Хронограф
18152229
29162330
310172431
4111825
5121926
6132027
7142128

<декабрь>

Путеводители

Квантовая кузница постмодерна

Вопреки надеждам Макса Планка введенная им переменная h оказалось постоянной

В жизни Макса Планка было мало внешне примечательных событий. Она практически не отличалась от жизни сотен других немецких профессоров начала ХХ века, не оставивших почти никакого следа в истории. Фото: George Grantham Bain Collection из архива библиотеки Конгресса США

В ХХ веке имя немецкого физика-теоретика Макса Планка (Max Karl Ernst Ludwig Planck, 1858–1947) достигло, по-видимому, всех мыслимых вершин известности. В 1919 году Максу Планку была присуждена Нобелевская премия по физике, «в знак признания его заслуг в деле развития физики благодаря открытию квантов энергии». Теоретические исследования 1896–1900 годов, приведшие Планка к открытию квантов (термин «квант» в физику также был введен им), стали толчком к созданию одного из важнейших разделов современного естествознания — квантовой физики. Именем Планка названа введенная им фундаментальная физическая константа h — «постоянная Планка», связавшая макро- и микромиры и входящая в ряд уравнений и законов в различных разделах физики. Элементарные представления о планковских квантах энергии включены в современные программы школьной физики, а о постоянной Планка сочиняют анекдоты.

Весь ХХ век, можно сказать, прошел под знаком развития квантовой механики и квантовой физики. Первая работа Планка на эту тему появилась в 1901 году. Вскоре после нее Альберт Эйнштейн применил гипотезу квантов энергии для объяснения фотоэффекта — именно эта работа стала первым шагом к изобретению квантовых оптических генераторов (лазеров), без которых невозможно представить себе современную технику. К началу Второй мировой войны в эксперименте были обнаружены два макроскопических квантовых эффекта — сверхпроводимость и сверхтекучесть. Лазерный луч можно считать третьим таким эффектом, но его люди впервые увидели только в 1960-м. А к этому времени уже появилась такие обширные области приложений квантовой физики, как электроника и физика твердого тела.

В множестве книг и статей, посвященных Планку, отмечается, что, хотя его работы в значительной степени революционизировали физику, сам Планк в науке был скорее консерватором. Тем не менее, именно консерватизм, глубокая приверженность принципам классической физики привели Планка к его революционному открытию. Один из создателей квантовой механики Вернер Гейзенберг (Werner Karl Heisenberg, 1901–1976) писал, что революции в науке вызываются не внезапными открытиями или гениальными идеями, а, наоборот, предельной последовательностью в применении традиционных понятий. Революции, по мнению Гейзенберга, делают те ученые, которые стремятся вносить как можно меньше изменений в прежнюю науку, так как именно стремление минимизировать изменения делает очевидным, что к введению принципиально новых представлений нас толкает сама природа, а не жажда оригинальности. К таким, необычайно последовательным, можно даже сказать — радикальным консерваторам, Гейзенберг относил создателя теории квантов — Макса Планка.

Идеальной моделью абсолютно черного тела служит маленькое отверстие окрашенной изнутри поглощающей черной краской большой полости. Попавший туда луч света наверняка не сможет выбраться наружу. Так что получить представление о зависимости спектра излучения абсолютно черного тела от температуры очень просто — достаточно заглянуть в кузнечный горн или тигель. Фото (SXC license): Armin Hanisch

Макс Карл Эрнст Людвиг Планк родился 23 апреля 1858 года в городе Киле в семье профессора гражданского права. В 1867 году семья будущего ученого переехала в Мюнхен. Там Макс Планк поступил в Королевскую Максимилиановскую классическую гимназию, прекрасные преподаватели которой сумели пробудить в юноше глубокий интерес как к гуманитарным, так и к естественным и точным наукам. После окончания гимназии Макс Планк некоторое время колебался, выбирая между филологией, музыкой, где он обнаружил незаурядные способности, и физикой. Победила любовь к физике. С 1874 по 1878 годы Планк изучал физику и математику, вначале в Мюнхенском, а затем Берлинском университетах. Однако на протяжении всей жизни он сохранил любовь к музыке. Друзья и ученики надолго запомнили домашние концерты, во время которых Планк с Эйнштейном и Гельмгольцем играли трио.

Интересно отметить, что и Макс Планк, и ряд других создателей неклассической физики выросли в семьях гуманитариев и получили в детстве хорошее классическое образование, включающее основательное изучение языков, в том числе древних, истории и философии. В 1949 году, выступая на торжествах, посвященных столетию со дня основания Максимилиановской гимназии, Вернер Гейзенберг (он, как и Планк, тоже вырос в семье гуманитариев и учился в этой же гимназии) подробно говорил о глубокой связи гуманитарного образования и естествознания и о том, что эта связь фундаментальна для западноевропейской культуры. В своем выступлении Гейзенберг отметил также то плодотворное влияние, которое оказало на мышление Планка гуманитарное образование, и вспоминал о том, какую важную роль играл философский анализ в годы становления квантовой механики. 

Вообще, и кардинальное отличие новой физики от казавшейся такой успешной классической физики XIX века, и внутренняя парадоксальность квантовой механики заставили по-новому взглянуть на старые философские проблемы. Можно сказать, что с квантами и относительностью в физику вернулась настоящая философия и именно фундаментальная философизация естествознания является, на мой взгляд, наиболее важной чертой науки первой половины ХХ века. К сожалению, в последующие десятилетия гуманитарная составляющая естественно-научного знания стремительно сокращалась. По-видимому, именно из-за этого стремительного сокращения физика наших дней перестала давать те «безумные идеи» (как их называл Нильс Бор), которые способны были радикально изменять представления о месте человека в мире, хотя прогресс самой науки идет как никогда быстро. 

При переходе вещества в сверхпроводящее состояние магнитное поле полностью вытесняется у него изнутри. Это явление называется эффектом Мейснера. Благодаря ему постоянный магнит словно зависает над сверхпроводящей пластинкой. Это позволяет считать левитацию макроскопическим квантовым эффектом. Фото (Creative Commons license): sach1tb 

На первый взгляд, гуманитарные знания не имеют никакого отношения к изучению природы, — по самому своему смыслу законы природы не должны зависеть от познающего их человека. Однако опыт научной революции ХХ века показал, что постичь объективные законы природы мы можем только через анализ своего понимания объективности. Иначе говоря, человеку никогда не удастся раз и навсегда провести границу, которая однозначно отделит человеческое мышление от того, что в данный момент противостоит ему в качестве предмета познания. А это уже проблема скорее гуманитарного, а не естественно-научного характера.

В XVII веке, когда закладывались основы науки Нового времени, между Джоном Локком (John Locke, 1632—1704) и Готфридом Лейбницем (Gottfried Wilhelm von Leibniz, 1646—1716) шел спор. «Всё человеческое знание проистекает из опыта и в мышлении нет ничего, что ранее не содержалось бы в ощущениях» (nihil est in intellectu quod non prius fuerit in sensu), — утверждал Локк. «Да, — соглашался с ним Лейбниц, — нет ничего, кроме самого мышления» (nisi intellectus ipse). Другими словами, человеческое мышление обладает фундаментальной способностью относиться к самому себе как к объекту, анализировать себя и, благодаря этому, постоянно выходить за свои границы. Не учитывая эту способность, человек вряд ли в состоянии понять истоки непрерывного прогресса в постижении объективной реальности. Дело в том, что экспериментаторы могут открывать миры, находящиеся за границами наших чувств, теоретики же — за границами нашего разума. Гений Лейбница видел эту связь субъективного и объективного силой своего умозрения, открытие квантовой механики с вероятностным характером её предсказаний, с таинственным физическим смыслом появившихся в ней «волновых функций», или «векторов состояния», с принципом неопределенности и необходимостью включить процедуру наблюдения за явлением в само описание явления, сделало ее компонентом физической реальности. 

Шок, пережитый физикой в ХХ веке, сравним только с шоком, который пережила математика после открытия несоизмеримости стороны квадрата и его диагонали. Исследуя возможность представления любого числа в виде несократимой дроби (рационального числа), античные математики полагали, что могут полностью заполнить такими дробями всю числовую ось. Однако существование несоизмеримых отрезков доказывало, что на этой оси «между» рациональными числами находится бесконечное множество иррациональных чисел. Казалось бы, этого «между» просто не может быть, но упрямый факт невозможности свести иррациональное число к несократимой дроби свидетельствовал о существовании принципиально новых реалий.

Для обсуждения философских проблем, возникших в связи с созданием квантовой механики, по инициативе Эрнста Сольвея было созвано двадцать пять конгрессов, получивших название Сольвеевских. Уже на первом из них, состоявшемся в 1911 году, были практические все лучшие физики того времени. Планк — стоит второй слева, Эйнштейн — второй справа. Перед ним сидят Мари Кюри и Анри Пуанкаре. Фото: Benjamin Couprie/Solvay Institute

В 1879 году Планк успешно защитил в Мюнхенском университете докторскую диссертацию, посвященную проблемам обоснования второго начала термодинамики. С 1880 года он — приват-доцент Мюнхенского университета, а с 1885 года — адъюнкт-профессор университета в Киле. Планк продолжает вести теоретические исследования в области термодинамики и её приложений к физической химии и электрохимии. В 1888 году Планк становится адъюнкт-профессором Берлинского университета и директором Института теоретической физики (эта должность была создана специально для него). Действительным профессором этого университета Планк стал в 1892 году. 

В 1896 году Планк заинтересовался проблемой теплового излучения так называемого абсолютно черного тела (АЧТ), то есть тела, которое поглощает всё падающее на него излучение и ничего при этом не отражает. Однако АЧТ обязательно должно что-то излучать само — в противном случае его температура росла бы до бесконечности. Из общих соображений ясно, что АЧТ должно излучать тем больше энергии, чем выше его температура. Значит, при некоторых условиях будет достигаться термодинамическое равновесие, когда поглощается столько же, сколько излучает. Отсюда возникла интересная теоретическая задача: найти эту температуру, а главное — спектр излучаемого света. Вот тут-то классическая физика и дала сбой: даваемый ей теоретический результат оказался практически абсурдным: энергия излучения при любой температуре получалась бесконечной, при этом ее излучалось тем больше, чем короче длина волны. Обыкновенная печка должна была бы «светить» сильнее любой рентгеновской трубки. Этот парадокс получил у физиков красивое название «ультрафиолетовой катастрофы». 

Для его решения Планк придумал красивый вычислительный прием: не прибегая к «тяжелой артиллерии» в виде интегрального исчисления, как делали все другие занимавшиеся этой проблемой физики, просто просуммировать отдельные порции энергии, полагая их конечными. Он надеялся получить ответ, который не будет зависеть от величины отдельной порции. А вместо этого получил точное значение каждой их них — , где ν — частота излучения, а h — постоянная Планка, имеющая размерность действия, то есть произведения энергии на время. Сам Планк называл эту постоянную квантом действия. Согласно современным данным h = 6,626•10–34 Дж•с. Днем рождения квантовой теории принято считать 14 декабря 1900 года, когда на заседании Прусской королевской академии наук (Königlich-Preußische Akademie der Wissenschaften) Планк сделал доклад «К теории распределения энергии излучения нормального спектра» (Ueber das Gesetz der Energieverteiligung im Normalspektrum).

Именем Планка был назван первый европейский спутник, которому предстоит отправиться в октябре этого года на околоземную орбиту за наблюдением за микроволновым реликтовым фоном. Фото: ESA

Предложенная Планком формула плотности энергии излучения не только позволила избавиться от парадокса «ультрафиолетовой катастрофы», но и прекрасно согласовывалась с экспериментом. В то же время сама идея квантов рассматривалась не только коллегами Планка, но и им самим как типичная гипотеза ad hoc. В своей Нобелевской лекции Планк следующим образом обрисовал стоявшую перед ним дилемму: «…Или квант действия был фиктивной величиной — тогда весь вывод закона излучения был принципиально иллюзорным и представлял просто лишенную содержания игру в формулы, или при выводе этого закона в основу была положена правильная физическая мысль — тогда квант действия должен был играть в физике фундаментальную роль, тогда появление его возвещало нечто совершенно новое, дотоле неслыханное, что, казалось, требовало преобразования самих основ нашего физического мышления, покоившегося со времен обоснования анализа бесконечно малых Ньютоном и Лейбницем на предположении о непрерывности всех причинных связей». 

Последующая история развития теории квантов показала, что справедливым было второе предположение Планка. Изложению этой истории посвящено необозримое количество книг и статей, написанных физиками, философами, историками, социологами и даже политологами. В 1970-е годы широкий резонанс получила работа американского философа Пола Формана (Paul Forman) «Веймарская культура, причинность и квантовая теория» (Weimar Culture, Causality, and Quantum Theory, 1918–1927) о том, как социально-политическая атмосфера неустойчивости, разочарования в прежних идеалах в Веймарской Германии содействовала распространению идей индетерминизма, что, в свою очередь, сыграло важную роль в становлении квантовой механики. Что же касается Макса Планка, то он, как и большинство других физиков, с нескрываемым сожалением воспринял крушение классической физики. Тем не менее он продолжал научно-исследовательскую, педагогическую и организационную деятельность. С 1912 по 1943 год Планк оставался непременным секретарем своей академии, получившей теперь название Берлинской академии наук, а в 1930 году он стал президентом Общества фундаментальных наук кайзера Вильгельма — теперь оно носит имя самого Планка (Max-Planck-Gesellschaft) и играет роль национальной академии наук в ФРГ

Последовательный консерватизм Планка проявился и в политической сфере. После прихода к власти нацистов Планк неоднократно публично выступал в защиту еврейских ученых, сначала уволенных со своих постов, а потом и изгнанных из страны. В то же время он продолжал служить в различных научных обществах Германии в надежде сохранить остатки немецкой науки и иметь возможность помогать другим ученым. Личная жизнь Планка была отмечена рядом трагедий. Его первая жена Мария Мерк, от которой у Планка было двое сыновей и дочери-двойняшки, умерла в 1909 году. Через два года Планк женился на своей племяннице Марте фон Хёсслин, от которой у него тоже родился сын. Старший сын Планка погиб в Первую мировую войну, а обе его дочери умерли при родах. Второй сын Планка был казнен в 1944 году за участие в заговоре против Гитлера. Дом и личная библиотека Планка погибли во время воздушного налета на Берлин. 

Умер Макс Планк 4 октября 1947 года в Гёттингене. На его могильной плите выбиты только имя и фамилия ученого и численное значение постоянной Планка.

Юлий Менцин, 23.04.2008

 

Новости партнёров