Max Planck – einfach erklärt

Bedeutung und Grundidee

Max Karl Ernst Ludwig Planck (* 23. April 1858 in Kiel; † 4. Oktober 1947 in Göttingen) war ein deutscher Physiker der theoretischen Physik. Er gilt als Begründer der Quantenphysik. 1919 erhielt er den Nobelpreis für Physik des Jahres 1918 für die Entdeckung der Energiequanten und deren Beschreibung durch die später nach ihm benannte Planck-Konstante.

Plancks wichtigste Leistung entstand aus der Untersuchung der Wärmestrahlung Schwarzer Körper. Ein Schwarzer Körper ist ein idealisierter Körper, der alle auftreffende Strahlung vollständig absorbiert und daher nur seine eigene Strahlung aussendet. Planck suchte eine Formel, die beschreibt, wie die Strahlung von Frequenz und Temperatur abhängt. Am 14. Dezember 1900 stellte er der Physikalischen Gesellschaft Ergebnisse vor, die später als Anfang der Quantenphysik galten. Seine Formel zeigte, dass Energie in seiner Modellvorstellung nicht beliebig kontinuierlich, sondern nur in bestimmten, diskreten Portionen auftreten durfte. Diese Portionen wurden mit dem Wirkungsquantum verbunden, der späteren Planck-Konstante h.

Ausbildung und akademischer Weg

Planck wuchs zunächst in Kiel auf. 1867 zog seine Familie nach München, wo sein Vater Wilhelm von Planck einen Lehrstuhl für Zivilprozessrecht erhalten hatte. Am Maximiliansgymnasium war Planck ein guter, vielseitig begabter Schüler. Obwohl es dort keinen eigentlichen naturwissenschaftlichen Unterricht gab, lernte er durch seinen Mathematiklehrer Hermann Müller Grundlagen der Astronomie und Mechanik kennen. Besonders prägte ihn das Prinzip der Energieerhaltung, also die Vorstellung, dass Energie nicht verloren geht, sondern nur umgewandelt wird.

Nach dem Abitur 1874 schwankte Planck zwischen Naturwissenschaften, Altphilologie und Musik. Er hatte absolutes Gehör, spielte Klavier und Cello, sang, begleitete Gottesdienste an der Orgel und komponierte. Er entschied sich dennoch für Physik. Ab dem Wintersemester 1874 studierte er Mathematik und Naturwissenschaften an der Ludwig-Maximilians-Universität München, unter anderem bei Philipp von Jolly, Wilhelm Beetz, Philipp Ludwig von Seidel und Gustav Bauer. 1877/1878 studierte er ein Jahr in Berlin bei Gustav Kirchhoff und Hermann von Helmholtz, war von deren Vorlesungen aber enttäuscht und bildete sich vor allem im Selbststudium aus den Schriften Rudolf Clausius’ zur Wärmetheorie weiter.

1879 promovierte Planck in München mit der Dissertation Über den zweiten Hauptsatz der mechanischen Wärmetheorie. 1880 habilitierte er sich über Gleichgewichtszustände isotroper Körper in verschiedenen Temperaturen und wurde mit 22 Jahren Privatdozent. Ab 1885 war er Professor für Theoretische Physik in Kiel. Dort heiratete er 1887 Marie Merck. 1889 wechselte er an die Friedrich-Wilhelms-Universität Berlin, wurde 1892 ordentlicher Professor und 1894 Mitglied der Königlich Preußischen Akademie der Wissenschaften. In Berlin wurde er zu einer zentralen Figur der deutschen Physik.

Thermodynamik, Entropie und Lösungen

Plancks frühes Werk behandelte vor allem die Thermodynamik, damals auch mechanische Wärmetheorie genannt. Der Erste Hauptsatz der Thermodynamik ist der Energieerhaltungssatz. Der Zweite Hauptsatz wurde von Rudolf Clausius formuliert und besagt, dass eine freiwillige Energieübertragung nur von einem wärmeren auf einen kälteren Körper möglich ist, nicht umgekehrt. Clausius führte dafür den Begriff Entropie S ein. Entropie ist ein Maß, das bei reversibler Wärmezufuhr durch die Gleichung dS = dQ / T beschrieben wird, wobei Q die Wärmemenge und T die absolute Temperatur ist. Clausius’ bis heute gültige Formulierung lautet: „Entropie kann erzeugt, aber niemals vernichtet werden“.

Planck fasste in seiner Dissertation Clausius’ Arbeiten zusammen, klärte Widersprüche und Ungenauigkeiten und verallgemeinerte den zweiten Hauptsatz auf alle Vorgänge in der Natur. Für Planck war Entropie nicht nur eine Eigenschaft eines physikalischen Systems, sondern auch ein Maß für die Irreversibilität eines Prozesses. Irreversibel bedeutet: Ein Vorgang kann nicht einfach vollständig rückgängig gemacht werden. Wird Entropie erzeugt, kann sie nach dem zweiten Hauptsatz nicht vernichtet werden; bei reversiblen Vorgängen bleibt sie konstant.

Planck erkannte außerdem, dass das Maximum der Entropie dem Gleichgewichtszustand entspricht. Daraus folgt, dass sich aus der Kenntnis der Entropie Gesetze thermodynamischer Gleichgewichtszustände ableiten lassen. Daneben untersuchte er elektrische Vorgänge in Lösungen. Er leitete die Abhängigkeit von Leitvermögen und Verdünnung einer Lösung theoretisch her und begründete damit die moderne Elektrolyttheorie. Auch erklärte er theoretisch die Bedingungen für Gefrier- und Siedepunktänderungen verdünnter Lösungen, die François Raoult und Jacobus Henricus van ’t Hoff 1886 gefunden hatten.

Strahlungsgesetz und Quantenphysik

Mitte der 1890er Jahre wandte sich Planck der Wärmestrahlung zu. Gustav Kirchhoff hatte 1859 die Bedeutung einer universellen Strahlungsfunktion f(ν,T) beschrieben, die nur von Frequenz ν und Temperatur T abhängt. Für Schwarze Körper waren bereits Teilgesetze bekannt: Josef Stefan fand 1879 den Zusammenhang I ~ T^4, Ludwig Boltzmann leitete 1884 daraus ein Gesetz für die Gesamtstrahlung ab, Wilhelm Wien formulierte 1893 das Wiensche Verschiebungsgesetz λT = konstant und später das Wiensche Strahlungsgesetz. Dieses passte aber nicht für alle Frequenzen. Auch das Rayleigh-Jeans-Gesetz stimmte nur in einem anderen Bereich.

Planck versuchte, die Strahlungsgesetze aus thermodynamischen Überlegungen abzuleiten. Er verwendete harmonische Oszillatoren, also modellhafte schwingende Systeme, die elektromagnetische Wellen aussenden und aufnehmen können. Im Oktober 1900 fand er nach neuen Messergebnissen von Heinrich Rubens und Ferdinand Kurlbaum eine Interpolationsformel, die das Wiensche Strahlungsgesetz und das Rayleigh-Jeans-Gesetz als Grenzfälle verband. Danach brachte er das Gesetz in seine endgültige Form: ρ(ν,T) = (8πν²/c³) · (hν / (e^(hν/kT) − 1)). Darin sind k die Boltzmann-Konstante, c die Lichtgeschwindigkeit und h die Planck-Konstante.

Für diese Herleitung gab Planck seinen bisherigen phänomenologischen Ansatz auf und nutzte die atomistisch-wahrscheinlichkeitstheoretische Entropiebegründung Ludwig Boltzmanns. Er erlaubte den Strahlungsoszillatoren nur bestimmte Energiezustände. Planck selbst beschrieb diesen Schritt später als „Akt der Verzweiflung“. Zunächst erkannte weder Planck noch sein Umfeld die ganze Tragweite. Erst Albert Einsteins Lichtquantenhypothese von 1905 und spätere Analysen machten deutlich, dass Plancks Strahlungsgesetz mit der klassischen Physik nicht vereinbar war. Planck selbst blieb gegenüber Einsteins Lichtquantenhypothese und später gegenüber der Kopenhagener Deutung der Quantenmechanik skeptisch.

Wissenschaftliche Rolle und politische Zeitgeschichte

Planck war in Berlin ein einflussreicher Hochschullehrer und Wissenschaftsorganisator. Seine Vorlesungen behandelten in einem sechssemestrigen Zyklus Mechanik, Elektromagnetismus, Optik, Thermodynamik und spezielle Probleme der theoretischen Physik. Er galt als klarer und verständlicher Lehrer, begründete aber keine eigene große wissenschaftliche Schule, weil er nur wenige Doktoranden hatte. Zu seinen später bekannten Doktoranden gehörten unter anderem Max von Laue, Walther Meißner, Moritz Schlick, Walter Schottky und Walther Bothe.

Ab 1912 war Planck beständiger Sekretar der Preußischen Akademie der Wissenschaften. Er half entscheidend dabei, Albert Einstein nach Berlin zu holen; Einstein trat am 1. April 1914 seine neue Stelle an. Planck förderte auch die Verbreitung der speziellen Relativitätstheorie, obwohl er Einsteins Deutung des Strahlungsproblems ablehnte.

Im Ersten Weltkrieg verhielt sich Planck patriotisch und staatstreu. Er begrüßte 1914 den Kriegsbeginn, unterzeichnete das Manifest der 93 und verteidigte dessen Sinn später teilweise. Zugleich setzte er sich 1916 gegen den Ausschluss von Mitgliedern aus „Feindländern“ aus der Akademie ein. Persönlich traf ihn der Krieg schwer: Sein Sohn Karl fiel 1916 bei Verdun; seine Töchter Grete und Emma starben 1917 beziehungsweise 1919 jeweils im Zusammenhang mit Geburten.

In der Weimarer Republik forderte Planck vor allem „Durchhalten und weiterarbeiten“ und gründete 1920 mit Fritz Haber die Notgemeinschaft der deutschen Wissenschaft. Während des Nationalsozialismus blieb er zunächst gegenüber dem Regime loyal und versuchte, Wissenschaftsinstitutionen zu erhalten. Für jüdische Kollegen setzte er sich nur begrenzt und teils im Privaten ein; für Fritz Haber versuchte er direkt bei Adolf Hitler zu intervenieren. 1936 endete seine Präsidentschaft der Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft. 1944 wurde sein Haus in Berlin zerstört. Sein Sohn Erwin Planck wurde wegen Beteiligung am Attentat vom 20. Juli 1944 verhaftet, zum Tod verurteilt und am 23. Januar 1945 in Plötzensee hingerichtet.

Späte Jahre, Religion und Ehrungen

Nach dem Zweiten Weltkrieg half Planck beim Wiederaufbau der Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft. Am 11. September 1946 wurde sie in Max-Planck-Gesellschaft umbenannt; Planck wurde ihr Ehrenpräsident. Trotz gesundheitlicher Probleme unternahm er weiter Vortragsreisen. Im Juli 1946 nahm er als einziger eingeladener Deutscher an den Feierlichkeiten der Royal Society zum 300. Geburtstag Isaac Newtons teil. Am 4. Oktober 1947 starb er an den Folgen eines Sturzes und mehrerer Schlaganfälle. Sein Grab befindet sich auf dem Stadtfriedhof Göttingen.

Planck beschäftigte sich in seinen letzten Jahrzehnten mit dem Verhältnis von Religion und Naturwissenschaft. Er war philosophisch von Immanuel Kant und theologisch von Adolf Harnack beeinflusst. Er unterschied die Religion als Bereich des Gottesglaubens und des Ethischen von der Naturwissenschaft als empirischer Erkenntnis. Naturwissenschaft könne nach Planck zu einer „naturwissenschaftlichen Macht“ führen, aber keine einfachen Gottesbeweise liefern. Er kritisierte sowohl unzulässige Gottesbeweise aus der Quantentheorie als auch die Verabsolutierung religiöser Symbole durch Kirchen. Bis zu seinem Tod blieb er Mitglied der evangelischen Kirche.

Planck erhielt zahlreiche Auszeichnungen. Zu Lebzeiten gehörten dazu der Pour le Mérite für Wissenschaften und Künste, der Nobelpreis für Physik, die Mitgliedschaft in bedeutenden Akademien, die Max-Planck-Medaille der Deutschen Physikalischen Gesellschaft und mehrere Ehrendoktorwürden. Postum wurden unter anderem die Max-Planck-Gesellschaft, Schulen, Universitäten, Briefmarken, Münzen, der Mondkrater Planck und 2022 eine Büste in der Walhalla mit seinem Namen verbunden.