Max Planck

Наука не может разгадать последнюю тайну природы. И это потому, что в конечном анализе мы сами являемся частью той тайны, которую пытаемся разгадать.

Max Karl Ernst Ludwig Planck был немецким теоретическим физиком, чьё открытие энергетических квантов принесло ему Нобелевскую премию по физике в 1918 году.

Планк внёс множество вкладов в теоретическую физику, но его слава как физика основана в первую очередь на его роли как основателя квантовой теории, которая революционизировала человеческое понимание атомных и субатомных процессов. В 1948 году немецкое научное учреждение Kaiser Wilhelm Society, президентом которого Планк был дважды, было переименовано в Max Planck Society MPS. MPS теперь включает 83 учреждения, представляющие широкий спектр научных направлений.

Карьера

Планк происходил из традиционной, интеллектуальной семьи. Его прапрадед и дед по отцовской линии оба были профессорами теологии в Göttingen; его отец был профессором права в университетах Kiel и Munich. Один из его дядей был также судьёй.

Планк родился в 1858 году в Kiel, Holstein, у Johann Julius Wilhelm Planck и его второй жены Emma Patzig. Он был крещён с именем Karl Ernst Ludwig Marx Planck; из его имён Marx, ныне устаревший вариант Markus или, возможно, просто ошибка вместо Max, что на самом деле является сокращением от Maximilian, был указан как "имя при крещении". Однако в возрасте десяти лет он подписывался именем Max и использовал его всю оставшуюся жизнь.

Он был 6-м ребёнком в семье, хотя двое из его братьев и сестёр были от первого брака его отца. Война была распространена в ранние годы Планка, и одним из его самых ранних воспоминаний был марш прусских и австрийских войск в Kiel во время Второй Шлезвигской войны в 1864 году. В 1867 году семья переехала в Munich, и Планк поступил в гимназию Maximilians, где попал под опеку Hermann Müller, математика, который проявил интерес к молодому человеку и обучал его астрономии и механике, а также математике. От Müller Планк впервые узнал принцип сохранения энергии. Планк окончил школу досрочно, в возрасте 17 лет. Так Планк впервые соприкоснулся с областью физики.

Планк имел способности в музыке. Он брал уроки пения и играл на фортепиано, органе и виолончели, а также сочинял песни и оперы. Однако вместо музыки он выбрал изучение физики.

Мюнхенский профессор физики Philipp von Jolly отговаривал Планка от занятия физикой, говоря: "В этой области почти всё уже открыто, и всё что остаётся, это заполнить несколько дыр". Планк ответил, что не желает открывать новое, а только хочет понять известные основы этой области, и поэтому начал свои исследования в 1874 году в Мюнхенском университете. Под наблюдением Jolly Планк проводил единственные экспериментальные работы своей научной карьеры, изучая диффузию водорода через нагретую платину, но затем перешёл к теоретической физике.

В 1877 году он поехал в Friedrich Wilhelms University в Berlin на год обучения у физиков Hermann von Helmholtz и Gustav Kirchhoff и математика Karl Weierstrass. Он писал, что Helmholtz никогда не был вполне готов, говорил медленно, постоянно ошибался в расчётах и утомлял своих слушателей, тогда как Kirchhoff читал тщательно подготовленные лекции, которые были сухи и монотонны. Вскоре он стал близким другом Helmholtz. Там он предпринял программу в основном самостоятельного изучения работ Clausius, что привело его к выбору термодинамики как своей специальности.

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 механической теории тепла). Он кратко преподавал математику и физику в своей бывшей школе в Munich.

К 1880 году Планк получил два высших академических степени, предлагаемые в Европе. Первая была докторская степень после завершения его работы с описанием его исследований и теории термодинамики. Затем он представил свою диссертацию под названием "Gleichgewichtszustände isotroper Körper in verschiedenen Temperaturen" (Состояния равновесия изотропных тел при разных температурах), которая принесла ему хабилитацию.

Академическая карьера

После завершения своей диссертации по хабилитации Планк стал неоплачиваемым приват-доцентом (немецкий академический ранг, сравнимый с должностью лектора/ассистента профессора) в Munich, ожидая предложение о занятии академической должности. Хотя он первоначально был проигнорирован академическим сообществом, он продолжал свою работу в области теории тепла и одно за другим открывал ту же термодинамическую формализацию, что и Gibbs, не осознавая этого. Идеи Clausius об энтропии занимали центральное место в его работе.

В апреле 1885 года Университет Kiel назначил Планка доцентом теоретической физики. Последовала дальнейшая работа по энтропии и её трактовке, особенно применительно к физической химии. Он опубликовал свой "Трактат по термодинамике" в 1897 году. Он предложил термодинамическую основу для теории электролитической диссоциации Svante Arrhenius.

В 1889 году он был назначен преемником на должность Kirchhoff в Friedrich-Wilhelms-Universität в Berlin – предположительно благодаря ходатайству Helmholtz – и к 1892 году стал полным профессором. В 1907 году Планку была предложена должность Boltzmann в Vienna, но он отклонил её, чтобы остаться в Berlin. В течение 1909 года, будучи профессором Университета Berlin, ему предложили стать Ernest Kempton Adams Lecturer по теоретической физике в Columbia University в New York City. Серия его лекций была переведена и совместно опубликована профессором Columbia University A. P. Wills. Он вышел в отставку из Berlin 10 января 1926 года и был заменён Erwin Schrödinger.

Семья

В марте 1887 года Планк женился на Marie Merck (1861–1909), сестре одноклассника, и переехал с ней в арендуемую квартиру в Kiel. У них было четыре ребёнка: Karl (1888–1916), близнецы Emma (1889–1919) и Grete (1889–1917), и Erwin (1893–1945).

После квартиры в Berlin семья Планков жила в вилле в Berlin-Grunewald, Wangenheimstrasse 21. Несколько других профессоров из Университета Berlin жили поблизости, в том числе теолог Adolf von Harnack, который стал близким другом Планка. Вскоре дом Планка стал центром социальной и культурной жизни. Многочисленные известные учёные, такие как Albert Einstein, Otto Hahn и Lise Meitner, часто посещали его. Традиция совместного исполнения музыки уже была установлена в доме Helmholtz.

После нескольких счастливых лет в июле 1909 года Marie Planck умерла, возможно от туберкулёза. В марте 1911 года Планк женился на своей второй жене Marga von Hoesslin (1882–1948); в декабре родился его пятый ребёнок Hermann.

Во время Первой мировой войны второй сын Планка Erwin был взят в плен французами в 1914 году, а его старший сын Karl был убит в боях при Verdun. Grete умерла в 1917 году при рождении своего первого ребёнка. Её сестра умерла так же два года спустя, выйдя замуж за вдовца Grete. Обе внучки выжили и были названы в честь своих матерей. Планк переносил эти потери с достоинством.

В январе 1945 года Erwin, к которому он был особенно привязан, был приговорён к смертной казни Nazi Volksgerichtshof за участие в неудавшейся попытке убить Hitler в июле 1944 года. Erwin был казнён 23 января 1945 года.

Профессор Берлинского университета

Будучи профессором в Friedrich-Wilhelms-Universität в Berlin, Планк присоединился к местному Физическому обществу. Позже он писал об этом времени: "В те дни я был по существу единственным теоретическим физиком там, поэтому мне было нелегко, потому что я начал упоминать энтропию, но это не было совсем модно, так как рассматривалось как математический призрак". Благодаря его инициативе различные местные Физические общества Германии объединились в 1898 году, образовав Немецкое физическое общество (Deutsche Physikalische Gesellschaft, DPG); с 1905 по 1909 год Планк был президентом.

Планк начал шестисеместровый курс лекций по теоретической физике, "сухой, несколько безличный" по словам Lise Meitner, "без конспектов, никогда не ошибаясь, никогда не спотыкаясь; лучший лектор, которого я когда-либо слышал" по словам английского участника James R. Partington, который продолжает: "Всегда было много стоящих вокруг комнаты. Так как аудитория была хорошо отапливаемая и довольно тесная, некоторые из слушателей время от времени падали на пол, но это не нарушало лекцию". Планк не создал собственной "школы"; число его аспирантов составляло всего около 20, среди них:

• 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)

Излучение чёрного тела

В 1894 году Планк обратил своё внимание на проблему излучения чёрного тела. Проблема была поставлена Kirchhoff в 1859 году: "как зависит интенсивность электромагнитного излучения, испускаемого чёрным телом (совершенным поглотителем, также известным как полостной излучатель), от частоты излучения (то есть цвета света) и температуры тела?". Вопрос был исследован экспериментально, но ни один теоретический подход не совпадал с экспериментальными значениями. Wilhelm Wien предложил Wien's law, которая правильно предсказала поведение на высоких частотах, но не удалась на низких частотах. Закон Rayleigh–Jeans, ещё один подход к проблеме, совпадал 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 решение проблемы в 1899 году следовало из того, что Планк называл "принципом элементарного беспорядка", который позволил ему вывести Wien's law из ряда предположений об энтропии идеального осциллятора, создав то, что называлось Wien–Planck law. Вскоре обнаружилось, что экспериментальные данные вообще не подтвердили новый закон, к разочарованию Планка. Планк пересмотрел свой подход, выведя первую версию знаменитого закона излучения чёрного тела Планка, который хорошо описывал экспериментально наблюдаемый спектр чёрного тела. Он был впервые предложен на заседании DPG 19 октября 1900 года и опубликован в 1901 году. Этот первый вывод не включал энергетическое квантование и не использовал статистическую механику, к которой он питал отвращение. В ноябре 1900 года Планк пересмотрел этот первый подход, полагаясь на статистическую интерпретацию Boltzmann второго закона термодинамики как способ достижения более глубокого понимания принципов, лежащих в основе его закона излучения. Так как Планк глубоко скептически относился к философским и физическим последствиям такой интерпретации подхода Boltzmann, его обращение к ним было, как он позже выразился, "актом отчаяния ... Я был готов пожертвовать любым из моих предыдущих убеждений о физике".

Центральное предположение его нового вывода, представленное DPG 14 декабря 1900 года, заключалось в предположении, известном теперь как постулат Планка, что электромагнитная энергия может быть излучена только в квантованном виде, другими словами, энергия могла быть только кратна элементарной единице:

где h – постоянная Планка, также известная как квант действия Планка введённая уже в 1899 году, и 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 частоты ν будет иметь свою собственную специфическую и уникальную энергию. Полная энергия на этой частоте тогда равна hν, умноженному на число фотонов на этой частоте.

Сначала Планк считал, что квантование было только "чисто формальным предположением ... на самом деле я много об этом не думал ..."; в наши дни это предположение, несовместимое с классической физикой, рассматривается как рождение квантовой физики и величайшее интеллектуальное достижение карьеры Планка. Ludwig Boltzmann обсуждал в теоретической статье в 1877 году возможность того, что энергетические состояния физической системы могли бы быть дискретными. Открытие постоянной Планка позволило ему определить новый универсальный набор физических единиц, таких как длина Планка и масса Планка, все основанные на фундаментальных физических константах, на которых основана большая часть квантовой теории. В признание фундаментального вклада Планка в новую область физики ему была присуждена Нобелевская премия по физике за 1918 год (фактически он получил награду в 1919 году).

Впоследствии Планк пытался понять значение энергетических квантов, но безуспешно. "Мои тщетные попытки каким-то образом переинтегрировать квант действия в классическую теорию продолжались несколько лет и причинили мне много хлопот". Ещё несколько лет спустя другие физики, такие как Rayleigh, Je