Настройщик революции

Фон Планки состояли в родстве с Гегелями, Шеллингами, Шиллерами и Гельдерлинами. Несколько поколений Планков были теологами. Уже на закате жизни, в конце Второй мировой войны, лишенный нацистским руководством своих высоких постов, потерявший детей и глубоко разочарованный в окружающей действительности, Макс Планк объявит с университетской кафедры: «К Богу!» — и сформулирует один из самых нетривиальных своих афоризмов: «Для религии Бог стоит в начале всякого размышления, а для естествознания — в конце».

Человек, перевернувший в конце XIX века естествознание, родился в старом ганзейском прибалтийском городе Киле, за который долго соперничали Дания и Германия. Его отец, преуспевающий университетский профессор-юрист, скоро получает кафедру в Мюнхене и переезжает в эти «баварские Афины» с семьей. Макс поступает в престижную Максимилиановскую гимназию, увлекается музыкой и точными науками. Довольно рано в нем просыпается тяга к поиску абсолютных, универсальных законов, «не зависящих от человека и истории», и этот подход останется для него принципиальным на всю жизнь. 

Сильнейшее впечатление на него производит закон сохранения энергии, с которым его знакомит школьный учитель физики. Выбирая между карьерой музыканта (у него обнаруживаются задатки блестящего пианиста) и физикой Планк идет за советом к знакомому отца — декану естественнонаучного факультета Мюнхенского университета Филиппу фон Жолли. Тот уверяет его, что здание современной физики в целом построено и на долю следующих поколений остаются непринципиальные уточнения некоторых деталей, поэтому для звездной карьеры лучше поискать другую область. Уже на самом рубеже веков в том же духе выскажется лорд Кельвин, его слова о двух маленьких оставшихся облачках на ясном небе современной физики — излучении абсолютно черного тела и опыте Майкельсона—Морли — стали широко известны, так как вскоре после того, как они были произнесены, эти два облачка спровоцировали ураган квантово-релятивистской революции, оставившем о голубом небе классической физики разве что приятные воспоминания.

Необратимый выбор

Как ни странно, скептицизм фон Жолли произвел на юного Планка обратное действие: он решил посвятить жизнь скрупулезной доводке идей великих предшественников до совершенного финала и начал изучать физику. Планка привлекает чистая теория, но чистых теоретиков тогда еще не готовили, и ему приходится поработать руками. В Мюнхенском университете он ставит первый и последний в своей научной карьере эксперимент — устанавливает в газовой трубе палладиевую заслонку и обнаруживает, что она проницаема для водорода и непроницаема для других газов. Впрочем, это открытие его не сильно возбуждает — его интересуют первые принципы природы, которые можно познать чистым мышлением.

Лекции в Мюнхенском университете Планка не вдохновляют. Он читает Кирхгофа и Гельмгольца, они становятся его кумирами, но Кирхгоф и Гельмгольц преподают в Берлине, и Планк вскоре переводится в столичный университет. Но и здесь его ждет разочарование: Кирхгоф читает скучно, а Гельмгольц сбивчиво, причем постоянно прерывает ход лекции экспериментами, а это отвлекает теоретика Планка от размышлений. Впрочем, именно Гельмгольц, разглядевший в Планке большой теоретический талант, убеждает его продолжать идти тем же путем: «Имейте терпение, через некоторое время физик-теоретик станет профессией, а теоретические кафедры начнут расти как грибы».

По окончании Берлинского университета Планк возвращается в Мюнхен. Он решает заняться термодинамикой, которая к тому времени уже перестала быть горячей темой — аксиоматический базис и аппарат теории казались хорошо разработанными. Но Планку того и нужно, он с удовольствием бросается шлифовать и уточнять формулировки фундаментальных принципов этой дисциплины — первого, представляющего, по сути, столь поразивший Планка в гимназии закон сохранения энергии, но в особенности второго — закона о неубывании энтропии изолированной системы. Он зачитывается Клаузиусом и пытается обобщить его формулировки, в том числе наиболее известную: «Тепло не может перейти само по себе от более горячего тела к более холодному». Уточнение Планка — введение понятия «естественного» процесса, так он называет все необратимые процессы, и переформулировка закона с помощью более корректного определения энтропии, которую Планк считает такой же фундаментальной величиной, как и энергия. В докторской диссертации Планк формулирует второе начало следующим образом: «Никаким способом нельзя процесс теплопроводности сделать полностью обратимым. Во всех естественных (то есть необратимых) процессах сумма энтропий участвующих в них тел возрастает».

Однако, несмотря на воодушевление Планка, его работы по теоретической термодинамике не замечают, в лучшем случае его воспринимают как чудака, тратящего время на терминологическую эквилибристику в давно сложившейся области, диссертацию он защищает при некотором недоумении, если не сказать сочувствии, коллег.

Между тем в науке разворачивается серьезная борьба между так называемыми энергетиками и атомистами. Энергетиков, близких к Маху и отвергающих любые измышления, не подкрепленные «комплексами ощущений» (в частности, таковыми они считают молекулы и атомы), возглавляет Вильгельм Оствальд, «русский профессор», выпускник Дерптского университета и преподаватель Рижского технического училища, переехавший работать в Лейден. Оствальд создает новую дисциплину — физическую химию, основанную на чисто феноменологической методологии, и поливает полемическим презрением ученых, строящих молекулярно-кинетическую теорию и вводящих в науку электрон. Противоположный лагерь возглавляет Людвиг Больцман, уже практически переведший феноменологическую термодинамику на язык статистической физики, работающей с отдельными атомами и молекулами. Планк вдруг решает заняться приложением своих термодинамических штудий к физхимии и выходит на авансцену. Но, возможно, зря: вскоре он получает ощутимые пинки и от тех, и от других. С одной стороны, Планк прошел период увлечения Махом и ему претит вероятностный, статистический подход к «святым» основам феноменологической термодинамики. Больцман, сводящий таинство энтропии к вероятности осуществления какого-либо состояния, его пугает. В настоящий ужас повергает его больцмановский «молекулярный хаос». С другой стороны, Планк прекрасно понимает, что будущее за атомистикой и ограничение познания только комплексами ощущений не дает возможности познать первые принципы природы, «независимые от истории и человека». Сначала с ним порывает Оствальд, потом резко охлаждаются отношения с Больцманом.

В абсолютно черном теле

Впрочем, карьера Планка идет вверх — пророчество Гельмгольца о появлении спроса на теоретиков начинает сбываться. По рекомендации Гельмгольца Планку предлагают возглавить только что созданный Институт теоретической физики при Берлинском университете, и он с радостью соглашается. Одна из первых работ в новой должности была сделана Планком совсем не в области теоретической физики. Он вдруг решает прочитать курс лекций по теории музыки и даже проводит одну «экспериментальную» работу. Дело в том, что институту была передана в качестве инвентаря большая фисгармония с натуральной чистой настройкой. 

Планк обнаруживает на слух, что натуральная настройка проигрывает темперированной. Озадачившись этой темой, он приходит к выводу, что все дело в культурной привычке, начавшей формироваться еще во времена Баха, и даже публикует на эту тему статью, где объясняет, как наше ухо «перешло» на темперированную настройку с натуральной. При этом Планк время от времени выступает с концертами, предпочитая композиторов-романтиков. Именно в этот «музыкальный» период Планк вглядывается в одно из кельвиновских облачков — излучение абсолютно черного тела, приводящее классическую физику в ступор уже не первый год.

Модель абсолютно черного тела можно изобразить следующим образом. Представим себе изолированную сферическую полость с идеально отражающими стенками, которая заполнена произвольно излучающими и поглощающими телами. Через определенное время тела приобретут одну и ту же температуру, каков при этом будет спектр излучения? Еще Кирхгоф предположил, что излучение будет зависеть только от температуры (не будет зависеть от тела), и таким образом мы будем иметь дело с абсолютным и универсальным принципом, которые так любил Планк. Но вот точной формулы получить не удавалось.

Больцман применил электродинамическую теорию и вывел, что общая энергия излучения абсолютно черного тела будет пропорциональна четвертой степени температуры (закон Стефана—Больцмана), но это общая энергия излучения, а как она будет распределена в спектре? Вин рассчитал, что с ростом температуры интенсивность излучения в спектре будет смещаться к ультрафиолетовой зоне. А Рэлей и Джинс обнаружили, что, если следовать законам классической физики, в ультрафиолетовой части спектра интенсивность излучения становится бесконечно большой. Наступала так называемая ультрафиолетовая катастрофа — такой мир не мог существовать сколь-нибудь долго. Синтеза двух тщательно разработанных ветвей классической физики — термодинамики и электродинамики — не получилось. Облачко Кельвина на глазах превращалось в тучу, закрывающую горизонт. И тут за дело взялся чудаковатый несовременный Планк. Вот как он описывал впоследствии ситуацию: «Все вели поиски только в том направлении, что старались установить зависимость интенсивности излучения от температуры, тогда как я подозревал о существовании глубокой связи между энтропией и энергией. Так как смысл понятия энтропии тогда еще не получил подобающей ему оценки, то никто не интересовался методом, которым я пользовался, и я мог проводить свои вычисления не спеша и основательно, не опасаясь помех или опережения с чьей-либо стороны».

Планку удалось вывести формулу излучения абсолютно черного тела, полностью соответствующую экспериментальным данным. Тогда эксперименты в этой области велись в Физико-техническом институте Кайзера Вильгельма Курльбаумом и Рубенсом, и Планк оперативно получал свежие данные, которые и натолкнули его на правильную формулу. Но чтобы объяснить свою формулу, ему пришлось сделать странное допущение о своеобразном, если воспользоваться музыкальной аналогией, «темперировании» излучаемой энергии: «Энергия, согласно принятой теории, должна будет с течением времени целиком перейти из материи в излучение, чего не наблюдается. Чтобы предотвратить этот тотальный переход в излучение, придется допустить, что с самого начала энергия вынуждена пребывать в определенных количествах» (или, говоря современным языком, квантоваться). Позже этот мутноватый феноменологический язык Планк успешно заменил на ясный атомистический, и необходимость в интуитивных музыкальных аналогиях отпала: «Предположив, что в веществе существуют электроны, способные совершать гармонические колебания с частотой v около положения равновесия, мы допускаем, что электроны эти могут отдавать или заимствовать энергию E лишь в форме конечных количеств hv». Е = hv, где h — универсальная постоянная Планка отныне и во веки веков. Так началась квантовая революция, навсегда покончившая с классическими непрерывностью и детерминизмом, причем первый, важнейший шаг был сделан любителем классической термодинамики и чистых принципов мышления Максом Планком.

За рамками теории

Надо отметить, что эксперименты Курльбаума и Рубенса, давшие толчок великому открытию Планка, велись в исследовательской организации довольно нового типа — Физико-технический институт был создан с целью заниматься не только фундаментальными работами, но и исследованиями в интересах промышленности и армии. Одним из его вдохновителей и спонсоров был Сименс. Эксперименты по излучению абсолютно черного тела были эпизодом в большой программе в интересах немецкой промышленности по увеличению светоотдачи и увеличению мощности ламп накаливания (тогда они еще проигрывали газовым, но было ясно, что это временная ситуация). 

Германия решила стать лидером в новой, революционной тогда отрасли по разработке и запуску в производство новых источников света, что имело как экономические, так и военные резоны. Это дало повод одному историку науки даже запустить радикальный тезис: «Квантовая теория — сопутствующий продукт немецкой ламповой промышленности». Любопытно, что и сотрудники института часто были не просто чистыми учеными — тот же Курльбаум возглавлял отдел электротехнического оборудования Берлинского технического университета, активно работал на немецкий ВПК и входил в экзаменационную артиллерийскую комиссию. Опыт Физико-технического института показался удачным Вильгельму II, и он решил создать Общество поощрения наук, объединяющее целый ряд существующих и создаваемых научно-исследовательских институтов, знаменитое Общество кайзера Вильгельма, где, в отличие от университетов, ученые полностью освобождались от педагогической нагрузки. Сенатором общества, возглавлявшим систему институтов, а вскорости и его президентом стал Макс Планк, его спонсорами — крупнейшие промышленники и банкиры Германии, которые обязывались вместе с государством обильно финансировать подопечные НИИ в интересах науки, промышленности и государства. 

Общество сыграло большую роль в Первой мировой войне, когда в его институтах были разработаны и внедрены в промышленность многие прорывные технологии. Например, Фриц Габер разработал способ получения азота из воздуха, что дало возможность решить вопрос с дефицитом сырья для взрывчатых веществ, он же наладил серийное производство противогазов и химического оружия, важные работы были сделаны по военной оптике и другим направлениям.

В период Веймарской республики у Общества, как и у всей немецкой науки, наступили тяжелые времена: спад экономики, сокращение финансирования, кадровый дефицит. Здесь Планк проявил себя с неожиданной стороны — как эффективный менеджер: он инициировал Чрезвычайную ассоциацию немецкой науки и находил средства не только для институтов подконтрольного ему Общества, но и других организаций. С пониманием, хотя и с грустью, отнесся Планк к переориентации институтов на сугубо прикладные работы в интересах восстанавливающейся немецкой промышленности, призывая при этом не забывать и о милых его сердцу фундаментальных исследованиях. Планк стал плотно общаться с промышленниками и в конце концов даже вступил в ряды Немецкой народной партии, представлявшей их интересы.

При участии Планка Общество убедило капитанов индустрии внести свой вклад в поддержку науки, дополнив сеть своих организаций промышленными исследовательскими институтами. Промышленные институты открывались в индустриальных районах Германии. Предприниматели из различных отраслей видели в Обществе кайзера Вильгельма эффективную систему управления и организации исследований и разработок. В некоторых случаях оно успешно заменяло промышленные исследовательские лаборатории и направляло компании на путь модных сегодня открытых инноваций. В итоге Общество стало чуть ли не процветать, несмотря на инфляцию и депрессию. В течение всего Веймарского периода оно росло, количество его институтов к началу 1930-х годов достигло тридцати. 

С приходом к власти нацистов Планк был оставлен на своих высоких должностях (он был не только президентом Общества, но также секретарем Академии и ректором Берлинского университета). Когда начались гонения на еврейскую науку, Планк решил воспользоваться своим положением и добиться аудиенции у фюрера. Он пришел к Гитлеру и после ритуальных заверений в лояльности решил в качестве пробного шара попросить за Франца Габера, подвергшегося гонениям из-за еврейского происхождения. Планк думал, что это беспроигрышный вариант, ведь без разработок Габера Германия не продержалась бы так долго в Первую мировую. Но на Гитлера это не произвело никакого впечатления, и, по воспоминаниям Планка, он стал молоть какую-то чушь про свои стальные нервы и несгибаемую волю, впал в итоге в раж, чем окончательно напугал великого физика. Разочарованный Планк решил опять залечь на дно и за Эйнштейна, например, уже заступаться не пошел, чем окончательно испортил их дружеские когда-то отношения. Позже Геббельс признавал: «Было большой ошибкой, что мы не смогли склонить науку к поддержке нового государства, и то, что такие люди, как Планк, мягко говоря, относятся к нам сдержанно, непоправимо».

На закате жизни. Планк с женой Маргаритой фон Хёсслин. 1947 год

Pinterest.com