Max Planck

Snelle feiten

Levensloop

Max Planck kwam uit een familie van theologen en juristen. Hij groeide op in Kiel en vanaf 1867 in München. Hij was ook muzikaal begaafd en twijfelde of hij muziek zou gaan studeren. Een hoogleraar in München raadde hem natuurkunde af: daar zou bijna alles al ontdekt zijn en restte alleen het opvullen van enkele gaatjes. Planck koos het vak toch, omdat hij de fundamenten wilde begrijpen.

Hij promoveerde in 1879 in München op de tweede hoofdwet van de thermodynamica — het onderwerp dat zijn hele carrière zou bepalen (zie entropie). In 1885 werd hij hoogleraar in Kiel en in 1889 volgde hij Gustav Kirchhoff op in Berlijn, toen het centrum van de Duitse natuurkunde. In 1887 trouwde hij met Marie Merck; na haar dood in 1909 hertrouwde hij in 1911 met Marga von Hoesslin.

Planck was een conservatieve, zorgvuldige man die de bestaande natuurkunde liever wilde voltooien dan omverwerpen. Ironisch genoeg begon juist hij de grootste revolutie in de natuurkunde van de twintigste eeuw. Hij herkende ook als een van de eersten het belang van de relativiteitstheorie van de jonge Albert Einstein en haalde hem in 1914 naar Berlijn.

Zijn privéleven werd getekend door verlies. Zijn oudste zoon Karl sneuvelde in 1916 bij Verdun; zijn tweelingdochters Grete en Emma stierven allebei kort na een bevalling. Onder het naziregime probeerde Planck als voorzitter van de Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft (1930–1937) de wetenschap te beschermen en sprak hij Hitler persoonlijk aan over het ontslag van joodse collega’s als Fritz Haber — zonder resultaat. In 1944 werd zijn huis in Berlijn bij een bombardement verwoest, en in januari 1945 werd zijn zoon Erwin geëxecuteerd vanwege betrokkenheid bij de aanslag op Hitler van juli 1944. Planck overleed in 1947 in Göttingen. Een jaar later werd de Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft omgedoopt tot Max-Planck-Gesellschaft.

De kwantumhypothese uitgelegd

Het probleem: de straling van een zwart lichaam

Elk voorwerp zendt straling uit die van zijn temperatuur afhangt: een kookplaat gloeit rood, een gloeidraad geel-wit. Een ideaal “zwart lichaam” absorbeert alle straling en zendt een spectrum uit dat alleen van de temperatuur afhangt (zie warmtetransport door straling). Rond 1900 konden natuurkundigen dat spectrum heel nauwkeurig meten, maar de klassieke theorie klopte niet: bij korte golflengtes voorspelde ze oneindig veel energie. Dat probleem werd later de “ultravioletcatastrofe” genoemd.

De oplossing: energie in pakketjes

Planck vond in oktober 1900 eerst een formule die de metingen perfect beschreef. Om die formule te kunnen afleiden, moest hij een opmerkelijke aanname doen: de trillende deeltjes in de wand van het lichaam kunnen energie alleen in vaste porties opnemen en afgeven. De grootte van zo’n portie is evenredig met de frequentie:

Hij presenteerde de afleiding op 14 december 1900 in Berlijn; die datum geldt als de geboortedag van de kwantumtheorie. Planck zelf zag de quanta aanvankelijk als een rekentruc, niet als iets fysisch reëels.

Rekenvoorbeeld. Groen licht met een golflengte van 540 nm heeft een frequentie f = c/λ = 3,00 × 10⁸ / 540 × 10⁻⁹ ≈ 5,56 × 10¹⁴ Hz. Eén kwantum heeft dan een energie E = 6,626 × 10⁻³⁴ × 5,56 × 10¹⁴ ≈ 3,7 × 10⁻¹⁹ J, ongeveer 2,3 eV. Omdat h zo klein is, merk je in het dagelijks leven niets van die korreligheid: een lampje van 1 W zendt per seconde miljarden miljarden fotonen uit.

Wat volgde

Einstein nam Plancks idee in 1905 letterlijk: licht bestáát uit quanta, later fotonen genoemd. Daarmee verklaarde hij het foto-elektrisch effect. In 1913 gebruikte Niels Bohr dezelfde formule voor zijn atoommodel, en in de jaren twintig groeide het geheel uit tot de volledige kwantummechanica, met onder meer de golf-deeltjedualiteit en het onzekerheidsprincipe, waarin h steeds opduikt.

Andere bijdragen

Voor 1900 werkte Planck vooral aan de hoofdwetten van de thermodynamica, onder meer aan chemisch evenwicht en oplossingen. Na 1905 schreef hij belangrijke artikelen over de relativistische dynamica. In 1899 stelde hij een stelsel natuurlijke eenheden voor, gebaseerd op h, de lichtsnelheid en de gravitatieconstante: de Planckeenheden, met als bekendste de plancklengte van ongeveer 1,6 × 10⁻³⁵ m. Ook is aan hem een uitspraak toegeschreven die bekendstaat als het principe van Planck: een nieuwe wetenschappelijke waarheid wint niet doordat tegenstanders overtuigd raken, maar doordat zij uiteindelijk uitsterven en een nieuwe generatie ermee opgroeit.

Erfenis

De constante van Planck is een van de fundamentele natuurconstanten. Sinds 2019 is zij zelfs vastgelegd op exact 6,626 070 15 × 10⁻³⁴ J·s, en daarmee wordt nu de kilogram gedefinieerd — het oude platina-iridiumblok in Parijs is niet langer de standaard. De kwantumtheorie die Planck in gang zette, ligt ten grondslag aan transistors, lasers, ledlampen en zonnecellen. De Max-Planck-Gesellschaft is met tientallen instituten een van de belangrijkste onderzoeksorganisaties ter wereld, en de ESA-satelliet Planck (2009–2013) mat de kosmische achtergrondstraling — zelf een vrijwel perfect zwartlichaamsspectrum van ongeveer 2,7 K, overgebleven van de oerknal.

Tijdlijn

1. 1858 — Geboren op 23 april in Kiel.
2. 1879 — Promoveert in München op de tweede hoofdwet van de thermodynamica.
3. 1885 — Hoogleraar in Kiel.
4. 1889 — Opvolger van Kirchhoff in Berlijn.
5. 1900 — Stralingswet en kwantumhypothese (14 december).
6. 1905 — Steunt Einsteins speciale relativiteitstheorie.
7. 1914 — Haalt Einstein naar Berlijn.
8. 1918 — Nobelprijs voor de natuurkunde (uitgereikt in 1919).
9. 1930–1937 — Voorzitter van de Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft.
10. 1945 — Zoon Erwin geëxecuteerd door het naziregime.
11. 1947 — Overleden op 4 oktober in Göttingen.
12. 1948 — Oprichting van de Max-Planck-Gesellschaft.

Veelgestelde vragen

Verder lezen