Max Planck

Max Planck’ın yaşamı ve eğitim süreci

Max Karl Ernst Ludwig Planck, 23 Nisan 1858’de Almanya’nın Kiel kentinde doğdu. Hukuk profesörü olan babası ve ilahiyat alanında çalışan aile büyükleri sayesinde entelektüel bir çevrede yetişti. Çocukluk yıllarının önemli bir bölümü Kiel’de geçti; 1867’de ailesi Münih’e taşınınca eğitimine Maximiliansgymnasium’da devam etti. Burada matematik yeteneği erken yaşta fark edildi. Öğretmeni Hermann Müller ona matematiğin yanı sıra astronomi ve mekaniği de öğretti; enerji korunumu yasasıyla ilk fizik bağlantısını da bu dönemde kurdu.

Planck’ın ilgileri yalnızca bilimle sınırlı değildi. Şan dersleri aldı; piyano, org ve viyolonsel çaldı, şarkılar ve operalar besteledi. 17 yaşında okulunu tamamladıktan sonra 1874’te Münih Ludwig-Maximilians Üniversitesi’ne girdi. Önce deneysel çalışmalara yöneldi ve Philipp von Jolly’nin gözetiminde ısıtılmış platinden hidrojenin geçişini inceledi. Ancak kısa süre sonra teorik fiziği seçti. Bu tercih, doğrudan ölçüm yapmaktan çok doğa olaylarını genel yasalarla açıklamaya duyduğu ilgiyi gösteriyordu.

1877’de Berlin’deki Friedrich Wilhelm Üniversitesi’nde Hermann von Helmholtz, Gustav Kirchhoff ve Karl Weierstrass ile çalışma fırsatı buldu. Aynı dönemde Rudolf Clausius’un termodinamik yazılarını büyük ölçüde kendi başına inceledi ve araştırma alanı olarak termodinamiği seçti. 1878’de yeterlilik sınavlarını geçti; Şubat 1879’da mekanik ısı teorisinin ikinci yasası üzerine tezini savundu. 1880’a gelindiğinde doktora derecesini aldı ve ayrıca habilitasyon tezini sundu. Böylece genç yaşta, ısının ve enerjinin doğadaki dönüşümünü açıklayan termodinamiğin temel sorunlarına odaklanan bir fizikçi olarak yetişti.

Akademik kariyeri ve bilimsel çalışma alanları

Planck, 1880’de Münih Ludwig-Maximilians Üniversitesi’nde maaşsız öğretim görevlisi olarak akademik kariyerine başladı. İlk yıllarında ısı teorisi ve termodinamik üzerine çalıştı; özellikle entropi kavramını araştırmasının merkezine aldı. Entropi, bir süreçte enerjinin ne ölçüde geri döndürülemez biçimde yayıldığını anlamaya yardımcı olan fiziksel bir kavramdır. Planck, termodinamiğin ikinci yasasını yalnızca ısıl olaylara değil, doğadaki bütün süreçlere uygulanabilecek genel bir ilke olarak ele aldı. 1887’de yayımladığı çalışmalarında entropi artışı ile geri döndürülemezlik arasındaki ilişkiyi ayrıntılı biçimde inceledi.

1885’te Kiel Üniversitesi’nde teorik fizik doçenti oldu. Fizikokimya alanındaki çalışmaları, elektrolitlerin ayrışması ve termodinamik denge gibi konulara uzandı; 1897’de termodinamik üzerine kapsamlı bir eser yayımladı. 1889’da Berlin’de, Kirchhoff’un daha önce bulunduğu göreve getirildi ve 1892’de profesör oldu. Berlin’deki çalışmaları sırasında teorik fizik dersleri verdi ve Alman Fizik Derneği’nin 1898’de oluşumunda girişimlerde bulundu. 1905-1909 arasında bu derneğin başkanlığını yaptı. 1907’de Viyana’da Ludwig Boltzmann’ın görevini üstlenmesi teklif edildi, fakat Berlin’de kalmayı tercih etti. 1926’da Berlin’den emekliye ayrıldı ve görevini Erwin Schrödinger devraldı.

Kara cisim ışıması problemine katkısı

Planck, 1894’te kara cisim ışıması problemine yöneldi. Kara cisim, üzerine düşen ışınımı bütünüyle soğuran ideal bir sistem olarak düşünülür; sorun, böyle bir cismin yaydığı ışınımın frekansının ve sıcaklığının dağılımı nasıl belirlediğini açıklamaktı. Deney sonuçları biliniyor olsa da dönemin kuramsal açıklamaları bütün frekans aralığında başarılı değildi. Wien yasası yüksek frekanslarda, Rayleigh-Jeans yaklaşımı ise düşük frekanslarda uyum sağlıyor; klasik yaklaşım yüksek frekanslarda daha sonra “morötesi felaketi” adı verilen bir çelişkiye götürüyordu.

Planck önce entropi ve ideal osilatör varsayımlarından hareketle Wien yasasını türetmeye çalıştı. Deneysel veriler bu yeni yasayı doğrulamayınca yaklaşımını değiştirdi. 19 Ekim 1900’de Alman Fizik Derneği toplantısında kara cisim tayfını deneylerle uyumlu biçimde açıklayan ilk Planck yasasını sundu; çalışma 1901’de yayımlandı. Aynı yılın sonlarına doğru, Boltzmann’ın termodinamiğin ikinci yasasına ilişkin istatistiksel yorumundan yararlanarak daha temel bir türetim geliştirdi. Bu süreçte, ışıma yapan osilatörlerin enerji alışverişinin sürekli değil, belirli büyüklükteki kesikli birimler hâlinde gerçekleşebileceğini varsayması, kara cisim problemine çözüm getirirken klasik fiziğin sınırlarını da görünür kıldı. Kara cisim ışımasının ayrıntılı fiziksel açıklaması ayrı bir konudur.

Enerji kuantumu fikri ve kuantum fiziğinin başlangıcındaki rolü

Planck’ın en önemli fikri, elektromanyetik enerjinin sürekli ve sınırsız biçimde bölünebilen bir akış olmak zorunda olmadığı düşüncesiydi. 14 Aralık 1900’de sunduğu yeni türetimde, kara cisim ışımasını açıklayan osilatörlerin enerji alışverişinin ancak belirli büyüklükteki kesikli paketler hâlinde gerçekleşebileceğini varsaydı; ışınımın kendisinin bu paketlerden oluştuğu yorumu daha sonra geliştirildi. Bu paketlere daha sonra “kuantum” adı verildi. Böylece enerji, klasik fiziğin öngördüğü gibi her değeri alabilen kesintisiz bir nicelik yerine, belirli adımlarla değişebilen bir yapı olarak ele alındı.

Bu düşüncenin nasıl çalıştığını basitçe şöyle düşünebiliriz: Bir ışınımın frekansı yükseldikçe tek bir enerji paketinin büyüklüğü de artar; toplam enerji ise bu paketlerin sayısıyla ilişkilidir. Planck’ın bağıntısında h Planck sabitini, ν ise ışınımın frekansını gösterir. Bu fikir, örneğin aynı frekanstaki ışınımın enerjisinin tek tek enerji paketleri üzerinden değerlendirilmesini mümkün kıldı. Planck başlangıçta kuantum varsayımını fiziksel gerçekliğin kesin bir açıklaması olarak değil, deney sonuçlarını açıklayan biçimsel bir kabul olarak görüyordu. Ancak bu varsayım klasik fiziğin alışılmış süreklilik anlayışıyla uyuşmasa da modern kuantum fiziğinin başlangıç noktası hâline geldi.

Planck’ın ortaya koyduğu enerji kuantumu, atomik ve atom altı süreçleri anlamada yeni bir çerçeve sağladı. Nobel Komitesi de onun 1918 Nobel Fizik Ödülü’nü almasını enerji kuantumlarını keşfiyle ilişkilendirdi. Planck sabiti ve E=hν bağıntısıyla yapılabilecek hesaplamalar bu yazının kapsamı dışındadır; ayrıntılı hesaplama için ilgili konuya başvurulmalıdır. Kuantum mekaniğinin sonraki gelişimi ise farklı fizikçilerin katkılarını ve yeni kuramsal ilişkileri kapsayan ayrı bir alandır.

Einstein ve sonraki kuşak fizikçiler üzerindeki etkisi

Planck’ın enerji kuantumu fikri, Einstein’ın çalışmaları da dâhil olmak üzere kuantum fiziğinin sonraki gelişimleri için temel oluşturdu. Daha sonraki fizikçiler bu başlangıçtan yararlanarak atomik ve atom altı olayları açıklamak için yeni kuramlar geliştirdi; böylece Planck modern fiziğin kurucularından biri olarak kabul edildi.

Nobel Ödülü, yaşamının son dönemi ve bilimsel mirası

Planck’ın kuantum fikri başlangıçta klasik fizik anlayışıyla gerilim içindeydi. Buna rağmen, deneysel olgularla uyumlu bir açıklama kurma konusundaki ısrarı, onu fizik tarihindeki en önemli dönüm noktalarından birine taşıdı. 1918 Nobel Fizik Ödülü’ne, fiziğin ilerlemesine enerji kuantumlarını keşfiyle yaptığı katkılar nedeniyle layık görüldü; ödülü 1919’da aldı. Bu ödül, kuantum fikrinin yalnızca geçici bir hesap yöntemi değil, fizik için köklü sonuçları olan bir yaklaşım olarak görülmeye başlandığını gösteriyordu.

Planck, 1926’da Berlin Üniversitesi’nden emekliye ayrıldı. Bununla birlikte bilimsel ve kurumsal sorumlulukları daha sonraki yıllarda da sürdü. Friedrich Wilhelm Üniversitesi, Prusya Bilimler Akademisi, Alman Fizik Derneği ve Kaiser Wilhelm Derneği’nde önde gelen görevler üstlendi. Birinci Dünya Savaşı sonrasındaki ekonomik ve siyasal çalkantılar sırasında Fritz Haber ile birlikte bilimsel araştırmalara maddi destek sağlamayı amaçlayan bir kuruluş oluşturdu. 4 Ekim 1947’de hayatını kaybetti.

Planck’ın mirası iki yönlüdür: Bir yandan termodinamik ve entropi çalışmalarında doğa yasalarının genel niteliğini araştırdı, diğer yandan enerji kuantumu fikriyle atomik ve atom altı süreçlerin anlaşılmasına yeni bir yol açtı. Onun adı Planck sabitinde ve 1948’de Kaiser Wilhelm Society’nin yerine kurulan Max Planck Society’de yaşamaya devam etti. Bu miras, bir bilim insanının yerleşik bir kuramın sınırlarıyla karşılaştığında deneysel verileri ciddiye alarak yeni bir düşünme biçimi geliştirebileceğini gösterir.