В детстве пел в церковном хоре и играл на органе 🎼, в 16 лет услышал от профессора, что в физике почти всё уже открыто, в 21 год получил степень за диссертацию, которую не поняли собственные учителя, пять лет читал лекции без жалованья и жил у родителей, а в 42 года «от отчаяния» придумал кванты 😯: Макс Планк

Осенью 1874 года шестнадцатилетний выпускник мюнхенской гимназии пришёл за советом к профессору физики Филиппу фон Жолли. Юноша только что поступил в университет и хотел понять, стоит ли связывать жизнь с физикой. Профессор был человеком опытным, уважаемым и, судя по воспоминаниям студентов, читал лекции блестяще.

Ответ запомнился гостю на всю жизнь. Через пятьдесят лет, уже седым, он пересказал его с кафедры того же Мюнхенского университета. По словам Жолли, физика была наукой высокоразвитой, почти полностью созревшей. Закон сохранения энергии увенчал её, как корона, и скоро она примет окончательную, устойчивую форму. Где-нибудь в углу, может быть, ещё осталась пылинка или пузырёк, которые надо рассмотреть и разложить по полочкам. Но система в целом стоит прочно, и теоретическая физика заметно приближается к той законченности, какой геометрия обладает уже несколько веков.

Проще говоря, всё главное уже открыто. Молодому человеку осталась уборка.

Юношу звали Макс Планк. Отступать он не стал. Позже он объяснял, что вовсе не собирался ничего открывать. Ему хотелось понять основы, которые уже есть, и, если получится, углубить их.

Через двадцать шесть лет эта «уборка» привела его к квантам, и физику, которую Жолли считал почти законченной, пришлось строить заново.

Мальчик, которого записали Марксом

Макс Планк родился 23 апреля 1858 года в Киле, на севере Германии. В семье он был шестым ребёнком: у отца, профессора права Вильгельма Планка, было двое детей от первого брака и пятеро от второго.

Семья была из тех, где учёность передают по наследству, как фамильное серебро. Прадед и дед Макса преподавали богословие в Гёттингенском университете. Отец читал право в Киле, а прежде в Базеле и Грайфсвальде. Двоюродный брат отца, Готтлиб Планк, был одним из авторов Германского гражданского уложения. Мать, Эмма, урождённая Патциг, происходила из Грайфсвальда, из семьи чиновников и пасторов. О ней писали, что у неё был живой, весёлый нрав.

С именем вышла забавная путаница. В церковной книге кильской церкви Святого Николая новорождённого записали Марксом. Ошибка это писаря или нет, так и не выяснили. Сам он к десяти годам уже подписывался «Макс» и так прожил всю жизнь.

В 1867 году отца пригласили на кафедру гражданского процесса в Мюнхенский университет. Семья переехала в Баварию. Максу было девять лет.

С 14 мая 1867 года он учился в Максимилиановской гимназии. Учителя его любили, хотя звёзд с неба он не хватал. Мальчик был хорошим учеником, но не выдающимся. В отзывах писали, что при всей детскости у него «очень ясная, логичная голова». Ещё отмечали характер: прилежный, исполнительный, упорный. Особых способностей к какому-то одному предмету никто в нём не разглядел.

Среди его одноклассников были Оскар Миллер, будущий основатель Немецкого музея, и Вальтер фон Дик, будущий математик. Учился в гимназии и Карл Мерк, сын мюнхенского банкира. Через двадцать лет этот Карл станет Максу шурином.

Каменщик и камень на голову прохожему

Естественных наук в гимназии почти не было. Физику Макс впервые по-настоящему услышал от учителя математики, Германа Мюллера. Планк потом вспоминал его как человека средних лет, острого ума и с большим чувством юмора.

Мюллер объяснял ученикам закон сохранения энергии на примере, который Планк пересказывал и на склоне лет. Каменщик с трудом затаскивает на крышу тяжёлый камень. Работа, которую он потратил, никуда не девается. Она хранится в камне, может быть, много лет, нетронутая и скрытая. Пока однажды камень не сорвётся и не свалится на голову какому-нибудь прохожему.

Класс, наверное, смеялся. А Макс запомнил. Он писал, что принял этот закон «как откровение»: это был первый известный ему закон, который действует всегда и везде, независимо от людей.

Мысль о том, что законы природы можно постичь чистым рассуждением, стала для него главной на всю жизнь. Позже он признавался, что именно она с юности толкала его в науку.

Летом 1874 года он сдал выпускные экзамены. Ему было шестнадцать, в своём выпуске он оказался четвёртым по успеваемости. Теперь надо было выбирать дело всей жизни. А выбор был совсем не очевиден.

Орган, хор и оперетта

Физика в этом выборе была далеко не первой. Гораздо сильнее Макса тянула музыка.

У него был абсолютный слух. Мальчиком он пел сопрано в школьном и церковном хоре и, по воспоминаниям, пел прекрасно. Играл на рояле и виолончели, регулярно аккомпанировал на органе церковным службам. Для домашних спектаклей, которые в образованных мюнхенских семьях устраивали по праздникам, он сочинял песенки и сам дирижировал.

Рядом стояла и третья дорога, филология. Древние языки в гимназии давались ему легко, и стройность латинской грамматики ему нравилась. Почему он не пошёл в филологи, биографы так и не выяснили.

С музыкой история известнее. Историк науки Ханс Кангро в «Словаре научных биографий» пишет, что Планк, скорее всего, расстался с мечтой о музыкальной карьере после разговора с профессиональным музыкантом. Тот выслушал юношу и ответил:

— Если вам приходится спрашивать, лучше выучитесь чему-нибудь другому.

Сам Планк позже говорил проще: в музыке он не видел для себя будущего как для профессии, а таланта композитора, как ему казалось, у него нет. Но музыку не бросил. В студенческие годы он играл на органе в университетской церкви, руководил хором студенческого певческого общества и дирижировал любительским оркестром. Тогда же сочинил оперетту «Любовь в лесу». Ноты не сохранились.

21 октября 1874 года Макс записался в Мюнхенский университет на математику и естественные науки. Отец посоветовал ему поговорить с Жолли. Так и случился тот разговор про пылинку и пузырёк.

Единственный опыт в жизни

Жолли, к его чести, был прекрасным преподавателем. Современники называли его лектором «непревзойдённой ясности и изящества». У него Планк поставил первый и последний в своей жизни самостоятельный эксперимент.

Теоретики тех лет любили рассуждать о «полупроницаемых стенках», которые пропускают одно вещество и не пропускают другое. Студент Планк решил проверить, бывают ли такие стенки на самом деле. Он изучал, как водород просачивается сквозь раскалённую платину. Оказалось, бывают: горячая платина водород пропускает. Больше он к лабораторному столу не возвращался.

Математике его учили Людвиг Зейдель и Густав Бауэр. Лекции Бауэра, писал Планк, его «внутренне удовлетворяли и вдохновляли». Кафедры теоретической физики в Мюнхене не было вовсе. Её тогда почти нигде не было.

Летом 1875 года учёбу пришлось прервать: Макс заболел. Весной 1877-го, уже здоровый, он с двумя друзьями отправился пешком в Италию. По дороге к ним присоединился Карл Рунге, приятель по певческому обществу, будущий известный математик. Всю дорогу они спорили о философии и вере. Рунге задавал вопросы, которые Максу, выросшему в семье богословов, раньше и в голову не приходили. Биографы считают это путешествие важной вехой его юности.

Три студента в пустой аудитории

Осенью 1877 года Планк вместе с Рунге уехал на год в Берлин. Там читали лекции два самых знаменитых физика Германии, Герман фон Гельмгольц и Густав Кирхгоф. Знакомство с Гельмгольцем у Макса уже было: они встречались в Мюнхене.

От лекций кумиров он ждал многого. И разочаровался.

«Было очевидно, что Гельмгольц никогда как следует не готовился к лекциям, — вспоминал Планк. — Он говорил запинаясь, прерывался, чтобы найти нужные данные в своей записной книжке, то и дело ошибался в расчётах на доске, и у нас было явное впечатление, что ему на этих занятиях скучно по меньшей мере так же, как и нам».

Слушатели разбегались. В конце концов на лекции Гельмгольца ходили три студента. Одним из трёх был Макс Планк.

Кирхгоф был полной противоположностью. Каждая его лекция была выверена до слова: ни одного лишнего, ни одного недостающего. Но звучало это, по словам Планка, как заученный текст, сухо и монотонно. «Мы восхищались им, но не тем, что он говорил».

Оставалось учиться самому. Макс читал всё, что касалось закона сохранения энергии. Однажды ему попались статьи Рудольфа Клаузиуса о теории теплоты. Ясность и логика Клаузиуса так его захватили, что он читал их запоем и с каждым днём увлекался сильнее.

Клаузиус сформулировал второе начало термодинамики. Если совсем просто, тепло само по себе не переходит от холодного тела к горячему. Планк решил разобраться в этом законе до самого дна. Тема будущей диссертации была выбрана.

Диссертация, которую никто не прочёл

Летом 1878 года Планк вернулся в Мюнхен. В октябре он сдал государственный экзамен на звание учителя математики и физики в гимназии. Для большинства студентов-физиков на этом путь и заканчивался: только место учителя давало твёрдое жалованье. Планк даже недолго, в конце того же 1878 года, замещал учителя в своей бывшей школе.

Но он решил идти дальше, в университет, как отец, дед и прадед. 12 февраля 1879 года он подал диссертацию «О втором начале механической теории теплоты». В ней он разобрал работы Клаузиуса, нашёл в них неточности и предложил формулировку проще: процесс теплопроводности нельзя полностью обратить никаким способом. Такие процессы он назвал «естественными». Сегодня их называют необратимыми.

Формально всё прошло великолепно. Рецензенты написали, что автор сделал «гораздо больше, чем обычно требуется от диссертации». 30 мая он блестяще сдал устный экзамен. Комиссия из Жолли, Бауэра и химика Адольфа фон Байера поставила высшую оценку, summa cum laude. Правда, Байер прямо дал понять экзаменуемому, что теоретическую физику он ни во что не ставит. 28 июня 1879 года, через два месяца после своего двадцать первого дня рождения, Макс Планк стал доктором философии.

А теперь о том, как всё было на самом деле. Вот что Планк написал об этой работе в «Научной автобиографии»:

«Влияние моей диссертации на физиков того времени было нулевым. Ни один из моих университетских профессоров не понимал её содержания, в этом я убедился в разговорах с ними. Они, без сомнения, пропустили её как докторскую только потому, что знали меня по другим занятиям в физической лаборатории и в математическом семинаре».

С другими было не лучше. Гельмгольц, по словам Планка, скорее всего, вообще её не прочёл. Кирхгоф прочёл и прямо не одобрил. Оставался сам Клаузиус, ради которого всё и было написано. Планк писал ему. Клаузиус не ответил ни на одно письмо. Тогда Планк поехал к нему в Бонн, чтобы поговорить лично. Клаузиуса не оказалось дома.

Пять лет без жалованья

Отступать он опять не стал. Уже в 1880 году он представил вторую работу, на звание преподавателя университета, о равновесии тел при разных температурах. 14 июня 1880 года ему разрешили читать лекции. Ему было двадцать два.

Он стал приват-доцентом Мюнхенского университета. Звучит солидно, но на деле это значило вот что. Приват-доцент читает лекции, а жалованья ему не платят. Небольшие деньги приносят только взносы студентов, записавшихся на курс. Планк жил у родителей и на отцовские деньги.

Так прошло пять лет. С зимнего семестра 1880 года он читал аналитическую механику и постепенно развернул свой курс в цикл по всей физике с теоретической стороны. Свободного времени хватало. Он много играл на рояле, разбирал теорию музыки и прослыл в Мюнхене блестящим пианистом. Ещё он начал ходить в горы, в Баварские Альпы, и полюбил это на всю жизнь.

Наука при этом шла своим чередом, и её по-прежнему никто не замечал. Ни диссертация, ни вторая работа отзывов не получили. Планк продолжал разбирать энтропию: как вещество переходит из одного состояния в другое, как ведут себя смеси газов и растворы. Всё получалось. А потом выяснилось, что почти всё это уже сделал, причём в ещё более общем виде, американец Джозайя Уиллард Гиббс. «Так что в этой области признание мне не досталось», — сухо подвёл итог Планк.

«Будучи преподавателем в Мюнхене, я годами напрасно ждал назначения на профессорскую должность», — писал он. Шансов было немного. Теоретическую физику ещё не считали отдельной наукой. Во всей Германии на неё было две кафедры, и экспериментаторы смотрели на теоретиков как на подсобных работников.

В 1883 году предложение наконец пришло. Только не из университета, а из Высшей лесной школы в Ашаффенбурге, где освободилось место преподавателя физики. Будущим лесничим. Планк поехал советоваться к Гельмгольцу, тому самому, что не прочёл его диссертацию. После разговора он отказался. Науки там не было, а ждать университетского места он решил дальше.

Решение было не из лёгких. Ему было около двадцати пяти, он по-прежнему жил в родительском доме, а желание стать самостоятельным, по его словам, росло с каждым годом. В его жизни уже была Мари Мерк, дочь мюнхенского банкира и сестра того самого одноклассника Карла. Жениться на ней приват-доцент без жалованья не мог.

Конкурс про сущность энергии

Нужно было как-то сделать себе имя. Философский факультет Гёттингенского университета объявил конкурс на тему «Сущность энергии», с вручением премии в 1887 году. Планк сел писать работу о законе сохранения энергии, том самом законе каменщика с камнем, который поразил его в гимназии.

Весной 1885 года он закончил рукопись. И тут, почти в тот же момент, пришло предложение, которого он ждал пять лет.

«Одна из самых счастливых минут моей жизни»

Весной 1885 года Кильский университет пригласил Планка экстраординарным профессором теоретической физики. Назначение подписали 2 мая. Ему только что исполнилось двадцать семь.

Сначала Киль хотел взять на это место другого молодого физика, Генриха Герца. Но пока университет тянул с открытием должности, Герц уехал в Карлсруэ. Тогда факультет выбрал Планка: среди самых молодых преподавателей теоретической физики у него, как записали в документах, был «самый долгий и самый успешный» стаж.

Об условиях назначения ему рассказал министерский чиновник Фридрих Альтхоф в номере гостиницы «Мариенбад». Планк вспоминал эту встречу всю жизнь: «Эта минута была и навсегда останется одной из самых счастливых в моей жизни». Жизнь в родительском доме была, писал он, прекрасной и спокойной, о такой можно только мечтать. Но ему давно хотелось своего дома.

Была в этой радости одна горькая нотка, и Планк сам о ней написал. Он подозревал, «и вовсе не без оснований», что улыбка судьбы досталась ему не столько за научные заслуги, сколько потому, что профессор физики в Киле Густав Карстен был близким другом его отца. Портить себе счастье этим он не стал. Решил просто доказать, что доверие было не зря.

Так Планк вернулся в город, где родился. Теперь у него было жалованье, 2000 марок в год, плюс деньги на квартиру и взносы студентов. Летом 1886 года он обручился с Мари Мерк, а 31 марта 1887 года они поженились.

В Киле он дописал работу для Гёттингена и отправил её на конкурс. Она получила вторую премию. Первую не дали никому. Всего работ было три, и две другие остались вообще без наград, так что Планк, по сути, конкурс выиграл. Жюри похвалило «методичность мышления, основательную математико-физическую подготовку автора и взвешенность его суждений».

Почему же не первая премия? Планк нашёл ответ в решении факультета. В самом конце там стояло: «Наконец, факультет вынужден отказать в одобрении тем замечаниям, в которых автор пытается оценить закон Вебера». Вильгельм Вебер был профессором физики в Гёттингене и как раз жёстко спорил с Гельмгольцем. Планк в своей работе открыто встал на сторону Гельмгольца. Гёттингенцев он этим рассердил, зато в Берлине его заметили.

Единственный теоретик в Берлине

В октябре 1887 года неожиданно умер Густав Кирхгоф, тот самый сухой и безупречный лектор. Берлинский университет искал преемника. Сначала позвали Людвига Больцмана, одного из главных теоретиков эпохи. Тот отказался. Тогда в списке появились двое, Генрих Герц и Макс Планк. Герц из Карлсруэ уезжать не захотел.

Весной 1889 года Планк приехал в Берлин и занял место Кирхгофа. Не сразу полное: университет сомневался, потянет ли молодой физик такую кафедру, и первые три года держал его экстраординарным профессором. Ординарным он стал только в 1892-м.

Своим в Берлине он стал не сразу. «Я был тогда единственным теоретиком, физиком особого рода, и это не облегчало моих первых шагов», — вспоминал он. Экспериментаторы держали его на вежливом расстоянии. Один из них, Генрих Рубенс, со временем стал ему близким другом. Запомните это имя.

А первое задание на новом месте оказалось совсем не физическим. Институту теоретической физики как раз передали большую фисгармонию с «чистым», нетемперированным строем. Молодому профессору поручили исследовать на ней натуральный музыкальный строй. Бывший мальчик из церковного хора взялся за это с удовольствием. Вывод получился неожиданный: темперированный строй, на котором играют со времён Баха, человеческому уху приятнее при любых обстоятельствах. Планк напечатал об этом статью в 1893 году.

Дома у Планков постоянно звучала музыка. Хозяин садился за рояль, к нему присоединялись друзья. В домашних концертах участвовал, например, знаменитый скрипач Йозеф Иоахим.

Горькое правило

Годы в Берлине научили Планка ещё одному. Он долго спорил с коллегами о втором начале термодинамики и о необратимости. Был уверен в своей правоте, приводил, как ему казалось, неопровержимые доводы. Его не слышали: против стояли авторитеты вроде Вильгельма Оствальда и Эрнста Маха. В итоге его взгляд победил, но совсем по другой причине, благодаря работам Больцмана.

Из этого он вывел наблюдение, которое потом стали называть «принципом Планка». Новая научная истина, писал он, побеждает не потому, что её противники убеждаются и прозревают. Просто противники постепенно вымирают, а новое поколение с самого начала привыкает к ней.

Звучит мрачно. Но он хорошо знал, о чём говорит.

Ночь Рубенса

С середины 1890-х Планк занялся тепловым излучением. Задача была на вид скромная. Любое нагретое тело светится: печная кочерга сначала темно-красная, потом оранжевая, потом белая. Как распределяется энергия этого свечения по цветам, по длинам волн? Экспериментаторы в Берлине мерили это всё точнее, а формулы, которые у теоретиков были на руках, сходились с опытом только на части спектра.

Летом 1900 года Генрих Рубенс и Фердинанд Курльбаум провели измерения в инфракрасной области. Принятая тогда формула Вина там явно не работала. В октябре Рубенс рассказал о результатах своему другу Планку.

Планк быстро подобрал новую формулу, которая сшивала оба края спектра. Сам он потом называл её «удачно угаданной». 19 октября 1900 года он представил её на заседании Немецкого физического общества в Берлине.

Дальше Планк рассказывает сам: «На следующее же утро меня навестил коллега Рубенс. Он пришёл сказать, что после окончания заседания той же ночью сверил мою формулу с результатами своих измерений и нашёл удовлетворительное совпадение в каждой точке».

Формула была верной. Только Планк не знал, почему. Угадать мало, надо было вывести её из основ, тех самых основ, которые он когда-то хотел «всего лишь понять». Несколько недель он бился над этим. И в конце концов пошёл на шаг, который всю жизнь отвергал. Взял статистический подход Больцмана, с которым много лет спорил. И допустил, что энергия излучается не сплошным потоком, а порциями, квантами. Величина порции связана с частотой через новую постоянную. Он обозначил её буквой h.

Через тридцать лет Планк описал этот шаг двумя словами: «акт отчаяния». Он был готов, по его словам, пожертвовать любым из прежних своих убеждений о физике.

14 декабря 1900 года он доложил вывод на заседании Немецкого физического общества. Его ученик Макс фон Лауэ потом назовёт этот день днём рождения квантовой физики. В тот вечер этого не понимал никто из присутствующих. Включая докладчика.

Максу Планку было сорок два года.

Что было потом

Значение квантов поняли не сразу. Сначала в формуле Планка видели просто удачное описание измерений. Только через несколько лет за кванты всерьёз взялся молодой служащий патентного бюро в Берне Альберт Эйнштейн, потом Нильс Бор, и выяснилось, что «пылинка в углу» обрушила половину здания классической физики.

Нобелевскую премию по физике за 1918 год Планк получил «в знак признания заслуг, которые он оказал развитию физики открытием квантов энергии». Вручили её в 1919-м. Постоянная h с тех пор называется постоянной Планка.

Жолли не дожил до этого. Он умер в 1884 году, когда его бывший студент ещё сидел приват-доцентом без жалованья и ждал хоть какого-нибудь места. А в 1924-м Планк приехал в Мюнхен и рассказал студентам, как полвека назад один уважаемый профессор посоветовал ему не тратить время на физику, потому что в ней почти всё уже сделано.

Рояль, кстати, так и остался с ним. Каждый день, как пишет «Британника», он садился за клавиши и находил в музыке покой и радость. Особенно любил Шуберта и Брамса.