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".
Первая константа природы - элементарный квант действия h. Другая, также впервые рассчитанная Планком и обозначенная им через k константа природы получила гражданство в физике под именем "константы Больцмана", хотя сам Больцман такую константу не предлагал и не задавался вопросом о ее числовом значении.
Если введение кванта действия еще не создало настоящей квантовой теории, как неоднократно подчеркивал Планк, то все же 14 декабря 1900 года был заложен ее фундамент. Поэтому в истории физики этот день считается днем рождения квантовой теории. Поскольку понятие элементарного кванта действия служило в дальнейшем ключом к пониманию всех свойств атомной оболочки и атомного ядра. 14 декабря 1900 года следует рассматривать как день рождения всей атомной физики и как начало новой эры естествознания.
Для старой атомной физики квантовая формула Планка также была важна. Она позволила точно определить абсолютную величину атома и установить первое достоверное значение предложенного в 1895 году австрийским физиком Лошмидтом числа, с помощью которого можно было определять количество атомов в грамм-атоме, то есть в массе, соответствующей атомному весу. Только после открытия Планка можно с достоверностью говорить, каким "весом" обладают атомы. "В этом, - писал Гейзенберг, - первый неоспоримый большой успех теории Планка".
Измерения в Имперском физико-техническом институте, на которые Планк опирался в своих теоретических обобщениях, исходили из практических потребностей. Немецкая промышленность по производству ламп накаливания в то время начала сильно расширяться. Она нуждалась в точных научных основах для изготовления источников света с возможно более высокой светоотдачей. Мощность старых угольных ламп была ограничена, эти лампы не могли успешно соперничать со все еще преобладающими газовыми осветительными приборами. Решению вопроса могли способствовать только коренные изменения. К числу таких работ принадлежали также эксперименты, результаты которых послужили Планку исходным пунктом в его рассуждениях и вычислениях.
Открытие элементарного кванта действия и обоснование квантовой теории в известной мере можно считать побочным теоретическим продуктом берлинской ламповой промышленности начала века. В связи с этим нельзя не вспомнить мысль Фридриха Энгельса, высказанную им в письме 1894 года: "Если у общества появляется техническая потребность, то это продвигает науку вперед больше, чем десяток университетов". В данном случае у общества была техническая потребность, и она действительно оказала могущественное воздействие на науку, правда не без помощи физика, который преподавал и занимался научными исследованиями в одном из крупнейших университетов того времени.
Макс Планк, обнаружив пробел в классической физике, впоследствии искал возможность согласовать свое открытие с классической картиной мира. Даже десять лет спустя он советовал применять квант действия в теории "по возможности консервативно" и производить в существующем до сих пор здании теории только те изменения, которые совершенно необходимы. На закате жизни в работе "К истории физического кванта действия" он признал, что много лет подряд пытался снова и снова "как-нибудь встроить квант действия в систему классической физики", однако это ему не удалось.
Элементарный квант действия упорно сопротивлялся всем попыткам ввести его в обиход физики при сохранении существующих научных положений. Он взрывал традиционные представления о природных процессах. Он выступал, по словам Луи де Бройля, как "возмутитель спокойствия". Он принуждал физиков радикально переосмыслить основные вопросы их науки.
Сам Планк, по выражению Шрёдингера, квантовую теорию "исторг из души в тяжелой интеллектуальной борьбе" и ступал по новому пути очень осторожно. Его целью была единая, замкнутая в себе физическая картина мира. Теперь он почти с ужасом обнаруживал, что его собственное открытие угрожает как раз этому единству и гармонии в самой их основе.
Отклик на открытие Планка, великое значение которого спустя 20 лет было отмечено присуждением Нобелевской премии, был поначалу очень слаб. Несмотря на то что квантовая гипотеза гораздо глубже и основательней подрывала естественнонаучную картину мира, чем открытие Герца или Рентгена, публикации Планка не сразу и не везде привлекли внимание специалистов.
Примером может служить "Справочник по истории естествознания и техники" Людвига Дармштедтера. В вышедшем в 1908 году втором издании этого обширного справочника, где подробно перечислены 120 открытий и находок во всем мире за 1900 год, имя Планка вообще не упоминается.
Хотя физики начала столетия в известной мере интересовались представлением Планка о квантах, они встречали его с глубоким недоверием. В лучшем случае его считали рабочей гипотезой. На первом Сольвеевском конгрессе в Брюсселе в 1911 году, где Планк делал доклад "Законы теплового излучения и гипотеза элементарного кванта действия", Анри Пуанкаре весьма отрицательно высказался об идеях Планка. То, что Арнольд Зоммерфельд, который вскоре после этого стал одним из создателей классической квантовой теории, держал себя "по меньшей мере нейтрально", как сказал Макс Планк в застольной речи на праздновании своего 80-летия, было исключением, и Планк воспринял этот нейтралитет как "определенную поддержку".
Первым физиком, который восторженно принял открытие элементарного кванта действия и творчески развил его, был Альберт Эйнштейн, тогда еще эксперт Патентного бюро в Берне.
Эйнштейн в 1905 году перенес гениальную идею квантованного поглощения и отдачи энергии при тепловом излучении на излучение вообще и таким образом обосновал новое учение о свете. В квантовой теории света классическая волновая теория и классическая корпускулярная теория света были в диалектическом смысле "сняты" и на более высокой ступени развития слились воедино.
Представление о свете как о дожде быстро движущихся квантов было чрезвычайно смелым, почти дерзким шагом, в правильность которого вначале поверили лишь немногие. И прежде всего с расширением квантовой гипотезы до квантовой теории света был не согласен сам Планк. Но именно квантовая теория света позволила простейшим образом объяснить ряд физических явлений, считавшихся загадочными, например фотоэлектрический эффект. Эйнштейн расчистил дорогу квантовому представлению Планка.
Вместе с тем Планк был одним из первых физиков, которые сразу же признали теорию относительности Эйнштейна гениальным скачком вперед и выступили в ее защиту.
Работа Планка "Принцип относительности и основные уравнения механики" была его вкладом в создание релятивистской механики. Особенно он восхищался тем, что теория относительности преодолела ньютоновское понятие времени. Эйнштейновское представление о времени, сказал он в 1909 году в лекции, прочитанной в Нью-Йорке, превосходит по смелости, "вероятно, все, что до сих пор было достигнуто в теоретическом естествознании и Даже в философской теории познания". Такие высокие оценки у Планка очень редки.
В плане истории науки примечательно, что Планк настойчивее Эйнштейна стремился проследить и выявить в положениях теории относительности абсолютное. Прежде всего он видел его в скорости света, величине постоянной, которая в классической физике обладала лишь ограниченным и подчиненным значением. В теории относительности Эйнштейна она получила абсолютный смысл: как верхняя граница скорости распространения любого действия. "Как квант действия в квантовой теории, - писал Планк в автобиографии, - так и скорость света в теории относительности являются абсолютными центральными пунктами".
Еще раньше Планк, который всегда и везде искал абсолютное, обращал внимание на то, что теория относительности не устраняет из мира абсолютное, но только переносит его дальше назад: в ограниченность четырехмерного пространственно-временного континуума, возникающего из того, что посредством скорости света пространство и время сливаются в единое целое. Эта ограниченность должна быть "чем-то самостоятельным, независимым от какого бы то ни было произвола и потому абсолютным".
В своем подходе к учению Эйнштейна о пространстве и времени как к абсолютной теории Планк является предшественником того толкования специальной теории относительности, которое в последние годы разрабатывается некоторыми советскими математиками и физиками.
Через десять лет после открытия элементарного кванта действия Планк обновил свою квантовую гипотезу в работе "Теория теплового излучения". В этой второй редакции он ее существенно ограничил. Чтобы обеспечить неприкосновенность основных положений максвелловской электродинамики, которые сохранялись и при точнейших оптических измерениях, он предложил рассматривать как квантовый процесс только испускание тепловых лучей, а их поглощение, напротив, как совершенно непрерывный процесс, протекающий по законам классической динамики.
Это был упорядоченный отход на среднюю линию, уступка старой физике, вслед за которой Планк допустил еще одну, значительно большую. Эти уступки отражали сомнения, не покидавшие создателя квантовой теории даже через десять лет после ее выдвижения. Сомнения в реальности кванта действия исчезли лишь после экспериментов Джеймса Франка и Густава Герца (1913) с образованием света в процессе захвата электронов, когда стало возможным непосредственно измерить квант действия. Начался победный путь атомной модели Бора. Таким образом, сомнения Планка относительно первой редакции его квантовой гипотезы стали беспредметными и все ограничения оказались ненужными.
Еще до возобновления споров вокруг квантовой теории Планк начал свою вторую великую научную битву. Пятнадцать лет назад он ожесточенно боролся против энергетического представления о природе, провозглашенного главным образом Оствальдом. Теперь он с той же непримиримостью выступил против позитивистской гносеологии, которая обрела своего глашатая в лице Эрнста Маха.
Критика теории познания Маха содержится в двух работах: в докладе, который Планк сделал в конце 1908 года в Лейденском университете на тему "Единство физической картины мира", и в статье "К маховской теории физического познания", написанной в 1910 году в ответ на статью Маха, в которой делалась попытка отвести упреки Планка.
В докладе для голландского университета, состоявшемся по инициативе Лоренца, Планк впервые подошел к рассмотрению основных философских проблем. От предыдущих десятилетий его научной деятельности не осталось каких-либо высказываний по теории познания.
Энергетическая дискуссия 1895 года была со стороны Планка главным образом спором специалиста-физика о методе. Лишь со вступлением в философский возраст - так Платон называет период после 50 лет - великий физик в своих работах начал уделять внимание и мировоззренческим вопросам. До конца своей жизни он вновь и вновь возвращался к этой области.
Возражения Планка Маху в существенных моментах перекликаются с ленинской критикой махизма как субъективно-идеалистического мировоззрения. В "Материализме и эмпириокритицизме" Ленин разоблачает махизм как "путаницу, смешение материализма с идеализмом". Естественно, Планк в своей критике исходил из иных точек зрения и иной классовой позиции, чем Ленин, и его выступление имело другие побудительные причины, но во многом его критика была созвучна ленинской.
Ленин упрекал Маха в том, что в своей борьбе против механистического материализма он вместе с водой выплеснул из ванны и ребенка, что, отбрасывая ставшие несостоятельными старые представления о материи, он вообще отрицает объективную реальность. Планк утверждал, что Мах заходит слишком далеко, что, стремясь разоблачить механистическую картину мира, он обесценивает и его физическую картину.
Ленин задавал махистам разоблачающий вопрос: "Существовала ли природа до человека?" Планк писал: "Имеем ли мы разумные основания утверждать, что принцип сохранения энергии существовал в природе еще тогда, когда ни один человек не мог думать о нем, или что небесные тела будут по-прежнему двигаться согласно закону тяготения и после того, как Земля со всеми ее обитателями разлетится в куски?"