Макс Планк

gigatos | 12 сентября, 2021

Post Views: 410

Суммури

Макс Карл Эрнст Людвиг Планк, ForMemRS (23 апреля 1858 — 4 октября 1947) — немецкий физик-теоретик, чье открытие квантов энергии принесло ему Нобелевскую премию по физике в 1918 году.

Планк внес много существенного вклада в теоретическую физику, но его слава как физика основывается прежде всего на его роли как создателя квантовой теории, которая произвела революцию в понимании человеком атомных и субатомных процессов. В 1948 году немецкое научное учреждение Общество кайзера Вильгельма (президентом которого Планк был дважды) было переименовано в Общество Макса Планка (MPS). В настоящее время в состав MPS входят 83 учреждения, представляющие широкий спектр научных направлений.

Планк происходил из традиционной интеллектуальной семьи. Его прадед и дед по отцовской линии были профессорами теологии в Геттингене; отец был профессором права в Кильском и Мюнхенском университетах. Один из его дядей также был судьей.

Планк родился в 1858 году в Киле, Гольштейн, в семье Иоганна Юлиуса Вильгельма Планка и его второй жены Эммы Патциг. Он был крещен с именем Карл Эрнст Людвиг Маркс Планк; из его имен Маркс (ныне устаревший вариант Маркуса или, возможно, просто ошибка в имени Макс, которое на самом деле является сокращением от Максимилиан) был указан как «имя наречения». Однако к десяти годам он подписался именем Макс и использовал его до конца жизни.

Он был 6-м ребенком в семье, хотя двое из его братьев и сестер были от первого брака отца. В ранние годы жизни Планка война была обычным явлением, и среди его самых ранних воспоминаний — марш прусских и австрийских войск в Киль во время Второй Шлезвигской войны в 1864 году. В 1867 году семья переехала в Мюнхен, и Планк поступил в гимназию Максимилиана, где попал под опеку Германа Мюллера, математика, который проявил интерес к юноше и обучал его астрономии и механике, а также математике. Именно от Мюллера Планк впервые узнал о принципе сохранения энергии. Планк окончил школу рано, в 17 лет. Так Планк впервые соприкоснулся с областью физики.

Планк был одарен, когда дело касалось музыки. Он брал уроки пения, играл на фортепиано, органе и виолончели, сочинял песни и оперы. Однако вместо музыки он решил изучать физику.

Мюнхенский профессор физики Филипп фон Йолли советовал Планку не заниматься физикой, говоря: «В этой области почти все уже открыто, и остается только заполнить несколько дыр». Планк ответил, что он не хочет открывать ничего нового, а только понять известные основы этой области, и поэтому в 1874 году он начал учиться в Мюнхенском университете. Под руководством Джолли Планк провел единственные в своей научной карьере эксперименты, изучая диффузию водорода через нагретую платину, но перешел к теоретической физике.

В 1877 году он поступил в Берлинский университет имени Фридриха Вильгельма, где в течение года занимался с физиками Германом фон Гельмгольцем, Густавом Кирхгофом и математиком Карлом Вейерштрассом. Он писал, что Гельмгольц никогда не был полностью готов, говорил медленно, бесконечно ошибался в расчетах и вызывал скуку у слушателей, а Кирхгоф читал тщательно подготовленные лекции, которые были сухими и монотонными. Вскоре он стал близким другом Гельмгольца. Во время учебы в университете он занялся в основном самостоятельным изучением трудов Клаузиуса, что привело его к выбору термодинамики в качестве своей области.

В октябре 1878 года Планк сдал квалификационные экзамены, а в феврале 1879 года защитил диссертацию «Über den zweiten Hauptsatz der mechanischen Wärmetheorie» («О втором законе термодинамики»). В течение короткого времени он преподавал математику и физику в своей бывшей школе в Мюнхене.

К 1880 году Планк получил две высшие академические степени, которые предлагались в Европе. Первой была докторская степень после того, как он завершил работу, в которой подробно изложил свои исследования и теорию термодинамики. Затем он представил диссертацию под названием «Равновесные состояния изотропных тел при различных температурах» (Gleichgewichtszustände isotroper Körper in verschiedenen Temperaturen), которая принесла ему степень хабилитата.

Читайте также, мифология — Прометей

Академическая карьера

После завершения своей диссертации Планк стал неоплачиваемым приватдоцентом (немецкое академическое звание, сравнимое с лектором и доцентом) в Мюнхене, ожидая, пока ему предложат академическую должность. Хотя академическое сообщество поначалу игнорировало его, он продолжил свою работу в области теории тепла и открыл один за другим те же термодинамические формализмы, что и Гиббс, не осознавая этого. Идеи Клаузиуса об энтропии занимали центральное место в его работе.

В апреле 1885 года Кильский университет назначил Планка доцентом теоретической физики. Затем последовала дальнейшая работа по энтропии и ее обработке, особенно применительно к физической химии. В 1897 году он опубликовал свой «Трактат по термодинамике». Он предложил термодинамическую основу для теории электролитической диссоциации Сванте Аррениуса.

В 1889 году он был назначен преемником Кирхгофа в Берлинском университете Фридриха Вильгельма — предположительно благодаря заступничеству Гельмгольца — и к 1892 году стал полным профессором. В 1907 году Планку предложили место Больцмана в Вене, но он отказался, чтобы остаться в Берлине. В 1909 году, будучи профессором Берлинского университета, он был приглашен стать лектором теоретической физики Эрнеста Кемптона Адамса в Колумбийском университете в Нью-Йорке. Серия его лекций была переведена и совместно опубликована профессором Колумбийского университета А. П. Уиллсом. 10 января 1926 года он ушел в отставку, его сменил Эрвин Шредингер.

Семья

В марте 1887 года Планк женился на Марии Мерк (1861-1909), сестре школьного товарища, и переехал с ней в поднаемную квартиру в Киле. У них родилось четверо детей: Карл (1888-1916), близнецы Эмма (1889-1919) и Грете (1889-1917), и Эрвин (1893-1945).

После квартиры в Берлине семья Планков жила на вилле в Берлин-Грюневальде, на Вангенхаймштрассе 21. Поблизости жили еще несколько профессоров Берлинского университета, среди них богослов Адольф фон Харнак, который стал близким другом Планка. Вскоре дом Планка стал социальным и культурным центром. Многочисленные известные ученые, такие как Альберт Эйнштейн, Отто Хан и Лиза Мейтнер, были частыми гостями. Традиция совместного исполнения музыки уже была заложена в доме Гельмгольца.

После нескольких счастливых лет, в июле 1909 года Мари Планк умерла, возможно, от туберкулеза. В марте 1911 года Планк женился на своей второй жене, Марге фон Хоесслин (в декабре родился его пятый ребенок Герман.

Во время Первой мировой войны второй сын Планка Эрвин попал в плен к французам в 1914 году, а старший сын Карл был убит в бою под Верденом. Грете умерла в 1917 году во время родов своего первого ребенка. Ее сестра умерла двумя годами позже, выйдя замуж за вдовца Греты. Обе внучки выжили и были названы в честь своих матерей. Планк переносил эти потери стоически.

В январе 1945 года Эрвин, с которым он был особенно близок, был приговорен нацистским Фольксгерихтсхофом к смертной казни за участие в неудавшейся попытке покушения на Гитлера в июле 1944 года. Эрвин был казнен 23 января 1945 года.

Читайте также, биографии — Пифагор

Профессор Берлинского университета

Будучи профессором Берлинского университета имени Фридриха Вильгельма, Планк вступил в местное Физическое общество. Позже он писал об этом времени: «В те дни я был там, по существу, единственным физиком-теоретиком, и поэтому мне было не так легко, потому что я начал упоминать об энтропии, но это было не совсем модно, так как считалось математической страшилкой». Благодаря его инициативе различные местные физические общества Германии объединились в 1898 году в Немецкое физическое общество (с 1905 по 1909 год Планк был его президентом.

Планк начал шестисеместровый курс лекций по теоретической физике, «сухой, несколько безличный», по словам Лизы Мейтнер, «не использующий никаких записей, никогда не делающий ошибок, никогда не ошибающийся; лучший лектор, которого я когда-либо слышал», по словам английского участника, Джеймса Р. Партингтона, который продолжает: «В комнате всегда было много людей, стоящих вокруг. Поскольку лекционный зал хорошо отапливался и был довольно тесным, некоторые слушатели время от времени опускались на пол, но это не мешало лекции». Планк не создал настоящей «школы»; число его аспирантов составляло всего около 20 человек, среди них:

Излучение черного тела

В 1894 году Планк обратил свое внимание на проблему излучения черного тела. Эта проблема была сформулирована Кирхгофом в 1859 году: «как зависит интенсивность электромагнитного излучения, испускаемого черным телом (идеальным поглотителем, также известным как излучатель с полостью), от частоты излучения (т.е. цвета света) и температуры тела?». Этот вопрос был изучен экспериментально, но ни одна теоретическая теория не согласовывалась с экспериментальными значениями. Вильгельм Вин предложил закон Вина, который правильно предсказал поведение на высоких частотах, но потерпел неудачу на низких частотах. Закон Рэлея-Джинса, другой подход к проблеме, соглашался с экспериментальными результатами на низких частотах, но создавал то, что позже было известно как «ультрафиолетовая катастрофа» на высоких частотах. Однако, вопреки многим учебникам, это не было мотивацией для Планка.

Первое предложенное Планком в 1899 году решение проблемы вытекало из того, что Планк назвал «принципом элементарного беспорядка», что позволило ему вывести закон Вина из ряда предположений об энтропии идеального осциллятора, создав то, что было названо законом Вина-Планка. Вскоре было обнаружено, что экспериментальные данные совершенно не подтверждают новый закон, к разочарованию Планка. Планк пересмотрел свой подход, выведя первую версию знаменитого закона излучения черного тела Планка, который хорошо описывал экспериментально наблюдаемый спектр черного тела. Впервые он был предложен на заседании DPG 19 октября 1900 года и опубликован в 1901 году. Этот первый вывод не включал квантование энергии и не использовал статистическую механику, к которой он питал неприязнь. В ноябре 1900 года Планк пересмотрел этот первый подход, опираясь на статистическую интерпретацию Больцманом второго закона термодинамики как способ получить более фундаментальное понимание принципов, лежащих в основе его закона излучения. Поскольку Планк с глубоким подозрением относился к философским и физическим последствиям такой интерпретации подхода Больцмана, его обращение к ним было, как он позже выразился, «актом отчаяния… Я был готов пожертвовать любыми своими прежними убеждениями относительно физики».

Центральным предположением его нового вывода, представленного DPG 14 декабря 1900 года, было предположение, известное сегодня как постулат Планка, о том, что электромагнитная энергия может излучаться только в квантованной форме, другими словами, энергия может быть только кратной элементарной единице:

где h — постоянная Планка, также известная как квант действия Планка (введенный еще в 1899 году), а ν — частота излучения. Обратите внимание, что элементарные единицы энергии, обсуждаемые здесь, представлены hν, а не просто ν. Физики теперь называют эти кванты фотонами, и фотон с частотой ν будет иметь свою специфическую и уникальную энергию. Полная энергия на данной частоте равна hν, умноженному на количество фотонов на данной частоте.

Сначала Планк считал квантование лишь «чисто формальным предположением… на самом деле я не думал об этом много…»; сегодня это предположение, несовместимое с классической физикой, считается рождением квантовой физики и величайшим интеллектуальным достижением в карьере Планка (Людвиг Больцман в 1877 году в теоретической статье обсуждал возможность того, что энергетические состояния физической системы могут быть дискретными). Открытие постоянной Планка позволило ему определить новый универсальный набор физических единиц (таких как длина Планка и масса Планка), основанных на фундаментальных физических константах, на которых базируется большая часть квантовой теории. В знак признания фундаментального вклада Планка в новую отрасль физики ему была присуждена Нобелевская премия по физике за 1918 год (на самом деле он получил премию в 1919 году).

Впоследствии Планк пытался понять значение квантов энергии, но безуспешно. «Мои безуспешные попытки как-то реинтегрировать квант действия в классическую теорию продолжались несколько лет и доставили мне много хлопот». Даже несколько лет спустя другие физики, такие как Рэлей, Джинс и Лоренц, установили постоянную Планка равной нулю, чтобы привести ее в соответствие с классической физикой, но Планк хорошо знал, что эта постоянная имеет точное ненулевое значение. «Я не в состоянии понять упрямство Джинса — он является примером теоретика, который никогда не должен существовать, таким же, каким был Гегель для философии. Тем хуже для фактов, если они не подходят».

Макс Борн писал о Планке: «По своей природе он был консервативным умом; он не любил ничего революционного и скептически относился к спекуляциям. Однако его вера в убедительную силу логического обоснования фактов была настолько сильна, что он не дрогнул, объявив о самой революционной идее, которая когда-либо потрясла физику».

Эйнштейн и теория относительности

В 1905 году в журнале Annalen der Physik были опубликованы три эпохальные работы Альберта Эйнштейна. Планк был одним из немногих, кто сразу же осознал значение специальной теории относительности. Благодаря его влиянию эта теория вскоре получила широкое признание в Германии. Планк также внес значительный вклад в расширение специальной теории относительности. Например, он переосмыслил теорию в терминах классического действия.

Гипотеза Эйнштейна о световых квантах (фотонах), основанная на открытии Генрихом Герцем в 1887 году (и дальнейшем исследовании Филиппом Ленардом) фотоэлектрического эффекта, была первоначально отвергнута Планком. Он не хотел полностью отбрасывать теорию электродинамики Максвелла. «Теория света была бы отброшена назад не на десятилетия, а на столетия, в эпоху, когда Христиан Гюйгенс осмелился бороться с могущественной теорией излучения Исаака Ньютона…».

В 1910 году Эйнштейн указал на аномальное поведение удельной теплоемкости при низких температурах как на еще один пример явления, которое не поддается объяснению классической физикой. Планк и Нернст, стремясь прояснить растущее число противоречий, организовали Первую Сольвейскую конференцию (Брюссель, 1911 год). На этой встрече Эйнштейн смог убедить Планка.

Тем временем Планк был назначен деканом Берлинского университета, что позволило ему вызвать Эйнштейна в Берлин и учредить для него новую профессуру (1914). Вскоре двое ученых стали близкими друзьями и часто встречались, чтобы вместе послушать музыку.

Первая мировая война

В начале Первой мировой войны Планк одобрил общее волнение общественности, написав, что «помимо многого ужасного, есть также много неожиданно великого и прекрасного: гладкое решение самых сложных внутриполитических проблем путем объединения всех партий (и) … восхваление всего хорошего и благородного».

Тем не менее, Планк воздерживался от крайностей национализма. В 1915 году, когда Италия собиралась присоединиться к союзным державам, он успешно проголосовал за научную статью из Италии, которая получила премию от Прусской академии наук, где Планк был одним из четырех постоянных президентов.

Планк также подписал печально известный «Манифест 93 интеллектуалов», памфлет с полемической пропагандой войны (в то время как Эйнштейн сохранял строго пацифистскую позицию, что чуть не привело к его тюремному заключению, от которого он избавился только благодаря своему швейцарскому гражданству).

Послевоенное время и Веймарская республика

В бурные послевоенные годы Планк, ставший теперь высшим авторитетом немецкой физики, обратился к своим коллегам с лозунгом «упорствуйте и продолжайте работать».

В октябре 1920 года он вместе с Фрицем Хабером создал Чрезвычайную организацию немецкой науки (Notgemeinschaft der Deutschen Wissenschaft), целью которой было оказание финансовой поддержки научным исследованиям. Значительная часть денег, которые организация должна была распределять, была собрана за рубежом.

Планк также занимал руководящие должности в Берлинском университете, Прусской академии наук, Немецком физическом обществе и Обществе кайзера Вильгельма (которое в 1948 году стало Обществом Макса Планка). В это время экономические условия в Германии были таковы, что он едва ли мог вести научные исследования. В 1926 году Планк стал иностранным членом Королевской академии искусств и наук Нидерландов.

В межвоенный период Планк стал членом Немецкой народной партии, партии лауреата Нобелевской премии мира Густава Штреземана, которая стремилась к либеральным целям во внутренней политике и скорее ревизионистским целям в политике во всем мире.

Планк не согласился с введением всеобщего избирательного права и позже выразил мнение, что нацистская диктатура стала результатом «восхождения власти толпы».

Квантовая механика

В конце 1920-х годов Бор, Гейзенберг и Паули разработали копенгагенскую интерпретацию квантовой механики, но она была отвергнута Планком, а также Шредингером, Лауэ и Эйнштейном. Планк ожидал, что волновая механика вскоре сделает ненужной квантовую теорию — его собственное детище. Однако этого не произошло. Дальнейшая работа только укрепила квантовую теорию, даже вопреки его и Эйнштейна философским отступлениям. Планк убедился в истинности своих собственных наблюдений, которые он сделал в молодые годы, борясь со старыми взглядами: «Новая научная истина торжествует не потому, что убеждает своих противников и заставляет их увидеть свет, а скорее потому, что ее противники в конце концов умирают, и вырастает новое поколение, которое с ней знакомо».

Нацистская диктатура и Вторая мировая война

Когда в 1933 году к власти пришли нацисты, Планку было 74 года. Он был свидетелем того, как многие друзья и коллеги-евреи были изгнаны со своих должностей и унижены, а сотни ученых эмигрировали из нацистской Германии. Он снова пытался «упорствовать и продолжать работать» и просил ученых, которые рассматривали возможность эмиграции, остаться в Германии. Тем не менее, он помог своему племяннику, экономисту Герману Кранольду, эмигрировать в Лондон после его ареста. Он надеялся, что кризис скоро утихнет и политическая ситуация улучшится.

Отто Хан попросил Планка собрать известных немецких профессоров, чтобы выступить с публичным заявлением против обращения с еврейскими профессорами, но Планк ответил: «Если вы сможете собрать сегодня 30 таких господ, то завтра придут 150 других и выступят против, потому что они стремятся занять позиции остальных». Под руководством Планка Общество кайзера Вильгельма (KWG) избегало открытого конфликта с нацистским режимом, за исключением случая с евреем Фрицем Хабером. Планк пытался обсудить этот вопрос с недавно назначенным канцлером Германии Адольфом Гитлером, но безуспешно, поскольку для Гитлера «все евреи — коммунисты, а это мои враги». В следующем, 1934 году Хабер умер в изгнании.

Год спустя Планк, будучи президентом КРГ с 1930 года, организовал в несколько провокационном стиле официальную встречу в память о Хабере. Ему также удалось тайно позволить ряду еврейских ученых продолжать работать в институтах КРГ в течение нескольких лет. В 1936 году срок его полномочий в качестве президента КРГ закончился, и нацистское правительство оказало на него давление, чтобы он не претендовал на новый срок.

Поскольку политический климат в Германии постепенно становился все более враждебным, Иоганнес Штарк, выдающийся сторонник Deutsche Physik («немецкой физики», также называемой «арийской физикой»), напал на Планка, Зоммерфельда и Гейзенберга за то, что они продолжали преподавать теории Эйнштейна, назвав их «белыми евреями». Hauptamt Wissenschaft» (нацистское правительственное управление по науке) начало расследование происхождения Планка, утверждая, что он «116 еврей», но сам Планк отрицал это.

В 1938 году Планку исполнилось 80 лет. DPG устроила праздник, на котором медаль Макса Планка (учрежденная DPG в 1928 году как высшая медаль) была вручена французскому физику Луи де Бройлю. В конце 1938 года Прусская академия потеряла остатки независимости и была захвачена нацистами (Gleichschaltung). В знак протеста Планк сложил с себя полномочия президента. Он продолжал часто путешествовать, выступая с многочисленными публичными докладами, такими как его доклад «Религия и наука», а через пять лет он был в достаточно хорошей физической форме, чтобы подняться на 3000-метровую вершину в Альпах.

Во время Второй мировой войны участившиеся бомбардировки Берлина союзниками вынудили Планка и его жену временно покинуть город и поселиться в сельской местности. В 1942 году он писал: «Во мне выросло горячее желание пережить этот кризис и прожить достаточно долго, чтобы стать свидетелем переломного момента, начала нового подъема». В феврале 1944 года его дом в Берлине был полностью разрушен в результате воздушного налета, уничтожившего все его научные записи и переписку. Его сельское уединение оказалось под угрозой из-за стремительного продвижения армий союзников с обеих сторон.

В 1944 году сын Планка Эрвин был арестован гестапо после попытки покушения на Гитлера в рамках заговора 20 июля. Он был судим и приговорен к смертной казни Народным судом в октябре 1944 года. Эрвин был повешен в берлинской тюрьме Плётцензее в январе 1945 года. Смерть сына разрушила волю Планка к жизни. После окончания войны Планк, его вторая жена и сын от нее были перевезены к родственникам в Геттинген, где Планк умер 4 октября 1947 года. Его могила находится на старом городском кладбище (Stadtfriedhof) в Геттингене.

Планк был членом лютеранской церкви в Германии. В лекции 1937 года под названием «Religion und Naturwissenschaft» («Религия и естествознание») он высказал мысль о том, что важность этих символов и ритуалов напрямую связана с возможностью верующего поклоняться Богу, но при этом следует помнить, что символы являются несовершенной иллюстрацией божественного. Он критиковал атеизм за то, что тот сосредоточен на осмеянии таких символов, и в то же время предупреждал о переоценке важности этих символов верующими.

Планк был терпим и благосклонен ко всем религиям. Хотя он оставался в лютеранской церкви, он не пропагандировал христианские или библейские взгляды. Он считал, что «вера в чудеса должна шаг за шагом уступать перед неуклонным и твердым продвижением фактов науки, и ее полное поражение, несомненно, вопрос времени».

В работе «Религия и натурфилософия» Планк высказал мнение, что Бог присутствует везде, и утверждал, что «святость непонятного Божества передается святостью символов». Атеисты, по его мнению, придают слишком большое значение тому, что является всего лишь символами. Он был церковным старостой с 1920 года до самой смерти и верил во всемогущего, всезнающего, благодетельного Бога (хотя и не обязательно личного). И наука, и религия ведут «неустанную борьбу со скептицизмом и догматизмом, с неверием и суеверием» с целью «к Богу!».

В 1944 году Планк сказал: «Как человек, посвятивший всю свою жизнь самой ясной науке, изучению материи, я могу сказать вам в результате моих исследований об атомах следующее: Материи как таковой не существует. Вся материя возникает и существует только благодаря силе, которая приводит частицу атома в вибрацию и удерживает эту мельчайшую солнечную систему атома вместе. За этой силой мы должны предполагать существование сознательного и разумного духа [ориг. geist]. Этот дух является матрицей всей материи».

Планк утверждал, что понятие Бога важно как для религии, так и для науки, но по-разному: «И религия, и наука требуют веры в Бога. Для верующих Бог находится в начале, а для физиков — в конце всех рассуждений… Для первых Он является фундаментом, для вторых — венцом здания каждого обобщенного мировоззрения».

Более того, Планк писал,

… «верить» означает «признавать истину», а знания о природе, постоянно продвигающиеся по неопровержимо надежным путям, сделали совершенно невозможным для человека, обладающего некоторой подготовкой в области естественных наук, признать основанными на истине многочисленные сообщения о необычных явлениях, противоречащих законам природы, о чудесах, которые все еще обычно рассматриваются как существенная поддержка и подтверждение религиозных доктрин, и которые раньше принимались как факты, чистые и простые, без сомнений и критики. Вера в чудеса должна шаг за шагом отступать перед неумолимым и надежным прогрессом науки, и мы не можем сомневаться, что рано или поздно она должна исчезнуть совсем.

Известный историк науки Джон Л. Хейлброн охарактеризовал взгляды Планка на Бога как деистические. Хейлброн далее рассказывает, что когда Планка спросили о его религиозной принадлежности, он ответил, что хотя он всегда был глубоко религиозен, он не верит «в личного Бога, не говоря уже о христианском Боге».

Источники

Max Planck