Referat Max Planck - Kindheit, Studium, Die Entdeckung von h, Die Rolle Einsteins, Plancks späteres Leben, Schrödingers Katze

Max Planck

Kindheit

Max Karl Ernst Ludwig Planck wurde am 23.April 1858 in Kiel als sechstes Kind eines Professors für Rechtswissenschaften geboren. Entsprechend einer langen Familientradition war seine Erziehung darauf ausgerichtet, Werte wie Hochachtung vor Kirche und Staat, hervorragende Schulerfolge, Unbestechlichkeit, Konservatismus, Idealismus, Zuverlässigkeit und Großzügigkeit ausgerichtet. Als Planck neun Jahre alt war erhielt sein Vater eine Berufung an die Universität München und Planck besuchte das berühmte Maximilian Gymnasium in München, wo sein Lehrer Hermann Müller sein Interesse an Physik und Mathematik weckte. Nachdem er mit siebzehn Jahren die Matura mit sehr gutem Erfolg in allen Fächern abgelegt hatte, mußte er die schwierige Entscheidung über seine weitere Karriere treffen. Er zog die Physik der klassischen Philosophie und der Musik vor. Trotzdem blieb Musik immer ein wichtiger Bestandteil seines Lebens. Er besaß die Gabe des absoluten Gehörs und war ein exzellenter Pianist. Er spielte täglich Klavier, wobei er insbesondere Werke von Brahms und Schubert liebte. Jeden Tag machte er einen ausgedehnten Spaziergang und Radfahren und Klettern gehörten bis ins hohe Alter zu seinen liebsten Vergnügungen.

Studium

Im Herbst 1874 inskribierte er an der Universität München wo Professor Philipp von Jolly lehrte. Während seiner Wanderjahre 1877-78 kam er an die Universität Berlin. Dort war er von den Vorlesungen der Professoren Hermann von Helmholtz und Gustav Robert Kirchhoff trotz ihres Rufes als Kapazitäten nicht sehr beeindruckt. Er betrieb unabhängige Studien nach den Schriften von Rudolf Clausius über Thermodynamik. 1897, im Geburtsjahr von Einstein, kam er nach München zurück und erhielt da das Doktorat im erstaunlich jungen Alter von 21 Jahren. Im darauffolgenden Jahr verfaßte er seine Habilitationsschrift in München und wurde Privatdozent. Im Jahre 1885 wurde er mit Hilfe der Beziehungen seines Vaters außerordentlicher Professor an der Universität Kiel. Nach dem Tod von Kirchhoff erhielt Planck im Jahre 1889 eine Berufung nach Berlin, wo er Helmholtz als Kollegen und Mentor schätzen lernte. Im Jahre 1892 wurde er ordentlicher Professor. Er hatte insgesamt nur neun Dissertanten, aber seine Vorlesungen aus allen Gebieten der Theoretischen Physik wurden in mehreren Auflagen gedruckt. Er blieb für den Rest seiner aktiven Laufbahn in Berlin.

Die Entdeckung von h

Den ersten tiefen Eindruck einer absoluten Naturkonstanten hinterließ bei Planck noch als Gymnasiast der erste Hauptsatz der Thermodynamik. Während seiner Studienzeit gewann er die Überzeugung, daß der zweite Hauptsatz der Thermodynamik, der Entropiesatz ein absolutes Naturgesetz sei. Der zweite Hauptsatz wurde Thema seiner Dissertation und diese Arbeiten führten ihn zur Entdeckung des Wirkungsquantums im Jahre 1900, als Planck´sche Konstante h bekannt.

In den Jahren 1859-60 hatte Kirchhoff den schwarzen Körper als einen Gegenstand definiert, der auf ihn einfallende Strahlung perfekt absorbiert, als ein perfekter Absorber (und auch Emitter) ist. Ein schwarzer Körper war also etwas besonderes, und um 1890 wurden viele Experimente und Überlegungen angestellt, um die spektrale Verteilung der vom schwarzen Körper emittierten Strahlung zu beschreiben( die abgestrahlte Energie einer bestimmten Frequenz bei einer bestimmten Temperatur). Planck war von der Formel, die sein Kollege Wilhelm Wien an der Physikalisch Technischen Reichsanstalt (PTR) in Berlin Charlottenburg im Jahre 1896 gefunden hatte sehr beeindruckt. Er versuchte in der Folge, das 'Wien´sche Strahlungsgesetz' aus dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik herzuleiten.

Im Oktober 1900 fanden jedoch andere Kollegen vom der PTR experimentell heraus, daß das Wien'sche Gesetz zwar höhere Frequenzen stimmte, jedoch für niedrige Frequenzen komplett versagte.

Planck erfuhr von diesen Forschungsergebnissen unmittelbar vor einem Treffen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft am 19. Oktober. Er wußte wie die Entropie der Strahlung mathematisch von der Energie für hohe Frequenzbereiche abhängen mußte, und er wußte auch, wie die Formel für niedrigen Bereiche aussehen mußte, um die experimentellen Ergebnisse zu beschreiben. Planck vermutete, daß er die beiden Formeln einfach kombinieren sollte um eine Formel zu erhalten, die Energie zur Frequenz der Strahlung in Beziehung brachte.

Für Planck war das Finden der Formel, eine glückliche Eingebung und er versuchte nun, diese Formel theoretisch abzuleiten und zu bestätigen. Am 14. Dezember war es soweit, Planck hatte Erfolg. Er mußte jedoch dazu sein physikalisches Weltbild grundsätzlich ändern. Er mußte erkennen, daß der zweite Hauptsatz der Thermodynamik kein absolutes Naturgesetz war. Vielmehr mußte er Ludwig Boltzmann´s Interpretation annehmen, wonach der zweite Hauptsatz ein statistisches Gesetz ist. Weiters mußte er annehmen, daß der schwarze Körper (oder der Oszillator, der ihn in der Rechnung darstellt) die Strahlung nicht kontinuierlich aufnehmen konnte, sondern nur in kleinen diskreten Mengen, in sogenannten Energiequanten. Erst die statistische Verteilung dieser Quanten (von denen jedes die Energie hn die der Frequenz proportional ist hatte) über alle Oszillatoren im schwarzen Körper ließ Planck die Strahlungsformel herleiten, die er zwei Monate vorher gefunden hatte. Mit seiner neuen Formel schätzte er die Naturkonstanten h, die Boltzmannkanstante, die Avogadro Zahl und die Ladung des Elektrons ab. Im Laufe der Zeit erkannten die Physiker immer deutlicher, daß die Existenz von h zur Folge hatte, daß die mikrophysikalische Welt, die Welt in den Dimensionen der Atome, nicht durch die klassische Mechanik beschrieben werden kann.

Die Rolle Einsteins

Plancks Konzept der Energiequanten stand im Widerspruch mit der damaligen physikalischen Theorie. Es dauerte Jahre, bis Plancks Erkenntnisse generell anerkannt wurden und in diesem Prozeß spielte Einstein eine entscheidende Rolle. Einstein stellte fest, daß Strahlungsenerie selbst aus Quanten besteht (Lichtquanten, Photone genannt) und in 1907 zeigte er die generelle Gültigkeit der Quantentheorie, indem er die Temperaturabhängigkeit der spezifischen Wärme von Festkörpern beschrieb. 1909 führte er den Welle-Teilchen-Dualismus in die Physik ein.

1911 lieferte Henri Pointcaré einen mathematischen Beweis, daß Plancks Strahlungsgesetz notwendigerweise die Einführung eines Elementarquntums erforderte. Niels Bohr trug entscheidend zur Entstehung der Quantentheorie durch seine Theorie des Wasserstoffatomes im Jahre 1913 bei.

Ironischerweise war Planck selbst einer der letzten, die für eine Rückkehr zur klassischen Theorie plädierten. Unter den Physikern hielt sich ein Widerstand gegen Einsteins Lichtquantenhypothese von 1905 bis zur Entdeckung des Compton-Effektes im Jahre 1922.

Plancks späteres Leben

Planck war 42 Jahre alt, als er 1900 seine entscheidende Entdeckung machte, für die er 1918 den Nobelpreis gewann. Es ist nicht verwunderlich, daß er danach keine Entdeckungen von vergleichbarer Bedeutung machte. Dennoch lieferte er noch wichtige Beiträge zu verschiedenen Gebieten wie Optik, Thermodynamik und statistische Mechanik sowie physikalischer Chemie. Er war auch der erste prominente Physiker, der die Bedeutung von Einsteins spezielle Relativitätstheorie 1905 erkannte. Planck sagte: 'Die Bedeutung der Lichtgeschwindigkeit für die Relativitätstheorie ist das was das Elementarquantum für die Quantentheorie ist: sie ist das absolute Herz'.

1914 gelang es Planck zusammen mit Walther Herrmann Nernst Albert Einstein nach Berlin zu bringen, und nach dem Krieg im Jahre 1919 wurde auch Max von Laue, Plancks liebster Schüler, nach Berlin geholt.

Als Planck im Jahre 1928 emeritierte wurde Erwin Schrödinger, der Begründer der Wellenmechanik, als sein Nachfolger nach Berlin geholt.  Für einige kurze Jahre, bis Hitler 1933 an die Macht kam, war Berlin ein hervorragendes Zentrum für theoretische Physik.

In den späteren Jahren widmete sich Planck immer mehr seiner Schriften philosophischer, ästhetischer und religiöser Themen. Zusammen mit Einstein und Schrödinger gehörte er zu den stärksten Kritikern des indeterministischen, statistischen Weltbildes, das von Bohr, Max Born, Werner Heisenberg und anderen nach der Entdeckung der Quantentheorie in den Jahren 1925-26 eingeführt wurde. Planck glaubte, daß die physikalische Welt unabhängig vom Menschen existiert, daß eine enge Kopplung von beobachtetem Objekt und Beobachter nicht existiert, wie Bohr und seine Schule es postulierten (Schrödingers Katze).

Schrödingers Katze

Die Quantentheorie nimmt an, daß die Beobachtung das Experiment beeinflußt.

So ist bei einer Menge instabiler, radioaktiver Atomkerne, durch die physikalischen Gesetze genau festgelegt, wie viele Kerne nach einer bestimmten Zeit t zerfallen sind. Über den Zeitpunkt des Zerfalls eines einzelnen, bestimmten Atomkerns kann die Quantenphysik jedoch keine Aussage machen. Hier ist die physikalische Gesetzmäßigkeit eine statistische Aussage, im Gegensatz zu den streng deterministischen Gesetzen des Makrokosmos (der "normalen" Physik). Der Zeitpunkt des Zerfalls des Atomkernes ist nach der Quanten-theorie dem Zufall überlassen. Diese Aussage wurde von einigen Kritikern dieser Inter-pretation (Einstein, Schrödinger und Plack) heftig kritisiert. Von Einstein stammt der Aus-spruch: "Ich glaube nicht, daß der liebe Gott würfelt".

Die Quantentheorie glaubt nun, daß der Zustand des Atomes an sich nicht bestimmt ist, sondern erst durch die Beobachtung einen Zustand, also "zerfallen" oder "nicht zerfallen", annimmt.

Die Kritiker setzten dieser Idee das Gedankenexperiment von "Schrödingers Katze" entgegen.

Das Experiment sieht so aus: In einer Kiste befinden sich eine Katze, eine Giftviole aus Glas, ein Hammer der mit einem Strahlungsdetektor gekoppelt ist und ein instabiles Atom. Zerfällt das Atom, so sendet es beim Zerfall eine Strahlung aus, die vom Detektor registriert wird. Der Detektor löst dadurch den Mechanismus des Hammers aus, der wiederum die Giftviole zerschlägt. Dadurch stirbt die Katze.

Nach der Quantentheorie ist nun, solange der Deckel des Kistchens nicht durch einen Beobachter geöffnet wird der Zustand des Atoms unbestimmt. Damit ist aber auch unbestimmt, ob die Katze lebt oder schon tot ist.

Schrödinger wollte mit diesem Gedankenexperiment das heftige Diskussionen unter den Physikern hervorrief, zum Ausdruck bringen, daß er die Idee des "unbestimmten Zustandes" für absurd hielt.

Planck wurde im Jahre 1912 Sekretär der mathematischen und physikalischen Sektion der preußischen Akademie der Wissenschaften und hielt diese Position bis 1938, er war auch Präsident der Kaiser Wilhelm Gesellschaft (jetzt Max Planck Gesellschaft) von 1930 bis 1937.

Planck war aufgrund seiner Funktionen und seiner Weltanschauung eine moralische Autorität. Bezeichnend für ihn ist, daß er direkt zu Hitler ging, um ihn zu einer Abkehr von seiner Rassenpolitik zu bringen. Er entschied sich, während der Nazizeit in Deutschland zu bleiben und von der Deutschen Physik soviel er konnte zu retten.

Planck hatte einen unbeugsamen Willen, eine stoische Ruhe und eine tiefe Religiosität. Anders hätte er wohl die Schicksalsschläge, die ihm nach seinem fünfzigsten Lebensjahr widerfahren sind, nicht ertragen können. Im Jahre 1909 verstarb seine erste Frau Marie nach 22 Jahren glücklicher Ehe. Aus der Ehe stammten zwei Söhne und zwei Mädchen (Zwillinge). Der ältere Sohn Karl fiel 1916 im Krieg, im darauffolgenden Jahr starb seine Tochter Margarete bei der Geburt ihres Kindes und 1919 ereilte seine zweite Tochter Emma das gleiche Schicksal. Der zweite Weltkrieg brachte Tragödien. Plancks Haus in Berlin wurde 1944 durch Bomben völlig zerstört. Der jüngere Sohn Erwin war in das Attentat auf Hitler vom 20. Juli 1944 verwickelt und starb Anfang 1945 in den Händen der Gestapo auf furchtbare Weise.

Max Planck starb am 4. Oktober 1947 in Göttingen im Alter von 89 Jahren