Max Planck: ο απρόθυμος επαναστάτης και η γέννηση του quantum

Η ΠΡΟΣΚΟΛΛΗΣΗ ΤΟΥ PLANCK ΣΤΗΝ αινιγ­μα­τι­κή εντρο­πία

Το τέλος του 19ου αιώ­να βρί­σκει αρκε­τούς φυσι­κούς να διε­ρευ­νούν την εγκυ­ρό­τη­τα της μηχα­νι­στι­κής θέα­σης του κόσμου, η οποία ως τότε ήταν αδιαμ­φι­σβή­τη­τη. H ερώ­τη­ση στο επί­κε­ντρο του δια­λό­γου ήταν αν η Νευ­τώ­νεια μηχα­νι­κή μπο­ρού­σε ακό­μη να στέ­κε­ται ως η έγκυ­ρη περι­γρα­φή ολό­κλη­ρης της φύσης.

Ο Planck στο γρα­φείο του

Στις συζη­τή­σεις, που διε­ρευ­νού­σαν τα θεμέ­λια της φυσι­κής, η ηλε­κτρο­δυ­να­μι­κή και η θερ­μο­δυ­να­μι­κή ήταν πρω­τα­γω­νί­στριες. Από τη μια μεριά δια­φαι­νό­ταν όλο και πιο καθα­ρά ένα θεμε­λιώ­δες πρό­βλη­μα στη σχέ­ση της μηχα­νι­κής με την ηλε­κτρο­δυ­να­μι­κή, η ύπαρ­ξη του παρά­ξε­νου, υπο­θε­τι­κού αιθέ­ρα: μπο­ρού­σαν οι νόμοι της Νευ­τώ­νειας μηχα­νι­κής να συμ­βι­βα­στούν με την ηλε­κτρο­δυ­να­μι­κή; Την ίδια στιγ­μή λάμ­βα­νε χώρα η διε­ρεύ­νη­ση της σχέ­σης μετα­ξύ της μηχα­νι­κής και των δύο βασι­κών νόμων της θερ­μό­τη­τας: την αρχή δια­τή­ρη­σης της ενέρ­γειας και τον δεύ­τε­ρο θερ­μο­δυ­να­μι­κό νόμο. Η συζή­τη­ση αυτή εισχω­ρού­σε στο πεδίο της στα­τι­στι­κής — μορια­κής φυσι­κής, εξε­τά­ζο­ντας το θεμε­λιώ­δες ζήτη­μα του κατά πόσο η ύλη απο­τε­λεί­ται από άτο­μα.

Παρό­λο που οι δυο συζη­τή­σεις είχαν πολ­λά κοι­νά, ήταν η δεύ­τε­ρη εκεί­νη από την οποία ανα­δύ­θη­κε η κβα­ντι­κή θεω­ρία.

Σκί­τσο του Max Planck από τον Eddmond Kapp, 1932, όταν βρι­σκό­ταν στο από­γειο της επιρ­ρο­ής του στη γερ­μα­νι­κή επι­στή­μη.

Ο Max Planck είχε ένα σχε­δόν εμμο­νι­κό ενδια­φέ­ρον για τον Δεύ­τε­ρο Θερ­μο­δυ­να­μι­κό Νόμο. Σύμ­φω­να με αυτόν τον νόμο (μία από τις δια­τυ­πώ­σεις του) δεν είναι δυνα­τή μία δια­δι­κα­σία κατά την οποία το μονα­δι­κό απο­τέ­λε­σμα είναι η μετα­φο­ρά θερ­μό­τη­τας από ένα ψυχρό προς ένα θερ­μό­τε­ρο σώμα. Με τη βοή­θεια της έννοιας της εντρο­πί­ας, η οποία εισή­χθη από τον Rudolf Clausius το 1865, ο νόμος μπο­ρού­σε να επα­να­δια­τυ­πω­θεί ως εξής: η εντρο­πία ενός απο­μο­νω­μέ­νου συστή­μα­τος πάντα αυξά­νε­ται ή παρα­μέ­νει στα­θε­ρή.

Οι έρευ­νες του Planck εστιά­στη­καν στην έννοια της εντρο­πί­ας και στην κατα­νό­η­ση της «μη αντι­στρε­πτό­τη­τας» στη βάση της από­λυ­της ισχύ­ος του δεύ­τε­ρου θερ­μο­δυ­να­μι­κού νόμου, δια­τυ­πω­μέ­νου με τη χρή­ση της έννοιας της εντρο­πί­ας.

Τη δεκα­ε­τία του 1890 η συζή­τη­ση γύρω από τον δεύ­τε­ρο θερ­μο­δυ­να­μι­κό νόμο επι­κε­ντρώ­θη­κε στη στα­τι­στι­κή (ή πιθα­νο­κρα­τι­κή) ερμη­νεία που είχε αρχι­κά προ­τεί­νει ο Ludwig Boltzmann το 1872 και επε­κτά­θη­κε το 1877. Σύμ­φω­να με την μορια­κή — μηχα­νι­στι­κή ερμη­νεία του Boltzmann, η εντρο­πία ενός συστή­μα­τος είναι το συλ­λο­γι­κό απο­τέ­λε­σμα των μορια­κών κινή­σε­ων. Επο­μέ­νως ο δεύ­τε­ρος θερ­μο­δυ­να­μι­κός νόμος ισχύ­ει μόνο στα­τι­στι­κά. Η θεω­ρία του Boltzmann, η οποία προ­ϋ­πέ­θε­τε την ύπαρ­ξη ατό­μων και μορί­ων, αμφι­σβη­τή­θη­κε από τον Wilhelm Ostwald και άλλους «ενερ­γεια­κούς» ερευ­νη­τές, που ήθε­λαν να απε­λευ­θε­ρώ­σουν τη φυσι­κή από την έννοια των ατό­μων και να την στη­ρί­ξουν στην ενέρ­γεια και τις σχε­τι­κές ποσό­τη­τες.

Η θέση του Planck δεν ήταν με το μέρος των «ατο­μι­στών» οι οποί­οι απο­δεί­χτη­καν νικη­τές σε αυτήν την επι­στη­μο­νι­κή σύγκρου­ση. Η πίστη του στην από­λυ­τη ισχύ του δεύ­τε­ρου νόμου της θερ­μο­δυ­να­μι­κής τον οδή­γη­σε όχι μόνο στην απόρ­ρι­ψη της στα­τι­στι­κής εκδο­χής της θερ­μο­δυ­να­μι­κής αλλά και στην αμφι­σβή­τη­ση της ατο­μι­κής υπό­θε­σης στην οποία στη­ρί­χτη­κε. Ήδη από το 1882, ο Planck θεω­ρού­σε πως η ατο­μι­κή υπό­στα­ση της ύλης ήταν κάθε­τα αντί­θε­τη με το νόμο αύξη­σης της εντρο­πί­ας.

Θα υπάρ­ξει μάχη ανά­με­σα στις δύο υπο­θέ­σεις που θα κοστί­σει τη ζωή μίας από τις δύο. Παρά την τερά­στια επι­τυ­χία της ατο­μι­κής θεω­ρί­ας στο παρελ­θόν, θα ανα­γκα­στού­με να την εγκα­τα­λεί­ψου­με και να απο­φα­σί­σου­με υπέρ της υπό­θε­σης της συνε­χούς ύλης.

Ωστό­σο, η αντί­θε­ση του Planck στην ατο­μι­κή θεω­ρία υπα­να­χώ­ρη­σε στη δεκα­ε­τία του 1890 καθώς συνει­δη­το­ποί­η­σε τη δύνα­μη της υπό­θε­σης και την ενο­ποί­η­ση που επέ­φε­ρε σε μία ποι­κι­λία φυσι­κών και χημι­κών φαι­νο­μέ­νων αν και η στά­ση του παρέ­μει­νε διφο­ρού­με­νη και συνέ­χι­σε να δίνει προ­τε­ραιό­τη­τα στη μακρο­σκο­πι­κή θερ­μο­δυ­να­μι­κή, αγνο­ώ­ντας τη στα­τι­στι­κή θεω­ρία του Boltzmann. Μέχρι το 1895, ήταν έτοι­μος να ξεκι­νή­σει ένα μεγά­λο ερευ­νη­τι­κό πρό­γραμ­μα για τον προσ­διο­ρι­σμό της θερ­μο­δυ­να­μι­κής μη αντι­στρε­πτό­τη­τας σε ορι­σμέ­να μικρο-μηχα­νι­κά ή μικρο-ηλε­κτρο­δυ­να­μι­κά συστή­μα­τα που δεν συμπε­ριε­λάμ­βα­ναν ρητά την ατο­μι­κή υπό­θε­ση. Το πρό­γραμ­μα όχι μόνο εξέ­φρα­ζε το βαθύ ενδια­φέ­ρον του Planck για την έννοια της εντρο­πί­ας, αλλά και την «αρι­στο­κρα­τι­κή» του στά­ση στη φυσι­κή: επι­κε­ντρώ­θη­κε σε θεμε­λιώ­δης πτυ­χές της επι­στή­μης του και αγνό­η­σε τις τετριμ­μέ­νες, εφαρ­μο­σμέ­νες ιδέ­ες που κυριαρ­χού­σαν. Το έντο­νο ενδια­φέ­ρον του για την εντρο­πία, το οποίο μοι­ρα­ζό­ταν με μια μικρή μερί­δα συνα­δέλ­φων του, δεν θεω­ρεί­το πως θα έπαι­ζε σημα­ντι­κό ρόλο ή πως θα έδι­νε σημα­ντι­κά απο­τε­λέ­σμα­τα.

Κι όμως το έκα­νε. Κι αυτό διό­τι ο Planck ανή­κε σε μια ‑μάλ­λον σπά­νια- κατη­γο­ρία ανθρώ­πων που δε διστά­ζουν να αλλά­ξουν τις από­ψεις τους όταν το απαι­τούν οι δεδο­μέ­νες συν­θή­κες.