2014-05-10

Макс Планк

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 0.00 (0 голосів)

Макс Планк

У ХХ столітті ім'я німецького фізика-теоретика Макса Планка (Max Karl Ernst Ludwig Planck, 1858-1947) досягло мабуть всіх мислимих вершин популярності. У 1919 році Максу Планку була присуджена Нобелівська премія з фізики, «на знак визнання його заслуг у справі розвитку фізики завдяки відкриттю квантів енергії». Теоретичні дослідження 1896-1900 років, що призвели до відкриття квантів Планка (термін «квант» у фізику також був введений ним), стали поштовхом до створення одного з найважливіших розділів сучасного природознавства - квантової фізики. Іменем Планка названа введена ним фундаментальна фізична константа h - «постійна Планка», яка пов'язала макро- і мікросвіт і входить в ряд рівнянь і законів у різних розділах фізики. Елементарні уявлення про Планківський квант енергії включені в сучасні програми шкільної фізики, а про постійну Планка складають анекдоти.

Ціле ХХ століття, можна сказати, пройшло під знаком розвитку квантової механіки і квантової фізики. Перша робота Планка на цю тему з'явилася в 1901 році. Незабаром після неї Альберт Ейнштейн застосував гіпотезу квантів енергії для пояснення фотоефекту - саме ця робота стала першим кроком до винаходу квантових оптичних генераторів (лазерів), без яких неможливо уявити собі сучасну техніку. До початку Другої світової війни в експерименті були виявлені два макроскопічних квантових ефекти - надпровідність і надтекучість. Лазерний промінь можна вважати третім таким ефектом, але його люди вперше побачили тільки в 1960-му. А до цього часу вже з'явилися такі великі області застосування квантової фізики, такі як електроніка і фізика твердого тіла.

У безлічі книг і статей, присвячених Планку, наголошується, що хоча його роботи в значній мірі революціонізували фізику, сам Планк в науці був скоріше консерватором. Тим не менш, саме консерватизм, глибока прихильність до принципів класичної фізики привели Планка до його революційного відкриття. Один із творців квантової механіки Вернер Гейзенберг (Werner Karl Heisenberg, 1901-1976) писав, що революції в науці викликаються не раптовими відкриттями або геніальними ідеями, а навпаки, граничною послідовністю в застосуванні традиційних понять. Революції, на думку Гейзенберга, роблять ті вчені, які прагнуть вносити як можна менше змін в колишню науку, так як саме прагнення мінімізувати зміни робить очевидним, що до введення принципово нових уявлень нас штовхає сама природа, а не жадоба оригінальності. До таких, надзвичайно послідовних, можна навіть сказати - радикальних консерваторів, Гейзенберг відносив творця теорії квантів - Макса Планка.

Макс Карл Ернст Людвіг Планк народився 23 квітня 1858 року в місті Кілі в сім'ї професора цивільного права. У 1867 році сім'я майбутнього вченого переїхала в Мюнхен. Там Макс Планк вступив до Королівської Максиміліанівської класичної гімназії, прекрасні викладачі якої зуміли пробудити у юнака глибокий інтерес як до гуманітарних, так і до природничих і точних наук. Після закінчення гімназії Макс Планк деякий час вагався, вибираючи між філологією, музикою, де він виявив неабиякі здібності, і фізикою. Перемогла любов до фізики. З 1874 по 1878 роки Планк вивчав фізику і математику, спочатку в Мюнхенському, а потім Берлінському університетах. Однак протягом усього життя він зберіг любов до музики. Друзі та учні надовго запам'ятали домашні концерти, під час яких Планк з Ейнштейном і Гельмгольцем грали тріо.

Цікаво відзначити, що і Макс Планк, і ряд інших творців некласичної фізики виросли в сім'ях гуманітаріїв і отримали у дитинстві гарну класичну освіту, яка включає ґрунтовне вивчення мов, у тому числі стародавніх, історії та філософії. У 1949 році, виступаючи на урочистостях, присвячених сторіччю з дня заснування Максиміліанівської гімназії, Вернер Гейзенберг (він, як і Планк, теж виріс у родині гуманітаріїв і вчився в цій же гімназії) докладно говорив про глибокий зв'язок гуманітарної освіти та природознавства і про те, що цей зв'язок фундаментальний для західноєвропейської культури. У своєму виступі Гейзенберг відзначив також той плодотворний вплив, який здійснила на мислення Планка гуманітарна освіта, і згадував про те, яку важливу роль грав філософський аналіз в роки становлення квантової механіки.

Взагалі і кардинальна відмінність нової фізики від, здавалося б такої успішної класичної фізики XIX століття, і внутрішня парадоксальність квантової механіки примусили по-новому поглянути на старі філософські проблеми. Можна сказати, що з квантами і відносністю у фізику повернулася справжня філософія і саме фундаментальна філософізація природознавства є найбільш важливою рисою науки першої половини ХХ століття. На жаль, в наступні десятиліття гуманітарна складова природничо-наукового знання стрімко скорочувалася. Мабуть, саме через це стрімке скорочення фізика наших днів перестала давати ті «божевільні ідеї» (як їх називав Нільс Бор), які здатні були радикально змінювати уявлення про місце людини у світі, хоча прогрес самої науки йде як ніколи швидко.

На перший погляд, гуманітарні знання не мають ніякого відношення до вивчення природи, - за самим своїм змістом закони природи не повинні залежати від їх пізнання людиною. Однак досвід наукової революції ХХ століття довів, що пізнати об'єктивні закони природи ми можемо тільки через аналіз свого розуміння об'єктивності. Інакше кажучи, людині ніколи не вдасться раз і назавжди провести межу, яка однозначно відділить людське мислення від того, що в даний момент протистоїть йому як предмет пізнання. А це вже проблема скоріше гуманітарного, а не природно-наукового характеру.

У XVII столітті, коли закладалися основи науки Нового часу, між Джоном Локком (John Locke, 1632-1704) і Готфрідом Лейбніцем (Gottfried Wilhelm von Leibniz, 1646-1716) йшов спір. «Все людське знання витікає з досвіду і в мисленні немає нічого, що раніше не містилося б у відчуттях» (nihil est in intellectu quod non prius fuerit in sensu), - стверджував Локк. «Так, - погоджувався з ним Лейбніц, - немає нічого, крім самого мислення» (nisi intellectus ipse). Іншими словами, людське мислення має фундаментальну здатність ставитися до самого себе як до об'єкта, аналізувати себе і, завдяки цьому, постійно виходити за свої межі. Не враховуючи цю здатність, людина навряд чи в змозі зрозуміти витоки безперервного прогресу в осягненні об'єктивної реальності. Справа в тому, що експериментатори можуть відкривати світи, що знаходяться за межами наших відчуттів, теоретики ж - за межами нашого розуму. Геній Лейбніца бачив цей зв'язок, відкриття квантової механіки з імовірнісним характером її пророкувань, з таємничим фізичним сенсом«хвильових функцій» або «векторів стану», що з'явилися в ній, з принципом невизначеності і необхідністю включити процедуру спостереження за явищем у власне опис явища, зробило її компонентом фізичної реальності.

Шок, пережитий фізикою в ХХ столітті, порівняний тільки з шоком, який пережила математика після відкриття неспівмірності сторони квадрата і його діагоналі. Досліджуючи можливість подання будь-якого числа у вигляді нескоротного дробу (раціонального числа), античні математики вважали, що можуть повністю заповнити такими дробами всю числову вісь. Однак існування несумірних відрізків доводило, що на цій осі «між» раціональними числами знаходиться безліч ірраціональних чисел. Здавалося б, цього «між» просто не може бути, але впертий факт неможливості звести ірраціональне число до нескоротного дробу свідчив про існування принципово нових реалій.

У 1879 році Планк успішно захистив у Мюнхенському університеті докторську дисертацію, присвячену проблемам обґрунтування другого начала термодинаміки. З 1880 року він - приват-доцент Мюнхенського університету, а з 1885 року - ад'юнкт-професор університету в Кілі. Планк продовжує вести теоретичні дослідження в галузі термодинаміки і її додатків до фізичної хімії та електрохімії. У 1888 році Планк стає ад'юнкт-професором Берлінського університету і директором Інституту теоретичної фізики (ця посада була створена спеціально для нього). Дійсним професором цього університету Планк став в 1892 році.

У 1896 році Планк зацікавився проблемою теплового випромінювання так званого абсолютно чорного тіла (АЧТ), тобто тіла, яке поглинає випромінювання, що падає на нього, і нічого при цьому не відбиває. Однак АЧТ обов'язково повинно щось випромінювати саме - в іншому випадку його температура зростала б до нескінченності. Із загальних міркувань зрозуміло, що АЧТ повинно випромінювати тим більше енергії, чим вища його температура. Значить, за деяких умов буде досягатися термодинамічна рівновага, коли поглинається стільки ж випромінювання, скільки випромінюється. Звідси виникло цікаве теоретична завдання: знайти цю температуру, а головне - спектр випромінюваного світла. Ось тут класична фізика і дала збій. Її теоретичний результат виявився практично абсурдним: енергія випромінювання при будь-якій температурі виходила нескінченною, при цьому її випромінювалось тим більше, чим коротша довжина хвилі. Звичайна пічка повинна була б «світити» потужніше за рентгенівську трубку. Цей парадокс отримав у фізиків красиву назву «ультрафіолетової катастрофи».

Для його рішення Планк придумав гарний обчислювальний прийом: не вдаючись до «важкої артилерії» у вигляді інтегрального числення, як робили всі інші, він просто підсумував окремі порції енергії, вважаючи їх кінцевими. Він сподівався отримати відповідь, що не буде залежати від величини окремої порції. А замість цього одержав точне значення кожної з них - h?, де ? - частота випромінювання, а h - постійна Планка, що має розмірність дії. Сам Планк називав цю постійну квантом дії. Згідно з сучасними даними h = 6,626•10-34 Дж•с. Днем народження квантової теорії прийнято вважати 14 грудня 1900 року, коли на засіданні Прусської королівської академії наук (K?niglich-Preu?ische Akademie der Wissenschaften) Планк зробив доповідь «До теорії розподілу енергії випромінювання нормального спектра» (Ueber das Gesetz der Energieverteiligung im Normalspektrum).

Запропонована Планком формула густини енергії випромінювання не тільки дозволила позбутися від парадоксу «ультрафіолетової катастрофи», а й прекрасно узгоджувалася з експериментом. У той же час сама ідея квантів розглядалася не тільки колегами Планка, а й ним самим як типова гіпотеза ad hoc. У своїй Нобелівській лекції Планк наступним чином змалював дилему, що стояла перед ним: «…Або квант дії був фіктивною величиною - тоді весь висновок закону випромінювання був принципово ілюзорним і представляв просто позбавлену змісту гру у формули, або при виведенні цього закону в основу була покладена правильна фізична думка - тоді квант дії повинен був грати у фізиці фундаментальну роль, тоді поява його віщувала щось зовсім нове, досі нечуване, що, здавалося, вимагало перетворення самих основ нашого фізичного мислення, яке спочивало з часів обґрунтування аналізу нескінченно малих Ньютоном і Лейбніцем на припущенні про безперервність всіх причинних зв'язків».

Подальша історія розвитку теорії квантів показала, що справедливим було друге припущення Планка. Викладу цій історії присвячено неозора кількість книг і статей, написаних фізиками, філософами, істориками, соціологами і навіть політологами. У 1970-ті роки широкий резонанс отримала робота американського філософа Пола Формана (Paul Forman) «Веймарська культура, причинність і квантова теорія» (Weimar Culture, Causality, and Quantum Theory, 1918-1927) про те, як соціально-політична атмосфера нестійкості, розчарування в колишніх ідеалах у Веймарській Німеччині сприяла поширенню ідей індетермінізму, що, у свою чергу, відіграло важливу роль у становленні квантової механіки. Що ж стосується Макса Планка, то він, як і більшість інших фізиків, з неприхованим жалем сприйняв крах класичної фізики. Тим не менше він продовжував науково-дослідну, педагогічну та організаційну діяльність. З 1912-го по 1943-й рік Планк залишався незмінним секретарем своєї академії, яка отримала тепер назву Берлінської академії наук, а в 1930 році він став президентом Товариства фундаментальних наук кайзера Вільгельма - тепер вона носить ім'я самого Планка (Max Planck-Gesellschaft-) і грає роль національної академії наук у ФРН.

Послідовний консерватизм Планка проявився і в політичній сфері. Після приходу до влади нацистів Планк неодноразово публічно виступав на захист єврейських учених, спочатку звільнених зі своїх постів, а потім і вигнаних з країни. У той же час він продовжував служити в різних наукових товариствах Німеччини в надії зберегти залишки німецької науки і мати можливість допомагати іншим ученим. Приватне життя Планка була відзначена низкою трагедій. Його перша дружина Марія Мерк, від якої у Планка було двоє синів і дочки-двійнята, померла в 1909 році. Через два роки Планк одружувався на своїй племінниці Марті фон Хесслін, від якої у нього теж народився син. Старший син Планка загинув в Першу світову війну, а обидві його дочки померли при пологах. Другий син Планка був страчений у 1944 році за участь в змові проти Гітлера. Домівка і особиста бібліотека Планка були знищені під час повітряного нальоту на Берлін.

Помер Макс Планк 4 жовтня 1947 року в Геттінгені. На його могильній плиті вибиті тільки ім'я і прізвище ученого і чисельне значення постійної Планка.

За матеріалами  vokrugsveta.ru.

 

Коментарі:

blog comments powered by Disqus