Страница:
Высказанный Жолли взгляд был выражением распространенного заблуждения. Он происходил из механистического представления о природе, господствовавшего в умах физиков того времени. Механика была, безусловно, высокоразвитой, зрелой наукой. Лишь немногие подозревали тогда - в 1875 году, - что другие области учения о природе, такие, например, как электродинамика, не могли разрабатываться дальше средствами, бывшими в ходу у механики. В те годы было еще очень далеко до взглядов на строение атома, которые стали привычными с конца 90-х годов после открытий Рентгена, Ленарда, Резерфорда и других и которые отбросили многие "бесспорные" положения физики.
Шесть семестров Макс Планк добросовестно занимался изучением математики и физики в Мюнхенском университете. Он ставил также эксперименты, единственные в своей жизни. Наряду с этим Планк усиленно занимался музыкой был хормейстером в академическом певческом обществе, руководил оркестром и по праздникам играл в университетской церкви на органе. Среди великих музыкантов он особенно ценил Шуберта, Шумана и Брамса.
Как и Герц, год спустя Планк отправился для завершения образования в столицу империи: к Гельмгольцу и Кирхгофу, которые в конце 70-х годов вместе с Клаузиусом и Больцманом составили, как он позднее писал, плеяду германских физиков-теоретиков.
Лекции знаменитых исследователей не принесли ему, однако, "заметной пользы" судя по его воспоминаниям о них в "Научной автобиографии": "Гельмгольц, очевидно, никогда как следует не готовился к лекциям, говорил все время запинаясь, причем необходимые данные извлекал из небольшой записной книжки, к тому же постоянно ошибался у доски, а нас не покидало такое чувство, как будто ему самому эта лекция по меньшей мере так же надоела, как и нам. Вследствие этого число слушателей мало-помалу уменьшалось, в конце концов остались только три человека... В противоположность этому Кирхгоф читал тщательно отработанный курс лекций, в котором была взвешена и стояла на своем месте каждая фраза. Ни словом меньше, ни словом больше. Но в целом это действовало как нечто заученное наизусть, сухое и однообразное. Мы восхищались самим лектором, а не тем, о чем он говорил".
В отличие от Герца Планк в Берлине не работал в физической лаборатории. Он ограничился тем, что подробно записывал лекции, которые слушал у Гельмгольца, Кирхгофа и математика Вейерштрасса, и тщательно прорабатывал их дома. Об этом свидетельствуют сохранившиеся конспекты лекций.
Начинающий физик-теоретик в 70-е годы был еще в значительной мере предоставлен самому себе. Основы он должен был выучить по книгам. Наибольшую пользу наряду с трудами Гельмгольца и Кирхгофа принесли Планку работы по термодинамике Клаузиуса, пионера в области теории теплоты. Сочинения этого крупного исследователя привлекали Планка также ясностью и убедительностью изложения.
В Берлине Планк провел только два семестра. Летом 1878 года он возвратился в Мюнхен. В том же году он сдал государственный экзамен на право преподавания математики и физики в высшей школе, хотя " не имел намерения заниматься деятельностью подобного рода. В возрасте 21 года он стал доктором философии, представив к защите диссертацию "О втором законе механической теории теплоты".
Позднее Планк вспоминал о своем докторском экзамене со смешанным чувством. Он, собственно, выдержал экзамен с высшей оценкой ("summa cum laude"), но один из экзаменаторов, Адольф фон Байер, последователь Либиха, отнесся к нему крайне пренебрежительно, дав понять, что считает теоретическую физику совершенно пустой наукой.
Известный химик, позднее получивший Нобелевскую премию за свои открытия в химии красителей, он принадлежал к сугубо эмпирически настроенным естествоиспытателям, которые отбрасывали как "спекуляцию" все, что выходило за пределы непосредственно доказуемых опытных данных. К подобного же рода эмпирикам принадлежал Роберт Бунзен, отклонявший атомную гипотезу и даже к периодической системе элементов долгое время относившийся с сомнением.
Эта позиция, особенно характерная для многих немецких естествоиспытателей, исторически вполне объяснима. Она возникла как противодействие экзальтированной идеалистически-спекулятивной натурфилософии, которая господствовала во времена романтизма и препятствовала развитию исследований природы Германии в противоположность Франции, где были живы материалистические традиции эпохи Просвещения.
В докторской диссертации Планка рассматривался вопрос о необратимости процессов теплопроводности. Молодой исследователь дал первую общую формулировку закона энтропии, который был в 60-е годы установлен Рудольфом Клаузиусом и Вильямом Томсоном.
Энтропия, не поддающаяся наглядному представлению количественная характеристика состояния, определяющая степень необратимости энергетических превращений, имеет фундаментальное свойство: возрастать при любом физическом процессе. Своей наибольшей величины она достигает при состоянии теплового равновесия замкнутой системы. Поэтому она может быть использована как своего рода указатель направления природных процессов.
Формулировка Планка: "Никаким способом нельзя процесс теплопроводности сделать полностью обратимым" - выходит за пределы данного Клаузиусом определения понятия энтропии. Он творчески обобщил понятие энтропии, преобразовав его в научную абстракцию, применимую также и к состоянию неравновесия. То, что он с самого начала поставил вопросы энтропии в центр своих исследований, решающим образом содействовало созданию квантовой теории.
Первая работа Планка, которая далеко обогнала развитие науки, была либо не замечена, либо отвергнута физиками-современниками. "Впечатление, произведенное этим трудом на тогдашнюю научную общественность, было равно нулю", - вспоминал Планк через 60 лет в своей научной биографии.
Гельмгольц, которому он посылал статью, вероятно, не просмотрел ее. Кирхгоф, работавший в этой области, читал ее внимательно, однако отверг ход размышлений Планка как ошибочный. Наконец, Клаузиус, труды которого были наиболее близки Планку и который своими сочинениями непосредственно побудил его к изучению энтропии, не ответил ни на одно из его писем. Попытка лично встретиться с ученым в Бонне не удалась и не была повторена.
Как позднее писал Планк, у его мюнхенских учителей также не было глубокого понимания направления его исследований; они лишь потому одобрили его диссертацию, что знали его успехи по практикуму и семинарам.
Но юный исследователь был так твердо убежден в правильности своего пути и правомерности своих выводов, что не поддался разочарованиям и не утратил мужества. Уже через год после защиты он получил право преподавания теоретической физики, представив работу "Состояния равновесия изотропных тел при различных температурах". Это опять было исследование, посвященное взаимодействию теплоты и механической энергии.
Пять лет Планк преподавал в Мюнхене в качестве приват-доцента. Он жил в доме своих родителей. Никаких свидетельств об успехе его преподавательской деятельности до нас не дошло, вряд ли он был большим, чем успех Герца в Киле или, позднее, Эйнштейна в Берне. Лекции преподавателей, которые не принимали экзаменов, обычно посещались лишь несколькими студентами, да и то нерегулярно. Молодой ученый использовал время для разработки цикла лекций по теоретической физике. Он также принял участие в академическом конкурсе, после которого в 1887 году была опубликована его первая книга.
Наряду с наукой Планк занимался музыкой и - воодушевленный близостью Альп - альпинизмом. Музыка и альпинизм до глубокой старости были для него необходимым противовесом напряженной теоретической деятельности. Планк покорил многие труднодоступные вершины Альп. В возрасте 80 лет он поднялся на Большого Венецианца в Высоких Татрах. Сохранилась фотография 84-летнего Планка на трехтысячнике в Восточном Тироле.
Но страстный альпинист не оставлял без внимания и равнину. В Берлине Планк еженедельно совершал продолжительные пешеходные прогулки в окрестностях города. В пригородных местечках "тайный советник Планк" в вязаных гамашах и с рюкзаком был привычным явлением. Его вторая жена первая умерла в 1909 году - была его постоянной спутницей в таких прогулках.
В возрасте 27 лет Планк стал профессором теоретической физики в университете своего родного города Киля. До этого он, по совету Гельмгольца, отклонил приглашение в Высшую лесотехническую школу. Там он так же мало смог бы заниматься исследованиями, как и Рентген десять лет назад в Высшей сельскохозяйственной школе в Гоенгейме. Весной 1885 года, через несколько недель после ухода Генриха Герца, он получил ту экстраординарную профессуру, которой два года напрасно дожидался Герц.
В Киле Макс Планк работал восемь семестров. Здесь он женился на подруге юности, дочери мюнхенского банкира.
Самой значительной его публикацией этого периода стала книга "Принцип сохранения энергии", которая была отправлена на конкурс философского факультета Гёттингенского университета и получила премию. С точки зрения теории познания примечательно, что Планк тогда - как он сообщил в 1910 году - принадлежал к "решительным сторонникам философии Маха".
Своим отрицанием "гипотетически-вымышленной физики" Эрнст Мах оказал сильное воздействие на образ мыслей молодого поколения физиков: на Генриха Герца и Макса Планка, а спустя десять лет - на Альберта Эйнштейна. "Механика" Маха вышла в свет в 1883 году, его книга "Анализ ощущений" появилась в 1886 году, в период профессуры Планка в Киле.
Эти и другие работы Маха, несмотря на серьезные и принципиальные философские ошибки, внесли свой вклад в борьбу физиков тех лет с отжившим свой век механистическим подходом к явлениям природы.
Деятельность Планка как педагога получила высокую оценку. Перед его приглашением в Берлин коллеги, дававшие ему характеристику, отзывались о нем в высшей степени благоприятно Так, химик Альберт Ладенбург ответил на запрос Берлинского философского факультета, что Планк читает лекции очень ясно и свободно. "Вместе с тем он приятный человек, - говорится дальше, - я к нему очень расположен, и мне было бы жаль, если бы мы его потеряли, так как он к тому же хороший музыкант и отличный пианист". В другом отзыве Планк аттестован как "очень добросовестный и успешно работающий доцент", который в высшей степени тщательно готовит свои лекции. "Студенты охотно слушают его, он умеет их заинтересовать"
В рекомендации для Берлинского университета Гельмгольц писал, что Планк в своих работах показал себя как "человек оригинальной мысли, идущий собственным путем. Его работа о законе сохранения энергии, увенчанная премией в Гёттингене, и отдельные работы в других отраслях математической физики свидетельствуют, что у него широкий взгляд на различные разделы этой науки".
Философский факультет Берлинского университета пригласил экстраординарного профессора теоретической физики из Киля на ту же должность в качестве преемника Кирхгофа, умершего в 1887 году. Планк начал работать в Берлине с января 1889 года. Он, собственно, был третьим, кого приглашали на это место Но Больцман, крупнейший из писавших на немецком языке физиков-теоретиков того времени, решительно отказался от переезда в Берлин, а Генрих Герц, приглашенный вторым, предпочел Бонн.
Отныне Планк работает вместе с Гельмгольцем, лекции которого были так скучны для него, но которым он всегда восхищался как исследователем. О первом времени своего пребывания в Берлине он писал в автобиографии: "Это были годы, в течение которых я испытал, пожалуй, сильнейшее расширение всего своего научного кругозора. Это было потому, что я непосредственно общался с людьми, занимавшими тогда ведущее положение в мировых научных исследованиях. Таким человеком был прежде всего Гельмгольц. Я узнал его и с общечеловеческой стороны и столь же высоко оценил его в этом, как уже издавна - в научном отношении. Вся его личность, неподкупность суждений, скромный характер воплощали в себе достоинство и истинность науки".
Начало, однако, было не совсем удачным. Доклад о проблеме термодинамики, который Планк читал на заседании Физического общества, не имел успеха. Когда была объявлена дискуссия, никто не попросил слова. Только председатель, берлинский физиолог Эмиль Дюбуа-Реймон, один из основателей Физического общества, пользовавшийся большим уважением среди его членов, сделал несколько критических замечаний об изложенной Планком теории.
"В целом это было холодным душем на мое разгоряченное воображение, писал Планк в своих воспоминаниях. - Я шел домой несколько удрученный, однако скоро утешился мыслью, что хорошая теория добьется признания и без искусной пропаганды. Так, естественно, произошло и в этом случае".
О том, как упорно занимался Макс Планк в первые берлинские годы вопросами теории теплоты, свидетельствует его доклад "Общие вопросы новейшего развития теории теплоты" на конференции естествоиспытателей в Галле в 1891 году. Выступления Планка имеют непреходящее значение для истории науки, они и сегодня читаются с интересом Планк, работавший в то время в области электро- и термохимии, по достоинству оценивал крупные заслуги в обосновании и построении новейшей физической химии, принадлежащие Вант-Гоффу, Аррениусу, Оствальду и Нернсту.
Через три года после приглашения в Берлинский университет Планк был назначен ординарным профессором. Вскоре после этого, в 1894 году, его по предложению Гельмгольца и Кундта избрали действительным членом физико-математического отделения Прусской Академии наук, причем не обошлось без голосов, поданных против. При тайном голосовании в урну было опущено четырнадцать белых и шесть черных шаров. С 1912 года ученый четверть века был постоянным секретарем физико-математического отделения Академии, в числе членов которой он состоял в общей сложности 35 лет.
Планк поддерживал связи не только с узким кругом коллег: среди его друзей был, например, знаменитый историк и исследователь древности Теодор Моммзен, первый немецкий лауреат Нобелевской премии в области литературы.
После смерти Кундта и Гельмгольца в 1894 году Планк становится самым известным из берлинских физиков и, с начала столетия, ведущим теоретиком среди физиков Германии. Уже в конце 90-х годов в одном из документов отмечается, что Планк "обладает в настоящий момент среди представителей математической физики, вероятно, самым большим научным авторитетом и пользуется признанием как преподаватель". Однако Планк решительно отвергал любое сравнение с Гельмгольцем, который на протяжении десятилетий считался главой немецких физиков. Обычно, когда его пытались сравнивать с "рейхсканцлером науки", он возражал: "Я не Гельмгольц".
К первым годам его пребывания в Берлине относится первый научный спор: дискуссия по поводу "энергетики".
Планк выступил против точек зрения, которые представляли и пропагандировали в Германии дрезденский математик Георг Гельм и прежде всего физико-химик Вильгельм Оствальд. Непосредственным поводом для его выступления послужил доклад "Преодоление научного материализма", который Оствальд прочел в Любеке на конференции естествоиспытателей осенью 1895 года.
Оствальд дал в нем обобщенное изложение своего энергетического взгляда на природу, который в тот момент ограничивался основами физики и химии и не претендовал еще на то, чтобы стать философской системой, охватывающей все сферы жизни, как это произошло в "Лекциях по философии природы" (1901) и в более поздних произведениях, прежде всего в "Философии ценностей" (1913).
Принадлежа к числу естествоиспытателей, интересующихся основными гносеологическими вопросами естествознания, Оствальд еще до переворота, произведенного открытием рентгеновских лучей, осознал, что механистическая картина мира уже недостаточна для толкования открытых в природе связей. В поисках выхода из трудностей он решил, что понятие "субстанция", основное понятие механистического материализма, должно быть вытеснено понятием "энергия". Он считал, что все законы естествознания могут быть выведены из энергетических законов. Нечеткое использование понятия энергии позволило ему - чисто внешне - сгладить "дуализм" вещества и духа, материи и сознания. Таким образом, материализм и идеализм также, казалось, были преодолены.
Все изложенное Оствальдом его коллегам в 1895 году было в основном разновидностью старого, додиалектического материализма, сдобренного некоторыми идеалистическими приправами. Вместо материальной субстанции в центре картины природы стояла энергия, толкуемая Оствальдом в основном материалистически; мир был для него энергией в пространстве и времени. Позднее в "Натурфилософии" Оствальда под влиянием Канта и Маха идеалистические черты выявились сильнее, не став, однако, господствующими.
В бурных выступлениях, последовавших за докладом в Любеке, физики почти единодушно возражали против энергетических взглядов. Больцман и Планк наиболее резко выступили против взглядов Оствальда. Доводы, высказанные устно, Планк вскоре обобщил в статье "Против новейшей энергетики".
Планк не отрицал, что энергетика - будучи связанной с законом сохранения энергии - содержит "определенное здоровое зерно", но считал провозглашенное Оствальдом энергетическое понимание явлений природы роковым заблуждением и возражал против притязания энергетики быть единственно верным толкованием природных процессов. Прежде всего он упрекал энергетику в том, что она скрывает фундаментальное противоречие между обратимыми и необратимыми процессами, с разработкой и углублением которого, по его убеждению, был связан любой прогресс в термодинамике и теории химического сродства.
Планк был непреклонен в своем отпоре энергетическим спекуляциям, и в главном он был прав Восемнадцатью годами позднее Эйнштейн присоединился к этой отрицательной оценке энергетики. Ссылаясь на статьи Планка, он писал в 1913 году: "Для каждого сторонника подлинно научного мышления чтение этой острополемической заметки является вознаграждением за досаду, испытанную им при чтении тех работ, против которых в ней ведется борьба".
В вопросе об атомизме, который до 1908 года рассматривался Оствальдом как ненаучная теория, Планк не был тогда противником главы энергетической школы. Как и многие естествоиспытатели старшего поколения, например Роберт Бунзен или Эрнст Мах, Планк в то время относился к атомизму с глубоким недоверием. Его мнение изменилось лишь в начале века, когда он теоретически обосновал свою формулу излучения.
В своих классических исследованиях теплового излучения, которые он начал в 1896 году, Планк опирался на результаты работ многих немецких физиков. Теория теплового излучения, по словам Лауэ, от начала до конца "made in Germany". В числе первых исследователей этого явления следует назвать Густава Кирхгофа, который в 1860 году в учении о тепловом излучении выдвинул термодинамические идеи и особенно подробно занимался проблемой "черного излучения", излучения абсолютно черного тела.
Кирхгоф сумел доказать, что в закрытом со всех сторон пустом пространстве возникает состояние излучения, которое зависит не от особенных признаков содержащихся в нем тел, а только от их температуры. Исследование проблемы этого излучения в закрытом пространстве, к которому могут быть сведены все вопросы теплового излучения, вскоре, выступило на первый план во всех исследованиях излучаемой теплоты.
Физик Вилли Вин, в то время еще ассистент Имперского физико-технического института и приват-доцент Берлинского университета, попытался в 1896 году разрешить эту проблему посредством закона излучения. Он добился важного, хотя и неполного успеха, который стал последней ступенью на пути к квантовой теории. "И бессмертной заслугой Вилли Вина, - писал Макс фон Лауэ, - остается то, что он довел физику непосредственно до ворот квантовой физики, а уже следующий шаг, который предпринял Планк, провел ее через эти ворота".
Исследуя распределение энергии в нормальном спектре излучаемой теплоты, Планк основывался на законе Кирхгофа для излучения в пустом пространстве и на законе излучения Вина. Таким путем он хотел подойти к своей цели гармонично и прочно связать теорию теплоты и учение Максвелла - Герца об электричестве. Лишь позднее благодаря своему собственному открытию Планк понял, что на почве классической физики невозможно построить мост между этими двумя теориями.
Исходным пунктом для эпохального открытия Планка послужили опыты, поставленные в конце 90-х годов Отто Луммером и Эрнстом Прингсгеймом в Имперском физико-техническом институте с целью более точного определения излучения черного тела. Важное и в конечном счете решающее значение для теоретического обоснования квантовой формулы Планка имели результаты измерений, которые были получены там же Генрихом Рубенсом и Фердинандом Курлбаумом при экспериментах с излучением длинных волн, в особенности с инфракрасным остаточным излучением полевого шпата и каменной соли.
19 октября 1900 года Курлбаум сообщил об этих опытах Физическому обществу в Берлине. Результаты экспериментов не соответствовали установленной Вином формуле излучения, которая была пригодна для коротких волн и низких температур. Планк, узнав о результатах опыта Рубенса и Курлбаума за несколько дней до заседания, в заранее подготовленном дискуссионном замечании предложил новую формулу излучения, которая, как он считал, помогла устранить выявившиеся несоответствия.
Замечания Планка были опубликованы в "Сообщениях Немецкого физического общества" под заголовком "Об улучшении спектрального уравнения Вина". Маленькая, всего на три страницы, статья в методическом отношении несет на себе отпечаток становления открытия. Данная в ней формула излучения была при длинноволновом излучении и высоких температурах справедлива для опытных данных Курлбаума и Рубенса; при коротких волнах и низких температурах она переходила в закон Вина, который тем самым получал характер ограниченного закона.
Проверка уравнения Планка подтвердила полное совпадение его с данными опытов. Рубенс ночью, сразу же после заседания, тщательно сверивший новую формулу излучения с имеющимися результатами измерений, мог сообщить об этом Планку уже на следующее утро.
Планк нашел свою формулу полуэмпирическим путем, благодаря своему несравненному чутью в термодинамике. Он сам рассматривал ее как "удачно угаданную промежуточную формулу". Теперь дело было за ее теоретическим обоснованием.
В процессе этой работы, которую он позднее назвал самой тяжелой в своей жизни, Планк пришел к ошеломляющему выводу. Он обнаружил, что его уравнение, которое со всей очевидностью верно отражало действительность, было справедливым только при одном совершенно новом представлении, а именно при допущении, что в процессах излучения энергия может быть отдана или поглощена не непрерывно и не в любых количествах, а лишь в известных неделимых порциях - в "квантах".
Сумма энергий этих мельчайших порций определяется через число колебаний соответствующего вида излучения и универсальную естественную константу, которую Планк ввел в науку под ставшим знаменитым символом h. Он назвал эту постоянную величину "элементарным квантом действия", или "элементом действия". Сегодня ее чаще всего называют постоянной Планка. Ее числовое значение он определил еще за полгода до этого, в другой связи, на основании измерений Луммера и Прингсгейма.
Теоретическое обоснование и разработка "удачно угаданной" формулы излучения заняли примерно столько же времени, сколько пять лет назад понадобилось Рентгену, чтобы в исчерпывающей форме описать свое случайное наблюдение 8 ноября 1895 года и вывести из него закономерность. Поскольку Планк теперь безоговорочно принял отстаиваемую Больцманом атомистическую точку зрения и статистическую теорию теплоты, он пришел к атомистическому обоснованию своего закона излучения и к представлениям гораздо более широким, чем те, которые сложились при первом подходе. Каким путем пришел ученый к окончательному результату, осталось неизвестно. Подобно Гауссу и Рентгену, Планк всегда неохотно говорил о применяемых методах и промежуточных ступенях своего исследования. "Многократно запутанную дорогу", по которой он шел к вычислению и обоснованию своей константы, он описал не более детально, чем Рентген события ночи, в течение которой он сделал свое открытие.
14 декабря 1900 года на заседании Немецкого физического общества в Институте им. Гельмгольца на Рейхстагуфер Макс Планк сообщил о своем революционизирующем открытии. Его выводы на девяти страницах вскоре появились в печати под заголовком "К теории закона распределения энергии в нормальном спектре".
Планк описал "новый, совершенно элементарный метод", благодаря которому, "не зная формулы спектра или же какой-либо теории, можно количественно вычислить с Помощью одной естественной константы распределение данного количества энергии по отдельным цветам нормального спектра и затем посредством второй естественной константы - по температуре этого излучения энергии".
Шесть семестров Макс Планк добросовестно занимался изучением математики и физики в Мюнхенском университете. Он ставил также эксперименты, единственные в своей жизни. Наряду с этим Планк усиленно занимался музыкой был хормейстером в академическом певческом обществе, руководил оркестром и по праздникам играл в университетской церкви на органе. Среди великих музыкантов он особенно ценил Шуберта, Шумана и Брамса.
Как и Герц, год спустя Планк отправился для завершения образования в столицу империи: к Гельмгольцу и Кирхгофу, которые в конце 70-х годов вместе с Клаузиусом и Больцманом составили, как он позднее писал, плеяду германских физиков-теоретиков.
Лекции знаменитых исследователей не принесли ему, однако, "заметной пользы" судя по его воспоминаниям о них в "Научной автобиографии": "Гельмгольц, очевидно, никогда как следует не готовился к лекциям, говорил все время запинаясь, причем необходимые данные извлекал из небольшой записной книжки, к тому же постоянно ошибался у доски, а нас не покидало такое чувство, как будто ему самому эта лекция по меньшей мере так же надоела, как и нам. Вследствие этого число слушателей мало-помалу уменьшалось, в конце концов остались только три человека... В противоположность этому Кирхгоф читал тщательно отработанный курс лекций, в котором была взвешена и стояла на своем месте каждая фраза. Ни словом меньше, ни словом больше. Но в целом это действовало как нечто заученное наизусть, сухое и однообразное. Мы восхищались самим лектором, а не тем, о чем он говорил".
В отличие от Герца Планк в Берлине не работал в физической лаборатории. Он ограничился тем, что подробно записывал лекции, которые слушал у Гельмгольца, Кирхгофа и математика Вейерштрасса, и тщательно прорабатывал их дома. Об этом свидетельствуют сохранившиеся конспекты лекций.
Начинающий физик-теоретик в 70-е годы был еще в значительной мере предоставлен самому себе. Основы он должен был выучить по книгам. Наибольшую пользу наряду с трудами Гельмгольца и Кирхгофа принесли Планку работы по термодинамике Клаузиуса, пионера в области теории теплоты. Сочинения этого крупного исследователя привлекали Планка также ясностью и убедительностью изложения.
В Берлине Планк провел только два семестра. Летом 1878 года он возвратился в Мюнхен. В том же году он сдал государственный экзамен на право преподавания математики и физики в высшей школе, хотя " не имел намерения заниматься деятельностью подобного рода. В возрасте 21 года он стал доктором философии, представив к защите диссертацию "О втором законе механической теории теплоты".
Позднее Планк вспоминал о своем докторском экзамене со смешанным чувством. Он, собственно, выдержал экзамен с высшей оценкой ("summa cum laude"), но один из экзаменаторов, Адольф фон Байер, последователь Либиха, отнесся к нему крайне пренебрежительно, дав понять, что считает теоретическую физику совершенно пустой наукой.
Известный химик, позднее получивший Нобелевскую премию за свои открытия в химии красителей, он принадлежал к сугубо эмпирически настроенным естествоиспытателям, которые отбрасывали как "спекуляцию" все, что выходило за пределы непосредственно доказуемых опытных данных. К подобного же рода эмпирикам принадлежал Роберт Бунзен, отклонявший атомную гипотезу и даже к периодической системе элементов долгое время относившийся с сомнением.
Эта позиция, особенно характерная для многих немецких естествоиспытателей, исторически вполне объяснима. Она возникла как противодействие экзальтированной идеалистически-спекулятивной натурфилософии, которая господствовала во времена романтизма и препятствовала развитию исследований природы Германии в противоположность Франции, где были живы материалистические традиции эпохи Просвещения.
В докторской диссертации Планка рассматривался вопрос о необратимости процессов теплопроводности. Молодой исследователь дал первую общую формулировку закона энтропии, который был в 60-е годы установлен Рудольфом Клаузиусом и Вильямом Томсоном.
Энтропия, не поддающаяся наглядному представлению количественная характеристика состояния, определяющая степень необратимости энергетических превращений, имеет фундаментальное свойство: возрастать при любом физическом процессе. Своей наибольшей величины она достигает при состоянии теплового равновесия замкнутой системы. Поэтому она может быть использована как своего рода указатель направления природных процессов.
Формулировка Планка: "Никаким способом нельзя процесс теплопроводности сделать полностью обратимым" - выходит за пределы данного Клаузиусом определения понятия энтропии. Он творчески обобщил понятие энтропии, преобразовав его в научную абстракцию, применимую также и к состоянию неравновесия. То, что он с самого начала поставил вопросы энтропии в центр своих исследований, решающим образом содействовало созданию квантовой теории.
Первая работа Планка, которая далеко обогнала развитие науки, была либо не замечена, либо отвергнута физиками-современниками. "Впечатление, произведенное этим трудом на тогдашнюю научную общественность, было равно нулю", - вспоминал Планк через 60 лет в своей научной биографии.
Гельмгольц, которому он посылал статью, вероятно, не просмотрел ее. Кирхгоф, работавший в этой области, читал ее внимательно, однако отверг ход размышлений Планка как ошибочный. Наконец, Клаузиус, труды которого были наиболее близки Планку и который своими сочинениями непосредственно побудил его к изучению энтропии, не ответил ни на одно из его писем. Попытка лично встретиться с ученым в Бонне не удалась и не была повторена.
Как позднее писал Планк, у его мюнхенских учителей также не было глубокого понимания направления его исследований; они лишь потому одобрили его диссертацию, что знали его успехи по практикуму и семинарам.
Но юный исследователь был так твердо убежден в правильности своего пути и правомерности своих выводов, что не поддался разочарованиям и не утратил мужества. Уже через год после защиты он получил право преподавания теоретической физики, представив работу "Состояния равновесия изотропных тел при различных температурах". Это опять было исследование, посвященное взаимодействию теплоты и механической энергии.
Пять лет Планк преподавал в Мюнхене в качестве приват-доцента. Он жил в доме своих родителей. Никаких свидетельств об успехе его преподавательской деятельности до нас не дошло, вряд ли он был большим, чем успех Герца в Киле или, позднее, Эйнштейна в Берне. Лекции преподавателей, которые не принимали экзаменов, обычно посещались лишь несколькими студентами, да и то нерегулярно. Молодой ученый использовал время для разработки цикла лекций по теоретической физике. Он также принял участие в академическом конкурсе, после которого в 1887 году была опубликована его первая книга.
Наряду с наукой Планк занимался музыкой и - воодушевленный близостью Альп - альпинизмом. Музыка и альпинизм до глубокой старости были для него необходимым противовесом напряженной теоретической деятельности. Планк покорил многие труднодоступные вершины Альп. В возрасте 80 лет он поднялся на Большого Венецианца в Высоких Татрах. Сохранилась фотография 84-летнего Планка на трехтысячнике в Восточном Тироле.
Но страстный альпинист не оставлял без внимания и равнину. В Берлине Планк еженедельно совершал продолжительные пешеходные прогулки в окрестностях города. В пригородных местечках "тайный советник Планк" в вязаных гамашах и с рюкзаком был привычным явлением. Его вторая жена первая умерла в 1909 году - была его постоянной спутницей в таких прогулках.
В возрасте 27 лет Планк стал профессором теоретической физики в университете своего родного города Киля. До этого он, по совету Гельмгольца, отклонил приглашение в Высшую лесотехническую школу. Там он так же мало смог бы заниматься исследованиями, как и Рентген десять лет назад в Высшей сельскохозяйственной школе в Гоенгейме. Весной 1885 года, через несколько недель после ухода Генриха Герца, он получил ту экстраординарную профессуру, которой два года напрасно дожидался Герц.
В Киле Макс Планк работал восемь семестров. Здесь он женился на подруге юности, дочери мюнхенского банкира.
Самой значительной его публикацией этого периода стала книга "Принцип сохранения энергии", которая была отправлена на конкурс философского факультета Гёттингенского университета и получила премию. С точки зрения теории познания примечательно, что Планк тогда - как он сообщил в 1910 году - принадлежал к "решительным сторонникам философии Маха".
Своим отрицанием "гипотетически-вымышленной физики" Эрнст Мах оказал сильное воздействие на образ мыслей молодого поколения физиков: на Генриха Герца и Макса Планка, а спустя десять лет - на Альберта Эйнштейна. "Механика" Маха вышла в свет в 1883 году, его книга "Анализ ощущений" появилась в 1886 году, в период профессуры Планка в Киле.
Эти и другие работы Маха, несмотря на серьезные и принципиальные философские ошибки, внесли свой вклад в борьбу физиков тех лет с отжившим свой век механистическим подходом к явлениям природы.
Деятельность Планка как педагога получила высокую оценку. Перед его приглашением в Берлин коллеги, дававшие ему характеристику, отзывались о нем в высшей степени благоприятно Так, химик Альберт Ладенбург ответил на запрос Берлинского философского факультета, что Планк читает лекции очень ясно и свободно. "Вместе с тем он приятный человек, - говорится дальше, - я к нему очень расположен, и мне было бы жаль, если бы мы его потеряли, так как он к тому же хороший музыкант и отличный пианист". В другом отзыве Планк аттестован как "очень добросовестный и успешно работающий доцент", который в высшей степени тщательно готовит свои лекции. "Студенты охотно слушают его, он умеет их заинтересовать"
В рекомендации для Берлинского университета Гельмгольц писал, что Планк в своих работах показал себя как "человек оригинальной мысли, идущий собственным путем. Его работа о законе сохранения энергии, увенчанная премией в Гёттингене, и отдельные работы в других отраслях математической физики свидетельствуют, что у него широкий взгляд на различные разделы этой науки".
Философский факультет Берлинского университета пригласил экстраординарного профессора теоретической физики из Киля на ту же должность в качестве преемника Кирхгофа, умершего в 1887 году. Планк начал работать в Берлине с января 1889 года. Он, собственно, был третьим, кого приглашали на это место Но Больцман, крупнейший из писавших на немецком языке физиков-теоретиков того времени, решительно отказался от переезда в Берлин, а Генрих Герц, приглашенный вторым, предпочел Бонн.
Отныне Планк работает вместе с Гельмгольцем, лекции которого были так скучны для него, но которым он всегда восхищался как исследователем. О первом времени своего пребывания в Берлине он писал в автобиографии: "Это были годы, в течение которых я испытал, пожалуй, сильнейшее расширение всего своего научного кругозора. Это было потому, что я непосредственно общался с людьми, занимавшими тогда ведущее положение в мировых научных исследованиях. Таким человеком был прежде всего Гельмгольц. Я узнал его и с общечеловеческой стороны и столь же высоко оценил его в этом, как уже издавна - в научном отношении. Вся его личность, неподкупность суждений, скромный характер воплощали в себе достоинство и истинность науки".
Начало, однако, было не совсем удачным. Доклад о проблеме термодинамики, который Планк читал на заседании Физического общества, не имел успеха. Когда была объявлена дискуссия, никто не попросил слова. Только председатель, берлинский физиолог Эмиль Дюбуа-Реймон, один из основателей Физического общества, пользовавшийся большим уважением среди его членов, сделал несколько критических замечаний об изложенной Планком теории.
"В целом это было холодным душем на мое разгоряченное воображение, писал Планк в своих воспоминаниях. - Я шел домой несколько удрученный, однако скоро утешился мыслью, что хорошая теория добьется признания и без искусной пропаганды. Так, естественно, произошло и в этом случае".
О том, как упорно занимался Макс Планк в первые берлинские годы вопросами теории теплоты, свидетельствует его доклад "Общие вопросы новейшего развития теории теплоты" на конференции естествоиспытателей в Галле в 1891 году. Выступления Планка имеют непреходящее значение для истории науки, они и сегодня читаются с интересом Планк, работавший в то время в области электро- и термохимии, по достоинству оценивал крупные заслуги в обосновании и построении новейшей физической химии, принадлежащие Вант-Гоффу, Аррениусу, Оствальду и Нернсту.
Через три года после приглашения в Берлинский университет Планк был назначен ординарным профессором. Вскоре после этого, в 1894 году, его по предложению Гельмгольца и Кундта избрали действительным членом физико-математического отделения Прусской Академии наук, причем не обошлось без голосов, поданных против. При тайном голосовании в урну было опущено четырнадцать белых и шесть черных шаров. С 1912 года ученый четверть века был постоянным секретарем физико-математического отделения Академии, в числе членов которой он состоял в общей сложности 35 лет.
Планк поддерживал связи не только с узким кругом коллег: среди его друзей был, например, знаменитый историк и исследователь древности Теодор Моммзен, первый немецкий лауреат Нобелевской премии в области литературы.
После смерти Кундта и Гельмгольца в 1894 году Планк становится самым известным из берлинских физиков и, с начала столетия, ведущим теоретиком среди физиков Германии. Уже в конце 90-х годов в одном из документов отмечается, что Планк "обладает в настоящий момент среди представителей математической физики, вероятно, самым большим научным авторитетом и пользуется признанием как преподаватель". Однако Планк решительно отвергал любое сравнение с Гельмгольцем, который на протяжении десятилетий считался главой немецких физиков. Обычно, когда его пытались сравнивать с "рейхсканцлером науки", он возражал: "Я не Гельмгольц".
К первым годам его пребывания в Берлине относится первый научный спор: дискуссия по поводу "энергетики".
Планк выступил против точек зрения, которые представляли и пропагандировали в Германии дрезденский математик Георг Гельм и прежде всего физико-химик Вильгельм Оствальд. Непосредственным поводом для его выступления послужил доклад "Преодоление научного материализма", который Оствальд прочел в Любеке на конференции естествоиспытателей осенью 1895 года.
Оствальд дал в нем обобщенное изложение своего энергетического взгляда на природу, который в тот момент ограничивался основами физики и химии и не претендовал еще на то, чтобы стать философской системой, охватывающей все сферы жизни, как это произошло в "Лекциях по философии природы" (1901) и в более поздних произведениях, прежде всего в "Философии ценностей" (1913).
Принадлежа к числу естествоиспытателей, интересующихся основными гносеологическими вопросами естествознания, Оствальд еще до переворота, произведенного открытием рентгеновских лучей, осознал, что механистическая картина мира уже недостаточна для толкования открытых в природе связей. В поисках выхода из трудностей он решил, что понятие "субстанция", основное понятие механистического материализма, должно быть вытеснено понятием "энергия". Он считал, что все законы естествознания могут быть выведены из энергетических законов. Нечеткое использование понятия энергии позволило ему - чисто внешне - сгладить "дуализм" вещества и духа, материи и сознания. Таким образом, материализм и идеализм также, казалось, были преодолены.
Все изложенное Оствальдом его коллегам в 1895 году было в основном разновидностью старого, додиалектического материализма, сдобренного некоторыми идеалистическими приправами. Вместо материальной субстанции в центре картины природы стояла энергия, толкуемая Оствальдом в основном материалистически; мир был для него энергией в пространстве и времени. Позднее в "Натурфилософии" Оствальда под влиянием Канта и Маха идеалистические черты выявились сильнее, не став, однако, господствующими.
В бурных выступлениях, последовавших за докладом в Любеке, физики почти единодушно возражали против энергетических взглядов. Больцман и Планк наиболее резко выступили против взглядов Оствальда. Доводы, высказанные устно, Планк вскоре обобщил в статье "Против новейшей энергетики".
Планк не отрицал, что энергетика - будучи связанной с законом сохранения энергии - содержит "определенное здоровое зерно", но считал провозглашенное Оствальдом энергетическое понимание явлений природы роковым заблуждением и возражал против притязания энергетики быть единственно верным толкованием природных процессов. Прежде всего он упрекал энергетику в том, что она скрывает фундаментальное противоречие между обратимыми и необратимыми процессами, с разработкой и углублением которого, по его убеждению, был связан любой прогресс в термодинамике и теории химического сродства.
Планк был непреклонен в своем отпоре энергетическим спекуляциям, и в главном он был прав Восемнадцатью годами позднее Эйнштейн присоединился к этой отрицательной оценке энергетики. Ссылаясь на статьи Планка, он писал в 1913 году: "Для каждого сторонника подлинно научного мышления чтение этой острополемической заметки является вознаграждением за досаду, испытанную им при чтении тех работ, против которых в ней ведется борьба".
В вопросе об атомизме, который до 1908 года рассматривался Оствальдом как ненаучная теория, Планк не был тогда противником главы энергетической школы. Как и многие естествоиспытатели старшего поколения, например Роберт Бунзен или Эрнст Мах, Планк в то время относился к атомизму с глубоким недоверием. Его мнение изменилось лишь в начале века, когда он теоретически обосновал свою формулу излучения.
В своих классических исследованиях теплового излучения, которые он начал в 1896 году, Планк опирался на результаты работ многих немецких физиков. Теория теплового излучения, по словам Лауэ, от начала до конца "made in Germany". В числе первых исследователей этого явления следует назвать Густава Кирхгофа, который в 1860 году в учении о тепловом излучении выдвинул термодинамические идеи и особенно подробно занимался проблемой "черного излучения", излучения абсолютно черного тела.
Кирхгоф сумел доказать, что в закрытом со всех сторон пустом пространстве возникает состояние излучения, которое зависит не от особенных признаков содержащихся в нем тел, а только от их температуры. Исследование проблемы этого излучения в закрытом пространстве, к которому могут быть сведены все вопросы теплового излучения, вскоре, выступило на первый план во всех исследованиях излучаемой теплоты.
Физик Вилли Вин, в то время еще ассистент Имперского физико-технического института и приват-доцент Берлинского университета, попытался в 1896 году разрешить эту проблему посредством закона излучения. Он добился важного, хотя и неполного успеха, который стал последней ступенью на пути к квантовой теории. "И бессмертной заслугой Вилли Вина, - писал Макс фон Лауэ, - остается то, что он довел физику непосредственно до ворот квантовой физики, а уже следующий шаг, который предпринял Планк, провел ее через эти ворота".
Исследуя распределение энергии в нормальном спектре излучаемой теплоты, Планк основывался на законе Кирхгофа для излучения в пустом пространстве и на законе излучения Вина. Таким путем он хотел подойти к своей цели гармонично и прочно связать теорию теплоты и учение Максвелла - Герца об электричестве. Лишь позднее благодаря своему собственному открытию Планк понял, что на почве классической физики невозможно построить мост между этими двумя теориями.
Исходным пунктом для эпохального открытия Планка послужили опыты, поставленные в конце 90-х годов Отто Луммером и Эрнстом Прингсгеймом в Имперском физико-техническом институте с целью более точного определения излучения черного тела. Важное и в конечном счете решающее значение для теоретического обоснования квантовой формулы Планка имели результаты измерений, которые были получены там же Генрихом Рубенсом и Фердинандом Курлбаумом при экспериментах с излучением длинных волн, в особенности с инфракрасным остаточным излучением полевого шпата и каменной соли.
19 октября 1900 года Курлбаум сообщил об этих опытах Физическому обществу в Берлине. Результаты экспериментов не соответствовали установленной Вином формуле излучения, которая была пригодна для коротких волн и низких температур. Планк, узнав о результатах опыта Рубенса и Курлбаума за несколько дней до заседания, в заранее подготовленном дискуссионном замечании предложил новую формулу излучения, которая, как он считал, помогла устранить выявившиеся несоответствия.
Замечания Планка были опубликованы в "Сообщениях Немецкого физического общества" под заголовком "Об улучшении спектрального уравнения Вина". Маленькая, всего на три страницы, статья в методическом отношении несет на себе отпечаток становления открытия. Данная в ней формула излучения была при длинноволновом излучении и высоких температурах справедлива для опытных данных Курлбаума и Рубенса; при коротких волнах и низких температурах она переходила в закон Вина, который тем самым получал характер ограниченного закона.
Проверка уравнения Планка подтвердила полное совпадение его с данными опытов. Рубенс ночью, сразу же после заседания, тщательно сверивший новую формулу излучения с имеющимися результатами измерений, мог сообщить об этом Планку уже на следующее утро.
Планк нашел свою формулу полуэмпирическим путем, благодаря своему несравненному чутью в термодинамике. Он сам рассматривал ее как "удачно угаданную промежуточную формулу". Теперь дело было за ее теоретическим обоснованием.
В процессе этой работы, которую он позднее назвал самой тяжелой в своей жизни, Планк пришел к ошеломляющему выводу. Он обнаружил, что его уравнение, которое со всей очевидностью верно отражало действительность, было справедливым только при одном совершенно новом представлении, а именно при допущении, что в процессах излучения энергия может быть отдана или поглощена не непрерывно и не в любых количествах, а лишь в известных неделимых порциях - в "квантах".
Сумма энергий этих мельчайших порций определяется через число колебаний соответствующего вида излучения и универсальную естественную константу, которую Планк ввел в науку под ставшим знаменитым символом h. Он назвал эту постоянную величину "элементарным квантом действия", или "элементом действия". Сегодня ее чаще всего называют постоянной Планка. Ее числовое значение он определил еще за полгода до этого, в другой связи, на основании измерений Луммера и Прингсгейма.
Теоретическое обоснование и разработка "удачно угаданной" формулы излучения заняли примерно столько же времени, сколько пять лет назад понадобилось Рентгену, чтобы в исчерпывающей форме описать свое случайное наблюдение 8 ноября 1895 года и вывести из него закономерность. Поскольку Планк теперь безоговорочно принял отстаиваемую Больцманом атомистическую точку зрения и статистическую теорию теплоты, он пришел к атомистическому обоснованию своего закона излучения и к представлениям гораздо более широким, чем те, которые сложились при первом подходе. Каким путем пришел ученый к окончательному результату, осталось неизвестно. Подобно Гауссу и Рентгену, Планк всегда неохотно говорил о применяемых методах и промежуточных ступенях своего исследования. "Многократно запутанную дорогу", по которой он шел к вычислению и обоснованию своей константы, он описал не более детально, чем Рентген события ночи, в течение которой он сделал свое открытие.
14 декабря 1900 года на заседании Немецкого физического общества в Институте им. Гельмгольца на Рейхстагуфер Макс Планк сообщил о своем революционизирующем открытии. Его выводы на девяти страницах вскоре появились в печати под заголовком "К теории закона распределения энергии в нормальном спектре".
Планк описал "новый, совершенно элементарный метод", благодаря которому, "не зная формулы спектра или же какой-либо теории, можно количественно вычислить с Помощью одной естественной константы распределение данного количества энергии по отдельным цветам нормального спектра и затем посредством второй естественной константы - по температуре этого излучения энергии".