JotD / QotD Ελληνική Λίστα Ανεκδότων (JotD)


Θέμα: Αφιέρωμα: Max Planck - Ο απρόθυμος επαναστάτης



(nil): Έβελυν (Jokes-Robot(@)ceid.upatras.gr)
Ημερομηνία: Κυρ 12 Σεπ 2004 - 15:02:19 EEST

Ήταν πριν 100 χρόνια όταν ο Max Planck δημοσίευσε μια εργασία η οποία
γέννησε την μετέπειτα κβαντομηχανική, έτσι τουλάχιστον λέει η ιστορία. Η
ιστορία αποκαλύπτει, όμως, ότι ο Planck δεν αναγνώρισε αμέσως τις
συνέπειες της εργασίας του και ξεκίνησε τη νέα επιστημονική επανάσταση
αντίθετα προς τη θέλησή του.

Γεννημένος το 1858, και γιος ενός καθηγητή του δικαίου, ο Planck έγινε
καθηγητής φυσικής στο πανεπιστήμιο του Βερολίνου το 1889. Η διδακτορική
του διατριβή από το πανεπιστήμιο του Μονάχου ήταν πάνω στον δεύτερο
θερμοδυναμικό νόμο, ο οποίος αποτέλεσε και θέμα πολλών δημοσιεύσεών του
μέχρι το 1905. Οι σκέψεις του Planck επικεντρώνονταν στην ιδέα της
εντροπίας και πως θα κατανοήσουμε την μη αντιστρεπτότητα στη βάση της
διατύπωσης του δεύτερου νόμου με τη γλώσσα της εντροπίας.

Στα 1890 η συζήτηση για το δεύτερο νόμο επικεντρώθηκε στη στατιστική ή
πιθανοκρατική ερμηνεία την οποία ο Ludwig Boltzmann πρότεινε στην αρχική
της μορφή το 1872 και την επεξέτεινε το 1877. Σύμφωνα με την
μοριακή-μηχανιστική ερμηνεία του Boltzmann, η εντροπία ενός συστήματος
είναι το συλλογικό αποτέλεσμα των μοριακών κινήσεων. Ο δεύτερος νόμος
έχει μόνο στατιστική ισχύ. Η θεωρία του Βoltzmann η οποία προϋπέθετε την
ύπαρξη ατόμων και μορίων αμφισβητήθηκε από τον Wilhelm Ostwald και
άλλους «ενεργητικολόγους» που ήθελαν να απαλλάξουν τη φυσική από τη
χρηση εννοιών όπως τα άτομα και μόρια και να την θεμελιώσουν στην
ενέργεια και στα συναφή μεγέθη.

Ποια ήταν η θέση του Planck σ' αυτή τη διαφωνία; Κανείς θα περίμενε ότι
θα έπαιρνε το μέρος των νικητών, ή τέλος πάντων αυτών που σύντομα
αποδείχτηκαν νικητές δηλαδή του Boltzmann και των ατομιστών. Αλλά δεν
συνέβη έτσι. Η πίστη του Planck στην απόλυτη ισχύ του δεύτερου νόμου τον
έκανε όχι μόνο να απορρίψει την στατιστική άποψη του Boltzmann για την
θερμοδυναμική αλλά επίσης να αμφισβητήσει την ατομική υπόθεση στην οποία
στηριζόταν. Ήδη από το 1882 ο Planck συμπέρανε ότι η ατομική δομή της
ύλης ερχόταν σε αντίθεση με τον νόμο της αύξησης της εντροπίας. Είχε
προβλέψει ότι: «Θα υπάρξει μια σύγκρουση μεταξύ αυτών των δύο υποθέσεων
που θα κάνει τη μια από τις δύο να σβήσει».

Όσο για το αποτέλεσμα της διαμάχης έγραψε ότι: « Παρά την μεγάλη
επιτυχία της ατομικής θεωρίας στο παρελθόν, τελικά θα πρέπει να την
εγκαταλείψουμε και να ταχθούμε υπέρ της υπόθεσης της συνεχούς δομής της
ύλης.»

Παρόλα αυτά η αντίθεση του Planck στον ατομισμό εξασθένισε κατά τη
δεκαετία του 1890 καθώς αναγνώρισε τη δύναμη της υπόθεσης και την
ενοποίηση που θα έφερνε σε μια πληθώρα φυσικών και χημικών φαινομένων. Η
στάση του όμως προς τον ατομισμό παρέμεινε σκεπτικιστική και συνέχισε να
δίνει προτεραιότητα στη μακροσκοπική θερμοδυναμική και να αγνοεί τη
στατιστική θεωρία του Boltzmann. Πράγματι το 1895 ήταν έτοιμος να
συμμετάσχει σε ένα μεγάλο ερευνητικό πρόγραμμα για να διερευνηθεί η
αντιστρεπτότητα με ένα μοντέλο της μικρομηχανικής ή της
μικροηλεκτροδυναμικής που δεν θα περιείχε εκπεφρασμένα την ατομική
υπόθεση. Το πρόγραμμα αυτό δεν εξέφραζε μόνο το βαθύ ενδιαφέρον του
Planck στην έννοια της εντροπίας αλλά επίσης έδειχνε την αριστοκρατική
του στάση προς τη φυσική: Εστίαζε την προσοχή του στις θεμελιώδεις όψεις
και περιφρονούσε τις πιο πεζές και εφαρμοσμένες ιδέες. Η εμμονή του στην
εντροπία την οποία συμμερίζονταν μόνο λίγοι φυσικοί, δεν εμφανιζόταν να
είναι κεντρικής σημασίας ή ότι εξασφαλίζει ουσιώδη αποτελέσματα. Και
όμως γι αυτόν συνέχιζε να είναι.

Ακτινοβολία μέλανος σώματος

Από τη σκοπιά του Planck και των συγχρόνων του, ήταν φυσικό να
αναζητείται μια εξήγηση του νόμου της εντροπίας στην ηλεκτροδυναμική του
Maxwell. Εν πάσει περιπτώσει η θεωρία του Maxwell ήταν θεμελιώδης και
υποτίθετο ότι ερμήνευε τη συμπεριφορά των μικροσκοπικών ταλαντωτών που
παράγουν την ακτινοβολούμενη θερμότητα από ένα μαύρο σώμα. Ο Planck
αρχικά πίστευε ότι είχε δικαιολογήσει την μη αντιστρεψιμότητα της
διαδικασίας ακτινοβολίας μέσω της έλλειψης συμμετρίας ως προς το χρόνο
στις εξισώσεις του Maxwell. Δηλαδή ότι οι νόμοι της ηλεκτροδυναμικής
διακρίνουν μεταξύ παρόντος και παρελθόντος, μεταξύ χρόνου που κυλάει
προς τα εμπρός και χρόνου που κυλάει προς τα πίσω. Όμως το 1897 ο
Boltzmann κατέρριψε αυτό το επιχείρημα. Ο Boltzmann έδειξε ότι η
ηλεκτροδυναμική δεν εξασφαλίζει "βέλος του χρόνου" περισσότερο από ότι η
μηχανική. Ο Planck έπρεπε να βρει άλλο δρόμο για να δικαιολογήσει την μη
αντιστρεπτότητα.

Η μελέτη της ακτινοβολίας του μέλανος σώματος είχε ξεκινήσει το 1859,
όταν ο Robert Kirchhoff , ο προκάτοχος της έδρας του Planck στο Βερολίνο
σχολίαζε ότι αυτή η ακτινοβολία ήταν θεμελιώδους φύσης. Την δεκαετία του
1890 αρκετοί πειραματικοί και θεωρητικοί φυσικοί ερευνούσαν την
φασματική κατανομή της ακτινοβολίας. Σημαντική πρόοδος είχε επιτελεσθεί
το 1896 όταν ο Wien βρήκε ένα μαθηματικό νόμο που ήταν σε συμφωνία με
τις ακριβείς μετρήσεις που εκτελούνταν στο Physikalisch-Technische
Reichsanstalt στο Βερολίνο.

Ο νόμος του Wien εστερείτο όμως μιας ικανοποιητικής θεωρητικής βάσης και
γι αυτόν τον λόγο δεν έγινε αποδεκτός από τον Planck. Είναι σημαντικό ν'
αναφερθεί ότι η μη ικανοποίηση του Planck δεν οφειλόταν στον ίδιο τον
τύπο του Wien τον οποίο αποδεχόταν πλήρως αλλά στον τρόπο παραγωγής του
από τον Wien. Ο Planck δεν ενδιαφερόταν να παράγει έναν σωστό μεν αλλά
εμπειρικό νόμο, αλλά να θεμελιώσει μια ισχυρή αποδειξή του. Κατ' αυτόν
τον τρόπο πίστευε, ότι θα μπορούσε να δικαιολογήσει το νόμο της εντροπίας.

Οδηγημένος από την κινητική θεωρία των αερίων του Boltzmann, ο Planck
διατύπωσε ότι αποκαλούσε «αρχή στοιχειωδών διαταραχών» η οποία δεν
στηριζόταν ούτε στην μηχανική ούτε στην ηλεκτροδυναμική. Την
χρησιμοποίησε για να ορίσει την εντροπία ενός ιδανικού ταλαντωτή
(διπόλου) αλλά ήταν προσεκτικός να μην ταυτίσει τέτοιους ταλαντωτές με
συγκεκριμένα άτομα ή μόρια. Το 1899 ο Planck βρήκε μια έκφραση για την
εντροπία των ταλαντωτών από την οποία πρόκυπτε ο νόμος του Wien. Ο νόμος
αυτός που μερικές φορές αναφέρεται σαν νόμος των Wien-Planck είχε πια
αποκτήσει μια θεμελιώδη υπόσταση. Ο Planck ήταν ικανοποιημένος. Τελικά,
ο νόμος είχε το πρόσθετο πιστοποιητικό ότι συμφωνούσε θαυμάσια με τις
μετρήσεις. Ή τουλάχιστον έτσι φαινόταν.

Διαφωνία με τη θεωρία

Η αρμονία μεταξύ θεωρίας και πειράματος δεν διάρκεσε πολύ. Προς
κατάπληξη του Planck, τα πειράματα που εκτελέστηκαν στο Βερολίνο έδειξαν
ότι ο νόμος των Wien-Planck δεν περιγράφει σωστά το φάσμα στις πολύ
χαμηλές συχνότητες. Κάτι πήγαινε λάθος, και ο Planck έπρεπε να
επιστρέψει στο γραφείο του για να ψάξει γιατί η φαινομενικά σωστή
απόδειξη παρήγαγε ένα λανθασμένο αποτέλεσμα. Το πρόβλημα του φαινόταν
ότι βρισκόταν στον ορισμό της εντροπίας του ταλαντωτή.

Με μια αναθεωρημένη έκφραση για την εντροπία ενός απλού ταλαντωτή, ο
Planck πέτυχε ένα νέο νόμο της φασματικής κατανομής την οποία παρουσίασε
σε μια συνάντηση της Ένωσης Γερμανών Φυσικών στις 19 Οκτωβρίου του 1900.

Τον Νοέμβριο του 1900 ο Planck αναγνώρισε ότι η καινούργια του έκφραση
για την εντροπία μετά δυσκολίας θα μπορούσε να θεωρηθεί κάτι περισσότερο
από μια φιλόδοξη μαντεψιά. Για να εξασφαλίσει μια πιο θεμελιώδη απόδειξη
στράφηκε τώρα στην πιθανοτική ερμηνεία του Boltzmann για την εντροπία
την οποία μέχρι τότε είχε αγνοήσει. Αλλά αν και ο Planck τώρα υιοθέτησε
την άποψη του Boltzmann, δεν συμμερίστηκε πλήρως τη σκέψη του Αυστριακού
φυσικού. Παρέμεινε πεπεισμένος ότι ο νόμος της εντροπίας ήταν απόλυτος
και όχι πιθανοκρατικός, κι έτσι επανερμήνευσε την θεωρία του Boltzmann
με τον δικό του μη πιθανοκρατικό τρόπο.

Ένας συντηρητικός επαναστάτης

Αν συνέβη μια επανάσταση στη φυσική τον Δεκέμβριο του 1900, κανένας δεν
φάνηκε να το παρατήρησε. Ο Planck δεν αποτελούσε εξαίρεση, και η σημασία
που αποδόθηκε στη δουλειά του οφείλεται κυρίως σε ιστορική ανακατασκευή.

Αν και ο νόμος ακτινοβολίας του Planck έγινε γρήγορα αποδεκτός, αυτό που
θεωρούμε εμείς σήμερα ως την κύρια πνευματική συνεισφορά του, δηλαδή την
βάση για την κβάντωση της ενέργειας μόλις που παρατηρήθηκε στην εποχή
του. Πολύ λίγοι φυσικοί εξέφρασαν ενδιαφέρον για την απόδειξη του τύπου
του Planck, και κατά τη διάρκεια των πρώτων ετών του 20ου αιώνα κανείς
δεν θεωρούσε ότι τα αποτελέσματά του έρχονταν σε αντίθεση με τα θεμέλια
της κλασσικής φυσικής. Όσο για τον ίδιο τον Planck αγωνίστηκε σκληρά για
να κρατήσει τη θεωρία του στο στέρεο έδαφος της κλασσικής φυσικής που
αγαπούσε τόσο πολύ. Σαν τον Κοπέρνικο, ο Planck έγινε ένας επαναστάτης
ενάντια στη θέλησή του.

Ο Planck ήταν το αρχέτυπο του κλασσικού νου, ένα ευγενές προϊόν του
καιρού του και του πολιτισμού του. Σε όλη τη διακεκριμένη καριέρα του ως
φυσικός και αξιωματούχος του χώρου των επιστημών, διατήρησε την άποψη
ότι ο τελικός σκοπός της επιστήμης ήταν μια ενοποιημένη εικόνα του
κόσμου εδραιωμένη σε απόλυτους και παγκόσμιους επιστημονικούς νόμους.
Πίστευε σταθερά ότι τέτοιοι νόμοι υπήρχαν και ότι ανακλούσαν τους
εσωτερικούς μηχανισμούς της φύσης, δηλαδή μια αντικειμενική
πραγματικότητα, όπου οι ανθρώπινες σκέψεις και πάθη δεν είχαν θέση. Ο
δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής ήταν πάντα το αγαπημένο του παράδειγμα
για το πώς μπορεί προοδευτικά ένας νόμος της φυσικής να ελευθερωθεί από
ανθρωπομορφικές συσχετίσεις και να μετατραπεί σε ένα καθαρά
αντικειμενικό και παγκόσμιο νόμο. Μετά το 1900 ο Planck αναγνώρισε τον
πιθανοκρατικό νόμο της εντροπίας του Boltzmann ως πολύ σημαντικό και
θεμελιώδη, αλλά γρήγορα σταμάτησε να παραδέχεται το κεντρικό του μήνυμα,
ότι υπάρχει μια πεπερασμένη πιθανότητα (έστω και αν αυτή είναι
εξαιρετικά μικρή) να μειωθεί με την πάροδο του χρόνου η εντροπία ενός
μονωμένου συστήματος. Μόνο γύρω στο 1912 αυτός εγκατέλειψε τους
τελευταίους ενδοιασμούς και παραδέχτηκε την πλήρως στατιστική φύση του
δευτέρου νόμου.

Όσον αφορά την κβαντική ασυνέχεια, το κρίσιμο χαρακτηριστικό ότι η
ενέργεια δεν μεταβάλλεται συνεχώς αλλά με «άλματα» πίστευε για πολύ
χρόνο ότι αυτό ήταν μια μαθηματική υπόθεση, μια τεχνητή επινόηση η οποία
δεν αναφερόταν σε πραγματικές ανταλλαγές ενέργειας μεταξύ της ύλης και
της ακτινοβολίας. Από αυτή την άποψη δεν υπήρχε λόγος να υποπτευθεί μια
κατάρρευση των νόμων της κλασσικής μηχανικής και της ηλεκτροδυναμικής.
Το ότι ο Planck δεν έβλεπε τη θεωρία του σαν μια ριζική απαγκίστρωση από
την κλασσική φυσική φαίνεται επίσης και από την παράξενη σιωπή του.
Μεταξύ του 1901 και του 1906 δεν δημοσίευσε τίποτα απολύτως πάνω στο
νόμο της ακτινοβολίας του μέλανος σώματος ή της κβαντικής θεωρίας. Μόνο
γύρω στο 1908, επηρεασμένος σε μεγάλο βαθμό από την διεισδυτική ανάλυση
του Ολλανδού φυσικού Hendrik Lorentz, ο Planck στράφηκε στην άποψη ότι
το κβάντο δράσης αντιπροσωπεύει ένα φαινόμενο που δεν μπορεί να γίνει
κατανοητό από την κλασσική φυσική.

Τα επόμενα τρία χρόνια ο Planck πείσθηκε ότι η κβαντική θεωρία σημάδεψε
την αρχή ενός καινούριου κεφαλαίου στη ιστορία της φυσικής και μ' αυτή
την έννοια η φύση της θεωρίας ήταν επαναστατική. « Η υπόθεση των κβάντων
δεν θα εξαφανιστεί ποτέ από τον κόσμο» δήλωσε υπερήφανα σε μια ομιλία
του το 1911. «Δεν πιστεύω ότι πάω πολύ μακριά αν εκφράσω τη γνώμη ότι μ'
αυτήν την υπόθεση μπαίνουν τα θεμέλια για την κατασκευή μιας θεωρίας η
οποία κάποια μέρα προορίζεται να φωτίσει τα γρήγορα και λεπτά γεγονότα
του μοριακού κόσμου με καινούριο φως.»

                                Περιοδικό Φόκους

--
Η Έβελυν (Jokes-Robot(@)ceid.upatras.gr) γράφει :
Τον κατουρούσανε και δροσιζότανε.
________________________________________________________________________
          Joke of the Day ... Ελληνική Λίστα Ανεκδότων
             https://anekdota.duckdns.org
        ___ Η JotD βγαίνει σε Ελληνικά και Greeklish ___
________________________________________________________________________

Γραφτείτε και εσείς στην Ελληνική Λίστα ανεκδότων (JotD) και στείλτε τα ανέκδοτά σας!!!

Επιστροφή στον κεντρικό κατάλογο αυτού του αρχείου