Max Planck

UVOD Njemački fizičar i Nobelovac Max Planck rođen je u Kielu, 23. travnja 1858, umro u Göttingenu, 4. listopada 1947. Osnivač je kvantne teorije koji je 1910. godine objavio revolucionarnu hipotezu da svaki izvor energije može zračiti energiju samo u diskretnim količinama - kvantima. Na toj osnovi izveo je zakon zračenja, poznatu Planckovu formulu. Njegovu ideju o diskontinuiranosti energije, koja je danas temelj tumačenja svih atomskih pojava, kasnije su primijenili Einstein i Bohr na tumačenje fotoelektričnog efekta i spektra vodikova atoma. Na sjednici Njemačkog fizikalnog društva 14. prosinca 1900. godine Max Planck je predstavio svoj rad Zur Theorie des Gesetzes der Energieverteilung im Normalspektrum u kojem je opisao zakon zračenja crnog tijela dobiven putem revolucionarne hipoteze kvantizacije energije. Taj se datum smatra rođendanom kvantne fizike. ŽIVOTNI I ZNANSTVENI PUT Max Planck dolazi iz fakultetski obrazovane obitelji – otac mu je bio profesor prava u Kielu, a oba djeda, kao i pradjed bili su profesori teologije u Göttingenu. Godine 1867. obitelj se seli u München gdje Max pohađa školu. Još kao vrlo mlad, sa šesnaest godina, Planck je odlučio studirati fiziku, iako on sam to vrijeme ranih odluka skromno opisuje. Kao mladića ga je, rekao je jednom, zanimalo baš sve, tako da je bio čisti slučaj da je postao fizičar, a ne filolog. Ili možda glazbenik. Jer je izvanredno svirao violonočelo, klavir i orgulje. Uzimao je satove pjevanja te skladao pjesme pa čak i jednu operetu. Inače je poznato da su geniji fizike često vrlo nadareni glazbenici. Na kraju se ipak odlučio za fiziku. Štoviše za jednu njezinu vrlo posebnu granu, od koje su ga tada, kako sam kaže, vodeći fizičari zdušno odgovarali. "Teorijska fizika je vrlo lijep fah. Ali u načelu nešto novo tamo teško da ćete još moći otkriti", prisjećao se Planck kasnije tih savjeta. Započinje studirati na Sveučilištu u Münchenu. Na sreću, Planck se odlučio za fiziku i pored siromašne budućnosti za istraživanja kako je njemu predstavljano. Planck opisuje zašto je odabrao fiziku: „Vanjski svijet je nešto neovisno od čovjeka, nešto apsolutno, pretraga u zakonima koji se temelje na apsolutnim primjenama, a meni su se prikazala kao najveća sublimarna znanstvena potjera u životu.“ Planck je studirao i u Berlinu gdje su mu bili profesori Helmholz i Kirchoff. Kasnije je pisao kako je obožavao Kirchhoffa, ali ga je kao učitelja nalazio suhog i monotonog. Planck se vratio u München gdje je je doktorirao s navršenom 21.godinom. Nakon toga je morao čekati punih pet godina, jer na području teorijske fizike za njega nije bilo mjesta. Njegova tema je bila teorija topline. Tu je Max došao do otkrića kojim je postavio temelje za kvantnu fiziku. Otkrio je da tijelo ne zrači energiju kontinuirano, već u naletima, u sićušnim

količinama, u takozvanim kvantima. "U početku sam se nerado bavio tom teorijom, jer je bila u suprotnosti sa svim dotadašnjim predstavama klasične atomistike. Ali drugog puta nije bilo", ispričao je jednom prilikom Godine 1885. je dobio mjesto predavača na Sveučilištu u Kielu. To je mjesto zadržao četiri godine. Nakon smrti Kirchhoffa, 1887. godine, Planck je postavljen za predavača teorijske fizike na Sveučilištu u Berlinu gdje je ostao do 1927. godine kada se morao povući.

Humboldtovo sveučilište u Berlinu, gdje je Planck predavao

REVOLUCIJA FIZIKE Planckova formula i Planckova konstanta- rješenje ultraljubičaste katastrofe Poznato je da sva tijela isijavaju (zrače) energiju u obliku elektromagnetskih valova, tj. fotona. U to se lako možemo uvjeriti npr. zagrijavanjem običnog metalnog čavla na plinskom štednjaku - nakon nekog vremena, kad temperatura postane dovoljno visoka, čavao se užari: promijeni boju i počinje isijavati svjetlost crvenkaste boje. To isijavanje nije ništa drugo doli svjetlost tj. elektromagnetski valovi. Može se ustanoviti da taj čavao emitira i elektromagnetske valove drugih valnih duljina, nevidljivih ljudskom oku. U stvari, taj čavao će emitirati elektromagnetske valove praktički svih frekvencija (ili svih valnih duljina, budući produkt frekvencije i valne duljine mora biti jednak brzini svjetlosti), čak ako ga i ne zagrijavamo. Od kuda dolazi to zračenje? Od gibanja atoma i/ili molekula. Intenzitet zračenja elektromagnetskih valova nije isti za sve frekvencije. Neke frekvencije će tijelo zračiti više, neke manje, a u igri je i temperatura, kao što se može zaključiti iz eksperimenta s čavlom. Potkraj XIX. stoljeća jedan od problema koji su fizičari pokušavali riješiti bio je nalaženje ovisnosti intenziteta zračenja o frekvenciji, ili drugim riječima, tražio se spektar zračenja nekog tijela. U tim teorijskim razmatranjima se iskristaliziralo da je zgodno definirati crno tijelo, kao fiktivno tijelo (predmet) koje upija svo elektromagnetsko zračenje, tj. da nema refleksije. Kako u tom slučaju to tijelo ne bi reflektiralo niti vidljivu svjetlost, ono bi se nama činilo crno, od kuda je i nastalao to ime. Stavimo li crno tijelo u neko okruženje u kojem vlada konstanta temperatura T, ono će nakon nekog vremena poprimiti temperaturu te okoline i nalazit će se u tzv. termičkoj ravnoteži. Pretpostavimo još da je oko crnog tijela sloj vakuuma. S obzirom da tijelo upija svo elektromagnetsko zračenje koje dolazi od okoline, a kako znamo da je zračenje energija, to crno tijelo mora i isijavati elektromagnetsko zračenje. Upravo raspodjela intenziteta elektromagnetskog zračenja o frekvenciji čini ono što se naziva spektar crnog tijela. Prednost crnog tijela je u tome što nema 'gubitaka' energije na refleksiju, a osim toga može se pokazati da u tom slučaju njegov spektar ne ovisi o obliku, sastavu, već samo i isključivo o ravnotežnoj temperaturi T.

Klasično razmatranje: Iz činjenice da je crno tijelo u termičkoj ravnoteži s okolinom koja je na temperaturi T, klasična fizika (krajem XIX) stoljeća je bila u stanju dati definitivan odgovor kako bi spektar zračenja trebao izgledati. Ilustrirat ćemo teorijski izvod u glavnim crtama, sa svim glavnim argumentima. Traži se, dakle, spektar tj. intenzitet zračenja, ili preciznije, iznos energije koji emitira/izrači crno tijelo i to u nekom malom intervalu frekvencija. Prema tome, pišemo: gdje je ΔE(f) izračena energija, a I(f) spektar - iznos energije po jedinici frekvencije. Zbrajanjem (integriranjem) svih energija dobit ćemo ukupnu energiju E koju zrači crno tijelo temperature T. U to doba se znalo da je ta energija proporcionalna četvrtoj potenciji temperature i to je tzv. Stefan-Boltzmann-ov zakon. Preostaje, dakle, još pronaći izraz za I(f). On je proporcionalan broju valova koje emitira crno tijelo i srednjoj energiji jednog vala dane frekvencije. Može se pokazati da broj elektromagnetskih valova raste s kvadratom frekvencije elektromagnetskih valova. (Okvirno govoreći, treba izbrojati svaki period vala u nekon dijelu prostora; kako su valne duljine valova većih frekvencija kraće, to će ih se u dani prostor moći smjestiti više.) Sada dolazi do problema u klasičnoj fizici: srednja energija nekog vala frekvencije f se može povezati sa ravnotežnom temperaturom u kojoj se sustav nalazi, i ona je jednaka kBT, gdje je kB tzv. Botzmann-ova konstanta. Bitan argument u dokazivanju tog izraza (tzv. 'teorem o ekviparticiji energije') jest mogućnost da neki val može poprimiti bilo koju energiju. Time izraz za spektar postaje: Primjetimo da taj izraz predviđa da je intenzitet zračenja crnog tijela to veći što je frekvencija veća. A to je u vrlo velikom neslaganju s opažanjem. Npr. prema tom izrazu slijedi da je intenzitet X-zraka (valne duljine reda veličine 0.1 nm) oko milijun puta veći od intenziteta vidljive svjetlosti. To otprilike znači da bi onaj čavao sa početka priče isijavao smrtonosnu količinu X-zraka, što naravno nije slučaj. Ovo veliko razmimoilaženje teorije i svijeta oko nas (koji jednostavno ne bi mogao postojati kada bi vrijedila gornja formula) je nazvan ultraljubičasta katastrofa i to je krajem XIX. stoljeća bio vrlo veliki kamen spoticanja klasične fizike, budući da je izvod tog pogrešnog rezultata bio oslonjen na (tada poznate) fundamentalne zakone fizike. Kvantno razmatranje: Planck je 1900. godine objavio članak u vezi tog problema, u kojem je uspio pomoću jedne čudne pretpostavke spasiti klasičnu fiziku. Ta pretpostavka se tiče teorema o ekviparticiji energije: Planck je pretpostavio da frekvencije titranja atoma (ili molekula, elektrona ...), koja dovode do emitiranja elektromagnetskih valova, ne mogu biti proizvoljne, već da su one kvantizirane. Osim toga, pretpostavio je da je onda energija jednog takvog vala proporcionalna frekvenciji f tog vala. Uzevši te pretpostavke u obzir, Planck je onda pokazao da srednja energija nekog vala frekvencije f nije više dana s kBT, već s

Time izraz za spektar poprima oblik (Planckova formula):

koji ne pati od 'klasičnih' problema: s porastom frekvencije, intenzitet prvo poprima neku maksimalnu vrijednost, i zatim pada prema nuli. Osim toga, taj spektar se slagao sa tada postojećim eksperimentalnim mjerenjima, te je Planck pomoću njih mogao izračunati i vrijednost konstante proporcionalnosti h između energije i frekvencije, E=hf. Ta se konstanta naziva Planckova konstanta, i jedna je od fundamentalnih brojeva, poput npr. brzine svjetlosti. Planckovo otkriće diskretnih kvanta energije elektromagnetskog zračenja bilo je u oštroj suprotnosti s klasičnom teorijom, što je duboko uznemiravalo i samog Plancka pa je naknadno čak nastojao formulirati neke hibridne verzije svoje kvantne teorije kako bi je približio klasičnoj fizici koliko mu se samo činilo mogućim. U jednom pismu, godinu kasnije, Planck je predstavio formule rekavši: „ ... cijela procedura je djelo bezumlja zbog toga što je teoretska interpretacija po bilo kojoj cijeni, bezupitno ću razlog morati pronaći kako visoko će to moći biti.“ Za samo dva mjeseca Planck je napravio potpuni teoretski zaključak svoje formule koja se distancira od klasične fizike te predstavlja kvantnu energiju. Radikalna formulacija kvantne fizike je dobivala sve više potvrda. 1905. g. Einstein je pomoću nje dao brilijantno objašnjenje foto-električnog efekta. Planck sam izjavljuje kako uprkos pronalaska kvantum teorije on sam ne shvaća zavisnost: „Ja sam probao odmah postaviti elementarni kvantum akcije u okvir klasične teorije na jedan ili drugi način. Ali u prisutnosti svih ovakvih pokušaja ova konstanta pokazuje neslomljivost ... Moji uporni pokušaji postavljanja elementarnog kvantuma akcije u klasičnu teoriju koštao me puno napora kroz određene godine.“ Nobelovu nagradu za fiziku dobio je 1918. godine. Jednom je rekao kako svatko tko ozbiljno proučava znanost mora pročitati misao napisanu na vratima hrama nauke: "Imaj vjeru." Tadašnja znanstvena elita nije željela vjerovati Maxu Plancku. Jer time bi bio pobijen do tada važeći fizikalni zakon po kojem priroda ne pravi nikakve skokove. Prošao je cijeli niz godina prije nego fizikalna javnost nije uzela u obzir njegovu teoriju. U početku je ona u širokim krugovima naišla na nerazumijevanje i bila je ignorirana, kao što je često slučaj s novim stvarima. Ali Planck se ni jednog trenutka nije dao zaplašiti i čvrsto je vjerovao u svoju teoriju.Od samog početka svog znanstvenog puta više je puta dokazao kako je vjera suštinski atribut nauke. Poslije toga Planck je igrao malu ulogu u daljem razvoju kvantumteorije, koju je ostavio Paulu Diracu i drugima. On je preuzeo administrativne obaveze u Direkciji za matematiku i fiziku Pruske Akademije Nauka gdje je ostao do 1943. godine. Također je od 1930. do 1937. godine bio predsjednik Keiser Wilchelm Gesellschafta, najvažnije Njemačke istraživačke organizacije. Ostao je u Njemačkoj i za vrijeme 2. svjetskog rata. Politički se zauzimao za progonjene židovske znanstvenike, pa i za samog Einsteina, kad su ga nacisti otpustili sa katedre. Tim povodom je i odstupio sa predsjednickog pijedestala

"Keiser-Wilhelm-Geselschaft", jer se nije slagao s politikom treceg Reicha. Nakon Drugog svjetskog rata Plancku je bilo 87 godina. Tada je započeo svoj zadnji veliki projekt. Obnovio je istraživački centar u uglednom Društvu cara Wilhelma i postao njegovim predsjednikom. Na pritisak Saveznika 1946. društvo je preimenovano u Max Planck. U ovu uglednu istraživačku organizaciju danas je uključeno 80 instituta. Planck je umro 4. listopada 1947. sa 89 godina, nakon teškog pada i nekoliko moždanih udara. Planck je u Berlin doveo mnoge kasnije dobitnike Nobelove nagrade, pa i Lise Meitner koja je zahvaljujući Planckovom zazimanju dobila, kao prva žena na nekom pruskom sveučilištu, asistentsko mjesto. Max Planck je položio temelje za najmodernije grane fizike. Bez njegova otkrića o diskontinuiranosti energije i kvantima ne bi bilo tranzistora, lasera, kompjutora niti drugih dostignuća informatičke tehnologije. Privatno je pak Max Planck doživio nekoliko katastrofa. Prva mu je žena umrla od tuberkuloze zatim je proživio i smrt četvoro djece. Najstariji sin mu je 1916. poginuo u Prvom svjetskom ratu, dvije kćeri blizanke su umrle pri porodu, a najmlađi sin Erwin Planck bio je umiješan u atentat na Hitlera i pogubljen je 1945. U Drugom svjetskom ratu njegova kuća u Berlinu izgorjela je do temelja sa svim dokumentima i znanstvenim materijalima tijekom jednog avionskog napada. Božanska matrica Može li se reći da čuda što ih vidimo u kvantnome svijetu pokazuju naše mogućnosti, a ne naša znanstvena ograničenja? Je li moguće da su spontana izlječenja, povezanost sa svime i svakim, te putovanja kroz vrijeme naše istinsko nasljeđe? „Ne postoji materija kao takva. Sva materija potječe i postoji zbog sile koja dovodi česticu atoma do vibracije i drži ovaj maleni solarni sustav atoma zajedno. Moramo pretpostaviti da iza ove sile postoji jedan svjesni i inteligentan um. Taj um je matrica sve materije.“ Max Planck Postoji mjesto u kojem se rađaju sve stvari, lokacija čiste energije koja jednostavno „jest“. U tom kvantnom inkubatoru stvarnosti, sve je moguće. Max Planck je šokirao svijet tvrdeći kako je ta matrica mjesto s kojega potječe rođenje zvijezda, DNK i sve ostalo. Nedavna otkrića pružaju dojmljive dokaze da je njegova matrica, tj. Božanska matrica, stvarna. Ona je karika koja nedostaje u našem razumijevanju, ona je spremnik čitavog svemira, most između mašte i stvarnosti te zrcalo kojim nam svijet pokazuje ono što stvaramo svojim uvjerenjima

ZANIMLJIVOSTI Planckovo pravo ime

Njemačka je televizija otkrila da pravo ime poznatog fizičara i nobelovca Maxa Plancka zapravo nije bilo Max, nego Marx. Novinari magazina Schleswig-Holstein njemačke televizijske postaje NDR otkrili su pravo ime poznatog fizičara istražujući njegov život u povodu 150. obljetnice njegova rođenja 2008.godine. Stručnjaci su potvrdili da su dokumenti o fizičarevu imenu izvorni, tvrdi NDR, koji je snimio unos u maticu krštenih u župi St. Nikolai u Kielu. Marx je stara njemačka verzija imena Markus. Anegdota s Einsteinom Albert Einstein i Max Planck rado su igrali šah. Obojica su poznavala Emanuela Laskera (1868.-1941.) koji je bio svjetski prvak u šahu od 1894. do 1921. godine. Njih su trojica često u Berlinu igrali šahovske partije. Iz 1921. godine u svezi s njima prepričava se ova anegdota. Einstein i Lasker odlučili su napraviti psinu Plancku koji je žudio u šahovskoj partiji pobijediti Laskera. Za vrijeme partije između Laskera i Plancka, a prema dogovoru s Laskerom, Einstein se podvukao pod stol, za kojim su igrali Lasker i Planck te je Plancku međusobno svezao vezice obaju cipela kako bi Planck pao kad pokuša napraviti korak. Kad je završio s vezanjem vezica Planckovih cipela, Einstein je o obavljenome, dogovorenim znakom obavijestio Laskera. Lasker je počeo vući slabe poteze tako da je izgubio partiju. Čestitao je Plancku na dobivenoj partiji, na što je ovaj sav sretan uzviknuo: »Pobijedio sam svjetskoga prvaka!«. Potom je ustao, izgubio ravnotežu te se na podu protegnuo koliko je dug i širok. Dvoranom je odjeknuo smijeh. Smijali su se i Einstein i Lasker, jedino se nije smijao Planck. Neko vrijeme Planck nije razgovarao s Einsteinom premda je u znanstvenom institutu Einsteinu bio šefom!

Akademik Ivan Supek o Maxu Plancku: Bio sam kod njega u Berlinu 1937. godine, on je tada bio osamdesetogodišnjak, ali vrlo živog duha. Posjetio sam ga kod kuće na Debyejevu preporuku pa smo slobodno razgovarali. Ispričao mi je o svom susretu s Hitlerom. Kad su nakon dolaska na vlast nacisti počeli tjerati Židove s fakulteta i instituta, Max Planck je otišao kod Hitlera i rekao mu da to nije u redu. Židovi su u Prvom svjetskom ratu bili bolji patrioti nego mnogi Nijemci jer ih je mnogo poginulo boreći se na njemačkoj strani. Hitler je pobjesnio i rekao mu da su Židovi neprijatelji arijevske rase pa se Planck povukao. Slušao sam, gledajući ga kao da je živi spomenik. Iz Jutarnjeg lista Ponedjeljak, 20. ožujak 2006. Naslov: Ivan Supek: Moj život s nobelovcima 20. Stoljeća, Autor: Tanja Rudež

Popis korištene literature:

Faj, Zdravko, Pregled povijesti fizike, Sveučilište u Osijeku, Osijek, 1999. Supek, Ivan, Povijest fizike, Školska knjiga, Zagreb, 1980. Supek, Ivan, Teorijska fizika i struktura materije, Školska knjiga, Zagreb, 1974.

Ž. Dadić, Povijest metoda i ideja u matematici i fizici, Školska knjiga, Zagreb 1992.god. http://hr.wikipedia.org/wiki/Max_Planck;