Περί Φυσικής

Ο διστακτικός επαναστάτης

Βερολίνο, χειμώνας του 1900: ο σαρανταδυάχρονος καθηγητής πήρε το γιο του μια βόλτα στο πάρκο και του αποκάλυψε ένα μεγάλο μυστικό: «Είχα σήμερα μια ιδέα τόσο επαναστατική και τόσο μεγάλη όπως ήταν οι ιδέες του Νεύτωνα».

Ο καθηγητής δεν υπερέβαλλε για να εντυπωσιάσει το παιδί. Ο άνθρωπος αυτός ήταν ο Max Planck ο οποίος λίγες ώρες νωρίτερα είχε δει καθαρά την αλήθεια που επρόκειτο να κλονίσει την κλασική επιστήμη και να αλλάξει τον τρόπο σκέψης του σύγχρονου κόσμου.

Ακόμη πιο συγκλονιστικό ήταν το γεγονός πως αυτή η αλήθεια είχε φανερωθεί χάρη σε ένα απλό, καθημερινό αντικείμενο. Όπως έκαναν εκατοντάδες φυσικοί του περασμένου αιώνα, έτσι και ο Planck μελετούσε τις θεμελιώδεις ιδιότητες της θερμότητας. Ενώ προσπαθούσε να κατανοήσει τη φύση της θερμότητας και του φωτός που παρήγαγε ένα απλό φωτεινό αντικείμενο, διαπίστωσε πως έπρεπε να αποδεχτεί μια «αστεία» -όπως έμοιαζε τότε- ιδέα: η ενέργεια που εξέπεμπε ένα σώμα σε μορφή ακτινοβολίας δεν ήταν συνεχής αλλά «χωρισμένη» σε διακεκριμένα ποσά.

Ο Planck αποκάλεσε αυτά τα κομμάτια «κβάντα» (quanta) που στη Λατινική σημαίνει «πόσα» και διατύπωσε τον τύπο που συνδέει την ενέργειά τους με τη συχνότητα. Με αυτό τον τρόπο, έγινε ο πατέρας της κβαντικής θεωρίας, των νόμων δηλαδή που διέπουν αυτά τα διακεκριμένα ποσά ενέργειας. Η κβαντική θεωρία είναι σήμερα γνωστή ως η θεωρία που κυβερνά τα πάντα στον Κόσμο, από τα μικρότερα υπο-ατομικά σωματίδια μέχρι τις δυνάμεις που διέπουν το διάστημα, ακόμη και τον ίδιο το χρόνο. Εξηγεί το πώς λειτουργούν τα μικροτσίπ, γιατί η κιμωλία είναι άσπρη και πώς τα άτομα απελευθερώνουν πυρηνική ενέργεια. Ενισχύει και βοηθά στην ανάπτυξη ολόκληρης της βιομηχανίας ηλεκτρονικών ειδών, και μπορεί να δώσει εξηγήσεις ακόμη και για την γένεση του σύμπαντος.

Ο Planck έζησε αρκετά ώστε να δει τα «κβάντα» του να εξηγούν μια άπειρη ποικιλία φαινομένων. Παρέμεινε όμως διστακτικός όσον αφορούσε τη σημασία της επαναστατικής του ανακάλυψης. Πέρασε πολλά χρόνια αναζητώντας τρόπους να αμφισβητήσει τη θεωρία του, γεγονός που του χάρισε κύρος στον επιστημονικό κόσμο. Ντρεπόταν επειδή ήταν γνωστός πως είχε ανακαλύψει κάτι στο οποίο δεν πίστευε.

Η επαναστατική ανακάλυψη του Planck δεν οφειλόταν τόσο στην επιστημονική του διάνοια όσο στην αδιαμφισβήτητη και ατάραχη ακεραιότητά του. Αν και είδε τα πιστεύω του να ανατρέπονται και την αντίληψη του της πραγματικότητας να υπονομεύεται, ο Planck κατάφερε τελικά να αποκωδικοποιήσει τα μηνύματα που του έστελναν οι εξισώσεις του. Είπε κάποτε σε ένα συνάδελφό του φυσικό, αφού είχε εγκαταλείψει τον αγώνα του να παραμερίσει τη σημασία της ανακάλυψής του: «Δεν ωφελεί. Πρέπει να ζήσουμε με τη κβαντική θεωρία».

Έξυπνος και με…αυτοπεποίθηση

Αυτή η σχολαστική συμπεριφορά του Planck απέναντι στην αλήθεια μαρτυρούσε και το υπόβαθρό του. Ο Max Karl Ernst Ludwig Planck γεννήθηκε στο Κίελο της Γερμανίας το 1858. Η οικογένειά του αποτελούνταν από ακαδημαϊκούς που είχαν για γενιές υπηρετήσει το Κράτος και την Εκκλησία. Ο πατέρας του ήταν γνωστός νομικός και Καθηγητής Δικαίου στο Πανεπιστήμιο του Κιέλου. Από μικρή ηλικία, ο Planck προοριζόταν να κάνει ακαδημαϊκή καριέρα. Κατά τη διάρκεια της εφηβείας του, τα πολλά του ταλέντα τον έφεραν αντιμέτωπο με τον εαυτό του: έπρεπε να επιλέξει αυτό που θα σπουδάσει. Μουσική, Φιλολογία ή Φυσική;

Προκειμένου να καταφέρει να πάρει μια απόφαση, ο Planck ταξίδεψε ως το Μόναχο για να συναντήσει και να συμβουλευτεί τον Philipp von Jolly, Καθηγητή Φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Μονάχου. Η συνάντηση αυτή θα μπορούσε να έχει αλλάξει την ιστορία της επιστήμης. Ο Von Jolly δήλωσε στο νεαρό Planck πως η Φυσική δεν είχε και πολλά να προσφέρει σε όποιον ήλπιζε να προχωρήσει σε μεγάλες ανακαλύψεις, αφού είχαν σχεδόν ανακαλυφθεί τα πάντα και το μόνο που απέμενε στους νέους ερευνητές ήταν να αποσαφηνίσουν μερικές λεπτομέρειες. Ευτυχώς, ο Planck αγνόησε τις συμβουλές του Καθηγητή και ξεκίνησε, στα 17 του, να σπουδάζει Φυσική αρχικά στο Πανεπιστήμιο του Μονάχου και στη συνέχεια στο Βερολίνο.

Στα 22 του χρόνια, ο Planck είχε ήδη στα χέρια του τη διδακτορική του διατριβή και τη θέση του λέκτορα στο Πανεπιστήμιο του Μονάχου. Τα πρώτα χρόνια της καριέρας του έμοιαζαν να επιβεβαιώνουν τις προβλέψεις του Von Jolly. Ο Planck έγινε ειδικός στα θέματα θερμοδυναμικής, τους νόμους που διέπουν τη συμπεριφορά της θερμότητας, αλλά κανένας από τους εξαίρετους δασκάλους του δεν του έδωσε ιδιαίτερη σημασία. Μέχρι τα 30 του χρόνια –Καθηγητής πλέον στο Πανεπιστήμιο του Βερολίνου- ο Planck δεν είχε ακόμη καμία σχέση με  το επιστημονικό μυστήριο που θα τον κατέτασσε μεταξύ των σημαντικότερων επιστημόνων όλων των εποχών.

Το μυστήριο αυτό εστίαζε στην ανεύρεση νόμων που διέπουν τη θερμότητα και το φως που εκπέμπουν τα θερμά ακτινοβολούμενα σώματα όπως ο ήλιος. Τέτοιου είδους νόμοι θα μπορούσαν να φανούν εκείνη την εποχή ιδιαίτερα χρήσιμοι: για παράδειγμα, θα επέτρεπαν στους ειδικούς να μελετήσουν τη θερμοκρασία του ήλιου μετρώντας απλά την ποσότητα της ηλιακής ενέργειας που έφτανε στη Γη.

Γύρω στα 1850, για να διευκολύνουν την έρευνά τους, οι φυσικοί είχαν δημιουργήσει ένα ιδανικό αντικείμενο το οποίο απορροφούσε όλη τη θερμότητα και το φώς που το άγγιζε. Η κατανόηση των νόμων που κυβερνούσαν αυτό το αντικείμενο – γνωστό και ως «μέλαν σώμα»- θα έλυε σημαντικότατα ζητήματα που αφορούσαν τα πραγματικά ακτινοβολούμενα σώματα. Στην ουσία, το αντικείμενο αυτό αποτέλεσε το ξεκίνημα μιας επιστημονικής επανάστασης.

Στα τέλη της δεκαετίας του 1890, οι Ευρωπαίοι θεωρητικοί και πειραματικοί φυσικοί είχαν ανακαλύψει μερικούς από αυτούς τους νόμους. Το 1896, ένας Βερολινέζος φυσικός, ο Wilhelm Wien, διατύπωσε ένα νόμο που περιέγραφε την ακτινοβολία που εκπέμπει ένα σκοτεινό σώμα σε δεδομένη θερμοκρασία. Ο Planck προσπάθησε να αποδείξει το νόμο του Wien με βάση το δεύτερο θερμοδυναμικό αξίωμα, αυτό της εντροπίας. Διαπίστωσε όμως κάτι σοβαρό: πως ο νόμος του Wien –σύμφωνα και με παρατηρήσεις πειραματικών φυσικών- ίσχυε μόνο για την περιοχή των υψηλών συχνοτήτων ενώ παραβιαζόταν πλήρως για τις χαμηλές συχνότητες.

Ήταν ένα Κυριακάτικο απόγευμα του Οκτώβρη του 1900 όταν ο Planck έπινε τσάι με έναν επιστήμονα από το εργαστήριο του Wien, ο οποίος ανέφερε  την παράξενη αυτή αντίφαση. Φυσικοί και οι δύο, πίστευαν πως η φύση θα απέρριπτε κάτι τόσο αδέξιο – δύο νόμους δηλαδή που να περιγράφουν το ίδιο φαινόμενο. Το ίδιο βράδυ, ο Planck ξεκίνησε την έρευνά του με στόχο να βρει τον ένα νόμο που θα ίσχυε και για τις υψηλές αλλά και για τις χαμηλές συχνότητες.

Η ανατομία της θεωρίας του

Ο Planck γνώριζε ήδη τον τρόπο, σύμφωνα με τον οποίο η εντροπία της ακτινοβολίας θα έπρεπε να εξαρτάται μαθηματικώς από την ενέργειά της για την περιοχή των υψηλών συχνοτήτων, εφόσον ίσχυε ο νόμος του Wien. Διαπίστωσε όμως πως η εξάρτηση αυτή θα έπρεπε να υφίσταται και για τις χαμηλές συχνότητες, ώστε να καλύπτονται τα αντίστοιχα πειραματικά αποτελέσματα. Σκέφθηκε λοιπόν πως θα έπρεπε να συνδυάσει τις δύο αυτές εκφράσεις, κατά τον απλούστερο δυνατό τρόπο, ώστε να καταλήξει σε ένα τύπο, που να συνδέει την ενέργεια της ακτινοβολίας με τη συχνότητά της. Μέσα σε λίγες ώρες, είχε ανακαλύψει ένα τύπο που έμοιαζε να απαντά σε όλα τα ερωτήματα άσχετα από το πόσο χαμηλές ή υψηλές ήταν οι συχνότητες. Οι άλλοι επιστήμονες χαιρέτησαν αμέσως το εύρημά του μιλώντας για μια ανακάλυψη ορόσημο. Ο Planck ωστόσο δεν ήταν ικανοποιημένος. Ήθελε να καταλάβει γιατί αυτός ο τύπος ήταν σωστός.

Αναζητώντας την απάντηση, αντιλήφθηκε πως θα έπρεπε να παραιτηθεί από μια από τις πεποιθήσεις τους, ότι το δεύτερο θερμοδυναμικό αξίωμα έχει απόλυτη ισχύ στην φύση. Άρχισε να φαντάζεται πως το «μέλαν σώμα» αποτελούνταν από μικροσκοπικούς ταλαντωτές που ο καθένας ξεχωριστά εξέπεμπε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Αυτό ήταν το μεγάλο βήμα: την εποχή εκείνη, οι περισσότεροι φυσικοί δεν είχαν καν διανοηθεί πως η ύλη αποτελούνταν από άτομα, και πόσο μάλλον πως η ενέργεια μπορούσε να τεμαχιστεί με τον ίδιο τρόπο. Ωστόσο, ο τύπος αυτός φαινόταν πως ήταν σωστός.

Σε αυτό το σημείο, ο Planck έκανε και την ιστορική του ανακάλυψη. Διαπίστωσε πως έπρεπε να λάβει ως δεδομένο ότι οι μικροσκοπικοί ταλαντωτές δεν μπορούσαν να δονούνται σε οποιαδήποτε συχνότητα. Για έναν φυσικό που είχε εντρυφήσει στην πολλών χιλιάδων ετών μελέτη των ταλαντώσεων, αυτή η σκέψη ήταν αιρετική.  Ακόμη και οι Αρχαίοι Έλληνες γνώριζαν πως οι τεντωμένες χορδές ταλαντώνονταν σε οποιαδήποτε συχνότητα, ακόμη και αν το αποτέλεσμα δεν ήταν ιδιαίτερα μελωδικό.

Ο Planck προσπάθησε να κατανοήσει το περίεργο εύρημά του, καμιά όμως γνωστή θεωρία της φυσικής δεν μπορούσε να τον βοηθήσει. Όπως αποκάλυψε και ο ίδιος αργότερα, «μέσα στην απελπισία του» αποφάσισε να αποδεχτεί πως η ακτινοβολούμενη ενέργεια μπορούσε να εκπέμπεται σε διακεκριμένα ποσά που αποκάλεσε «κβάντα». Ο μοναδικός λόγος που δέχτηκε την ανακάλυψή του ήταν γιατί ο νόμος του ίσχυε. Ο Planck διαισθανόταν πως είχε καταφέρει μια σημαντική ανακάλυψη, όπως ανέφερε στο γιο του σ’ εκείνη τη βόλτα.

Ο τύπος που συνέδεε την ποσότητα της ενέργειας αυτών των ποσών με την συχνότητά τους ήταν πολύ κοντά: όσο μικρότερη ήταν η συχνότητα, τόσο μεγαλύτερη ήταν η ενέργεια. Η σύνδεση έγινε με τη βοήθεια μιας ποσότητας που αναφέρεται ως “h” και είναι γνωστή ως Σταθερά δράσης Planck. Μαζί με την ταχύτητα του φωτός , τη “c”, και την Σταθερά της Βαρύτητας του Νεύτωνα, τη “G”, η “h” θεωρείται σήμερα «συμπαντικά» σημαντική.

Ο Albert είδε το φως

Πέρασαν αρκετά χρόνια έως ότου οι φυσικοί αρχίσουν να κατανοούν τη σημασία των παράξενων κβάντα του Planck. Ο πρώτος που τους έδωσε σημασία ήταν ένας φυσικός που εργαζόταν στη Βέρνη στην Ελβετία. Το όνομά του ήταν Albert Einstein. Το 1905, απέδειξε πως υπό ορισμένες περιστάσεις, η ενέργεια που μεταδίδεται με τη μορφή ακτινοβολίας, φαίνεται ότι αποτελείται από κβάντα, τα φωτόνια. Οι φυσικοί είχαν στο μεταξύ ανακαλύψει πως ορισμένα μέταλλα που εκτίθονταν στο φως παρήγαγαν ηλεκτρισμό. Παραδόξως, το πιο δυνατό φως δεν παρήγαγε περισσότερη ενέργεια. Σημασία είχε μόνο η συχνότητα του φωτός: όσο πιο μικρή ήταν, τόσο περισσότερο ηλεκτρισμό παρήγαγε.

Ο Einstein απέδειξε πως ο τύπος του Planck εξηγούσε αυτό το φαινόμενο. Η ευφυής παρουσίαση της ισχύος της εξίσωσης του Planck χάρισε στον Einstein το Βραβείο Nobel, κάτι που ενθάρρυνε και τους άλλους φυσικούς να πάρουν στα σοβαρά τη κβαντική θεωρία. Τα χρόνια που ακολούθησαν η κβαντική θεωρία έλυσε πολλά μυστήρια, από τη συμπεριφορά των υλικών μέχρι τη δομή του ατόμου. Όσο η ευρύτητα των φαινομένων που μπορούσε να εξηγήσει αυξανόταν, τόσο μεγάλωνε και η επιτυχία της.

Η αναγνώριση της ευφυΐας

Η κβαντική φυσική θεωρείται σήμερα ως η πιο πετυχημένη επιστημονική θεωρία. Ο πατέρας της Max Planck βραβεύτηκε πολλές φορές γι’ αυτή του θεωρία. Στα βραβεία του συμπεριλαμβάνεται και το Βραβείο Nobel Φυσικής του 1918. Εξήντα ετών εκείνη την εποχή, διοχέτευσε όση ενέργεια του είχε απομείνει στο να φέρει τους καλύτερους φυσικούς –μεταξύ τους και ο Einstein- στο Βερολίνο για να εργαστούν πάνω στη κβαντική θεωρία.

Η προσωπική του τραγωδία τον έκανε να αφοσιωθεί σε αυτό το έργο. Είχε ήδη χάσει την πρώτη του γυναίκα το 1916, η οποία δεν άντεξε στα νέα του θανάτου του γιού τους – αυτού στον οποίο είχε μιλήσει ο Planck για την ανακάλυψή του- που είχε χαθεί στη μάχη του Verdun. Μέσα στην επόμενη τριετία, έχασε και τις δύο κόρες του οι οποίες πέθαναν ενώ γεννούσαν τα εγγόνια του. Το 1944, ο μόνος γιος που του είχε απομείνει εκτελέστηκε από τους Ναζί ως ύποπτος συνωμοσίας κατά του Χίτλερ.

O Planck πέθανε στη Γερμανία το 1947, σε ηλικία 89 ετών. Όταν ο Einstein πληροφορήθηκε το θάνατό ενός από τους επιστημονικούς του ήρωες, έγραψε στη χήρα του Planck πως τον θυμόταν σαν έναν άνθρωπο «το βλέμμα του οποίου κοίταζε τις αιώνιες αλήθειες, αλλά ασχολούνταν με οτιδήποτε αφορούσε την ανθρωπότητα».

Πηγή: focusmag.gr