МАКС ПЛАНК

Макс Планк (Max Karl Ernst Ludwig Planck)

23 април 1858 г. – 4 октомври 1947 г.

 

Нобелова награда за физика, 1918 г.

(За заслугите му в развитието на физиката с откриването на квантовата енергия.)

 

Немският физик Макс Карл Ернст Лудвиг Планк е роден в гр. Кил (принадлежащ по това време на Прусия) в семейството на професора по гражданско право Йохан Юлиус Вилхелм фон Планк, и Ема (Патциг) Планк. В детството си момчето се учи да свири на пиано и орган, разкривайки изключителни музикални способности. През 1867 г. семейството се премества в Мюнхен и там Планк постъпва в Кралската максимилианова класическа гимназия, където един превъзходен преподавател по математика събужда за първи път в него интереса към естествените и точните науки. След завършването на гимназията през 1874 г. той се готви да изучава класическа филология, опитва силите си в музикалното композиране, но отдава предпочитанията си на физиката.

Три години Планк учи математика и физика в Мюнхенския и една година в Берлинския университет. Един от неговите професори в Мюнхен, физикът-експериментатор Филип фон Жоли, се оказва лош пророк, когато съветва младия човек да си избере друга професия, защото според него във физиката не е останало нищо принципно ново, което да бъде открито. Тази гледна точка, широко разпространена по това време, възниква под влиянието на необичайните успехи, които учените постигат през ХIХ в. в приумножаването на знанията за физическите и химическите процеси.

Живеейки в Берлин, Планк придобива по-широк поглед върху физиката благодарение на публикациите на известните физици Херман фон Хелмхолц и Густав Кирххоф, а също и на статиите на Рудолф Клаузиус. Запознаването с техните произведения допринася научните интереси на Планк да се съсредоточат задълго върху термодинамиката – област от физиката, в която на основата на не голямо количество фундаментални закони се изучава явлението топлина, механичната енергия и преобразуването на енергията. Научната степен доктор Планк получава през 1879 г., след като защитава в Мюнхенския университет дисертация за втория принцип на термодинамиката, който гласи, че нито един непрекъснат самоподдържащ се процес не може да пренася топлина от по-студено към по-топло тяло.

 През следващата година Планк пише още едно съчинение по термодинамика, което му осигурява длъжността младши асистент във физическия факултет на Мюнхенския университет. През 1885 г. става адюнкт-професор в Килския университет. Това го прави още по-независим, стабилизира финансовото му положение и му предоставя повече време за научни изследвания. Произведенията на Планк по термодинамика и нейните приложения във физическата химия и електрохимия му спечелват международно признание. През 1888 г. той става адюнкт-професор в берлинския университет и директор на Института по теоретична физика (директорският пост е създаден специално за него). Пълен (действителен) професор става през 1892 г.

От 1896 г. Планк проявява интерес към измерванията, които се провеждат в Държавния физико-технически институт в Берлин, а също и към проблемите на топлинното излъчване на телата. Всяко тяло, съдържащо топлина, изпуска електромагнитно излъчване. Ако тялото е достатъчно горещо, това излъчване става видимо. При повишаване на температурата тялото отначало се нажежава до червено, след това става оранжево-жълто и накрая бяло. Излъчването изпуска смес от честоти (във видимия диапазон честотата на излъчване съответства на цвета). Но излъчването на тялото зависи не само от температурата, но до известна степен и от такива характеристики на повърхността, каквито са цвета и структурата.

Като идеален еталон за измерване и теоретични изследвания физиците са приели въображаемото абсолютно черно тяло. По определение абсолютно черно се нарича това тяло, което поглъща цялото падащо върху него излъчване и не отразява нищо. Излъчването, изпускано от абсолютно черното тяло, зависи само от неговата температура. Макар че подобно идеално тяло не съществува, известна близост с него има затворената обвивка с малко отверстие (например конструираната по съответен начин печка, чиито стени и съдържание се намират в равновесие при една и съща температура).

Едно от доказателствата за чернотелите характеристики на подобна обвивка се свежда до следното. Излъчването, падащо върху отверстието, попада вътре и, отразявайки се в стените, частично се отразява и частично се поглъща. Тъй като вероятността излъчването в резултат от многобройните отразявания да излезе през отверстието навън е много малка, то практически се поглъща изцяло. Излъчването, което започва от вътрешността и излиза през отверстието е прието да се смята за еквивалентно на излъчването, изпускано от площ с размера на отверстието на повърхността на абсолютно черно тяло с температура на вътрешността и обвивката. Подготвяйки свои изследвания, Планк прочита съчинението на Кирххоф за свойствата на обвивката с отверстие. Точното количествено описание на наблюдаваното разпределение на енергията на излъчване в този случай получава названието проблем на черното тяло.

Както показват експериментите с черно тяло, графиката, изобразяваща зависимостта на енергията (яркостта) от честотата или дължината на вълната, е характеристична крива. При ниски честоти (много дълги вълни) тя се доближава до оста на честотите, след това при известна междинна честота достига максимум (закръглен връх), а после при по-високи честоти (къси дълги вълни) намалява. При повишаване на температурата кривата запазва своята форма, но се премества в посока на по-високите честоти. Установени са емпирични съотношения между температурата и честотата при върха на кривата на излъчване на черното тяло (закон за преместването на Вин, наречен така в чест на Вилхелм Вин) и между температурата и цялата излъчена енергия (закон на Стефан-Болцман, наречен така в чест на австрийските физици Йозеф Стефан и Лудвиг Болцман), но никой не успява да изведе кривата на излъчване на черното тяло от основните принципи, известни по това време.

Вин успява да достигне до полуемпирична формула, която описва много добре кривата при високите честоти, но представя грешно нейния ход при ниските честоти. Дж. У Страт (лорд Рейли) и английският физик Джеймс Джинс достигат до друга формула (формула на Рейли-Джинс). Тя възпроизвежда добре кривата, характеризираща излъчването на черното тяло, при ниските честоти, но се разминава с нея при високите честоти.

Под влияние на теорията за електромагнитната природа на светлината на Джеймс Клерк Максуел (публикувана през 1873 г. и потвърдена експериментално от Хенрих Херц през 1887 г.) Планк пристъпва към проблема на черното тяло от гледна точка за разпределението на енергията между елементарни електрически осцилатори, чиято физическа форма изобщо не се конкретизира. Макар на пръв поглед да изглежда, че избраният от него метод напомня извода на Рейли-Джинс, Планк отхвърля някои от допусканията, които двамата учени приемат.

През 1900 г., след продължителни и настойчиви опити да създаде теория, която да обясни удовлетворително експерименталните данни, Планк успява да изведе формула, която, както установяват физиците-експериментатори от Държавния физико-технически институт, съответства със забележителна точност на резултатите от измерванията. Законите на Вин и на Стефан-Болцман също следват от формулата на Планк. Но за да изведе своята формула, на Планк му се налага да въведе радикално понятие, противоречащо на всички установени принципи. Енергията на планковите осцилатори не се променя непрекъснато, както би трябвало да следва от традиционната физика, а може да приема само дискретни значения, увеличаващи се (или намаляващи се) крайни стъпки. Всяка енергийна стъпка е равна на известна константа (наричана днес константа на Планк), умножена по честотата. Дискретните порции енергия по-късно получават названието кванти. Въведената от Планк хипотеза бележи раждането на квантовата теория, извършила истинска революция във физиката. Противоположно на съвременната физика класическата физика вече се отбелязва като “физика до Планк”.

Планк изобщо не е революционер и нито той, нито останалите физици осъзнават дълбокото значение на понятието “квант”. За Планк квантът е само средство, позволяващо му да въведе формула, съгласуваща се удовлетворително с кривата на излъчване на абсолютно черното тяло. Той се опитва да постигне нееднократно съгласие в рамките на класическата традиция, но безуспешно. Заедно с това отбелязва с удовлетворение първите успехи на квантовата теория, последвали почти незабавно. Новата му теория включва в себе си, освен константата на Планк, и други фундаментални величини като скоростта на светлината и числото, известно като константа на Болцман. През 1901 г., опирайки се на експериментални данни от изучаването на черното тяло, Планк изчислява значението на Болцмановата константа и, основавайки се на друга известна информация, получава числото на Авогадро (броя на атомите в един мол от елемента). Използвайки числото на Авогадро, Планк успява да намери със забележителна точност електрическия заряд на електрона.

Позициите на квантовата теория се утвърждават през 1905 г., когато Алберт Айнщайн използва понятието фотон – квант електромагнитно излъчване – за обяснение на фотоелектрическия ефект (изпускане на електрони от повърхността на метал, осветен от ултравиолетово излъчване). Айнщайн предполага, че светлината има двойнствена природа: тя може да се държи и като вълна (в което ни убеждава цялата предходна физика), и като частица (за което свидетелства фотоелектрическият ефект). През 1907 година Айнщайн укрепва още повече позициите на квантовата теория, използвайки понятието квант за обяснение на загадъчните несходства между предвижданията на теорията и експерименталните измервания на относителния топлинен капацитет на телата – количеството топлина, необходимо, за да се повиши с един градус температурата на една единица от масата на твърдото тяло.

Още едно потвърждение за потенциалната мощ на въведената от Планк новост идва през 1913 г. от Нилс Бор, който прилага квантовата теория към строежа на атома. В модела на Бор електроните в атома могат да се намират само на определени енергетични равнища, определяни от квантови ограничения. Преходът на електроните от едно равнище към друго се съпровожда с отделяне на различна енергия във вид на фотон излъчване с честота, равна на енергията на фотона, разделена на константата на Планк. Така се получава квантово обяснение на характеристичните спектри на излъчване, изпускани от възбудените атоми.

През 20-те години Ервин Шрьодингер, Вернер Хайзенберг, П.Дирак и други развиват квантовата механика – снабдена със сложен математически апарат квантова теория. Планк не харесва новата вероятностна интерпретация на квантовата механика и подобно на Айнщайн се опитва да примири предвижданията, основаващи се само на вероятностния принцип, с класическите идеи за причинността. Надеждите му не се сбъднали: вероятностният подход устоял.

Приносът на Планк за съвременната физика не се изчерпва с откриването на кванта и константата, носеща неговото име. Силно впечатление му прави теорията за относителността на Айнщайн, публикувана през 1905 г. Пълната подкрепа, дадена от Планк за новата теория, допринася не малко да бъде приета специалната теория за относителността от физиците. Друго негово достижение е предложеното от него решение на уравнението Фокер-Планк, описващо поведението на система от частици под въздействието на неголеми случайни импулси (Адриан Фокер е холандски физик, усъвършенствал метода, използван за първи път от Айнщайн за описване на брауновото движение – хаотичното зигзагообразно движение на най-малките частици в течностите). През 1928 г. на седемдесет години Планк излиза в задължителна формална оставка, но не прекъсва връзките си с Дружеството за фундаментални науки “Кайзер Вилхелм”, президент на което става през 1930 г. И на прага на осмото си десетилетие той продължава своята изследователска дейност.

Личният живот на Планк е белязан от трагедии. Първата му съпруга, Мария Мерк, с която сключва брак през 1885 г. и която му ражда двама сина и две дъщери-близнаци, умира през 1909 г. Две години по-късно той се жени за племенницата си Марге фон Хеслинг, от която също има син. Най-големият му син загива през Първата световна война, а след това и двете му дъщери умират по време на раждане. Вторият му син от първия му брак е екзекутиран през 1944 г. за участие в неуспешен заговор срещу Хитлер.

Като човек с напредничави възгледи и религиозни убеждения, а и просто като справедлив човек, когато Хитлер идва на власт през 1933 г., Планк защитава публично еврейските учени, изгонени от постовете си и принудени да емигрират. На научна конференция той приветства Айнщайн, анатемосан от нацистите. Когато като президент на Дружеството за фундаментални науки “Кайзер Вилхелм” посещава официално Хитлер, Планк се възползва от случая, за да се опита да бъде прекратено преследването на учените-евреи. В отговор Хитлер избухва в тирада срещу евреите изобщо. По-нататък ученият е по-сдържан и запазва мълчание, макар че нацистите без съмнение знаят за неговите възгледи.

Като патриот, обичащ своята родина, Планк може само да се моли немската нация да започне отново нормален живот. Той продължава да служи в различни немски научни дружества с надеждата да запази поне малко немската наука и просвещение от пълното им унищожение. След като домът и личната му библиотека са унищожени по време на въздушна нападение над Берлин, Планк и съпругата му се опитват да намерят убежище в имението Рогец близо до Магдебург, където се оказват между отстъпващите немски войски и настъпващите сили на съюзниците. В края на краищата съпрузите Планк са открити от американските части и са откарани в безопасния тогава Гьотинген.

Планк умира в Гьотинген шест месеца преди да навърши 90 години. На надгробния му камък са издълбани само името, фамилията му и числената стойност на неговата константа.

Подобно на Бор и Айнщайн, Планк се интересува живо от философските проблеми, свързани с причинността, етиката и свободата на волята, пише по тези теми в печата и изнася лекции по тях пред професионални и непрофесионални аудитории. Изпълнявайки задълженията на пастор (без да има свещенически сан) в Берлин, Планк е дълбоко убеден, че науката допълва религията и учи на правдивост и уважение.

Цял живот Планк запазва любовта си към музиката, зародила се още в ранното му детство. Великолепен пианист, той често свири камерни произведения с приятеля си Айнщайн, преди последният да напусне Германия. Планк се увлича също така от алпинизъм и прекарва почти всеки свой отпуск в Алпите.

Освен с Нобелова награда Планк е удостоен с медала Копли на Лондонското кралско дружество (1928 г.) и наградата Гьоте на гр. Франкфурт на Майн (1946 г.). Немското физическо дружество наречи в негова чест най-висшата си награда (медала Планк) и Планк е първият неин носител. В чест на 80-годишнината му една от малките планети е наречена Планкиана, а след края на Втората световна война Дружеството за фундаментални науки “Кайзер Вилхелм” е преименувано на Дружество “Макс Планк”. Планк е член на Немската и Австрийската академия на науките, а също така на научни дружества и на академии в Англия, Дания, Ирландия, Финландия, Гърция, Холандия, Унгария, Италия, Съветския съюз, Швеция, Украйна и Съединените щати.

Превод от руски: Павел Б. Николов