Wyobraź sobie, jeśli chcesz, że twoje nazwisko będzie na zawsze związane z przełomową teorią naukową. Wyobraź sobie również, że twoje nazwisko byłoby nawet dołączone do serii jednostek, zaprojektowanych do wykonywania pomiarów dla złożonych równań. A teraz wyobraź sobie, że jesteś Niemcem, który przeżył dwie wojny światowe, zdobył Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki i przeżył wiele swoich dzieci.

Jeśli jesteś w stanie zrobić to wszystko, to możesz wiedzieć, jak to jest być Maxem Planckiem, niemieckim fizykiem i twórcą teorii kwantowej. Podobnie jak Galileusz, Newton i Einstein, Max Planck jest uważany za jednego z najbardziej wpływowych i przełomowych naukowców swoich czasów, człowieka, którego odkrycia pomogły zrewolucjonizować dziedzinę fizyki. Ironia losu, zważywszy, że gdy rozpoczynał swoją karierę, powiedziano mu, że nie ma nic nowego do odkrycia!

Wczesne życie i edukacja:

Urodzony w 1858 roku w Kilonii, w Niemczech, Planck był dzieckiem intelektualistów, jego dziadek i pradziadek byli profesorami teologii, ojciec profesorem prawa, a wuj sędzią. W 1867 r. jego rodzina przeniosła się do Monachium, gdzie Planck zapisał się do gimnazjum Maximilians. Od najmłodszych lat przejawiał zdolności do matematyki, astronomii, mechaniki i muzyki.

Wcześnie ukończył studia, w wieku 17 lat, i podjął studia w zakresie fizyki teoretycznej na Uniwersytecie w Monachium. W 1877 r. udał się na Uniwersytet Friedricha Wilhelma w Berlinie, aby studiować u fizyka Hermanna von Helmholtza. Helmholtz wywarł głęboki wpływ na Plancka, z którym się zaprzyjaźnił, i ostatecznie Planck zdecydował się przyjąć termodynamikę jako dziedzinę swoich badań.

W październiku 1878 r. zdał egzaminy kwalifikacyjne, a w lutym 1879 r. obronił pracę doktorską zatytułowaną „O drugim prawie termodynamiki”. W pracy tej zawarł następujące stwierdzenie, z którego, jak się uważa, wywodzi się współczesne drugie prawo termodynamiki: „Niemożliwe jest skonstruowanie silnika, który pracowałby w pełnym cyklu i nie wytwarzałby żadnego efektu poza podnoszeniem ciężaru i chłodzeniem zbiornika ciepła.”

Przez pewien czas Planck trudził się we względnej anonimowości z powodu swojej pracy nad entropią (która była uważana za martwą dziedzinę). W tym czasie dokonał jednak kilku ważnych odkryć, które pozwoliły mu zwiększyć swoją reputację i zyskać zwolenników. Na przykład jego Traktat o termodynamice, opublikowany w 1897 r., zawierał zalążki idei, które później stały się bardzo wpływowe – np. promieniowanie ciała doskonale czarnego i szczególne stany równowagi.

Po ukończeniu pracy magisterskiej Planck został bezpłatnym prywatnym wykładowcą na Uniwersytecie Freidricha Wilhelma w Monachium i wstąpił do tamtejszego Towarzystwa Fizycznego. Mimo że społeczność akademicka nie poświęcała mu zbyt wiele uwagi, kontynuował pracę nad teorią ciepła i doszedł do niezależnego odkrycia tej samej teorii termodynamiki i entropii, co Josiah Willard Gibbs – amerykański fizyk, któremu przypisuje się to odkrycie.

W 1885 roku Uniwersytet w Kilonii mianował Plancka profesorem nadzwyczajnym fizyki teoretycznej, gdzie kontynuował studia w zakresie chemii fizycznej i systemów cieplnych. W 1889 r. powrócił na Uniwersytet Freidricha Wilhelma w Berlinie, gdzie w 1892 r. został profesorem zwyczajnym. Pozostał w Berlinie aż do przejścia na emeryturę w styczniu 1926 roku, kiedy to zastąpił go Erwin Schrodinger.

Promieniowanie ciała czarnego:

W 1894 roku, kiedy otrzymał zlecenie od firm elektrycznych na opracowanie lepszych żarówek, Planck rozpoczął pracę nad problemem promieniowania ciała czarnego. Fizycy już wtedy mieli trudności z wyjaśnieniem, w jaki sposób intensywność promieniowania elektromagnetycznego emitowanego przez doskonały absorber (tj. ciało czarne) zależała od temperatury ciała i częstotliwości promieniowania (tj. koloru światła).

Z czasem rozwiązał ten problem, sugerując, że energia elektromagnetyczna nie płynie w stałej postaci, ale raczej w dyskretnych pakietach, tj. kwantach. Stało się to znane jako postulat Plancka, który matematycznie można zapisać jako E = hv – gdzie E to energia, v to częstotliwość, a h to stała Plancka. Teoria ta, która nie była zgodna z klasyczną mechaniką newtonowską, przyczyniła się do rewolucji w nauce.

Głęboko konserwatywny naukowiec, który był podejrzliwy wobec implikacji, jakie niosła ze sobą jego teoria, Planck zaznaczył, że doszedł do swojego odkrycia niechętnie i miał nadzieję, że zostanie mu udowodnione, że się myli. Jednak odkrycie stałej Plancka miało rewolucyjny wpływ, powodując zerwanie z fizyką klasyczną i doprowadzając do powstania jednostek Plancka (długość, czas, masa, itp.).

Mechanika kwantowa:

Na przełomie wieków inny wpływowy naukowiec o nazwisku Albert Einstein dokonał kilku odkryć, które potwierdziły słuszność teorii kwantowej Plancka. Pierwszym z nich była jego teoria fotonów (jako część Szczególnej Teorii Względności), która zaprzeczała fizyce klasycznej i teorii elektrodynamiki, według której światło było falą potrzebującą medium do rozchodzenia się. Drugim było badanie przez Einsteina anomalnego zachowania określonych ciał podczas ogrzewania w niskich temperaturach, kolejny przykład zjawiska, które zaprzeczało fizyce klasycznej. Choć Planck był jednym z pierwszych, którzy dostrzegli znaczenie szczególnej względności Einsteina, początkowo odrzucał pomysł, że światło może składać się z dyskretnych kwantów materii (w tym przypadku fotonów).

Jednakże w 1911 roku Planck i Walther Nernst (kolega Plancka) zorganizowali w Brukseli konferencję znaną jako Pierwsza Konferencja Solvav, której tematem była teoria promieniowania i kwantów. Einstein wziął w niej udział i w trakcie obrad zdołał przekonać Plancka do swoich teorii dotyczących ciał szczególnych. Obaj zostali przyjaciółmi i współpracownikami, a w 1914 roku Planck stworzył dla Einsteina profesurę na Uniwersytecie Berlińskim.

W latach dwudziestych pojawiła się nowa teoria mechaniki kwantowej, znana jako „interpretacja kopenhaska”. Teoria ta, opracowana w dużej mierze przez niemieckich fizyków Neilsa Bohra i Wernera Heisenberga, głosiła, że mechanika kwantowa może jedynie przewidywać prawdopodobieństwa i że ogólnie rzecz biorąc, układy fizyczne nie mają określonych właściwości przed ich zmierzeniem.

Zostało to jednak odrzucone przez Plancka, który uważał, że mechanika falowa wkrótce sprawi, że teoria kwantowa stanie się niepotrzebna. Dołączyli do niego jego koledzy Erwin Schrodinger, Max von Laue i Einstein – wszyscy oni chcieli ocalić mechanikę klasyczną przed „chaosem” teorii kwantowej. Jednak czas pokazał, że obie interpretacje były poprawne (i matematycznie równoważne), dając początek teorii dualizmu cząstka-fala.

I wojna światowa i II wojna światowa:

W 1914 roku Planck przyłączył się do nacjonalistycznego zapału, który ogarnął Niemcy. Nie będąc skrajnym nacjonalistą, był sygnatariuszem słynnego „Manifestu dziewięćdziesięciu trzech”, manifestu, który popierał wojnę i uzasadniał udział Niemiec w niej. Jednak do 1915 r. Planck odwołał część manifestu, a w 1916 r. stał się zdecydowanym przeciwnikiem aneksji innych terytoriów przez Niemcy.

Po wojnie Planck był uważany za niemiecki autorytet w dziedzinie fizyki, był dziekanem Uniwersytetu Berlińskiego, członkiem Pruskiej Akademii Nauk i Niemieckiego Towarzystwa Fizycznego oraz prezesem Kaiser Wilhelm Society (KWS, obecnie Towarzystwo im. Maxa Plancka). W burzliwych latach dwudziestych Planck wykorzystywał swoją pozycję do zdobywania funduszy na badania naukowe, których często brakowało.

Przejęcie władzy przez nazistów w 1933 r. spowodowało ogromne trudności, których Planck był osobistym świadkiem. Obejmowało to wielu jego żydowskich przyjaciół i kolegów, którzy zostali usunięci ze swoich stanowisk i upokorzeni, a także wielki exodus niemieckich naukowców i nauczycieli akademickich.

Planck starał się wytrwać w tych latach i pozostać poza polityką, ale w razie zagrożenia był zmuszony wystąpić w obronie kolegów. W 1936 r. zrezygnował z funkcji szefa KWS z powodu ciągłego wspierania żydowskich kolegów w Towarzystwie. W 1938 r. zrezygnował z funkcji prezesa Pruskiej Akademii Nauk z powodu przejęcia nad nią kontroli przez partię nazistowską.

Mimo tych wydarzeń i trudności, jakie przyniosła wojna i kampania bombowa aliantów, Planck i jego rodzina pozostali w Niemczech. W 1945 r. syn Plancka Erwin został aresztowany w związku z próbą zamachu na Hitlera w spisku z 20 lipca, za co został stracony przez gestapo. To wydarzenie spowodowało, że Planck popadł w depresję, z której nie otrząsnął się przed śmiercią.

Śmierć i spuścizna:

Planck zmarł 4 października 1947 roku w Gottingen, w Niemczech, w wieku 89 lat. Przeżyła go jego druga żona, Marga von Hoesslin, oraz najmłodszy syn Hermann. Choć w późniejszych latach zmuszony był zrezygnować z kluczowych stanowisk, a ostatnie lata życia prześladowała go śmierć najstarszego syna, Planck pozostawił po sobie niezwykłą spuściznę.

W uznaniu za fundamentalny wkład w rozwój nowej gałęzi fizyki otrzymał w 1918 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. W 1926 roku został wybrany na członka zagranicznego Royal Society, a w 1928 roku otrzymał Copley Medal tego stowarzyszenia. W 1909 roku został zaproszony do objęcia stanowiska Ernest Kempton Adams Lecturer in Theoretical Physics na Columbia University w Nowym Jorku.

Był również bardzo szanowany przez swoich kolegów i współczesnych i wyróżniał się będąc integralną częścią trzech organizacji naukowych, które zdominowały nauki niemieckie – Pruskiej Akademii Nauk, Towarzystwa Cesarza Wilhelma i Niemieckiego Towarzystwa Fizycznego. Niemieckie Towarzystwo Fizyczne stworzyło również Medal Maxa Plancka, z których pierwszy został przyznany w 1929 r. zarówno Planckowi, jak i Einsteinowi.

W 1948 r. w Getyndze powstało Towarzystwo Maxa Plancka, aby uhonorować jego życie i osiągnięcia. Towarzystwo to rozrastało się w kolejnych dekadach, ostatecznie wchłaniając Kaiser Wilhelm Society i wszystkie jego instytucje. Dziś Towarzystwo jest uznawane za lidera w dziedzinie badań naukowych i technologicznych oraz najważniejszą organizację badawczą w Europie, z 33 Nagrodami Nobla przyznanymi naukowcom.

W 2009 roku Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) rozmieściła sondę Planck, obserwatorium kosmiczne, które mapuje kosmiczne mikrofalowe tło (CMB) na częstotliwościach mikrofalowych i podczerwonych. W latach 2009-2013 dostarczyła ona najdokładniejszych jak dotąd pomiarów średniej gęstości zwykłej i ciemnej materii we Wszechświecie oraz pomogła rozwiązać kilka kwestii dotyczących wczesnego Wszechświata i ewolucji kosmosu.

Planck na zawsze pozostanie w pamięci jako jeden z najbardziej wpływowych naukowców XX wieku. Obok takich ludzi jak Einstein, Schrodinger, Bohr i Heisenberg (z których większość była jego przyjaciółmi i współpracownikami), pomógł na nowo zdefiniować nasze pojęcie fizyki i naturę Wszechświata.

Napisaliśmy wiele artykułów o Maxie Plancku dla Universe Today. Oto Co to jest czas Plancka?, Pierwsze światło Plancka?, Oszołomienie całego nieba przez Plancka, Co to jest Kot Schrodingera?, Co to jest Eksperyment Podwójnej Szczeliny? a tutaj jest lista historii o statku kosmicznym, który nosi jego imię.

Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o Maxie Plancku, sprawdź biografię Maxa Plancka w Science World i Space and Motion.

Nagraliśmy również cały odcinek Astronomy Cast poświęcony Maxowi Planckowi. Posłuchaj tutaj, Odcinek 218: Max Planck.