Великите европейци - Макс Планк

На 19 октомври 1900 година Макс Планк чете в Германското физично общество научен доклад, в който формулира закона за излъчването на абсолютно черното тяло. Този закон добре обяснява експерименталните данни и въвежда понятието „квант”, както и тъй наречената „константа на Планк”. 

Шуберт, Серенада

През 1874 година Макс Планк вече е завършил гимназия и иска да учи физика в мюнхенския университет. Бъдещият му професор го разубеждава с думите - „ в това поле вече почти всичко е открито, остава да се попълнят само някои дупки”. „Аз не искам да правя открития, искам само да разбера фундаментите на полето” – отвръща скромно Планк. Наистина иска това. Макар юноша, вече е стигнал до идеята, че светът около нас и светът вътре в нас се базират на едни и същи принципи, така че може по мисловен път да се опознае всичко, дори невидимото и непредставимото. 

Неслучайно Макс Планк се превръща в един от бащите на теоретичната физика в Германия, но на фона на всичко останало, това сякаш е най-малката му заслуга. Най-голямата е именно поставянето на фундамента за развитие на квантовата механика. Или квантова физика. Дори квантова наука изобщо. По принцип се смята, че началото е през 90-те години на ХІХ век, когато Планк се занимава с физиката на абсолютно черното тяло. Това е тяло, което при всякаква температура поглъща падащото върху него електромагнитно излъчване във всички диапазони. В противоречие с името си, то самото може да излъчва на всякаква честота и има спектрален цвят. 

Не ме питайте как и защо, ще се объркаме в обяснения. Само ще кажа, че като най-жив пример за абсолютно черно тяло се сочи Слънцето, а Планк измисля именно формулата, по която тялото излъчва. Той развива изумителната си идея, че това става на най-малките възможни енергийни порции, наречени „кванти” и по проста на пръв поглед формула - енергията на всеки квант е равна на честотата, умножена по една константа, наречена по-късно „планкова”. Тя е равна приблизително на 6. 626 068, умножено по 10 на минус 34 степен джаула в секунда. За повече божествено или човешко удоволствие – а и за да работи перфектно анализът, основан на тази формула - Планк вкарва и нещото, наречено статистическа физика, тоест, малко неопределеност, малко хаос, малко сол и пипер за по-добър вкус.

Шуберт, Германски танц №1, 15.38

Не знам дали някой може да си представи колко малка величина всъщност е планковата константа. Ще се усети по-лесно, ако се върнем към формулата E=hv, в която точно константата, умножена по честотата, дава енергията на кванта. А той пък всъщност е най-малкото възможно енергийно нещо, което си струва да се определи като „нещо”. Думата „квант” идва от латински и означава колко, какво количество.

Е, много, много грубо казано, говорим за най-малкото възможно количество енергия, което е способно да се превърне в действие, тоест, да доведе до необратим процес. Явно част от идеята се вселява в ума на Планк по-рано, през 80-те,  докато се занимава с термодинамика и по-специално с ентропията, за която въвежда принципа, че реализацията на всеки необратим процес води до нарастване на ентропията. Иска да каже, че, независимо дали варите яйце, чупите чаша или раждате бебе, ентропията расте. И тук е връзката, поне доколкото аз схващам нещата. 

В момента, когато някаква енергия стане равна на планковата константа, умножена по импулса, това е вече квант, той се излъчва и увеличава ентропията или световния хаос. Забележително е също, че енергиите на това излъчване могат да бъдат само дискретни стойности, тоест, кратни на планковата константа. И за да се върна към началото – тази константа е толкова малка, че открива пред човечеството един изцяло нов и непознат свят, света на взаимодействията на атомно и субатомно ниво. С други думи – Планк достига и отива отвъд познатия ни Нютонов свят, който се описва с познатата ни Нютонова физика. Или може би трябва да се каже – слиза в подземията на този Нютонов свят.

Брамс, Унгарски танц №1

Идеята за квантуваната енергия и константата, която я определя, са перфектни прозрения. Те обаче не дават плод веднага. Отначало самият Макс Планк ги смята просто за математически инструменти, които работят страхотно в хипотезата, но иначе са твърде абстрактни. 

Той обаче си дава сметка, че те работят, но и противоречат на законите на класическата Нютонова физика. И като типичен учен от ХІХ век се захваща с идеята да ги съгласува. Без успех. Както пише самият той: „Настоятелните ми опити някак да вкарам кванта на действието в класическата теория продължиха цели пет години и ми струваха немалко усилия. Някои колеги виждаха в това нещо като трагедия. Но аз бях на друго мнение - защото ползата, която извлякох от тези дълбоки анализи беше много по-значителна. Сега със сигурност знам, че квантът на действието играе във физиката много по-голяма роля, отколкото в началото бях склонен да мисля”. 

Така започва големият поход на човечеството в квантовата страна на чудесата. През 1905 Айнщайн, на основата на планковата хипотеза, извежда закона за фотоелектричния ефект. През 1911 в Брюксел голяма конференция обсъжда темата „Излъчване и кванти”. През 1913 Нилс Бор свързва квантовата хипотеза с проблема за строежа на атома и това отключва научна буря. Самият Макс Планк през 1918 година получава Нобеловата награда „в знак на признание за услугите, които той оказа на физиката с откритието си на квантовата енергия”.

Брамс, Симфония №4, Оп. 98, Алегро нон тропо, 15.44

Великият немски физик Макс Планк е роден през 1858 година в град Кил, в семейство с дълго и славно родословие. Още от малък той показва разностранни таланти – занимава се с музика и е практически на професионално ниво като изпълнител. Отказва се обаче да задълбае в музиката, защото си дава сметка, че като композитор не е толкова напред, колкото би искал. Литературата и философията му се удават така добре, както природните науки и математиката. 

Все пак избира да стане физик и това е свързано с огромния му интерес към същността на света, към принципите, заложени в неговата основа, в края на краищата – може би и с някакво желание да се докосне до Бог, като се има предвид, че Макс Планк е силно религиозен човек. Да, той в никакъв случай няма предвид антропоморфния образ на бога с дългата бяла брада, който мнозина наивно си представят. Не искам, пък и няма нужда да гадая как точно Планк схваща божествената същност. 

По-важното е друго, че той ни оставя достатъчно ясни свидетелства в отговор на въпроса, който мнозина пуристи на науката задават – как така един истински човек на науката може да вярва в Бог. А истинският човек на науката Макс Планк казва по темата: “Вярата в Бога е необходима както за религията, така и за науката. В сферата на религията Бог стои в началото на всяко размишление, а в сферата на науката Той стои в края. За религията Бог представлява основата, а за науката Той е короната на всяко размишление, което е насочено към мирогледните философски въпроси.”

Шуман, Симфония №1, оп. 38, Пролет

Както е нормално за човек с произхода, таланта и положението на Макс Планк, погледнат отдалече, животът му може да ни се види прекалено последователен и сравнително скучен. Това не е така обаче дори по отношение на академичната му кариера, в която той е най-силно концентриран. 

Но какво да кажем за огромните трагедии, през които минава в личен план. Макс Планк има щастието или нещастието в дългия си живот да преживее и двете световни войни. В Първата от тях големият му син Карл загива при Вердюн, а малкият, Ервин, е пленен и изкарва четири години във френски лагер. През 1917 дъщеря му Грете умира при раждане. Близначката и Ема започва да се грижи за детето и се жени за мъжа на сестра си. След което и тя умира при раждане, а семейство Планк отглежда внуци. През януари 1945 оцелелият от Първата световна война син Ервин, с когото физикът е много близък, е екзекутиран от нацистите заради съпричастност към „Операция Валкирия”, неуспешния бомбен атентат срещу Хитлер. 

Всичко това обаче в края на краищата сякаш не помрачава нито отношенията на Макс Планк с бога, нито желанието му чрез фундаменталната си наука да се докосне до божиите чудеса. През 1947, шест месеца, преди да навърши 90, той си отива от инсулт. Ако се съди по необратимия му ефект, това е нещо като квантов процес в човешкия мозък, за който обаче не е ясно дали се съобразява с константата на Планк или изобщо не му пука за нея.

Шуман, Симфония №4, Скерцо, 1.18.38