Die Wissenschaft kann das letzte Geheimnis der Natur nicht lösen. Und das ist der Grund, dass wir selbst, in der letzten Analyse, ein Teil des Geheimnisses sind, das wir zu lösen versuchen.
Max Karl Ernst Ludwig Planck war ein deutscher theoretischer Physiker, dessen Entdeckung von Energiequanten ihm 1918 den Nobelpreis für Physik einbrachte.
Planck leistete viele Beiträge zur theoretischen Physik, aber sein Ruhm als Physiker beruht hauptsächlich auf seiner Rolle als Begründer der Quantentheorie, die unser Verständnis von Atom- und Subatomarprozessen revolutionierte. 1948 wurde die deutsche wissenschaftliche Institution Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft, deren Präsident Planck zweimal war, in Max-Planck-Gesellschaft MPS umbenannt. Die MPS umfasst nun 83 Institutionen, die ein breites Spektrum wissenschaftlicher Ausrichtungen repräsentieren.
Karriere
Planck stammte aus einer traditionellen, intellektuellen Familie. Sein väterlicher Urgroßvater und Großvater waren beide Theologieprofessoren in Göttingen; sein Vater war Rechtsprofessor an der Universität Kiel und München. Einer seiner Onkel war auch Richter.
Planck wurde 1858 in Kiel, Holstein, als Sohn von Johann Julius Wilhelm Planck und dessen zweiter Ehefrau Emma Patzig geboren. Er wurde mit dem Namen Karl Ernst Ludwig Marx Planck getauft; von seinen Vornamen war Marx eine heute veraltete Variante von Markus oder möglicherweise einfach ein Fehler für Max, was eigentlich eine Kurzform von Maximilian ist, als der „Appellation Name" angegeben. Allerdings signierte er im Alter von zehn Jahren mit dem Namen Max und verwendete diesen für den Rest seines Lebens.
Er war das 6. Kind der Familie, obwohl zwei seiner Geschwister aus der ersten Ehe seines Vaters stammten. Krieg war während Plancks frühen Jahren häufig, und unter seinen frühesten Erinnerungen war der Marsch preußischer und österreichischer Truppen in Kiel während des Zweiten Schleswig-Krieges 1864. 1867 zog die Familie nach München, und Planck meldete sich am Maximilians-Gymnasium an, wo er unter der Anleitung von Hermann Müller stand, einem Mathematiker, der sich für den Jungen interessierte und ihm Astronomie und Mechanik sowie Mathematik beibrachte. Von Müller lernte Planck zuerst das Prinzip der Energieerhaltung. Planck machte seinen Abschluss früh, mit 17 Jahren. So kam Planck zum ersten Mal in Kontakt mit dem Gebiet der Physik.
Planck war begabt, wenn es um Musik ging. Er nahm Gesangsunterricht und spielte Klavier, Orgel und Cello und komponierte Lieder und Opern. Aber statt Musik wählte er, Physik zu studieren.
Der Münchner Physikprofessor Philipp von Jolly riet Planck davon ab, in die Physik zu gehen, und sagte: „In diesem Gebiet ist fast alles bereits entdeckt, und alles, was bleibt, ist, ein paar Lücken zu füllen." Planck antwortete, dass er nicht neue Dinge entdecken wolle, sondern nur die bekannten Grundlagen des Gebietes verstehen möchte, und so begann er 1874 sein Studium an der Universität München. Unter Jollys Aufsicht führte Planck die einzigen Experimente seiner wissenschaftlichen Karriere durch, in denen er die Diffusion von Wasserstoff durch erhitztes Platin untersuchte, wechselte aber zur theoretischen Physik.
1877 ging er für ein Jahr zum Studium an die Friedrich-Wilhelms-Universität in Berlin bei den Physikern Hermann von Helmholtz und Gustav Kirchhoff sowie dem Mathematiker Karl Weierstrass. Er schrieb, dass Helmholtz nie ganz vorbereitet war, langsam sprach, endlos falsch rechnete und seine Zuhörer langweilte, während Kirchhoff in sorgfältig vorbereiteten Vorträgen sprach, die trocken und monoton waren. Er freundete sich bald eng mit Helmholtz an. Während seiner Zeit dort unternahm er ein Programm der Selbststudium von Clausius' Schriften, was ihn dazu führte, Thermodynamik als sein Gebiet zu wählen.
Im Oktober 1878 bestand Planck seine Qualifikationsprüfungen und im Februar 1879 verteidigte er seine Dissertation, Über den zweiten Hauptsatz der mechanischen Wärmetheorie On the second law of thermodynamics. Er unterrichtete kurzzeitig Mathematik und Physik an seiner früheren Schule in München.
Bis zum Jahr 1880 hatte Planck die beiden höchsten akademischen Grade erworben, die in Europa verliehen werden. Der erste war ein Doktorgrad, nachdem er seine Arbeit mit seinen Forschungen und seiner Theorie der Thermodynamik abgeschlossen hatte. Er präsentierte dann seine These Gleichgewichtszustände isotroper Körper in verschiedenen Temperaturen Equilibrium states of isotropic bodies at different temperatures, die ihm eine Habilitation einbrachte.
Akademische Karriere
Mit der Fertigstellung seiner Habilitationsschrift wurde Planck ein unbezahlter Privatdozent – ein deutscher akademischer Rang vergleichbar mit Dozent/Assistenzprofessor in München und wartete darauf, dass ihm eine akademische Position angeboten wurde. Obwohl er anfangs von der akademischen Gemeinschaft ignoriert wurde, setzte er seine Arbeit auf dem Gebiet der Wärmetheoretik fort und entdeckte nacheinander denselben thermodynamischen Formalismus wie Gibbs, ohne es zu bemerken. Clausius' Ideen zur Entropie spielten eine zentrale Rolle in seiner Arbeit.
Im April 1885 ernannte die Universität Kiel Planck zum Außerordentlichen Professor für theoretische Physik. Weitere Arbeiten zur Entropie und ihrer Behandlung, besonders soweit sie auf physikalische Chemie angewendet werden, folgten. Er veröffentlichte sein Lehrbuch der Thermodynamik 1897. Er schlug eine thermodynamische Grundlage für Svante Arrhenius' Theorie der elektrolytischen Dissoziation vor.
1889 wurde er zum Nachfolger von Kirchhoffs Position an der Friedrich-Wilhelms-Universität in Berlin ernannt – vermutlich dank Helmholtz' Vermittlung – und wurde 1892 Ordentlicher Professor. 1907 wurde Planck Boltzmanns Position in Wien angeboten, aber er lehnte ab, um in Berlin zu bleiben. Während 1909 wurde er als Professor an der Universität Berlin eingeladen, um Ernest Kempton Adams Lecturer in Theoretical Physics an der Columbia University in New York City zu werden. Eine Reihe seiner Vorträge wurden von dem Columbia-Universitätsprofessor A. P. Wills übersetzt und gemeinsam veröffentlicht. Er trat am 10. Januar 1926 von Berlin in den Ruhestand und wurde von Erwin Schrödinger nachfolgt.
Familie
Im März 1887 heiratete Planck Marie Merck 1861–1909, die Schwester eines Schulkameraden, und zog mit ihr in eine Mietwohnung in Kiel. Sie hatten vier Kinder: Karl 1888–1916, die Zwillinge Emma 1889–1919 und Grete 1889–1917, und Erwin 1893–1945.
Nach der Wohnung in Berlin lebte die Familie Planck in einer Villa in Berlin-Grunewald, Wangenheimstrasse 21. Mehrere andere Professoren der Universität Berlin lebten in der Nähe, darunter der Theologe Adolf von Harnack, der ein enger Freund Plancks wurde. Bald wurde das Planck-Heim zu einem sozialen und kulturellen Zentrum. Zahlreiche bekannte Wissenschaftler wie Albert Einstein, Otto Hahn und Lise Meitner waren häufige Besucher. Die Tradition der gemeinsamen Musikaufführung war bereits im Heim von Helmholtz etabliert worden.
Nach mehreren glücklichen Jahren starb Marie Planck im Juli 1909, möglicherweise an Tuberkulose. Im März 1911 heiratete Planck seine zweite Frau, Marga von Hoesslin 1882–1948; im Dezember wurde sein fünftes Kind Hermann geboren.
Während des Ersten Weltkriegs wurde Plancks zweiter Sohn Erwin 1914 von den Franzosen gefangen genommen, während sein ältester Sohn Karl in der Schlacht an Verdun fiel. Grete starb 1917 bei der Geburt ihres ersten Kindes. Ihre Schwester starb zwei Jahre später auf die gleiche Weise, nachdem sie Gretes Witwer geheiratet hatte. Beide Enkeltöchter überlebten und wurden nach ihren Müttern benannt. Planck ertrug diese Verluste stoisch.
Im Januar 1945 wurde Erwin, dem er besonders nahestanden, vom Nazi-Volksgerichtshof zum Tode verurteilt, weil er an dem fehlgeschlagenen Attentat auf Hitler im Juli 1944 beteiligt war. Erwin wurde am 23. Januar 1945 hingerichtet.
Professor an der Berliner Universität
Als Professor an der Friedrich-Wilhelms-Universität in Berlin trat Planck der lokalen Physical Society bei. Er schrieb später über diese Zeit: „In jenen Tagen war ich im Wesentlichen der einzige theoretische Physiker dort, daher war es nicht so einfach für mich, denn ich begann, von Entropie zu sprechen, aber das war nicht ganz modern, da es als ein mathematischer Spuk angesehen wurde". Dank seiner Initiative fusionierten die verschiedenen lokalen Physical Societies Deutschlands 1898 zur German Physical Society Deutsche Physikalische Gesellschaft, DPG; von 1905 bis 1909 war Planck Präsident.
Planck startete einen sechssemestrigen Vorlesungskurs über theoretische Physik, „trocken, etwas unpersönlich" nach Lise Meitner, „ohne Notizen, nie Fehler machend, nie stockend; der beste Vortragende, den ich je gehört habe" nach einem englischen Teilnehmer, James R. Partington, der weiter ausführt: „Es gab immer viele, die im Raum herumstanden. Da der Vorlesungsraum gut beheizt und ziemlich eng war, würden von Zeit zu Zeit einige der Zuhörer auf den Boden fallen, aber dies störte den Vortrag nicht." Planck etablierte keine eigentliche „Schule"; die Anzahl seiner Doktoranden betrug nur etwa 20, unter ihnen:
- 1897 Max Abraham 1875–1922
- 1903 Max von Laue 1879–1960
- 1904 Moritz Schlick 1882–1936
- 1906 Walther Meissner 1882–1974
- 1907 Fritz Reiche 1883–1960
- 1912 Walter Schottky 1886–1976
- 1914 Walther Bothe 1891–1957
Schwarzkörperstrahlung
1894 wandte Planck seine Aufmerksamkeit dem Problem der Schwarzkörperstrahlung zu. Das Problem war von Kirchhoff 1859 formuliert worden: „Wie hängt die Intensität der elektromagnetischen Strahlung, die von einem Schwarzkörper – einem perfekten Absorber, auch als Hohlraumstrahler bekannt – emittiert wird, von der Frequenz der Strahlung, d.h. der Farbe des Lichts und der Temperatur des Körpers ab?" Die Frage war experimentell untersucht worden, aber keine theoretische Behandlung stimmte mit experimentellen Werten überein. Wilhelm Wien schlug Wiens Gesetz vor, das das Verhalten bei hohen Frequenzen korrekt vorhersagte, aber bei niedrigen Frequenzen versagte. Das Rayleigh-Jeans-Gesetz, ein weiterer Ansatz zum Problem, stimmte mit experimentellen Ergebnissen bei niedrigen Frequenzen überein, verursachte aber das später als „Ultraviolett-Katastrophe" bekannte Phänomen bei hohen Frequenzen. Entgegen vielen Lehrbüchern war dies jedoch keine Motivation für Planck.
Plancks erste vorgeschlagene Lösung zum Problem 1899 folgte aus dem, was Planck das „Prinzip der elementaren Unordnung" nannte, das ihm erlaubte, Wiens Gesetz aus einer Reihe von Annahmen über die Entropie eines idealen Oszillators abzuleiten, wodurch das sogenannte Wien-Planck-Gesetz entstand. Bald stellte sich heraus, dass experimentelle Evidenz das neue Gesetz überhaupt nicht bestätigte, zu Plancks Frustration. Planck überarbeitete seinen Ansatz und leitete die erste Version des berühmten Planck-Schwarzkörperstrahlungsgesetzes ab, das das experimentell beobachtete Schwarzkörperspektrum gut beschrieb. Es wurde zuerst in einer Sitzung der DPG am 19. Oktober 1900 vorgeschlagen und 1901 veröffentlicht. Diese erste Ableitung beinhaltete keine Energiequantisierung und verwendete keine statistische Mechanik, gegenüber der er eine Abneigung hegte. Im November 1900 überarbeitete Planck diesen ersten Ansatz und stützte sich auf Boltzmanns statistische Interpretation des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik als Weg zu einem tieferen Verständnis der Prinzipien hinter seinem Strahlungsgesetz. Da Planck tief misstrauisch gegenüber den philosophischen und physikalischen Implikationen einer solchen Interpretation von Boltzmanns Ansatz war, war sein Rückgriff auf sie, wie er später sagte, „ein Akt der Verzweiflung ... Ich war bereit, jede meiner bisherigen Überzeugungen über Physik zu opfern".
Die zentrale Annahme hinter seiner neuen, am 14. Dezember 1900 der DPG präsentierten Ableitung war die Vermutung, jetzt als Planck-Postulat bekannt, dass elektromagnetische Energie nur in quantisierter Form emittiert werden konnte, mit anderen Worten, die Energie konnte nur ein Vielfaches einer elementaren Einheit sein:
wobei h Plancks Konstante ist, auch bekannt als Plancks Wirkungsquantum, bereits 1899 eingeführt, und ν die Frequenz der Strahlung ist. Beachten Sie, dass die elementaren Energieeinheiten, die hier diskutiert werden, durch hν dargestellt werden und nicht einfach durch ν. Physiker nennen diese Quanten heute Photonen, und ein Photon mit Frequenz ν wird seine eigene spezifische und einzigartige Energie haben. Die Gesamtenergie bei dieser Frequenz ist dann gleich hν multipliziert mit der Anzahl der Photonen bei dieser Frequenz.
Zuerst betrachtete Planck Quantisierung nur als „eine rein formale Annahme ... eigentlich dachte ich nicht viel darüber nach ..."; heutzutage wird diese Annahme, die mit der klassischen Physik unvereinbar ist, als die Geburt der Quantenphysik und die größte intellektuelle Leistung von Plancks Karriere betrachtet Ludwig Boltzmann hatte 1877 in einem theoretischen Papier die Möglichkeit diskutiert, dass die Energiezustände eines physikalischen Systems diskret sein könnten. Die Entdeckung von Plancks Konstante ermöglichte es ihm, eine neue universelle Menge physikalischer Einheiten wie die Planck-Länge und die Planck-Masse zu definieren, alle basierend auf fundamentalen physikalischen Konstanten, auf denen ein Großteil der Quantentheorie basiert. In Anerkennung von Plancks grundlegendem Beitrag zu einem neuen Zweig der Physik wurde ihm der Nobelpreis für Physik für 1918 verliehen – er erhielt den Preis tatsächlich 1919.
Später versuchte Planck, die Bedeutung von Energiequanten zu verstehen, aber ohne Erfolg. „Meine vergeblichen Versuche, das Wirkungsquantum irgendwie in die klassische Theorie zu reintegrieren, erstreckten sich über mehrere Jahre und verursachten mir viel Verdruss." Noch mehrere Jahre später versuchten andere Physiker wie Rayleigh, Je
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