Портрет: Макс Планк
В 1900 году Макс Планк выдвинул новую теорию теплового излучения, оказавшей позже влияние на развитие всей современной физики. Его гипотеза перевернула представления научного мира. В настоящее время специалисты считают создание квантовой теории крупнейшим открытием 20 века.
В 1858 году в семье профессора юриспруденции Иоганна Юлиуса Вильгельма фон Планка и его жены Эммы родился шестой ребёнок. При крещении мальчику было дано имя Макса Карла Эрнста Людвига. Всех своих детей (а их было семеро) отец воспитывал в прусских традициях. Во главу угла ставились верность государству, чувство долга и надёжность.
В 1867 году семья переехала из Киля в Мюнхен, где Планку-старшему предложили кафедру гражданско-процессуального права в местном университете. 9-летний Макс поступил в гимназию. Учителя оценивали его достаточно высоко:
«Дельный и любезный... Послушный, прилежный и одарённый ученик... хорошее логическое мышление, светлая голова. Из него выйдет толк.»
Одним словом, примерный сын своего отца. Макс получал гуманитарное образование, что не помешало ему увлечься физикой. Благодарить за это можно гимназического учителя математики. Как вспоминал Макс Планк в поздние годы:
«Я до сих пор не могу забыть пример потенциальной и кинетической энергии, который привёл Мюллер. Когда каменщик тащит на крышу дома тяжёлый кирпич, потраченная им энергия не пропадает. Она полностью сохраняется многие годы, пока однажды камень не отделится от стены и не упадёт на голову случайному прохожему.»
Все дети в семье Планков были музыкально одарены. Не был исключением и Макс: в детстве он пел в хоре мальчиков крупные оратории и даже играл на органе. В доме Планков часто звучал рояль, и собирались любители музыки. Любимыми композиторами были Брамс и Шуман.
После блестящего окончания гимназии перед Планком встал вопрос о дальнейшем образовании. По его собственным словам, выбор происходил между музыкой, древней филологией и физикой. В итоге, победило желание приблизиться к знанию законов природы. Планк изучал физику в Мюнхенском, а затем – в Берлинском университете, где преподавали знаменитые учёные Гельмгольц и Кирхгоф. Однако лекции корифеев физики не производили большого впечатления.
«Гельмгольц, по-видимому, никогда не готовился к лекциям, он постоянно запинался... У нас сложилось ощущение, что он и сам скучает на своих лекциях не меньше, чем мы. Кирхгоф, напротив, всегда носил с собой тщательно подготовленную тетрадь с записью лекций. Но все они звучали как заученные наизусть: сухо и монотонно. Мы восхищались лектором, но не его лекциями.»
Основным источником знаний стали для Макса Планка книги и научные публикации. Его главным интересом была термодинамика – область физики, которая изучает явления теплоты, механической энергии и преобразования энергии. В 21 год он закончил университет и получил научную степень. Когда Планк рассказал своему профессору о намерении заняться теоретической физикой, последний прокомментировал это решение скептически:
«Теоретическая физика – хорошее направление, вот только кафедры для него сейчас нигде нет. Кроме того, сделать в этой области что-то грандиозное вам не удастся. Потому что с открытием закона сохранения энергии здание теоретической физики практически завершено. Допускаю, что вы сможете обнаружить пару пылинок, но ничего принципиально нового вы не откроете.»
Мнение о том, что физика уже полностью исследована, было общепринятым во второй половине 19 века. Это обстоятельство не остановило Планка. В 1879 году он защитил диссертацию о законе термодинамики, утверждающем, что ни один непрерывный самоподдерживающийся процесс не может переносить тепло от более холодного тела к более тёплому. Через год Планк защитил вторую диссертацию (о «Равновесном состоянии изотропных тел при различных температурах») и получил место младшего ассистента на факультете физики.
За время работы ассистентом в Мюнхенском, а позже – в Кильском университете Планк стал автором нескольких работ по термодинамике. Однако эти работы не нашли отклика в учёных кругах.
«Не без разочарования я был вынужден констатировать, что резонанс от моей диссертации на степень доктора был равен нулю. Гельмгольц, похоже, вообще не читал мою работу, а Кирхгоф категорически отверг её содержание. Добраться до Клаузиуса мне вообще не удалось.»
Лишь благодаря протекции друзей отца Максу Планку удалось получить должность профессора в Берлинском университете. Это была единственная профессорская кафедра по теоретической физике в Германии в то время. Более того, это был главный центр естественнонаучных исследований в стране. Должность профессора обеспечила 27-летнему учёному финансовую независимость от родителей. Ежегодный доход в две тысячи рейхсмарок позволил ему подумать о создании собственной семьи.
В 1887 году Макс Планк женился на дочери мюнхенского банкира Мари Мерк, которую он знал с детства. Мари была красивой и одарённой девушкой. Они часто музицировали вместе. Гостеприимная атмосфера их дома всегда привлекала друзей и коллег. Здесь часто звучала камерная музыка. Сам хозяин играл на фортепьяно, а его партнёрами по исполнению бывали самые разные люди: от профессиональных музыкантов до его коллеги Альберта Эйнштейна.
«Планк любил весёлые непринуждённые вечеринки, а его дом был главным местом встреч... Если праздник устраивался в летний семестр, то непременно играли в саду в подвижные игры. И Планк всегда принимал в них участие с прямо-таки детским азартом и проворством (лёгкостью). Убежать от него не удавалось практически никогда. И как он радовался, когда удавалось кого-то поймать!»
Так, много лет спустя, вспоминала о Планке Лизе Майтнер, знаменитый физик, которая в своё время слушала лекции Планка в Берлинском университете и часто бывала в его доме.
Учёный продолжал заниматься проблемами теплового изучения тел. В 1897 году вышел первый сборник его лекций по термодинамике. Планк исследовал проблему излучения чёрного тела.
До 1900 года наука стояла перед сложной проблемой. Экспериментаторы получали всё более точные результаты измерения излучения. А теоретики не могли систематизировать эти знания. Существовали две разных формулы для измерения излучения длинных и коротких волн. Однако ни первая, ни вторая не могли вычислить излучение средних волн. Планк занялся решением этой проблемы.
«Выбранным мною методом никто не интересовался. И я мог спокойно работать, не боясь, что мне кто-либо будет мешать или меня опередят.»
В 1900 году Планку удалось вывести сложную алгебраическую формулу, которая верно описывала излучение коротких волн. Вскоре Планк узнал новые результаты экспериментов с длинными волнами. Он вывел для них, на основе старой формулы, новую, затем скомбинировал обе и получил универсальный закон излучения. Результаты своей работы Планк представил в Берлинском физическом обществе 19 октября 1900 года. Большинство коллег не сумели сразу оценить значение открытия. Однако, как вспоминал Макс Планк:
«На утро следующего дня меня разыскал мой коллега Рубенс и рассказал, что после заседания он отправился в лабораторию и той же ночью сравнил мою формулу с результатами своих исследований. И все они совпали.»
Планк погрузился в работу. Его формула была результатом гениальной догадки. Теперь требовалось найти теоретическое обоснование. Следующий месяц учёный провёл в напряжённых исследованиях. Он пришёл к выводу, что излучение состоит из отдельных групп атомов, а не из постоянного потока, как полагала наука.
Планку пришлось принять теорию об атомах. Это было не так просто, так как он был человеком религиозным, а в начале 20 века церковь не признавала наличия атомов. Планк вовсе не стремился произвести революцию в науке. Однако исследования привели его к радикально новой гипотезе, опровергавшей существовавшие законы физики.
14 декабря 1900 года, через четыре недели после обнародования первой формулы в том же зале Берлинского физического общества Макс Планк представил собравшимся свою гипотезу. В ней вводилось новая постоянная h – ныне называемая постоянной Планка, а дискретные порции энергии назывались квантами.
Вероятно, если бы автором этой теории был другой физик, то её сочли бы бредом. Однако Планк был известен как серьёзный и внимательный учёный. Но даже сам автор квантовой теории не подозревал о важности своего открытия. Для него квант был средством, позволившим подтвердить формулу.
«Это была чисто формальная гипотеза, и я не ждал от неё ничего особенного. Я стремился во что бы то ни стало получить позитивный результат.»
Планк тщетно пытался интегрировать свою теорию в систему физики. Квантовая теория опровергала двухтысячелетнюю уверенность науки в том, что природа не делает скачков. Однако суть кванта по-прежнему оставалась не исследована.
Значение квантовой теории укреплялось в науке постепенно. В 1905 году Альберт Эйнштейн воспользовался понятием кванта для объяснения фотоэлектрического эффекта. А ещё восемь лет спустя Нильс Бор применил квантовую теорию к строению атома.
В 1919 году Планк был удостоен Нобелевской премии «в знак признания заслуг в деле развития физики благодаря открытию квантов энергии». В своей речи на вручении премии знаменитый физик признал:
«Введение кванта ещё не привело к созданию подлинной квантовой теории.»
Планк продолжал заниматься исследовательской и преподавательской деятельностью вплоть до обязательной отставки в 1928 году, когда ему исполнилось 70 лет. Но и после этого неутомимый учёный продолжал заниматься наукой на посту президента Общества фундаментальных наук кайзера Вильгельма. Ему удалось сделать ещё несколько значимых открытий.
На протяжении всей жизни Планк каждый день по часу играл на рояле. Другим его хобби, которое помогало отвлекаться от напряжённой работы и сохранять хорошую физическую форму, был альпинизм. Даже в 80-летнем возрасте Планк поднимался на вершины свыше трёх тысяч метров.
Воспитанный в классических традициях, с чувством долга и верой в разумность человечества, Планк не мог представить себе опасности, исходившей от пришедших к власти национал-социалистов. Поэтому он не мог согласиться с призывом Эйнштейна уклоняться от военной службы. Но при этом он же встал на защиту Альберта Эйнштейна и других учёных еврейского происхождения, когда в немецких университетах начались гонения.
Впрочем, сделать Планк ничего не мог. Не помогла даже его личная беседа с Гитлером. Сам Планк оставался в Германии. Уход крупных учёных он видел как победу фашистов. Поэтому призывал своих коллег продолжать работу. Планк не боялся гонений властей и говорил то, что считал правильным.
Во второй половине жизни учёный занимался вопросами философии и религии. В 20-х годах он был старостой в одной из протестантских церковных общин Берлина. Хотя его представления о Боге не умещались в рамки какой-либо христианской конфессии. Его позиция близка позициям Спинозы и Гёте:
«Его (Бога) пути – это не наши пути, но вера в Него помогает нам пройти через труднейшие испытания.»
В жизни самого Планка было много трудных испытаний. В 1909 году умерла его жена Мари, в браке с которой родились две дочери и два сына. В Первую мировую на фронте погиб старший сын. Затем с двухлетним интервалом при родах умерли обе дочери. А в 1945, по обвинению в заговоре против Гитлера, был расстрелян его сын Эрвин, бывший «ближайшим и лучшим другом» отца.
В 44-м году во время воздушных налётов был разрушен дом Планков в Берлине. Сгорело всё имущество учёного, включая невосстановимые дневники и научные записи. Конец войны Планк встретил в эвакуации под Магдебургом. В мае 1945 американские военные перевезли его в Гёттинген, где жили родственники 88-летнего физика. Последние годы Планк жил в крайне стеснённых условиях.
«Я могу вас заверить: без помощи друзей из-за границы мой муж не пережил бы эту зиму.»
Так писала вторая жена (и племянница) учёного – Марга Планк в июне 1947 года. Несмотря на старческое недомогание Планк продолжал общественную деятельность. Он способствовал воссозданию науки в Германии и новому открытию научного общества имени кайзера Вильгельма. Оккупационные власти позволили возобновить работу общества лишь при условии изменить его название. Так эта организация получила имя Макса Планка. Учёный согласился на это с радостью, но без ноты тщеславия. Подводя итог своей научной карьеры, Планк сказал:
«Открытие физических свойств кванта – вот моё главное открытие. В то время я и не подозревал, каким значением обладало это открытие. И я мало думал о его последствиях. Я дал толчок, и теперь моё творение развивается. Это похоже на источник. Его находит лишь кто-то один, а потом он неостановимо хлещет дальше. Причём в разных областях: в физике, химии, астрономии и даже биологии.»
Макс Планк умер 4 октября 1947 года в Гёттингене, полгода не дожив до своего 90-летия. Общество, носящее его имя, успешно действует и по сей день. А квантовая физика по-прежнему оставляет достаточно места для новых исследователей. В последующем развитии этой дисциплины роль Планка была не столь велика. Однако трудно переоценить значение осуществлённого им прорыва в сознании современников.
Фёдор Буцко