Студент на экзамене по квантовой механике, разглядывая на доске значок ћ, отвечает: «Это — постоянная планка». Экзаменатор: «Что это за черточка на букве?». «Это высота этой планки».
ИЗ ФОЛЬКЛОРА СТУДЕНТОВ-ФИЗИКОВ
Когда юный Макс Планк поступил в 1874 году в Мюнхенский университет, профессор физики Филипп фон Жюлли попытался отговорить молодого студента от занятий теоретической физикой. «В области, где почти все уже открыто, остается лишь заполнить несколько лакун». Вот как раз с так называемыми лакунами и были большие проблемы.
В 1887 году американские физики Альберт Майкельсон и Эдвард Морли попытались установить скорость движения Земли относительно эфира. Вопреки ожиданию экспериментально не удалось обнаружить движение нашей планеты относительно эфира. Интересно, что этот опыт был многократно повторен со все большей точностью, последний раз в 2015 году, но все подтвердилось. Это противоречило всем принципам и законам тогдашней физики, которую создали ученые от Ньютона и до Максвелла. Эксперимент Майкельсона-Морли стал подтверждением кинематики Эйнштейна, названной Специальной теорией относительности.
Вторая проблема состояла в тепловом излучении, вернее в его распределении. Здесь тоже эксперимент расходился с теорией. Этим и занялся Макс Планк.
Интересно, что Планк в 1906 году назвал работу Эйнштейна «Relativtheorie», которая на немецкий язык переводится как «Relativitatstheorie» или теория относительности. Эта терминология стала общепринятой, хотя сам автор теории назвал ее принципом относительности.
УЛЬТРАФИОЛЕТОВАЯ КАТАСТРОФА
В Мюнхенском университете Планк получил основательную математическую подготовку, но затем перешел в университет в Берлине, где он проучился год под руководством таких выдающихся физиков, как Герман Гельмгольц и Густав Кирхгоф. Там же он познакомился с трудами немецкого физика Рудольфа Клаузиуса, одного из основателей термодинамики и молекулярно-кинетической теории.
В 1879 он защитил докторскую диссертацию, посвященную второму началу термодинамики, а в 1897 впервые появилась его книга «Лекции по термодинамике», переведенная на многие языки.
Работы Кирхгофа по излучению абсолютно черного тела вызвали интерес Планка. Это своего рода теоретическая идеализация тела, которое поглощает все падающее на него излучение и ничего при этом не отражает. В современной астрономии и астрофизике так называют черные дыры, но во времена Планка они не были известны.
Из работ Кирхгофа вытекало, что абсолютно черное тело может испускать тепловое излучение, плотность энергии которого есть функция, зависящая от частоты и температуры. Получался парадоксальный факт. С ростом частоты плотность энергии излучения должна непрерывно возрастать. Как следствие, общая энергия излучения тела при любой температуре оказывалась бесконечной, что являлось явным абсурдом, получившим у физиков название «ультрафиолетовая катастрофа».
Катастрофа потому, что классическая физика, признающая только непрерывные функции распределения энергии, не могла объяснить такой парадоксальный факт. Теория явно расходилась с экспериментом и просто здравым смыслом, вытекающим из закона сохранения энергии.
ПОЯВЛЕНИЕ КВАНТА
Решение этой проблемы было найдено Планком в 1889-1900 гг. Он выдвинул предположение, что тепловое излучение испускается атомами не непрерывно, как это следовало из законов электродинамики Максвелла, а определенными порциями, квантами. Их энергия равна произведению частоты излучения на некоторую постоянную, имеющую размерность произведения энергии на время. Он же установил первое значение этой постоянной, по современным данным ћ = 6,626·10-34 Дж·с. Сам Планк называл эту постоянную квантом действия, но она носит его имя и относится к немногочисленным фундаментальным постоянным. Таким, например, как скорость света в вакууме.
Днем рождения квантовой теории считают 14 декабря 1900 года, когда на заседании Прусской академии наук Планк сделал доклад «К теории распределения энергии излучения нормального спектра», в котором изложил основные результаты своих исследований.
Введенное понятие кванта означало, что заложен краеугольный камень в основание новой физики, получившей потом название квантовой механики. Предложенная Планком формула плотности энергии излучения, во-первых, полностью соответствовала результатам экспериментов и, во-вторых, избавляла от парадокса так называемой ультрафиолетовой катастрофы.
В то же время сам Планк и его коллеги рассматривали введение квантов и соответствующей формулы как математический вариант согласования теории и эксперимента, своего рода гипотезы ad hoc — для данного случая, для этой конкретной цели. Новатор науки не в полной мере осознавал, что выступает в роли революционера, выводящего физику на совершенно новый уровень.
В 1918 году Планк стал Нобелевским лауреатом. В своей Нобелевской лекции он так обрисовал стоявшую перед ним проблему. «Или квант действия был фиктивной величиной — тогда весь вывод закона излучения был принципиально иллюзорным и представлял просто лишенную содержания игру в формулы, или при выводе этого закона в основу была положена правильная физическая мысль — тогда квант действия должен был играть в физике фундаментальную роль. Его появление возвещало нечто совершенно новое, дотоле неслыханное, что, казалось, требовало преобразования самих основ нашего физического мышления, покоившегося со времен обоснования анализа бесконечно малых Ньютоном и Лейбницем на предположении о непрерывности всех причинных связей».
КОНСЕРВАТИЗМ В ФИЗИКЕ И ЛИЧНОЙ ЖИЗНИ
Бурное развитие квантовой механики приходится на 1920-е гг. Американский историк науки Пол Форман писал, что социально-политическая атмосфера неустойчивости и разочарования в прежних идеалах в Веймарской Германии содействовала распространению идей индетерминизма, что сыграло важную роль в становлении квантовой механики.
В эти годы Планк с большим сожалением даже можно сказать ностальгией воспринял отход от классической физики. Он неоднократно предпринимал попытки согласовать новые подходы с тем, что совсем недавно было общепринятым, но безуспешно. Новые теоретические разработки и постановка новых экспериментов каждый раз доказывали ограниченность подходов классической физики. В своей автобиографии он писал с сожалением, что «Мои тщетные попытки как-то ввести квант действия в классическую теорию продолжались в течение ряда лет и стоили мне немалых трудов».
Параллельно развивалась теория относительности Эйнштейна. Интересно, что математический аппарат, разработанный для теории относительности и понятие пространства-времени, новая кинематика и динамика высоких скоростей так или иначе со своими особенностями применяется и в квантовой механике. При этом сам Эйнштейн к последней относился отрицательно, его не устраивал вероятностный подход к физическим явлениям. Известна его фраза из письма Нильсу Бору от 7 ноября 1947. «Ты веришь в играющего в кости Бога, а я — в полную закономерность в мире объективно сущего».
Хотя Планк скептически относился к некоторым идеям Эйнштейна, в частности, к исследованиям о световых квантах или фотонах, оба ученых оставались близкими друзьями.
Несмотря на все сложности, Планк продолжал плодотворно работать. Он предложил вывод уравнения Фоккера-Планка, описывающего поведение системы частиц под действием небольших случайных импульсов. С 1912 по 1943 год Планк являлся секретарем Берлинской (Прусской) академии наук, членом которой он был избран в 1894 году. С 1930 года он являлся президентом Общества фундаментальных наук кайзера Вильгельма. С 1948 года оно носит имя Макса Планка и считается одним из самых авторитетных научных организаций.
Планк был очень разносторонним человеком. Он увлекался музыкой и филологией. В юности долго выбирал свое поприще, но все-таки остановился на физике. Однако музыку не оставил. Будучи глубоко верующим человеком, он пел в церковном хоре, играл на органе, фортепьяно и виолончели. Планк писал песни для спектаклей и дирижировал оркестром. Он даже написал оперетту «Любовь в лесу» партитура которой, к сожалению, не сохранилась.
Хотя Планк предпочитал сторониться политики, но очень критично относился к нацистам. Более того, в разговоре с Гитлером в 1934 году он выступил в защиту своих коллег-евреев, которых массово изгоняли из университетов и научных учреждений.
Его открытая поддержка преследуемых коллег, в частности, Эйнштейна и отказ вступить в нацистскую партию привели к тому, что правительство вынудило его покинуть должность президента Прусской академии наук. Нацисты очень подозрительно относились к нему. В официальной газете СС «Das Schwarze Korp» его называли «переносчик бактерий», а родословную тщательно изучали в гестапо.
Личная жизнь тоже состояла из ряда черных полос. Первая жена Планка Мария Мерк умерла в 1909 году. Старший сын Карл погиб в мае 1916 под Верденом. Младший сын Эрвин встретил завершение войны во французском плену. Две дочери-близнецы умерли при родах в 1917 и 1918 годах.
В Веймарской республике Эрвин Планк был высокопоставленным чиновником. После прихода к власти нацистов отошел от политической жизни, но участвовал в дискуссиях кружка полковника Клауса Штауффенберга. Непосредственного участия в покушении на Гитлера не принимал, но был арестован в январе 1945 года и казнен. Пытаясь спасти любимого сына, 87-летний Макс Планк писал письма с просьбой о помиловании Гитлеру и главе СС Генриху Гиммеру, но безуспешно.
В феврале 1944 года в результате налета авиации союзников сгорел дом ученого в берлинском районе Грюневальде. Погибли его рукописи, дневники, практически вся обширная библиотека. Планк был вынужден перебраться к своему другу Карлу Штилю в его имение под Магдебургом.
На этом злоключения ученого не закончились. Весной 1945 года он чуть не погиб во время бомбардировки Касселя, где выступал с лекцией. Пришлось укрываться в лесу у местного молочника, при этом состояние ученого резко ухудшилось из-за артрита позвоночника. По просьбе физика Роберта Поля американские военные доставили Планка в Геттинген, где он провел пять недель в университетской клинике.
В июле 1946 года, будучи единственным представителем Германии, принял участие в праздновании 300-летия со дня рождения Ньютона. В марте 1947 года Планк выступил со своей последней лекцией. Его здоровье постоянно ухудшалось, 4 октября 1947 года он скончался.
На могиле великого ученого высечено его имя и значение постоянной, названной в его честь.
