ماکس پلانک: آغازگر انقلاب علم فیزیک در قرن بیستم

ماکس پلانک، فیزیکدان مطرح آلمانی، درک ما از عالم را برای همیشه تغییر داد. او با اکتشافات خود دید ما از علم فیزیک را به‌طوری تغییر داد که دانشمندان به کمک ایده‌های او توانستند نظریه‌های انقلابی ارایٔه دهند. در این مقاله قصد داریم زندگی‌نامه این فیزیکدان برجسته تاریخ را باهم بخوانیم.

کشف استعدادها

«ماکس کارل ارنست لودویگ پلانک» در ۲۳ آپریل ۱۸۵۸ در شهری به نام «Kiel» در سواحل شمالی آلمان به دنیا آمد. او پنج خواهر و برادر بزرگ‌تر داشت. پدرش «یوهان پلانک» استاد حقوق بود و درزمینه حسابداری فعالیت می‌کرد. آن‌طور که نقل شده است، یوهان فردی محبوب و سرزنده در شهر کوچک خود بود.

ماکس سال‌های ابتدایی مدرسه را در شهر خود، کیل گذراند. در سال ۱۸۶۷ زمانی که نه ساله بود، خانواده‌اش به شهر مونیخ در جنوب آلمان مهاجرت کردند تا پدر خانواده بتواند به کرسی استادی حقوق برسد. بدین‌ترتیب ماکس پلانک در مدرسه «Maximilians» که مخصوص دانش‌آموزان مستعد و توانمند بود، ثبت‌نام کرد.

در همان ماه‌های اول، یکی از معلمان او به نام «هرمان مولر» که ریاضی‌دان مطرحی بود، دریافت که ماکس پلانک استعداد زیادی در ریاضیات دارد؛ بنابراین به او پیشنهاد داد به‌صورت مازاد در کلاس‌های نجوم و فیزیک نیز شرکت کند. ماکس با اشتیاق این پیشنهاد را پذیرفت و مولر در طول جلسات این دروس، به او آموخت چطور قوانین فیزیک را در ذهن خود تجسم کند تا بهتر بتواند مسایٔل مختلف را درک کند.

اغلب اتفاق می‌افتد که دانش‌‌آموزانی که در ریاضیات استعداد دارند، از استعداد موسیقی بالایی نیز برخوردارند. این نکته در مورد پلانک نیز صادق بود. او به موسیقی کلاسیک علاقه داشت، صدای گیرایی داشت و ویولن ‌سل و پیانو را بسیار ماهرانه می‌نواخت.

پیش از آنکه دوران دبیرستان پایان یابد، ماکس پلانک تصمیم گرفت تا علم را به‌عنوان یک حرفه دنبال کند - درحالی‌که موسیقی برای او یک سرگرمی لذت‌بخش بود. او در خاطرات خود درباره اینکه تصمیم گرفت «مرد علم» باشد، این‌چنین می‌نویسد:

«زیرا دریافتم استدلال محض می‌تواند انسان را قادر سازد تا بینشی در مورد مکانیسم جهان به‌دست آورد.»

دانشگاه و تحصیلات تکمیلی

پلانک در سال ۱۸۷۴ در سن هفده‌سالگی به‌عنوان دانشجوی سال اول وارد دانشگاه مونیخ شد. او که به علم فیزیک علاقه بسیاری داشت، با پروفسور «فیلیپ فون جولی» در این زمینه مباحثه بسیاری داشت. پروفسور جولی در ابتدا به او گفته بود:‌‌ «درزمینه علم فیزیک تقریباً همه‌چیز کشف شده است و تنها آنچه باقی مانده، چند شکاف جزیٔی است.»

اما پلانک دلسرد نشد و تحصیل در رشته فیزیک تا مقطع دکتری را انتخاب کرد. او در مسیر مطالعاتی خود به پروفسور جولی قول داده بود که روزی عقیده او در این زمینه را تغییر خواهد داد. این درحالی بود که اکثر فیزیکدانان در آن زمان با جولی هم عقیده بودند: آن‌ها باور داشتند که قبلاً بیشتر آنچه در عالم وجود دارد، کشف شده و نکات زیادی باقی نمانده است!

پلانک در دانشگاه دریافت از کار تجربی در علم فیزیک لذت نمی‌برد و مطالعه این رشته به‌صورت نظری برای او جذاب‌تر است.

بدین‌ترتیب او در زمستان سال ۱۸۷۷ در سن بیست‌سالگی به مدت یک سال به دانشگاه «فردریش ویلهلمز» در برلین رفت تا علم ترمودینامیک را زیر نظر دو دانشمند برجسته این زمینه، یعنی «هرمان فون هلمهولتز» و «گوستاو کیرشهوف» آموزش ببیند.

در آن سال صمیمیت میان ماکس پلانک و هلمهولتز افزایش یافت تا به دوستی عمیقی تبدیل شد. گفته می‌شود پلانک همهولتز را به‌خاطر صداقتی که در علم داشت، مهربانی، فروتنی و بردباری‌اش تحسین می‌کرد.

هلمهولتز درزمینه علم ترمودینامیک که یکی از شاخه‌های فیزیک است، مهارت بالایی داشت - در ترمودینامیک رابطه میان دما، گرما، انرژی و کار بررسی می‌شود. علاقه پلانک به هملهولتز سبب شد تا به مطالعه عمیق علم ترمودینامیک روی آورد.

در این راستا، او ساعت‌های طولانی را صرف مطالعه مقالات «رودولف کلازیوس»، یکی از بنیان‌گذاران علم ترمودینامیک می‌کرد.

پس از یک سال اقامت در برلین، ماکس پلانک در اواخر سال ۱۸۷۸ به مونیخ بازگشت تا در آزمون ورودی تدریس برای دبیرستان‌ها شرکت کند. او پس از موفقیت در این آزمون، شروع به تدریس فیزیک در دبیرستان کرد. چند ماه بعد، در فوریه ۱۸۷۹، پلانک موفق شد تا از رساله دکتری خود دفاع کند. در جلسه دفاعیه، او دریافت هیچ‌کدام از اساتیدی که از او سؤالات تخصصی می‌پرسیدند، نتوانسته‌اند پایان‌نامه او را به‌خوبی درک کنند.

همین امر بهانه‌ای شد تا او مجدداً پایان‌نامه خود را بازنویسی کرده و در آن علم ترمودینامیک و دانسته‌های خود از آن را به زبانی ساده‌تر بیان کند. نکاتی که او در این نسخه از پایان‌نامه مطرح کرد، مباحثی پیشرفته به‌حساب می‌آمدند به‌طوری که بسیاری از اساتید باور داشتند او حالا می‌تواند به کرسی استادی دانشگاه بنشیند.

درنهایت پلانک در سن ۲۲ سالگی مشغول به تدریس فیزیک در دانشگاه - البته بدون حقوق - شد. از آنجا که شغل او درآمدی برایش نداشت، همچنان با خانواده زندگی می‌کرد. ماکس پلانک در آن سال‌ها بر مفهوم آنتروپی متمرکز بود که معیاری از بی‌نظمی عالم در سطح اتمی است.

چند سال بعد، هنگامی که ماکس پلانک ۲۷ ساله بود، به شهر زادگاه خود، کیل، بازگشت تا در آنجا به‌عنوان دانشیار فیزیک به‌صورت رسمی در دانشگاه مشغول فعالیت شود. هرچند او در تمام این مدت روی ترمودینامیک تمرکز کرده بود، اما موفق نشد تا قوانینی بنیادین در این زمینه ارایٔه دهد، اما دانسته‌ها و مطالعات او به وی کمک کرد تا نظریه‌ای جدید را پایه‌ریزی کند.

ماکس پلانک دنیای علم را متحول می‌کند

با گذشت سال‌ها مطالعه و تحقیق در زمینه‌های مختلف علم فیزیک، سرانجام ماکس پلانک در سن ۴۲ سالگی موفق شد اثری شگفت‌انگیز از خود برجای بگذارد. مسیٔله‌ای که او در سال ۱۹۰۰ به آن پاسخ داد، برای سال‌ها بی‌پاسخ مانده بود: طیف الکترومغناطیس اجسام داغ.

اختلاف میان فیزیک کلاسیک و واقعیت

می‌دانیم هنگامی که اجرام داغ می‌شوند - دمای آن‌ها افزایش می‌یابد - از خود انرژی ساطع می‌کنند. به عنوان مثال، اگر آهنگری را مشاهده کنید که یک نعل اسب را گرم می‌کند، در ابتدا رنگ نعل قرمز است و وقتی داغ‌تر می‌شود، به رنگ سفید می‌درخشد.

فیزیکدانان برای درک این پدیده یک جسم سیاه را در نظر گرفتند - جسمی که تمام تشعشعات الکترومغناطیسی تابیده‌شده بر سطح‌‌اش را جذب می‌کند. هنگامی که چنین جسمی گرم می‌شود، انرژی را به شکل امواج الکترومغناطیسی ساطع می‌کند. این موج دارای طیف گسترده‌ای است که هر بازه طول موجی آن نامی خاص و ویژگی‌های مشخص دارد. این بازه‌ها به‌ترتیب از کوتاه‌ترین طول موج (متناظر با بیشترین انرژی) عبارتند از: اشعه گاما، ایکس، فرابنفش، مر‌‌یٔی، فروسرخ، ریزموج و رادیویی.

اما دانشمندان در دهه ۱۸۰۰ دریافته بودند که رنگ‌های نور تابش‌شده در آزمایش‌ها با آنچه تیٔوری پیش‌بینی می‌کند، مطابق نیست. به عبارت دیگر، بین طول‌موج‌ اشعه‌های تابش‌شده توسط اجسام داغ و طول‌موج‌های پیش‌بینی‌شده عدم تطابق وجود دارد. علت چیست؟

به‌منظور تطبیق نظریه با مشاهدات، ماکس پلانک یک پیشنهاد انقلابی ارایٔه کرد. او پیشنهاد کرد که تنها مقادیر معینی (گسسته) از انرژی می‌تواند از جسم ساطع شود که به این مفهوم «کوانتوم» می‌گویند. به عبارت دیگر، او بیان کرد مقادیر انرژی ساطع‌شده نمی‌تواند اعدادی دلخواه باشد، بلکه تنها ضرایب معینی از یک مقدار عددی ثابت - که بعدها به‌عنوان «ثابت پلانک» شناخته شد - می‌تواند از جسم به‌عنوان انرژی ساطع شود. به بیانی ساده‌تر، مثلاً مقدار انرژی می‌تواند دو، سه، ده، دوازده (یا هر عدد صحیح دیگری) از ثابت پلانک باشد و ارقام غیرصحیح مانند 2.5 واحد از ثابت پلانک به‌عنوان مقدار انرژی مجاز نیست.

این تولد نظریه کوانتومی بود. پلانک دریافت این ایده می‌تواند طول‌موج‌های نور تابش‌شده توسط جسم سیاه را به‌دقت پیش‌بینی کند و بدین‌ترتیب مسیٔله مذکور حل شد.

ثابت پلانک درحقیقت یک عدد بسیار کوچک است. کوچک بودن آن توضیح می‌دهد که چرا فیزیکدانان تجربی آن زمان موفق نشده بودند کوانتیده بودن انرژی امواج الکترومغناطیس را دریابند.

این تولد مکانیک کوانتومی بود. بااین‌حال، ماکس پلانک قصد نداشت فیزیک کلاسیک را کنار بزند. قصد او تنها یافتن نظریه‌ای بود که با مشاهدات تجربی تطابق داشته باشد. بااین‌وجود، پیامدهای کشف او بسیار مهم بودند. نظریه کوانتومی در همین راستا متولد شد و دید ما نسبت به عالم را به‌طرز شگفت‌انگیزی تغییر داد.

ماکس پلانک در راستای این کشف ارزشمند موفق به دریافت جایزه نوبل فیزی در سال ۱۹۱۸ شد.

تأثیر جنگ جهانی بر زندگی ماکس پلانک

مانند ریاضیدان معروف، «دیوید هیلبرت»، زمانی که نازی‌ها در سال ۱۹۳۳ به قدرت رسیدند، ماکس پلانک نسبتاً پیر‌ (۷۴ ساله) بود. او به زندگی در آلمان زیر نظر نازی‌ها ادامه داد. هیلبرت و پلانک از رفتار نازی‌ها و سیاست‌‌های آن‌ها در آن زمان ابراز تأسف می‌کردند.

پلانک یکی از اولین دانشمندانی بود که در آن زمان به درخشش کار «آلبرت اینشتین» پیش برد. او در سال ۱۹۱۵ راه را برای اینشتین باز کرده بود تا به برلین برود و در آنجا استاد دانشگاه شود. سال‌های بعد، زمانی که نازی‌ها کنترل آلمان را به دست گرفته بودند، پلانک از گریختن دانشمندان به سایر کشورها ازجمله اینشتین ناراضی بود؛ اما پس از آنکه در سال ۱۹۳۸ نازی‌ها آکادمی علمی تحت نظر پلانک را به دست گرفتند، او از ریاست آکادمی استعفا کرد ولی تصمیم به ترک کشور نگرفت.

او یک آلمانی میهن‌پرست بود که چهارچوب‌های اخلاقی خود را داشت. او امیدوار بود نازی‌ها به‌زودی از قدرت کنار بروند و یک دولت شایسته بر آلمان حکومت کند. اما متأسفانه اوضاع طور دیگری پیش رفت. در سال ۱۹۴۴، خانه پلانک در برلین، در پی یک حمله هوایی متفقین، با خاک یکسان شد و تمام مقالات شخصی و سوابق علمی او از بین رفت. یک سال بعد در ۱۹۴۵، پسر ماکس پلانک به نام «اروین پلانک» به جرم خیانت توسط نازی‌ها اعدام شد.

هنگامی که جنگ در اروپا در سال ۱۹۴۵ به پایان رسید، پلانک و خانواده‌اش به شهر گوتینگن در آلمان نقل مکان کردند و او به مدت دو سال در دانشگاه آن شهر تدریس کرد. ماکس پلانک در سن ۸۹ سالگی در سال ۱۹۴۷ درگذشت و در گوتینگن به خاک سپرده شد.

اینشتین در ستایش مطالعات ماکس پلانک در سال ۱۹۴۸ نوشت:‌ «کشف پلانک اساس تمام تحقیقات قرن بیستم در فیزیک است. بدون کشف او امکان ایجاد یک نظریه شگفت‌انگیز مانند مکانیک کوانتومی وجود نداشت تا بتوان دنیای مولکول‌ها، اتم‌ها و فرایندهای حاکم بر آن‌ها را توصیف کرد. آنچه پلانک انجام داد، سبب ورود مفاهیم جدیدی برای همیشه به دنیای فیزیک شد.»