La scienza non può risolvere l'ultimo mistero della natura. E questo perché, in ultima analisi, noi stessi siamo parte del mistero che stiamo cercando di risolvere.
Max Karl Ernst Ludwig Planck era un fisico teorico tedesco la cui scoperta dei quanti di energia gli valse il Premio Nobel per la Fisica nel 1918.
Planck diede molti contributi alla fisica teorica, ma la sua fama di fisico si basa principalmente sul suo ruolo di ideatore della teoria dei quanti, che rivoluzionò la comprensione umana dei processi atomici e subatomici. Nel 1948, l'istituzione scientifica tedesca Kaiser Wilhelm Society, della quale Planck era stato presidente due volte, fu rinominata Max Planck Society MPS. La MPS ora comprende 83 istituzioni che rappresentano un'ampia gamma di indirizzi scientifici.
Carriera
Planck proveniva da una famiglia tradizionale e intellettuale. Il suo bisnonno paterno e il suo nonno erano entrambi professori di teologia a Göttingen; suo padre era professore di diritto all'Università di Kiel e Monaco. Uno dei suoi zii era anche un giudice.
Planck nacque nel 1858 a Kiel, Holstein, da Johann Julius Wilhelm Planck e dalla sua seconda moglie, Emma Patzig. Fu battezzato con il nome di Karl Ernst Ludwig Marx Planck; tra i suoi nomi propri, Marx, una variante ormai obsoleta di Markus o forse semplicemente un errore per Max, che in realtà è l'abbreviazione di Maximilian, era indicato come il "nome di appella". Tuttavia, all'età di dieci anni firmava con il nome Max e lo usò per il resto della sua vita.
Era il sesto figlio della famiglia, anche se due dei suoi fratelli erano dal primo matrimonio di suo padre. La guerra era comune durante i primi anni di Planck e tra i suoi ricordi più antichi c'era la marcia di truppe prussiane e austriache a Kiel durante la Seconda Guerra dello Schleswig nel 1864. Nel 1867 la famiglia si trasferì a Monaco, e Planck si iscrisse alla scuola Maximilians gymnasium, dove fu sotto la tutela di Hermann Müller, un matematico che si interessò al giovane, e gli insegnò astronomia e meccanica oltre alla matematica. Fu da Müller che Planck apprese per la prima volta il principio di conservazione dell'energia. Planck si laureò anticipatamente, all'età di 17 anni. Così Planck entrò per la prima volta in contatto con il campo della fisica.
Planck aveva talento per la musica. Prese lezioni di canto e suonava pianoforte, organo e violoncello, e componeva canzoni e opere. Tuttavia, invece della musica, scelse di studiare fisica.
Il professore di fisica di Monaco Philipp von Jolly sconsigliò a Planck di intraprendere la fisica, dicendo: "In questo campo, quasi tutto è già stato scoperto, e tutto ciò che rimane è riempire alcuni buchi". Planck rispose che non desiderava scoprire cose nuove, ma solo comprendere i fondamenti noti del campo, e così iniziò i suoi studi nel 1874 all'Università di Monaco. Sotto la supervisione di Jolly, Planck eseguì i soli esperimenti della sua carriera scientifica, studiando la diffusione dell'idrogeno attraverso la platina riscaldata, ma passò alla fisica teorica.
Nel 1877 andò alla Friedrich Wilhelms University di Berlino per un anno di studio con i fisici Hermann von Helmholtz e Gustav Kirchhoff e il matematico Karl Weierstrass. Scrisse che Helmholtz non era mai completamente preparato, parlava lentamente, si sbagliava infinitamente, e annoiava i suoi ascoltatori, mentre Kirchhoff parlava in lezioni attentamente preparate che erano secche e monotone. Presto divenne intimo amico di Helmholtz. Mentre era lì intraprese un programma principalmente di autoapprendimento degli scritti di Clausius, che lo portò a scegliere la termodinamica come suo campo.
Nell'ottobre 1878, Planck superò gli esami di qualificazione e nel febbraio 1879 discusse la sua dissertazione, Über den zweiten Hauptsatz der mechanischen Wärmetheorie Sul secondo principio della termodinamica. Insegnò brevemente matematica e fisica nella sua ex scuola a Monaco.
Entro l'anno 1880, Planck aveva ottenuto i due più alti titoli accademici offerti in Europa. Il primo era un dottorato di ricerca dopo che completò il suo articolo che dettagliava la sua ricerca e teoria della termodinamica. Presentò quindi la sua tesi chiamata Gleichgewichtszustände isotroper Körper in verschiedenen Temperaturen Stati di equilibrio di corpi isotropi a diverse temperature, che gli fruttò un'abilitazione.
Carriera accademica
Con il completamento della sua tesi di abilitazione, Planck divenne un Privatdozent non retribuito, rango accademico tedesco paragonabile a assistente universitario/professore associato a Monaco, in attesa di essere offerto di una posizione accademica. Sebbene inizialmente fosse ignorato dalla comunità accademica, proseguì il suo lavoro nel campo della teoria del calore e scoprì uno dopo l'altro lo stesso formalismo termodinamico di Gibbs senza rendersene conto. Le idee di Clausius sull'entropia ebbero un ruolo centrale nel suo lavoro.
Nell'aprile 1885, l'Università di Kiel nominò Planck professore associato di fisica teorica. Seguì ulteriore lavoro sull'entropia e il suo trattamento, soprattutto come applicato nella chimica fisica. Pubblicò il suo Trattato sulla termodinamica nel 1897. Propose una base termodinamica per la teoria della dissociazione elettrolitica di Svante Arrhenius.
Nel 1889 fu nominato successore della posizione di Kirchhoff alla Friedrich-Wilhelms-Universität di Berlino – presumibilmente grazie all'intercessione di Helmholtz – e entro il 1892 divenne professore ordinario. Nel 1907 a Planck fu offerta la posizione di Boltzmann a Vienna, ma la rifiutò per rimanere a Berlino. Durante il 1909, come professore dell'Università di Berlino, fu invitato a diventare Ernest Kempton Adams Lecturer in Theoretical Physics presso la Columbia University di New York City. Una serie delle sue lezioni fu tradotta e co-pubblicata dal professore di Columbia University A. P. Wills. Si ritirò da Berlino il 10 gennaio 1926, e fu sostituito da Erwin Schrödinger.
Famiglia
Nel marzo 1887, Planck sposò Marie Merck 1861–1909, sorella di un compagno di scuola, e si trasferì con lei in un appartamento in affitto a Kiel. Ebbero quattro figli: Karl 1888–1916, i gemelli Emma 1889–1919 e Grete 1889–1917, ed Erwin 1893–1945.
Dopo l'appartamento a Berlino, la famiglia Planck visse in una villa a Berlino-Grunewald, Wangenheimstrasse 21. Diversi altri professori dell'Università di Berlino vivevano nelle vicinanze, tra loro il teologo Adolf von Harnack, che divenne un caro amico di Planck. Presto la casa di Planck divenne un centro sociale e culturale. Numerosi scienziati ben noti, come Albert Einstein, Otto Hahn e Lise Meitner erano frequenti visitatori. La tradizione di eseguire musica congiuntamente era già stata stabilita nella casa di Helmholtz.
Dopo diversi anni felici, nel luglio 1909 Marie Planck morì, probabilmente di tubercolosi. Nel marzo 1911 Planck sposò la sua seconda moglie, Marga von Hoesslin 1882–1948; nel dicembre nacque il suo quinto figlio Hermann.
Durante la Prima guerra mondiale il secondo figlio di Planck Erwin fu fatto prigioniero dai francesi nel 1914, mentre il suo figlio più grande Karl fu ucciso in azione a Verdun. Grete morì nel 1917 mentre dava alla luce il suo primo figlio. Sua sorella morì allo stesso modo due anni dopo, dopo aver sposato il vedovo di Grete. Entrambe le nipoti sopravvissero e furono chiamate con i nomi delle loro madri. Planck sopportò queste perdite stoicamente.
Nel gennaio 1945, Erwin, al quale era stato particolarmente legato, fu condannato a morte dal nazista Volksgerichtshof per la sua partecipazione al fallito tentativo di assassinare Hitler nel luglio 1944. Erwin fu giustiziato il 23 gennaio 1945.
Professore all'Università di Berlino
Come professore alla Friedrich-Wilhelms-Universität di Berlino, Planck aderì alla locale Società Fisica. In seguito scrisse su questo periodo: "In quei giorni ero essenzialmente l'unico fisico teorico lì, quindi le cose non erano così facili per me, perché iniziai a menzionare l'entropia, ma questo non era del tutto alla moda, poiché era considerato uno spettro matematico". Grazie alla sua iniziativa, le varie Società Fisiche locali della Germania si fusero nel 1898 per formare la Società Fisica Tedesca Deutsche Physikalische Gesellschaft, DPG; dal 1905 al 1909 Planck fu il presidente.
Planck iniziò un corso di sei semestri di lezioni sulla fisica teorica, "secco, alquanto impersonale" secondo Lise Meitner, "senza note, non facendo mai errori, mai esitando; il miglior insegnante che abbia mai sentito" secondo un partecipante inglese, James R. Partington, che continua: "C'erano sempre molti in piedi intorno alla stanza. Poiché l'aula era ben riscaldata e piuttosto affollata, alcuni degli ascoltatori cadevano di tanto in tanto a terra, ma questo non disturbava la lezione." Planck non stabilì una vera "scuola"; il numero dei suoi dottorandi era solo circa 20, tra loro:
- 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
Radiazione del corpo nero
Nel 1894, Planck rivolse la sua attenzione al problema della radiazione del corpo nero. Il problema era stato affermato da Kirchhoff nel 1859: "come dipende l'intensità della radiazione elettromagnetica emessa da un corpo nero, un assorbente perfetto, noto anche come radiatore di cavità, dalla frequenza della radiazione, cioè il colore della luce e la temperatura del corpo?". La domanda era stata esplorata sperimentalmente, ma nessun trattamento teorico concordava con i valori sperimentali. Wilhelm Wien propose la legge di Wien, che predisse correttamente il comportamento ad alte frequenze, ma fallì a basse frequenze. La legge di Rayleigh–Jeans, un altro approccio al problema, concordava con i risultati sperimentali a basse frequenze, ma creava quella che sarebbe stata successivamente chiamata la "catastrofe ultravioletta" ad alte frequenze. Tuttavia, contrariamente a molti libri di testo, questa non era una motivazione per Planck.
La prima soluzione proposta da Planck al problema nel 1899 seguiva da quello che Planck chiamava il "principio del disordine elementare", che gli permise di derivare la legge di Wien da un numero di assunzioni sull'entropia di un oscillatore ideale, creando quella che era chiamata la legge di Wien–Planck. Presto si scoprì che le evidenze sperimentali non confermavano affatto la nuova legge, con grande frustrazione di Planck. Planck rivide il suo approccio, derivando la prima versione della famosa legge della radiazione del corpo nero di Planck, che descriveva bene lo spettro del corpo nero osservato sperimentalmente. Fu proposta per la prima volta in una riunione del DPG il 19 ottobre 1900 e pubblicata nel 1901. Questa prima derivazione non includeva la quantizzazione dell'energia, e non usava la meccanica statistica, verso la quale aveva un'avversione. Nel novembre 1900 Planck rivide questo primo approccio, affidandosi all'interpretazione statistica di Boltzmann della seconda legge della termodinamica come un modo di ottenere una comprensione più fondamentale dei principi dietro la sua legge di radiazione. Poiché Planck era profondamente sospettoso delle implicazioni filosofiche e fisiche di una tale interpretazione dell'approccio di Boltzmann, il suo ricorso ad esse era, come disse più tardi, "un atto di disperazione ... Ero pronto a sacrificare qualsiasi mia convinzione precedente sulla fisica".
L'assunzione centrale dietro la sua nuova derivazione, presentata al DPG il 14 dicembre 1900, era la supposizione, ora nota come postulato di Planck, che l'energia elettromagnetica potesse essere emessa solo in forma quantizzata, in altre parole, l'energia potesse solo essere un multiplo di un'unità elementare:
dove h è la costante di Planck, nota anche come quanto di azione di Planck introdotto già nel 1899, e ν è la frequenza della radiazione. Si noti che le unità elementari di energia discusse qui sono rappresentate da hν e non semplicemente da ν. I fisici ora chiamano questi quanti fotoni, e un fotone di frequenza ν avrà la sua propria energia specifica e unica. L'energia totale a quella frequenza è quindi uguale a hν moltiplicato per il numero di fotoni a quella frequenza.
All'inizio Planck considerò che la quantizzazione fosse solo "un'assunzione puramente formale ... in realtà non pensai molto a esso ..."; oggi questa assunzione, incompatibile con la fisica classica, è considerata la nascita della fisica quantistica e il più grande risultato intellettuale della carriera di Planck. Ludwig Boltzmann aveva discusso in un articolo teorico nel 1877 la possibilità che gli stati energetici di un sistema fisico potessero essere discreti. La scoperta della costante di Planck gli permise di definire un nuovo insieme universale di unità fisiche come la lunghezza di Planck e la massa di Planck, tutte basate su costanti fisiche fondamentali su cui gran parte della teoria quantistica si basa. In riconoscimento del contributo fondamentale di Planck a un nuovo ramo della fisica, gli fu assegnato il Premio Nobel per la Fisica per il 1918, anche se in realtà ricevette il premio nel 1919.
Successivamente, Planck cercò di comprendere il significato dei quanti di energia, ma senza successo. "I miei inutili tentativi di reintegrare il quanto di azione nella teoria classica si estesero per diversi anni e mi causarono molti problemi." Anche diversi anni dopo, altri fisici come Rayleigh, Je
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