Max Planck: ο απρόθυμος επαναστάτης και η γέννηση του quantum

Η 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.