Max Planck na zawsze zmienił fizykę i nasze rozumienie świata, gdy odkrył, że gorące obiekty nie promieniują gładkim, ciągłym zakresem energii, jak zakładano w fizyce klasycznej. Zamiast tego odkrył, że energie wypromieniowywane przez gorące obiekty mają różne wartości, a wszystkie inne wartości są zabronione. Odkrycie to stało się początkiem teorii kwantowej – zupełnie nowego rodzaju fizyki – która zastąpiła fizykę klasyczną dla zdarzeń w skali atomowej.
Teoria kwantowa zrewolucjonizowała nasze rozumienie procesów atomowych i subatomowych, podobnie jak teorie względności Alberta Einsteina zrewolucjonizowały nasze rozumienie grawitacji, przestrzeni i czasu. Razem te teorie stanowią najbardziej spektakularne przełomy w fizyce XX wieku.
Wysokiej inteligencji, wykazujący błyskotliwość w matematyce, nauce i muzyce, Planck był głęboko myślącym, etycznym człowiekiem. Przeżył długie życie, dożył prawie 90 lat. W swoich późniejszych latach żył w Niemczech w okresie wielkiej depresji i obu wojen światowych, doświadczając szeregu osobistych tragedii.
Początki
Max Karl Ernst Ludwig Planck urodził się w Kilonii, na północnym wybrzeżu Niemiec, 23 kwietnia 1858 roku. Miał pięcioro starszego rodzeństwa.
Jego ojciec, Johann Planck, był profesorem prawa, który pochodził z rodziny akademickiej. Matka Maxa nazywała się Emma Patzig. Jej ojciec był księgowym. Emma była żywiołowa i lubiana w kręgach akademickich, w których poruszała się rodzina Maxa.
Max uczęszczał do szkoły podstawowej w Kilonii. W 1867 roku, gdy miał 9 lat, jego rodzina przeniosła się o ponad 500 mil do Monachium w południowych Niemczech, gdzie jego ojciec otrzymał propozycję kuszącej profesury.
Max zapisał się do Maximilians Gymnasium – szkoły dla dzieci uzdolnionych akademicko. Jeden z jego nauczycieli, matematyk Hermann Müller, zauważył, że Max jest dość uzdolniony matematycznie, więc zaproponował mu dodatkowe lekcje astronomii i mechaniki. Max przyjął ofertę z entuzjazmem, a Müller nauczył swojego chłonnego ucznia, jak wizualizować w umyśle prawa fizyki – ważną broń w arsenale wielkich fizyków.
Często zdarza się, że uczniowie uzdolnieni matematycznie są również utalentowani muzycznie, i tak było w przypadku Maxa Plancka, który komponował muzykę klasyczną, miał doskonałą wysokość dźwięku, świetnie grał na wiolonczeli i fortepianie. Jakby tego było mało, miał też piękny głos do śpiewania.
Przed ukończeniem szkoły średniej Planck zdecydował, że będzie się zajmował nauką jako powołaniem, a muzyka pozostanie jego przyjemnym hobby. Później wspominał, dlaczego zdecydował się zostać człowiekiem nauki:
„jako bezpośredni rezultat odkrycia, że czyste rozumowanie może umożliwić człowiekowi wgląd w mechanizm otaczającego nas świata.”
Uniwersytet i doktorat w wieku 21 lat
W 1874 roku, mając 17 lat i będąc świeżo upieczonym studentem Uniwersytetu w Monachium, Planck rozmawiał z profesorem Philippem von Jolly o zasługach fizyka. Jolly słynnie odpowiedział:
„W tej dziedzinie prawie wszystko jest już odkryte, a wszystko, co pozostaje, to wypełnić kilka nieistotnych luk.”
Niezrażony, Planck wybrał studia fizyczne. Pewnego dnia jego przeznaczeniem było znalezienie dowodów na absurdalność przekonań swojego profesora. Uczciwie trzeba przyznać Philippowi von Jolly – i choć dziś trudno w to uwierzyć, biorąc pod uwagę szybki rozwój nauki i technologii – wielu fizyków tamtej epoki podzielało pogląd Jolly’ego: wierzyli, że odkryli i zrozumieli już większość tego, co we wszechświecie było do odkrycia i zrozumienia!
Na uniwersytecie Planck odkrył, że nie lubi pracy eksperymentalnej. Jego talent matematyczny znalazł swój naturalny dom w świecie fizyki teoretycznej.
Nadal lubił muzykę. Śpiewał w uniwersyteckim chórze i skomponował mini-operę.
Ważne wakacje
W czasie wiosennych wakacji 1877 roku, blisko swoich dwudziestych urodzin, Planck wyruszył na pieszą wycieczkę po północnych Włoszech z przyjaciółmi z uniwersytetu, wśród których był matematyk Carl Runge. Podczas wędrówki studenci dyskutowali o nauce, matematyce i swoich poglądach na świat.
Jezioro Como w północnych Włoszech, jedno z miejsc, po których spacerował Max Planck i jego przyjaciele. Wędrówki wśród spektakularnej scenerii stały się jedną z życiowych przyjemności Plancka.
Runge podniósł pytanie o to, czy chrześcijaństwo i religia przynoszą więcej szkody niż pożytku – pytanie, które zszokowało Plancka, który otrzymał tradycyjne luterańskie wychowanie. Planck zaczął kwestionować swój osobisty pogląd na świat. Pozostał luteraninem przez całe życie i odrzucił ateizm, ale stał się bardzo tolerancyjny wobec alternatywnych filozofii i religii.
Berlin i termodynamika
W semestrze zimowym 1877 r., w wieku 20 lat, Planck przeniósł się na rok na berliński Uniwersytet Friedricha Wilhelma, gdzie uczyli go dwaj giganci fizyki – Hermann von Helmholtz i Gustav Kirchhoff.
W opinii Plancka każdy z tych wybitnych ludzi nauki prowadził wykłady, które wyróżniały się jedynie ponurością.
Mimo to, on i Helmholtz stali się wielkimi przyjaciółmi. Planck podziwiał – wręcz uwielbiał – Helmholtza za jego naukową uczciwość, szczerość, dobroć, skromność i tolerancję.
Jedną z pasji Helmholtza w fizyce była termodynamika – badanie związków między temperaturą, ciepłem, energią i pracą. Planck coraz bardziej fascynował się teorią termodynamiki.
Rozpoczął swój własny program pracy w tej dziedzinie, spędzając niekończące się godziny nad pracami Rudolfa Clausiusa, jednego z twórców termodynamiki.
W przeciwieństwie do wykładów, na które uczęszczał, uznał pracę Clausiusa za interesującą, dobrze podaną i jasną.
Najwyższe wyróżnienia i pierwsza praca
Po roku spędzonym w Berlinie Planck wrócił do Monachium pod koniec 1878 roku, gdzie zdał egzamin państwowy, pozwalający mu uczyć fizyki w szkołach średnich.
Kilka miesięcy później, w lutym 1879 r., złożył pracę doktorską dotyczącą drugiego prawa termodynamiki. Trzy miesiące później obronił ją na egzaminie ustnym i w wieku 21 lat otrzymał tytuł doktora fizyki z najwyższym wyróżnieniem – summa cum laude.
Niestety, z pytań zadawanych mu podczas obrony pracy Planck wyciągnął wniosek, że żaden z przesłuchujących go profesorów nie zrozumiał jego pracy!
Rok później Planck z powodzeniem przedstawił kolejną pracę z termodynamiki w celu uzyskania habilitacji – znacznie bardziej wymagającej niż doktorat, która pozwalała jej posiadaczowi zostać profesorem, jeśli taka posada była dostępna.
W wieku 22 lat Planck został wykładowcą fizyki (bez wynagrodzenia) na Uniwersytecie w Monachium. Nie otrzymując żadnego wynagrodzenia, mieszkał nadal z rodzicami. Jego badania koncentrowały się na entropii – wielkości czasem definiowanej w luźnym sensie jako miara stopnia nieuporządkowania na poziomie atomowym.
Powrót do miejsca urodzenia, potem z powrotem do Berlina
W końcu, prawie w dniu swoich 27. urodzin, Planck został profesorem nadzwyczajnym fizyki teoretycznej na Uniwersytecie w Kilonii, gdzie coraz głębiej zgłębiał termodynamikę. Nadal czynił postępy w tej trudnej dziedzinie, ale nie dokonał żadnych przełomowych odkryć.
W wieku 31 lat, w kwietniu 1889 roku, Planck powrócił do Berlina, aby przejąć obowiązki wykładowcy po Gustavie Kirchhoffie, który zmarł jesienią 1887 roku.
W 1892 roku Planck został profesorem zwyczajnym fizyki teoretycznej. Według wszelkich danych jego studenci uważali jego wykłady za o wiele bardziej interesujące niż wykłady jego poprzednika. Jeden z jego studentów, brytyjski chemik James Partington, tak opisał wykłady Plancka:
„Nie robił żadnych notatek, nigdy nie popełniał błędów, nigdy się nie łamał; najlepszy wykładowca, jakiego kiedykolwiek słyszałem. Wokół sali zawsze było wielu stojących. Ponieważ sala wykładowa była dobrze ogrzewana i dość blisko, niektórzy słuchacze od czasu do czasu padali na podłogę, ale to nie przeszkadzało w wykładzie”.
Dwaj z doktorantów Plancka otrzymali później Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki: Max von Laue i Walther Bothe.
Scena była teraz przygotowana na doniosłe odkrycie Plancka – teorię kwantową.
Wkład Maxa Plancka w naukę
Większość fizyków teoretycznych zaznacza swoją obecność w młodym wieku. Max Planck miał 42 lata, gdy w końcu odcisnął niezatarte piętno na świecie.
Problem, który rozwiązał w 1900 roku, był spowodowany zagadką widma elektromagnetycznego emitowanego przez gorące obiekty.
Fizyka klasyczna nie zgadza się z rzeczywistością
Kiedy rzeczy stają się gorące, promieniują energią. Na przykład, gdybyś obserwował kowala podgrzewającego podkowę, zauważyłbyś, że gdy podkowa się rozgrzeje, świeci na czerwono, a gdy rozgrzeje się jeszcze bardziej, świeci na biało.
Rozgrzany metal świeci, emitując promieniowanie elektromagnetyczne.
Fizycy rozważali przypadek ciała czarnego – ciała, które pochłania całe promieniowanie elektromagnetyczne, jakie na nie pada. Ciało czarne, gdy jest ogrzewane, wypromieniowuje energię w postaci fal elektromagnetycznych. Fale te mają szeroki zakres długości fal, takich jak światło widzialne, ultrafioletowe i podczerwone.
Ale w 1800 roku ludzie zauważyli, że kolory światła wypromieniowywanego w eksperymentach nie zgadzały się z tymi przewidywanymi przez teorię. Mówiąc językiem naukowym, istniało niedopasowanie pomiędzy długościami fal promieniowanych przez gorące obiekty a długościami fal przewidywanymi przez klasyczne teorie termodynamiki.
Następny wykres pokazuje ten problem. Czarna krzywa pokazuje przewidywane zachowanie ciała czarnego w temperaturze 5000 K. Niebieska linia pokazuje rzeczywiste zachowanie.
Intensywność promieniowania ciała czarnego a długość fali
Porównaj krzywą oczekiwaną w klasycznej teorii termodynamiki w temperaturze 5000 K (linia czarna) z krzywą obserwowaną w eksperymentach (linia niebieska). Są one bardzo różne! Na zielono i czerwono zaznaczono również krzywe dla nieco niższych temperatur.
Teoria kwantowa
Aby dopasować teorię do obserwacji, Planck przedstawił rewolucyjną propozycję. Jeśli nie jesteś jeszcze zaznajomiony z teorią kwantową, aby zrozumieć, co zaproponował, może pomóc myślenie o tabeli czasów – na przykład tabeli trzech czasów – 3, 6, 9, 12, 15…, w której tylko liczby podzielne przez 3 są dozwolone, a wszystkie inne liczby są zabronione.
Planck uważał, że energia jest emitowana w podobny sposób. Zaproponował on, że tylko pewne ilości energii mogą być emitowane – kwanty. Fizyka klasyczna uważała, że wszystkie wartości energii są możliwe.
Tak narodziła się teoria kwantowa. Planck odkrył, że jego nowa teoria, oparta na kwantach energii, dokładnie przewidziała długość fali światła emitowanego przez ciało czarne.
Planck stwierdził, że energia niesiona przez promieniowanie elektromagnetyczne musi być podzielna przez liczbę zwaną obecnie stałą Plancka, oznaczaną literą h. Energię można było wtedy obliczyć z równania:
gdzie E to energia, h to stała Plancka, a ν to częstotliwość promieniowania elektromagnetycznego. Stała Plancka jest rzeczywiście bardzo, bardzo małą wielkością. Jej niewielki rozmiar wyjaśnia, dlaczego ówcześni eksperymentatorzy nie zdawali sobie sprawy, że energia elektromagnetyczna jest skwantowana. Z dokładnością do czterech cyfr znaczących stała Plancka wynosi 6,626 x 10-34 J s.
Planck nie zamierzał obalać fizyki klasycznej. Jego zamiarem było znalezienie teorii, która pasowałaby do obserwacji doświadczalnych. Niemniej jednak implikacje jego odkrycia były doniosłe. Teoria kwantowa – świadomość, że przyroda ma stany „dozwolone” i „zabronione” – narodziła się, a sposób, w jaki interpretujemy przyrodę, już nigdy nie będzie taki sam.
Planck otrzymał w 1918 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za:
„zasługi, jakie położył dla rozwoju fizyki przez odkrycie kwantów energii.”
Planck sam później napisze:
„…wydawało się to tak niezgodne z tradycyjnym poglądem na wszechświat dostarczanym przez Fizykę, że w końcu zniszczyło ramy tego starszego poglądu. Przez pewien czas wydawało się, że całkowite załamanie się klasycznej fizyki nie wykracza poza granice możliwości; Stopniowo jednak okazało się, czego z ufnością oczekiwali wszyscy wierzący w stały postęp nauki, że wprowadzenie teorii kwantowej nie doprowadziło do zniszczenia fizyki, lecz do nieco głębszej rekonstrukcji…”
Skala Plancka
Skala Plancka narodziła się w 1899 roku. Zastąpiła ona skoncentrowany na Ziemi system pomiarowy:
- kilogram – masa litra wody
- metr – jedna dziesięciomilionowa część odległości od bieguna północnego do równika
- sekunda – 1⁄86400 doby ziemskiej
Nowymi, uniwersalnymi jednostkami opartymi na:
- prędkość światła
- stałą Plancka
- stałą grawitacyjną
W kolejnym stuleciu Stephen Hawking odkrył, że skala Plancka rzeczywiście mierzy coś fundamentalnego w przyrodzie, pokazując, że najmniejsza możliwa czarna dziura ma masę 1 jednostki masy Plancka, promień Schwarzschilda 1 jednostki długości Plancka i czas połowicznego zaniku 1 jednostki czasu Plancka.
Co więcej, Jacob Bekenstein odkrył, że gdy czarna dziura przyjmie jedną cząstkę elementarną zawierającą 1 bit informacji, obszar horyzontu zdarzeń zwiększa się o 1 długość Plancka, ujawniając niezwykły związek między skalą Plancka a informacją.
Kilka szczegółów osobistych i koniec
W marcu 1887 roku, w wieku 28 lat, Planck poślubił Marie Merck. Para miała czworo dzieci: Karla, Grete, Emmę i Erwina.
Tragicznie, Planck doczekał się śmierci żony i wszystkich ich dzieci. Jego żona, Marie, zmarła w 1909 roku na gruźlicę. Karl zginął w bitwie w 1916 roku podczas pierwszej wojny światowej. Grete zmarła przy porodzie w 1917 roku, Emma również przy porodzie w 1919 roku. (Ich dzieci przeżyły.) Erwin został stracony przez nazistów w 1945 r. za podejrzewany udział w spisku mającym na celu zabicie Adolfa Hitlera.
Dwa lata po śmierci pierwszej żony Planck ożenił się z Margą von Hösslin. Mieli jednego syna, Hermanna. Zarówno Marga, jak i Hermann przeżyli Plancka.
Podobnie jak słynny matematyk David Hilbert, Planck był już dość stary (74 lata), gdy naziści doszli do władzy w 1933 roku, i nadal żył w Niemczech pod rządami nazistów. Hilbert i Planck ubolewali nad zachowaniem nazistów i ich polityką.
Planck był jednym z pierwszych naukowców, którzy dostrzegli błyskotliwość pracy Alberta Einsteina. Utorował Einsteinowi drogę do przeprowadzki do Berlina i objęcia tam stanowiska profesora w 1914 roku. Później obaj spotykali się i świetnie się bawili, grając razem muzykę.
„W 1905 roku, kiedy Einstein, jeszcze jako nieznany pracownik szwajcarskiego urzędu patentowego w Bernie, wysłał pięć rewolucyjnych prac do czasopisma fizycznego, które Planck redagował w Berlinie, Planck natychmiast uznał je za dzieła geniuszu i szybko opublikował bez wysyłania ich do recenzentów.”
Kiedy naziści przejęli kontrolę nad Niemcami, Planck był przygnębiony koniecznością ucieczki z Niemiec przez Einsteina i coraz większą liczbę żydowskich naukowców. W 1938 r. naziści przejęli Akademię Pruską. Planck zrezygnował z funkcji prezesa Akademii.
Przez cały czas starszy Planck pozostawał patriotą Niemiec, chodził po moralnej linie, mając nadzieję, że naziści się opamiętają i będą postępować w sposób godny właściwego niemieckiego rządu. Jego nadzieje były coraz bardziej płonne, czego kulminacją była egzekucja jego syna Erwina za „zdradę” w styczniu 1945 r.
Wczesnym rankiem 1944 r. dom Plancka w Berlinie został zrównany z ziemią podczas nalotu aliantów. Wszystkie jego dokumenty osobiste i naukowe zostały zniszczone.
Gdy w maju 1945 r. wojna w Europie dobiegła końca, Planck, jego żona i pozostały syn Hermann znaleźli schronienie u krewnego w słynnym niemieckim mieście uniwersyteckim Getyndze. To właśnie tam dwa lata później, 4 października 1947 r., Max Planck zmarł w wieku 89 lat. Dziś spoczywa na starym cmentarzu miejskim w Getyndze. Groby Margi i Hermanna leżą obok jego grobu.
W 1948 roku Niemieckie Towarzystwo im. Cesarza Wilhelma zmieniło nazwę na Towarzystwo Maxa Plancka w hołdzie człowiekowi, który dwukrotnie pełnił funkcję prezesa i dał początek teorii kwantowej. Obecnie Towarzystwo Maxa Plancka jest jedną z najprężniej działających organizacji naukowych na świecie, prowadzącą ponad 80 instytucji naukowych. Od lat 50. XX wieku pracownicy naukowi Instytutów Maxa Plancka otrzymali cztery Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki, osiem w dziedzinie chemii i sześć w dziedzinie medycyny.
„Prawa fizyki nie uwzględniają ludzkich zmysłów; zależą od faktów, a nie od oczywistości faktów.”
stało się podstawą wszystkich dwudziestowiecznych badań w fizyce i od tego czasu niemal całkowicie warunkuje jej rozwój. Bez tego odkrycia nie byłoby możliwe stworzenie wykonalnej teorii cząsteczek i atomów oraz procesów energetycznych rządzących ich przemianami. Co więcej, zburzyło ono całe ramy klasycznej mechaniki i elektrodynamiki i postawiło przed nauką nowe zadanie: znalezienie nowej podstawy pojęciowej dla całej fizyki.”
Autor strony: The Doc
Obrazy cyfrowo ulepszone i pokolorowane przez tę stronę. © Wszelkie prawa zastrzeżone.
Cytuj tę stronę
Proszę użyć następującego cytatu zgodnego z MLA:
"Max Planck." Famous Scientists. famousscientists.org. 17 May. 2016. Web. <www.famousscientists.org/max-planck/>.
Published by FamousScientists.org
Dalsza lektura
Max Planck
Wszechświat w świetle współczesnej fizyki
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