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".
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".