La ciencia no puede resolver el misterio final de la naturaleza. Y eso es porque, en el análisis final, nosotros mismos somos parte del misterio que estamos tratando de resolver.
Max Karl Ernst Ludwig Planck fue un físico teórico alemán cuyo descubrimiento de los cuantos de energía le valió el Premio Nobel de Física en 1918.
Planck hizo muchas contribuciones a la física teórica, pero su fama como físico descansa principalmente en su papel como originador de la teoría cuántica, que revolucionó la comprensión humana de los procesos atómicos y subatómicos. En 1948, la institución científica alemana Kaiser Wilhelm Society, de la cual Planck fue presidente dos veces, fue renombrada Max Planck Society MPS. La MPS ahora incluye 83 instituciones que representan una amplia gama de direcciones científicas.
Carrera
Planck provenía de una familia tradicional e intelectual. Su bisabuelo y abuelo paterno fueron ambos profesores de teología en Göttingen; su padre fue profesor de derecho en la Universidad de Kiel y Munich. Uno de sus tíos también fue juez.
Planck nació en 1858 en Kiel, Holstein, hijo de Johann Julius Wilhelm Planck y su segunda esposa, Emma Patzig. Fue bautizado con el nombre de Karl Ernst Ludwig Marx Planck; de sus nombres de pila, Marx una variante ahora obsoleta de Markus o tal vez simplemente un error por Max, que es en realidad la abreviatura de Maximilian fue indicado como el "nombre de apelación". Sin embargo, a los diez años firmaba con el nombre Max y lo usó durante el resto de su vida.
Era el 6º hijo de la familia, aunque dos de sus hermanos eran del primer matrimonio de su padre. La guerra era común durante los primeros años de Planck y entre sus primeros recuerdos estaba el desfile de tropas prusianas y austriacas en Kiel durante la Segunda Guerra de Schleswig en 1864. En 1867 la familia se mudó a Munich, y Planck se inscribió en la escuela Maximilians gymnasium, donde cayó bajo la tutoría de Hermann Müller, un matemático que se interesó en el joven y le enseñó astronomía y mecánica así como matemáticas. Fue de Müller que Planck aprendió por primera vez el principio de conservación de la energía. Planck se graduó temprano, a los 17 años. Así fue como Planck tuvo su primer contacto con el campo de la física.
Planck fue talentoso cuando se trataba de música. Tomó lecciones de canto y tocaba piano, órgano y violonchelo, y componía canciones y óperas. Sin embargo, en lugar de música, eligió estudiar física.
El profesor de física de Munich Philipp von Jolly le aconsejó a Planck que no se dedicara a la física, diciendo: "En este campo, casi todo ya está descubierto, y todo lo que queda es llenar algunos huecos". Planck respondió que no deseaba descubrir cosas nuevas, sino solo comprender los fundamentos conocidos del campo, y así comenzó sus estudios en 1874 en la Universidad de Munich. Bajo la supervisión de Jolly, Planck realizó los únicos experimentos de su carrera científica, estudiando la difusión de hidrógeno a través de platino calentado, pero se trasladó a la física teórica.
En 1877, fue a la Friedrich Wilhelms University en Berlín durante un año de estudio con los físicos Hermann von Helmholtz y Gustav Kirchhoff y el matemático Karl Weierstrass. Escribió que Helmholtz nunca estaba completamente preparado, hablaba lentamente, cometía errores de cálculo sin fin y aburría a sus oyentes, mientras que Kirchhoff hablaba en conferencias cuidadosamente preparadas que eran secas y monótonas. Pronto se convirtió en gran amigo de Helmholtz. Mientras estuvo allí, realizó un programa de estudio principalmente autodidacta de los escritos de Clausius, lo que lo llevó a elegir la termodinámica como su campo.
En octubre de 1878, Planck aprobó sus exámenes de calificación y en febrero de 1879 defendió su disertación, Über den zweiten Hauptsatz der mechanischen Wärmetheorie Sobre la segunda ley de la termodinámica. Brevemente enseñó matemáticas y física en su antigua escuela en Munich.
Para el año 1880, Planck había obtenido los dos grados académicos más altos que se ofrecían en Europa. El primero fue un doctorado después de que completó su artículo detallando su investigación y teoría de la termodinámica. Luego presentó su tesis llamada Gleichgewichtszustände isotroper Körper in verschiedenen Temperaturen Estados de equilibrio de cuerpos isotrópicos a diferentes temperaturas, que le otorgó una habilitación.
Carrera académica
Con la finalización de su tesis de habilitación, Planck se convirtió en un Privatdozent sin sueldo rango académico alemán comparable a profesor conferenciante/profesor asistente en Munich, esperando hasta que se le ofreciera una posición académica. Aunque fue ignorado inicialmente por la comunidad académica, continuó su trabajo en el campo de la teoría del calor y descubrió uno tras otro el mismo formalismo termodinámico que Gibbs sin darse cuenta. Las ideas de Clausius sobre la entropía ocupaban un papel central en su trabajo.
En abril de 1885, la Universidad de Kiel nombró a Planck profesor asociado de física teórica. Siguieron más trabajos sobre la entropía y su tratamiento, especialmente aplicados en química física. Publicó su Tratado sobre Termodinámica en 1897. Propuso una base termodinámica para la teoría de la disociación electrolítica de Svante Arrhenius.
En 1889, fue nombrado sucesor de la posición de Kirchhoff en la Friedrich-Wilhelms-Universität en Berlín –presumiblemente gracias a la intercesión de Helmholtz– y para 1892 se convirtió en profesor titular. En 1907 Planck fue ofrecido la posición de Boltzmann en Viena, pero la rechazó para permanecer en Berlín. Durante 1909, como profesor de la Universidad de Berlín, fue invitado a convertirse en conferenciante Ernest Kempton Adams en Física Teórica en la Universidad de Columbia en Nueva York. Una serie de sus conferencias fueron traducidas y copublicadas por el profesor de la Universidad de Columbia A. P. Wills. Se retiró de Berlín el 10 de enero de 1926, y fue sucedido por Erwin Schrödinger.
Familia
En marzo de 1887, Planck se casó con Marie Merck 1861–1909, hermana de un compañero de escuela, y se mudó con ella a un apartamento subarrendado en Kiel. Tuvieron cuatro hijos: Karl 1888–1916, los gemelos Emma 1889–1919 y Grete 1889–1917, y Erwin 1893–1945.
Después del apartamento en Berlín, la familia Planck vivió en una villa en Berlín-Grunewald, Wangenheimstrasse 21. Varios otros profesores de la Universidad de Berlín vivían cerca, entre ellos el teólogo Adolf von Harnack, quien se convirtió en un amigo cercano de Planck. Pronto el hogar de Planck se convirtió en un centro social y cultural. Numerosos científicos bien conocidos, como Albert Einstein, Otto Hahn y Lise Meitner fueron visitantes frecuentes. La tradición de ejecutar música en conjunto ya había sido establecida en el hogar de Helmholtz.
Después de varios años felices, en julio de 1909 Marie Planck murió, posiblemente de tuberculosis. En marzo de 1911 Planck se casó con su segunda esposa, Marga von Hoesslin 1882–1948; en diciembre nació su quinto hijo Hermann.
Durante la Primera Guerra Mundial, el segundo hijo de Planck, Erwin, fue capturado por los franceses en 1914, mientras que su hijo mayor Karl fue muerto en acción en Verdún. Grete murió en 1917 mientras daba a luz a su primer hijo. Su hermana murió de la misma manera dos años después, después de haber casado con el viudo de Grete. Ambas nietas sobrevivieron y fueron nombradas en honor a sus madres. Planck soportó estas pérdidas con estoicismo.
En enero de 1945, Erwin, a quien había sido particularmente cercano, fue condenado a muerte por el Volksgerichtshof nazi debido a su participación en el intento fallido de asesinar a Hitler en julio de 1944. Erwin fue ejecutado el 23 de enero de 1945.
Profesor en la Universidad de Berlín
Como profesor en la Friedrich-Wilhelms-Universität en Berlín, Planck se unió a la Sociedad Física local. Más tarde escribió sobre este tiempo: "En aquellos días, yo era esencialmente el único físico teórico allí, de donde las cosas no eran tan fáciles para mí, porque comencé a mencionar la entropía, pero esto no era bastante de moda, ya que se consideraba como un fantasma matemático". Gracias a su iniciativa, las diversas Sociedades Físicas locales de Alemania se fusionaron en 1898 para formar la Sociedad Física Alemana Deutsche Physikalische Gesellschaft, DPG; de 1905 a 1909 Planck fue presidente.
Planck comenzó un curso de seis semestres de conferencias sobre física teórica, "seco, algo impersonal" según Lise Meitner, "sin usar notas, nunca cometiendo errores, nunca vacilando; el mejor conferencista que jamás he escuchado" según un participante inglés, James R. Partington, quien continúa: "Siempre había muchos de pie alrededor de la sala. Como la sala de conferencias estaba bien calentada y bastante cerrada, algunos de los oyentes caerían de vez en cuando al piso, pero esto no perturbaba la conferencia". Planck no estableció una verdadera "escuela"; el número de sus estudiantes de postgrado fue de solo alrededor de 20, entre ellos:
- 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
Radiación de cuerpo negro
En 1894, Planck dirigió su atención al problema de la radiación de cuerpo negro. El problema fue planteado por Kirchhoff en 1859: "¿cómo depende la intensidad de la radiación electromagnética emitida por un cuerpo negro un absorbedor perfecto, también conocido como radiador de cavidad de la frecuencia de la radiación es decir, el color de la luz y la temperatura del cuerpo?". La pregunta había sido explorada experimentalmente, pero ningún tratamiento teórico concordó con los valores experimentales. Wilhelm Wien propuso la ley de Wien, que predijo correctamente el comportamiento a altas frecuencias, pero falló a bajas frecuencias. La ley de Rayleigh–Jeans, otro enfoque al problema, concordó con los resultados experimentales a bajas frecuencias, pero creó lo que luego se conocería como la "catástrofe ultravioleta" a altas frecuencias. Sin embargo, contrariamente a muchos libros de texto, esta no fue una motivación para Planck.
La primera solución propuesta por Planck al problema en 1899 siguió lo que Planck llamó el "principio del desorden elemental", que le permitió derivar la ley de Wien a partir de una serie de suposiciones sobre la entropía de un oscilador ideal, creando lo que se denominó la ley Wien–Planck. Pronto se descubrió que la evidencia experimental no confirmaba la nueva ley en absoluto, para frustración de Planck. Planck revisó su enfoque, derivando la primera versión de la famosa ley de radiación de cuerpo negro de Planck, que describía bien el espectro de cuerpo negro observado experimentalmente. Fue propuesto por primera vez en una reunión de la DPG el 19 de octubre de 1900 y publicado en 1901. Esta primera derivación no incluía cuantización de energía y no usaba mecánica estadística, a la que tenía aversión. En noviembre de 1900 Planck revisó este primer enfoque, confiando en la interpretación estadística de Boltzmann de la segunda ley de la termodinámica como una forma de obtener una comprensión más fundamental de los principios detrás de su ley de radiación. Como Planck desconfiaba profundamente de las implicaciones filosóficas y físicas de tal interpretación del enfoque de Boltzmann, su recurso a ellas fue, como lo expresó posteriormente, "un acto de desesperación ... Estaba dispuesto a sacrificar cualquiera de mis convicciones anteriores sobre física".
La suposición central detrás de su nueva derivación, presentada a la DPG el 14 de diciembre de 1900, fue la suposición, ahora conocida como el postulado de Planck, de que la energía electromagnética solo podía ser emitida de forma cuantizada, en otras palabras, la energía solo podía ser un múltiplo de una unidad elemental:
donde h es la constante de Planck, también conocida como cuanto de acción de Planck introducida ya en 1899, y ν es la frecuencia de la radiación. Nótese que las unidades elementales de energía discutidas aquí están representadas por hν y no simplemente por ν. Los físicos ahora llaman a estos cuanta fotones, y un fotón de frecuencia ν tendrá su propia energía específica y única. La energía total en esa frecuencia es entonces igual a hν multiplicado por el número de fotones en esa frecuencia.
Al principio Planck consideró que la cuantización era solo "una suposición puramente formal ... en realidad no pensé mucho en ello ..."; hoy en día esta suposición, incompatible con la física clásica, se considera como el nacimiento de la física cuántica y el mayor logro intelectual de la carrera de Planck Ludwig Boltzmann había estado discutiendo en un artículo teórico en 1877 la posibilidad de que los estados de energía de un sistema físico pudieran ser discretos. El descubrimiento de la constante de Planck le permitió definir un nuevo conjunto universal de unidades físicas tales como la longitud de Planck y la masa de Planck, todas basadas en constantes físicas fundamentales sobre las cuales se basa gran parte de la teoría cuántica. En reconocimiento de la contribución fundamental de Planck a una nueva rama de la física, le fue otorgado el Premio Nobel de Física para 1918 en realidad recibió el premio en 1919.
Posteriormente, Planck intentó comprender el significado de los cuanta de energía, pero sin éxito. "Mis intentos inútiles de reintegrar de alguna manera el cuanto de acción en la teoría clásica se extendieron durante varios años y me causaron mucho problema". Incluso varios años después, otros físicos como Rayleigh, Je
.jpg)
