Stelt u zich eens voor dat uw naam voor altijd verbonden zou zijn aan een baanbrekende wetenschappelijke theorie. Stel u ook eens voor dat uw naam zelfs zou worden verbonden aan een reeks eenheden, ontworpen om metingen te verrichten voor complexe vergelijkingen. Stel je nu eens voor dat je een Duitser was die twee wereldoorlogen heeft meegemaakt, de Nobelprijs voor natuurkunde heeft gewonnen, en veel van je kinderen heeft overleefd.

Als je dat allemaal kunt, dan weet je misschien hoe het was om Max Planck te zijn, de Duitse natuurkundige en grondlegger van de kwantumtheorie. Net als Galileo, Newton en Einstein wordt Max Planck beschouwd als een van de meest invloedrijke en baanbrekende wetenschappers van zijn tijd, een man wiens ontdekkingen hebben bijgedragen tot een revolutie in de natuurkunde. Ironisch, als je bedenkt dat hem, toen hij aan zijn carrière begon, werd verteld dat er niets nieuws te ontdekken viel!

Vroeg leven en opleiding:

Geboren in 1858 in Kiel, Duitsland, was Planck een kind van intellectuelen: zijn grootvader en overgrootvader waren beiden theologieprofessor, zijn vader professor in de rechten en zijn oom was rechter. In 1867 verhuisde zijn familie naar München, waar Planck zich inschreef aan de Maximilians gymnasium school. Al op jonge leeftijd toonde Planck aanleg voor wiskunde, astronomie, mechanica en muziek.

Hij studeerde vroeg af, op 17-jarige leeftijd, en ging theoretische natuurkunde studeren aan de universiteit van München. In 1877 ging hij naar de Friedrich Wilhelms Universiteit in Berlijn om te studeren bij de natuurkundige Hermann von Helmholtz. Helmholtz had een grote invloed op Planck, met wie hij goed bevriend raakte, en uiteindelijk besloot Planck de thermodynamica als zijn onderzoeksgebied te kiezen.

In oktober 1878 slaagde hij voor zijn toelatingsexamen en in februari 1879 verdedigde hij zijn proefschrift – getiteld “Over de tweede wet van de thermodynamica”. In dit werk deed hij de volgende uitspraak, waarvan de moderne Tweede Hoofdwet van de Thermodynamica wordt verondersteld te zijn afgeleid: “Het is onmogelijk een motor te construeren die in een volledige cyclus werkt en geen ander effect heeft dan het optillen van een gewicht en het afkoelen van een warmtereservoir.”

Planck zwoegde een tijdlang in de relatieve anonimiteit vanwege zijn werk met entropie (dat als een dood gebied werd beschouwd). Toch deed hij in die tijd een aantal belangrijke ontdekkingen die hem in staat stelden zijn reputatie te vergroten en aanhang te verwerven. Zo bevatte zijn Verhandeling over de thermodynamica, die in 1897 werd gepubliceerd, de kiemen van ideeën die later zeer invloedrijk zouden worden – zoals de straling van het zwarte lichaam en speciale evenwichtstoestanden.

Met de voltooiing van zijn proefschrift werd Planck onbezoldigd privaatdocent aan de Freidrich Wilhelms Universiteit in München en werd hij lid van de plaatselijke Natuurkundige Vereniging. Hoewel de academische gemeenschap niet veel aandacht aan hem besteedde, zette hij zijn werk aan de warmtetheorie voort en ontdekte onafhankelijk dezelfde theorie van thermodynamica en entropie als Josiah Willard Gibbs – de Amerikaanse natuurkundige aan wie de ontdekking wordt toegeschreven.

In 1885 benoemde de universiteit van Kiel Planck tot universitair hoofddocent in de theoretische natuurkunde, waar hij zijn studies in de fysische scheikunde en warmtesystemen voortzette. In 1889 keerde hij terug naar de Freidrich Wilhelms Universiteit in Berlijn, waar hij in 1892 gewoon hoogleraar werd. Hij zou in Berlijn blijven tot zijn pensionering in januari 1926, toen hij werd opgevolgd door Erwin Schrödinger.

Zwarte-lichaamsstraling:

Het was in 1894, toen hij in opdracht van de elektriciteitsbedrijven betere gloeilampen moest ontwikkelen, dat Planck begon te werken aan het probleem van de zwarte-lichaamsstraling. Natuurkundigen hadden al moeite om te verklaren hoe de intensiteit van de elektromagnetische straling die door een perfect absorberend lichaam (d.w.z. een zwart lichaam) werd uitgezonden, afhing van de lichaamstemperatuur en de frequentie van de straling (d.w.z. de kleur van het licht).

Na verloop van tijd loste hij dit probleem op door te suggereren dat elektromagnetische energie niet in een constante vorm stroomde, maar veeleer in discrete pakketjes, d.w.z. quanta. Dit werd bekend als het Planck-postulaat, dat wiskundig kan worden uitgedrukt als E = hv – waarbij E energie is, v de frequentie, en h de constante van Planck. Deze theorie, die niet strookte met de klassieke Newtoniaanse mechanica, hielp een revolutie in de wetenschap te ontketenen.

Een zeer conservatieve wetenschapper die wantrouwig stond tegenover de implicaties die zijn theorie met zich meebracht, gaf Planck te kennen dat hij slechts met tegenzin tot zijn ontdekking was gekomen en hoopte dat zijn ongelijk zou worden bewezen. De ontdekking van de constante van Planck zou echter een revolutionaire impact blijken te hebben, waardoor wetenschappers braken met de klassieke natuurkunde, en wat leidde tot het ontstaan van de Planck-eenheden (lengte, tijd, massa, enz.).

Kwantummechanica:

Tegen de eeuwwisseling deed een andere invloedrijke wetenschapper, Albert Einstein, verschillende ontdekkingen die zouden bewijzen dat de kwantumtheorie van Planck juist was. De eerste was zijn theorie van fotonen (als onderdeel van zijn Speciale Relativiteitstheorie) die in tegenspraak was met de klassieke natuurkunde en de theorie van de elektrodynamica die stelde dat licht een golf was die een medium nodig had om zich voort te planten.

De tweede was Einstein’s studie van het afwijkende gedrag van bepaalde lichamen bij verhitting bij lage temperaturen, nog een voorbeeld van een fenomeen dat in tegenspraak was met de klassieke natuurkunde. Hoewel Planck een van de eersten was die de betekenis van Einsteins speciale relativiteit onderkende, verwierp hij aanvankelijk het idee dat licht kon bestaan uit discrete kwanta van materie (in dit geval fotonen).

Hoch, in 1911 organiseerden Planck en Walther Nernst (een collega van Planck) een conferentie in Brussel die bekend stond als de Eerste Solvav Conferentie, en het onderwerp daarvan was de theorie van straling en kwanta. Einstein woonde de conferentie bij en wist Planck in de loop van de conferentie te overtuigen van zijn theorieën over specifieke lichamen. De twee werden vrienden en collega’s; en in 1914 creëerde Planck een hoogleraarschap voor Einstein aan de Universiteit van Berlijn.

In de jaren twintig was een nieuwe theorie van de kwantummechanica ontstaan, die bekend stond als de “interpretatie van Kopenhagen”. Deze theorie, die grotendeels was bedacht door de Duitse natuurkundigen Neils Bohr en Werner Heisenberg, stelde dat de kwantummechanica alleen waarschijnlijkheden kan voorspellen; en dat fysische systemen in het algemeen geen vaststaande eigenschappen hebben voordat ze worden gemeten.

Dit werd echter verworpen door Planck, die vond dat de golfmechanica de kwantumtheorie al snel overbodig zou maken. Hij kreeg bijval van zijn collega’s Erwin Schrodinger, Max von Laue, en Einstein – die allen de klassieke mechanica wilden redden van de “chaos” van de kwantumtheorie. De tijd zou echter uitwijzen dat beide interpretaties correct waren (en wiskundig gelijkwaardig), waardoor theorieën over de dualiteit tussen deeltjes en golven ontstonden.

De Eerste en Tweede Wereldoorlog:

In 1914 sloot Planck zich aan bij de nationalistische vurigheid die Duitsland in zijn greep had. Hoewel hij geen extreem nationalist was, ondertekende hij het nu beruchte “Manifest van de Drieënnegentig”, een manifest dat de oorlog steunde en de deelname van Duitsland rechtvaardigde. In 1915 herriep Planck echter delen van het manifest, en in 1916 werd hij een uitgesproken tegenstander van de annexatie van andere gebieden door Duitsland.

Na de oorlog werd Planck beschouwd als de Duitse autoriteit op het gebied van de fysica: hij was decaan van de Berlijnse universiteit, lid van de Pruisische Academie van Wetenschappen en het Duits Natuurkundig Genootschap, en voorzitter van het Kaiser Wilhelm Genootschap (KWS, nu het Max Planck Genootschap). Tijdens de turbulente jaren van de jaren twintig gebruikte Planck zijn positie om fondsen te werven voor wetenschappelijk onderzoek, waaraan vaak een tekort was.

De machtsovername door de nazi’s in 1933 leidde tot enorme ontberingen, waarvan Planck in sommige gevallen persoonlijk getuige was. Zo werden veel van zijn joodse vrienden en collega’s uit hun functie gezet en vernederd, en vond er een grote uittocht plaats van Duitse wetenschappers en academici.

Planck probeerde in deze jaren vol te houden en buiten de politiek te blijven, maar werd gedwongen in te grijpen om collega’s te verdedigen wanneer deze werden bedreigd. In 1936 legde hij zijn functie als hoofd van de KWS neer vanwege zijn voortdurende steun aan Joodse collega’s in het Genootschap. In 1938 trad hij af als president van de Pruisische Academie van Wetenschappen omdat de nazi-partij de controle overnam.

Ondanks deze gebeurtenissen en de ontberingen die de oorlog en de geallieerde bombardementen met zich meebrachten, bleven Planck en zijn gezin in Duitsland. In 1945 werd Planck’s zoon Erwin gearresteerd wegens de moordpoging op Hitler in het complot van 20 juli, waarvoor hij door de Gestapo werd geëxecuteerd. Door deze gebeurtenis raakte Planck in een depressie waarvan hij niet voor zijn dood herstelde.

Overlijden en nalatenschap:

Planck overleed op 4 oktober 1947 in Gottingen, Duitsland op 89-jarige leeftijd. Hij werd overleefd door zijn tweede vrouw, Marga von Hoesslin, en zijn jongste zoon Hermann. Hoewel hij in zijn latere jaren gedwongen was zijn belangrijkste functies neer te leggen, en de laatste jaren van zijn leven achtervolgd werden door de dood van zijn oudste zoon, liet Planck een opmerkelijke erfenis na.

Als erkenning voor zijn fundamentele bijdrage aan een nieuwe tak van de natuurkunde werd hem in 1918 de Nobelprijs voor de Natuurkunde toegekend. Hij werd ook verkozen tot buitenlands lid van de Royal Society in 1926 en kreeg de Copley Medal van de Society in 1928. In 1909 werd hij uitgenodigd om Ernest Kempton Adams Lecturer in Theoretical Physics te worden aan de Columbia University in New York City.

Hij werd ook zeer gerespecteerd door zijn collega’s en tijdgenoten en onderscheidde zich door een integraal onderdeel te zijn van de drie wetenschappelijke organisaties die de Duitse wetenschappen domineerden – de Pruisische Academie van Wetenschappen, het Kaiser Wilhelm Genootschap en het Duitse Natuurkundig Genootschap. Het Duitse Natuurkundig Genootschap creëerde ook de Max Planck Medaille, waarvan de eerste in 1929 werd uitgereikt aan zowel Planck als Einstein.

Het Max Planck Genootschap werd ook opgericht in de stad Gottingen in 1948 om zijn leven en zijn prestaties te eren. Deze vereniging groeide in de daaropvolgende decennia en absorbeerde uiteindelijk de Kaiser Wilhelm Society en al haar instellingen. Vandaag de dag wordt de vereniging erkend als toonaangevend op het gebied van wetenschappelijk en technologisch onderzoek en als de belangrijkste onderzoeksorganisatie in Europa, met 33 Nobelprijzen voor haar wetenschappers.

In 2009 heeft het Europees Ruimteagentschap (ESA) het Planck-ruimteschip ingezet, een ruimteobservatorium dat de achtergrond van de kosmische microgolf (CMB) op microgolf- en infrarode frequenties in kaart heeft gebracht. Tussen 2009 en 2013 heeft het de meest nauwkeurige metingen tot nu toe opgeleverd over de gemiddelde dichtheid van gewone materie en donkere materie in het heelal, en heeft het bijgedragen aan het oplossen van verschillende vragen over het vroege heelal en de kosmische evolutie.

Planck zal voor altijd herinnerd worden als een van de meest invloedrijke wetenschappers van de 20e eeuw. Samen met mannen als Einstein, Schrödinger, Bohr en Heisenberg (van wie de meesten zijn vrienden en collega’s waren) heeft hij onze opvattingen over de fysica en de aard van het heelal helpen herdefiniëren.

We hebben veel artikelen over Max Planck geschreven voor Universe Today. Hier is Wat is Planck Time?, Planck’s First Light?, All-Sky Stunner van Planck, Wat is Schrodinger’s Cat?, Wat is het Double Slit Experiment? en hier is een lijst met verhalen over het ruimteschip dat zijn naam draagt.

Als je meer informatie over Max Planck wilt, bekijk dan Max Planck’s biografie uit Science World en Space and Motion.

We hebben ook een hele aflevering van Astronomy Cast opgenomen die helemaal over Max Planck gaat. Luister hier, Aflevering 218: Max Planck.