Max Planck

MAX PLANCK lebte in einer Zeit, in der die klassische Physik ihrer Vollendung entgegenging und sich zugleich völlig neue Bereiche der Physik wie die Quantentheorie und die Relativitätstheorie zu entwickeln begannen. Zeitgenossen und teilweise auch Lehrer von ihm waren so bedeutende Physiker wie HERMANN VON HELMHOLTZ (1821-1894), GUSTAV ROBERT KIRCHHOFF (1824-1887), LUDWIG BOLTZMANN (1844-1906), ALBERT EINSTEIN (1879-1957), ERNEST RUTHERFORD (1871-1937), MARIE CURIE (1867-1934) oder OTTO HAHN (1879-1968). Allein diese Namen und die mit ihnen verbundenen neuen Erkenntnisse zeugen davon, dass sich in der Lebenszeit von MAX PLANCK in der Physik ein gewaltiger Erkenntnisfortschritt vollzog, an dem er mit der Begründung der Quantentheorie im Jahre 1900 selbst einen erheblichen Anteil hatte.

Hochschullehrer und Forscher

Die alles andere als positiven Erfahrungen hinderten MAX PLANCK aber nicht daran, an thermodynamischen Problemen weiterzuarbeiten. Schon 1880 habilitierte er sich mit einer Arbeit über die Zusammenhänge zwischen der Entropie und den Gesetzen der Gleichgewichte im Falle von Änderungen des Aggregatzustandes.
Anschließend war PLANCK als Privatdozent an der Universität München tätig und erhielt 1885 eine Professur für theoretische Physik an der Universität Kiel, also in seiner Geburtsstadt. Dort war er vier Jahre lang tätig. 1878 heiratete er seine Jugendfreundin MARIE MERCK, die Tochter eines Münchner Bankiers.
In der Kieler Zeit entstanden eine Reihe von Arbeiten zur Thermodynamik, insbesondere zur Erhaltung der Energie und zur Vermehrung der Entropie.

1889 wurde PLANCK als außerordentlicher Professor für theoretische Physik an die Universität Berlin berufen, 1892 erhielt er dort eine ordentliche Professur.
In seinen ersten Berliner Jahren entstanden ebenfalls eine Reihe von Arbeiten zur Thermodynamik. Ab etwa 1895 wandte sich PLANCK der Thermodynamik der Wärmestrahlung zu, also einem Forschungsbereich, der ihn zu seiner bedeutendsten wissenschaftlichen Leistung führen sollte. Allein zwischen 1896 und 1900 erschienen dazu neun größere Arbeiten von ihm, die die Grundlage für seine Entdeckung der quantenhaften Emission von Strahlung bildeten.

In einem Brief beschrieb PLANCK selbst den Weg zu seinen 1900 vorgestellten Erkenntnissen so:

„Kurz zusammengefaßt kann ich die ganze Tat als einen Akt der Verzweiflung bezeichnen. Denn von Natur bin ich friedlich und gedanklichen Abenteuern abgeneigt. Aber ich hatte mich nun schon seit 6 Jahren (seit 1894) mit dem Problem des Gleichgewichtes zwischen Strahlung und Materie herumgeschlagen, ohne einen Erfolg zu erzielen; ich wußte, daß dies Problem von fundamentaler Bedeutung für die Physik ist, ich kannte die Formel, welche die Energieverteilung im normalen Spektrum wiedergibt; eine theoretische Deutung mußte daher um jeden Preis gefunden werden, und wäre er noch so hoch. Die klassische Physik reichte nicht aus, das war mir klar.“

Dass die Annahme eines elementaren Wirkungsquantum s mit den bisherigen physikalischen Vorstellungen nicht zu vereinbaren war, erkannte PLANCK klar. Er versuchte daher nach 1900 jahrelang vergeblich, die Quantenauffassung in irgendeiner Art und Weise mit der klassischen Physik zu verbinden, auch deshalb, weil die meisten Wissenschaftler seine theoretische Basis anzweifelten. Erst die Arbeiten von A. EINSTEIN (Lichtquantenhypothese 1905), N. BOHR (Atommodell 1913) sowie von J. FRANCK und G. HERTZ (Elektronenstoßversuche 1913) führten allmählich dazu, dass die Quantentheorie anerkannt wurde. In seiner Selbstbiografie meint PLANCK dazu:

„Eine neue wissenschaftliche Wahrheit pflegt sich nicht in der Weise durchzusetzen, daß ihre Gegner überzeugt werden und sich als belehrt erklären, sondern vielmehr dadurch, daß die Gegner allmählich aussterben und daß die heranwachsende Generation von vornherein mit der Wahrheit vertraut gemacht ist.“

Für die Entdeckung der Quantentheorie erhielt MAX PLANCK den Nobelpreis für Physik für das Jahr 1918, den er 1920 entgegennahm (Bild 5).

Weitere Stationen seines Lebens im Überblick

Neben seiner Tätigkeit als Hochschullehrer und Forscher hatte MAX PLANCK auch zahlreiche Ämter inne. Bereits seit 1894 gehörte er der Preußischen Akademie der Wissenschaften an. 1912 wurde er zum ständigen Sekretär berufen, eine Funktion, die er bis 1938 einnahm. 1913 wurde er zum Rektor der Berliner Universität gewählt. 1926 stellte PLANCK seine Lehrtätigkeit ein und ging in den Ruhestand, war aber weiterhin überaus aktiv. Er nutzte die Zeit für eine umfangreiche Vortragstätigkeit. Darüber hinaus war er von 1930 bis 1937 Präsident der Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften.
Seine Grundhaltung war geprägt von einem tiefen Humanismus und von bürgerlichen Vorstellungen. Manche seiner Äußerungen und Haltungen sind aus heutiger Sicht schwer nachvollziehbar, manches ist widersprüchlich. So trat er im Ersten Weltkrieg mit eine Reihe nationalistischer Überzeugungen hervor und pries den Tod auf dem Schlachtfeld als den „köstlichsten Preis“. Sein ältester Sohn fiel 1916. 1933 versuchte er bei einer Unterredung mit HITLER der Entfernung jüdischer Wissenschaftler aus ihren Ämtern entgegenzuwirken. Im „Fall EINSTEIN “ griff er als Sekretär der Akademie nicht ein, riet aber EINSTEIN, der damals zu einer Vortragsreise in den USA weilte, er möge freiwillig aus der Akademie austreten, um sich selber einen ehrenvollen Abschluss seiner Wirksamkeit in der Akademie zu sichern und seinen Freunden Unannehmlichkeiten zu ersparen. Nach EINSTEINs Austritt aus der Akademie, mit der er einem Ausschluss zuvorkam, gab PLANCK als verantwortlicher Akademiesekretär zu Protokoll:

„Ich glaube im Sinne meiner akademischen Fachkollegen sowie der überwältigenden Mehrheit aller deutschen Physiker zu sprechen, wenn ich sage: Herr Einstein ist nicht nur einer unter vielen hervorragenden Physikern, sondern Herr Einstein ist der Physiker, durch dessen in unserer Akademie veröffentlichte Arbeiten die physikalische Erkenntnis in unserem Jahrhundert eine Vertiefung erfahren hat, deren Bedeutung nur an den Leistungen Johannes Keplers und Isaac Newtons gemessen werden kann. Es liegt mir vor allem deshalb daran, dies auszusprechen, damit nicht die Nachwelt einmal auf den Gedanken kommt, daß die akademischen Fachkollegen Herrn Einsteins noch nicht imstande waren, seine Bedeutung für die Wissenschaft voll zu begreifen.“

Aus der wissenschaftlichen Selbstbiografie
Wichtige Etappen seiner wissenschaftlichen Tätigkeit hat MAX PLANCK aus seiner Sicht in einer wissenschaftlichen Selbstbiografie dargestellt, die 1948, also nach seinem Tode, veröffentlicht wurde. Sie umfasst insgesamt 28 Druckseiten.

„Was mich zu meiner Wissenschaft führte und von Jugend auf für sie begeisterte, ist die durchaus nicht selbstverständliche Tatsache, daß unsere Denkgesetze übereinstimmen mit den Gesetzmäßigkeiten im Ablauf der Eindrücke, die wir von der AußenweIt empfangen, daß es also dem Menschen möglich ist, durch reines Denken Aufschlüsse über jene Gesetzmäßigkeiten zu gewinnen. Dabei ist von wesentlicher Bedeutung, daß die AußenweIt etwas von uns Unabhängiges, Absolutes darstellt, dem wir gegenüberstehen, und das Suchen nach den Gesetzen, die für dieses Absolute gelten, erschien mir als die schönste wissenschaftliche Lebensaufgabe.
Gestützt und gefördert wurden diese Gedanken durch den ausgezeichneten Unterricht, den ich im Münchener Maximilian-Gymnasium viele Jahre hindurch von dem Mathematiklehrer Hermann Müller empfing, einem mitten im Leben stehenden, scharfsinnigen und witzigen Mann, der es verstand, die Bedeutung der physikalischen Gesetze, die er uns Schülern beibrachte, durch drastische Beispiele zu erläutern.
So kam es, daß ich als erstes Gesetz, welches unabhängig vom Menschen eine absolute Geltung besitzt, das Prinzip der Erhaltung der Energie wie eine Heilsbotschaft in mich aufnahm. Unvergeßlich ist mir die Schilderung, die Müller uns zum besten gab, von einem Maurer, der einen schweren
Ziegelstein mühsam auf das Dach eines Hauses hinaufschleppt. Die Arbeit, die er dabei leistet, geht nicht verloren, sie bleibt unversehrt aufgespeichert, vielleicht jahrelang, bis vielleicht eines Tages der Stein sich löst und unten einem Menschen auf den Kopf fällt.

Nach Absolvierung des Gymnasiums bezog ich die Universität, zuerst drei Jahre in München, dann noch ein Jahr in Berlin. Ich hörte Experimentalphysik und Mathematik; Lehrstühle für theoretische Physik gab es damals noch nicht. In München waren meine Lehrer der Physiker Ph. von Jolly und die Mathematiker Ludwig Seidel und Gustav Bauer. Bei allen dreien habe ich viel gelernt und bewahre ihnen ein ehrendes Andenken. Daß sie aber in wissenschaftlicher Beziehung doch eigentlich nur lokale Bedeutung besaßen, merkte ich erst in Berlin, wo sich unter den Auspizien von Hermann von Helmholtz und Gustav Kirchhoff, deren bahnbrechende, in der ganzen Welt Beachtung findende Arbeiten ihren Schülern leicht zugänglich waren, mein wissenschaftlicher Horizont sich beträchtlich erweiterte. Allerdings muß ich gestehen, daß mir die Vorlesungen keinen merklichen Gewinn brachten. Helmholtz hatte sich offenbar nie richtig vorbereitet, er sprach immer nur stockend, wobei er in einem kleinen Notizbuch sich die nötigen Daten heraussuchte, außerdem verrechnete er sich beständig an der Tafel, und wir hatten das Gefühl, daß er sich selber bei diesem Vortrag mindestens ebenso langweilte wie wir. Die Folge war, daß die Hörer nach und nach wegblieben; schließlich waren es nur noch drei, mich und meinen Freund, den späteren Astronomen Rudolf Lehmann-Filhes, eingerechnet.

Im Gegensatz dazu trug Kirchhoff ein sorgfältig ausgearbeitetes Kollegheft vor, in dem jeder Satz wohlerwogen an seiner richtigen Stelle stand. Kein Wort zu wenig, kein Wort zu viel. Aber das Ganze wirkte wie auswendig gelernt, trocken und eintönig. Wir bewunderten den Redner, aber nicht das, was er sagte. Unter diesen Umständen konnte ich mein Bedürfnis nach wissenschaftlicher Fortbildung nur dadurch stillen, daß ich zur Lektüre von Schriften griff, die mich interessierten, und das waren naturgemäß solche, die an das Energieprinzip anknüpften. So kam es, daß mir die Abhandlungen von Rudolph Clausius in die Hände fielen, deren wohlverständliche Sprache und einleuchtende Klarheit mir einen gewaltigen Eindruck machten und in die ich mich mit wachsender Begeisterung vertiefte. Insbesondere würdigte ich die von ihm gegebene genaue Formulierung der beiden Hauptsätze der Wärmetheorie und die erstmalige Durchführung ihrer scharfen Trennung voneinander. Bis dahin war nämlich, als Konsequenz der stofflichen Wärmetheorie, die Auffassung allgemein gewesen, daß der Übergang der Wärme von höherer zu tieferer Temperatur gleichartig sei mit dem Herabsinken eines Gewichtes von höherer zu geringerer Höhe, und diese irrtümliche Anschauung ließ sich nicht so leicht verdrängen....“

Zur Entwicklung der Strahlungsgleichung und ihrer Deutung äußerte sich M. PLANCK folgendermaßen:

„... So blieb mir nichts übrig, als das Problem einmal von der entgegengesetzten Seite in Angriff zu nehmen: von der Thermodynamik her, auf deren Boden ich mich ohnehin von Hause aus sicherer fühlte. In der Tat kamen mir hier meine früheren Studien über den zweiten Hauptsatz der Wärmetheorie dadurch zugute, daß ich gleich von vorneherein darauf verfiel, nicht die Temperatur, sondern die Entropie des Oszillators mit seiner Energie in Beziehung zu bringen. Bei der Beschäftigung mit diesem Problem fügte es das Schicksal, daß ein früher von mir als unliebsam empfundener Umstand: der Mangel an Interesse der Fachgenossen für die von mir eingeschlagene Forschungsrichtung, jetzt gerade umgekehrt meiner Arbeit als eine gewisse Erleichterung zugutekam. Damals hatten sich nämlich eine ganze Anzahl hervorragender Physiker sowohl von der experimentellen als auch von der theoretischen Seite her dem Problem der Energieverteilung im Normalspektrum zugewandt. Aber sie suchten alle nur in der Richtung, die Strahlungsintensität in ihrer Abhängigkeit von der Temperatur darzustellen, während ich in der Abhängigkeit der Entropie von der Energie den tieferen Zusammenhang vermutete. Da die Bedeutung des Entropiebegriffs damals noch nicht die ihr zukommende Würdigung gefunden hatte, so kümmerte sich niemand um die von mir benützte Methode, und ich konnte in aller Muße und Gründlichkeit meine Berechnungen anstellen, ohne von irgendeiner Seite eine Störung oder Überholung befürchten zu müssen.

Da für die Irreversibilität des Energieaustausches zwischen einem Oszillator und der ihn erregenden Strahlung der zweite Differentialquotient seiner Entropie nach seiner Energie von charakteristischer Bedeutung ist, so berechnete ich den Wert dieser Größe für den Fall der Gültigkeit des damals im Vordergrund des Interesses stehenden Wienschen Energieverteilungsgesetzes und fand das merkwürdige Ergebnis, daß für diesen Fall das Reziproke jenes Wertes, das ich hier mit R bezeichnen will, proportional der Energie ist. Dieser Zusammenhang ist so überraschend einfach, daß ich ihn eine Zeitlang für ganz allgemein hielt und mich bemühte, ihn theoretisch zu begründen. Indessen erwies sich diese Auffassung doch bald als unhalthar gegenüber den Ergebnissen neuerer Messungen. Während sich nämlich für kleine Werte der Energie, beziehungsweise für kurze Wellen, das Wiensche Gesetz auch in der Folge ausgezeichnet bestätigte, stellten für größere Werte der Energie, beziehungsweise für lange Wellen, zuerst Lummer und Pringsheim merkliche Abweichungen fest, und vollends die von H. Rubens und F. Kurlhaum mit den ultraroten Reststrahlen von Flußspat und Steinsalz ausgeführten Messungen offenbarten ein total verschiedenartiges, aber ebenfalls wieder insofern einfaches Verhalten, als die Größe R nicht der Energie, sondern dem Quadrat der Energie proportional wird, falls man zu größeren Energien und Wellenlängen übergeht.
So waren durch direkte Erfahrung für die Funktion R zwei einfache Grenzen festgelegt: für kleine Energien Proportionalität mit der Energie, für größere Energien Proportionalität mit dem Quadrat der Energie. Es versteht sich, daß ebenso wie jedes Energieverteilungsprinzip einen bestimmten Wert von R liefert, so auch jeder Ausdruck von R zu einem bestimmten Energieverteilungsgesetz führt, und es handelte sich nun darum, denjenigen Ausdruck von R zu finden, der das durch die Messungen festgestellte Energieverteilungsgesetz ergibt.

Nun lag nichts näher, als für den allgemeinen Fall die Größe R gleichzusetzen der Summe eines Gliedes mit der ersten Potenz und eines Gliedes mit der zweiten Potenz der Energie, so daß für kleine Energien das erste, für große Energien das zweite Glied ausschlaggebend wird, und damit war die neue Strahlungsformel gefunden., welche ich in der Sitzung der Berliner Physikalischen Gesellschaft am 19. Oktober 1900 vorlegte und zur Prüfung empfahl.
Am Morgen des nächsten Tages suchte mich der Kollege Rubens auf und erzählte, daß er nach Schluß der Sitzung noch in der nämlichen Nacht meine Formel mit seinen Messungsdaten genau verglichen und überall eine befriedigende Übereinstimmung gefunden habe. Auch Lummer und Pringsheim, die anfänglich Abweichungen festgestellt zu haben glaubten, zogen bald darauf ihren Widerspruch zurück, da, wie mir Pringsheim mündlich mitteilte, sich herausstellte, daß die gefundenen Abweichungen durch einen Rechenfehler verursacht waren. Auch durch spätere Messungen wurde die Strahlungsformel immer wieder bestätigt, und zwar um so genauer, zu je feineren Messungsmethoden man überging.
Aber selbst wenn man ihre absolut genaue Gültigkeit voraussetzt, würde die Strahlungsformel lediglich in der Bedeutung eines glücklich erratenen Gesetzes doch nur eine formale Bedeutung besitzen. Darum war ich von dem Tage ihrer Aufstellung an mit der Aufgabe beschäftigt, ihr einen wirklichen physikalischen Sinn zu verleihen, und diese Frage führte mich von selbst auf die Betrachtung des Zusammenhangs zwischen Entropie und Wahrscheinlichkeit, also auf Boltzmannsche Gedankengänge.

Da die Entropie S eine additive, die Wahrscheinlichkeit W aber eine multiplikative Größe ist, so setzte ich einfach $S=k\cdot \log W$ , wo k eine universelle Konstante bezeichnet, und untersuchte nun die Frage, ob der Ausdruck von W, der sich ergibt, falls man für die Entropie S den dem gefundenen Strahlungsgesetz entsprechenden Wert einsetzt, sich als eine Wahrscheinlichkeitsgröße deuten läßt.
Als Resultat dieser Untersuchung (Dieses Resultat, enthaltend die Einführung der endlichen Energiequanten für den Oscillator, trug Max Planck am 14. 12. 1900 wieder vor der Physikalischen Gesellschaft zu Berlin vor. Das war der Geburtstag der Quantentheorie - Zusatz von M. v. Laue) stellte sich heraus, daß dies in der Tat möglich ist, und daß dabei k die sog. absolute Gaskonstante vorstellt, aber nicht bezogen auf Grammoleküle oder Mole, sondern auf die wirklichen Moleküle. Sie wird öfters verständlicherweise als die Boltzmannsche Konstante bezeichnet. Dazu ist allerdings zu bemerken, daß Boltzmann diese Konstante weder jemals eingeführt noch meines Wissens überhaupt daran gedacht hat, nach ihrem numerischen Wert zu fragen. Denn dann hätte er auf die Zahl der wirklichen Atome eingehen müssen - eine Aufgabe, die er aber ganz seinem Kollegen J. Loschmidt überließ, während er selbst bei seinen Rechnungen stets die Möglichkeit im Auge behielt, daß die kinetische Gastheorie nur ein mechanisches Bild darstellt. Daher genügte es ihm, bei den Grammatomen stehen zu bleiben. Der Buchstabe k hat sich erst ganz allmählich durchgesetzt. Noch mehrere Jahre nach seiner Einführung pflegte man stattdessen mit der Loschmidtschen Zahl L zu rechnen, welche die einem Grammatom entsprechende Atomzahl ausdrückt.
Was nun die Größe W anbetrifft, so erwies es sich, um diese Größe als eine Wahrscheinlichkeit deuten zu können, als notwendig, eine neue universelle Konstante einzuführen, die ich mit h bezeichnete und da sie von der Dimension des Produktes Energie x Zeit ist, das elementare Wirkungsquantum nannte.“

Aus der Traueransprache von Max von Laue, gehalten am 7. Oktober 1947 in der Albanikirche zu Göttingen

„Verehrte Trauerversammlung!
Wir stehen am Sarge eines fast Neunzigjährigen. 90 Jahre bedeuten ein langes Leben, und diese 90 Jahre waren ungewöhnlich erlebnisreich. Noch im Alter erinnerte sich Max Planck , wie er 1864 preußische und österreichische Truppen in Kiel, seine Vaterstadt, einziehen sah. Der ganze herrliche Aufstieg des Deutschen Reiches fällt in diese Spanne und ebenso der ganze Verfall und die schauerliche Katastrophe. Auch persönlich haben diese Ereignisse Planck auf das tiefste betroffen. Vor Verdun fiel 1916 sein ältester Sohn Karl. Im letzten Kriege ging sein Haus unter den Bombenangriffen in Flammen auf. Seine ein ganzes Leben hindurch gesammelte Bibliothek entschwand, niemand weiß wohin, und das Schrecklichste von allem, sein zweiter Sohn Erwin fiel noch im Januar 1945 dem Terror zum Opfer.

Er selbst erlebte auf einer Vortragsreise die Vernichtung von Kassel und war stundenlang in einem Luftschutzraum verschüttet. Mitte Mai 1945 holten ihn die Amerikaner im Auto aus dem zum Kampfgebiet gewordenen Rittergut Rogätz an der EIbe nach Göttingen. Jetzt bringen wir ihn zu seiner letzten Ruhestätte.
Auch in der Wissenschaft war Plancks Lebenszeit voll von tiefgreifenden Umwälzungen. Die heutige Physik trägt ein ganz anderes Gepräge als die von 1875, da Planck sich ihr widmete; und an der größten dieser Umwälzungen hat Planck den ersten, entscheidenden Anteil. Es ist dabei wunderbar zugegangen. Man bedenke: Da entschließt sich ein siebzehnjähriger Abiturient für eine Wissenschaft, die von ihrem berufensten Vertreter, den er befragen konnte, als wenig aussichtsreich hingestellt wird. Er entscheidet sich im Verlaufe des Studiums für einen Zweig dieser Wissenschaft, der bei den Nachbarwissenschaften durchaus nicht im Ansehen steht, und innerhalb dieses Zweiges für ein Spezialgebiet, für das eigentlich niemand Interesse hat. Seine ersten Arbeiten lesen nicht einmal Helmholtz , Kirchhoff und Clausius , denen dies am nächsten gelegen hätte; und doch bleibt er auf seinem Wege, einer inneren Stimme folgend, bis dann ein Problem an ihn herankommt, das schon viele andere vergeblich zu lösen versucht haben und für welches - wie sich nun herausstellt - gerade der von ihm eingeschlagene Weg die beste Vorbereitung war. Aus Strahlungsmessungen vermag er auf diese Weise das Strahlungsgesetz abzulesen, das seinen Namen für alle Zeiten trägt. Er gab es am 19. Oktober 1900 in der Physikalischen Gesellschaft zu Berlin bekannt.

Zur theoretischen Begründung dafür muß er freilich eine innere Umstellung vornehmen, indem er auf Methoden der Atomtheorie zurückgreift, der er bis dahin mit gewissen Zweifeln gegenübergestanden hat. Und darüber hinaus muß er eine Hypothese wagen, deren Kühnheit zunächst niemandem, wohl nicht einmal ihm selber, im vollen Umfange klar war. Dann aber konnte er am 14. Dezember 1900, wieder in der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, die theoretische Ableitung des Strahlungsgesetzes vortragen. Das war die Geburtsstunde der Quantentheorie. Diese Leistung verewigt seinen Namen auf alle Zeiten....