Макс Планк: музыкант, физик, альпинист и семьянин
Макс Планк действительно не собирался потрясать основы наук. Изучать теоретическую физику он пошел лишь для того, чтобы «устранить некоторые неточности» и усвоить уже существующие знания. А мог бы стать музыкантом или филологом — выбор у юноши был, ведь он родился в германском городе Киле в семье, принадлежавшей древнему дворянскому роду. Его предки были теологами и юристами. Даже сделав выбор в пользу математики и физики, Макс продолжал музицировать на органе в церкви Мюнхенского университета. После его окончания он увлекся альпинизмом, и этот интерес остался у него до конца жизни.
Завершив учебу в университете, Планк посвятил себя науке. Спустя семь лет, будучи уже довольно известным физиком, он получил место в Университете Киля и женился на подруге детства, дочери банкира из Мюнхена Марии Мерк. Впоследствии у пары было четверо детей: двое сыновей и девочки-близнецы. Планк пережил всех. Мария умерла в 1909 году, сын Карл погиб в Первую мировую, дочери умерли родами, а сын Эрвин попал в застенки гестапо по подозрению в заговоре и был казнен нацистами в 1945 году. В это время Планку было уже 86 лет.
Овдовев, Планк женился повторно, выбрав в супруги племянницу покойной жены Маргариту фон Гесслин, которая родила ему сына Германа. Она высоко ценила мужа, который обожал детей, дом, устраивал в гостиной музыкальные вечера и приглашал соседей — профессоров Берлинского университета. Известно, что Планк был религиозен, но в Бога как в личность не верил. Умер в 1947 году, оставив после себя множество открытий, главным из которых стала постоянная Планка и кванты.
Изучение Планком задачи черного тела
В Берлинский университет Планка пригласили в 1889 году. Именно с «берлинским периодом» было связано его самое известное открытие.
Мысленный эксперимент по термодинамике, экспериментальным изучением которого Планк занялся в Берлине, проводили еще за 30 лет до него. Уже было известно, что каждое тело во Вселенной излучает энергию. В соответствии с условиями эксперимента, ученый должен был представить идеальное черное тело, на которое падает свет. Он полностью поглощается телом, которое выделяет в пространство тепловую энергию.
До Планка процессы излучения тепла уже пытались описывать. В 1896 году физик Вильгельм Вин вывел формулу, но оказалось, что она верна только для коротких волн. Еще один физик — Уильям Рэлей — вывел формулу, которая описывала длинноволновое излучение. А дальше физики встали в тупик. Формула Вина не работала для длинных волн, а формула Рэлея — на коротких. А согласно известным тогда законам, при уменьшении длины волны энергия излучения черного тела должна была резко возрастать и стремиться к бесконечности.
Но на практике такого не происходило. Планк решил вплотную заняться вопросом и объединить формулы Вина и Рэлея таким образом, чтобы полностью описать процесс. Для экспериментов он взял простейший прямолинейный резонатор (осциллятор). Обобщив связь между энтропией и энергией резонатора, он вывел формулу, описывающую зависимость излучаемой энергии от длины волны. В 1900 году Планк представил работу «Об улучшении закона Вина» на заседании Германского физического общества, где рассказал об открытии. После доклада ему стали поступать данные, что его формула действительно правильно описывает процессы, происходящие в экспериментах.
Макс Планк и его константа
Тогда Планк решил обосновать практику теорией. И через несколько месяцев, 14 декабря 1900 года, он рассказал о новой формуле, в которой появилась неведомая ранее константа h (ее-то и назовут постоянной Планка). Формула описывала зависимость энергии излучения и частоты волны через эту постоянную. В качестве объяснения процесса Планк предположил, что черное тело излучает энергию дискретно — квантами. Величина кванта энергии и его импульс связаны с частотой волны. Формула была проста и изящна:
Постоянная h была вычислена Планком очень точно. Последние исследования 2019 года показали, что она равна 6,62607015⋅10−34 кг·м2·с−1 (Дж·с). Ошибка Планка составила всего 1%. Как много позже скажет физик Макс фон Лауэ, этот день стал «часом рождения квантовой теории». А постоянная Планка стала маркером, определяющим границы классической физики и физики квантовой.
Планк и разрушение реальности
Впрочем, сам Планк, которому было 42 года, не особо зацикливался на своей теории, считая, что «квантование» — лишь математический прием, который помог описать то, что происходило во время экспериментов. А когда другие физики стали активно развивать квантовую теорию, расстраивался, что невольно разрушил стройность законов классической физики и подверг сомнению саму реальность физического мира, погрузив его как бы в иллюзию существования. Постоянную Планка даже стали называть «константой Бога». Потому что именно на ней оказалась завязана вся квантовая физика.
И действительно, после Планка плодиться начали не только константы, но и кванты. Спустя 16 лет появилась константа тонкой структуры. Она была равна e2/hc — заряду электрона в квадрате, который делили на скорость света в вакууме, помноженную на константу Планка. Затем был открыт спин — момент импульса элементарных частиц, имеющий и квантовую, и классическую природу, тоже связанный с константой Планка. Появилась константа Дирака, также связанная с константой Планка. Затем открыли кванты магнитного потока, а позже — кванты сопротивления. Да-да, того самого, которое измеряется в омах.
А еще было открыто реликтовое излучение, которое идет на Землю со всех сторон и полностью соответствует излучению того самого теоретического «черного тела». Основы Вселенной действительно пошатнулись, зато появилось множество вопросов о ее происхождении. Но главный из них остается неразгаданным: что было прежде Большого взрыва? Ответа на этот вопрос до сих пор нет.
Майя Новик
