Фридрих Гернек - Пионеры атомного века (Великие исследователи от Максвелла до Гейзенберга)

Макс Планк

Рождение представления о квантах

Началом атомного века можно считать лето 1945 года, когда было произведено первое техническое испытание атомного оружия в североамериканской пустыне и совершилось его преступное применение против крупных японских городов. Однако основы его были заложены за 45 лет до этого - 14 декабря 1900 года - в Германии, в Берлинском университете, где Макс Планк в аудитории Физического института сообщил членам Немецкого физического общества теоретическое обоснование своей формулы излучения.

Планк открыл элементарный квант действия, новую естественную константу, значение которой для физической картины мира можно сравнить только со значением константы скорости света. В исследовании атома постоянная Планка играет основополагающую роль. Ее открытие - эпохальное научное деяние, революция, величие которой нисколько не умаляется тем, что Планк стал революционером против собственной воли. Ошеломленный неожиданными с точки зрения классической физики последствиями своего открытия, он долгое время сопротивлялся признанию вытекающих из него следствий. Другие исследователи, менее, чем он, приверженные традиции, вскоре значительно обогнали его: это были прежде всего Альберт Эйнштейн и Нильс Бор.

Открытие элементарного кванта действия положило начало новой эпохе в физической науке. Оно показало, что тезис о бесконечной непрерывности всех природных процессов был заблуждением. Выяснилось, что в природе бывают изменения, которые происходят не плавно, а скачками, "взрывообразно", как сказал Планк. Представление о равномерном обмене энергией не могло больше считаться верным.

Следовало отказаться от принципа, который владел умами старых натурфилософов и со времен Лейбница и Ньютона был обязателен для всеобщей картины природы: "Natura non facit saltus" - "Природа не делает скачков". Созданное Лейбницем и Ньютоном исчисление бесконечно малых величин соответствовало этой физике континуума. В дифференциальных уравнениях Максвелла оно одержало еще одну большую победу. За семь лет до открытия Планка Генрих Герц в своей "Механике" подчеркнул значение этого принципа как обязательной основы любого исследования природы. Теперь же представление о непрерывности было разрушено.

Свое открытие, последствия и значение которого во всем объеме выявились лишь позднее, Планк сделал, когда ему было более 40 лет. По сравнению с другими знаменитыми первооткрывателями он заявил о себе относительно поздно. Ньютон, Майер, Гельмгольц, Максвелл, Эйнштейн, Бор, Гейзенберг, Паули совершили свои эпохальные открытия в среднем между 25 и 30 годами жизни. Вильгельм Оствальд объявлял своего рода закономерностью то, что великие открытия совершаются молодыми исследователями. Однако это верно лишь относительно.

Возможность глубокого проникновения в природные явления зависит от стечения субъективных и объективных обстоятельств. Момент совершения естественнонаучного открытия существенно определяется общим развитием науки и социальных отношений. Для проявления даже богатейшей одаренности необходимы определенные объективные предпосылки. Слова Нернста, говорившего о создателе квантового учения, что он был человеком, которому в 40 лет пришла первая самостоятельная мысль, отражали лишь часть истины. Идея квантования лучистой энергии не могла быть выдвинута раньше конца столетия, когда физическая наука достигла определенного уровня своего развития.

Макс Планк к тому времени уже два десятилетия успешно вел исследования и преподавал. Он не сделал крупных открытий, но был автором ряда серьезных и интересных работ. В некоторых областях, прежде всего в теории теплоты, его заслуги были довольно значительны. Все его научное развитие до 1900 года предстает как своего рода всесторонняя и серьезная подготовка к открытию, которое ему удалось впоследствии совершить за несколько недель и которое сделало бессмертным его имя.

Сам Планк считал свои заслуги весьма скромными. В ответ на речи, произнесенные на торжественном заседании Немецкого физического общества в апреле 1918 года по случаю его 60-летия, он сказал: "Представьте себе горняка, который с напряжением всех своих сил ведет разведку благородной руды и которому однажды попадается жила самородного золота, причем при ближайшем исследовании она оказывается бесконечно богаче, чем можно было предполагать заранее. Если бы он сам не натолкнулся на этот клад, то, безусловно, вскоре посчастливилось бы его товарищу". Далее Планк назвал целый ряд физиков, прежде всего Альберта Эйнштейна, Нильса Бора и Арнольда Зоммерфельда, благодаря работам которых кванты действия обрели свое значение.

Но если в разработке квантовой теории принимали участие многие исследователи, то ее происхождение связано только с именем Макса Планка.

Макс Планк родился 23 апреля 1858 года в Киле. В этом же году в Гейдельберге Роберт Бунзен и Густав Кирхгоф начали разрабатывать метод спектрального анализа, имевший громадное значение для дальнейшего развития физики и всего естествознания. Без этой подготовительной работы атомная теория, основывающаяся на знаменитом открытии Планка, была бы невозможна.

Как и Генрих Герц, родившийся годом раньше, Планк был сыном юриста. Его отец, профессор права, преподавал в университете Киля. Мать была родом из Грейфсвальда. Дед и прадед были знаменитыми теологами Гёттингенского университета; их предки - священниками, учителями и городскими писцами в Швабии.

Планк покинул родной город в девятилетнем возрасте, когда его отец был приглашен в Мюнхенский университет. Но он всегда считал Киль своей истинной родиной и признавал себя северогерманцем.

В" Мюнхене прошла счастливая юность Планка. В школе для него не существовало трудностей. Он, как и Герц, был первым учеником, высокоодаренным, трудолюбивым, обладавшим чрезвычайно развитым чувством долга. Его склонность к математике обнаружилась довольно рано, так же как и природные музыкальные способности. Любовь к музыке была так сильна, что он колебался между нею и естествознанием, когда после окончания школы перед ним встал вопрос о выборе профессии. Однако победу одержала в конце концов физика. Но и в первые годы после переезда в Берлин он не сразу расстался с мыслью сменить профессию и стать пианистом.

Решение посвятить себя изучению физической науки Планк принял самостоятельно, вопреки попыткам преподавателя физики Мюнхенского университета отговорить 17-летнего юношу от вступления на академическое поприще. В публичной лекции, прочитанной в 1924 году в Мюнхене, Планк вспоминал: "Когда я начинал изучение физики и мой почтенный учитель Филипп фон Жолли рассказывал мне об условиях и перспективах моей учебы, он изобразил мне физику как высокоразвитую, едва ли не полностью исчерпанную науку, которая теперь, после того как ее увенчало открытие принципа сохранения энергии, близка, по-видимому, к тому, чтобы принять окончательную стабильную форму. Вероятно, в том или ином углу есть еще пылинка или пузырек, которые можно исследовать и классифицировать, но система как целое построена довольно прочно, и теоретическая физика заметно приближается к той степени законченности, какой, например, обладает геометрия уже в течение столетий".