Hver var Max Planck og hvert var framlag hans til vísindanna?

Þýski eðlisfræðingurinn Max Karl Ernst Ludwig Planck (f. 1858 í Kiel, d. 1947 í Göttingen) er af flestum talinn faðir skammtafræðinnar. Árið 1900 setti hann fram tilgátu til að skýra hvernig dreifing rafsegulgeislunar frá heitum hlut á mismunandi bylgjulengdir er háð hitastigi hlutarins. Tilgátan fól í sér að orkuskipti milli efnis og geislunar geti aðeins átt sér stað í skömmtum, þar sem hver orkuskammtur er heilt margfeldi af tíðni geislunarinnar og náttúrufasta sem nefndur er fasti Plancks. Þessi hugmynd átti eftir að valda byltingu því hún varð kveikjan að skammtafræðinni sem þróaðist á næstu þremur áratugum og er helsta undirstaða nútímaeðlisfræði ásamt afstæðiskenningu Alberts Einstein. Planck hlaut Nóbelsverðlaun ársins 1918 fyrir geislunarlögmál sitt.

Mynd af Max Planck frá árinu 1918.

Planck nam eðilsfræði við háskólann í München frá 1874 og lauk þar doktorsprófi árið 1879. Um eins árs skeið, 1877/78, dvaldist hann í Berlín og sótti fyrirlestra hjá eðlisfræðingunum Gustaf Kirchhoff (1824-1887) og Hermann von Helmholtz (1821-1894) og stærðfræðingnum Karl Weierstrass (1815-1897).

Í Berlín kynntist Planck ritum Rudolfs Clausius (1822-1888) um lögmál varmafræðinnar og var sú fræðigrein hans helsta viðfangsefni um langa hríð. Clausius, og einnig William Thompson (síðar Kelvin lávarður, 1824-1907), settu á sjötta áratug aldarinnar fram annað lögmál varmafræðinnar (hið fyrsta fjallar um varðveislu orkunnar), en afleiðing þess er meðal annars að varmaorku er aldrei hægt að nýta fullkomlega til að afkasta vinnu. Clausius skilgreindi einnig árið 1860 eitt helsta lykilhugtak varmafræðinnar, ‘óreiðu’, og setti fyrsta og annað lögmálið fram á eftirfarandi hátt: „orka veraldarinnar breytist ekki en óreiðan stefnir að hámarki.“ Bæði doktorsritgerð Plancks og doktorsritgerð hin meiri, sem hann lauk 22 ára að aldri árið 1880 og veitti honum kennsluréttindi við háskóla, fjölluðu um viðfangsefni úr varmafræði en annað lögmálið var honum alla tíð mjög hugleikið.

Planck kenndi án launa við háskólann í München 1880-1885, en var 1885 ráðinn sem prófessor við háskólann í Kiel. Árið 1889 varð hann eftirmaður Kirchhoffs við háskólann í Berlín. Hróður Plancks sem vísindamanns og kennara fór vaxandi og hann var kjörinn félagi í prússnesku vísindaakademíunni árið 1894.

Eftir að hafa einkum stundað rannsóknir á undirstöðum og margvíslegum hagnýtingum varmafræði á annan áratug beindist athygli Plancks árið 1894 að spurningu sem Kirchhoff hafði varpað fram árið 1859: Hvernig breytist litróf geislunar frá heitum hlut þegar hitastig hlutarins breytist? Þessar breytingar var hægt að mæla og Wilhelm Wien (1864-1928) setti 1896 fram formúlu sem lýsti niðurstöðunum vel fyrir stuttar bylgjulengdir. Fræðilega skýringu á þessu lögmáli skorti hins vegar. Planck nálgaðist þetta verkefni frá sjónarhóli varmafræðinnar þar sem hann giskaði á hvernig óreiðu hreintóna sveifla í efninu sem víxlverkaði við geislunina væri háð orku þeirra. Með þessu móti leiddi hann 1899 út formúlu Wiens, en hún inniheldur tvo fasta. Annar þeirra samsvarar fasta Boltzmanns, sem tengir saman hitastig og orku, en hinn fasta Plancks. Í þessari fyrstu útleiðslu var merking síðarnefnda fastans þó engan veginn ljós og Planck sjálfur tengdi hann ekki við orkuskömmtun.

Árið 1900 sýndu nákvæmar mælingar að formúla Wiens gildir ekki fyrir langar bylgjulengdir. Í október það ár gerði Planck endurbót á fyrri útleiðslu sinni og niðurstaðan varð geislunarlögmálið í endanlegri mynd sem kom einnig mjög vel heim og saman við mælingar. Enn sem fyrr studdist þessi útleiðsla Plancks eingöngu við tilgátu um óreiðu hreintóna sveifla, en mánuði síðar rökstuddi hann þessa tilgátu með því að beita safneðlisfræði Boltzmanns á sveiflur þar sem orkuskiptin eru skömmtuð þannig að orkan getur aðeins verið heilt margfeldi af fasta og tíðninni. Þetta skref var afar mikilvægt og með því tók Planck hugmyndir Boltzmanns um smásæja gerð efnisins og tengsl atóma sameinda við óreiðu í sátt, en hann hafði fram að því fremur talað máli andstæðinga slíkra hugmynda.

Næsta mikilvæga skrefið í þróun skammtafræðinnar var tekið 1905 af Albert Einstein sem notaði skammtahugmynd Plancks til að útskýra hvernig ljós getur komið af stað rafstraumi í málmum. Jafnframt setti hann fram hugmyndina um ljóseindir sem hafa orku jafna margfeldis Planck-fastans og tíðninnar. Það var fyrir þessa uppgötvun sem Einstein hlaut Nóbelsverðlaunin 1921 en ekki fyrir afstæðiskenninguna sem var annað af afrekum hans árið 1905. Planck var strax ljóst mikilvægi afstæðiskenningarinnar og vann ötullega að því að kynna hana og höfund hennar, sem þá var óþekktur. Hann hafnaði hins vegar lengi kenningunni um ljóseindir sem honum fannst afturhvarf til hugmynda Newtons sem höfðu á sínum tíma lotið í lægra haldi fyrir bylgjukenningunni um ljós.

Einstein beitti skammtahugmyndinni aftur árið 1907 til að útskýra hvers vegna eðlisvarmi fastra efna verður hverfandi lítill við lágt hitastig, og eftir að Niels Bohr hafði árið 1913 grundvallað atómlíkan sitt á fasta Plancks var orðið fullljóst hvílíkri byltingu hugmynd Plancks hafði hrundið af stað. Skammtafræðin var síðan fullsköpuð á árunum 1925-27 og komu þar mest við sögu Werner Heisenberg (1901-1976), Erwin Schrödinger (1887-1961), Paul Dirac (1902-1984), Max Born (1882-1970), og Pascual Jordan (1902-1980). Planck tók sjálfur ekki beinan þátt í þessari lokagerð skammtafræðinnar en var í nánu bréfasambandi við Schrödinger og tók hugmyndir hans um bylgjuaflfræði fram yfir hina sértækari fylkjaaflfræði Heisenbergs. Eins og brátt kom í ljós eru þessar tvær útgáfur skammtafræðinnar hins vegar stærðfræðilega jafngildar. Líkt og Einstein átti Planck erfitt með að sætta sig við það endurmat á ýmsum grunnhugtökum eðlisfræðinnar sem fylgdi skammtafræðinni og þá staðreynd að yfirleitt getur hún ekki sagt fyrir um atburðarásir með fullkominni vissu heldur aðeins líkindum. Planck var í eðli sínu íhaldssamur og tortryggði órökstuddar getgátur og byltingarkenndar hugmyndir þrátt fyrir að hafa hrundið af stað helstu byltingu eðlisfræðinnar á tuttugustu öld.

Max Planck lét af störfum sem prófessor við háskólann í Berlín fyrir aldurs sakir árið 1926 og varð Erwin Schrödinger eftirmaður hans. Hann hafði mikil áhrif á vísindaiðkun í Þýskalandi á sinni tíð, ekki síst sem aðalritari og síðar forseti Kaiser-Wilhelm Gesellschaft til styrktar vísindunum í áratugi allt frá 1912 til 1936. Þetta félag var endurvakið eftir seinni heimsstyrjöldina árið 1948, ári eftir andlát Plancks, og heitir síðan Max-Planck Gesellschaft. Það rekur nú fjölda stofnana í ýmsum greinum vísinda.

Frekara lesefni:

Heilbronn, J.L., Dilemmas of an Upright Man: Max Planck and the Fortunes of German Science, Cambridge, Ma: Harvard Press, 2000.
Fischer, Ernst Peter, Der Physiker: Max Planck und das Zerfallen der Welt, München: Siedler, 2007.

Mynd: