100 великих нобелевских лауреатов
- -
- 100%
- +
По окончании гимназии в 1874 году он в течение трех лет изучал математику и физику в Мюнхенском и год – в Берлинском университетах. Физику преподавал профессор Ф. фон Жолли. О нем, как и о других, Планк говорил потом, что он у них многому научился и хранил о них благодарную память, «однако в научном отношении они были, в сущности, людьми ограниченными». Макс решил завершать образование в Берлинском университете. Хотя здесь он занимался у таких корифеев науки, как Гельмгольц и Кирхгоф, но и здесь он не получил полного удовлетворения: его огорчало, что лекции корифеи читали плохо, особенно Гельмгольц. Гораздо больше он получил от знакомства с публикациями этих выдающихся физиков. Они способствовали тому, что научные интересы Планка надолго сосредоточивались на термодинамике.
Ученую степень доктора Планк получил в 1879 году, защитив в Мюнхенском университете диссертацию «О втором законе механической теории тепла» – втором начале термодинамики, утверждающем, что ни один непрерывный самоподдерживающийся процесс не может переносить тепло от более холодного тела к более теплому. Через год он защитил диссертацию «Равновесное состояние изотропных тел при различных температурах», которая принесла ему должность младшего ассистента физического факультета Мюнхенского университета.
Как вспоминал ученый: «Будучи приват-доцентом в Мюнхене в течение многих лет, я напрасно ждал приглашения в профессуру, на что, конечно, шансов было мало, так как теоретическая физика тогда еще не служила отдельным предметом. Тем более настоятельной была потребность так или иначе выдвинуться в научном мире.
С этим намерением я решил разработать проблему о сущности энергии, поставленную Геттингенским философским факультетом на соискание премии за 1887 год. Еще до окончания этой работы, весной 1885 года, меня пригласили в качестве экстраординарного профессора теоретической физики в Кильский университет. Это казалось мне спасением; день, когда министериал[10] директор Альтгоф пригласил меня к себе в отель «Мариенбад» и более подробно сообщил мне условия, я считал самым счастливым в моей жизни. Хотя в доме родителей я и вел беззаботную жизнь, я все же стремился к самостоятельности…
Вскоре я переехал в Киль; моя геттингенская работа была там вскоре закончена и увенчалась второй премией».
В 1888 году Планк стал адъюнкт-профессором Берлинского университета и директором Института теоретической физики (пост директора был создан специально для него).
К тому времени Планк опубликовал ряд работ по термодинамике. Особую известность получила созданная им теория химического равновесия ненасыщенных растворов.
В 1896 году Планк заинтересовался измерениями, производившимися в Государственном физико-техническом институте в Берлине. Экспериментальная работа по изучению спектрального распределения излучения «черного тела», выполненная здесь, привлекла внимание ученого к проблеме теплового излучения.
К тому времени существовало две формулы для описания излучения «черного тела»: одна для коротковолновой части спектра (формула Вина), другая для длинноволновой (формула Рэлея). Задача состояла в том, чтобы состыковать их.
«Ультрафиолетовой катастрофой» назвали исследователи расхождение теории излучения с экспериментом. Расхождение, которое никак не удавалось устранить. Современник «ультрафиолетовой катастрофы», физик Лоренц, грустно заметил: «Уравнения классической физики оказались неспособными объяснить, почему угасающая печь не испускает желтых лучей наряду с излучением больших длин волн…»
«Сшить» формулы Вина и Рэлея и вывести формулу, совершенно точно описывающую спектр излучения черного тела, удалось Планку.
Вот как пишет об этом сам ученый:
«Именно в ту пору все выдающиеся физики обратились, как с экспериментальной, так и теоретической стороны, к проблеме распределения энергии в нормальном спектре. Однако ее они искали в направлении представления интенсивности излучения в ее зависимости от температуры, тогда как я подозревал более глубокую связь в зависимости энтропии от энергии. Так как значение энтропии тогда еще не нашло подобающего ему признания, то я нисколько не волновался за используемый мною метод и мог свободно и основательно проводить свои расчеты, не опасаясь вмешательства или опережения с чьей-либо стороны.
Так как для необратимости обмена энергии между осциллятором и возбужденным им излучением имеет особое значение вторая производная его энтропии по его энергии, то я вычислил значение этой величины для случая, стоявшего тогда в центре всех интересов виновского распределения энергии, и нашел замечательный результат, что для этого случая обратная величина такого значения, которую я здесь обозначил K, пропорциональна энергии. Эта связь так ошеломляюще проста, что я долгое время признавал ее совершенно общей и трудился над ее теоретическим обоснованием. Однако шаткость такого понимания скоро обнаружилась перед результатами новых измерений. Именно в то время, как для малых значений энергии, или для коротких волн, закон Вина отлично подтвердился также и впоследствии, для больших значений энергии, или для больших волн, установили сперва Люммер и Прингсгейм заметное отклонение, а проведенные Рубенсом и Ф. Курлбаумом совершенные измерения с плавиковым шпатом и калийной солью обнаружили совершенно иное, однако опять-таки простое отношение, что величина K пропорциональна не энергии, а квадрату энергии при переходе к большим значениям энергии и длин волн.
Так прямыми опытами были установлены для функции две простые границы: для малых энергий пропорциональность (первой степени) энергии, для больших – квадрату энергии. Понятно, что так же как любой принцип распределения энергии дает определенное значение K, так и всякое выражение приводит к определенному закону распределения энергии, и речь идет теперь о том, чтобы найти такое выражение, которое давало бы установленное измерениями распределение энергии. Но теперь ничего не было естественнее, как составить для общего случая величину в виде суммы двух членов: одного первой степени, а другого второй степени энергии, так что для малых энергий будет решающим первый член, для больших – второй; вместе с тем была найдена новая формула излучения, которую я предложил на заседании Берлинского физического общества 19 октября 1900 года и рекомендовал для исследования.
…Последующими измерениями формула излучения также подтверждалась, а именно, тем точнее, чем к более тонким методам измерения переходили. Однако формула измерения, если предполагать ее абсолютно точную истинность, была сама по себе только счастливо угаданным законом, имеющим только формальное значение».
Планк установил, что свет должен испускаться и поглощаться порциями, причем энергия каждой такой порции равна частоте колебания умноженной на специальную константу, получившую название постоянной Планка.
Ученый сообщает, как упорно пытался он ввести квант действия в систему классической теории: «Но эта величина [постоянная h] оказалась строптивой и сопротивлялась всем подобного рода попыткам. До тех пор пока ее можно считать бесконечно малой, т е. при больших энергиях и более продолжительных периодах, все было в полном порядке. Но в общем случае то там, то здесь возникала зияющая трещина, которая становилась тем более заметной, чем более быстрые колебания рассматривались. Провал всех попыток перекинуть мост через эту пропасть не оставил вскоре никаких сомнений в том, что квант действия играет фундаментальную роль в атомной физике и что с его появлением началась новая эпоха в физической науке, ибо в нем заложено нечто, до того времени неслыханное, что призвано радикально преобразить наше физическое мышление, построенное на понятии непрерывности всех причинных связей с того времени, как Лейбниц и Ньютон создали исчисление бесконечно малых».
В. Гейзенберг так передает широко известную легенду о раздумьях Планка: «Его сын Эрвин Планк вспоминал об этом времени, что он гулял со своим отцом в Грюневальде, что Планк в течение всей прогулки возбужденно и волнуясь рассказывал о результате своих исследований. Он говорил ему примерно так: «Или то, чем я занимаюсь теперь, есть совершенная бессмыслица, или речь идет, может быть, о самом большом открытии в физике со времен Ньютона»»
14 декабря 1900 года Планк на заседании Немецкого физического общества выступил со своим историческим докладом «К теории распределения энергии излучения нормального спектра». Он доложил о своей гипотезе и новой формуле излучения. Введенная Планком гипотеза ознаменовала рождение квантовой теории, совершившей подлинную революцию в физике. Классическая физика в противоположность современной физике ныне означает «физика до Планка».
Новая теория включала в себя, помимо постоянной Планка, и другие фундаментальные величины, такие как скорость света и число, известное под названием постоянной Больцмана. В 1901 году, опираясь на экспериментальные данные по излучению черного тела, Планк вычислил значение постоянной Больцмана и, используя другую известную информацию, получил число Авогадро (число атомов в одном моле элемента). Исходя из числа Авогадро, Планк сумел с высочайшей точностью найти электрический заряд электрона.
Позиции квантовой теории укрепились в 1905 году, когда Альберт Эйнштейн воспользовался понятием фотона – кванта электромагнитного излучения. Еще через два года Эйнштейн еще более упрочил положение квантовой теории, воспользовавшись понятием кванта для объяснения загадочных расхождений между теорией и экспериментальными измерениями удельной теплоемкости тел. Еще одно подтверждение теории Планка поступило в 1913 году от Бора, применившего квантовую теорию к строению атома.
В 1919 году Планк был удостоен Нобелевской премии по физике за 1918 год «в знак признания его заслуг в деле развития физики благодаря открытию квантов энергии». Как заявил А.Г. Экстранд, член Шведской королевской академии наук на церемонии вручения премии, «теория излучения Планка – самая яркая из путеводных звезд современного физического исследования, и пройдет, насколько можно судить, еще немало времени, прежде чем иссякнут сокровища, которые были добыты его гением». В нобелевской лекции, прочитанной в 1920 году, Планк подвел итог своей работы и признал, что «введение кванта еще не привело к созданию подлинной квантовой теории».
К числу других его достижений относится, в частности, предложенный им вывод уравнения Фоккера—Планка, описывающего поведение системы частиц под действием небольших случайных импульсов.
В 1928 году в возрасте семидесяти лет Планк вышел в обязательную формальную отставку, но не порвал связей с Обществом фундаментальных наук кайзера Вильгельма, президентом которого он стал в 1930 году. И на пороге восьмого десятилетия он продолжал исследовательскую деятельность.
После прихода в 1933 году Гитлера к власти Планк не раз публично выступал в защиту еврейских ученых, изгнанных со своих постов и вынужденных эмигрировать. В дальнейшем Планк стал более сдержанным и хранил молчание, хотя нацисты, несомненно, знали о его взглядах. Как патриот, любящий родину, он мог только молиться о том, чтобы германская нация вновь обрела нормальную жизнь. Он продолжал служить в различных германских ученых обществах, в надежде сохранить хоть какую-то малость немецкой науки и просвещения от полного уничтожения.
Планк жил в предместье Берлина – Грюневальд. В его доме, расположенном по соседству с чудесным лесом, было просторно, уютно, на всем лежала печать благородной простоты. Огромная, любовно и вдумчиво подобранная библиотека. Музыкальная комната, где хозяин угощал своей изысканной игрой больших и небольших знаменитостей.
Его первая жена, урожденная Мария Мерк, с которой он вступил в брак в 1885 году, родила ему двух сыновей и двух дочерей-близнецов. С ней Планк счастливо прожил более двадцати лет. В 1909 году она умерла. Это был удар, от которого ученый долго не мог оправиться.
Двумя годами позже он женился на своей племяннице Марге фон Хесслин, от которой у него также родился сын. Но с той поры несчастья преследовали Планка. Во время Первой мировой войны погиб под Верденом один из его сыновей, а в последующие годы обе его дочери умерли при родах. Второй сын от первого брака был казнен в 1944 году за участие в неудавшемся заговоре против Гитлера. Дом и личная библиотека ученого погибли во время воздушного налета на Берлин.
Силы Планка были подорваны, все больше страданий причинял артрит позвоночника. Некоторое время ученый находился в университетской клинике, а затем переехал к одной из своих племянниц.
Скончался Планк в Геттингене 4 октября 1947 года, за шесть месяцев до своего девяностолетия. На его могильной плите выбиты только имя и фамилия и численное значение постоянной Планка.
В честь его восьмидесятилетия одна из малых планет была названа Планкианой, а после окончания Второй мировой войны Общество фундаментальных наук кайзера Вильгельма было переименовано в Общество Макса Планка.
АЛЬБЕРТ ЭЙНШТЕЙН
(1879—1955)
Альберт Эйнштейн родился 14 марта 1879 года в маленьком австрийском городке Ульме. Когда мальчику исполнился один год, его родители Герман и Паулина Эйнштейн перебрались в Мюнхен. Герман вошел в дело младшего брата Якоба и стал совладельцем фирмы по производству и починке электроприборов. Дела шли хорошо, и семья жила в роскошной двухэтажной вилле.
В семь лет Альберта отправили в муниципальную школу. Его сестра вспоминает, что он считался всего лишь «умеренно способным», так как очень медленно усваивал и переваривал новую информацию: «Его математических талантов в то время еще не замечали; он не блистал даже по арифметике, то есть мог ошибиться в вычислениях и делал их не слишком быстро, хотя обладал логическими способностями и упорством».
Но уже в семь лет он начинает подавать надежды. В августе 1886 года Паулина писала своей матери, бабушке Эйнштейна, что он снова получил лучший в классе аттестат. Высказывание Паулины о том, что ее маленький Альберт будет знаменитым профессором, стало неотъемлемой частью семейного предания.
Годы своего обучения в Луитпольд-гимназиум, куда его отдали в возрасте девяти с половиной лет, Эйнштейн вспоминал с горечью: «Я был готов стерпеть любое наказание, лишь бы не учить на память бессвязный вздор», – вспоминает он позже.
Закончив шесть классов, он до осени 1895 года жил в Милане и учился самостоятельно. Осенью 1895 года он приехал в Швейцарию, чтобы поступить в Высшее техническое училище в Цюрихе, политехникум – так называлось кратко это учебное заведение. Но прежде чем поступить сюда, ему пришлось окончить последний класс кантональной школы в Аарау.
В октябре 1896 года Эйнштейна, наконец, приняли в политехникум на учительский факультет. Обучение в Аарау – самый счастливый период в жизни Эйнштейна, он описывает городок как «незабываемый оазис в том оазисе, каким Швейцария является для Европы». Профессор Винтелер, подобно отцу Эйнштейна, оказался очень добрым, легким и простым в общении человеком.
В первый год обучения в политехникуме Эйнштейн усердно работал в физической лаборатории, «увлеченный непосредственным соприкосновением с опытом». Кроме интереса к теоретической физике, в студенческие годы Эйнштейн интересовался геологией, историей культуры, экономикой, литературоведением. И продолжал заниматься самообразованием… На его столе появляются труды Гельмгольца, Герца и даже Дарвина.
Летом 1900 года Альберт окончил политехникум со средними оценками и получил диплом учителя физики и математики, а в 1901 году – швейцарское гражданство. В швейцарскую армию Эйнштейна не взяли, так как у него нашли плоскостопие и расширение вен.
С момента окончания политехникума в 1900 году и до весны 1902 года Альберт не мог найти постоянной работы. Дела шли хуже и хуже. Он как-то сказал, что, видимо, ему вскоре придется ходить со скрипкой по улицам, чтобы заработать на кусок хлеба. В эти тяжелые годы Эйнштейн написал статью «Следствия теории капиллярности», она была опубликована в 1901 году в берлинских «Анналах физики». В статье велись рассуждения о силах притяжения между атомами жидкостей.
Наконец, по рекомендации своего друга математика М. Гроссмана Эйнштейн был зачислен на должность эксперта третьего класса с годовым жалованием 3500 франков в федеральное бюро патентов в Берне. Там он проработал семь с лишним лет – с июля 1902 по октябрь 1909 года. Необременительная работа и простой уклад жизни позволили Эйнштейну именно в эти годы стать крупнейшим физиком-теоретиком. После работы у него оставалось достаточно много времени для того, чтобы заниматься собственными исследованиями.
Через полгода после получения работы в патентном бюро Альберт Эйнштейн женился на Милеве Марич. Он поселился с ней в Берне. Эйнштейны снимали верхний этаж в доме бакалейщика. В мае 1904 года в семье появился первенец, названный Гансом-Альбертом.
В 1904 году он закончил и послал в журнал «Анналы физики» статьи, посвященные изучению вопросов статистической механики и молекулярной теории теплоты. В 1905 году эти статьи были напечатаны. Как выразился известный физик Луи де Бройль, эти работы были словно сверкающие ракеты, осветившие мрак ночи, открывшие нам нескончаемые и неизвестные просторы Вселенной.
Ученый смог объяснить броуновское движение молекул и сделал вывод о том, что можно вычислить массу и число молекул, находящихся в данном объеме. Через несколько лет это открытие повторил французский физик Ж. Перрон, получивший за него Нобелевскую премию.
Во второй работе предлагалось объяснение фотоэффекта. «Эксперименты показали, что лучи света, падая на поверхность некоторых металлов, выбивают оттуда электроны, – пишут в своей книге об ученом П. Картер и Р. Хайфильд. – Удивительным казалось то, что скорость, с которой электроны отрываются от поверхности, зависит не от степени освещенности, а от цвета лучей. Например, под воздействием ярчайшего красного света электроны вылетали с меньшей скоростью, чем под воздействием тусклого голубого. Этот факт не поддавался никаким объяснениям, пока Эйнштейн не выдвинул гипотезу, что луч света переносит энергию в виде мельчайших частиц, которые он назвал квантами световой энергии. Когда интенсивность освещения увеличивалась, на поверхность металла падало больше квантов и, соответственно, с нее выбивалось больше электронов. Но скорость, с которой они отрывались от поверхности, увеличивалась только тогда, когда становились больше сами кванты энергии, то есть когда частота светового излучения повышалась, и оно по цвету становилось ближе к голубой части спектра. По словам Эйнштейна, существует нижний порог частоты излучения, то есть нижняя граница величины квантов, которые способны выбить электроны с поверхности металла. Если величина квантов будет меньше этого порогового числа, электроны вообще не смогут оторваться от поверхности металла…
Он поставил науку перед лицом знаменитого парадокса: свет обладал и волновыми, и корпускулярными свойствами. Именно за эту работу Эйнштейн с опозданием получил Нобелевскую премию в 1922 году, но упомянутое противоречие продолжало мучить его всю жизнь. Уже в конце жизни он написал Бессо, что так и не имеет четкого представления о том, что такое квант света. «В наши дни каждый студент думает, что ему это понятно, – писал Эйнштейн. – Но он ошибается»».
Третья и самая замечательная работа Альберта, была посвящена созданию специальной теории относительности. Ученый пришел к выводу, что ни один материальный объект не может двигаться быстрее света. На основании этого он пришел к заключению, что масса тела зависит от скорости его движения и представляет собой «замороженную энергию», с которой связана известной формулой – масса умноженная на квадрат скорости света.
После публикации этих статей к Эйнштейну пришло всеобщее признание. Весной 1909 года Эйнштейн был назначен экстраординарным профессором теоретической физики Цюрихского университета.
28 июля 1910 года у Эйнштейнов родился второй сын Эдуард. В начале 1911 года ученого пригласили занять самостоятельную кафедру в немецком университете в Праге. А летом следующего года Эйнштейн возвратился в Цюрих и занял место профессора в политехникуме, в том самом, где он сидел на студенческой скамье.
В голове ученого родилась новая теория. 25 июня 1913 года писал Маху: «В эти дни Вы, наверное, уже получили мою новую работу об относительности и гравитации, которая, наконец, была окончена после бесконечных усилий и мучительных сомнений. В будущем году во время солнечного затмения должно выясниться, искривляются ли световые лучи вблизи Солнца, другими словами, действительно ли подтверждается основное фундаментальное предположение об эквивалентности ускорения системы отсчета, с одной стороны, и полем тяготения, с другой. Если да, то тем самым будут блестяще подтверждены – вопреки несправедливой критике Планка – Ваши гениальные исследования по основам механики. Потому что отсюда с необходимостью следует, что причиной инерции является особого рода взаимодействие тел – вполне в духе Ваших рассуждений об опыте Ньютона с ведром».
В 1914 году Эйнштейна пригласили в Германию на должность профессора Берлинского университета и одновременно директора Физического института кайзера Вильгельма. В том же году разразилась Первая мировая война, но как швейцарский гражданин Эйнштейн не принял в ней участия.
В 1915 году в Берлине ученый завершил свой шедевр – общую теорию относительности. В ней было не только обобщение специальной теории относительности, но излагалась и новая теория тяготения. Эйнштейн предположил, что все тела не притягивают друг друга, как считалось со времен Исаака Ньютона, а искривляют окружающее пространство и время. Это было настолько революционное представление, что многие ученые сочли вывод Эйнштейна шарлатанством.
Среди прочих явлений предсказывалось отклонение световых лучей в гравитационном поле, что и подтвердили английские ученые во время солнечного затмения в 1919 году. Когда было официально объявлено о подтверждении, Эйнштейн за одну ночь стал знаменит на весь мир.
В 1918 году, через несколько недель после подписания перемирия, Эйнштейн поехал в Швейцарию. Во время своего визита он расторгнул брак с Милевой Марич.
«При разводе наиболее щекотливой проблемой было улаживание финансовых вопросов… С учетом всех «нерегулярных и непредвиденных» выплат Милеве и детям, Эйнштейну, по его словам, грозила опасность растратить все свои сбережения и не иметь возможности обеспечить будущее своих детей, – пишут П. Картер и Р. Хайфилд. – Козырем Эйнштейна стала Нобелевская премия по физике. Если жена не будет чинить препятствий к разводу, деньги, вручаемые нобелевскому лауреату, отойдут к ней и полностью обеспечат и ее будущее, и будущее детей. Если нет, она не получит ничего сверх 6000 швейцарских франков в год – суммы, которую Эйнштейн считал разумным и возможным ей выделить. Предлагая Милеве нобелевские деньги, Эйнштейн вовсе не хотел, как считают многие, отметить ее вклад в создание теории относительности – он просто хотел получить развод удобным для себя способом. Денежный эквивалент премии, выплачиваемый в шведских кронах, соответствовал сумме в 180000 швейцарских франков, причем эта валюта была устойчива, в отличие от падавшей немецкой марки, которую Эйнштейн использовал для предыдущих выплат. Но оставалась одна проблема: Эйнштейн еще не получил Нобелевской премии…
Эйнштейн настолько в себя верил, что уже в 1918 году не сомневался, что станет обладателем Нобелевской премии. Милева подобных сомнений тоже не испытывала – и ее вера в Эйнштейна оставалась неколебимой. Начиная с 1910 года, когда ученый был впервые выдвинут на Нобелевскую премию, его имя только два раза не фигурировало в списках кандидатов, однако, когда обсуждались условия развода, ни Эйнштейн, ни Милева не могли поручиться, что он действительно станет обладателем нобелевских денег. Но оба полагали, что это только вопрос времени. Пока же оно не пришло, Эйнштейн обязался регулярно выплачивать Милеве определенные суммы».
После развода со своей первой женой он продолжал заботиться о ней и о своих сыновьях, старший из которых уже оканчивал гимназию в Цюрихе. Когда в ноябре 1922 года Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия, он передал сыновьям всю полученную сумму. И в то же время он постоянно заботился о двух дочерях своей второй жены Эльзы. Эльза была двоюродной сестрой Альберта по материнской линии и троюродной – по отцовской.
П. Картер и Р. Хайфилд пишут: «Нобелевский комитет отличался консервативностью и не хотел присуждать премию за теорию относительности: она все еще оставалась спорной и не была достаточно подтверждена экспериментальными данными. Эйнштейн стал Нобелевским лауреатом очень нескоро, только в 1922 году. Ему досталась премия, оставшаяся неврученной в 1921 году, и получил он ее не за теорию относительности. По иронии судьбы он получил ее за открытие законов фотоэлектрического эффекта, то есть за теорию, выводы из которой, позднее сделанные другими учеными, вызывали у него раздражение всю оставшуюся жизнь».