Что открыл макс планк. Нобелевские лауреаты: Макс Планк

Немецкий физик Макс Карл Эрнст Людвиг Планк родился в г. Киле (принадлежавшем тогда Пруссии), в семье профессора гражданского права Иоганна Юлиуса Вильгельма фон Планка, профессора гражданского права, и Эммы (в девичестве Патциг) Планк. В детстве мальчик учился играть на фортепьяно и органе, обнаруживая незаурядные музыкальные способности. В 1867 г. семья переехала в Мюнхен, и там П. поступил в Королевскую Максимилиановскую классическую гимназию, где превосходный преподаватель математики впервые пробудил в нем интерес к естественным и точным наукам. По окончании гимназии в 1874 г. он собирался было изучать классическую филологию, пробовал свои силы в музыкальной композиции, но потом отдал предпочтение физике.

В течение трех лет П. изучал математику и физику в Мюнхенском и год – в Берлинском университетах. Один из его профессоров в Мюнхене, физик-экспериментатор Филипп фон Жолли, оказался плохим пророком, когда посоветовал молодому П. избрать другую профессию, так как, по его словам, в физике не осталось ничего принципиально нового, что можно было бы открыть. Эта точка зрения, широко распространенная в то время, возникла под влиянием необычайных успехов, которых ученые в XIX в. достигли в приумножении наших знаний о физических и химических процессах.

В бытность свою в Берлине П. приобрел более широкий взгляд на физику благодаря публикациям выдающихся физиков Германа фон Гельмгольца и Густава Кирхгофа, а также статьям Рудольфа Клаузиуса. Знакомство с их трудами способствовало тому, что научные интересы П. надолго сосредоточивались на термодинамике – области физики, в которой на основе небольшого числа фундаментальных законов изучаются явления теплоты, механической энергии и преобразования энергии. Ученую степень доктора П. получил в 1879 г., защитив в Мюнхенском университете диссертацию о втором начале термодинамики, утверждающем, что ни один непрерывный самоподдерживающийся процесс не может переносить тепло от более холодного тела к более теплому.

На следующий год П. написал еще одну работу по термодинамике, которая принесла ему должность младшего ассистента физического факультета Мюнхенского университета. В 1885 г. он стал адъюнкт-профессором Кильского университета, что упрочило его независимость, укрепило финансовое положение и предоставило больше времени для научных исследований. Работы П. по термодинамике и ее приложениям к физической химии и электрохимии снискали ему международное признание. В 1888 г. он стал адъюнкт-профессором Берлинского университета и директором Института теоретической физики (пост директора был создан специально для него). Полным (действительным) профессором он стал в 1892 г.

С 1896 г. П. заинтересовался измерениями, производившимися в Государственном физико-техническом институте в Берлине, а также проблемами теплового излучения тел. Любое тело, содержащее тепло, испускает электромагнитное излучение. Если тело достаточно горячее, то это излучение становится видимым. При повышении температуры тело сначала раскаляется докрасна, затем становится оранжево-желтым и, наконец, белым. Излучение испускает смесь частот (в видимом диапазоне частота излучения соответствует цвету). Однако излучение тела зависит не только от температуры, но и до некоторой степени от таких характеристик поверхности, как цвет и структура.

В качестве идеального эталона для измерения и теоретических исследований физики приняли воображаемое абсолютное черное тело. По определению, абсолютно черным называется тело, которое поглощает все падающее на него излучение и ничего не отражает. Излучение, испускаемое абсолютно черным телом, зависит только от его температуры. Хотя такого идеального тела не существует, неким приближением к нему может служить замкнутая оболочка с небольшим отверстием (например, надлежащим образом сконструированная печь, стенки и содержимое которой находятся в равновесии при одной и той же температуре).

Одно из доказательств чернотельных характеристик такой оболочки сводится к следующему. Излучение, падающее на отверстие, попадает в полость и, отражаясь от стенок, частично отражается и частично поглощается. Поскольку вероятность того, что излучение в результате многочисленных отражений выйдет через отверстие наружу, очень мала, оно практически полностью поглощается. Излучение, берущее начало в полости и выходящее из отверстия, принято считать эквивалентным излучению, испускаемому площадкой размером с отверстие на поверхности абсолютно черного тела при температуре полости и оболочки. Подготавливая собственные исследования, П. прочитал работу Кирхгофа о свойствах такой оболочки с отверстием. Точное количественное описание наблюдаемого распределения энергии излучения в этом случае получило название проблемы черного тела.

Как показали эксперименты с черным телом, график зависимости энергии (яркости) от частоты или длины волны является характеристической кривой. При низких частотах (больших длинах волн) она прижимается к оси частот, затем на некоторой промежуточной частоте достигает максимума (пик с округлой вершиной), а затем при более высоких частотах (коротких длинах волн) спадает. При повышении температуры кривая сохраняет свою форму, но сдвигается в сторону более высоких частот. Были установлены эмпирические соотношения между температурой и частотой пика на кривой излучения черного тела (закон смещения Вина, названный так в честь Вильгельма Вина) и между температурой и всей излученной энергией (закон Стефана – Больцмана, названный так в честь австрийских физиков Йозефа Стефана и Людвига Больцмана), но никому не удавалось вывести кривую излучения черного тела из основных принципов, известных в то время.

Вину удалось получить полуэмпирическую формулу, которую можно подогнать так, что она хорошо описывает кривую при высоких частотах, но неверно передает ее ход при низких частотах. Дж. У. Стретт (лорд Рэлей) и английский физик Джеймс Джинс применили принцип равного распределения энергии по частотам колебаний осцилляторов, заключенных в пространстве черного тела, и пришли к другой формуле (формуле Рэлея – Джинса). Она хорошо воспроизводила кривую излучения черного тела при низких частотах, но расходилась с ней на высоких частотах.

П. под влиянием теории электромагнитной природы света Джеймса Клерка Максвелла (опубликованной в 1873 г. и подтвержденной экспериментально Генрихом Герцем в 1887 г.) подошел к проблеме черного тела с точки зрения распределения энергии между элементарными электрическими осцилляторами, физическая форма которых никак не конкретизируется. Хотя на первый взгляд может показаться, что выбранный им метод напоминает вывод Рэлея – Джинса, П. отверг некоторые из принятых этими учеными допущений.

В 1900 г., после продолжительных и настойчивых попыток создать теорию, которая удовлетворительно объясняла бы экспериментальные данные, П. удалось вывести формулу, которая, как обнаружили физики-экспериментаторы из Государственного физико-технического института, согласовывалась с результатами измерений с замечательной точностью. Законы Вина и Стефана – Больцмана также следовали из формулы Планка. Однако для вывода своей формулы ему пришлось ввести радикальное понятие, идущее вразрез со всеми установленными принципами. Энергия планковских осцилляторов изменяется не непрерывно, как следовало бы из традиционной физики, а может принимать только дискретные значения, увеличивающиеся (или уменьшающиеся) конечными шагами. Каждый шаг по энергии равен некоторой постоянной (называемой ныне постоянной Планка), умноженной на частоту. Дискретные порции энергии впоследствии получили название квантов. Введенная П. гипотеза ознаменовала рождение квантовой теории, совершившей подлинную революцию в физике. Классическая физика в противоположность современной физике ныне означает «физика до Планка».

П. отнюдь не был революционером, и ни он сам, ни другие физики не сознавали глубокого значения понятия «квант». Для П. квант был всего лишь средством, позволившим вывести формулу, дающую удовлетворительное согласие с кривой излучения абсолютно черного тела. Он неоднократно пытался достичь согласия в рамках классической традиции, но безуспешно. Вместе с тем он с удовольствием отметил первые успехи квантовой теории, последовавшие почти незамедлительно. Его новая теория включала в себя, помимо постоянной Планка, и другие фундаментальные величины, такие, как скорость света и число, известное под названием постоянной Больцмана. В 1901 г., опираясь на экспериментальные данные по излучению черного тела, П. вычислил значение постоянной Больцмана и, используя другую известную информацию, получил число Авогадро (число атомов в одном моле элемента). Исходя из числа Авогадро, П. сумел с замечательной точностью найти электрический заряд электрона.

Позиции квантовой теории укрепились в 1905 г., когда Альберт Эйнштейн воспользовался понятием фотона – кванта электромагнитного излучения – для объяснения фотоэлектрического эффекта (испускание электронов поверхностью металла, освещаемой ультрафиолетовым излучением). Эйнштейн предположил, что свет обладает двойственной природой: он может вести себя и как волна (в чем нас убеждает вся предыдущая физика), и как частица (о чем свидетельствует фотоэлектрический эффект). В 1907 г. Эйнштейн еще более упрочил положение квантовой теории, воспользовавшись понятием кванта для объяснения загадочных расхождений между предсказаниями теории и экспериментальными измерениями удельной теплоемкости тел – количества тепла, необходимого для того, чтобы поднять на один градус температуру одной единицы массы твердого тела.

Еще одно подтверждение потенциальной мощи введенной П. новации поступило в 1913 г. от Нильса Бора, применившего квантовую теорию к строению атома. В модели Бора электроны в атоме могли находиться только на определенных энергетических уровнях, определяемых квантовыми ограничениями. Переход электронов с одного уровня на другой сопровождается выделением разности энергий в виде фотона излучения с частотой, равной энергии фотона, деленной на постоянную Планка. Тем самым получали квантовое объяснение характеристические спектры излучения, испускаемого возбужденными атомами.

В 1919 г. П. был удостоен Нобелевской премии по физике за 1918 г. «в знак признания его заслуг в деле развития физики благодаря открытию квантов энергии». Как заявил А.Г. Экстранд, член Шведской королевской академии наук, на церемонии вручения премии, «теория излучения П. – самая яркая из путеводных звезд современного физического исследования, и пройдет, насколько можно судить, еще немало времени, прежде чем иссякнут сокровища, которые были добыты его гением». В Нобелевской лекции, прочитанной в 1920 г., П. подвел итог своей работы и признал, что «введение кванта еще не привело к созданию подлинной квантовой теории».

20-е гг. стали свидетелями развития Эрвином Шредингером, Вернером Гейзенбергом, П.А.М. Дираком и другими квантовой механики – оснащенной сложным математическим аппаратом квантовой теории. П. пришлась не по душе новая вероятностная интерпретация квантовой механики, и, подобно Эйнштейну, он пытался примирить предсказания, основанные только на принципе вероятности, с классическими идеями причинности. Его чаяниям не суждено было сбыться: вероятностный подход устоял.

Вклад П. в современную физику не исчерпывается открытием кванта и постоянной, носящей ныне его имя. Сильное впечатление на него произвела специальная теория относительности Эйнштейна, опубликованная в 1905 г. Полная поддержка, оказанная П. новой теории, в немалой мере способствовала принятию специальной теории относительности физиками. К числу других его достижений относится предложенный им вывод уравнения Фоккера – Планка, описывающего поведение системы частиц под действием небольших случайных импульсов (Адриан Фоккер – нидерландский физик, усовершенствовавший метод, впервые использованный Эйнштейном для описания броуновского движения – хаотического зигзагообразного движения мельчайших частиц, взвешенных в жидкости). В 1928 г. в возрасте семидесяти лет Планк вышел в обязательную формальную отставку, но не порвал связей с Обществом фундаментальных наук кайзера Вильгельма, президентом которого он стал в 1930 г. И на пороге восьмого десятилетия он продолжал исследовательскую деятельность.

Личная жизнь П. была отмечена трагедией. Его первая жена, урожденная Мария Мерк, с которой он вступил в брак в 1885 г. и которая родила ему двух сыновей и двух дочерей-близнецов, умерла в 1909 г. Двумя годами позже он женился на своей племяннице Марге фон Хесслин, от которой у него также родился сын. Старший сын П. погиб в первую мировую войну, а в последующие годы обе его дочери умерли при родах. Второй сын от первого брака был казнен в 1944 г. за участие в неудавшемся заговоре против Гитлера.

Как человек сложившихся взглядов и религиозных убеждений, да и просто как справедливый человек, П. после прихода в 1933 г. Гитлера к власти публично выступал в защиту еврейских ученых, изгнанных со своих постов и вынужденных эмигрировать. На научной конференции он приветствовал Эйнштейна, преданного анафеме нацистами. Когда П. как президент Общества фундаментальных наук кайзера Вильгельма наносил официальный визит Гитлеру, он воспользовался этим случаем, чтобы попытаться прекратить преследования ученых-евреев. В ответ Гитлер разразился тирадой против евреев вообще. В дальнейшем П. стал более сдержанным и хранил молчание, хотя нацисты, несомненно, знали о его взглядах.

Как патриот, любящий родину, он мог только молиться о том, чтобы германская нация вновь обрела нормальную жизнь. Он продолжал служить в различных германских ученых обществах в надежде сохранить хоть какую-то малость немецкой науки и просвещения от полного уничтожения. После того как его дом и личная библиотека погибли во время воздушного налета на Берлин, П. и его жена пытались найти убежище в имении Рогец неподалеку от Магдебурга, где оказались между отступающими немецкими войсками и наступающими силами союзных войск. В конце концов супруги Планк были обнаружены американскими частями и доставлены в безопасный тогда Геттинген.

Скончался П. в Геттингене 4 октября 1947 г., за шесть месяцев до своего 90-летия. На его могильной плите выбиты только имя и фамилия и численное значение постоянной Планка.

Подобно Бору и Эйнштейну, П. глубоко интересовался философскими проблемами, связанными с причинностью, этикой и свободой воли, и выступал на эти темы в печати и перед профессиональными и непрофессиональными аудиториями. Исполнявший обязанности пастора (но не имевший священнического сана) в Берлине, П. был глубоко убежден в том, что наука дополняет религию и учит правдивости и уважительности.

Через всю свою жизнь П. пронес любовь к музыке, вспыхнувшую в нем еще в раннем детстве. Великолепный пианист, он часто играл камерные произведения со своим другом Эйнштейном, пока тот не покинул Германию. П. был также увлеченным альпинистом и почти каждый свой отпуск проводил в Альпах.

Кроме Нобелевской премии, П. был удостоен медали Копли Лондонского королевского общества (1928) и премии Гете г. Франкфурта-на-Майне (1946). Германское физическое общество назвал в честь него свою высшую награду медалью Планка, и сам П. был первым обладателем этой почетной награды. В честь его 80-летия одна из малых планет была названа Планкианой, а после окончания второй мировой войны Общество фундаментальных наук кайзера Вильгельма было переименовано в Общество Макса Планка. П. состоял членом Германской и Австрийской академий наук, а также научных обществ и академий Англии, Дании, Ирландии, Финляндии, Греции, Нидерландов, Венгрии, Италии, Советского Союза, Швеции, Украины и Соединенных Штатов.

Почему Макс Планк, выбирая между физикой и музыкой, предпочел науку, что общего у его учебы и фильмов о кунг-фу, почему он рассорился с Эйнштейном и как пострадал от Первой и Второй мировых войн, рассказывает рубрика «Как получить Нобелевку».

Нобелевская премия по физике 1918 года. Формулировка Нобелевского комитета: «В знак признания его заслуг в деле развития физики благодаря открытию квантов энергии».

Когда ты пишешь биографии нобелевских лауреатов в хронологическом порядке, приходится удивляться, насколько разное количество информации доступно о великих ученых. В одном случае приходится «закапываться» в журнальные статьи, пытаться понять тексты на языках, отличных от английского и русского, в другом же, наоборот, даже важных фактов столько, что приходится устраивать им строгий конкурс.

Случай нобелевского лауреата по физике за 1918 год явно относится ко второй категории. Макс Планк номинировался на премию ежегодно с 1910 года и получил награду сравнительно быстро, несмотря на то, что большая часть физического сообщества, включая многих первых лауреатов премии, была совсем не готова признать наступление новой физики. Даже под грузом накопившихся фактов.

Макс Планк - человек, имя которого сейчас для немецкой науки стало нарицательным (вспомните Общество Макса Планка, аналог нашей Академии наук). Его практически обожествляла немецкая наука при жизни (медаль имени Макса Планка - первую получил сам Планк и Эйнштейн - и Институт физики имени Макса Планка появились еще при жизни ученого). Наш герой был «человеком с происхождением». Его отец, Вильгельм Планк, представлял древний дворянский род, многие члены которого были известными деятелями науки и культуры. Например, дед Макса, Хайнрих Людвиг, как и прадед Готтлиб Якоб, преподавали теологию в Геттингене. Мама, Эмма Патциг, происходила из церковной семьи.

Вход в здание Общества Макса Планка (Мюнхен)

Wikimedia Commons

Он родился 23 апреля 1858 года в Киле, столицы Голштинии (именно отсюда происходил император Петр III, муж Екатерины II). За Киль постоянно спорили Германия и Дания, даже воевали за него. Семья Планков провела в этом городе первые девять лет жизни будущего великого ученого, и Макс на всю жизнь запомнил вступление прусских и австрийских войск в город в 1864 году. Вообще, войны постоянно били рядом с Планком - по самому близкому. В Первую мировую, в 1916 году, под Верденом погиб его старший сын Карл, в январе 1945 года нацисты повесили его второго сына Эрвина (его заподозрили к причастности к заговору полковника Штауффенберга). Бомбежки союзников едва не убили его во время лекции, завалив на несколько часов в бомбоубежище, в конце войны разорили его имение, куда-то исчезла его огромная библиотека…

Но пока что на дворе 1867 год, и отец юного Планка получает приглашение из Мюнхена. Позиция профессора юриспруденции знаменитого Мюнхенского университета оказалась очень заманчивой, и семья переехала в Баварию. Здесь Макс Планк пошел учиться в очень престижную Максимилиановскую гимназию, где стал первым учеником.

Максимилиановская гимназия

Wikimedia Commons

И прямо по структуре волшебной сказки Проппа или фильма про мастера кунг-фу, именно тут появился более опытный и мудрый советник, поделившийся частью своей мудрости. Таким сказочным наставником стал учитель математики Германн Мюллер. Он открыл в юноше талант к математике и дал ему первые уроки удивительной красоты законов природы: именно от Мюллера Планк узнал о законе сохранения энергии, поразившем его навсегда. Нужно сказать, что к моменту окончания школы канва волшебной сказки продолжилась: он оказался на распутье. Конечно, никакого камня с надписями не было, но, помимо явных способностей к физике и математике, Планк обнаружил недюжинный музыкальный талант. Может быть, на его выбор повлияло то, что Макс Планк при отличном голосе и замечательной технике игры на рояле понял, что он не самый лучший композитор.

Планк выбрал физику и в 1874 году поступил в Мюнхенский университет. Правда, играть, петь и дирижировать не бросил. Физика так физика. В ней тоже пришлось делать выбор: в какую из областей науки податься.

Вильгельм Планк отправил сына к профессору Филиппу Жолли. Юноша тяготел к теоретической физике и спросил у известного ученого, как ему такой выбор. Жолли, отговаривая его, сказал Планку ту самую фразу, которая теперь затерта до дыр: дескать, не ходи, мальчик, в теоретическую физику: все открытия тут уже сделаны, все формулы выведены, осталось немного частностей позакрывать, и все. Правда, цитируется это обычно с интонацией, мол, юноша героически бросился воевать против косности физики того времени. Но нет.

Макс Планк в 1878 году

Общественное достояние

Юноша обрадовался: он вовсе не собирался совершать новые открытия. Как объяснял потом свое решение Планк, он всего лишь собирался понять уже накопленные физикой знания и уточнить неточности. Кто же знал, что в ходе уточнения рухнет все здание физики 1874 года.

Вот как писал сам Планк о себе юном в «Научной автобиографии»: «С юности меня вдохновило на занятие наукой осознание того отнюдь не самоочевидного факта, что законы нашего мышления совпадают с закономерностями, имеющими место в процессе получения впечатлений от внешнего мира, и что, следовательно, человек может судить об этих закономерностях при помощи чистого мышления. Существенно важным при этом является то, что внешний мир представляет собой нечто не зависимое от нас, абсолютное, чему противостоим мы, а поиски законов, относящихся к этому абсолютному, представляются мне самой прекрасной задачей в жизни ученого».

Теоретическая физика привела его в Берлин, где он учился у великих Гельмгольца и Кирхгофа. Правда, лекциями по физике в Берлинском университете Планк был разочарован и засел за оригинальные работы своих учителей. К Гельмгольцу и Кирхгофу вскоре добавились работы по теории теплоты Рудольфа Клаузиуса. Так и определилась область научных работ молодого теоретика Макса Планка - термодинамика. Он с энтузиазмом берется «уточнять» детали: переформулирует второй закон термодинамики, пишет новые определения энтропии…

Портрет Германа Гельмгольца

Ханс Шадов/Wikimedia Commons

Здесь мы позволим себе процитировать Макса фон Лауэ из 1947 года: «Нынешняя физика несет совсем другой отпечаток, чем физика 1875 года, когда Планк посвятил себя ей; и в величайшем из этих переворотов Планк сыграл первую, решающую роль. Это было удивительное стечение обстоятельств. Подумать только, восемнадцатилетний абитуриент решил посвятить себя науке, о которой самый компетентный специалист, которого он мог спросить, сказал бы, что она мало перспективна. В процессе учебы он избирает отрасль этой науки, которая у смежных наук стоит совсем не в почете, а внутри этой отрасли - специальную область, которой никто не интересуется. Ни Гельмгольц, ни Кирхгоф, ни Клаузиус, которым это было всего ближе, даже не читают его первых работ, и все же он продолжает идти по своему пути, следуя внутреннему зову, до тех пор, пока он не сталкивается с проблемой, которую многие другие уже тщетно пытались решить и для которой - как выясняется - именно выбранный им путь был наилучшей подготовкой. В результате он смог, исходя из измерений излучения, открыть закон излучения, который носит его имя на все времена. Он сообщил его 19 октября 1900 года Физическому обществу в Берлине».

Что же открыл Планк и какую проблему он решил?

Еще в 1860-х годах один из учителей Планка, Густав Кирхгоф, придумал модельный объект для мысленных экспериментов по термодинамике - абсолютно черное тело. По определению, абсолютно черное тело - это такое тело, которое поглощает абсолютно все излучение, падающее на него. Кирхгоф показал, что абсолютное тело - это еще и лучший излучатель из всех возможных. Но оно излучает тепловую энергию.

Рудольф Клаузиус

Wikimedia Commons

В 1896 году нобелевский лауреат 1911 года, Вильгельм Вин , сформулировал свой второй закон, который объяснил форму кривой распределения энергии излучения черного тела на основе уравнений Максвелла. И вот тут начались противоречия. Второй закон Вина оказался справедлив для коротковолнового излучения. Независимо от Вина Уильям Стретт, лорд Рэлей , получил свою формулу, но она «работала» на длинных волнах.

Вид спектральных кривых, задаваемых законами излучения Планка и Вина при различных температурах. Видно, что различие между кривыми возрастает в длинноволновой области

Планк сумел, используя модель простейшего линейного гармонического резонатора, вывести формулу, которая объединяла формулу Вина и формулу Рэлея. Об этой формуле, ставшей потом формулой Планка, он и сделал доклад 19 октября. Однако, если бы Макс Планк сделал только это, вряд ли он почитался бы так высоко. Да, после доклада в октябре его нашли несколько физиков и сообщили ему: теория идеально сочетается с практикой. Но это означало только то, что он удачно подобрал формулу, которая объясняет узкоспециальную задачу. Планку этого было мало, и он занялся теоретическим обоснованием найденной эмпирически формулы. 14 декабря того же года он вновь выступил в Физическом обществе и сделал доклад, из которого следует: энергия абсолютно черного тела должна излучаться порциями. Квантами.

Планка, кто ее создатель и насколько важной она стала для развития современной науки. Также показано значение идеи квантования для всего микромира.

Смартфон и квантовая физика

Современный окружающий нас мир сильно отличается по технологиям от всего, что было привычно еще сотню лет назад. Все это стало возможным только благодаря тому, что на заре двадцатого века ученые преодолели барьер и поняли, наконец: вещество в самом маленьком масштабе не непрерывно. А открыл эту эру своим предположением замечательный человек - Макс Планк.

Биография Планка

Его именем названы: одна из физических констант, квантовое уравнение, научное сообщество в Германии, астероид, космический телескоп. Его изображение было выбито на монетах и напечатано на марках и купюрах. Каким же человеком был Макс Планк? Он родился в середине девятнадцатого века в немецкой дворянской небогатой семье. Среди его предков было немало хороших юристов и служителей церкви. Образование М.Планк получил хорошее, но коллеги-физики в шутку называли его «самоучкой». Основные знания ученый получил из книг.

Гипотеза Планка родилась из предположения, которое он вывел теоретически. В своей научной карьере он придерживался принципа «наука важнее всего». В первую мировую войну Планк старался сохранить связи с зарубежными коллегами из стран-противниц Германии. Приход нацистов застал его на должности директора большого научного сообщества - и ученый стремился защитить своих сотрудников, помогал выехать за границу тем, кто бежал от режима. Так что гипотеза Планка была не единственным, за что его уважали. Однако он никогда открыто не высказывался против Гитлера, очевидно понимая, что не только принесет вред себе, но и не сможет помогать тем, кто нуждался в этом. К сожалению, многие физики не приняли такой позиции М. Планка и прекратили переписку с ним. У него было пятеро детей, и только самый младший пережил отца. Старшего сына забрала Первая, среднего - Вторая мировая война. Обе дочери не пережили родов. При этом современники отмечали, что только дома Планк был самим собой.

Источники квантов

Со школы ученый интересовался Оно гласит: любой процесс идет только с увеличением хаоса и потерей энергии или массы. Он был первым, кто сформулировал его именно так - в терминах энтропии, которая может только возрастать в термодинамической системе. Позже именно эта работа привела к тому, что была сформулирована знаменитая гипотеза Планка. Также он был одним из тех, кто ввел традицию разделять математику и физику, практически создав теоретический раздел последней. До него все естественные науки были смешаны, а эксперименты проводились одиночками в лабораториях, которые почти не отличались от алхимических.

Гипотеза о квантах

Исследуя энтропию электромагнитных волн в рамках терминов осцилляторов и опираясь на экспериментальные данные, полученные за два дня до того, 19 октября 1900 Планк представил другим ученым формулу, которую впоследствии назовут его именем. Она связывала между собой энергию, длину волны и температуру излучения (в предельном случае для Всю следующую ночь его коллеги под руководством Рубенса ставили эксперименты, чтобы подтвердить эту теорию. И она оказалась верной! Однако чтобы теоретически обосновать вытекающую из этой формулы гипотезу и при этом избежать математических сложностей типа бесконечностей, Планку пришлось признать, что энергия излучается не непрерывным потоком, как считалось раньше, а отдельными порциями (Е=hν). Такой подход рушил все существующие представления о твердом теле. Квантовая гипотеза Планка совершила революцию в физике.

Последствия квантования

Поначалу ученый не осознавал важность сделанного им открытия. Какое-то время выведенная им формула употреблялась только как удобный способ сократить количество математических операций для вычисления. При этом как Планк, так и другие ученые, использовали непрерывные уравнения Максвелла. Смущала только постоянная h, которой никак не удавалось придать физический смысл. Позже только Альберт Эйнштейн и Пауль Эренфест, разбираясь в новых явлениях радиоактивности и пытаясь найти математическое обоснование оптическим спектрам, поняли всю важность того, что такое гипотеза Планка. Говорят, что доклад, на котором впервые прозвучала формула , открыл эру новой физики. Вероятно, Эйнштейн был первым, кто осознал ее начало. Так что это и его заслуга тоже.

Что квантуется

Все состояния, которые могут принимать любые элементарные частицы, дискретны. Электрон в ловушке может находиться только на определенных уровнях. Возбуждение атома, как и противоположный процесс - эмиссия, тоже происходит скачками. Любые электромагнитные взаимодействия - это обмен квантами соответствующей энергии. Энергию атома человечество обуздало только благодаря пониманию дискретности Надеемся, теперь у читателей не возникнет вопроса, в чем заключается гипотеза Планка, и каково ее влияние на современный мир, а значит, каждого из людей.

​Сегодня имя Макса Планка обычно всплывает в связи с престижными научными институтами, названными в его честь – Общество Макса Планка включает в себя 83 подразделения в Германии и по всему миру. Но кем был настоящий Макс Планк и почему ему посвящено столько исследовательских центров? Объясняем на примере 17 фактов о крутом ученом.

1. Квантовая теория

Современная физика использует две теории для объяснения Вселенной: теорию относительности Эйнштейна и квантовую теорию, придуманную Планком. В конце 1890-х он начал свою работу по изучению теплового излучения и нашел формулу для черного тела излучения, которая в конечном итоге стала законом Планка. Для объяснения работы формулы он предложил идею о том, что энергия испускается в виде порций, которые он назвал «квантами», что привело к квантовой физике.

Сам Планк был поражен радикальностью своего открытия, написав : «Мои тщетные попытки как-то ввести квант действия в классическую теорию продолжались в течение ряда лет и стоили мне немалых трудов».

К моменту своей смерти Планк успел стать легендой в научном сообществе. В октябре 1947 года журнал «The New York Times» писал о нем как об интеллектуальном гиганте XX века и одном из самых выдающихся интеллектов за всю историю, ставя его на одну ступень с Архимедом, Галилео, Ньютоном и Эйнштейном.

2. Сделал теорию Эйнштейна теорией

Планк способствовал популяризации термина «теория» для описания работы Эйнштейна по относительности. В 1906 год, сославшись на модель, выдвинутую Эйнштейном, он назвал его работу «Relativtheorie», которая на немецком превратилась в «Relativitätstheorie» или в теорию относительности. Сам Эйнштейн называл ее принципом относительности, однако прижилась именно терминология Планка.

3. Нобелевский лауреат

В течение жизни Планк был очень уважаемым академиком. Как объясняет Барбара Ловетт Клайн, в Германии в тот период лишь принцы и бароны получали большее уважение, чем профессора, и Планк не был исключением. Получив множество наград, Планк был удостоен Нобелевской премии по физике в возрасте 60 лет. Он получил больше номинаций на Нобеля, чем любой другой кандидат в то время. В 1918 он наконец получил премию «в знак признания его эпохальных исследований в области квантовой теории».

4. Один из первых сподвижников Эйнштейна

Планк одним из первых оценил важность работы Эйнштейна по относительности и поддержал его. Д.Л. Хейлброн в своей книге «Дилеммы честного человека: Макс Планк как представитель немецкой науки» пишет, что Эйнштейна можно считать вторым великим открытием Планка, а его поддержка, по мнению самого Эйнштейна, сыграла важную роль в быстром принятии новых идей среди физиков. В то время у Эйнштейна не было ни докторской степени, ни работы в университете, так что поддержка такого уважаемого ученого как Макс Планк помогла ему войти в научный мейнстрим. Хотя Планк скептически относился к ряду идей молодого коллеги, например, к исследованиям 1915 года о «световых квантах» или фотонах, оба ученых оставались близкими друзьями в течение всей жизни. Согласно некрологу в «The New York Times», когда физическое общество Берлина вручило Планку специальную медаль, он отдал дубликат своему другу, Альберту Эйнштейну.

5. Талантливый музыкант

Планк был одаренным пианистом и чуть было не посвятил свою карьеру музыке, а не физике. Он принимал музыкальные салоны в своем доме, приглашая других физиков и академиков, а также профессиональных музыкантов. Альберт Эйнштейн также присутствовал, иногда принося с собой скрипку, чтобы играть в квартетах или трио с Планком. По словам Хейлброна, «чувство тона Планка было настолько совершенным, что он едва мог насладиться концертом», боясь, как кто не сфальшивил.

6. Профессор не советовал ему заниматься физикой

Вскоре после того, как 16-летний Планк попал в Мюнхенский университет в 1874 году, профессор физики Филипп фон Жюлли попытался отговорить молодого студента от перехода в теоретическую физику. Жюлли настаивал на том, что ученые в основном уже выяснили все, что нужно знать: «В области, где почти все уже открыто, остается лишь заполнить несколько лакун». К счастью, начинающий ученый проигнорировал его советы.

7. Лекции были только стоя

Хотя Планк вел себя довольно сухо и сдержанно перед классом, студенты его обожали. Английский химик Джеймс Партингтон называл его «лучшим лектором, которого я только слышал», описывая лекции как популярные представления. Людей в классе всегда было битком, многие стояли: «Так как лекционная аудитория хорошо отапливалась и была довольно маленькой, некоторые из слушателей время от времени падали на пол, но это совсем не мешало лекции».

8. Четкое расписание

В своей монографии Хейлборн описывает Планка как человека, управляющего своим времени. Каждый день он садился завтракать ровно в 8 утра, затем интенсивно работал до полудня, а по вечерам и в обед отдыхал и развлекал друзей. Его распорядок дня подчинялся жесткому графику во время семестра: чтение лекций и написание работ утром, ланч, отдых, игра на пианино, прогулка, корреспонденция и весьма безжалостный отдых – альпинизм без остановок на перерыв и апартаменты в альпийском стиле без намека на комфорт и уединение.

«Применению должно предшествовать познание»

9. Заядлый альпинист

Планк занимался спортом в течение всей жизни, увлекаясь походами и альпинизмом даже в преклонном возрасте. Достигнув 80 лет, он продолжал регулярно взбираться на горные вершины высотой около 3000 метров.

10. Профессиональный игрок в салки

По рассказу известного физика-ядерщика Лизы Мейтнер в 1958 году, Планк любил веселую компанию, а его дом был местом радушия: «Когда приглашения приходили во время летнего семестра, то проводились активные игры в саду, в которых Планк принимал участие с детской радостью и мастерством. Было почти невозможно от него увернуться. А как он радовался, когда ловил кого-нибудь!».

11. Во время Второй Мировой войны Гестапо вел в его отношении расследование

В связи с открытым проявлением помощи таким еврейским физикам как Эйнштейн, Планк был объявлен националистической фракцией арийских ученых участником Теории заговора евреев с целью оградить немецких ученых от встреч на кафедре физики от круга Эйнштейна. В официальной газете СС «Das Schwarze Korp» его называли «переносчик бактерий» и «белый жид», а его родословную тщательно изучали в Гестапо.

12. Он лично просил Гитлера не увольнять ученых-евреев

Хотя Планк не всегда поддерживал своих еврейских коллег в отношении нацистов, – под давлением Третьего рейха он «наказал» Эйнштейна за то, что тот не вернулся в Германию после того, как Гитлер пришел к власти и уволил еврейских членов Общества Кайзера Вильгельма (впоследствии Общества Макса Планка) – он все же выступал против нацистской политики. Планк боролся против включения в состав Прусской академии членов нацисткой партии и, будучи президентом Общества Кайзера Вильгельма, встретился с Гитлером и призывал фюрера разрешить еврейским коллегам продолжить работать.

Это не сработало. К 1935 году каждый пятый немецкий ученый был снят с постов (по сути каждый четвертый в области физики), а оказание помощи еврейским ученым стало очень опасным. Тем не менее, в 1935 году Планк созвал торжественное собрание Общества кайзеров Вильгельма, чтобы почтить покойного еврейского химика Фрица Хабера, несмотря на явный запрет правительства на участие в мероприятии. Его заметная поддержка таких еврейских коллег, как Хабер и Эйнштейн, и отказ вступит в нацистскую партию привели к тому, что правительство вынудило его покинуть должность президента Прусской академии наук, а также не дало получить ряд профессиональный наград.

13. Сложные отношения с нацистами

Он был одним из многих аполитичных государственных служащих в немецкой академии, кто надеялся, что худшие последствия антисемитского национализма в конечном счете пройдут, и кто в то же время стремился сохранить значение Германии на мировой научной арене. Когда Гитлер начал требовать, чтобы речи открывались с «Хайль, Гитлер», Планк неохотно согласился. Физик Пауль Эвальд вспоминал выступление на открытии Института металлов Кайзера Вильгельма в 1930-е годы: «Все уставились на Планка, ожидая, что же он будет делать на открытии, потому что на тот момент официально предписывалось открывать подобные обращения с "Хайль, Гитлер". Планк встал на трибуну и наполовину поднял руку и опустил. Он сделал это во второй раз. Наконец, он поднял руку и сказал: "Хайль Гитлер"… это было единственное, что мог сделать Планк, чтобы не поставить под угрозу все Общество". По мнению научного журналиста Филиппа Болла, для Планка подъем Гитлера и нацистской Германия стал "катастрофой, которая его охватила и которая, в конце концов, его уничтожила".

14. Его сын был связан с покушением на Гитлера

До того, как нацисты пришли к власти, Эрвин Планк был высокопоставленным чиновником, и, хотя после 1933 года он уже не участвовал в политической жизни, он тайно помогал составить конституцию для пост-нацистского правительства. В 1944 году он был арестован и обвинен в участии в покушении Клауса Штауффенберга на Адольфа Гитлера, в котором нацистский лидер был ранен в результате взрыва в портфеле. На первый взгляд кажется, что Эрвин никак напрямую не связан со взрывов, однако он нанял сторонников для заговорщиков и был приговорен к смертной казни за измену Родине. Пытаясь спасти любимого сына, 87-летний Макс Планк писал письма с просьбой о помиловании и Гитлеру, и главе СС, Генриху Гиммеру. Эрвин был казнен в 1945 году.

15. "Продолжай работать"

После Первой Мировой войны Планк призывал своих коллег игнорировать шаткость политической ситуации и сконцентрироваться на важности их научных достижений: "Упорно продолжай работать", – был его слоган.

16. Он назвал физику "самым возвышенным научным стремлением в жизни"

В своей автобиографии Планк объясняет, почему он посвятил себя физике: "Внешний мир не зависит от человека, это нечто абсолютное, и стремление к законам, управляющим этим абсол ютом, кажется мне самым возвышенным научным стремлением в жизни".

17. Есть много вещей, названных в его честь

Несколько открытий Планка были названы в конце концов в его честь, в том числе закон Планка, постоянная Планка (h = 6.62607004 × 10^-34 Дж-с), и планковские единицы. Есть планковская эпоха (первый этап Большого взрыва), частицы Планка (крошечные черны дыры), лунный кратер Планка и космический аппарат "Планк" Европейского космического агентства. Не говоря уже об Обществе Макса Планка и его 83 институтах. И, несомненно, он это заслужил.

Квантовая теория родилась в 1901 г., когда Макс Планк предложил теоретический вывод о соотношении между температурой тела и испускаемым этим телом излучением, вывод, который долгое время ускользал от других ученых. Как и его предшественники, Планк предположил, что излучение испускают атомные осцилляторы, но при этом считал, что энергия осцилляторов (и, следовательно, испускаемого ими излучения) существует в виде небольших дискретных порций, которые Эйнштейн назвал квантами. Энергия каждого кванта пропорциональна частоте излучения. Хотя выведенная Планком формула вызвала всеобщее восхищение, принятые им допущения оставались непонятными некоторое время, так как противоречили классической физике. В 1905 г. Альберт Эйнштейн воспользовался квантовой теорией для объяснения некоторых аспектов фотоэлектрического эффекта – испускания электронов поверхностью металла, на которую падает ультрафиолетовое излучение. Попутно Эйнштейн отметил кажущийся парадокс: свет, о котором на протяжении долгого времени было известно, что он распространяется как непрерывные волны, при поглощении и излучении проявляет дискретные свойства.

Примерно через восемь лет Нильс Бор распространил квантовую теорию на атом и объяснил частоты волн, испускаемых атомами, возбужденными в пламени или в электрическом разряде. Эрнест Резерфорд показал, что масса атома почти целиком сосредоточена в центральном ядре, несущем положительный электрический заряд и окруженном на сравнительно больших расстояниях электронами, несущими отрицательный заряд, вследствие чего атом в целом электрически нейтрален.

Бор предположил, что электроны могут находиться только на определенных дискретных орбитах, соответствующих различным энергетическим уровням, и что «перескок» электрона с одной орбиты на другую, с меньшей энергией, сопровождается испусканием фотона, энергия которого равна разности энергий двух орбит. Частота, по теории Планка, пропорциональна энергии фотона. Таким образом, модель атома Бора установила связь между различными линиями спектров, характерными для испускающего излучение вещества, и атомной структурой. Несмотря на первоначальный успех, модель атома Бора вскоре потребовала модификаций, чтобы избавиться от расхождений между теорией и экспериментом. Кроме того, квантовая теория на той стадии ещё не давала систематической процедуры решения многих квантовых задач. Однако стало ясно, что классическая физика неспособна объяснить тот факт, что движущийся с ускорением электрон не падает на ядро, теряя энергию при излучении электромагнитных волн.

Новая существенная особенность квантовой теории проявилась в 1924 г., когда Луи де Бройль выдвинул радикальную гипотезу о волновом характере материи: если электромагнитные волны, например свет, иногда ведут себя как частицы (что показал Эйнштейн), то частицы, например электрон при определенных обстоятельствах, могут вести себя как волны. Таким образом, в микромире стёрлась граница между классическими частицами и классическими волнами. В формулировке де Бройля частота, соответствующая частице, связана с её энергией, как в случае фотона (частицы света), но предложенное де Бройлем математическое выражение было эквивалентным соотношением между длиной волны, массой частицы и её скоростью (импульсом). Существование электронных волн было экспериментально доказано в 1927 г. Клинтоном Дж. Дэвиссоном и Лестером Х. Джермером в Соединенных Штатах и Джорджем Паджетом Томсоном в Англии.

В свою очередь это открытие привело к созданию в 1933 г. Эрнстом Руской электронного микроскопа.

Под впечатлением от комментариев Эйнштейна по поводу идей де Бройля Эрвин Шрёдингер предпринял попытку применить волновое описание электронов к построению последовательной квантовой теории, не связанной с неадекватной моделью атома Бора. В известном смысле он намеревался сблизить квантовую теорию с классической физикой, которая накопила немало примеров математического описания волн. Первая попытка, предпринятая им в 1925 г., закончилась неудачей. Скорости электронов в теории Шрёдингера были близки к скорости света, что требовало включения в неё специальной теории относительности Эйнштейна и учета предсказываемого ею значительного увеличения массы электрона при очень больших скоростях.

Одной из причин постигшей Шрёдингера неудачи было то, что он не учел наличия специфического свойства электрона, известного ныне под названием спина (вращение электрона вокруг собственной оси наподобие волчка, однако такое сравнение не совсем корректно), о котором в то время было мало известно. Следующую попытку Шрёдингер предпринял в 1926 г. Скорости электронов на этот раз были выбраны им настолько малыми, что необходимость в привлечении теории относительности отпадала сама собой. Вторая попытка увенчалась выводом волнового уравнения Шрёдингера, дающего математическое описание материи в терминах волновой функции. Шрёдингер назвал свою теорию волновой механикой. Решения волнового уравнения находились в согласии с экспериментальными наблюдениями и оказали глубокое влияние на последующее развитие квантовой теории. В настоящее время волновая функция лежит в основе квантово-механического описания микросистем, подобно уравнениям Гамильтона в классической механике.

Незадолго до того Вернер Гейзенберг , Макс Борн и Паскуаль Иордан опубликовали другой вариант квантовой теории, получивший название матричной механики, которая описывала квантовые явления с помощью таблиц наблюдаемых величин. Эти таблицы представляют собой определенным образом упорядоченные математические множества, называемые матрицами, над которыми по известным правилам можно производить различные математические операции. Матричная механика также позволяла достичь согласия с наблюдаемыми экспериментальными данными, но в отличие от волновой механики не содержала никаких конкретных ссылок на пространственные координаты или время. Гейзенберг особенно настаивал на отказе от каких-либо простых наглядных представлений или моделей в пользу только таких свойств, которые могли быть определены из эксперимента, так как по его соображениям микромир имеет принципиально иное устройство, чем макромир в виду особой роли постоянной Планка, несущественной в мире больших величин.

Шрёдингер показал, что волновая механика и матричная механика математически эквивалентны. Известные ныне под общим названием квантовой механики, эти две теории дали долгожданную общую основу описания квантовых явлений. Многие физики отдавали предпочтение волновой механике, поскольку её математический аппарат был им более знаком, а её понятия казались более «физическими»; операции же над матрицами – более громоздкими.

Вскоре после того, как Гейзенберг и Шрёдингер разработали квантовую механику, Поль Дирак предложил более общую теорию, в которой элементы специальной теории относительности Эйнштейна сочетались с волновым уравнением. Уравнение Дирака применимо к частицам, движущимся с произвольными скоростями. Спин и магнитные свойства электрона следовали из теории Дирака без каких бы то ни было дополнительных предположений. Кроме того, теория Дирака предсказывала существование античастиц, таких, как позитрон и антипротон, – двойников частиц с противоположными по знаку электрическими зарядами.