Введение

Немецкий физик-теоретик (1858–1947)

Макс Карл Эрнст Людвиг Планк (/lang/'/p//l//æ//ŋ//k/, ; 23 апреля 1858 – 4 октября 1947) был немецким физиком-теоретиком, чье открытие квантов энергии принесло ему Нобелевскую премию по физике в 1918 году. Планк внес множество существенных вкладов в теоретическую физику, но его слава как физика в первую очередь связана с его ролью основоположника квантовой теории, которая произвела революцию в понимании атомных и субатомных процессов. Он известен постоянной Планка, имеющей фундаментальное значение для квантовой физики, которую он использовал для вывода системы единиц, сегодня называемых единицами Планка, выраженных исключительно через фундаментальные физические константы. Планк дважды занимал пост президента немецкого научного учреждения "Общество кайзера Вильгельма". В 1948 году оно было переименовано в Общество Макса Планка (Max Planck Gesellschaft) и в настоящее время включает 83 института, охватывающих широкий спектр научных направлений.

Ранние годы и образование

Планк происходил из традиционной интеллектуальной семьи. Его прадед и дед по отцовской линии были профессорами теологии в Геттингене; его отец был профессором права в университетах Киля и Мюнхена. Один из его дядей также был судьей. Планк родился в 1858 году в Киле, Голштейне, в семье Иоганна Юлиуса Вильгельма Планка и его второй жены, Эммы Патциг. Он был крещен с именем Карла Эрнста Людвига Маркса Планка; из его имен Маркс был указан как "имя-апелляция". Однако к десяти годам он подписывался именем Макс и использовал его всю оставшуюся жизнь. Он был шестым ребенком в семье, хотя двое его братьев и сестер были от первого брака отца. Война была обычным явлением в ранние годы жизни Планка, и одним из его самых ранних воспоминаний был марш прусских и австрийских войск в Киль во время Второй Шлезвигской войны в 1864 году. Позже он попал под опеку Германа Мюллера, математика, который заинтересовался юношей и обучил его астрономии и механике, а также математике. Именно от Мюллера Планк впервые узнал о принципе сохранения энергии. Планк окончил школу в 17 лет. Так Планк впервые соприкоснулся с физикой. Планк был талантлив в музыке. Он брал уроки пения и играл на фортепиано, органе и виолончели, сочинял песни и оперы. Однако вместо музыки он выбрал изучение физики. Планк поступил в Мюнхенский университет в 1874 году. Под руководством профессора Филиппа фон Джоли Планк провел единственные эксперименты за всю свою научную карьеру, изучая диффузию водорода через нагретую платину, но затем переключился на теоретическую физику. Джоли советовал Планку не заниматься теоретической физикой. Планк вспоминает, что в 1878 году Джоли утверждал, что физика почти завершена, будучи "высокоразвитой, почти полностью созревшей наукой, которая, благодаря главному достижению – открытию принципа сохранения энергии, возможно, скоро примет свою окончательную устойчивую форму". В 1877 году он отправился в Берлинский университет Фридриха Вильгельма на год обучения у физиков Германа фон Гельмгольца и Густава Кирхгоффа, а также математика Карла Вейерстрасса. Он писал, что Гельмгольц никогда не был полностью готов, говорил медленно, бесконечно ошибался и утомлял своих слушателей, в то время как Кирхгофф читал тщательно подготовленные лекции, которые были сухими и монотонными. Вскоре он стал близким другом Гельмгольца. Там он начал самостоятельное изучение трудов Рудольфа Клаузиуса, что привело его к выбору термодинамики в качестве своей области исследований. В октябре 1878 года Планк сдал квалификационные экзамены, а в феврале 1879 года защитил диссертацию «О втором законе механической теории тепла» (Über den zweiten Hauptsatz der mechanischen Wärmetheorie). Некоторое время он преподавал математику и физику в своей бывшей школе в Мюнхене. К 1880 году Планк получил две высшие академические степени, предлагаемые в Европе. Первая – докторская степень, после завершения работы, подробно описывающей его исследования и теорию термодинамики. Он предложил термодинамическую основу теории электролитической диссоциации Сванте Аррениуса. В 1889 году он был назначен преемником Кирхгоффа на должность в Берлинском университете Фридриха Вильгельма – предположительно благодаря ходатайству Гельмгольца – и к 1892 году стал полноправным профессором. В 1907 году Планку предложили должность Людвига Больцмана в Вене, но он отказался, предпочтя остаться в Берлине. В 1909 году, будучи профессором Берлинского университета, он был приглашен для чтения лекций по теоретической физике имени Эрнеста Кемптона Адамса в Колумбийском университете в Нью-Йорке. Серия его лекций была переведена и опубликована совместно с профессором Колумбийского университета А. П. Уиллсом. В 1914 году он был избран членом Американской академии искусств и наук. Он вышел на пенсию из Берлинского университета 10 января 1926 года, и его сменил Эрвин Шрёдингер. В 1926 году он был избран членом Национальной академии наук США, а в 1933 году – членом Американского философского общества.

Излучение черного тела

В 1894 году Планк обратил свое внимание на проблему излучения черного тела. Проблема была сформулирована Кирхгоффом в 1859 году: "как интенсивность электромагнитного излучения, испускаемого черным телом (совершенным поглотителем, также известным как излучатель полости), зависит от частоты излучения (т.е. цвета света) и температуры тела?". Вопрос исследовался экспериментально, но ни одно теоретическое объяснение не соответствовало экспериментально наблюдаемым данным. Вильгельм Вин предложил закон Вина, который правильно предсказывал поведение при высоких частотах, но не работал при низких частотах. Закон Рэлея-Джинса, другой подход к проблеме, согласовался с экспериментальными результатами при низких частотах, но приводил к тому, что позже стало известно как "ультрафиолетовая катастрофа" при высоких частотах, как и предсказывалось классической физикой. Однако, вопреки распространенному мнению, это не было мотивацией для Планка. Первое предложенное Планком решение проблемы в 1899 году основывалось на том, что он назвал "принципом элементарного беспорядка", который позволил ему вывести закон Вина из ряда предположений об энтропии идеального осциллятора, создав так называемый закон Вина-Планка. Вскоре, однако, оказалось, что экспериментальные данные вовсе не подтверждают новый закон, что разочаровало Планка. Он пересмотрел свой подход и вывел первую версию знаменитого закона излучения черного тела Планка, который четко описывал экспериментально наблюдаемый спектр черного тела. Впервые он был представлен на заседании DPG 19 октября 1900 года и опубликован в 1901 году. (Этот первый вывод не включал квантование энергии и не использовал статистическую механику, к которой он испытывал неприязнь.) В ноябре 1900 года Планк пересмотрел эту первую версию, теперь опираясь на статистическую интерпретацию второго закона термодинамики Больцмана как способ получить более фундаментальное понимание принципов, лежащих в основе его закона излучения. Планк глубоко подозревал философские и физические последствия такой интерпретации подхода Больцмана; таким образом, его обращение к ней было, как он позже выразился, "актом отчаяния – я был готов пожертвовать любыми своими прежними убеждениями о физике". В знак признания фундаментального вклада Планка в новую область физики ему была присуждена Нобелевская премия по физике за 1918 год (он получил награду только в 1919 году). Впоследствии Планк пытался понять смысл энергетических квантов, но безуспешно. "Мои безуспешные попытки как-то вновь интегрировать квант действия в классическую теорию продолжались несколько лет и доставляли мне много хлопот". Даже спустя несколько лет другие физики, такие как Рэлей, Джинс и Лоренц, приравнивали постоянную Планка к нулю, чтобы соответствовать классической физике, но Планк хорошо знал, что эта постоянная имеет точное ненулевое значение. "Я не могу понять упорство Джинса – он пример теоретика, которого никогда не должно быть, как Гегель был для философии. Тем хуже для фактов, если они не соответствуют". Макс Борн писал о Планке: "Он по природе своей был консерватором; в нем не было ничего революционного, и он полностью скептически относился к спекуляциям. Однако его вера в убедительную силу логического рассуждения, основанного на фактах, была настолько сильна, что он не побоялся объявить самую революционную идею, которая когда-либо потрясла физику". Гипотеза Эйнштейна о световых квантах (фотонах), основанная на открытии Генрихом Герцем в 1887 году (и дальнейших исследованиях Филиппа Ленарда) фотоэлектрического эффекта, первоначально была отвергнута Планком. Он не хотел полностью отказываться от теории электродинамики Максвелла. "Теория света была бы отброшена не на десятилетия, а на века назад, в эпоху, когда Кристиан Гюйгенс осмелился бороться против могущественной теории излучения Исаака Ньютона".

В 1910 году Эйнштейн указал на аномальное поведение удельной теплоемкости при низких температурах как еще один пример явления, которое не поддается объяснению с помощью классической физики. Планк и Вальтер Нернст, стремясь прояснить растущее число противоречий, организовали Первую Сольвеевскую конференцию (Брюссель, 1911). На этой встрече Эйнштейну удалось убедить Планка. Тем временем Планк был назначен деканом Берлинского университета, что позволило ему пригласить Эйнштейна в Берлин и учредить для него новую профессорскую должность (1914). Вскоре эти два ученых стали близкими друзьями и часто встречались, чтобы вместе играть музыку.

Первая мировая война

В начале Первой мировой войны Планк поддержал общий подъем патриотических настроений в обществе, написав, что "наряду со множеством ужасного, есть также многое неожиданно великое и прекрасное: плавное решение сложнейших внутриполитических проблем посредством объединения всех партий и возвышение всего доброго и благородного". Планк также подписал печально известный "Манифест 93 интеллектуалов" – брошюру, содержащую острую военную пропаганду (в то время как Эйнштейн придерживался строго пацифистских взглядов, что едва не привело к его заключению, от которого его спасло лишь швейцарское гражданство). В 1915 году, когда Италия сохраняла нейтралитет, Планк успешно проголосовал за присуждение премии Прусской академии наук научной работе, представленной из Италии, где он был одним из четырех постоянных президентов.

Послевоенные годы и Веймарская республика

В бурные послевоенные годы Планк, к тому времени ставший высшим авторитетом немецкой физики, призвал своих коллег к слогану "упорно трудитесь и продолжайте работать". В октябре 1920 года он и Фриц Габер основали Notgemeinschaft der Deutschen Wissenschaft (Чрезвычайную организацию немецкой науки), целью которой была финансовая поддержка научных исследований. Значительная часть средств, которые организация планировала распределять, была собрана за рубежом. Планк занимал руководящие должности в Берлинском университете, Прусской академии наук, Немецком физическом обществе и Обществе имени кайзера Вильгельма (которое в 1948 году стало Обществом Макса Планка). В этот период экономическая ситуация в Германии была настолько сложной, что он едва мог заниматься исследованиями. В 1926 году Планк был избран иностранным членом Королевской нидерландской академии искусств и наук. В межвоенный период Планк вступил в Deutsche Volks Partei (Германскую народную партию), партию лауреата Нобелевской премии мира Густава Штреземана, которая придерживалась либеральных взглядов во внутренней политике и скорее ревизионистских – во внешней. Планк не одобрял введение всеобщего избирательного права и позднее выразил мнение, что нацистская диктатура стала следствием "возвышения власти толпы".

Квантовая механика

В конце 1920-х годов Нильс Бор, Вернер Гейзенберг и Вольфганг Паули разработали копенгагенскую интерпретацию квантовой механики, но она была отвергнута Планком, а также Шрёдингером, Лауэ и Эйнштейном. Планк полагал, что волновая механика вскоре сделает квантовую теорию, его собственное детище, ненужной. Однако этого не произошло. Дальнейшие исследования лишь подчеркнули непреходящую центральную важность квантовой теории, несмотря на философское неприятие её со стороны Планка и Эйнштейна. Здесь Планк ощутил правдивость своего собственного более раннего наблюдения, сделанного в ходе борьбы со старыми взглядами в юности: "Новая научная истина не торжествует, убеждая своих противников и открывая им глаза, а скорее потому, что её противники в конечном итоге уходят, и на смену им приходит новое поколение, выросшее с ней."

Диктатура нацистов и Вторая мировая война

Когда в 1933 году нацисты пришли к власти, Планку было 74 года. Он стал свидетелем того, как многих еврейских друзей и коллег изгоняли с должностей и унижали, а сотни ученых эмигрировали из нацистской Германии. Он вновь попытался "продолжать работать и не сдаваться" и попросил ученых, рассматривавших возможность эмиграции, остаться в Германии. Тем не менее, он помог своему племяннику, экономисту Герману Кранольду, эмигрировать в Лондон после его ареста. Он надеялся, что кризис скоро утихнет и политическая ситуация улучшится. Отто Ган попросил Планка собрать известных немецких профессоров для публикации публичного заявления против преследования еврейских профессоров, но Планк ответил: "Если вы сегодня сможете собрать 30 таких господ, то завтра придут еще 150 и выступят против, поскольку они стремятся занять чужие места". Под руководством Планка Общество кайзера Вильгельма (KWG) избегало открытого конфликта с нацистским режимом, за исключением случая с евреем Фрицем Габером. В мае 1933 года Планк добился и получил аудиенцию у недавно назначенного канцлера Германии Адольфа Гитлера, чтобы обсудить этот вопрос, заявив ему, что "принудительная эмиграция евреев погубит немецкую науку, а евреи могут быть хорошими немцами", на что канцлер ответил: "Но у нас нет ничего против евреев, только против коммунистов". Планк потерпел неудачу, поскольку этот ответ "лишил его всякой основы для дальнейших переговоров", так как для Гитлера "все евреи – коммунисты, а это мои враги". В следующем, 1934 году, Габер умер в изгнании. Год спустя Планк, являвшийся президентом KWG с 1930 года, организовал в несколько провокационной манере официальное памятное собрание в честь Габера. Ему также удалось тайно позволить ряду еврейских ученых продолжать работать в институтах KWG в течение нескольких лет. В 1936 году его срок пребывания в должности президента KWG истек, и нацистское правительство оказывало на него давление, чтобы он не баллотировался на новый срок. По мере того как политический климат в Германии становился все более враждебным, Йоханнес Штарк, видный сторонник "немецкой физики" ("Deutsche Physik", также называемой "арийской физикой"), атаковал Планка, Арнольда Зоммерфельда и Гейзенберга за то, что они продолжали преподавать теории Эйнштейна, называя их "белыми евреями". "Hauptamt Wissenschaft" (нацистское главное управление науки) начало расследование происхождения Планка, утверждая, что он "на 1/16 еврей", но Планк это отрицал. В 1938 году Планк отметил свой 80-й день рождения. Немецкое физическое общество (DPG) устроило торжественный прием, во время которого французскому физику Луи де Бройлю была вручена медаль Макса Планка (учрежденная DPG в 1928 году как высшая награда). В конце 1938 года Прусская академия наук потеряла свою оставшуюся независимость и перешла под контроль нацистов (Gleichschaltung). Планк выразил протест, подав в отставку с поста президента. Он продолжал много путешествовать, выступая с многочисленными публичными лекциями, например, о религии и науке, и через пять лет он был достаточно здоров, чтобы подниматься на вершины высотой 3000 метров в Альпах. Во время Второй мировой войны растущее число бомбардировок Берлина союзниками вынудило Планка и его жену временно покинуть город и переехать в сельскую местность. В 1942 году он писал: "Во мне рождается горячее желание пережить этот кризис и дожить до переломного момента, начала нового подъема". В феврале 1944 года его дом в Берлине был полностью разрушен авиаударом, уничтожив все его научные записи и переписку. Его сельской резиденции угрожало быстрое наступление войск союзников с обеих сторон. В 1944 году сын Планка, Эрвин, был арестован гестапо после попытки покушения на Гитлера в октябре 1944 года. Эрвин был приговорен к смерти Народным судом в октябре 1944 года и повешен в берлинской тюрьме Плёцензее в январе 1945 года. Смерть сына лишила Планка воли к жизни.

Личная жизнь и смерть

В марте 1887 года Планк женился на Мари Мерк (1861–1909), сестре школьного товарища, и переехал с ней в квартиру в Киле. У них было четверо детей: Карл (1888–1916), близнецы Эмма (1889–1919) и Грете (1889–1917), и Эрвин (1893–1945). После проживания в берлинской квартире, семья Планков переехала в виллу в Берлине, в районе Груневальд, по адресу Вангенхаймштрассе, 21. Рядом жили несколько других профессоров Берлинского университета, в том числе теолог Адольф фон Харнак, ставший близким другом Планка. Вскоре дом Планков превратился в центр общественной и культурной жизни. Многочисленные известные ученые, такие как Альберт Эйнштейн, Отто Хан и Лиза Майтнер, часто посещали их. Традиция совместного музицирования уже была заложена в доме Гельмгольца. После нескольких счастливых лет, в июле 1909 года Мари Планк умерла, предположительно от туберкулеза. В марте 1911 года Планк женился на своей второй жене, Марге фон Гесслин (1882–1948); в декабре родился его пятый ребенок, Герман. Во время Первой мировой войны второй сын Планка, Эрвин, был взят в плен французами в 1914 году, а его старший сын Карл погиб в бою при Вердене. Грете умерла в 1917 году при родах своего первого ребенка. Ее сестра постигла та же участь два года спустя, после того как она вышла замуж за вдовца Грете. Обе внучки выжили и были названы в честь своих матерей. Планк стойко перенес эти потери. В январе 1945 года Эрвин Планк, к которому он был особенно привязан, был приговорен к смерти нацистским народным трибуналом (Volksgerichtshof) за участие в неудачной попытке покушения на Гитлера в июле 1944 года. Эрвин был казнен 23 января 1945 года. После окончания Второй мировой войны Планка, его вторую жену и сына перевезли к родственникам в Геттинген, где Планк умер 4 октября 1947 года. Он был похоронен на старом городском кладбище в Геттингене.

Религиозные взгляды

Планк был членом Лютеранской церкви в Германии. Он проявлял большую терпимость к альтернативным взглядам и религиям. В лекции 1937 года под названием «Religion und Naturwissenschaft» («Религия и естествознание») он подчеркнул важность символов и ритуалов, непосредственно связанных со способностью верующего поклоняться Богу, но отметил, что эти символы представляют собой несовершенное отражение божественности. Он критиковал атеизм за сосредоточенность на высмеивании таких символов, одновременно предостерегая верующих от переоценки их значимости. Планк был толерантен и благосклонен ко всем религиям. Хотя он оставался в лютеранской церкви, он не пропагандировал христианские или библейские взгляды. Он считал, что «вера в чудеса должна постепенно уступать место твердому и неуклонному прогрессу научных фактов, и ее полное поражение, несомненно, лишь вопрос времени». Планк утверждал, что концепция Бога важна как для религии, так и для науки, но по-разному: «И религия, и наука требуют веры в Бога. Для верующих Бог – это начало, а для физиков – конец всех размышлений. Для первых Он – основание, для последних – венец здания любого обобщенного мировоззрения». Более того, Планк писал, что «верить» означает «признавать истиной», а знание природы, постоянно продвигающееся по безошибочным путям, сделало совершенно невозможным для человека с научным образованием признавать обоснованными многочисленные сообщения о необычных явлениях, противоречащих законам природы, о чудесах, которые до сих пор часто считаются существенной поддержкой и подтверждением религиозных доктрин и которые ранее принимались как чистые факты, без сомнений и критики. Вера в чудеса должна постепенно отступать перед неустанно и надежно развивающейся наукой, и мы не можем сомневаться, что рано или поздно она полностью исчезнет. Известный историк науки Джон Л. Хейлброн охарактеризовал взгляды Планка на Бога как деистические. Хейлброн также сообщает, что на вопрос о его религиозной принадлежности Планк ответил, что, хотя он всегда был глубоко религиозным человеком, он не верил «в личного Бога, тем более в христианского Бога».