Max Planck | |
---|---|
Angličtina Max Karl Ernst Ludwig Planck | |
Max Planck v roce 1930 | |
Jméno při narození | Němec Max Karl Ernst Ludwig Planck |
Datum narození | 23. dubna 1858 [1] [2] [3] […] |
Místo narození | |
Datum úmrtí | 4. října 1947 [1] [2] [3] […] (ve věku 89 let) |
Místo smrti | |
Země |
Německá říše Výmarská republika Zubři Třetí říše |
Vědecká sféra | teoretická fyzika |
Místo výkonu práce |
Univerzita Mnichov Univerzita Kiel Univerzita Berlín |
Alma mater | Mnichovská univerzita |
vědecký poradce | Alexander von Bril |
Studenti |
Max Abraham Walter Bothe Gustav Hertz Max von Laue Walter Meissner Moritz Schlick Walter Schottky |
Známý jako | zakladatel kvantové teorie |
Ocenění a ceny |
![]() Lorentzova medaile ( 1927 ) Planckova medaile ( 1929 ) Copleyho medaile (1929) |
Autogram | |
![]() | |
![]() | |
Mediální soubory na Wikimedia Commons |
Max Karl Ernst Ludwig Planck ( Němec : Max Karl Ernst Ludwig Planck ; 23. dubna 1858 , Kiel – 4. října 1947 , Göttingen ) byl německý teoretický fyzik , zakladatel kvantové fyziky . Nositel Nobelovy ceny za fyziku (1918) a dalších ocenění, člen Pruské akademie věd (1894), řady zahraničních vědeckých společností a akademií věd. Po mnoho let jeden z vůdců německé vědy.
Planckovy vědecké práce jsou věnovány termodynamice , teorii tepelného záření , kvantové teorii, speciální teorii relativity , optice . Zformuloval druhý termodynamický zákon jako princip rostoucí entropie a použil ho k řešení různých problémů fyzikální chemie . Aplikováním metod elektrodynamiky a termodynamiky na problém rovnovážného tepelného záření získal Planck zákon rozložení energie ve spektru absolutně černého tělesa ( Planckův vzorec ) a tento zákon doložil zavedením konceptu kvant energie a akčního kvanta . Tento úspěch znamenal počátek rozvoje kvantové fyziky, vývoj různých aspektů, které rozvinul v následujících letech (Planckova druhá teorie, problém struktury fázového prostoru , statistická mechanika kvantových systémů atd.). Planck nejprve odvodil rovnice relativistické dynamiky částic a položil základy relativistické termodynamiky . Řada Planckových prací je věnována historickým, metodologickým a filozofickým aspektům vědy.
Max Planck [Comm 1] , narozený 23. dubna 1858 v Kielu , patřil ke staré šlechtické rodině; mezi jeho předky patří významní právníci, vědci, vojenští a církevní představitelé. Jeho děd ( Heinrich Ludwig Planck , 1785-1831) a pradědeček ( Gottlieb Jakob Planck , 1751-1833) byli profesory teologie na univerzitě v Göttingenu a jeho strýc ( Gottlieb Karl Georg Planck , 1824-1910) byl slavný právník, jeden ze zakladatelů německého občanského řádu . Otec budoucího fyzika Wilhelma Plancka ( Johann Julius Wilhelm von Planck , 1817-1900), byl rovněž právníkem, profesorem práv na univerzitě v Kielu . Byl dvakrát ženatý a měl dvě děti z prvního manželství (Hugo a Emma) a pět z druhého (Hermann, Hildegarda, Adalbert, Max a Otto). Maxova matka Emma Patzig ( Emma Patzig , 1821-1914) pocházela z pastýřské rodiny z pomořanského města Greifswald [5] [6] [7] . Jak napsal slavný fyzik Max Born : „O původu Plancka, o všech těchto lidech – krásných, hodných, neúplatných, ušlechtilých a velkorysých, kteří se odevzdali službě církvi a státu – o všech, kteří chtějí pochopit charakter Maxe Plancka a počátky jeho úspěchu si musí pamatovat“ [8] .
Prvních devět let Maxova života strávil v Kielu, hlavním městě Holštýnska , které bylo v té době v centru sporu mezi Dánskem a Pruskem . V roce 1864 byl mladý Planck dokonce svědkem vjezdu prusko-rakouských vojsk do města [5] . V roce 1867 přijal Wilhelm Planck pozvání, aby se stal profesorem práv na univerzitě v Mnichově a přestěhoval se s rodinou do bavorského hlavního města. Zde byl Max poslán na Maxmiliánovo gymnázium ( Maximiliansgymnasium München ); ochotně se učil a brzy se stal jedním z nejlepších studentů ve třídě. Přestože tradičním gymnaziálním předmětům (zejména studiu starých jazyků) byla věnována velká pozornost, výuka přírodních věd na této škole byla rovněž na vysoké úrovni. Mladého Plancka hluboce ovlivnil učitel matematiky Hermann Müller , od kterého budoucí vědec poprvé slyšel o zákonu zachování energie ; Max ukázal raný matematický talent [9] . A ačkoliv v něm učitelé neviděli žádné zvláštní schopnosti, konkrétně si všímali jeho osobních kvalit – silného charakteru, pracovitosti a pracovitosti [10] . Studium na gymnáziu pomohlo upevnit jeho zájem o vědu, o objasňování přírodních zákonů, o kterých na sklonku života napsal:
Od mládí mě ke studiu vědy inspirovalo uvědomění si zdaleka ne samozřejmého faktu, že zákony našeho myšlení se shodují se zákony, které se odehrávají v procesu přijímání dojmů z vnějšího světa, a že tedy člověk může tyto zákony posoudit pomocí čistého myšlení. Podstatné je zde to, že vnější svět je něco na nás nezávislého, absolutního, proti čemu se stavíme, a hledání zákonitostí týkajících se tohoto absolutna se mi zdá nejkrásnějším úkolem v životě vědce.
— Plank M. Vědecká autobiografie // UFN. - 1958. - T. 64 . - S. 625 .Dalším Planckovým koníčkem od dětství byla hudba: zpíval v chlapeckém sboru, hrál na několik nástrojů (spoustu času trávil hrou na klavír ), studoval hudební teorii a zkoušel skládat, ale brzy přišel na to, že nemá talent skladatele. Když dokončil střední školu, stál před volbou: stát se klavíristou, filologem nebo studovat fyziku a matematiku. Planck si vybral to druhé a v září 1874 se stal studentem na univerzitě v Mnichově. Ve studentských letech se však ještě hodně věnoval hudbě: hrál na varhany ve studentském kostele, působil jako sbormistr ve studentském pěveckém spolku, dirigoval amatérský orchestr [11] .
Krátce po vstupu na univerzitu se Planck na radu svého otce obrátil na profesora Philippa von Jollyho a řekl, že by rád studoval teoretickou fyziku . Začal studenta od tohoto záměru odrazovat a tvrdil, že tato věda je blízko dokončení a zbývá v ní prozkoumat jen některé drobné problémy. Tento rozhovor však neovlivnil Planckovu touhu stát se teoretikem [12] . Při vysvětlování tohoto rozhodnutí řekl, že netoužil po objevech, ale pouze po pochopení a pokud možno prohloubit již zavedené základy vědy [13] . Po šest semestrů Planck poslouchal přednášky o experimentální fyzice, které předčítali Wilhelm von Betz ( německy Wilhelm von Beetz ) a tentýž Jolly. Pod vedením posledně jmenovaného provedl Planck svou jedinou experimentální studii o propustnosti zahřáté platiny pro plyny, zejména vodík . Protože v Mnichově nebylo oddělení teoretické fyziky, začal navštěvovat hodiny matematiků Ludwiga Seidela a Gustava Bauera , od kterých se, jak později přiznal, mnohému naučil [14] .
V Jollyho laboratoři se Planck setkal s Hermannem Helmholtzem , slavným fyzikem a profesorem na univerzitě v Berlíně . Mladý muž se rozhodl pokračovat ve studiu v Berlíně, kde strávil dva semestry akademického roku 1877/78. Zde se Helmholtz a Gustav Kirchhoff stali jeho rádci ; navštěvoval také přednášky matematika Karla Weierstrasse . Planck byl však zklamán přednáškami o fyzice, a tak se pustil do pečlivého studia původních prací Helmholtze a Kirchhoffa, které považoval za vzor z hlediska dovednosti a srozumitelnosti podání. Brzy se budoucí vědec seznámil s pracemi Rudolfa Clausia o teorii tepla a byl tak ohromen, že se rozhodl studovat termodynamiku [15] .
V létě 1878 se Planck vrátil do Mnichova a brzy složil zkoušku na právo pracovat jako učitel fyziky a matematiky. Zároveň zahájil samostatný vědecký výzkum, který se řídil pouze knihami a vědeckými články. To umožnilo jeho studentovi Max von Laue později se o Planckovi odvolávat jako na „samouka“. Na základě Clausiových prací se Planck zabýval otázkou nevratnosti procesů vedení tepla a dal první formulaci druhého termodynamického zákona ve smyslu zvýšení entropie . Výsledky byly prezentovány v doktorské disertační práci „O druhém zákonu mechanické teorie tepla“ ( Über den zweiten Hauptsatz der mechanischen Wärmeteorie ), která byla obhájena 12. února 1879 na univerzitě v Mnichově. Konečně 28. června, po složení ústní zkoušky, byl Planckovi udělen titul doktora filozofie s nejvyššími vyznamenáními ( summa cum laude ). Jeho disertační práce však v té době nevzbudila žádnou pozornost, přestože ji zaslal několika známým fyzikům [16] .
V roce 1880 předložil Planck svou práci „Rovnovážné stavy izotropních těles při různých teplotách“ ( Gleichgewichtszustände isotroper Körper in verschiedenen Temperaturen ) za právo pracovat jako učitel na univerzitě ( habilitace ) a získal pozici Privatdozent , kterou zastával v r. příštích pět let. Protože mu učitelské povinnosti nezabíraly mnoho času, mohl se plně soustředit na vědeckou práci. Ve volném čase studoval hudbu, studoval její teorii a proslavil se jako skvělý pianista. Planckovým dalším koníčkem během těchto let bylo horolezectví , kterému se začal věnovat v nedalekých bavorských Alpách ; vědec zůstal přívržencem tohoto sportu po celý svůj následující život [17] .
Celou tu dobu Planck doufal, že získá profesuru na nějaké univerzitě. První pozvání však přišlo z Vyšší lesnické školy v Aschaffenburgu ( Forstliche Hochschule Aschaffenburg ), kde se uvolnilo místo učitele fyziky. Po konzultaci s Helmholtzem se Planck rozhodl odmítnout a počkat na možnost, která by více odpovídala jeho vědeckým aspiracím. Taková příležitost se naskytla na jaře 1885 , kdy mladý vědec dostal nabídku na místo mimořádného profesora teoretické fyziky na univerzitě v Kielu . Rád souhlasil, i když, jak později přiznal, za toto jmenování vděčil ani ne tak uznání svých vědeckých prací, jako spíše záštitě svého otce, jehož blízký přítel Gustav Karsten působil jako profesor fyziky a mineralogie v Kielu. Zde, ve městě svého dětství, se Planck rychle usadil a brzy dokončil knihu Princip zachování energie ( Das Princip der Erhaltung der Energie ), na které pracoval od roku 1884. Tuto monografii odevzdal do soutěže prací vyhlášené Filosofickou fakultou Univerzity v Göttingenu . Kniha se setkala se zájmem, ale byla oceněna pouze druhou cenou, přičemž první cenu nezískal vůbec žádný ze soutěžících. Důvodem bylo to, že ve vědeckém sporu mezi Gottingenem Wilhelm Weber a Berliner Helmholtz Planck stál na straně druhé jmenované [18] .
Počínaje podzimem roku 1886 napsal Planck řadu prací pod obecným názvem „O principu rostoucí entropie“ ( Über das Princip der Vermehrung der Entropie ), ve kterých aplikoval termodynamické úvahy na řešení specifických problémů ve fyzice a chemii. . Tyto práce mu přinesly určitou slávu ve vědeckých kruzích, zejména mezi odborníky na fyzikální chemii . Zejména se setkal s Wilhelmem Ostwaldem a Svante Arrhenius ; posledně jmenovaný přišel do Plancka v Kielu diskutovat o vědeckých problémech. 31. března 1887 se Max Planck, který byl nyní finančně zajištěn, oženil se svou přítelkyní z dětství Marií Merckovou , dcerou mnichovského bankéře [19] . Měli čtyři děti: syny Karla ( Karl , 1888-1916) a Erwina ( Erwin , 1893-1945) a dcery dvojčata Emmu ( Emma , 1889-1919) a Gretu ( Grete , 1889-1917) [20] .
V říjnu 1887, po Kirchhoffově smrti, byla uvolněna katedra teoretické fyziky na univerzitě v Berlíně . První dva žadatelé o toto místo - Ludwig Boltzmann a Heinrich Hertz - odmítli, preferovali Mnichov a Bonn . Poté Helmholtz navrhl kandidaturu Plancka, který od svých kolegů získal vysoké známky jako vědec, učitel a člověk. Mladý fyzik začal své povinnosti v Berlíně v lednu 1889 ; první tři roky zůstal mimořádným profesorem, až v roce 1892 byla na univerzitě zřízena řádná profesura teoretické fyziky. Zároveň vedl nově otevřený Ústav teoretické fyziky na univerzitě. Práce v Berlíně umožňovala úzkou komunikaci s Helmholtzem, Augustem Kundtem a dalšími slavnými fyziky, ale jako teoretik byl Planck v podstatě v izolované pozici a zpočátku pro něj bylo velmi obtížné navázat kontakt s experimentálními kolegy [21] . V roce 1894 byl na návrh Helmholtze a Kundta zvolen řádným členem Pruské akademie věd [22] .
Planck se aktivně účastnil univerzitního života, práce různých komisí a využíval své stále rostoucí autority k ochraně svých kolegů a vědy vůbec. Trval tedy na jmenování Emila Warburga nástupcem Augusta Kundta, který zemřel v roce 1894, ačkoli se pruské ministerstvo školství snažilo ignorovat doporučení fakulty ve prospěch této kandidatury (snad kvůli Warburgovu židovskému původu). V roce 1895 byl Planck členem komise, která na žádost ministerstva vyšetřovala činnost fyzika Lea Aronsa ( německy Leo Arons ), který stál na socialistických pozicích a finančně podporoval Sociálně demokratickou stranu Německa . Komise neshledala vliv Aronových politických názorů na jeho pedagogickou a vědeckou činnost a odmítla jej potrestat. V roce 1897 se Planck v reakci na zvláštní žádost vyslovil proti zásadnímu zákazu univerzitního vzdělání pro ženy; sám dovolil několika ženám navštěvovat jeho přednášky. Později pozval Lisu Meitnerovou , bývalou Boltzmannovu studentku, z Vídně a v roce 1912 ji dokonce jmenoval svou asistentkou; Meitner se stal jedním z Planckových nejbližších přátel . Ve svých raných letech v Berlíně Planck stále věnoval velkou pozornost hudbě a svého času dokonce vyučoval kurz hudební teorie. Když bylo Ústavu předáno velké harmonium , měl možnost studovat vnímání přirozeného ladění hudby na tomto nástroji a dospěl k závěru, že temperované ladění zní za všech okolností výrazněji. Tento výsledek („naše ucho preferuje temperované šupiny“) Planck publikoval v roce 1893 ve zvláštním článku. Zájem o umění a literaturu sblížil vědce s historikem Theodorem Mommsenem , prozaikem Adolfem Toblerem a dalšími představiteli humanitární komunity [24] .
Od roku 1895 patřily Planckovy povinnosti k redigování časopisu Annalen der Physik , ve kterém byl vědec odpovědný za články o teoretických otázkách. Při práci na tomto postu se snažil jasněji oddělit fyziku od matematiky a filozofie, což přispělo k formování v té době nové disciplíny - teoretické fyziky [25] . 23. března 1911 byl Planck zvolen stálým tajemníkem Pruské akademie věd, tedy jedním ze čtyř vedoucích této instituce (po dvou z katedry přírodních věd a humanitních věd). V několika dalších letech využil své pozice k tomu, aby pozval Alberta Einsteina do Berlína a zvolil ho za člena akademie , jehož práce si velmi vážil [26] . Kromě toho Planck sloužil jako rektor univerzity v Berlíně pro akademický rok 1913/14 a byl také třikrát zvolen prezidentem Německé fyzikální společnosti (v letech 1905-1908 a 1915-1916) . Podílel se na vytvoření Společnosti císaře Viléma , založené v roce 1911 výnosem císaře Viléma II .; zejména se od roku 1913 účastnil jednání o zřízení v rámci Společnosti Fyzikálního ústavu, kterou měl vést Einstein [27] [28] .
V říjnu 1909 zemřela Planckova manželka Maria. O rok a půl později, v březnu 1911, se vědec podruhé oženil - s neteří své první manželky Margaret von Hoeßlin ( Margarete von Hoeßlin , 1882-1949), dcerou slavného umělce Georga von Hoeßlina ( německy: Georg von Hoeßlin ). Měli jedno společné dítě Herman ( Hermann , 1911-1954) [29] [30] . Planck byl rodinný muž a podle jeho manželky „všechny své lidské vlastnosti plně odhalil až v rodině“. Skutečně svobodný se cítil pouze mezi lidmi ze svého vlastního okruhu; Berlínské předměstí Grunewald , kde vědec a jeho rodina bydleli ve velkém domě s rozlehlou zahradou, obývali univerzitní profesoři. Planckovými blízkými sousedy byli slavní historici Hans Delbrück a Adolf von Harnack . V předválečných letech pořádal Planck každé dva týdny doma hudební večery, kterých se účastnil slavný houslista Josef Joachim , Albert Einstein a další přátelé. Podle vědcova synovce byla hudba jedinou oblastí, ve které Planck neomezoval svého ducha; vědec preferoval práce Schuberta , Brahmse a Schumanna [31] .
Planckova kvantová hypotézaPlanckův nejvyšší vědecký úspěch patří do berlínského období. V polovině 90. let 19. století se ujal problému tepelného záření a na konci roku 1900 dosáhl rozhodujícího úspěchu: získal správný vzorec pro rozložení energie ve spektru absolutně černého tělesa a dal jeho teoretické zdůvodnění zavedením tzv. slavné " akční kvantum " . Kvantová hypotéza německého vědce, jejíž hluboký význam byl odhalen až mnohem později, znamenala zrod kvantové fyziky [32] . V pozdějších letech vynaložil Planck mnoho úsilí, aby se pokusil sladit své výsledky s klasickou fyzikou ; byl extrémně opatrný ohledně dalších kroků, které vedly od starých myšlenek, například Einsteinovy teorie světelných kvant [33] . Veškeré jeho úsilí však bylo marné, jak napsal ve své vědecké autobiografii:
Moje marné pokusy nějak zavést kvantum akce do klasické teorie pokračovaly řadu let a stály mě hodně práce. Někteří mí kolegové to viděli jako tragédii. Ale měl jsem na to jiný názor, protože přínos, který jsem získal z této hloubkové analýzy, byl velmi významný. Koneckonců, teď už s jistotou vím, že kvantum akce hraje ve fyzice mnohem větší roli, než jsem měl zpočátku tendenci věřit...
— Plank M. Vědecká autobiografie // UFN. - 1958. - T. 64 . - S. 635 .Mezitím díky práci Alberta Einsteina, Paula Ehrenfesta a dalších získávala kvantová teorie stále větší uznání ve vědecké komunitě. Důkazem toho bylo svolání prvního Solvayova kongresu na podzim 1911 , věnovaného tématu „Záření a kvanta“. Tato reprezentativní konference umístila kvantovou teorii záření do středu pozornosti vědeckého světa, ačkoli problémy a rozpory, kterým čelila, zůstaly nevyřešeny [34] . Poté, co se v roce 1913 objevila práce Nielse Bohra , který spojil kvantovou hypotézu s problémem struktury atomu, začala etapa rychlého rozvoje kvantové fyziky. Jako uznání Planckových zásluh mu byla udělena Nobelova cena za fyziku za rok 1918 se slovy „jako uznání za služby, které prokázal fyzice svým objevem energetických kvant “ . 2. července 1920 měl vědec ve Stockholmu Nobelovu přednášku s názvem „Vznik a postupný vývoj kvantové teorie“ [35] [36] .
První světová válka a její následkyStejně jako mnoho jeho kolegů byl i Planck, vychovaný v duchu pruského vlastenectví, nadšen z vypuknutí první světové války . Ve svých veřejných projevech vítal válku, o které se domníval, že je zaměřena na ochranu spravedlivých požadavků a životně důležitých hodnot německého národa, a povzbuzoval mladé lidi, aby se dobrovolně přihlásili do armády. Viděl válku jako způsob, jak překonat všechny rozdíly a sjednotit národ v jediný celek: "Německý lid se znovu našel . " Planck podepsal Manifest devadesáti tři , publikoval v říjnu 1914 , ospravedlnit německý vstup do války; později toho litoval. Změkčení pozice vědce bylo z velké části způsobeno komunikací s Hendrikem Lorenzem , který měl díky příslušnosti k neutrálnímu státu možnost zprostředkovat Planckovi pohled opačné strany. Zejména holandský fyzik poskytl důkazy, že zločiny německých jednotek v Belgii nebyly jen plodem pomluv a nepřátelské propagandy. Již na jaře 1915 se Planck vyslovil proti zintenzivnění nenávisti mezi národy a za obnovení dřívějších mezinárodních vztahů a začátkem roku 1916 předal prostřednictvím Lorenze otevřený dopis kolegům ze zemí Dohody , ve kterém oznámil „Manifest devadesáti tří“ jako výsledek návalu vlastenectví v prvních týdnech války odmítl hájit všechny akce německé armády během války a napsal, že „existují oblasti intelektuálního a morálního života, které leží mimo boj národů“ a ve kterém je možná plodná spolupráce mezi občany různých zemí. Planck vynaložil mnoho úsilí, aby zabránil „čistkám“ v Pruské akademii věd, zabránil vyhoštění zahraničních členů z ní a vyhnul se úplnému přerušení vztahů s vědeckými společnostmi nepřátelských zemí [37] .
Naivitu Planckových představ o politice během válečných let zaznamenali Laue a Einstein [38] . Porážka ve válce a následný pád monarchie zranily Planckovo vlastenecké cítění. I o čtyři roky později v jednom ze svých projevů vyjádřil lítost nad tím, že císařská rodina přišla o trůn. Pochopil přitom, že císařova abdikace je jednou z podmínek k provedení nezbytných reforem a zachování německého státu jako takového [39] [40] . Válka přinesla vědci osobní tragédii: v květnu 1916 zemřel jeho nejstarší syn Karl poblíž Verdunu . Pro Plancka byla tato událost příležitostí k přehodnocení svého postoje k synovi, který se nedokázal najít v životě a nedokázal ospravedlnit naděje, které do něj jeho otec vkládal; vědec o tom hořce napsal: „Bez války bych nikdy nepoznal její hodnotu, a teď, když ji znám, musím ji ztratit . V roce 1917 zemřela Planckova dcera Greta, která se provdala za heidelberského profesora Ferdinanda Fehlinga , týden po porodu. Fehlingovou manželkou se v lednu 1919 stala i její sestra-dvojče Emma, která se o dítě starala, ale na konci roku ji postihl osud její sestry: také zemřela při porodu. Osiřelé vnučky, které dostaly jména na počest svých matek, byly částečně vychovány v domě svého dědečka. Planckův mladší syn Erwin, který rovněž sloužil na frontě, potkal konec války ve francouzském zajetí [41] [42] .
Výmarská republikaPlanck sehrál významnou roli v poválečné reorganizaci německé vědy, která se odehrála tváří v tvář upadající ekonomice a sníženému financování výzkumu. Stal se jedním z iniciátorů založení Mimořádného spolku německé vědy ( německy Notgemeinschaft der deutschen Wissenschaft ), vytvořeného za účelem získávání financí z různých zdrojů, a následně se aktivně podílel na rozdělování finančních prostředků prováděných různými komisemi této organizace. . Planck, který byl od roku 1916 senátorem Společnosti císaře Viléma, se podílel na generálním vedení Společnosti, jejíž instituce byly v nových podmínkách nuceny soustředit se na aplikovaný vývoj důležitý pro obnovu německého průmyslu. Vědec zaujal kritické stanovisko ve vztahu k této nové politice a naléhal, aby nezapomínal na důležitost základního výzkumu. V červenci 1930 byl zvolen předsedou Společnosti; starší vědec trávil spoustu času komunikací s politiky, podnikateli, bankéři, novináři a mluvil v médiích [43] . Pokud jde o jeho politické názory, v nových podmínkách parlamentní republiky začal Planck podporovat umírněně pravicovou německou lidovou stranu , která zastupovala zájmy průmyslníků. A přestože mnohé novinky nemohl schválit a např. „univerzální volební právo (pro dvacetileté!) považoval za zásadní chybu “, neviděl důvod novému státu odporovat a neviděl možnost o vrácení všeho zpět [44] .
Postavení vědy v poválečném Německu kromě ekonomického krachu komplikovala i mezinárodní izolace, která ve válečných letech do značné míry souvisela s nacionalistickým postavením německých vědců a která se teprve postupně začínala překonávat. Situaci zhoršila tvrdá omezení uvalená na Německo v důsledku mírové smlouvy, která nepřispěla k iniciativě ze strany vědců; Planck a většina jeho kolegů považovali oficiální přiznání vlastní křivdy za takových podmínek za nemožné, protože by to mohlo být považováno za projev zbabělosti a sobectví. Teprve v polovině dvacátých let začalo napětí klesat a v roce 1926, po přijetí Německa do Společnosti národů , dostali němečtí a rakouští vědci pozvání do Mezinárodní rady pro výzkum (předchůdce Mezinárodní rady pro vědu ) [45] . Planck, který pochopil význam mezinárodní vědecké spolupráce, přispěl při svých cestách k obnovení vazeb zpřetrhaných válkou a navázání nových kontaktů. V této činnosti se snažil dodržovat zásadu nevměšování politiky do záležitostí vědy a upřednostňoval neformální či čistě vědecké kontakty před schůzkami pořádanými státními či jinými politickými organizacemi. Zejména se přes chladný postoj vlády a své strany zúčastnil jako zástupce Pruské akademie věd oslav u příležitosti 200. výročí Ruské akademie věd , které se konaly v září 1925 v Leningradu a Moskva [46] [47] .
Planck předal vedení Institutu pro teoretickou fyziku Maxi von Laueovi již v roce 1921 a na podzim 1926 , po dosažení věkové hranice, opustil místo profesora na univerzitě v Berlíně. Jeho nástupcem se stal Erwin Schrödinger , jehož dílo Planck s velkým zájmem sledoval. Vědec, který získal titul čestného profesora , se však i po odchodu do důchodu stále aktivně účastnil vědeckého života univerzity, práce přijímacích a certifikačních komisí a ještě několik let přednášel; zůstal také tajemníkem Pruské akademie věd. Ve 30. letech 20. století mohl Planck věnovat více času přednáškám o obecných vědeckých a filozofických problémech; jeho projevy se konaly nejen na různých univerzitách v Německu, ale také v Holandsku , Anglii , Švýcarsku , Švédsku , Finsku . Vědec striktně dodržoval v životě určitou rutinu, podle níž se práce střídala s odpočinkem. Dovolenou vždy využíval k řádnému odpočinku, cestoval, chodil na horolezectví , trávil čas na svém panství u Tegernsee ; dokázal si udržet dobré zdraví až do vysokého věku [48] [49] .
Nacistické obdobíV roce 1933 se v Německu dostali k moci nacisté ; začala perzekuce proti závadným vědcům, mnozí z nich (zejména židovského původu) byli nuceni emigrovat. Mnoho německých vědců si zpočátku myslelo, že politika nového režimu je dočasná a že negativní tendence nakonec zmizí, takže taktikou Plancka a dalších vůdců vědy bylo bránit vědu a zároveň se vyhýbat jakékoli kritice režimu. Podle historika Johna Heilbrona „ otevřeně dělali ústupky v malých věcech a veřejně neprotestovali proti velkým nespravedlnostem…“ [50] Prvořadým úkolem Plancka a jeho kolegů, kteří zůstali v Německu, bylo zachovat vědu v novém zničení. K tomu postarší vědec využil své autority a postavení prezidenta Společnosti císaře Viléma ; snažil se nepřitahovat pozornost úřadů, přispíval k zachování výkonnosti institucí Společnosti, pomáhal propuštěným zaměstnancům najít nové zaměstnání nebo odejít do zahraničí. Drží se této taktiky osobních kontaktů, během setkání s Adolfem Hitlerem v květnu 1933 se Planck pokusil přimluvit za svého židovského kolegu Fritze Habera , slavného chemika, ale Fuhrer o tomto tématu ani nechtěl mluvit. Po této porážce se však Planck nikdy otevřeně nepostavil proti nacistickému režimu a snažil se, jak nejlépe mohl, udržovat s ním mírové vztahy. Nesouhlasil tedy s postojem Einsteina, který veřejně deklaroval svůj odmítání nacismu, a vlastně odstoupil z účasti na řízení o zbavení Einsteina členství v Pruské akademii věd. Planck však chtěl situaci ulehčit a vydal prohlášení, ve kterém připomněl význam Einsteinova díla pro rozvoj fyziky, ale zároveň vyjádřil lítost nad tím, že „Einstein svým vlastním politickým chováním učinil svou přítomnost na akademii nemožné . " Planck také působil jako organizátor uctění památky Habera, který zemřel v exilu; toto setkání se uskutečnilo i přes oficiální zákaz účasti, který se vztahoval na všechny státní zaměstnance [51] [52] . Vědec si dovolil režim kritizovat pouze nepřímo, přičemž se ve svých projevech na filozofická a historická témata dotkl některých problémů naší doby [53] . Einstein Planckovi nikdy neodpustil jeho odmítnutí veřejně vystoupit proti nespravedlnostem (jejich korespondence skončila v roce 1933) a dokonce i Laue kritizoval svého učitele za to, že neprojevil větší „tvrdohlavost“ [54] .
Počátkem roku 1936 zesílily útoky představitelů tzv. „árijské fyziky“ na Plancka ; vědec byl prohlášen za dirigenta škodlivých myšlenek, za průměrného badatele, za chráněnce „Einsteinovy kliky“. Tato aktivace byla z velké části způsobena opětovným zvolením prezidenta Společnosti císaře Viléma z 1. dubna, která byla podle Philippa Lenarda od samého počátku „židovským monstrem“. Planckovi se však podařilo tento post udržet, zatímco se začalo hledat vhodného nástupce. Stali se Carlem Boschem , který nahradil Plancka v roce 1937. Dne 22. prosince 1938 postarší vědec také rezignoval na post tajemníka akademie, ale dál bojoval a snažil se zachovat zbytky nezávislosti této vědecké instituce [55] . V květnu 1938 byl konečně v Berlíně otevřen Fyzikální ústav Společnosti císaře Viléma , jehož vytvoření Planck v průběhu let věnoval mnoho úsilí. Přes odpor představitelů „árijské fyziky“ byl z iniciativy nově jmenovaného ředitele Petera Debye institut pojmenován po Maxi Planckovi [56] .
Po vypuknutí druhé světové války Planck pokračoval v přednáškách po celé zemi. V únoru 1944 v důsledku anglo-amerického náletu vyhořel dům vědce v Grunewaldu ; jeho rukopisy a deníky, většina jeho rozsáhlé knihovny, byly zničeny. Byl nucen se nastěhovat ke svému příteli Karlu Stihle ( německy Carl Still ) na panství Rogetz poblíž Magdeburgu . Těžkou ranou pro postaršího vědce byla smrt jeho druhého syna Erwina ( německy Erwin Planck ), který měl blízko ke skupině plukovníka Stauffenberga a účastnil se diskusí spiklenců o budoucí reorganizaci Německa. Přestože se Erwin zjevně přímo neúčastnil událostí 20. července 1944 , byl odsouzen k trestu smrti a přes otcovy žádosti o milost byl v lednu 1945 oběšen. Na jaře 1945 Max Planck málem zemřel při bombardování v Kasselu , kde měl další přednášku. Na konci dubna bylo panství Rogets zničeno; Planck a jeho žena se nějakou dobu skrývali v lese, pak dva týdny bydleli u místního mlékaře; Vědcův stav zhoršovala artritida páteře, téměř nemohl chodit. Nakonec byl přivezen do Göttingenu americkou armádou, kterou na žádost profesora Roberta Pohla vyslala zachránit starého muže . Zde byl vědec nucen strávit pět týdnů na univerzitní klinice, jeho zdravotní stav se v důsledku prožitých událostí výrazně zhoršil. Po uzdravení se Planck usadil se svou neteří v Göttingenu; brzy se mohl vrátit do práce, na přednášky [57] [58] .
V červenci 1946 Planck navštívil Anglii, kde se jako jediný zástupce Německa zúčastnil oslav 300. výročí narození Isaaca Newtona . Postarší fyzik zůstal nějakou dobu čestným prezidentem Společnosti císaře Viléma, která byla se souhlasem vědce brzy přejmenována na Společnost Maxe Plancka ( jejím prvním prezidentem se stal Otto Hahn ) [59] . V Bonnu během jedné ze svých přednáškových cest 88letý Planck vážně onemocněl oboustranným zápalem plic , ale podařilo se mu uzdravit. V březnu 1947 proběhl jeho poslední projev ke studentům. Německá vědecká komunita se připravovala na oslavy u příležitosti jeho 90. narozenin, ale pár měsíců před tímto kulatým datem vědec zemřel na mrtvici . Stalo se tak 4. října 1947 v Göttingenu, kde byl Planck pohřben na městském hřbitově [60] [61] .
V knize Princip zachování energie (1887), která sehrála významnou roli ve vývoji představ o tomto základním přírodním zákonu , Planck podrobně zkoumal historii vzniku tohoto zákona, analyzoval přínos vědců minulosti (počínaje Stevinem a konče Helmholtzem ) v chápání role konceptu zachování energie ve vědě [62] . Planck dále uvažoval o různých typech energie a ukázal, že pro získání pohybových rovnic ze zákona zachování energie (například Newtonovy rovnice ), je nutné použít tzv. princip superpozice , podle kterého je celková energie systém lze rozdělit na součet nezávislých složek (například na energii pohybu podél příslušných souřadnicových os). Princip superpozice podle Plancka není zcela přísný a je třeba jej experimentálně ověřit v každé jednotlivé situaci. Na základě tohoto principu vědec také ukázal, že Newtonův zákon akce a reakce vyplývá ze zákona zachování energie . Planck tedy zdůrazňuje, že „princip superpozice hraje v celé fyzice... nesmírně důležitou roli; bez ní by se všechny jevy vzájemně mísily a bylo by zcela nemožné stanovit závislost jednotlivých jevů na sobě; neboť je-li každé jednání porušeno jiným, pak přirozeně zaniká možnost poznat příčinnou souvislost“ [63] . Při své úvaze o zákonu zachování energie jako o empirickém zákoně se vědec snažil oddělit jeho fyzikální obsah od tehdy rozšířených filozofických a populárně vědeckých spekulací a zároveň nakreslit hranici mezi teoretickou fyzikou na jedné straně a metafyziky a matematiky na straně druhé. Vyjadřovalo také touhu, kterou Planck sledoval po celý svůj život: identifikovat univerzální vědecké principy, postrádající antropomorfní rysy nebo historický relativismus [64] .
Studiem zákona zachování energie se Planck obrátil k dalšímu základnímu konceptu – principu nejmenšího působení , který nazval „nejvyšší fyzikální zákon“. Vědec poznamenal, že zákony zachování jednotným způsobem vyplývají z principu nejmenší akce: zákon zachování hybnosti odpovídá prostorovým souřadnicím, zatímco zákon zachování energie odpovídá časové dimenzi [65] . Navíc, když první objevy na poli kvantové fyziky nastolily otázku použitelnosti známých zákonů klasické mechaniky a elektrodynamiky, měl si princip nejmenší akce podle Plancka zachovat svůj univerzální význam, na rozdíl od takových koncepcí. odvozené z něj jako Hamiltonovy rovnice [66 ] .
Od svých studentských dnů měl Planck hluboký zájem o druhý zákon termodynamiky , ale nebyl spokojen s jeho formulacemi. Druhý zákon lze podle vědce formulovat v nejjednodušší a nejobecnější podobě, použijeme-li pojem entropie - veličina, kterou do fyziky zavedl Rudolf Clausius . Pak lze podle Plancka vyjádřit druhý termodynamický zákon v následující podobě: celková entropie všech těles podléhajících změnám v tom či onom přírodním procesu se zvyšuje [67] . "Přirozeným procesem" Planck mínil nevratný proces , na rozdíl od reverzibilního nebo "neutrálního" procesu; charakteristickým rysem přirozeného procesu je nemožnost vrátit systém do původního stavu bez provedení změn na tělesech obklopujících systém. Entropie tedy působí jako míra „preferencí“ dané přírodou konečnému stavu systému před výchozím a úzce souvisí s nevratností procesů. Tyto úvahy představil mladý vědec ve své doktorské práci (1879). V následujících letech zvažoval řadu konkrétních termodynamických procesů, aby prokázal možnost stanovení zákonů fyzikální a chemické rovnováhy z úvahy, že entropie dosahuje maximální hodnoty v rovnovážném stavu [68] . Jak však sám Planck o mnoho let později poznamenal, „velký americký teoretik Josiah Willard Gibbs mě předběhl tím, že formuloval stejné návrhy ještě dříve, částečně dokonce v ještě obecnější formě, takže... moje práce nebyly korunovány s vnějším úspěchem“ [69] .
Výhody formulace druhého termodynamického zákona z hlediska entropie prokázali vědci v sérii čtyř prací pod obecným názvem „O principu rostoucí entropie“ ( Über das Princip der Vermehrung der Entropie , první tři části vyšly v r. 1887 a čtvrtý v roce 1891). V prvním sdělení Planck uvažoval o interakci mezi dvěma stavy agregace jedné látky, jakož i mezi chemickou sloučeninou a směsí jejích produktů disociace . Ukázal, že při libovolných teplotách a tlacích je v takových systémech nemožná stabilní rovnováha: v prvním případě přechází jeden stav agregace do druhého a ve druhém se látka úplně rozloží, nebo se naopak všechny produkty disociace spojí. Dále autor uvažoval o chemických reakcích při konstantním hmotnostním poměru látek a došel k závěru, že díky principu rostoucí entropie bude reakce probíhat až do svého ukončení určitým směrem v závislosti na teplotě a tlaku [70] . Ve druhém sdělení se Planck obrátil k problému disociace plynných sloučenin a po rozboru změny entropie ukázal, že rozklad látky bude nebo nebude pokračovat, v závislosti na stavu systému, určeném teplotou, tlakem. a stupeň disociace . Ve třetí zprávě vědec demonstroval, že princip rostoucí entropie umožňuje stanovit zákony začátku jakýchkoli chemických a termodynamických reakcí. Zde představil koncept elektrické entropie a analyzoval případ vzájemného ovlivňování dvou vodičů . Konečně, v poslední, čtvrté zprávě, Planck uvažoval o elektrochemických procesech. Teoretické závěry pro všechny speciální případy, kterým se věnoval v této sérii článků, byly porovnány s dostupnými experimentálními daty [71] . Termodynamický přístup vyvinutý Planckem v těchto pracích hrál významnou roli ve vývoji fyzikální chemie ; zejména získal důležitý výraz pro závislost rovnovážné konstanty chemické reakce na tlaku [72] .
Během své následné vědecké kariéry se Planck opakovaně vracel k diskusi o významu druhého termodynamického zákona a jeho různých výkladech. Věřil, že tento zákon nelze formulovat a priori , ale pouze odvodit ze spolehlivých experimentálních pozorování. Význam druhého zákona spočívá podle Plancka také v tom, že poskytuje nezbytné a dostatečné kritérium pro rozlišení vratných a nevratných procesů nebo jinými slovy měřítko termodynamické pravděpodobnosti určitého stavu systému. [73] . Jeho obrat k pravděpodobnostní interpretaci entropie, kterou poprvé navrhl Ludwig Boltzmann , souvisel s rozvojem teorie tepelného záření v letech 1895-1901. Pro Plancka bylo výhodou statistické definice entropie oproti čistě termodynamické, které se dříve držel, rozšíření tohoto konceptu na nerovnovážné stavy systému . Na rozdíl od Boltzmanna však Planckova interpretace principu zvýšení entropie jako absolutního, deterministického (spíše než statistického) zákona zůstala zpočátku nezměněna. Teprve v roce 1914 práce Alberta Einsteina a Mariana Smoluchowského o teorii Brownova pohybu konečně přesvědčily Plancka o existenci fluktuací a v důsledku toho o platnosti statistického chápání druhého termodynamického zákona [74] . V článku „A New Statistical Definition of Entropy“ ( Eine neue statistische Definition der Entropie , 1925) podal obecnou formulaci statistického výrazu pro entropii kvantových systémů a aplikoval jej na případy systému oscilátorů a jednoatomový plyn [75] .
Termodynamika roztoků a elektrolytůV sérii prací „Na principu rostoucí entropie“ použil Planck ve své formulaci druhý termodynamický zákon k popisu termodynamických vlastností zředěných roztoků a určil podmínky kladené na koncentrace rozpuštěných látek tak, že při dané teplotě a tlaku v systému by nastala chemická rovnováha . Současně ukázal, že vlastnosti roztoků závisí na interakci mezi molekulami rozpouštědla a rozpuštěné látky, a proto je nelze redukovat na zákony plynu ; odvozeno z termodynamických úvah Raoultův zákon o poklesu tlaku par rozpouštědla, když se k němu přidá určitý podíl jiné látky; stanovil vztah mezi snížením bodu tání a latentním teplem tání ; získal van't Hoffův vzorec pro osmotický tlak [72] . Pomocí své teorie Planck v roce 1887 ukázal, že takové vlastnosti roztoků, jako je snížení bodu tuhnutí, lze vysvětlit pouze disociací rozpuštěné látky. To bylo v souladu s teorií elektrolytické disociace , kterou ve stejných letech vyvinul švédský vědec Svante Arrhenius , a proto získala termodynamické zdůvodnění. Sám Arrhenius však planckovský přístup kritizoval, protože považoval za důležité, aby částice rozpuštěné látky měly elektrický náboj , což nebylo v čistě termodynamické analýze německého fyzika nijak zohledněno. Téměř simultánní výskyt práce Plancka a Arrhenia vyvolal na počátku 90. let 19. století diskusi o prioritě ve vývoji teorie elektrolytické disociace; později však Planck rozpoznal převahu svého švédského kolegy [76] [77] . Jak však poznamenal Max Born , žádný z účastníků diskuse neměl úplnou pravdu, protože, jak ukázaly studie Debye a Hueckel , platnost termodynamických zákonů neruší závislost jejich specifické formy na náboji [78] .
V roce 1888, nezávisle na Wilhelmovi Ostwaldovi , Planck demonstroval použitelnost zákona hromadného působení na roztoky slabých elektrolytů . V roce 1890 dal Planck termodynamické zdůvodnění teorie difúze elektrolytů navržené Walterem Nernstem a založené na konceptu osmotického tlaku iontů v roztoku. Na základě této teorie získal Planck vzorec pro rozdíl potenciálů dvou elektrolytů, který experimentálně potvrdil Nernst [79] [80] . Ve svých přednáškách o termodynamice (1897) vědec důsledně prokázal fázové pravidlo pro vícesložkový chemický systém, aplikoval jej na roztoky, studoval řadu speciálních případů a klasifikoval je podle počtu složek a počtu fází. [81] . O mnoho let později, na počátku třicátých let, se Planck vrátil k fyzikálním a chemickým tématům a napsal několik článků o potenciálním rozdílu slabých elektrolytových roztoků [82] .
Další práce v termodynamiceV roce 1906 Nernst na základě svých experimentálních studií navrhl, že entropie čisté krystalické látky má při teplotě absolutní nuly tendenci ke konstantní hodnotě, nezávisle na fázi, tlaku a dalších parametrech [83] . Toto tvrzení se nazývá třetí zákon termodynamiky nebo Nernstův teorém. V roce 1911 Planck navrhl, že při absolutní nule entropie jakékoli homogenní kondenzované hmoty mizí. Třetí zákon v této podobě se neomezuje na případy chemických reakcí nebo fázových přeměn uvažovaných Nernstem, ale umožňuje určit absolutní hodnotu entropie libovolného jednotlivého tělesa [84] [85] . Navíc lze takovou definici entropie podle Plancka spojovat s kvantovými zákonitostmi, konkrétně s pevnou hodnotou buňky fázového prostoru , což umožňuje jednoznačně vypočítat pravděpodobnost termodynamického stavu (počet mikrostavů) a , následně entropie [86] .
V roce 1934 Planck navrhl první obecnou matematickou formulaci Le Chatelier-Brownova principu , podle níž se při změně jednoho z parametrů systému posune další charakteristika tak, že změna prvního parametru se buď zvětší, nebo zmenší. podle toho, zda jsou oba parametry stejného typu.hodnoty nebo různé. Typem veličin zde rozumíme intenzivní nebo extenzivní veličiny [87] .
Již na samém počátku své vědecké kariéry dospěl Planck k závěru, že zákony termodynamiky samy o sobě jsou schopny vést ke správným výsledkům bez použití libovolných domněnek o struktuře hmoty. Takovým předpokladům přisuzoval atomismus [88] . Navíc kritizoval kinetickou teorii plynů , protože ji považoval za v rozporu s principem rostoucí entropie, a v roce 1882 napsal, že atomová teorie by měla nakonec ustoupit myšlence spojité struktury hmoty. Brzy však při práci na problémech fyzikální chemie zjistil, že neexistuje žádná plodná alternativa k atomárním a molekulárním konceptům a že je nutné mít nějaký mechanický model elementárních jevů. Zároveň však i nadále zůstal skeptický k existující atomistické hypotéze a statistickým přístupům k termodynamice. Podle jeho názoru zavedení pravděpodobnosti nestačilo k vysvětlení nevratnosti termodynamických procesů; nárůst entropie chápal v přísně deterministickém smyslu. Nekonzistentnost Planckova postoje se projevila v diskusi, která se rozvinula v roce 1895 , v níž podpořil svého studenta Ernsta Zermela , který kritizoval statistickou interpretaci entropie Ludwiga Boltzmanna a zároveň nechtěl zcela zavrhnout možnost mechanické vysvětlení druhého termodynamického zákona. Jako kompromis navrhl (1897), že rigorózní mechanická interpretace by mohla být platná, když zvažujeme nikoli jednotlivé hmoty (jako v kinetické teorii plynů), ale spojitou hmotu. Ve snaze vyřešit rozpory mezi mechanikou a termodynamikou a získat nevratnost díky čistě konzervativním procesům se vědec obrátil k problému tepelného záření . Při pohledu do budoucna můžeme říci, že práce na toto téma z něj udělala přesvědčeného atomistu [89] [90] .
V době, kdy Planck začal pracovat na teorii tepelného záření, stála tato disciplína před problémem zásadního významu - vypočítat rozložení energie v rovnovážném spektru záření absolutně černého tělesa , tedy tělesa, které zcela pohlcuje dopadající záření. na něm v celém spektrálním rozsahu. Dobrým praktickým provedením černého tělesa je malý otvor ve stěně uzavřené dutiny; uvnitř takového zařízení je ustavena rovnováha mezi zářením a hmotou, takže záření vycházející z díry je svými charakteristikami blízké záření černého tělesa. Důležitost funkce popisující emisivitu absolutně černého tělesa při dané teplotě a při dané frekvenci určuje Kirchhoffův zákon (1859), podle kterého je poměr vyzařovacích a absorpčních schopností libovolného tělesa roven právě univerzální funkce . Do konce 19. století bylo stanoveno několik zákonitostí ohledně rovnovážného záření černého tělesa. Stefan-Boltzmannův zákon (1879, 1884) tedy tvrdí teplotní závislost objemové hustoty radiační energie, veličiny integrální přes všechny frekvence ve spektru. Wienův posunovací zákon (1893) umožnil zredukovat problém hledání funkce dvou argumentů na hledání funkce jedné proměnné . Tento zákon navíc určuje posun maxima emisního spektra se změnou teploty. Pokusy odvodit závislost z termodynamických a elektrodynamických úvah učinili takoví fyzici jako Vladimir Michelson (1887) a Wilhelm Wien (1896); posledně jmenovanému se podařilo získat zákon normální distribuce záření ve spektru černého tělesa , který získal přibližné potvrzení v měřeních Friedricha Paschena , Otto Lummera a Ernsta Pringsheima [91] [92] . Z praktického hlediska byly tyto studie vedeny potřebou hledat nové zdroje světla a zejména vytvořit standardy pro hodnocení elektrických žárovek [93] [94] .
Na jaře 1895 představil Planck svou první práci o teorii tepelného záření Pruské akademii věd ; výsledky tohoto článku byly omezeny řadou ad hoc předpokladů, které byly v následujících publikacích zmírněny. Hlavním úkolem pro vědce byla aplikace druhého termodynamického zákona na procesy tepelného záření, které byly analyzovány z pohledu Maxwellovy elektromagnetické teorie . To zahrnovalo uvažování o interakci elektromagnetického pole s elementárním emitorem, který Planck považoval za lineární harmonický oscilátor („rezonátor“ [Comm 2] ) v dutině naplněné zářením. Tato volba byla zdůvodněna univerzálností funkce , která nezávisí na povaze tělesa, a proto bylo možné se omezit na idealizovaný případ lineárního rezonátoru. Uvnitř roku, Planck napsal druhý článek ve kterém on odvodil rovnici pro oscilátor se ovlivňovat s polem, brát v úvahu radiační tlumení; tato rovnice byla použita v dalších studiích [95] . Počátkem roku 1900 publikoval Planck velký článek „O nevratných procesech záření“ ( Über ireverzibilní Strahlungsvorgänge ), který shrnul výsledky jeho bádání o problému tepelného záření za předchozí tři roky. Hlavním úkolem vědce v těchto letech bylo prokázat, že interakce oscilátorů se zářením vede k nevratnému procesu nastolení rovnováhy v systému, ale brzy se přesvědčil, že na to nestačí jen zákony mechaniky a elektrodynamiky. Pod vlivem Boltzmannovy kritiky zavedl Planck do své analýzy další předpoklad „přirozeného záření“ (tj. nekoherence harmonických vibrací, na které lze záření rozložit), což je velmi analogické s hypotézou „molekulárního chaosu“ v Boltzmannově kinetické teorii. plynů. Pomocí tohoto předpokladu byl Planck schopen odvodit rovnici vztahující energii oscilátoru k intenzitě záření při určité frekvenci. Planck dále představil koncept elektromagnetické entropie jako funkce energie oscilátoru a formuloval „elektromagnetickou H-teorém “ a podal termodynamickou interpretaci procesů stacionárního záření. Pomocí svého výrazu pro entropii určil teplotu elektromagnetického záření a jako důsledek získal Wienův zákon vyzařování a Stefanův-Boltzmannův zákon. Pokus o změnu distribuce záření z Wien distribuce na něco jiného si zároveň vyžádal změnu výrazu pro entropii, což podle Plancka vedlo k rozporu s principem nárůstu entropie [96] [97 ] . Je příznačné, že v této fázi vědec z nějakého důvodu nepoužil známou větu o ekvipartici energie ve stupních volnosti, což by ho přivedlo k Rayleigh-Jeansově zákonu záření , který je v rozporu s experimentem [ 98] [99] .
Planckův vzorec a akční kvantumPočátkem roku 1900 dal Planck teoretické odůvodnění své definice elektromagnetické entropie, která se stala dalším argumentem ve prospěch Wienova zákona o záření. Proto nové výsledky Lummera a Pringsheima (září 1900), které spolehlivě dosvědčily odchylku rozložení záření ve spektru černého tělesa od Wienovy funkce v oblasti dlouhých vln, představovaly problém zásadního významu pro výzkumníci. 19. října 1900 představil Planck na schůzi Německé fyzikální společnosti práci „O zlepšení vídeňského radiačního zákona“ ( Über eine Verbesserung der Wienschen Spektralgleichung ), v níž se rozhodl harmonizovat svou teorii termického studia s novými experimentální data. Z těchto údajů, stejně jako z posledních experimentů Ferdinanda Kurlbauma a Heinricha Rubense , o kterých se Planck dozvěděl několik dní před setkáním, vyplynulo, že Wienův distribuční zákon platí pouze v oblasti krátkých vln a nízkých teplot. Vezmeme-li nejjednodušší zobecnění výrazu pro vztah mezi entropií a energií oscilátoru, který by sloužil jako interpolace pro limitní případy dlouhých a krátkých vln [Comm 3] , získal Planck vzorec pro rozložení energie v forma , kde a jsou nějaké konstanty. Vědec poznamenal, že tento výraz, nyní známý jako Planckův vzorec , zřejmě dobře popisuje experimentální data [100] [101] . Potvrdil to Rubens, který po schůzce strávil noc tím, že ověřoval nový vzorec proti experimentálním výsledkům [102] .
Přestože byl problém nalezení zákona o distribuci energie ve spektru absolutně černého tělesa („normální spektrum“) v podstatě vyřešen, stál Planck před úkolem teoreticky doložit nalezený vzorec, tedy odvodit vhodný výraz pro entropii oscilátor. K tomu byl nucen obrátit se k interpretaci entropie jako měřítka pravděpodobnosti termodynamického stavu, nebo, jinými slovy, k počtu způsobů, jakými lze tento stav realizovat (mikrostavy, neboli „komplexy“ podle k tehdejší terminologii). Tento přístup navrhl Ludwig Boltzmann a v té době byl ve vědeckém světě prakticky neznámý [Comm 4] . Pro výpočet entropie v rámci tohoto přístupu je nutné určit počet způsobů distribuce energie mezi velké množství oscilátorů oscilujících na různých frekvencích . Aby se zabránilo přeměně tohoto čísla na nekonečno, Planck navrhl, že celkovou energii oscilátorů s určitou frekvencí lze rozdělit na přesný počet stejných částí (prvků nebo kvant) hodnotou , kde je „univerzální konstanta“, nyní nazývaná Planckova konstanta . Pomocí této hypotézy představil entropii v podmínkách logaritmu počtu kombinací, upozornil na potřebu maximalizovat entropii v rovnovážném stavu a přišel se svým spektrálním vzorcem. Vědec tyto výsledky uvedl ve zprávě „O teorii energetické distribuce záření normálního spektra“ ( Zur des Gesetzes der Energieverteilung im Normalspektrum ), vytvořené 14. prosince 1900 na pravidelném zasedání Německé fyzikální společnosti. V jiné podobě byly představeny v článku „O zákonu rozložení energie v normálním spektru“ ( Über das Gesetz der Energieverteilung im Normalspektrum ), publikovaném počátkem roku 1901 v časopise Annalen der Physik . V této práci, která získala velkou slávu, zvolil Planck opačnou sekvenci důkazů: vycházel z podmínky termodynamické rovnováhy a aplikoval Wienův posunovací zákon a kombinatoriku , došel ke svému distribučnímu zákonu a podmínce [103] [104] .
Planck tedy při vývoji teorie tepelného záření vycházel z analogie s Boltzmannovou kinetickou teorií plynů [105] . Zásadním rozdílem mezi Planckovým přístupem a teorií plynů však bylo objevení se záhadné konstanty : zatímco v teorii plynů je velikost buněk fázového prostoru používaných k počítání počtu komplexů a výpočtu entropie žádný zásadní význam, v teorii záření musí mít velikost energetického prvku přísně pevnou hodnotu . Zdá se, že důvodem je rozdíl mezi Boltzmannovými definicemi pravděpodobnosti stavu jako míry prostorové poruchy a Planckovou časovou poruchou [106] . Právě vysvětlení původu hodnoty považoval vědec za hlavní úkol dalšího rozvoje teorie. Svou naději na vyřešení tohoto problému spojoval s objasněním podrobností mikroskopického obrazu procesu emise světla oscilátorem, konkrétně s elektronovou teorií struktury hmoty, která vznikla počátkem 20. století [107] . Planck ve svých Přednáškách o teorii tepelného záření (1906), založených na metodě fázového prostoru vyvinuté Gibbsem , podal novou interpretaci konstanty jako elementárního úseku dvourozměrného fázového prostoru (pro případ jednorozměrného rozměrový oscilátor). Frekvenční nezávislost této sekce určuje ekvipravděpodobnost komplexů použitých k výpočtu entropie. Vědec si všiml, že konstanta má rozměr akce , a nazval ji „ kvantem akce “ [108] .
Důsledek: přírodní konstanty a systém přírodních jednotekPlanck považoval za jeden z nejdůležitějších důsledků své teorie to, že dávala hluboký význam fyzikálním konstantám, které se v ní objevovaly. Vědcův zájem o toto téma souvisel s jeho ideálem vědeckého poznání, totiž s hledáním absolutních vzorců, které nezávisí na vědomí lidí, kulturních charakteristikách a dalších subjektivních faktorech [109] . Tento ideál byl pro Plancka ztělesněn v možnosti sestrojit systém „přírodních jednotek“, tedy jednotek délky, času a hmotnosti, určovaných nikoli konvenčními dohodami v rámci lidské civilizace, ale pomocí základních přírodních zákonů. V tomto ohledu poskytují zákony záření černého tělesa vhodnou příležitost, protože se jedná o univerzální vztahy a nezávisí na vlastnostech konkrétních materiálů. Planck se poprvé věnoval tématu přírodních jednotek v květnu 1899 v souvislosti s konstantami a zahrnul je do vídeňského distribučního zákona odvozeného z jeho teorie. Na základě experimentálních dat vědec našel číselné hodnoty těchto konstant a přidal k nim rychlost světla a gravitační konstantu a zavedl přirozené jednotky délky, času, hmotnosti a teploty jako kombinace , , a [110 ] .
Později do Planckovy teorie vstoupily dvě nové konstanty - akční kvantum a další konstanta , která spojovala entropii s pravděpodobností (později byla nazývána Boltzmannova konstanta [Comm 5] ). V omezujícím případě vídeňského distribučního zákona odpovídalo , a - [Comm 6] . Novou konstantu , jejíž hodnota byla vypočtena z dat experimentů se zářením černého tělesa, lze propojit s dalšími konstantami. To umožnilo Planckovi vypočítat důležité veličiny v atomistice - Avogadrovu konstantu a v důsledku zákonů elektrolýzy hodnotu elementárního náboje . Výsledky výpočtů se ukázaly být plně v souladu s údaji získanými dříve z nezávislých experimentů. Pro Plancka spočíval význam těchto nových odhadů konstant v ustavení spojení mezi elektromagnetismem a představami o struktuře hmoty [111] . Jinými slovy, sloužily jako nezvratný důkaz existence atomů . Navíc tento důkaz byl zpočátku považován téměř za hlavní úspěch Planckovy teorie a málem mu přinesl Nobelovu cenu za rok 1908. Oddaný zastánce atomismu Svante Arrhenius , který měl velký vliv na Nobelovu komisi, sice Planckovu kandidaturu aktivně doporučoval, ale protiargumenty (včetně nejednoznačnosti teoretických základů Planckovy formule) měly rozhodující vliv na výsledky výběru laureáta [112 ] . Pokud jde o systém přírodních jednotek, vědec se k této problematice vrátil v roce 1906 a přepsal je pomocí konstant , , a . Od 30. let 20. století tento systém přitahuje velkou pozornost specialistů v oblasti kvantové a relativistické fyziky a je široce známý jako Planckovy jednotky měření [113] .
Planck a kvantová diskontinuitaJak poprvé poznamenal známý historik Thomas Kuhn (1978) , průkopnické práce Plancka o teorii tepelného záření zvažované výše explicitně neobsahují myšlenku kvantové diskontinuity ( diskontinuity ), která je připisována Německý vědec podle historiografické tradice [114] . V Planckových dílech z tohoto období neexistuje jednoznačný údaj o kvantování energie oscilátoru, tedy o jeho reprezentaci diskrétní množinou určitého počtu částí (kvant) hodnoty . Sám Planck v tu chvíli podle Kuhna takovou možnost sotva zvažoval a jeho vnímání vlastních výsledků zůstalo ryze klasické nejen v dílech z let 1900-1901, ale i v prvním vydání Přednášek o teorii tepelného záření ( 1906). Poměr byl použit pouze pro výpočet rovnovážného rozložení energie velkého počtu oscilátorů, zatímco popis interakce elektromagnetického pole s jediným oscilátorem byl založen na Maxwellových spojitých rovnicích ; změna energie oscilátoru s časem byla dána diferenciální rovnicí, odvozenou před rokem 1900, a také neobsahovala znaky diskrétnosti [115] . Teprve v následujících letech se ve vědecké komunitě začalo formovat porozumění, že Planckova teorie vyžadovala odklon od klasických myšlenek. Velkou roli při realizaci této skutečnosti sehrála díla Paula Ehrenfesta a Alberta Einsteina , publikovaná v roce 1906 . Tito vyšetřovatelé přímo poukázali na to, že výsledkem čistě klasického zacházení s rovnovážným zářením by měl být Rayleigh-Jeansův distribuční zákon. Pro získání Planckova vzorce bylo nutné zavést omezení energie elementárního oscilátoru na diskrétní množinu hodnot tak, aby podle Einsteina mohl oscilátor při pohlcování a vyzařování světla měnit svou energii pouze o celé číslo. počet kvant [116] . Podle Kuhna „v jistém smyslu [Einsteinova práce] oznamuje zrod kvantové teorie“ [117] .
Kuhnovy závěry vyvolaly bouřlivou diskusi mezi odborníky na dějiny fyziky (přehled těchto rozporů lze nalézt v řadě článků [118] [119] [120] [28] ). Slavný historik Olivier Darrigol ( Olivier Darrigol ) podal klasifikaci existujících názorů na problém. Badatelé jako Martin J. Klein a Friedrich Hund se drželi tradiční představy kvantování energie oscilátoru (tj. zavedení diskontinuity) jako hlavního Planckova výsledku. Další úhel pohledu, vyjádřený Hansem Kangrom a Allanem Needellem , je ten, že Planck si nebyl plně vědom důsledků své práce; samotný koncept kvantové diskontinuity pro něj v tu chvíli neměl žádný význam, a proto nebyl jasně formulován. Autoři poměrně nedávných prací Clayton Gearhart [121] a Massimiliano Badino [ 122] se přiklánějí k tomuto úhlu pohledu , přičemž si všímají Planckovy neochoty činit spekulativní předpoklady o struktuře a chování mikrosystémů. Mezi prvním a druhým hlediskem se umístili Leon Rosenfeld a Max Jammer . Konečně třetí výklad se promítl do Kuhnova závěru, že Planckova práce neprosazuje rozchod s obecně přijímanými teoriemi a nezavádí kvantovou diskontinuitu do fyziky. Sám Darrigol se ke Kuhnově názoru připojil s podstatnou výhradou, že Planckovu činnost lze jen těžko jednoznačně přiřadit oblasti, které se dnes říká klasická fyzika a která v té době neměla jasné hranice [123] . Touto dobou byl Kuhnův argument z velké části přijat mnoha historiky a následující diskuse přispěla k lepšímu pochopení Planckovy práce, zejména komplexních vztahů mezi Planckovými a Boltzmannovými statistickými metodami. Plné shody mezi specialisty však zatím nebylo dosaženo [124] [28] . Ať je to jakkoli, jak poznamenal Darrigol, výsledkem této diskuse není zlehčování Planckovy role ve vývoji fyziky:
Neznamená to, že by „otec kvantové teorie“ v roce 1900 nic významného neudělal. Vybral základní konstantu h a dal formální kostru toho, co by mohlo být později považováno za kvantově teoretický důkaz zákona o záření černého tělesa. Toto je prostě první příklad opakujícího se rysu v historii kvantové teorie: „správná“ interpretace nových matematických schémat se obvykle objevila poté , co byla vynalezena.
Původní text (anglicky)[ zobrazitskrýt] To neznamená, že „otec kvantové teorie“ v roce 1900 nezavedl nic podstatného. Izoloval základní konstantu h a dal formální kostru toho, co by se později dalo považovat za kvantově-teoretický důkaz zákona o černém tělese. . Toto je jen první příklad opakující se charakteristiky historie kvantové teorie: „správná“ interpretace nových matematických schémat obecně přišla až po jejich vynálezu. — Darrigol O. Od c-čísel ke q-číslům: Klasická analogie v dějinách kvantové teorie. - Berkeley: University of California Press, 1992. - P. xviii.Velkou roli v dalším vývoji událostí sehrála zpráva Hendrika Lorentze na matematickém kongresu v Římě v roce 1908 . Nizozemský vědec ve svém projevu uznal nemožnost vysvětlit vlastnosti rovnovážného tepelného záření pomocí klasické elektronové teorie; v následné diskusi přímo poukázal na hypotézu diskrétní povahy absorpce a emise záření [Comm 7] . Lorentzova autorita ve vědeckém světě a jasnost jeho uvažování přispěly k závažnosti kvantové hypotézy, která byla brzy přijata mnoha vědci. Stranou nezůstal ani Planck, který otevřeně uznal nutnost radikálního odklonu od klasické fyziky. Koncem roku 1909 - začátkem roku 1910 poprvé veřejně podpořil myšlenku nespojité povahy elementárních radiačních procesů, ale vyslovil se proti Einsteinovým světelným kvantům . Tyto události přiměly vědce poprvé po roce 1901 ke studiu teorie tepelného záření a pokusu o její modifikaci s ohledem na nové kvantové koncepty [125] .
Modifikace Planckovy teorie zářeníVědcovy úvahy o stavu kvantové teorie se odrazily v jeho zprávě na prvním kongresu Solvay na podzim roku 1911. Planck ve svém projevu podal přehled různých způsobů odvození správného zákona rovnovážného záření a předložil výklad akčního kvanta jako elementární oblasti fázového prostoru [126] . A ačkoli připustil, že „rámec klasické dynamiky... se ukázal být příliš úzký na to, aby pokryl všechny ty fyzikální jevy, které nejsou přístupné přímému pozorování našimi hrubými smysly“ , nicméně v důsledku analýzy existujících přístupů , došel k závěru, že „nezbývá nic jiného, jak odmítnout ... předpoklad, že energie oscilátoru musí být nutně násobkem energetického prvku“ [127] . Výsledkem revize teorie tepelného záření byla tzv. „druhá teorie“ Plancka, poprvé představená počátkem roku 1911 a formulovaná v plném znění ve druhém vydání Lectures on the Theory of Thermal Radiation (1912) . Charakteristickým rysem této teorie byla asymetrie procesů absorpce a emise záření oscilátorem. Jestliže dříve, v letech 1908-1910, Planck věřil, že oscilátor je schopen absorbovat pouze celé číslo energetických kvant a následně se nepřetržitě vyvíjí v souladu se zákony klasické fyziky, pak ve druhé teorii byla situace přímo opačná. Vědec začal diskrétním způsobem interpretovat pouze emisi záření, zatímco buzení oscilátoru považoval za kontinuální proces. To umožnilo výrazně zjednodušit odvození vzorce pro rovnovážné záření černého tělesa: Maxwellova elektrodynamika byla použita pouze pro stanovení rychlosti absorpce, zatímco proces emise světla byl popsán pomocí statistického přístupu založeného na rozdělení fáze. prostor na prvky s hodnotou . Dalším počítáním průměrné energie oscilátorů a jejím vztahem k entropii dospěl Planck ke svému radiačnímu zákonu [128] . Druhá teorie je často považována za důkaz Planckova konzervatismu, jeho neschopnosti vážně se rozejít s klasikou, nicméně podle Kuhna to pro německého fyzika „nebyl ústup, ale radikální krok, první teorie z jeho pero, které obecně zanechalo nějaké to místo diskontinuity“ [129] .
Druhá Planckova teorie obsahovala několik bodů důležitých pro vývoj kvantové fyziky. Za prvé, obsahuje zřejmě nejstarší předpoklad o náhodné povaze elementárních procesů: k emisi kvanta energie podle Plancka dochází s určitou pravděpodobností poté, co oscilátor, který nepřetržitě absorbuje, akumuluje energii . Za druhé, pro určení konstanty úměrnosti ve výrazu, který dostal, vědec zvážil limitující případ vysoké intenzity záření (teploty), kdy platí klasický Rayleigh-Jeansův zákon. Toto bylo pravděpodobně první použití přístupu později nazvaného " princip korespondence ". Za třetí, v rámci druhé teorie se ve výrazu pro průměrnou energii oscilátoru objevil další termín , takže při teplotě absolutní nuly energie nezanikla, ale byla rovna [130] . Ve fyzice tak vznikl koncept „ nulové energie “. Pojem nulové energie, který byl v následujících letech využíván k vysvětlení řady fyzikálních a chemických jevů, se v pozměněné podobě zachoval v moderní kvantové mechanice [131] . Kromě toho byla druhá teorie použita k vysvětlení vlastností fotoelektrického jevu , aniž by se uchýlila k na tehdejší dobu příliš radikální hypotéze světelných kvant, a měla přímý dopad na práci Nielse Bohra o atomových spektrech [132] .
Aplikace kvantových pojmů na spektrální zákonitosti představovala pro druhou teorii neřešitelné problémy. Po experimentech Frank-Hertz byl autorem odmítnut. V roce 1914 navrhl „třetí teorii“, podle níž jsou emise i absorpce považovány za spojité procesy a kvantové efekty vznikají pouze v důsledku srážek hmotných částic. Selhání této nové teorie ukázal ve stejném roce Adrian Fokker [133] [134] . Planckovy pokusy o harmonizaci svých teoretických představ s novými daty pokračovaly i v následujících letech, až byl počátkem 20. let 20. století definitivně nucen připustit existenci diskrétních energetických hladin požadovaných Bohrovou teorií [135] .
Po roce 1910, kdy si vědci uvědomili důležitost myšlenky kvantové diskontinuity, se stále častěji objevovaly pokusy aplikovat kvantové koncepty na nové fyzikální problémy, jako je výpočet specifických tepelných kapacit látek nebo určování struktury atomu. Význam teorie záření černého tělesa pro další rozvoj kvantové fyziky začal neustále klesat [136] . Tento trend se promítl i do práce Plancka, který se začal obracet k řešení dalších problémů v rámci tzv. „staré kvantové teorie“, která předcházela vzniku moderní kvantové mechaniky. V roce 1911 na kongresu Solvay Henri Poincare formuloval problém rozdělení fázového prostoru na elementární buňky s objemem určeným akčním kvantem . Pro systém s jedním stupněm volnosti je to snadné, zatímco zobecnění na systémy s mnoha stupni volnosti se ukázalo jako obtížné. Planck našel řešení tohoto problému v práci „Fyzikální struktura fázového prostoru“ ( Die physikalische Struktur des Phasenraumes , 1916), která sehrála významnou roli při zobecnění kvantové teorie na komplexní systémy [137] . Ukázal, že v případě systému se stupni volnosti je možné rozdělit fázový prostor na elementární oblasti objemu a porovnat stacionární stavy s -rozměrnými průsečíky ploch definovaných pohybovými integrály [138] .
Planckův přístup k analýze systémů s několika stupni volnosti je matematicky ekvivalentní známé metodě vyvinuté ve stejné době Arnoldem Sommerfeldem a založené na takzvaných Bohr-Sommerfeldových kvantových podmínkách. Jako příklad využití své teorie považoval Planck problém rotačního dipólu ( rotátoru ), který je důležitý pro výpočet měrného tepla dvouatomových plynů (zejména molekulárního vodíku ). Ukázal, že na rozdíl od případu jednoho stupně volnosti mají buňky fázového prostoru v různých stavech různé velikosti, a proto při výpočtu rozdělovací funkce [Comm 8] musí být její členy vynásobeny odpovídajícím „ závaží“ . Tento závěr svědčil o důležitosti zobecnění teorie na několik stupňů volnosti, i když nebylo možné definitivně vyřešit problém měrné tepelné kapacity [139] . Zájem o tento problém vedl Plancka k úpravě přístupu vyvinutého v roce 1914 Adrianem Fokkerem , který popisuje fluktuace rotátoru v rovnováze s radiačním polem. V roce 1917 Planck zdůvodnil výraz známý ve statistické mechanice jako Fokker-Planckova rovnice [140] [30] . Další problém, na který Planck aplikoval svou analýzu struktury fázového prostoru, se týkal konstrukce správného výrazu pro entropii kvantově ideálního plynu, zejména pokusu o vysvětlení dalšího termínu spojeného s velikostí systému (někdy tzv. problém Gibbsova paradoxu ) [141] .
Planck přivítal vznik maticové mechaniky v roce 1925 s nadějí a následující rok byl nadšený vytvořením vlnové mechaniky Erwina Schrödingera , která, jak se zdálo, přinesla zpět prvek kontinuity do kvantové teorie. A i když mnohé v interpretaci vln hmoty zůstaly nejasné, Planck považoval návrat k popisu jevů pomocí diferenciálních rovnic za absolutní krok vpřed . Navíc, vlnová mechanika byla více explicitně příbuzná klasické mechanice než předchozí kvantové konstrukce; toto spojení vědce zvláště zajímalo a opakovaně se tomuto tématu věnoval [142] . V roce 1940 tedy Planck v několika dílech pod obecným názvem „Pokus o syntézu vlnové a korpuskulární mechaniky“ ( Versuch einer Synthese zwischen Wellenmechanik und Korpuskularmechanik ) představil přechod z vlnové na korpuskulární mechaniku jako proces probíhající v limitu . Vědec našel podmínky, za kterých k tomuto přechodu dochází, a vyjádřil naději, že získané výsledky mohou pomoci zacelit propast mezi klasickou a kvantovou fyzikou [82] . Planck kritizoval pravděpodobnostní interpretaci kvantové mechaniky z filozofického hlediska , považoval ji za v rozporu s myšlenkou striktní kauzality (ve smyslu klasického determinismu ), a tedy s ideálem fyzikálního poznání. Jeho pozice byla úzce spojena s negativním postojem k pozitivismu , ačkoli tváří v tvář bezpodmínečným úspěchům kvantové mechaniky byl vědec nucen výrazně zmírnit svou kritiku [143] [144] .
Planck byl jedním z prvních, kdo rozpoznal význam knihy Alberta Einsteina „O elektrodynamice pohybujících se těles“ (1905), která obsahovala formulaci speciální teorie relativity . Přestože tehdejší experimenty Waltera Kaufmanna nepotvrdily závěry teorie relativity, Planck se domníval, že výrazné zjednodušení celé disciplíny, kterého Einstein dosáhl, plně odůvodňuje další využití a rozvoj nové teorie. 23. března 1906 vystoupil Planck na schůzi Německé fyzikální společnosti se zprávou „Princip relativity a základní rovnice mechaniky“ ( Das Prinzip der Relativität und die Grundgleichungen der Mechanik ), v níž poprvé formuloval zákl. rovnice relativistické dynamiky a našli Lagrangeovu funkci relativistického hmotného bodu [145] . V roce 1907 se Planck v díle „O dynamice pohyblivých systémů“ ( Zur Dynamik bewegter Systeme ) poprvé zabýval problémem záření z pohybujícího se absolutně černého tělesa, čímž se stal jedním ze zakladatelů relativistické termodynamiky . Odvodil transformaci řady termodynamických veličin při přechodu ze vztažné soustavy v klidu do vztažné soustavy pohybující se rychlostí, konkrétně bylo získáno vyjádření tvaru pro teplotu , kde je rychlost světla [146] [147 ] . Tento poměr byl po mnoho let považován za správný, dokud jej v roce 1962 Heinrich Ott nezpochybnil , když obdržel vzorec . Ottova práce dala podnět k vášnivé diskusi o základech relativistické termodynamiky [148] . Tyto nekonzistence zřejmě souvisejí s odlišností definice pojmu množství tepla a nevedou tak k žádným zásadním rozporům [149] [150] [151] .
Problémům optiky se věnuje řada Planckových prací, vydaných na počátku 20. století . V roce 1902 tedy dospěl k teorii „přirozeného“ neboli „bílého“ světla, založené na aplikaci statistických zákonů na elektromagnetické záření. V letech 1902-1905 se vědec zabýval teorií rozptylu světla , zejména vypočítal útlum světla v homogenním prostředí s normální disperzí. V roce 1905 napsal práci o optických vlastnostech kovů [152] .
Planck nevytvořil vědeckou školu jako takovou v Berlíně; neměl tolik studentů jako Arnold Sommerfeld v Mnichově nebo Max Born v Göttingenu [153] . Bylo to způsobeno jednak vysokými Planckovými nároky na samostatnost mladých vědců, jednak jeho zaneprázdněností; ve skutečnosti nekontroloval práci svých studentů. Přesto pod vedením Plancka zahájila vědeckou činnost řada známých fyziků, zejména doktorské disertační práce obhajovalo asi dvacet lidí. Mezi posledně jmenované patří Max Abraham (1897), Max von Laue (1903), Moritz Schlick (1904), Walter Meissner (1906), Fritz Reiche ( německy: Fritz Reiche ; 1907), Ernst Lamla ( německy: Ernst Lamla ; 1912) , Walter Schottky (1912), Walter Bothe (1914) [154] . Co se týče teoretických problémů pedagogiky, Planck zdůrazňoval nutnost důkladného školního vzdělání pro rozvoj vědy, upozornil, že „je důležité dbát ani ne o studium velkého množství faktů, jako o jejich správnou interpretaci“ . To pomůže vyhnout se nekritickému, povrchnímu vnímání vědeckých výsledků, rozvíjet svědomitost a vědeckou nezávislost. Německý vědec také formuloval dvě pravidla, která jsou důležitá pro získávání nových výsledků: ve vědě „vítězí jen odvážný“ a „k dosažení úspěchu je třeba si stanovit cíle poněkud vyšší, než jaké lze nyní dosáhnout“ [155] .
Pokud jde o Plancka jako přednášejícího, jeho kolegové na univerzitě v Kielu rovněž zaznamenali jasnost, přirozenost a emocionalitu jeho způsobu přednášení, jeho schopnost zaujmout posluchače tématem [156] . Jeden z Planckových berlínských studentů později vzpomínal: „Během přednášky nepoužíval poznámky. Nikdy nedělal chyby ani nezakopl. Velmi zřídka vytáhl své poznámky, podíval se na tabuli, řekl ano a znovu je schoval. Byl to nejlepší řečník, jakého jsem kdy slyšel“ [20] . Lise Meitnerová , která se s Planckem setkala v roce 1907 a brzy se stala blízkou přítelkyní jeho rodiny, poznamenala, že na pozadí Boltzmanna, s nímž studovala ve Vídni, „se Planckovy přednášky při vší své extrémní jasnosti zdály poněkud neosobní a racionální “ . První dojmy o osobnosti berlínského profesora, jeho zdrženlivosti a suchopárnosti se však podle ní při bližším seznámení vytratily [157] . Na základě svých přednášek sestavil Planck pětidílný kurz „Úvod do teoretické fyziky“ (1916-1930); mezi jeho další učebnice patří Přednášky o termodynamice (1897), Přednášky o teorii tepelného záření (1906), Osm přednášek o teoretické fyzice (1910). Všechna tato díla byla opakovaně vydávána a překládána do různých jazyků světa [158] . Když mluvíme o Planckových knihách o termodynamice a tepelném záření, Einstein poznamenal:
Potěšení, které zažijete, když vezmete do ruky tyto knihy, v nemalé míře díky jednoduchému, skutečně uměleckému stylu, který je vlastní celé Planckově práci. Při studiu jeho děl má člověk obecně dojem, že požadavek umění je jedním z hlavních pramenů jeho tvorby. Ostatně ne nadarmo se říká, že Planck po absolvování střední školy pochyboval, zda se má věnovat studiu matematiky a fyziky, nebo hudbě.
— Einstein A. Max Planck jako badatel // Einstein A. Sborník vědeckých prací. - M .: Nauka, 1967. - T. 4 . - S. 13 .Planck se během svého života opakovaně zabýval otázkami historie a filozofie vědy. Jeho životopisci E. M. Klyaus a W. I. Frankfurt vyčlenili několik skupin, k nimž lze Planckovy práce v této oblasti přiřadit [159] :
Studium dějin vědy podle Plancka pomáhá identifikovat zákonitosti ve vývoji vědy, a tedy předvídat směr jejího dalšího vývoje; je to důležitý pomocný nástroj, který umožňuje rozšířit obzory vědce a vyhnout se opakování chyb a mylných představ jeho předchůdců. Studium evoluce vědy je přitom nerozlučně spjato se studiem osobnosti vynikajících vědců [160] . Planckovy historické a vědecké zájmy úzce souvisely s jeho názory na takové filozofické problémy vědy, jako je význam zákona zachování energie, principy kauzality a nejmenší akce, metodologie vědy, postoj ke svobodné vůli , spojení věda s filozofií a náboženstvím a tak dále. Planck uznal důležitost světového názoru v činnosti vědce a obecně se držel materialistických názorů: za hlavní cíl vědy prohlásil poznání skutečně existujícího vnějšího světa, poukázal na souvislost mezi přírodní vědou a praktickými problémy, kterým čelí lidské společnosti a přikládal prvořadý význam experimentu v rozvoji vědy. Zásadní roli přisoudil vytváření jednotného fyzického obrazu světa, jako odrazu ve vědomí jevů a propojení okolního světa, a poznamenal: „...prací badatele je přinést svůj obraz světa bližšího skutečnému světu“ [161] [162] .
Planckovy filozofické názory se odrážely v jeho diskuzích s Ernstem Machem a Wilhelmem Ostwaldem , jejichž názory byly na konci 19. a na počátku 20. století poměrně populární. Sám byl podle Plancka v mládí zastáncem Máchovy filozofie, podle níž jsou naše vlastní vjemy jedinou realitou a věda pouze ekonomicky přizpůsobuje naše myšlenky těmto vjemům. Vznik Máchova pozitivismu je podle Plancka způsoben zklamáním z nenaplněných nadějí spojených s čistě mechanistickým světonázorem [163] . Napsal, že Machovi „v plné míře náleží zásluha, že tváří v tvář hrozivé skepsi našel ve smyslových počitcích jediné správné východisko pro jakékoli studium přírody. Ale šel dál než za svým cílem, podvracel spolu s mechanistickým světonázorem jakýkoli fyzický světonázor“ [164] . Zejména Mach, navzdory četným důkazům vědy na počátku 20. století, stále odmítal existenci atomů , které Planck považoval za neméně reálné než planety [165] .
První rozpory mezi Planckem a machismem byly odhaleny již v jeho knize Princip zachování energie (1887). Otevřený projev proti Machovi se odehrál v prosinci 1908 ve zprávě „Jednota fyzického obrazu světa“ ( Die Einhalt des physikalischen Weltbildes ), čtené na univerzitě v Leidenu . Planck obhajoval atomismus , který Mach odmítal, vyjadřoval své přesvědčení o objektivní existenci okolního světa (a nejen senzací) a kritizoval „princip ekonomie myšlení“, který hraje zásadní roli v Máchově filozofii [166] . Když mluvil o velkých vědcích minulosti, Planck poukázal na to, že „základem všech jejich aktivit byla neotřesitelná důvěra v realitu jejich obrazu světa. S ohledem na tento nepopiratelný fakt je těžké zbavit se strachu, že by se narušil myšlenkový pochod vyspělých myslí, oslabil by se útěk jejich představivosti a vývoj vědy by se fatálně zastavil, kdyby princip tzv. Máchova ekonomika se skutečně stala ústředním bodem teorie poznání . Mach vydal odpověď (1910), ve které tvrdě kritizoval Planckovy názory. Rakouský filozof mimo jiné prohlásil atomismus za formu náboženství založenou jako všechna náboženství na předsudcích a nevědomosti [167] . Planck pokračoval v diskusi v dalším článku, kde poznamenal, že „taková formální teorie, jako je Machova teorie, nemůže dát vůbec žádný určitý fyzikální výsledek – ani správný, ani nesprávný...“ [168] Poté, co analyzoval Machovy konkrétní závěry týkající se fyzikálních jevů, Planck ukázal nedostatečnost oponentových představ o zákonech termodynamiky a odhalil další chyby, které vznikají v důsledku spoléhání se na princip ekonomie myšlení [169] .
V pozdějších letech se Planck opakovaně vyslovil proti pozitivismu , který považoval za velké nebezpečí pro vědu; znovu a znovu zdůrazňoval důležitost jednoty vědeckých myšlenek, nezávislé na místě, čase, kulturních vlivech a dalších subjektivních faktorech. Názory berlínského profesora kritizovali nejen „staří“ machisté Wilhelm Ostwald a Joseph Petzold ( německy Joseph Petzold ), ale i mladý Einstein, který byl pod velkým vlivem pozitivismu; kritici poukázali na to, že mezi Machem a Planckem je společného mnohem více, než by se mohlo zdát [170] . Planck byl obviněn z přílišné přísnosti ve svých útocích, které překračovaly hranice filozofické diskuse. Postupem času však Plancka podporovali takoví přední němečtí fyzici jako Sommerfeld, Einstein a Laue, kteří si všimli marnosti Máchova filozofického systému [171] . Účast ve sporu s Machem přinesla Planckovi slávu jako filozofa a vlastně mu otevřela nové pole působnosti. V tomto ohledu teolog a historik Adolf von Harnack napsal (1911):
Mnozí si stěžují, že naše generace nemá filozofa. To je nespravedlivé: filozofové nyní patří do jiných profesí. Jmenují se Max Planck a Albert Einstein.
Původní text (anglicky)[ zobrazitskrýt] Lidé si stěžují, že naše generace nemá žádného filozofa. Neprávem: nyní patří jiným fakultám. Jmenují se Max Planck a Albert Einstein. — Citát. Heilbron JL Dilemata vzpřímeného muže: Max Planck jako mluvčí německé vědy. - Berkeley: University of California Press, 1986. - S. 59-60.Počátkem 90. let 19. století, ovlivněn Machovými myšlenkami, založil Ostwald v Lipsku tzv. energetickou školu . „Energetici“ popírali existenci atomů a hlásali jedinou realitu energie. V roce 1891 Planck, který považoval samotný princip zachování energie za nedostatečný pro konstrukci veškeré mechaniky, vstoupil do korespondence s Ostwaldem o jeho knize The Doctrine of Energy. Brzy se rozpoutala ostrá veřejná diskuse, v níž se hlavním odpůrcem nové školy stal Ludwig Boltzmann , který kritizoval energetiku z hlediska atomismu . Planck, hovořící na straně Boltzmanna, se držel několika dalších stanovisek [Comm 9] a poukázal na nesprávný výklad některých termodynamických pojmů ze strany Ostwalda a jeho spolupracovníků a jejich nepochopení významu druhého termodynamického zákona [172] . Pokud jde o význam Planckova článku „Proti nové energii“ ( Gegen die neuere Energetik , 1896), Einstein napsal:
Je to [článek] mistrně napsaná krátká poznámka, která ukazuje, že energie jako heuristická metoda je bezcenná a dokonce že operuje s neudržitelnými pojmy. Pro každého vyznavače skutečně vědeckého myšlení je čtení tohoto čerstvě napsaného zápisku odměnou za mrzutost, kterou pociťoval při čtení děl, proti kterým se bojuje.
— Einstein A. Max Planck jako badatel // Einstein A. Sborník vědeckých prací. - M .: Nauka, 1967. - T. 4 . - S. 10 .Planckův zájem o náboženství byl do značné míry způsoben jeho původem: řada jeho příbuzných se zabývala teologií , on sám byl vychován v luteránském duchu a nikdy nepochyboval o hodnotě organizovaného náboženství. Je známo, že se u jídelního stolu modlil a od roku 1920 až do konce svého života sloužil jako presbyter ( Kirchenältester ) kongregace v Grunewaldu [173] . Planck opakovaně vystupoval proti spojení vědy s náboženstvím, chápaným ve smyslu zobecněné etiky. Kritizoval zesílené pokusy ve 20. letech 20. století vyloučit z vědy kauzalitu a zavést místo ní „svobodnou vůli“, odhalil spiritualismus , astrologii , teosofii a další trendy populární po první světové válce, varoval před nebezpečím pro vědu názorů autorů, jako např. Oswald Spengler a Rudolf Steiner . Planck přitom nevystupoval proti vědě a náboženství, ale považoval je za stejně nutné [174] . Velký věhlas si získala přednáška „Náboženství a přírodní věda“ ( Religion und Wissenschaft ), kterou Planck poprvé přečetl v květnu 1937 a následně několikrát vyšla . Tento projev byl z velké části reakcí na události v jeho zemi, na činy fašistického režimu; upoutal pozornost svým optimismem, svéráznou syntézou rozumu a víry [175] . V náboženství viděl vědec základ morálky a humanismu:
Náboženství a přírodní věda se navzájem nevylučují, jak si dnes někteří lidé myslí nebo se obávají, ale doplňují a podmiňují se... Neboť pokud znalosti a dovednosti nelze nahradit světonázorovým přesvědčením, nelze ani vypěstovat správný postoj. k morálním problémům na základě čistě racionálního poznání. Obě tyto cesty se však nerozcházejí, ale jdou paralelně a setkávají se v nekonečnu u stejného cíle.
— Plank M. Náboženství a přírodní věda // Otázky filosofie . - 1990. - č. 8 .Planck ve svých přednáškách nikdy nezmínil Kristovo jméno a považoval za nutné vyvrátit fámy o jeho konverzi na křesťanskou víru toho či onoho konkrétního směru (např. ke katolicismu ); zdůraznil, že ačkoli byl od mládí „náboženský“, nevěřil „v osobního boha, natož v křesťanského boha“ [176] . V tomto ohledu byla jeho víra podobná Einsteinovu náboženskému cítění. Lise Meitner o tom také napsala : „Planckova víra samozřejmě neměla formu žádného zvláštního náboženství; ale byl náboženský (ve smyslu Spinozy a Goetha ) a vždy to zdůrazňoval .
Socha Plancka na univerzitě v Berlíně
Busta Plancka v Magnushaus (Berlín)
Pamětní deska na zdi budovy univerzity (Berlín)
Pamětní deska v Grunewaldu
Dvě známky SRN s portrétem Plancka
5 známek NDR s portrétem Plancka
![]() | ||||
---|---|---|---|---|
Slovníky a encyklopedie | ||||
Genealogie a nekropole | ||||
|
Nositelé Nobelovy ceny za fyziku v letech 1901-1925 | |
---|---|
| |
|
ceny v roce 1918 | nositelé Nobelovy|
---|---|
Fyziologie nebo lékařství | Cena nebyla udělena |
Fyzika | Max Karl Ernst Ludwig Planck (Německo) |
Chemie | Fritz Gaber (Německo) |
Literatura | Cena nebyla udělena |
Svět | Cena nebyla udělena |
Lorenzovy medaile | Držitelé|
---|---|
|