Макс Карл Эрнст Людвиг Планк

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

по дисциплине "Физика"

на тему "Макс Карл Эрнст Людвиг Планк"

Выполнил:

Набифари Р.А.

Руководитель:

Елена Петровна Захарова

1. Зарождение идей Планка

Когда Планк учился в Мюнхенском университете, один из его учителей советовал ему не связывать свои научные интересы с физикой. По словам профессора, стройное здание этой науки уже построено, осталось завершить лишь некоторые детали. Такое мнение о будущем физики к концу 19 в. имело немало ученых.

Молодой Макс Планк не послушался своего университетского наставника и стал одним из основателей новой физики. В 1900г. Планк положил начало квантовой теории. На заседании Берлинского физического общества 14 декабря он высказал парадоксальную идею, которая противоречила представлениям классической физики: энергия может излучаться и поглощаться лишь отдельными, малыми и неделимыми порциями или квантами. Полагая, что энергия кванта пропорциональна частоте колебания, Планк дал вывод закона распределения энергии абсолютно черного тела. Постоянная Планка h оказалась новой мировой константой.

"…Закон излучения Планка дал первое точное определение абсолютных величин атомов, независимо от других предложений. Более того, он убедительно показал, что кроме атомистической структуры материи существует своего рода атомистическая структура энергии, управляемая универсальной постоянной, введенной Планком. Это открытие стало основой для всех исследований в физике 20 в. …" - так спустя десятилетия охарактеризует квантовую теорию Планка Альберт Эйнштейн, который одним из первых применил ее на практике (объяснения фотоэффекта.) в 1918 г. Планку была присуждена Нобелевская премия.

Планк был одним из первых, кто принял и всецело поддержал теорию относительности Эйнштейна (кстати, он и предложил сам термин "теория относительности"), а также развивал ее в своих работах.

Важные исследования провел Планк в области термодинамики.

На протяжении всей жизни он не раз пересматривал свое первоначальное понимание квантовой теории и всегда с интересом и вниманием относился к достижениям других ученых. Планк высоко оценил квантовую теорию атома Н. Бора и появление квантовой механики.

Много внимания он уделял философским вопросам физики, часто выступая с публичными лекциями и докладами. Лучшие из них составили книгу "Пути познания в физике", которая вышла в свет в 1933 г. "Задачей физики является изучение реального внешнего мира", - считал Планк и пытался объяснить этот мир с материалистических позиций.

Один из крупнейших представителей атомной физики, Планк имел огромный авторитет в научном мире. Он был избран почетным членом многих академий, университетов и научных обществ разных стран, в том числе в 1926 г. - Академии наук СССР.

За время жизни Планка в науке... было много глубоких переворотов. Нынешняя физика имеет совсем другой характер, чем физика 1875 г., когда Планк посвятил себя ей; и в величайшем из этих переворотов Планк сыграл первую, решающую роль.

М. Лауэ

Подобно тому как физический процесс принципиально не может быть отделен от измерительного инструмента или органа чувств, при помощи которого он воспринимается, так же наука принципиально не может быть отделена от исследователей, которые ею занимаются.

М. Планк

Макс Карл Эрнст Людвиг Планк, родившийся 24 апреля 1858 г. в Киле, принадлежал к стародворянской семье фон Планков, давшей Пруссии не одно поколение юристов, священников, видных военных деятелей, профессоров. Профессорами были прадед, дед, дядя и отец ученого (последний преподавал юриспруденцию -- сначала в Кильском университете, а затем в Мюнхенском).

В Мюнхен Планки переехали, когда будущему ученому исполнилось девять лет. Усидчивый и прилежный мальчик всегда шел первым учеником. Рано выявились и его незаурядные математические способности: в средних и старших классах он обычно заменял заболевших учителей математики.

В своей "Научной автобиографии" (1947) Планк вспоминает, что обучение в классической Максимилиановской гимназии было поставлено очень хорошо. Он особо отмечает уроки Германа Мюллера -- "общительного, проницательного, остроумного человека, умевшего на ярких примерах объяснять смысл тех физических законов, о которых он нам, ученикам, говорил". Планк приводит и один из примеров: "Незабываем для меня рассказ Мюллера о том, как каменщик с трудом втаскивает на крышу дома тяжелую черепицу. Работа, которую он при этом совершает, не теряется, она полностью сохраняется, возможно на долгие годы, до тех пор, пока в один прекрасный день эта черепица, быть может, сорвется и свалится кому-нибудь на голову".

Влияние любимого учителя безусловно сказалось в том, что Планк посвятил себя изучению физики и математики. Впрочем, на этот шаг он решился не без серьезных колебаний: у него была и другая страсть -- музыка. Однако артист в нем уступил физику. Музыка же сделалась словно второй натурой ученого. Впоследствии Планк пользовался репутацией блестящего пианиста и знатока классической музыки (он даже читал лекции по теории музыки в университете).

В 1875 г. Планк поступил в Мюнхенский университет. Он три года слушал физику у профессоров Вильгельма Беца и Филиппа фон Жолли. Это были физики-экспериментаторы. Жолли получил известность работами по фотометрии, осмотическому давлению и определению гравитационной постоянной.

Требовательного и ищущего юношу многое в университете не удовлетворяло. Например, преподаватели. О Жолли, как и о других, Планк говорил потом, что он у них многому научился и хранит о них благодарную память. Но это не помешало всегда объективному Планку тут же добавить: "Однако в научном отношении они были в сущности людьми ограниченными". Планк, по примеру Генриха Герца, годом ранее уехавшего из Мюнхена в Берлин, тоже решил завершить свое образование в Берлине.

И вот робкий и застенчивый юноша -- в столичном университете. Берлинский год в его жизни сыграл важную роль. Планк занимался у таких корифеев науки, как Гельмгольц и Кирхгоф. Однако не столько лекции маститых ученых, сколько их замечательные труды влекли Планка. Работы Гельмгольца и Кирхгофа были написаны легко и доступно. Планк вынес для себя урок: вот так же надо писать и самому. Так должен стремиться писать каждый ученый.

Но еще более сильное впечатление на него произвели работы по термодинамике боннского физика Рудольфа Клаузиуса. "И я углублялся в них со все большим воодушевлением", -- вспоминал Планк. Особенно он ценил точную -- для того времени -- формулировку первого и второго начала термодинамики.

Под влиянием работ Клаузиуса Планк занялся исследованием проблем термодинамики. Это стало его центральной темой на целых семнадцать лет и привело в итоге к гипотезе квантов.

2. Получение образования

В 1878 г., окончив университет, Планк вернулся в Мюнхен. Он сдал экзамены на право преподавания в высшем учебном заведении, а через год защитил докторскую диссертацию, связанную с обоснованием второго закона термодинамики. Прошло еще несколько месяцев, и молодой доктор философии занял место приват-доцента на кафедре физики Мюнхенского университета. "Будучи приват-доцентом в Мюнхене в течение многих лет, -- вспоминал он потом, -- я напрасно ждал приглашения в профессуру, па что, конечно, шансов было мало, так как теоретическая физика тогда еще не служила отдельным предметом".

Это теперь физика четко делится на экспериментальную и теоретическую, а физики-теоретики составляют целую армию. И никому это не кажется чем-то странным. Ибо "теория покорила мир", как несколько позже заявил Людвиг Больцман. Но в пору молодости Планка это было скорее провидением, нежели констатацией. "Современная техника была бы немыслима без теоретической физики"1, -- скажет Планк лет через десять после Больцмана.

Но когда он начинал, дело обстояло совсем иначе. В глубинах физики уже происходило разделение эксперимента и теории, но теоретической физики как самостоятельной области еще не было. Не было и такой специальности -- физик-теоретик. А в университетах не было, да и не могло быть, кафедр теоретической физики.

Планк еще в юности пришел к убеждению, что абсолютные закономерности можно постигать при помощи чистого мышления. Он словно бы интуитивно угадывал в себе великую душу теоретика. И шел, покорный зову призвания. Однако со своими сугубо теоретическими устремлениями он выглядел поистине белой вороной в стане физиков, что делало его положение отнюдь не простым. Лет двенадцать спустя, будучи профессором уже в Берлинском университете, он отмечал, что "в физическом институте господа ассистенты встречают меня с подчеркнутой сдержанностью", а многие коллеги считают, в сущности, "ненужным человеком".

Ведь Планк был тогда единственным теоретиком. Да и вообще Планк был первым "чистым" теоретиком в истории науки.

Он был теоретик насквозь, подчас до смешного. Вернувшийся из Германии Петр Николаевич Лебедев рассказывал, например, своим студентам о том, как Планк "проштрафился" на коллоквиуме у знаменитого Августа Кундта. Докладывая о своей работе по термодинамике насыщенных растворов, он вдруг как-то замешкался, а потом сказал: "Здесь существует... некоторая принципиальная трудность, так как получить насыщенный раствор практически невозможно...". Тут Кундт начинает тереть себе лоб и спрашивает: "Как так? Я не понимаю". "Как же, -- отвечает Планк, -- по мере насыщения скорость растворения становится все меньше, а потому процесс идет к насыщению только асимптотически, через бесконечно долгое время". "Ну, -- отвечает Кундт, -- этого ждать мне некогда! Я нагрею раствор, а потом его остужу". Планк сконфуженно соглашается: "Да, действительно. Так получить насыщенный раствор можно"2.

Однако не следует думать, что Планк, будучи теоретиком, являлся врагом эксперимента, отрицая роль и значение опытных исследований. Он всегда очень хорошо понимал, каковы в физической теории их удельный вес и значение. "Факты являются той архимедовой точкой опоры, -- говорил он -- при помощи которой сдвигаются с места даже самые солидные теории"3. Эксперимент и теория тесно слиты. "Прежде чем поставить опыт, его нужно продумать, это значит, надо сформулировать вопрос, обращенный к природе".

Весной 1885 г. произошло событие, которого ученый давно ждал: он был приглашен в Кильский университет в качестве экстраординарного профессора теоретической физики.

В Киле Планк сменил еще ничем себя не зарекомендовавшего Генриха Герца. Приват-доцент Герц пробыл здесь лишь два года, но, так и не дождавшись места профессора, уехал в Карлсруэ, где вскоре провел серию прославивших его опытов.

В марте 1887 г. Планк женился на Марии Мерк, дочери мюнхенского банкира, подруге детства. Это был немаловажный шаг на пути обретения самостоятельности, к которой он так стремился.

Кильский университет, основанный в середине XVII в., был в дни молодости Планка одним из наиболее значительных университетов Германии. За работу Планк взялся с огромным рвением. Он не только читал лекции, но продолжал и собственные теоретические изыскания. Тема -- прежняя: второе начало термодинамики, принцип энтропии -- утверждение о том, что теплота не может сама собой перейти от более холодного тела к более теплому. Излюбленной областью термодинамики для Планка стала та, что связана с принципом энтропии. Он без устали размышлял над проблемой обратимых и необратимых тепловых процессов. (В термодинамике, замечает Планк, "я чувствовал себя уверенно, как дома".) Он преследовал цель дать обоснование второго начала термодинамики, применить термодинамику к решению ряда конкретных задач физики и химии.

Еще в его докторской диссертации второе начало получило свежую и оригинальную трактовку. Планк отмечает: "Впечатление, произведенное этим трудом на тогдашнюю научную общественность, было равно нулю". Ни Гельмгольц, ни Клаузиус, в свое время сформулировавший второе начало термодинамики, не удосужились перелистать даже тезисы диссертации молодого ученого. Кирхгоф же категорически не соглашался с их содержанием.

Пренебрежение, конечно, огорчало и обижало Планка, но, понимая важность взятой им на себя задачи, он продолжал изучать энтропию, которую "рассматривал как важнейшее -- наряду с энергией -- свойство физического состояния". В последующие годы он выполнил ряд оригинальных физико-химических исследований. В 1887 г. вышла замечательная монография Планка "Принцип сохранения энергии".

В связи со смертью Кирхгофа в Берлинском университете освободилась незадолго перед тем созданная кафедра теоретической физики. Гельмгольц, в качестве возможной замены предложил кандидатуры Больцмана, Герца и Планка. Но Больцман отказался, Герц решил занять кафедру в Бонне. Тогда Гельмгольц настоял, чтобы пригласили Планка.

Кандидатура Планка оказалась на редкость удачной: он утвердился в Берлинском университете более чем на четыре десятилетия. Это произошло в 1889 г. Через пять лет он был избран членом Прусской академии наук, а в 1902 г. стал ее непременным секретарем.

В свое время между юным Планком и профессором Жолли состоялся примечательный разговор. Планк, намеревавшийся посвятить себя теоретической физике, захотел посоветоваться с маститым профессором. Тот ответил, что с открытием закона сохранения энергии физика как наука в основном себя исчерпала. Он говорил: "Зачем, молодой человек, вы хотите испортить себе жизнь? Ведь теоретическая физика уже закончена, дифференциальные уравнения решены. Вероятно, в том или ином углу есть еще пылинка или пузырек, которые можно исследовать и классифицировать, но система как целое завершена, остается рассмотреть отдельные частные случаи. Стоит ли браться за такое бесперспективное дело?"

"Высказанный Жолли взгляд -- замечает Ф. Гернек -- был выражением распространенного заблуждения. Он происходил из механистического представления о природе, господствующего в умах физиков того времени. Механика была, безусловно, высокоразвитой, зрелой наукой. Лишь немногие подозревали тогда... что другие области учения о природе, такие, например, как электродинамика, не могли разрабатываться дальше средствами, бывшими в ходу у механики"4.

Действительно, так думали многие. Четверть века спустя в речи, произнесенной уже после открытия радиоактивности, рентгеновых лучей, электрона и радия, лорд Кельвин тоже заявил, что наука вошла в спокойную гавань, разрешила все кардинальные вопросы, осталось лишь уточнять детали.

Конец века не предвещал ничего тревожного. Спокойно и размеренно текла жизнь в тихих лабораториях. Никому даже не грезилось, что, как потом скажет Планк, так близка "эпоха научных боев", "бури и натиска", что физика -- на пороге небывало мучительной ломки и потрясения самых своих основ, переоценки всех ценностей.

Правда, лорд Кельвин, проявив необычайную проницательность, не умолчал о двух нерешенных проблемах -- "двух облачках", которые несколько омрачали ясный небосвод науки: первая -- это частичные затруднения в теории излучения, вторая -- результаты знаменитого опыта Майкельсона, поставленного с тем, чтобы измерить влияние движения Земли на скорость света. Однако "облачка" эти никого особенно не тревожили. Считалось, через год-другой разберутся и с этим. Но отсюда все громы и грянули!

Затруднения в теории излучения привели Макса Планка к гипотезе квантов.

А противоречия, связанные с опытом Майкельсона и существенно устраненные уже в работах Лоренца и Пуанкаре, окончательно устранила теория относительности, предложенная в 1905 г. Альбертом Эйнштейном.

Теоретическая физика с каждым годом становилась все более важной областью науки и все более властно диктовала свои законы.

В конце 50-х годов Густав Кирхгоф установил закон теплового излучения, который гласит: отношение лучеиспускательной способности нагретого тела к его поглощательной способности не зависит от природы тела, а является одинаковой для всех тел функцией частоты излучения и температуры. Многочисленные попытки найти конкретное выражение для этой функции кончались неудачей. Более того, следуя законам классической физики Рэлей, Джинс, Лоренц и другие ученые пришли к выводу, что нагретое тело независимо от температуры должно излучать бесконечно большую энергию в ультрафиолетовой части спектра. А это противоречило опыту. Концы, таким образом, не сходились. Явно парадоксальный этот вывод получил название "ультрафиолетовой катастрофы".

Все явственней проступали и другие противоречия, как будто бы подрывавшие основы классической физики. открытие радия, казалось, ниспровергало принцип сохранения энергии, электронная теория Лоренца угрожала принципу сохранения массы и т. д. Физика вступила в полосу кризиса, сущность которого, по мысли Ленина состояла в отрицании ею объективных ценностей её же собственных теорий. Тревога, растерянность и безверие все шире охватывали тогда не только физику, но и философию. С новой силой разгорелась борьба между материализмом и идеализмом, махизмом. Философское значение этого процесса, который обнаружился на рубеже XX в., несколько позже раскрыл В. И. Ленин в своей книге "Материализм и эмпириокритицизм" (1909), показавший, что в физике происходит не "всеобщий разгром принципов", как утверждали махисты, а революция. Новые открытия обнаружили новые свойства материи, свидетельствующие о бесконечности процесса познания. "Электрон, -- писал Ленин -- так же неисчерпаем, как и атом, природа бесконечна..."5. Общий вывод Ленина гласил: "Современная физика лежит в родах. Она рождает диалектический материализм".

В сонме этих проблем одной из наиболее важных оставалась проблема излучения. Было ясно, что ее удастся решить лишь в том случае, если наука о природе обогатится неким совершенно новым взглядом на вещи.

Этот новый, революционный шаг суждено было совершить Максу Планку, который как раз в это время и "углубился в свои решающие исследования". Много лет спустя в статье "О природе света" ученый напишет: "Уже не впервые случается, что важная отдаленная цель достигается на пути, который сначала казался ненадежным".

К тому времени, как Планк занялся теорией теплового излучения, он благодаря своим трудам по термодинамике уже был известным и уважаемым ученым.

Каникулярное время он обычно проводил в путешествиях. Этот тихий и замкнутый человек увлекался, как и его учитель Гельмгольц, альпинизмом. Карабкаться по скалам подчас с риском для жизни -- в этом была и физическая разрядка, и потребность души. Планк любил преодолевать трудности. Знаменательно, что незадолго до своего великого открытия он поднялся на самую высокую и труднодоступную в своей альпинистской практике вершину.

Между тем в его мозгу зрело решение. Вернувшись домой, он погрузился в работу. Сначала он полуэмпирическим путем нашел универсальную формулу распределения энергии, охватывающую весь спектр излучения абсолютно черного тела. Формула совпадала с результатами экспериментов. Затем Планк задался целью сообщить ей "реальное физическое значение", т. е. обосновать установленный им закон теоретически. Позже он вспоминал: "После нескольких недель напряжённейшей в моей жизни работы темнота рассеялась и наметились новые, неподозреваемые ранее дали".

3. Сущность гипотезы Планка

Сущность гипотезы Планка заключалась в том, что испускание и поглощение электромагнитной энергии атомами и молекулами происходит не непрерывно, как считалось до того, а прерывно, дискретно, так сказать, "порциями", или "квантами", как предложил называть Планк позже. (От немецкого Quantum -- количество, масса.). Энергия квантов, их вес и размеры, утверждал Планк, могут быть измерены.

"Чтобы выйти из... затруднительного положения -- пишет Луи де Бройль, -- Макс Планк применил в 1900 г. героическое средство: он ввел в теорию „черного излучения" совершенно новый элемент, неведомый классической физике -- "квант действия", т. е. постоянную , носящую теперь его имя. Предположив, что в веществе существуют электроны, способные совершать гармонические колебания частотой около положения равновесия, Планк допускает, что электроны эти могут отдавать или заимствовать энергию лишь в форме конечных количеств, равных ". Итог своих размышлений (или, как он скромно именовал, свою "предварительную рабочую гипотезу") Планк изложил перед небольшой аудиторией на заседании Немецкого физического общества в институте имени Гельмгольца.

Это произошло 14 декабря 1900 г.

Планку шел сорок третий год. Худощавый, лысеющий, по-юношески подвижный, энергичный, он докладывал с кафедры о новой формуле излучения взволнованно, увлеченно. Однако ни сам Планк, ни тем более его слушатели не понимали важности, а точнее, грандиозности происходящего. Доклад, уместившийся потом на девяти небольших страницах, назывался "К теории закона распределения энергии в нормальном спектре". Казалось, узкий руг лиц, причастных к спектроскопии, обсуждает довольно узкий вопрос. Гениальная мысль, осенившая Планка, представлялась просто "остроумным вольтом", позволяющим улучшить теорию одного хотя и интересного, но весьма частного явления. Только и всего.

А между тем это рождалась совершенно новая ветвь естествознания -- квантовая физика. Таким образом, последние дни XIX столетия становились первыми днями истории новой физики, которая, как сокрушался потом известный петербургский профессор О. Д. Хвольсон, ознаменовалась появлением "странных и непонятных гипотез", каковых не было в физике старой.

Физическая картина мира, начатая Галилеем и Ньютоном и завершенная Максвеллом и Гельмгольцем, соответствовала положению древних: природа не делает скачков (natura nоn facit saltus). В этой физической картине все основано на понятии непрерывности процессов. Гипотеза же квантов -- идея прерывности -- заставляла взглянуть на суть вещей иначе: природа делает скачки. Планк добавлял: "...и даже довольно странные...". (Если говорить о свете, то его излучение аналогично не непрерывно льющейся струе, а прерывистому ряду капель.)

Излагая свой вывод, Планк рекомендовал проверить его. Присутствовавший на докладе талантливый физик Генрих Рубенс той же ночью сверил формулу с данными своих измерений спектра, а утром разыскал Планка и порадовал его, что совпадение получилось разительное. Да и вообще формула Планка потом всегда давала очень точное совпадение с экспериментальными измерениями.

И чем дальше, тем все точнее оправдывался установленный Планком закон. "...И притом тем точнее -- замечает Планк -- чем тоньше были применяемые экспериментальные методы".

Гипотеза квантов способна была помочь науке выйти из кризиса.

Но успех, как казалось, имел и теневую сторону. Ведь если допустить, что лучистая энергия испускается и поглощается только порциями, значит надо признать, что в световой волне она распределена не непрерывно, а сосредоточена в виде частиц света, корпускул. То есть поставить под сомнение волновую гипотезу Гюйгенса, которую отстояли в длительной битве с корпускулярной теорией такие умы, как Юнг, Френель, Максвелл. Да и не только это. Тут значило замахнуться и на большее -- на всю классическую физику!

И Планк дрогнул, смешался.

Сложилась, пожалуй, беспримерная в истории науки ситуация: подарив миру великую гипотезу, ее творец, испугавшись масштаба последствий, в течение ряда лет противодействовал тому, чтобы она укоренилась в науке. Он всегда стремился к единству физической картины мира. Во имя этого он отважился и на создание гипотезы квантов -- чтобы как-то заполнить пробел в классической физике. Он понимал ценность того, что добыла мысль человека в итоге многовековых поисков. Классическая физика, говорил он -- это "величественное сооружение чудесной красоты и гармонии". И он слишком им дорожил, чтобы на него посягнуть.

Консервативный доктор Планк "выпустил джина из бутылки" и потерял покой. Ведь "введение гипотезы квантов, -- писал он, -- равносильно крушению классической теории, а не простому ее видоизменению, как в случае с теорией относительности"7. Он констатировал с горечью: "Ни один физический закон не обеспечен теперь от сомнений, всякая физическая истина считается доступной оспариванию. Дело имеет иногда такой вид, как будто в теоретической физике снова наступила пора первозданного хаоса.

Собственная теория представлялась ему неким "чуждым и угрожающим взрывчатым снарядом". Он, казалось, готов был отказаться от нее -- только бы ничем не пострадала классическая теория!

"Конечно -- говорил он и тогда и позже -- если бы гипотеза квантов во всех вопросах действительно превосходила классическую теорию либо по меньшей мере была ей равноценна, то ничто не мешало бы целиком пожертвовать всей классической теорией, больше того, на эту жертву необходимо было бы решиться".

Он подчеркивает: "Если бы... превосходила". Если бы! Но лично он в этом превосходстве сомневался. Ведь и у гипотезы квантов не только сильные стороны, немало в ней и слабых... Проблема, лишь в какой-то мере решённая, высилась перед ним по-прежнему "всей своей жуткой громадой".

И что же Планк предпринимает?

В своих публичных выступлениях и лекциях, в дружеских беседах с физиками, в письмах к ним он советует, убеждает, он просит собратьев-ученых не отказываться от классической теории, не взрывать ее, а поддерживать и всячески оберегать, как можно меньше отходить от ее законов.

"Прости меня, Ньютон" -- скажет впоследствии Эйнштейн. Эти шутливо-почтительные слова полны особого смысла. Прости, но мы не можем иначе, поскольку вперед нет другой дороги. В свое время ты поступил точно так же -- вспомни! И так будет всегда. Пойдем вперед и мы. И все-таки -- "прости меня, Ньютон". Эйнштейн, в общем-то, спрятался за шутку. Планк же чувствовал себя по-настоящему виноватым. И это порой надолго выбивало его из равновесия. Он не оставляет своих попыток вернуть все на прежнее место. "Мы столь многим обязаны Максвеллу, что было бы неблагодарным отказаться от его теории, -- говорил он А. Ф. Иоффе. -- Попробуйте, нельзя ли добиться таких же выводов, не порывая с Максвеллом". Он просил и постоянно напоминал: "… не идти дальше, чем это крайне необходимо... не посягать на самый свет..." -- "Лучше бы вы придумали, как понять факты, приведенные Эйнштейном, в рамках классической теории". "...Применять квант действия по возможности консервативно". И эти колебания, эти попытки продолжались не год, не два, а почти четверть века!

Планк настойчиво пытался доказать и себе, и другим, что его теория выводится из классической. Его ученик, известный физик Макс фон Лауэ, писал потом: "...в течение многих лет Планк стремился уничтожить пропасть между классической и квантовой физикой или хотя бы перебросить мост между ними. Он потерпел неудачу, но его усилия не были напрасными, так как доказали невозможность успеха таких попыток".

Впрочем, и сам Планк понимал все это. "Мои тщетные попытки как-то ввести квант действия в классическую теорию продолжались в течение ряда лет и стоили мне немалых трудов. Некоторые из моих коллег усматривали в этом своего рода трагедию. Но я был другого мнения об этом, потому что польза, которую я извлекал из этого углубленного анализа, была весьма значительной. Ведь теперь я точно знаю, что квант действия играет в физике гораздо большую роль, чем я вначале был склонен считать".

Но это уже позднейшие комментарии -- 87-летнего ученого из его "Научной автобиографии", написанной на склоне дней. А летом 1910 г. Планк писал Вальтеру Нернсту: "Создавшееся ныне состояние теории, исполненное пробелов, стало невыносимым для каждого настоящего теоретика...". В одну из таких гнетущих минут, когда, казалось, каждая начертанная его рукой формула взывает к действию, он заявил: "...ясность должна быть достигнута в любом случае и любой ценой. Даже разочарование, если оно обосновано и окончательно, означает шаг вперед, а жертвы, связанные с отказом от принятого, с избытком искупаются сокровищами нового знания".

Или -- позже: "Современная теоретическая физика может произвести впечатление старого, почтенного, но уже обветшавшего здания, в котором одна часть за другой начинает рушиться и даже самый фундамент начинает шататься".

То, что XX век станет веком электричества, ни у кого не вызывало сомнений: слишком много фактов свидетельствовало об этом. Но никому не приходило на мысль, что начинавшийся век станет веком и атома. Дорогу в мир атома открывала теория Планка, его такая простая с виду формула:

.

Но осознали это не сразу. Да и события началу развертывались крайне медленно...

Планк утверждал, что "естественные науки не могут обойтись без философии". Какой смысл вкладывал он в эти слова?

В молодости Планк одно время увлекался философией Эрнста Маха -- австрийского физиками философа-идеалиста, врага атомистики. В. И. Ленин потом разоблачил махизм как "путаницу, способную только смешать материализм с идеализмом"9. Планк, возможно, и не пришел бы к теории квантов, если бы не порвал с философией Маха.

Впервые открыто против Маха он выступил в лекции "Единство физической картины мира" (1908). Между Планком и Махом началась острая полемика. Планк изменил своей обычной сдержанности. Он защищал атомистику и свободу создания гипотез, он говорил о великом значении эксперимента и призывал верить, что разум человека в силах постигнуть любой закон природы, как бы ни был он сложен и запутан.

Из столкновения с Махом Планк сделал немаловажные выводы: "...не следует думать, -- писал он, -- что даже в самой точной из всех естественных наук можно продвигаться вперед без всякого миросозерцания".

Каким же должно быть, по Планку, это миросозерцание? В статье "Отношение новейшей физики к механистическому мировоззрению" ученый говорит: "...чем запутаннее множество новых фактов, чем пестрее разнообразие новых идей, тем настоятельнее чувствуется... потребность в объединяющем миросозерцании". Миросозерцание должно быть здоровое, объединяющее, детерминистское -- только тогда оно ведет ученого по правильному пути. Понимал Планк и другое: естествознание способствует развитию философии.

Планк писал: "Масштаб для оценки новой физической теории состоит не в ее наглядности, а в ее плодотворности". В этом смысле гипотеза квантов -- одна из самых плодотворных среди когда-либо существовавших теорий.

Первым, кто "принял кванты Планка всерьез", был молодой Альберт Эйнштейн. В 1905 г. он пришел к мысли о двойственной природе света -- волновой и корпускулярной. Между волновыми свойствами (частотой) и корпускулярными (энергией квантов) существует количественная связь, определяемая квантом действия . На основе предложенной им гипотезы световых квантов Эйнштейн объяснил фотоэффект, люминесценцию, ионизацию газов и ряд других явлений, которых классическая физика объяснить не сумела.

На Первом Сольвеевском конгрессе осенью 1911 г. гипотеза квантов была, так сказать, гвоздем программы. Лоренц назвал ее "прекрасной гипотезой". И все же о гипотезе квантов (о "порциях" света!) говорили или явно скептически (как, например, Анри Пуанкаре) или же с оттенком недоумения (как, например, Джеймс Джинс).

Да и сам Планк еще не освободился от скепсиса, особенно по отношению к световым квантам Эйнштейна.

Значение Первого Сольвеевского конгресса состоит в том, что он поставил гипотезу квантов в центр внимания ученого мира и, собственно, превратил ее из гипотезы в теорию.

Огромное значение этой гипотезы для физики и химии открылось уже через два года, когда опубликовал свою теорию спектров и атомов Нильс Бор. Ему на основе квантовых представлений удалось объяснить закономерности линейчатых спектров. Правильность гипотезы квантов получила еще одно сильное подтверждение. Использовав представление о квантах энергии и введя свои известные постулаты, Бор усовершенствовал планетарную модель Резерфорда -- создал новую модель атома, легшую в основу будущей ядерной физики.

Так был переброшен мост от теории теплового излучения и квантовых идей к загадке строения вещества.

Планк говорит: "Обычно новые научные истины побеждают не так, что их противников убеждают и они признают свою неправоту, а большей частью так, что противники эти постепенно вымирают, а подрастающее поколение усваивает истину сразу".

Де Бройль писал потом, что гипотеза квантов "исподтишка вошла в науку". Однако ей не пришлось дожидаться смены поколений для своего признания. Она была признана значительно раньше. А Планка стали считать крупнейшим представителем европейской теоретической физики.

Много позже в статье "Памяти Макса Планка" Эйнштейн напишет: "...именно закон излучения Планка дал первое точное определение абсолютных размеров атомов... убедительно показал, что, кроме атомистической структуры материи, существует своего рода атомистическая структура энергии, управляемая универсальной постоянной , введенной Планком".

"Неотъемлемой характерной чертой физики XX в., -- говорит Макс Лауэ, -- является... открытая Планком универсальная физическая постоянная -- элементарный квант действия, который мы, следуя Планку, обозначаем через ".

Над этой постоянной много думали, о ней много писали и спорили. И не без основания.

"Проникая во все отделы физики -- отмечает О. Д. Хвольсон, -- она доказала свое мировое значение, показала, что она играет великую роль в явлениях физических; она начинает проникать и в химию. Какова физическая её сущность? Почему она так важна? Почему как бы вторгается (чтобы не сказать -- суется!) во всевозможные физические явления? Одним словом: что такое ? Неизвестно и непонятно!"11

"Таинственная постоянная -- великое открытие Макса Планка", -- констатирует Луи де Бройль. И далее: "...можно только восхищаться гениальностью Планка, который, изучая частное физическое явление, оказался в состоянии угадать один из самых основных и наиболее загадочных законов природы. Более сорока лет прошло со дня этого замечательного открытия, но мы все еще далеки от полного понимания значения этого закона и всех его следствий. День, когда была введена постоянная Планка, останется одной из самых замечательных дат в истории развития человеческой мысли"12.

Дымка загадочности окружает постоянную Планка и по сей день. Вместе с тем -- это одна из важнейших так называемых универсальных постоянных современной физики. Она входит во все основные формулы квантовой физики, теории фотоэффекта, квантовой химии и даже встречается в таких, казалось бы, отдаленных областях какова, например, теория кристаллов.

Вот ее численное значение: = (6,626196±0,000050) *10-27 эрг*с. Невообразимо крошечная величина! Ну что бы, кажется, могла она в общем балансе значить? Планк замечает по этому поводу: "...эта постоянная численно столь ничтожно мала, что результаты классической механики оказываются очень мало видоизмененными для нескольких значительных явлений. Но все же, по существу говоря, она образует в организме прежней теории совершенно чуждое тело".

Квант действия -- это своего рода предельная величина. Вспомним другую мировую постоянную -- скорость света с. В природе, видимо, нет и не может быть скорости, большей скорости света. С другой стороны, в природе, видимо, нет и не может быть действия, меньше кванта ("порции") действия. Вот на что указывает постоянная Планка -- на возможное минимальное действие.

В своей Нобелевской речи 2 июля 1920 г. Планк говорил: "Конечно, введение кванта действия еще не создает никакой истинной теории квантов. Может быть, путь, который еще остался для исследования, не менее далек, чем путь от открытия скорости света Олафом Рёмером до обоснования теории света Максвеллом". И все же Планк не впадает в уныние: "Но и здесь будет, как всегда: ни в каком случае не может быть сомнения, что наука преодолеет также и эту тяжелую дилемму; и то, что сегодня кажется нам непонятным, когда-нибудь будет казаться, с более высокой точки зрения, особенно простым и гармоничным. Но прежде чем эта цель будет достигнута, проблема кванта действия не перестанет побуждать и оплодотворять мысль исследователей, и чем большие трудности представятся в ее решении, тем важнее она окажется для расширения и углубления всего нашего физического знания".

К тому времени полоса забвения и пренебрежения гипотезой квантов была позади. Ее популярность, начав расти, росла уже непрестанно, из года в год.

"Теория квантов... сыграла совершенно исключительную роль в преобразовании физики, так как повела к атомистике энергии и углубила взгляды на значение причинности в явлениях природы, -- писал Г. А. Лоренц. -- Постепенно она завоевывала все более широкие области. Это именно она раскрыла тайну строения атома, расшифровала язык спектров… И хотя ее положения иной раз напоминают непонятные изречения оракула, мы убеждаемся, что за ними всегда стоит истина".

Эйнштейн словно бы подводит итог такого рода высказываниям: открытие Планка, говорит он, "стало основой всех исследований в физике XX в. и с тех пор полностью обусловило ее развитие... Больше того, рушило остов классической механики и электродинамики и поставило перед наукой задачу: найти новую познавательную основу для всей физики".

В 20-е годы на арену вышла блестящая плеяда молодых физиков -- Гейзенберг, Луи де Бройль, Борн, Дирак, Шредингер, Паули. Ими в короткий срок были разработаны основы квантовой механики. Вслед за тем появились квантовая статистика, квантовая электродинамика, квантовая радиофизика. Словцо из "рабочей гипотезы" Планка зазвучало теперь уже на всех языках земли: "квант" квантовый", "квантование", "квантованный".

И хотя Планк называл квантовую механику "наиболее хлопотливым и беспокойным детищем теоретической физики", с ее рождением уже на пороге старости он как будто уверовал наконец в собственную теорию. Поверил, что "в конце своего тернистого и извилистого пути… хоть на шаг приблизился к истине". В 1928 г. в речи посвященной памяти Лоренца, он с уверенностью заявил, что "классическая теория непременно должна войти в новую. Трудно предугадать, когда это произойдет, но произойдет обязательно; "залогом этого является то обстоятельство, -- говорил Планк, -- что как раз в настоящее время теоретические и экспериментальные исследования так близки друг к другу, как никогда раньше в истории физики...". А за пять лет до смерти в статье "Смысл и границы точной науки" он писал: "В настоящее время научное исследование, оплодотворенное теорией относительности и квантовой теорией, готово достичь более высокой ступени и создать новую картину мира". "Наука возникает из жизни и возвращается обратно в жизнь", -- говорил Планк. Так случилось и с теорией квантов. Планк начинал на узком участке: обмен энергией между излучением и веществом. А в итоге -- совершенно новый, принципиально новый подход к явлениям природы. И он распространился на все области физики, на многие области естествознания вообще, вдохнул жизнь в множество технических идей, совершил подлинную революцию в науке.

В те годы, когда гипотеза квантов словно бы проходила проверку временем, Планк углубился в теорию относительности. Он одним из первых понял ее значение, принял ее и оказал ей, по словам Эйнштейна, "теплую и решительную поддержку". Планк говорил: "По своей смелости эта теория превосходит все, что было достигнуто до сего времени в спекулятивном исследовании природы и даже в философской теории познания; по сравнению с ней неевклидова геометрия -- просто детская игра".

Теорию относительности Планк поддерживал не только как глава Прусской академии наук, но и как ученый -- своим творчеством: он еще до Германа Минковского заложил основы релятивистской динамики.

Планк добился того, что Эйнштейн был избран в Прусскую академию наук и в 1914 г. переехал из Цюриха в столицу Германии. "Сотрудничество Планка с Эйнштейном, -- отмечает Макс Борн, -- сделало Берлин в годы, предшествовавшие первой мировой войне, самым значительным центром теоретической физики в мире".

Дружеские отношения, сложившиеся между учеными, перешли в прочную дружбу. Они встречались не только для серьезных разговоров, но и ради музыки: Планк играл на рояле, Эйнштейн -- на скрипке. Кумиром Планка всегда оставался Бах, Эйнштейн благоговел перед Моцартом. Игра Планка пленяла ясностью трактовки произведения, высокой одухотворенностью и чистотой. Эйнштейн играл смело, широко и с какой-то особой артистичностью. И ему словно бы тесно было в пределах, означенных композитором: увлекшись, он уходил на грань импровизации, чего педантичный Планк позволить себе не мог. Эйнштейн и в науке подчас казался импровизатором: блестящие, смелые мысли буквально роились в его мозгу.

Планк жил в предместье Берлина -- Грюневальде (Вангенгеймштрассе, 21). В его доме, расположенном возле леса, было просторно, уютно, на всем лежала печать хорошего вкуса и простоты. В огромной библиотеке, которую он заботливо собирал всю жизнь, были книги не только научные, но по всем отраслям культуры, в том числе по искусству, литературе, истории, на многих языках.

У него было четверо детей -- двое сыновей и близнецы-дочери. Они с женой счастливо прожили более двадцати лет. В 1909 г. она умерла. Это был удар, от которого Планк долго не мог оправиться. Триумф теории квантов был омрачен гибелью под Верденом его старшего на Карла. Затем одна за другой умерли его дочери. 1918 г. ученому была присуждена Нобелевская премия... Успех и горе шли в его жизни, казалось, рядом.

Однако этот хрупкий с виду человек не предался отчаянию. Все, знавшие Планка, отмечают его стойкость, выдержку и терпение. Он искал и находил утешение в работе. В своем "грюневальдском уединении" он -- физик-теоретик, в университете -- основательно загруженный профессор. Кроме того, он продолжал нести бремя непременного секретаря Академии наук. Он с большим успехом читал популярные научно-философские лекции.

И, наконец, он писал книги, учебники, научные статьи (его книги Эйнштейн назвал "шедеврами физической литературы"). Время ученого было распределено пунктуально строго. Всегда и во всем твердый распорядок. И незыблемое правило: ежегодно давать себе несколько недель полного отдыха. Он любил путешествия, перемену обстановки, продолжительные пешие прогулки. Организму нужны встряски, говорил он, в этом отношении альпинизм -- незаменимое средство.

Шли годы, но Планк был бодр, деятелен, его работоспособности можно было позавидовать. Он сохранил юношескую осанку и не знал болезней.

В сентябре 1925 г. отмечалось 200-летие Российской Академии наук. Планк по приглашению посетил Советский Союз. Торжества начались в Ленинграде, закончились в Москве. На торжественном заседании в Москве Планк сказал: "Здесь говорили об объединении науки и труда. Я могу только сказать, что мы, ученые, тоже рабочие. Мы работаем над тем, чтобы извлечь из бездны невежества и предрассудков сокровища чистого знания и истины. В этом духе мы будем сотрудничать со всеми, кто трудится на благо человечества".

В 1928 г. в честь 70-летия Планка Берлинская академия наук учредила золотую медаль его имени. Первой, медалью Планка был награжден юбиляр, вторую он собственноручно вручил Эйнштейну. Годом ранее Планк был награжден золотой медалью Лоренца, а в 1932 г., когда отмечалось 50-летие научной деятельности Планка, его наградили золотой медалью Эйнштейна.

В 1933 г. к власти пришли фашисты. По всей стране пылали костры из книг. В короткое время было уничтожено более десяти тысяч частных и государственных библиотек. Вожди "третьего рейха" заявляли во всеуслышание: "Мы не были и не хотим быть страной Гете и Эйнштейна!" Ученых изгоняли из университетов и институтов. Лишь немногим удалось эмигрировать.

Несмотря на преклонный возраст, Планк оставался на посту непременного секретаря Академии наук и президента Общества кайзера Вильгельма со всеми его тридцатью пятью институтами. Была ли это ошибка или тактический расчет? Скорее всего, это была просто инерция: Планк остался там, где был, и тем, кем был. Планк понимал, что он ничего изменить не может. Однако в его положении разумно было сохранить с новоявленной властью состояние мира. Или хотя бы видимость мира. Но держался он всегда подчеркнуто независимо и в ряде случаев проявил настоящее гражданское мужество.

В мае 1937 г. ученый прочел доклад "Религия и естествознание". В некотором роде это документ исторический: в нем Планк сумел высказать свое отрицательное отношение к фашизму. Конечно, сделано это в завуалированной форме, но слушатели и читатели прекрасно все понимали. Ни одно выступление ученого не имело такого успеха, как это. В докладе, между прочим, есть такие знаменательные слова: "Шаг за шагом вера в чудеса отступает перед развивающейся наукой, и мы не должны сомневаться в том, что в ходе этого развития она рано или поздно придет к концу".

Некогда он сказал о Лоренце: "Горесть, вызванная уничтожением многих, большими трудами созданных драгоценных и невосполнимых творений, сочеталась в этом добром, сочувствующем сердце с ужасом перед кровавыми страхами битв и сражений". Эти слова могут быть отнесены и к самому Планку.

Его молодость прошла в тиши университетских аудиторий и библиотек. Его старость была омрачена руинами и пожарищами кровопролитнейшей из войн. Жизнь, словно сводя с миролюбивым и гуманным человеком какие-то свои жестокие счеты, наносила ему удар за ударом. Его сын Эрвин, занимавший высокий административный пост, был связан с участниками заговора против Гитлера, покушение на которого 20 июля 1944 г. окончилось неудачей. Арестованный в числе других заговорщиков, Эрвин был приговорен к смерти. Прошение о помиловании, поданное его отцом, осталось без ответа. В конце января 1945 г. Эрвин Планк был повешен.

Наступила весна 1945 г. Фашизм агонизировал, его часы были сочтены. Фронт вплотную приблизился к Берлину. Планка, к счастью, там не было.

Окончание войны застало его в Геттингене. Вскоре он начал выступать с докладами, деятельно участвовал в восстановлении бывшего Общества кайзера Вильгельма и в налаживании нормальной духовной жизни -- с ужасным прошлым было покончено, Германия отплывала в будущее.

Летом 1946 г. Планк был приглашен в Англию на Ньютоновские торжества. И ему были оказаны достойные его славы почести.

Почестей он вкусил немало: кавалер нескольких высоких орденов, многократный лауреат, действительный и почетный член многих университетов, ученых обществ и академий всего мира. Летом 1947 г. бывшему Обществу кайзера Вильгельма было присвоено имя Макса Планка, для самого Планка во всем этом был не индивидуальный успех, не личная слава, а признание роли науки, торжество труда ученого.

Умер Планк 4 октября 1947 г., нескольких месяцев не дожив до своего 90-летия, отметить которое мировая общественность готовилась широко и торжественно. Похоронен он в Геттингене -- городе, откуда, собственно, пошла его слава ученого: в свое время Геттингенский университет присудил молодому Планку премию за монографию "Принцип сохранения энергии".

В своей речи над гробом учителя и друга Макс Лауэ сказал: "В жизни Планка произошло то, что происходит в жизни всех великих ученых. Один важный вопрос разрешен. Многие другие -- именно вследствие этого -- поставлены. Решение их предоставляется потомкам. Пусть же они берутся за него с тем же научным мужеством в искании истины, которое было свойственно Планку"16.

Уже после того как на Японию были сброшены атомные бомбы, Планк в своем докладе "Смысл и границы точных наук" предупреждал: "Надо отнестись достаточно серьезно к опасности самоуничтожения, угрожающей всему человечеству в случае применения большого количества таких бомб в грядущей войне. Никакая фантазия не может представить себе все последствия этого. Восемьдесят тысяч убитых в Хиросиме, сорок тысяч убитых в Нагасаки являются самым настоятельным призывом к миру, обращенным ко всем народам и особенно к их ответственным государственным деятелям".

Им оставлено более двухсот пятидесяти книг и статей. Но не количеством томов измеряется величие научного подвига. Планк -- это начало физики XX столетия, это ученый, открывший дверь в мир атома, отец квантовой физики. Его вклад в науку никогда не будет забыт. Ему еще не воздвигнут грандиозный памятник из бронзы и мрамора. Но уже давно высится иной памятник -- квантовая физика -- могучее орудие познания, гордость и слава разума

планк ученый физика квантовый

Вывод

На основе гипотезы о прерывистом характере процессов излучения и поглощения телами электромагнитного излучения Макс Планк получил формулу для спектральной светимости абсолютно черного тела. Формула Планка хорошо описывает спектральное распределение излучения черного тела при любых частотах. Она прекрасно согласуется с экспериментальными данными. Из формулы Планка можно вывести законы Стефана-Больцмана и Вина. Решение проблемы излучения черного тела ознаменовало начало новой эры в физике.

Размещено на Allbest.ru

...