. Aveva cinque fratelli maggiori.
Il padre, Johann Planck, era un professore di diritto che proveniva da una famiglia accademica. Il nome della madre di Max era Emma Patzig. Suo padre era un contabile. Emma era vivace e benvoluta nei circoli accademici in cui si muoveva la famiglia di Max.
Max frequentò la scuola elementare a Kiel. Nel 1867, quando aveva 9 anni, la sua famiglia si trasferì a più di 500 miglia a Monaco, nel sud della Germania, dove a suo padre era stata offerta una cattedra allettante.
Max si iscrisse al Maximilians Gymnasium – una scuola per bambini accademicamente capaci. Uno dei suoi insegnanti, il matematico Hermann Müller, notò che Max era piuttosto dotato dal punto di vista matematico, così gli offrì lezioni extra di astronomia e meccanica. Max accettò l’offerta con entusiasmo, e Müller insegnò al suo giovane studente ricettivo come visualizzare le leggi della fisica nella sua mente – un’arma vitale nell’arsenale dei grandi fisici.
Frequentemente accade che gli studenti che hanno talento matematico abbiano anche talento musicale, e questo fu il caso di Max Planck, che componeva musica classica, aveva un’intonazione perfetta, e suonava il violoncello e il pianoforte con competenza. Come se non bastasse, aveva anche una bella voce da cantante.
Prima di lasciare la scuola superiore, Planck decise che avrebbe perseguito la scienza come vocazione mentre la musica sarebbe rimasta un piacevole hobby. Più tardi ricorderà perché ha scelto di diventare un uomo di scienza:
“come risultato diretto della scoperta che il ragionamento puro può permettere all’uomo di ottenere una visione del meccanismo del mondo che ci circonda.”
Università e dottorato a 21 anni
Nel 1874, a 17 anni, e ormai matricola all’Università di Monaco, Planck parlò al professor Philipp von Jolly dei meriti della fisica. Jolly rispose notoriamente:
“In questo campo quasi tutto è già stato scoperto, e tutto ciò che rimane è colmare alcune lacune insignificanti.”
Insofferente, Planck scelse di studiare fisica. Un giorno era destinato a trovare le prove per dimostrare l’assurdità delle convinzioni del suo professore. Per correttezza nei confronti di Philipp von Jolly – e anche se oggi è difficile crederlo vista la rapida marcia della scienza e della tecnologia – molti fisici dell’epoca condividevano il punto di vista di Jolly: credevano di aver già scoperto e compreso la maggior parte di ciò che c’era nell’universo da scoprire e comprendere!
All’università Planck scoprì di non amare il lavoro sperimentale. Il suo talento matematico trovò la sua sede naturale nel mondo della fisica teorica.
Continuò ad apprezzare la musica. Cantò nel coro dell’università e compose una mini-opera.
Una vacanza importante
Durante le vacanze di primavera del 1877, vicino al suo ventesimo compleanno, Planck si imbarcò in un’escursione nell’Italia settentrionale con amici dell’università, tra cui il matematico Carl Runge. Mentre camminavano, gli studenti discutevano di scienza, matematica e della loro visione del mondo.
Lago di Como nel nord Italia, uno dei luoghi in cui Max Planck e i suoi amici camminarono. Camminare in un paesaggio spettacolare divenne uno dei piaceri di Planck per tutta la vita.
Runge sollevò la questione se il cristianesimo e la religione facessero più male che bene – una domanda che scioccò Planck, che aveva ricevuto una tradizionale educazione luterana. Planck cominciò a mettere in discussione la sua personale visione del mondo. Rimase luterano per tutta la vita e rifiutò l’ateismo, ma divenne molto tollerante verso filosofie e religioni alternative.
Berlino e la termodinamica
Nel semestre invernale del 1877, all’età di 20 anni, Planck si trasferì per un anno all’Università Friedrich Wilhelms di Berlino dove gli insegnarono due giganti della fisica – Hermann von Helmholtz e Gustav Kirchhoff.
Nell’opinione di Planck, ognuno di questi rinomati uomini di scienza teneva lezioni che si distinguevano solo per la loro squallidezza.
Nonostante, lui e Helmholtz divennero grandi amici. Planck ammirava – anzi quasi adorava – Helmoltz per la sua integrità scientifica, onestà, gentilezza, modestia e tolleranza.
Una delle passioni di Helmholtz in fisica era la termodinamica – lo studio delle relazioni tra temperatura, calore, energia e lavoro. Planck rimase sempre più affascinato dalla teoria termodinamica.
Ha iniziato il suo programma di lavoro nel campo, passando ore interminabili a studiare i documenti scritti da Rudolf Clausius, uno dei fondatori della termodinamica.
A differenza delle conferenze che frequentava, trovava il lavoro di Clausius interessante, ben fatto e chiaro.
Il massimo dei voti e un primo lavoro
Dopo il suo anno a Berlino, Planck tornò a Monaco alla fine del 1878 dove superò l’esame di stato che gli permise di insegnare fisica nelle scuole superiori.
Alcuni mesi dopo, nel febbraio 1879, presentò una tesi di dottorato riguardante la seconda legge della termodinamica. Tre mesi dopo difese la sua tesi in un esame orale e – all’età di 21 anni – ottenne il dottorato in fisica con il massimo dei voti – summa cum laude.
Fortunatamente, dalle domande che gli furono poste durante la difesa della tesi, Planck trasse la conclusione che nessuno dei professori che lo interrogavano aveva capito la sua tesi!
Un anno dopo Planck presentò con successo un’altra tesi di termodinamica per la sua abilitazione – una qualifica molto più impegnativa del dottorato, che permetteva al suo titolare di diventare professore se un tale lavoro fosse stato disponibile.
A 22 anni, Planck divenne docente di fisica (non pagato) all’Università di Monaco. Senza stipendio, continuò a vivere con i suoi genitori. La sua ricerca si concentrò sull’entropia – una quantità talvolta definita in senso lato come una misura della quantità di disordine a livello atomico.
Un ritorno al suo luogo di nascita, poi di nuovo a Berlino
Finalmente, quasi al suo 27° compleanno, Planck divenne professore associato di fisica teorica all’Università di Kiel, dove si dedicò sempre più profondamente alla termodinamica. Continuò a fare progressi in questo difficile campo, ma non fece grandi scoperte.
A 31 anni, nell’aprile 1889, Planck tornò a Berlino per assumere le funzioni di docente di Gustav Kirchhoff, che era morto nell’autunno del 1887.
Nel 1892 Planck divenne professore ordinario di fisica teorica. A detta di tutti i suoi studenti le sue lezioni erano molto più interessanti di quelle che Planck aveva trovato del suo predecessore. Uno dei suoi studenti, il chimico britannico James Partington, descrisse le lezioni di Planck:
“Non usava appunti, non faceva mai errori, non vacillava mai; il miglior docente che abbia mai sentito. C’erano sempre molti in piedi intorno alla stanza. Poiché l’aula era ben riscaldata e piuttosto vicina, alcuni degli ascoltatori di tanto in tanto cadevano a terra, ma questo non disturbava la lezione”.
Due degli studenti di dottorato di Planck avrebbero poi vinto il premio Nobel per la fisica: Max von Laue e Walther Bothe.
La scena era ormai pronta per la scoperta epocale di Planck: la teoria dei quanti.
I contributi di Max Planck alla scienza
La maggior parte dei fisici teorici lasciano il segno quando sono giovani. Max Planck aveva 42 anni quando finalmente lasciò un segno indelebile nel mondo.
Il problema che risolse nel 1900 fu spinto dalle perplessità sullo spettro elettromagnetico emesso dagli oggetti caldi.
La fisica classica è in disaccordo con la realtà
Quando le cose si scaldano irradiano energia. Per esempio, se si dovesse osservare un fabbro che scalda un ferro di cavallo, si noterebbe che quando la scarpa si scalda si illumina di un colore rosso, e quando si scalda ancora di più si illumina di bianco.
Il metallo caldo brilla, emettendo radiazioni elettromagnetiche.
I fisici hanno considerato il caso di un corpo nero – un corpo che assorbe tutta la radiazione elettromagnetica che gli cade addosso. Quando viene riscaldato, un corpo nero irradia energia sotto forma di onde elettromagnetiche. Queste onde hanno una vasta gamma di lunghezze d’onda come la luce visibile, ultravioletta e infrarossa.
Ma nel 1800 si notò che i colori della luce irradiata negli esperimenti non concordavano con quelli previsti dalla teoria. Nel linguaggio scientifico, c’era una discrepanza tra le lunghezze d’onda irradiate dagli oggetti caldi e le lunghezze d’onda previste dalle teorie classiche della termodinamica.
Il grafico sottostante mostra il problema. La curva nera mostra il comportamento previsto di un corpo nero ad una temperatura di 5000 K. La linea blu mostra il comportamento reale.
Intensità di radiazione del corpo nero contro la lunghezza d’onda
Confronta la curva prevista dalla teoria termodinamica classica alla temperatura di 5000 K (linea nera) con quella osservata negli esperimenti (linea blu). Sono molto diverse! Sono mostrate in verde e in rosso anche le curve a temperature un po’ più basse.
Teoria quantistica
Per far coincidere la teoria con le osservazioni Planck fece una proposta rivoluzionaria. Se non avete già familiarità con la teoria dei quanti, per capire ciò che ha proposto, potrebbe essere utile pensare a una tabella dei tempi – per esempio la tabella dei tre tempi – 3, 6, 9, 12, 15… in cui solo i numeri divisibili per 3 sono ammessi e tutti gli altri numeri sono proibiti.
L’idea di Planck era che l’energia viene emessa in modo simile. Egli propose che solo certe quantità di energia potessero essere emesse – cioè i quanti. La fisica classica sosteneva che tutti i valori di energia erano possibili.
Questa fu la nascita della teoria dei quanti. Planck scoprì che la sua nuova teoria, basata sui quanti di energia, prevedeva accuratamente le lunghezze d’onda della luce irradiata da un corpo nero.
Planck trovò che l’energia trasportata dalla radiazione elettromagnetica doveva essere divisibile per un numero ora chiamato costante di Planck, rappresentato dalla lettera h. L’energia poteva quindi essere calcolata dall’equazione:
dove E è l’energia, h è la costante di Planck, e ν è la frequenza della radiazione elettromagnetica. La costante di Planck è una quantità davvero molto, molto piccola. La sua piccola dimensione spiega perché gli sperimentatori dell’epoca non avevano capito che l’energia elettromagnetica è quantizzata. Con quattro cifre significative, la costante di Planck è 6,626 x 10-34 J s.
Planck non aveva intenzione di rovesciare la fisica classica. La sua intenzione era quella di trovare una teoria che corrispondesse alle osservazioni sperimentali. Tuttavia, le implicazioni della sua scoperta furono epocali. La teoria quantistica – la realizzazione che la natura ha stati “permessi” e “proibiti” – era nata e il modo di interpretare la natura non sarebbe più stato lo stesso.
Planck ricevette il premio Nobel per la fisica nel 1918 per:
“i servizi che ha reso al progresso della fisica con la sua scoperta dei quanti di energia.”
Planck stesso avrebbe scritto in seguito:
“…sembrava così incompatibile con la visione tradizionale dell’universo fornita dalla fisica che alla fine ha distrutto la struttura di questa vecchia visione. Per un certo periodo sembrò che un completo collasso della Fisica classica non fosse oltre i limiti della possibilità; gradualmente, tuttavia, è apparso, come era stato fiduciosamente previsto da tutti coloro che credevano nel costante progresso della scienza, che l’introduzione della Teoria Quantistica ha portato non alla distruzione della Fisica, ma ad una ricostruzione in qualche modo profonda…”
La Scala di Planck
La Scala di Planck è nata nel 1899. Ha sostituito il sistema di misurazione centrato sulla Terra di:
- un chilogrammo – la massa di un litro d’acqua
- un metro – un decimilionesimo della distanza dal Polo Nord all’Equatore
- un secondo – 1⁄86400 di un giorno terrestre
con nuove unità universali basate su:
- la velocità della luce
- la costante di Planck
- la costante gravitazionale
Nel secolo successivo Stephen Hawking scoprì che la scala di Planck misura davvero qualcosa di fondamentale sulla natura, dimostrando che il più piccolo buco nero possibile ha una massa di 1 unità di massa di Planck, un raggio di Schwarzschild di 1 unità di lunghezza di Planck e un’emivita di 1 unità di tempo di Planck.
Inoltre, Jacob Bekenstein trovò che quando un buco nero prende una singola particella elementare contenente 1 bit di informazione l’area dell’orizzonte degli eventi aumenta di 1 lunghezza quadrata di Planck, rivelando un notevole legame tra la scala di Planck e l’informazione.
Alcuni dettagli personali e la fine
Nel marzo 1887, all’età di 28 anni, Planck sposò Marie Merck. La coppia ebbe quattro figli: Karl, Grete, Emma ed Erwin.
Tragmaticamente, Planck avrebbe vissuto per vedere la morte di sua moglie e di tutti i loro figli. Sua moglie, Marie, morì nel 1909 di tubercolosi. Karl fu ucciso in battaglia nel 1916 durante la prima guerra mondiale. Grete morì di parto nel 1917, poi Emma morì anche lei di parto nel 1919. Erwin fu giustiziato dai nazisti nel 1945 per la sua sospetta parte in un complotto per uccidere Adolf Hitler.
Due anni dopo la morte della sua prima moglie, Planck sposò Marga von Hösslin. Ebbero un figlio, Hermann. Sia Marga che Hermann sopravvissero a Planck.
Come il famoso matematico David Hilbert, Planck era piuttosto vecchio (74 anni) quando i nazisti salirono al potere nel 1933, e continuò a vivere in Germania sotto i nazisti. Hilbert e Planck deploravano il comportamento dei nazisti e le loro politiche.
Planck fu uno dei primi scienziati a riconoscere la genialità del lavoro di Albert Einstein. Spianò la strada a Einstein per trasferirsi a Berlino e diventarne professore nel 1914. Più tardi i due si sarebbero incontrati e si sarebbero divertiti moltissimo a suonare insieme.
“Nel 1905, quando Einstein, da sconosciuto impiegato dell’ufficio brevetti svizzero di Berna, inviò cinque articoli rivoluzionari alla rivista di fisica che Planck curava a Berlino, Planck li riconobbe immediatamente come opere di genio e li pubblicò rapidamente senza inviarli ai referee.”
Quando i nazisti presero il controllo della Germania, Planck fu angosciato dalla necessità che Einstein e un numero crescente di scienziati ebrei scappassero dalla Germania. Nel 1938 i nazisti presero il controllo dell’Accademia Prussiana. Planck si dimise da presidente dell’Accademia.
In ogni momento, l’anziano Planck rimase patriottico verso la Germania, camminando su un filo morale, sperando che i nazisti tornassero in sé e agissero in un modo che si addicesse a un vero governo tedesco. Le sue speranze furono sempre più deluse, culminando con l’esecuzione di suo figlio Erwin per “tradimento” nel gennaio 1945.
All’inizio del 1944, la casa di Planck a Berlino fu distrutta da un raid aereo alleato. Tutte le sue carte personali e i suoi documenti scientifici furono distrutti.
Quando la guerra in Europa finì nel maggio 1945, Planck, sua moglie e il figlio rimasto Hermann trovarono rifugio presso un parente nella famosa città universitaria tedesca di Göttingen. Fu lì che due anni dopo Max Planck morì, all’età di 89 anni, il 4 ottobre 1947. Oggi giace sepolto nel vecchio cimitero cittadino di Gottinga. Le tombe di Marga e Hermann giacciono accanto alla sua.
Nel 1948, la Società Kaiser Wilhelm della Germania fu rinominata, diventando la Società Max Planck come tributo all’uomo che ne tenne la presidenza due volte e diede vita alla teoria dei quanti. Oggi la Società Max Planck è una delle organizzazioni scientifiche di maggior successo nel mondo, con oltre 80 istituzioni scientifiche. Dagli anni ’50 i ricercatori degli istituti Max Planck hanno ricevuto quattro premi Nobel per la fisica, otto per la chimica e sei per la medicina.
“Le leggi della fisica non hanno alcuna considerazione per i sensi umani; esse dipendono dai fatti, e non dall’ovvietà dei fatti.”
” scoperta divenne la base di tutta la ricerca fisica del ventesimo secolo e da allora ne ha condizionato quasi interamente lo sviluppo. Senza questa scoperta non sarebbe stato possibile stabilire una teoria praticabile delle molecole e degli atomi e dei processi energetici che governano le loro trasformazioni. Inoltre, ha frantumato l’intero quadro della meccanica classica e dell’elettrodinamica e ha posto alla scienza un nuovo compito: quello di trovare una nuova base concettuale per tutta la fisica”.
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"Max Planck." Famous Scientists. famousscientists.org. 17 May. 2016. Web. <www.famousscientists.org/max-planck/>.
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Altre letture
Max Planck
L’universo alla luce della fisica moderna
W.W. Norton & Company, Inc, New York, 1931
R. E. Oesper
James R. Partington (1886 – )
J. Chemical Education, Vol 15, 11, Nov. 1938 p 501
Max Planck
A survey of physical theory, translated by R. Jones and D. H. Williams
New York: Dover, 1960
Max Planck
Scientific Autobiography and Other Papers
Philosophical Library, 1968