Max Planck Kimdir? Planck, Nasıl Bir Hayat Geçirdi ve Fiziğe Neler Kattı?

Max Planck, tam adı Max Karl Ernst Ludwig Planck olan, enerji kuantalarını keşfi nedeniyle 1918 Nobel Fizik Ödülü'ne layık görülmüş Alman teorik fizikçidir. Max Planck, modern fiziğe köklü katkılarda bulunmuştur; ancak Planck'ın bilimsel şöhretinin büyük çoğunluğu, kuantum fiziğinin babası olarak anılmasından gelmektedir. Kuantum fiziği, insanın Evren'e bakış açısını tamamen değiştirmiş ve atom altı parçacıkların doğasını başarıyla açıklayabilmiştir.

Eğer fiziğe ilgi duyuyorsanız, "Planck sabiti", "Planck zamanı", "Planck mesafesi" gibi terimleri duymuş olabilirsiniz. İşte bu temel terimlere ismini veren kişi, Max Planck'tır. Benzer şekilde, hayatınızın bir döneminde, örneğin lisede fizik dersi gördüyseniz, $E=m{c}^2$ kadar popüler olan $E=hv$ formülünü de biliyorsunuzdur. Nitekim bu iki formülün birbiriyle kesişmesi, Einstein'a Nobel Ödülü'nü getirmiştir. Ancak bu ikinci formül bize; bir fotonun enerjisinin, değeri 6.626 x 10^-34 olan Planck sabiti ($h$) ile frekansın ($v$) çarpımına eşit olduğunu göstermektedir - ve bu, Max Planck tarafından keşfedilmiştir.

İşte bu yazımızda, bu değerli formülün sahibini ve fiziği baştan yaratan adamı daha yakından tanıyacağız.

Max Planck'ın Çocukluk ve Gençlik Yılları

Tam adı ile Max Karl Ernst Ludwig Planck, Nisan 1858'de Almanya'nın Kiel şehrinde dünyaya geldi. Biz onu "Max" olarak tanısak da vaftiz edilirken "Marx" ismi birincil ismi (İng: "appellation name") olarak belirlendi. Ancak on yaşındayken Max ismi ile imza attı ve hayatının geri kalanında bu ismi kullandı.

Max Planck, akademik bir aileden geliyordu. Babası Julius Wilhelm, Planck doğduğu sırada Kiel Üniversitesinde Anayasa Hukuku Profesörüydü. Planck'ın dedesi ve büyük dedesi de Göttingen'de İlahiyat Profesörüydü - ki böyle bir ailede doğmak Planck'ın hayatına doğrudan etki edecekti.

Kiliseye ve devlete bağlılık, ülkücülük, cömertlik, dürüstlük gibi uzun bir aile geleneği, Planck'ın kendi yaşamında da derinden yer etti. Max Planck, ilköğrenimine Kiel'de başladı. 1867 yılında babası profesör olarak Münih'e atandığından, ailesi ile beraber Münih'e taşındı. Münih'in farklı kültürü, Planck'ın hayatına da etki etti. Buranın özellikle müziğini sevdi ve ailesiyle birlikte yaptığı gezilerde bol bol dağlarda yürüdü, tırmanışlar yaptı. O zamanlardan kalma bir alışkanlık olsa gerek, yetişkinliğinde de sık sık yürüyüşler ve dağ tırmanışları yapmaya devam edecekti.

9 yaşındayken Almanya'nın dört okullu eğitim sisteminin en yüksek okulu ve girilebilecek en yüksek lise türü olan Gymnasium liselerinden Maximilian Gymnasium'una girdi. Lisede parlak bir öğrenciydi; ancak devamlı birinci olan öğrencilerden değildi. Sınıfta genelde üçüncü ilâ sekizinci olurdu. Müzik, belki de en iyi olduğu dersti. Piyano, org, çello çalardı; hatta opera bestelemişliği bile vardı! Okul kariyerinin sonlarına doğru öğretmeni Hermann Müller, fizik ve matematiğe olan ilgi düzeyini yükseltti ve Max Planck, enerjinin korunumu yasasının mutlak doğasından derinden etkilendi. Yani Planck, enerjinin korunumu yasasını ilk kez Müller'den öğrendi.

Planck, tüm derslerden başarılı oldu ve 16 yaşında erkenden mezun olarak lise eğitimini tamamladı. Mezun olduğunda üniversitede ne okuyacağıyla ilgili net bir karar vermemişti. Seçenekleri arasında filoloji veya müzik gibi bölümler de vardı; ancak en büyük özgünlüğün fizikte yattığı sonucuna vardığından, fizik okumaya karar verdi.

Dış dünya insandan bağımsız, mutlak bir şeydir ve bu mutlak için geçerli yasaları araştırmak bana hayattaki en yüce bilimsel uğraş gibi göründü.

Üniversite Hayatı

Max Planck, 21 Ekim 1874'te Münih Üniversitesine girdi ve Philipp von Jolly ve Wilhelm Beetz'den fizik, Ludwig Seidel ve Gustav Bauer'den matematik dersleri aldı. Eğitiminin başlangıcında çoğunlukla matematik dersleri aldıktan sonra, fizik profesörü Philipp von Jolly'e fizikte keşfedilmemiş araştırma sahalarını sordu. von Jolly, Planck'a, 1874 yılında şöyle dedi:

Bu alanda (fizik) hemen hemen her şey zaten keşfedildi ve geriye kalan tek şey, birkaç önemsiz boşluğu doldurmak.

Neyse ki Planck, kendisine sunulan araştırma için kasvetli geleceğe rağmen, fizik okumaya karar verdi.

1875 yaz döneminde geçirdiği hastalık, bir süre eğitim hayatına ara vermesine sebep oldu. Bu sıralarda Alman öğrencilerin üniversiteler arasında geçiş yapmaları alışılmış bir durumdu ve Planck, Ekim 1877'de öğretmenleri arasında Weierstrass, Helmholtz ve Kirchhoff'un da bulunduğu Berlin Üniversitesi'nde okumak için taşındı; ancak araştırma bilimcisi olarak saygınlıklarına rağmen, Hermann von Helmholtz ve Gustav Robert Kirchhoff'un dersleri onu pek etkilemedi. Helmholtz'un hiçbir zaman tam olarak hazırlıklı olmadığını, yavaş konuştuğunu, durmadan yanlış hesap yaptığını ve dinleyicilerini sıktığını yazarken, Kirchhoff'a büyük hayranlık duyduğunu; ancak onu bir öğretmen olarak yavan ve monoton bulduğunu yazdı.

Berlin'deki eğitiminin önemli bir kısmı, bağımsız çalışmalar ile geçti; bu aşamada Rudolf Clausius'un termodinamik hakkındaki makalelerini okudu. Termodinamiğin İkinci Yasası'nın mutlak doğası onu bir kez daha etkiledi. Berlin Üniversitesi'nde bir yıl kaldıktan sonra Münih'e döndü ve Temmuz 1879'da 21 yaşındayken doktorasını, alışılmadık derecede genç yaşta, termodinamiğin ikinci yasası üzerine yazdığı "Isı Mekanik Teorisinin İkinci Yasası Üzerine" başlıklı teziyle aldı.

Ertesi yıl Münih'te yeterlilik tezini tamamladı ve öğretim görevlisi oldu. Bunu takiben Planck, 1880 yılında "İzotropik Cisimlerin Farklı Sıcaklıklardaki Denge Durumları" adlı tezini sundu ve bu, ona bir "habilitasyon" kazandırdı. Habilitasyon tezi tamamlanınca Münih Üniversitesi'nde "Privatdozent" oldu. Bu öğretim görevi seviyesi ücretsizdi; bu yüzden Planck, geçimini sağlamak için hiçbir gelir elde edemedi. Bu görevi üstlendiği beş yıl boyunca ailesiyle birlikte yaşadı; ancak bu durum, onu içten içe huzursuz ediyordu.

Bu süre zarfında üniversiteden arkadaşı Carl Runge ile zaman geçirdi ve bu, uzun süreli ve akademik açıdan verimli bir arkadaşlığa dönüştü. Carl Runge, Berlin Üniversitesi'nde bir matematikçiydi. 1877 bahar tatili sırasında, üniversite arkadaşlarıyla beraber Kuzey İtalya'da bir yürüyüş turuna çıkmışlardı. Yürürken, öğrenciler; fen, matematik gibi alanlarda sohbet ederken dünya görüşlerini de tartışıyorlardı.

Runge, Hristiyanlığın ve dinin, yarardan çok zarara neden olup olmadığı konusunda bir soru yöneltti. Bu, geleneksel Lutheryan eğitimi almış Planck'ı şoke eden bir soruydu. Planck, kendi dünya görüşünü sorgulamaya başladı. Hayatı boyunca bir Lutheryan olarak kaldı ve ateizmi reddetti; ancak alternatif felsefelere ve dinlere karşı da hep hoşgörülü oldu.

Max Planck, 1885'te babasının profesyonel bağlantılarının yardımıyla Kiel Üniversitesi'ne Teorik Fizik Doçenti olarak atandı ve bu görevi dört yıl boyunca sürdürdü. Bu, artık onun mali açıdan güvende olması demekti.

Ekim 1887'de Kirchhoff'un ölümünden sonra, Berlin Üniversitesi, onun yerini alacak ve Helmholtz'un bir meslektaşı olacak, dünyanın önde gelen bir fizikçisini aradı: Ludwig Boltzmann'a yanaştılar; ama o, bu pozisyonla ilgilenmedi. Aynısı, Heinrich Hertz için de geçerliydi. 1889'da bu pozisyona Planck atandı ve 1892'de tam profesör oldu. Her halükarda öğrencileri, onun derslerini Kirchhoff'tan çok daha ilgi çekici bulmuşlardı. Öğrencilerinden biri olan İngiliz kimyager James Partington, Planck'ın derslerini şöyle anlatmıştı:

Not kullanmıyor, asla hata yapmıyor, asla bocalamıyor. Gördüğüm en iyi hoca.

Toplamda sadece 20 tane yüksek lisans öğrencisi oldu; ancak Berlin'de verdiği, teorik fiziğin tüm dalların kapsayan derslerinin metin versiyonları çok sayıda baskı yaptı ve büyük bir etki yarattı. Ayrıca Planck'ın iki yüksek lisans öğrencisi, daha sonra fizikte Nobel ödülü kazanacaktı: Max von Laue ve Walther Bothe.

Klasik Fiziğin Yetersiz Kalmaya Başladığı Dönem ve Kuantum Fiziğine Giriş

18. yüzyılın sonlarında fizikte büyük ilerlemeler kaydedilmişti. O zamanlar klasik Newton fiziği, birçok fenomeni doğru bir şekilde açıklama ve tahmin etme yeteneği nedeniyle bilim camiasında geniş çapta kabul görüyordu (von Jolly'nin "fiziğin bittiğini" düşünmesi de bundandı). Bununla birlikte, 20. yüzyıl başlarında fizikçiler, klasik mekanik yasalarının atomik ölçekte uygulanabilir olmadığını keşfettiler. Ayrıca fotoelektrik etki gibi deneyler, klasik fizik yasalarıyla tamamen çelişiyordu. Bu gözlemlerin bir sonucu olarak, fizik dünyasına yeni bir kavram girecekti: kuantum.

Kuantum üzerine çalışma yapan her fizikçinin yeri, bilim dünyasında ayrı ayrı önemli ve değerlidir elbette; ancak biz, şimdilik kuantumun bilinen kısmının biraz daha başlarında kalmaya devam edeceğiz ve söz konusu Planck'ın çalışmaları olduğundan, yazımızda onun aydınlattığı kadarki kısma yer vereceğiz.

Max Planck'ın kuantum alanındaki etkisi, şu basit gözlemle başladı: Nesneler ısındığında enerji yayarlar. Örneğin yanan bir kömürü izlediyseniz turuncu renk aldığını görmüşsünüzdür. Ya da demire şekil verilirken ısınmış demirin adeta turuncu bir lamba gibi göründüğünü bilirsiniz.

InfoBloom

Bütün cisimler, her ân kara cisim ışıması adı verilen bir ışıma yaparlar. Bu ışınlar, elektromanyetik dalgalar şeklinde enerji yayar. Bu dalgalar; görünür, ultraviyole ve kızılötesi ışık gibi geniş bir dalga boyu aralığına sahiptir. Ama araştırmacılar, yaptıkları deneylerde, yayılan ışığın renklerinin teorinin öngördüğü renklerle uyuşmadığını fark ettiler. Bilimsel dilde, özellikle de sıcak nesnelerin yaydığı dalga boyları arasında bir uyumsuzluk vardı. Dalga boyu küçüldükçe, yapılan ışımanın sonsuza gideceğini söylüyordu. Bu uyumsuzluğa "Ultraviyole Felaketi" (İng: "ultraviolet catastrophe") adını verdiler.

wikipedia

Bu grafikte siyah eğri, klasik fiziğe göre siyah bir cismin 5000 K sıcaklıkta yaptığı davranışı gösterir. Ancak cismin gerçek davranışı, mavi renkte verilen eğrideki gibidir. Planck, teoriyi gözlemlerle eşleştirmek için, devrim niteliğinde bir öneride bulundu. Öneriyi basite indirgemek adına, alegorik bir yaklaşım ile açıklamaya çalışalım.

Monopoly oynamışsanız, kamu kuruluşlarının "kira" lanetini bilirsiniz. Attığınız zarın belli bir katı kadar ücret ödemekle yükümlüsünüzdür. Örneğin bu kat 4 olsun. Bu, şu demek: Piyonunuzun o kamu kuruluşuna gelmesi için gereken adımın, yani zarda yazan rakamın her zaman dört katını ödemek zorundasınızdır. Dolayısıyla 3 atarsanız 12 birim, 4 atarsanız 16 birim ödeme yapmanız gerekir. Dikkat edebileceğiniz gibi, bu durumda 13, 14 veya 15 birim ödeme yapmak imkânsızdır; çünkü zarda 13/4, 14/4 veya 15/4 atmak mümkün değildir.

İşte Klasik fizik, bu tamsayı katları yok sayıyordu; yani belli bir kat olmaksızın, tüm enerji değerlerinin mümkün olduğunu savunuyordu. Planck ise ışığı dalga olarak değil de enerji paketçikleri olarak düşünürsek, yukarıda bahsettiğimiz sonsuza gitme probleminin aşılabileceğini fark etti. Sonuç olarak ışığın, sadece belli miktarlarda enerji paketçikleri halinde yayılabileceğini öne sürdü ve bu paketçiklere Latince'de "ne kadar?" anlamına gelen "kuanta" adını verdi.

Planck'ın bu buluşu, kuantum teorisinin doğuşuydu. Planck, enerji kuantalarına dayanan yeni teorisinin, siyah bir cisim tarafından yayılan ışığın dalga boylarını doğru bir şekilde tahmin ettiğini buldu. Elektromanyetik radyasyon tarafından taşınan enerjinin, şimdi Planck sabiti olarak adlandırılan ve "$h$" harfiyle gösterilen bir sayıya bölünebilmesi gerektiğini buldu. Planck sabitinin "h" harfiyle gösterilme nedeni, Almancada "Hilfsgrösse", yani "yardımcı değişken" (veya "yardımcı büyüklük") olarak denklemlere eklenmiş olmasıydı. Yardımcı değişkenler, öylesine denklemlere dahil edilen değişkenlerdir. Eğer klasik fizik doğru olsaydı, bu değişkenin 0 olmasını beklerdik. Ancak klasik fizik, doğayı doğru bir şekilde ifade edemediği için, sonradan bu sabitin gerçekten de temel bir doğa sabiti olduğu görüldü.

Max Planck, hiçbir noktada klasik fiziği devirmeyi amaçlamamıştı. Niyeti, deneysel gözlemlerle eşleşen bir teori bulmaktı. Yine de keşfinin sonuçları çok önemliydi. Kuantum teorisi doğmuştu ve doğayı yorumlama şeklimiz, bir daha asla aynı olmayacaktı. Planck'ın fizik temeline katkısı ona 1918 yılında Nobel Fizik Ödülü'nü kazandırdı.

Planck'ın Özel Hayatı

Planck'ın 1885 yılında Kiel Üniversitesi'ne atanması ile ekonomik özgürlüğünü eline aldığını söylemiştik. 1887'nin Mart ayında Planck, Münihli bir bankacının kızı olan Marie Merck ile evlendi. Kiel'de bir apartman dairesi kiraladı ve Marie ile orada yaşamaya başladılar. İkisi ikiz olmak üzere, dört çocukları oldu. Sırasıyla Karl, ikizler Emma ile Grete, son olarak Erwin.

Birkaç mutlu yıldan sonra Marie, 1909 yılında tüberküloz olarak tahmin edilen bir sebeple vefat etti. İki kızı ve iki oğlu ile bir başına kalan Planck, 1911'de Marga von Hoesslin ile evlendi ve bir oğlu daha oldu. Büyük oğlu Karl, Birinci Dünya Savaşı'nda Verdun Muharebesi'nde çatışmadayken hayatını kaybetti. Ertesi yıl ikizlerden Grete, doğum yaparken vefat etti. Ne yazık ki ikizlerin kaderi de ikizdi ve kardeşinden iki yıl sonra Emma da doğum yaparken vefat etti.

Planck'ın Berlin'deki evi 1944 yılında tamamen yıkılıncaya kadar bombalandı. Küçük oğlu Erwin, Hitler'e suikast girişiminde bulundu; ancak başarısız oldu. Bu girişim sebebi ile Erwin Planck, 1945'te Berlin'deki Plötzensee Hapishanesi'nde asılarak idam edildi. Bunca acıdan sonra Planck, yaşama hevesini kaybetti. Savaşın sonunda Amerikan subaylar Planck'ı, ikinci eşi Marga ile Göttingen'e götürdüler. Planck, burada Ekim 1947'de 89 yaşında vefat etti.