Max Planck veranderde de natuurkunde en ons begrip van de wereld voorgoed toen hij ontdekte dat hete voorwerpen geen vloeiend, ononderbroken scala van energieën uitstralen, zoals in de klassieke natuurkunde werd aangenomen. In plaats daarvan ontdekte hij dat de energieën die door hete voorwerpen worden uitgestraald verschillende waarden hebben, waarbij alle andere waarden verboden zijn. Deze ontdekking was het begin van de kwantumtheorie – een geheel nieuw soort natuurkunde – die de klassieke natuurkunde verving voor gebeurtenissen op atomaire schaal.
De kwantumtheorie veroorzaakte een revolutie in ons begrip van atomaire en subatomaire processen, net zoals de relativiteitstheorieën van Albert Einstein een revolutie veroorzaakten in ons begrip van zwaartekracht, ruimte en tijd. Samen vormen deze theorieën de meest spectaculaire doorbraken van de twintigste-eeuwse natuurkunde.
De Planck had een hoge intelligentie, was briljant in wiskunde, wetenschap en muziek en was een diepzinnig, ethisch man. Hij had een lang leven, hij leefde bijna 90 jaar. In zijn latere jaren leefde hij in Duitsland door de grote depressie en beide wereldoorlogen, en leed aan een opeenvolging van persoonlijke tragedies.
Begin
Max Karl Ernst Ludwig Planck werd geboren in Kiel, aan de noordkust van Duitsland, op 23 april 1858. Hij had vijf oudere broers en zussen.
Zijn vader, Johann Planck, was een hoogleraar in de rechten en kwam uit een academische familie. De naam van Max’ moeder was Emma Patzig. Haar vader was accountant. Emma was levendig en geliefd in de academische kringen waarin Max’ familie verkeerde.
Max bezocht de lagere school in Kiel. In 1867, toen hij 9 jaar oud was, verhuisde zijn familie meer dan 500 mijl naar München in Zuid-Duitsland, waar zijn vader een verleidelijke hoogleraarschap aangeboden had gekregen.
Max schreef zich in aan het Maximilians Gymnasium – een school voor academisch begaafde kinderen. Een van zijn leraren, de wiskundige Hermann Müller, merkte dat Max mathematisch begaafd was, en bood hem daarom extra lessen in astronomie en mechanica aan. Max nam het aanbod enthousiast aan, en Müller leerde zijn ontvankelijke jonge student hoe hij de wetten van de fysica in zijn geest kon visualiseren – een essentieel wapen in het arsenaal van de grote natuurkundigen.
Vaak gebeurt het dat studenten die wiskundig getalenteerd zijn ook muzikaal getalenteerd zijn, en dit was het geval met Max Planck, die klassieke muziek componeerde, een perfecte toonhoogte had, en cello en piano vakkundig bespeelde. Alsof dat nog niet genoeg was, had hij ook nog een prachtige zangstem.
Voordat hij de middelbare school verliet, besloot Planck dat hij wetenschap als roeping zou nastreven, terwijl muziek een plezierige hobby zou blijven. Hij zou zich later herinneren waarom hij ervoor koos een man van de wetenschap te worden:
“als een direct resultaat van de ontdekking dat zuiver redeneren de mens in staat kan stellen inzicht te krijgen in het mechanisme van de wereld om ons heen.”
Universiteit en een doctoraat op 21-jarige leeftijd
In 1874, 17 jaar oud en inmiddels eerstejaars aan de universiteit van München, sprak Planck met professor Philipp von Jolly over de verdiensten natuurkunde. Jolly gaf het beroemde antwoord:
“Op dit gebied is bijna alles al ontdekt, en het enige dat nog rest is het opvullen van een paar onbeduidende gaten.”
Onverschrokken koos Planck ervoor om natuurkunde te gaan studeren. Op een dag was hij voorbestemd om bewijs te vinden voor de absurditeit van de overtuigingen van zijn professor. Om eerlijk te zijn tegen Philipp von Jolly – en hoewel het tegenwoordig moeilijk te geloven is gezien de snelle opmars van wetenschap en technologie – deelden veel natuurkundigen uit die tijd Jolly’s mening: zij geloofden dat zij het meeste van wat er in het heelal te ontdekken en te begrijpen viel, al hadden ontdekt en begrepen!
Op de universiteit ontdekte Planck dat hij niet van experimenteel werk hield. Zijn wiskundig talent vond zijn natuurlijke thuis in de wereld van de theoretische fysica.
Hij bleef van muziek houden. Hij zong in het universiteitskoor en componeerde een mini-opera.
Een belangrijke vakantie
Tijdens de voorjaarsvakantie van 1877, vlak voor zijn twintigste verjaardag, ondernam Planck een wandeltocht in Noord-Italië met universiteitsvrienden, onder wie de wiskundige Carl Runge. Tijdens het wandelen bespraken de studenten wetenschap, wiskunde, en hun visie op de wereld.
Het Comomeer in Noord-Italië, een van de plaatsen waar Max Planck en zijn vrienden wandelden. Wandelen in een spectaculair landschap werd een van Plancks levenslange genoegens.
Runge riep de vraag op of christendom en religie meer kwaad dan goed deden – een vraag die Planck, die een traditionele lutherse opvoeding had genoten, schokte. Planck begon zijn persoonlijke kijk op de wereld in twijfel te trekken. Hij bleef zijn leven lang luthers en verwierp het atheïsme, maar werd zeer tolerant voor alternatieve filosofieën en religies.
Berlijn en thermodynamica
In het wintersemester van 1877, 20 jaar oud, verhuisde Planck voor een jaar naar de Friedrich Wilhelms Universiteit in Berlijn, waar hij les kreeg van twee van de reuzen van de natuurkunde – Hermann von Helmholtz en Gustav Kirchhoff.
Voor Planck was het duidelijk dat elk van deze gerenommeerde mannen van de wetenschap alleen lezingen gaf die zich onderscheidden door hun somberheid.
Niettemin werden hij en Helmholtz grote vrienden. Planck bewonderde Helmoltz – hij aanbad hem bijna – om zijn wetenschappelijke integriteit, eerlijkheid, vriendelijkheid, bescheidenheid en tolerantie.
Een van Helmholtz’ passies in de natuurkunde was de thermodynamica – de studie van de relaties tussen temperatuur, warmte, energie en arbeid. Planck raakte steeds meer gefascineerd door de thermodynamische theorie.
Hij begon zijn eigen werkprogramma op dit gebied en besteedde eindeloze uren aan het bestuderen van papers van Rudolf Clausius, een van de grondleggers van de thermodynamica.
In tegenstelling tot de lezingen die hij bijwoonde, vond hij het werk van Clausius interessant, goed en duidelijk.
De hoogste onderscheidingen en een eerste baan
Na zijn jaar in Berlijn keerde Planck eind 1878 terug naar München, waar hij slaagde voor zijn staatsexamen dat hem toestond natuurkunde te doceren op middelbare scholen.
Een paar maanden later, in februari 1879, diende hij een proefschrift in over de tweede wet van de thermodynamica. Drie maanden later verdedigde hij zijn proefschrift in een mondeling examen en – 21 jaar oud – kreeg hij een doctoraat in de natuurkunde met de hoogste onderscheidingen – summa cum laude.
Grappig genoeg trok Planck uit de vragen die hem tijdens de verdediging van zijn proefschrift werden gesteld de conclusie dat geen van de professoren die hem ondervroegen zijn proefschrift begreep!
Een jaar later diende Planck met succes nog een proefschrift over thermodynamica in voor zijn habilitatie – een veel zwaardere kwalificatie dan de Ph.D., die de houder ervan in staat stelde hoogleraar te worden als zo’n baan beschikbaar kwam.
Op 22-jarige leeftijd werd Planck (onbezoldigd) docent natuurkunde aan de universiteit van München. Zonder salaris bleef hij bij zijn ouders wonen. Zijn onderzoek richtte zich op entropie – een grootheid die soms in losse zin wordt gedefinieerd als een maat voor de hoeveelheid wanorde op atomair niveau.
Een terugkeer naar zijn geboorteplaats, dan terug naar Berlijn
Ten slotte, bijna op zijn 27e verjaardag, werd Planck universitair hoofddocent theoretische natuurkunde aan de universiteit van Kiel, waar hij zich steeds verder verdiepte in de thermodynamica. Hij bleef vooruitgang boeken op dit moeilijke gebied, maar maakte geen grote doorbraken.
Op 31-jarige leeftijd, in april 1889, keerde Planck terug naar Berlijn om de lestaken over te nemen van Gustav Kirchhoff, die in de herfst van 1887 was overleden.
In 1892 werd Planck gewoon hoogleraar in de theoretische natuurkunde. Naar verluidt vonden zijn studenten zijn colleges veel interessanter dan Planck die van zijn voorganger had gevonden. Een van zijn studenten, de Britse scheikundige James Partington, beschreef Plancks colleges als volgt:
“Geen aantekeningen gebruikend, nooit fouten makend, nooit haperend; de beste docent die ik ooit heb gehoord. Er stonden altijd veel mensen in de zaal. Omdat de collegezaal goed verwarmd was en nogal dichtbij, vielen sommige toehoorders van tijd tot tijd op de grond, maar dit verstoorde de lezing niet”.
Twee van Planck’s promovendi zouden later Nobelprijzen voor natuurkunde winnen: Max von Laue en Walther Bothe.
De weg was nu vrij voor Plancks gedenkwaardige ontdekking – de kwantumtheorie.
Max Plancks bijdragen aan de wetenschap
De meeste theoretisch natuurkundigen laten hun sporen na toen ze jong waren. Max Planck was 42 toen hij eindelijk een onuitwisbare stempel op de wereld drukte.
Het probleem dat hij in 1900 oploste, was ingegeven door verwarring over het elektromagnetische spectrum dat door hete voorwerpen wordt uitgezonden.
De klassieke natuurkunde is het niet eens met de werkelijkheid
Wanneer dingen heet worden, stralen ze energie uit. Als je bijvoorbeeld een smid een hoefijzer ziet verhitten, zie je dat het ijzer rood opgloeit als het heet wordt, en dat het wit opgloeit als het nog heter wordt.
Het hete metaal gloeit, en zendt elektromagnetische straling uit.
Fysici beschouwden het geval van een zwart lichaam – een lichaam dat alle elektromagnetische straling absorbeert die erop valt. Wanneer het wordt verhit, straalt een zwart lichaam energie uit in de vorm van elektromagnetische golven. Deze golven hebben een brede waaier van golflengten zoals zichtbaar, ultraviolet en infrarood licht.
Maar in de jaren 1800 viel het de mensen op dat de kleuren van het licht die bij experimenten werden uitgestraald, niet overeenkwamen met de door de theorie voorspelde kleuren. In wetenschappelijke taal: er was een discrepantie tussen de golflengten die door hete voorwerpen werden uitgestraald en de golflengten die door de klassieke theorieën van de thermodynamica werden voorspeld.
De onderstaande grafiek laat het probleem zien. De zwarte curve toont het voorspelde gedrag van een zwart lichaam bij een temperatuur van 5000 K. De blauwe lijn toont het werkelijke gedrag.
Stralingsintensiteit vs Golflengte van een zwart lichaam
Vergelijk de kromme die wordt verwacht volgens de klassieke thermodynamische theorie bij een temperatuur van 5000 K (zwarte lijn) met die welke in experimenten is waargenomen (blauwe lijn). Zij zijn zeer verschillend! In groen en rood zijn ook krommen bij iets lagere temperaturen weergegeven.
Kwantumtheorie
Om de theorie in overeenstemming te brengen met de waarnemingen deed Planck een revolutionair voorstel. Als u nog niet bekend bent met de kwantumtheorie, kunt u, om te begrijpen wat hij voorstelde, misschien denken aan een tafel van drie – bijvoorbeeld de tafel van drie – waarin alleen getallen die deelbaar zijn door 3 zijn toegestaan en alle andere getallen verboden zijn.
Plancks idee was dat energie op een soortgelijke manier wordt uitgezonden. Hij stelde voor dat alleen bepaalde hoeveelheden energie konden worden uitgezonden – d.w.z. quanta. De klassieke natuurkunde stelde dat alle waarden van energie mogelijk waren.
Dit was de geboorte van de kwantumtheorie. Planck ontdekte dat zijn nieuwe theorie, gebaseerd op quanta van energie, nauwkeurig de golflengten voorspelde van het licht dat door een zwart lichaam werd uitgezonden.
Planck ontdekte dat de energie die door elektromagnetische straling wordt vervoerd, deelbaar moet zijn door een getal dat nu de constante van Planck wordt genoemd, weergegeven met de letter h. De energie kon toen worden berekend uit de vergelijking:
waarbij E energie is, h de constante van Planck, en ν de frequentie van de elektromagnetische straling. De constante van Planck is inderdaad een zeer, zeer kleine grootheid. De geringe grootte verklaart waarom de toenmalige experimentalisten zich niet hadden gerealiseerd dat elektromagnetische energie gekwantiseerd is. In vier significante cijfers is de constante van Planck 6,626 x 10-34 J s.
Planck was niet van plan de klassieke natuurkunde omver te werpen. Zijn bedoeling was een theorie te vinden die overeenkwam met de experimentele waarnemingen. Niettemin waren de implicaties van zijn ontdekking van groot belang. De kwantumtheorie – het besef dat de natuur “toegestane” en “verboden” toestanden kent – was geboren en de manier waarop wij de natuur interpreteren zou nooit meer dezelfde zijn.
Planck kreeg in 1918 de Nobelprijs voor natuurkunde voor:
“de diensten die hij heeft verleend aan de vooruitgang van de natuurkunde door zijn ontdekking van energiekwanta.”
Planck zelf zou later schrijven:
“…het leek zo onverenigbaar met de traditionele kijk op het universum die door de Natuurkunde werd geboden, dat het uiteindelijk het raamwerk van deze oudere kijk vernietigde. Een tijd lang leek het erop dat een volledige ineenstorting van de klassieke natuurkunde niet ondenkbaar was; Geleidelijk bleek echter, zoals vol vertrouwen was verwacht door allen die geloofden in de gestage vooruitgang van de wetenschap, dat de invoering van de Quantum Theorie niet leidde tot de vernietiging van de Natuurkunde, maar tot een enigszins diepgaande reconstructie…”
De Planck Schaal
De Planck Schaal zag het levenslicht in 1899. Zij verving het op de aarde gecentreerde meetsysteem van:
- een kilogram – de massa van een liter water
- een meter – een tienmiljoenste van de afstand van de noordpool tot de evenaar
- een seconde – 1⁄86400 van een aardse dag
door nieuwe, universele eenheden gebaseerd op:
- de lichtsnelheid
- de Planck-constante
- de gravitatieconstante
In de volgende eeuw ontdekte Stephen Hawking dat de Planck-schaal werkelijk iets fundamenteels over de natuur meet, door te laten zien dat het kleinst mogelijke zwarte gat een massa heeft van 1 Planck-massa-eenheid, een Schwarzschild-straal van 1 Planck-lengte-eenheid, en een halveringstijd van 1 Planck-tijdseenheid.
Bovendien ontdekte Jacob Bekenstein dat wanneer een zwart gat een enkel elementair deeltje met 1 bit informatie opneemt, de oppervlakte van de waarnemingshorizon 1 vierkante Planck-lengte toeneemt, waarmee een opmerkelijk verband tussen de Planck-schaal en informatie wordt onthuld.
Enkele persoonlijke details en het einde
In maart 1887, 28 jaar oud, trouwde Planck met Marie Merck. Het echtpaar kreeg vier kinderen: Karl, Grete, Emma en Erwin.
Tragisch genoeg zou Planck de dood van zijn vrouw en al hun kinderen meemaken. Zijn vrouw, Marie, stierf in 1909 aan tuberculose. Karl sneuvelde in de strijd in 1916 tijdens de Eerste Wereldoorlog. Grete stierf in het kraambed in 1917, Emma stierf ook in het kraambed in 1919. (Hun baby’s overleefden.) Erwin werd in 1945 door de nazi’s geëxecuteerd voor zijn vermoedelijke aandeel in een complot om Adolf Hitler te vermoorden.
Twee jaar na de dood van zijn eerste vrouw trouwde Planck met Marga von Hösslin. Zij kregen een zoon, Hermann. Zowel Marga als Hermann overleefden Planck.
Zoals de beroemde wiskundige David Hilbert was Planck tamelijk oud (74 jaar) toen de nazi’s in 1933 aan de macht kwamen, en hij bleef onder de nazi’s in Duitsland wonen. Hilbert en Planck betreurden het gedrag van de Nazi’s en hun beleid.
Planck was een van de eerste wetenschappers die de genialiteit van het werk van Albert Einstein onderkende. Hij maakte de weg vrij voor Einstein om in 1914 naar Berlijn te verhuizen en daar professor te worden. Later zouden de twee elkaar ontmoeten en enorm veel plezier beleven aan het samen musiceren.
“Toen Einstein in 1905 als onbekende medewerker van het Zwitserse octrooibureau in Bern vijf revolutionaire verhandelingen naar het natuurkundig tijdschrift stuurde dat Planck in Berlijn redigeerde, herkende Planck ze onmiddellijk als geniale werken en publiceerde ze snel zonder ze naar referenten te sturen.”
Toen de nazi’s de macht over Duitsland overnamen, zag Planck met lede ogen aan dat Einstein en steeds meer joodse wetenschappers uit Duitsland moesten vluchten. In 1938 namen de nazi’s de Pruisische Academie over. Planck trad af als voorzitter van de Academie.
Te allen tijde bleef de bejaarde Planck patriottisch voor Duitsland, op een moreel koorddansend, hopend dat de nazi’s tot bezinning zouden komen en zouden handelen op een manier die paste bij een echte Duitse regering. Zijn hoop werd steeds meer de bodem ingeslagen, met als hoogtepunt de executie van zijn zoon Erwin wegens ‘verraad’ in januari 1945.
Aan het begin van 1944 werd Plancks huis in Berlijn platgegooid bij een geallieerde luchtaanval. Al zijn persoonlijke papieren en wetenschappelijke dossiers werden vernietigd.
Toen de oorlog in Europa in mei 1945 eindigde, vonden Planck, zijn vrouw en zijn overgebleven zoon Hermann onderdak bij een familielid in de beroemde Duitse universiteitsstad Göttingen. Het was daar dat Max Planck twee jaar later op 89-jarige leeftijd overleed, op 4 oktober 1947. Vandaag ligt hij begraven op de oude stadsbegraafplaats van Göttingen. De graven van Marga en Hermann liggen naast het zijne.
In 1948 werd de Duitse Kaiser Wilhelm Society omgedoopt tot The Max Planck Society, als eerbetoon aan de man die twee keer voorzitter was en aan de wieg stond van de kwantumtheorie. Vandaag is de Max Planck Society een van de meest succesvolle wetenschappelijke organisaties ter wereld, die meer dan 80 wetenschappelijke instellingen beheert. Sinds de jaren 1950 hebben onderzoekers van de Max Planck Instituten vier Nobelprijzen voor natuurkunde, acht voor scheikunde en zes voor geneeskunde gekregen.
max planck“De wetten van de Natuurkunde houden geen rekening met de menselijke zintuigen; zij hangen af van de feiten, en niet van de vanzelfsprekendheid van de feiten.”
De ontdekking van Albert Einsteinwerd de basis van al het twintigste-eeuwse onderzoek in de natuurkunde en heeft sindsdien de ontwikkeling ervan bijna geheel bepaald. Zonder deze ontdekking zou het niet mogelijk zijn geweest een werkbare theorie op te stellen over moleculen en atomen en de energieprocessen die hun omzettingen bepalen. Bovendien heeft zij het gehele raamwerk van de klassieke mechanica en de elektrodynamica verbrijzeld en de wetenschap voor een nieuwe taak gesteld: het vinden van een nieuwe conceptuele basis voor de gehele natuurkunde.”
Auteur van deze pagina: The Doc
Foto’s digitaal verbeterd en ingekleurd door deze website. © Alle rechten voorbehouden.
Citeer deze pagina
Gebruik de volgende MLA-conforme citatie:
"Max Planck." Famous Scientists. famousscientists.org. 17 May. 2016. Web. <www.famousscientists.org/max-planck/>.
Gepubliceerd door FamousScientists.org
Verder Lezen
Max Planck
Het universum in het licht van de moderne fysica
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, vertaald door R. Jones en D. H. Williams
New York: Dover, 1960
Max Planck
Scientific Autobiography and Other Papers
Philosophical Library, 1968