Макс Карл Ернст Лудвиг Планк () е известен германски физик теоретик, считан за баща на квантовата механика и един от най-видните физици на XX век. Той е директор на Института за теоретична физика в Берлин и член на Берлинската академия на науките, както и на редица чуждестранни научни дружества и академии на науката. През 1900 г. Макс Планк извежда закона за излъчване на абсолютно черно тяло и въвежда константа, която днес е известна като константата на Планк. През 1918 г. получава Нобелова награда за физика за откриването на закона за квантуване на енергията (връчена му е през 1919).
Научните трудове на Планк са посветени на термодинамиката, теорията за топлинното излъчване, квантовата теория, специалната теория на относителността и оптиката. Той формулира втория закон на термодинамиката под формата на увеличение на ентропията и го използва за решаване на различни проблеми на физическата химия. Планк извежда закона за разпределение на енергията в спектъра на абсолютно черно тяло и обосновава закона чрез въвеждане на концепцията на кванти. Това постижение поставя началото на развитието на квантовата физика, статистическата механика и други. Той също така работи над исторически, методологически и философски аспекти на науката.
Биография Произход и детство (1858 – 1878)
Макс Планк е роден на 23 април 1858 година в Кил, Германия. Произхожда от семейство на потомствени интелектуалци с традиции. Неговите дядо и прадядо по бащина линия са професори по теология в университета в Гьотинген, а баща му е професор по право в университетите в Кил и Мюнхен. Братът на баща му, неговият чичо, е съдия.
Родителите на Планк са Йохан Юлиус Вилхелм Планк и неговата втора жена Ема Патциг. Той е кръстен с името Карл Ернст Лудвиг Маркс Планк; Маркс е съкращение от Маркус, но може би това име е грешка в регистъра и истинското име е Макс, което всъщност идва от Максимилиан.Christoph Seidler, Gestatten, Marx Planck, Spiegel Online, 24 април 2008. При всички положения, самият Макс от 10-годишна възраст до края на живота си се подписва с името Макс (както е видно от документа вляво).Press release of the Max Planck Society about Max Planck's name.
Той е шестото дете в семейството, но баща му има и други две деца от първия си брак. Едни от най-ранните му спомени са тези за маршируващи австрийски и пруски войски по време на германо-датската война през 1864 г. През 1867 г. семейството се мести в Мюнхен, където Планк завършва гимназия рано, на 17 години.Encyclopædia Britannica: Max Planck След като завършва през 1874 година, той има намерение да следва класическа филология, но също така проявява изключителен музикален талант и свири на няколко инструмента – пиано, орган и чело, и композира опери. Любовта му към музиката го съпътства цял живот, често свири дует с Алберт Айнщайн: той на пианото, Алберт – на цигулката. В крайна сметка се отдава на физиката, защото иска да знае какво става вътре в материята.
Следване и първи стъпки в научната кариера (1878 – 1888)
През 1874 г. постъпва в Мюнхенския университет. Изучава математика и физика първо в Мюнхен, а след това и в Берлин. Професорът му по физика в Мюнхен го съветва да не се посвещава на физиката, защото по неговите думи „почти всичко в тази наука вече е открито“, на което Планк отговаря, че той не иска да открива нови неща, а да разбере съществуващите из основи. През 1877 година заминава за Хумболтовия университет на Берлин, където в продължение на година учи под ръководството на физиците Херман фон Хелмхолц и Густав Кирхоф и математикът Карл Вайерщрас. Той не харесва техните лекции обаче, намира ги за скучни и монотонни и практически започва самостоятелна програма. През 1878 година защитава дисертация на тема „За втората теорема от теорията на топлината“ („Über den zweiten Hauptsatz der mechanischen Wärmetheorie“). През октомври същата година се хабилитира с дипломна работа по „Равновесни състояния на изотропни тела при различни температури“ („Gleichgewichtszustände isotroper Körper in verschiedenen Temperaturen“). След защитата става лектор без заплащане в Мюнхен докато чака да се открие академична позиция. През свободното си време се занимава с музика и развива още една своя страст – алпинизма, в Баварските Алпи.Кляус Е. М., Франкфурт У. И. Макс Планк. – М.: Наука, 1980. – 392 с. Това увлечение остава с него до края на живота му.
През 1885 година се открива място в университета в Кил и Планк става асистент по теоретична физика в родния си град. Четири години по-късно той е назначен на мястото на Кирхоф в университета в Берлин и през 1892 година става професор. През 1907 година му е предложена позицията на Лудвиг Болцман във Виена, но той отказва и остава в Берлин. Когато се пенсионира през 1926 година, неговото място е заето от Ервин Шрьодингер.
Професор в Берлин (1889 – 1944) Първи години През октомври 1887 г., след смъртта на Кирхоф, се освобождава катедрата по теоретична физика на Берлинския университет. Първите двама претенденти за правото да заемат тази длъжност – Лудвиг Болцман и Хайнрих Херц – отказват, като предпочитат Мюнхен и Бон, съответно. Тогава Хелмхолц предлага кандидатурата на Планк, който получава от колегите си висока оценка като учен, учител и човек. Младият физик поема задълженията си в Берлин през януари 1889 г. През първите три години той остава екстраординарен професор, докато през 1892 г. в университета е създадена позиция за ординарен професор по теоретична физика. В същото време оглавява новосъздадения Институт по теоретична физика в университета. Работата в Берлин му позволява да работи в тясно сътрудничество с Хелмхолц, Август Кунд и други известни физици, но като теоретик Планк е по същество в изолирана позиция и първоначално му струва големи усилия да установи контакт с колеги по експериментална физика. През 1894 г., по предложение на Хелмхолц и Кунд, той е избран за пълноправен член на Пруската академия на науките.Кляус Е. М., Франкфурт У. И. Макс Планк. – М.: Наука, 1980. – 392 с.
Планк взима активно участие в университетския живот, в работата на различни комисии и използва все по-нарастващата си власт да защитава колегите си и науката като цяло. Така той настоява за назначаването на Емил Варбург за наследник на Август Кундт, който почива през 1894 г., макар че пруското министерство на образованието се опита да пренебрегне препоръката на факултета в полза на тази кандидатура (вероятно поради еврейския произход на Варбург). През 1895 г. Планк е член на комисията, която по искане на министерството разследва дейността на физика Лео Аронс, който има социалистически позиции и подкрепя финансово социалдемократическата партия на Германия. През 1897 г., в отговор на специално искане, Планк се противопоставя на принципната забрана за университетско образование на жени. Той самият позволява на няколко жени да присъстват на лекциите му. По-късно той кани Лиза Майтнер, бивша студентка на Болцман от Виена, а през 1912 г. я назначава за свой асистент и тя става един от най-близките приятели на Планк. В началото Планк продължава да обръща много внимание на музиката и в един момент дори дава курсове по музикална теория.
От 1895 г. задълженията на Планк включват редактиране на списание Annalen der Physik, в което ученият е отговорен за статии по теоретични въпроси. Работейки на този пост, той се стреми да разграничи физиката от математиката и философията, което допринася за формирането на нова за тези времена дисциплина – теоретична физика.Heilbron J. L. The Dilemmas of an Upright Man: Max Planck as Spokesman for German Science. – Berkeley: University of California Press, 1986. На 23 март 1911 г. Планк е избран за постоянен секретар на Пруската академия на науките, тоест за един от четирите лидери на тази институция. През следващите няколко години той използва позицията си, за да покани в Берлин и да избере Алберт Айнщайн като член на Академията, чиято работа е високо оценена. В допълнение, Планк служи като ректор на университета в Берлин за 1913/1914 академична година, а също така три пъти е избиран за президент на Германското физическо общество. Участва в създаването на Обществото на кайзер Вилхелм, основано през 1911 г. с указ на император Вилхелм II.
Научна кариера и квантова хипотеза През 1894 Планк започва да работи над проблема на абсолютното черно тяло. Над този проблем работи още Кирхоф през 1859 г.: каква е зависимостта на интензитета на излъчването на абсолютно черно тяло от честотата (цвета) и температурата. Експерименталните данни не съвпадат с теорията, предложена от няколко специалисти. Вилхелм Вин предлага формула, която добре обяснява поведението при високи честоти, но е невалидна при ниските. Формулата на Релей от друга страна прави точно обратното и създава така наречената ултравиолетова катастрофа.For a solid approach to the complexity of Planck's intellectual motivations for the quantum, for his reluctant acceptance of its implications, see Helge Kragh, Max Planck: the reluctant revolutionary , Physics World. December 2000.
За първи път Планк предлага нов закон през 1899 година, но се оказва, че той не се потвърждава от експеримента, както и другите закони преди него. Той ревизира пресмятанията и само година по-късно, на 19 октомври 1900 излиза със Закона на Планк за излъчването на абсолютно черно тяло. Този първи вариант не взима предвид квантуването на енергията и не употребява статистическа механика. През ноември същата година той още веднъж ревизира формулата и включва статистическата интерпретация на Болцман на втория закон на термодинамиката. Централната идея и предположение при извеждането на този закон е, че енергията е квантувана: където h е константата на Планк.
Днес това предположение се разглежда като рождена дата на квантовата механика и е най-голямото достижение в неговата научна кариера. Самият Планк признава, че не е напълно разбираемо значението на въвеждането на тази константа. Тези предположения са развити по-нататък от Алберт Айнщайн във връзка с фотоелектричния ефект. Според Томас Кун поради този факт заслугата трябва да се приписва на Айнщайн.Thomas Kuhn, Black-Body Theory and the Quantum Discontinuity: 1894 – 1912 (Clarendon Press, Oxford, 1978). Това може би е така, но все пак не променя факта, че Планк прави много важно и фундаментално откритие. Междувременно, благодарение на работата на Алберт Айнщайн, Паул Еренфест и други учени, теорията за квантите придобива все по-голямо признание в научната общност. Доказателство за това е свикването през есента на 1911 г. на първата Солвеевска конференция, посветена на темата „излъчване и кванти“. Тази представителна конференция поставя квантовата теория на излъчването в центъра на вниманието на научния свят, въпреки че проблемите и противоречията, с които се сблъсква, остават нерешени. След появата през 1913 г. на работата на Нилс Бор, който свързва хипотезата за квантите с проблема за структурата на атома, започва етапът на бързо развитие на квантовата физика. Признанието за заслугата на Планк е връчването на Нобеловата награда за физика за 1918 г. с фразата „като признание за услугите, които той предоставя на физиката с откритието на енергийните кванти“. На 2 юли 1920 г. ученият изнася Нобелова лекция в Стокхолм „Появата и постепенното развитие на теорията за кванта“.
На базата на константата, въведена от Макс Планк и някои други фундаментални такива, той разработва нова система от мерни единици, наречена на негово име – Единици на Планк.
Първа световна война