ПЛАНК МАКС(1858 г. – 1947 г.)
Гениальный немецкий физик Макс Карл Эрнст Людвиг Планк родился 23 апреля 1858 года в Киле.
Он был шестым ребенком в семье Иоганна Юлиуса Вильгельма фон Планка и его второй жены Эммы Планк (урожденной Патциг). Двое детей семейства Планков были от первого брака Иоганна Планка.
Макс Планк воспитывался в интеллектуальной и богатой духовными традициями семье. Его отец был профессором гражданского права в университете Киля. Его дедушка и прадедушка по отцовской линии были профессорами теологии в Геттингене, его дядя с отцовской стороны был судьей.
Родители много времени уделяли воспитанию и развитию различных способностей у детей. Еще в раннем детстве Макс прекрасно научился играть на фортепиано и органе.
В ту пору город Киль принадлежал Пруссии, и одним из наиболее ярких детских воспоминаний Макса были марширующие прусские и австрийские войска во время датско-прусской войны 1864 года.
В 1867 году отец будущего ученого принял предложение занять место профессора Мюнхенского университета, и спустя некоторое время семья переехала в Мюнхен.
В Мюнхене родители отдали Макса в престижную Королевскую Максимилиановскую классическую гимназию. Будущему ученому повезло с преподавателями. Один из них, учитель математики Германн Мюллер, умело демонстрировавший с помощью простых примеров законы физики, астрономии и математики, прочно привил мальчику интерес к естественным и точным наукам.
В своих мемуарах Планк тепло отзывался о Мюллере, вспоминал, что еще в гимназии он принял закон сохранения энергии «как один из тех абсолютных законов, которые управляют нашим миром».
Учился Макс отлично. В его табеле успеваемости за 1872 год было написано: «Несмотря на его детские годы, очень ясно, логически мыслит. Подает большие надежды».
Однако в гимназии математика не была его любимым предметом. Его больше интересовали музыка и классическая филология.
Летом 1874 года, в возрасте шестнадцати лет Макс Планк успешно сдал выпускные экзамены в гимназии, получив наивысшие баллы. После продолжительных колебаний Макс таки решил продолжить изучение физики, хотя музыка всегда оставалась его любимым занятием. В течение всей жизни Планк виртуозно играл на пианино, органе и виолончели, сочинял песни и оперы, любил петь.
После окончания гимназии Макс Планк поступил в Мюнхенский университет, где изучал физику и математику. В Мюнхене со студентом произошел анекдотичный случай, вошедший теперь почти во все сборники типа «Физики шутят».
Профессор Мюнхенского университета, семидесятилетний физик-экспериментатор Филипп фон Жолли дружески порекомендовал молодому талантливому студенту избрать другую профессию. «Молодой человек, зачем вы собираетесь портить себе жизнь, ведь почти все возможные открытия уже сделаны», – сказал маститый профессор. Планк ответил, что хочет понять и изучить хотя бы то, что уже открыто. Под руководством Жолли Макс проводил первые эксперименты в своей научной карьере, изучал диффузию водорода, но вскоре заинтересовался теоретической физикой.
Через несколько лет Планк блестяще опроверг предсказание Жолли.
После трех лет учебы в Мюнхене в 1877 году Макс перешел в Берлинский университет, где и определилось его призвание. Среди его учителей были известные физики Герман фон Гельмгольц и Густав Кирхгоф, а также математик Карл Вейерштрасс.
Позже в своих мемуарах Планк напишет, что Гельмгольц никогда не готовился к лекциям и поэтому читал их медленно, зачастую ошибаясь в подсчетах, а Кирхгоф, хоть и старательно готовился, но читал их сухо и монотонно. Поэтому успешному студенту в большей мере приходилось изучать их публикации, а не лекции. Впоследствии Планк и Гельмгольц стали хорошими знакомыми, а позже и близкими друзьями.
В Берлине Планк заинтересовался работами Рудольфа Клаузиуса, одного из основателей термодинамики и молекулярно-кинетической теории, которые изучал самостоятельно. Во многом благодаря публикациям Клаузиуса Планк начал заниматься термодинамикой – областью физики, изучающей явления теплоты, механической энергии и преобразований энергии.
В октябре 1878 года Планк сдал квалификационные экзамены и уже летом 1879 года в Мюнхенском университете успешно защитил докторскую диссертационную работу «О втором законе механической теплоты». В своей работе молодой ученый проанализировал необратимость процесса теплопроводности и дал первую общую формулировку закона возрастания энтропии. За свою диссертацию Планк получил высшую оценку «summa cum laude» и был удостоен степени доктора философских наук.
В следующем году Макс Планк написал еще одну работу по термодинамике «Равновесное состояние изотропных тел при различных температурах» и получил место приват-доцента физического факультета Мюнхенского университета. В то время Планку шел только двадцать второй год.
В должности приват-доцента Планк проработал пять лет. Поскольку его лекторство не оплачивалось, он продолжал жить в Мюнхене со своими родителями и за их счет. За это время он ни разу даже не выехал за пределы города, отдавая все свое время научным исследованиям. Макс Планк хотел поскорее сделать себе имя в науке, чтобы получить место профессора в университете. Однако работы молодого ученого в области термодинамики не вызвали большого интереса, несмотря на личные контакты и переписку с известными специалистами в этой области.
Наконец, летом 1885 года Планку предложили должность адъюнкт-профессора теоретической физики Кильского университета. День, когда пришло приглашение, Макс Планк считал одним из самых счастливых моментов своей жизни.
Во-первых, Макс стал независимым в финансовом плане от родителей, и, во-вторых, у него появились возможности и время для собственных научных исследований.
В Кильском университете он провел ряд экспериментов в области физической химии – науке, которая в то время только начинала свое развитие. Кроме того, Планк придумал способ измерения точки замерзания растворов, а также разработал термодинамическую теорию диссоциации газов и осмотического давления, которая снискала ему международное признание. Его книга «Принцип сохранения энергии» получила премию на конкурсе философского факультета Геттингенского университета.
В октябре 1887 года мир физики потрясла тяжелая утрата – умер Густав Кирхгоф. С 1875 года Кирхгоф был лидером и вдохновителем теоретической физики в Германии. В то время Берлинский университет играл лидирующую роль в научных исследованиях, а также был центром теоретической физики в стране. Стареющий «рейхсканцлер науки» Герман фон Гельмгольц нуждался в высококлассном физике, молодом и надежном друге и сотруднике. Наиболее подходящими кандидатурами на это место считались Людвиг Больцман и Генрих Герц, но судьба распорядилась иначе, подготовив путь для восхождения Макса Планка.
В 1889 году Планк переезжает в Берлин, где становится преемником Кирхгофа в Берлинском университете. Сначала Макс работал адъюнкт-профессором теоретической физики, а в 1892 году стал полным профессором Берлинского университета.
Параллельно в 1889 году он становится директором нового Института теоретической физики.
В Берлинском университете Макс Планк проработал до 1926 года, почти 37 лет!
В 1896 году немецкий ученый заинтересовался последними научными работами своего предшественника – Кирхгофа, в которых знаменитый физик исследовал излучение абсолютно черного тела – идеального эталона для проведения опытов.
По определению, абсолютно черное тело поглощает все излучение, попадающее на него, и абсолютно ничего не отражает. Хотя в природе такого тела не существует, в качестве абсолютно черного тела принимали замкнутую оболочку с небольшим отверстием.
По Кирхгофу, спектральный состав равновесного излучения не зависит от природы излучающих тел; излучение, которое испускает абсолютно черное тело, зависит только от его температуры и в некоторой степени от характеристик поверхности; любое нагретое тело испускает магнитные излучения.
Ознакомившись с работами Густава Кирхгофа, Планк начал подготовку к собственным исследованиям. Он поставил перед собой цель закрыть научный вопрос о распределении энергии в спектре излучения абсолютно черного тела. Планк решил использовать в своих опытах электрические осцилляторы – заряженные частицы без конкретной физической формы, которые совершали гармонические колебания подобно маятникам. После того как в 1877 году Генрих Герц экспериментально подтвердил теорию электромагнитной природы света Джеймса Клерка Максвелла, Планк решил использовать уравнения Максвелла, позволявшие определить, как осцилляторы излучают и поглощают электромагнитные волны.
С помощью статистических законов, выведенных Больцманом, можно было связать особенности колебаний с температурой, но попытки ученых точно рассчитать спектральный состав равновесного излучения ни к чему не привели.
Еще до Планка многие ученые пытались вывести кривую излучения черного тела, используя известные в то время понятия. Хотя исследователям и удалось установить эмпирические соотношения между температурой и количеством излученной энергии (закон Стефана-Больцмана) и между температурой и частотой пика на кривой излучения черного тела (закон смещения Вина), но дальше этого дело не пошло.
В последующих опытах Дж. У. Стретт (лорд Рэлей) и английский физик Джеймс Джинс применили принцип, подобный используемому Планком, но они получили другую результирующую формулу.
После продолжительных безуспешных попыток создать теорию, которая смогла бы объяснить имеющиеся экспериментальные данные, Планк сделал гениальное открытие. Он предположил в 1900 году, что осцилляторы излучают энергию лишь дискретными порциями – квантами. При этом энергия кванта пропорциональна частоте колебания, а каждый уровень по энергии равен частоте, умноженной на специальную константу, получившую название постоянной Планка.
Исходя из этих предположений, Планку удалось вывести полуэмпирическую формулу распределения энергии, которая с поразительной точностью согласовывалась с результатами экспериментов других физиков. Формула Планка также прекрасно отвечала законам Вина и Стефана – Больцмана.