Biografía de Max Karl Ernst Ludwig Planck

Biografía de Max Karl Ernst Ludwig Planck

Por :Francisco M. Pulido Pastor

La mecánica cuántica es la rama de la física matemática que estudia los sistemas atómicos y subatómicos y su interacción con la radiación en términos de cantidades observables.

Nacido: 23 Abril 1858 en Kiel, Schleswig-Holstein, Alemania
Muerto: 4 Oct 1947 en Göttingen, Alemania

Max Planck procedía de una familia académica, su padre, Julius Wilhelm Planck era profesor de Derecho Constitucional en la Universidad de Kiel en la época de su nacimiento, y tanto su abuelo como su bisabuelo habían sido profesores de teología en Göttingen. Su madre, Emma Patzig, era la segunda mujer de su padre. Sus padres eran relativamente mayores cuando él nació, su padre tenía 41 y su madre 37. Nació en el seno de una gran familia, era el sexto hijo de su padre (dos de los hijos eran de su primer matrimonio con Matilde Voigt), y creció en una tradición que respetaba en gran medida el estudio, la honradez, la justicia y la generosidad. Los valores en los que fue educado de joven se convirtieron rápidamente en los valores que llevó en el corazón a lo largo de su vida, mostrando el máximo respeto por las instituciones del estado y la iglesia.

Max comenzó su educación elemental en Kiel. En la primavera de 1867 su familia se trasladó a Munich cuando su padre fue nombrado profesor allí. Esta ciudad proporcionó un estimulante entorno para el joven muchacho que disfrutaba con su cultura, particularmente la música, y amaba pasear y escalar en las montañas cuando la familia se iba de excursión a la Bavaria Superior. Asistió a la escuela secundaria allí, ingresando en el famoso Maximilian Gymnasium en mayo de 1867. Lo hizo bien en el colegio, aunque no brillantemente, estando normalmente entre el tercero y el octavo de su clase. La música fue quizá su mejor asignatura y fue recompensando con el premio del colegio en catecismo y buena conducta casi todos los años. Se podría esperar que hubiese destacado en matemáticas y ciencias, pero ciertamente en sus primeros años escolares, aunque lo hizo bien, no hubo signos de un talento sobresaliente en estas materias. Sin embargo, hacia el final de su carrera escolar, su profesor Hermann Müller hizo crecer su interés en física y matemáticas, y se quedó profundamente impresionado con la absoluta naturaleza de la ley de conservación de la energía. Un informe escolar de 1872 reza así:

Justificadamente favorecido por ambos profesores y compañeros de clase ... y a pesar de tener métodos infantiles, tiene una mente muy clara y lógica. Se muestra como una gran promesa.

En julio de 1874, a la edad de 16, pasó su examen de reválida escolar con distinción pero, teniendo talento para una amplia variedad de materias, en particular la música (tocaba el piano y el órgano extremadamente bien), aún no tenía una idea clara de qué estudiaría en la universidad. Antes de comenzar sus estudios en la Universidad de Munich discutió la posibilidad de una carrera musical con un músico que le dijo que, si se tenía que plantear la cuestión, mejor estudiara cualquier otra cosa.

Ingresó en la Universidad de Munich el 21 de Octubre de 1874 y fue alumno en física de Philip von Jolly y Wilhelm Beetz, y en matemáticas de Ludwig Seidel y Gustav Bauer. Después de tomar clases en su mayoría de matemáticas al comienzo de su curso, preguntó por las perspectivas de investigación en física a Philipp von Jolly, el profesor de física en Munich, y se le dijo que la física era esencialmente una ciencia completa con pocas perspectivas de desarrollo posterior. Afortunadamente Planck decidió estudiar física a pesar del desolado futuro para la investigación que le presentaron.

En [7] Planck describe por qué eligió la física:

El mundo exterior es algo independiente del hombre, algo absoluto, y la búsqueda de las leyes que se aplican a este absoluto me parecieron la más sublime profesión científica.

Los desalentadores comentarios de su profesor de física establecieron claramente el tono para su época en la Universidad de Munich por lo que Planck escribió más tarde:

No tuve la buena fortuna de un eminente científico o profesor dirigiendo el curso específico de mi educación

Estuvo enfermo durante el verano de 1875 lo que hizo que abandonara los estudios temporalmente. Era costumbre entre los estudiantes alemanes moverse entre universidades en esa época y de hecho Planck se trasladó a estudiar a la Universidad de Berlín desde octubre de 1877 donde sus profesores incluyeron a Weierstrass, Helmholtz y Kirchhoff. Más tarde escribió que él admiraba enormemente a Kirchhoff pero que le encontró seco y monótono como profesor. Sin embargo es probable que sea el contraste entre la actitud de investigación de sus profesores de Munich y los de Berlín la que impulsó la cita que dábamos arriba (hecha muchos años después). Una parte importante de su educación en Berlín llegó, sin embargo, a través del estudio independiente ya que en esta etapa leyó los artículos de Rudolf Clausius sobre termodinámica. De nuevo la absoluta naturaleza de la segunda ley de la termodinámica le impresionó.

Planck regresó a Munich y recibió su doctorado en julio de 1879 a la edad de 21 con una tesis sobre la segunda ley de la termodinámica titulada Sobre la segunda ley de la teoría mecánica del calor. La concesión del doctorado fue hecha 'summa cum laude' el 28 de julio de 1879. Después de esto, Planck continuó trabajando para su capacitación como profesor que fue concedida el 14 de junio de 1880, después de que enviase su tesis sobre la entropía de la teoría mecánica del calor y se convirtió en un Privatdozent en la Universidad de Munich. Dicho puesto de enseñanza era sin paga, por lo que Planck no recibía ingresos para mantenerse. Vivió con sus padres durante los cinco años que mantuvo este puesto, pero se sentía bastante culpable de continuar viviendo a sus expensas. Durante esta época se hizo amigo de Carl Runge y ésta se convirtió en una duradera y académicamente fructífera amistad.

El 2 de mayo de 1885 Planck fue nombrado profesor extraordinario de física teórica en Kiel y mantuvo este cargo durante cuatro años. Esto ahora le dio seguridad económica por lo que pudo casarse con Marie Merck a quien había conocido durante muchos años. Era la hija de un banquero de Munich, y la pareja se casó el 31 de marzo de 1887. Trabajó entonces en la termodinámica publicando tres excelentes artículos sobre aplicaciones a la fisicoquímica y la termoelectricidad.

Tras la muerte de Kirchhoff en octubre de 1887, la Universidad de Berlín buscó un físico de nivel mundial para reemplazarle y convertirse en colega de Helmholtz. Se lo propusieron a Ludwig Boltzmann pero no estaba interesado y lo mismo ocurrió con Heinrich Hertz. En 1888 el nombramiento de Planck fue propuesto por la Facultad de Filosofía de la Universidad de Berlín, fuertemente recomendado por Helmholtz:

Los artículos de Planck son fácilmente distinguibles de los de la mayoría de sus colegas en que él intenta seguir las estrictas consecuencias de la termomecánica de manera constructiva, sin añadir hipótesis adicionales y separa cuidadosamente lo seguro de lo dudoso ... sus artículos ... le muestran claramente como un hombre de ideas originales que labra sus propios caminos [y] que tiene una visión integral de conjunto de las distintas áreas de la ciencia.

Planck fue nombrado profesor extraordinario de física teórica en la Universidad de Berlín el 29 de noviembre de 1888, y al mismo tiempo se convirtió en director del Instituto de Física Teórica. Fue ascendido a profesor ordinario el 23 de mayo de 1892 y mantuvo el cargo hasta que se retiró el 1 de octubre de 1927. Sus colegas y amigos incluían a Emil du Bois-Reymond (el famoso fisiólogo y hermano de Paul du Bois-Reymond), Helmholtz, Pringsheim, Wien, al igual que teólogos, historiadores, y filólogos. Continuó entregándose a su pasión por la música teniendo un harmonio construido con 104 tonos en cada octava, y organizando conciertos en su propia casa.

Mientras estuvo en Berlín, Planck hizo su trabajo más brillante y dio sobresalientes conferencias. Estudió la termodinámica, en particular examinando la distribución de la energía según la longitud de onda. Combinando las fórmulas de Wien y Rayleigh, Planck anunció en octubre de 1900 una fórmula ahora conocida como la fórmula de la radiación de Planck. En dos meses Planck hizo una deducción teórica completa de su fórmula renunciando a la física clásica e introduciendo los cuantos de energía en una reunión de la Physikalische Gesellschaft (la Sociedad de Física) en Berlín. Al hacerlo, tuvo que rechazar su creencia de que la segunda ley de la termodinámica era una ley absoluta de la naturaleza y aceptar la interpretación de Boltzmann de que era una ley estadística. En una carta escrita un año después, Planck describía la propuesta de la interpretación teórica de la fórmula de la radiación diciendo:

... todo el proceso fue un acto de desesperación ya que tenía que encontrarse una interpretación teórica a cualquier precio, sin importar lo elevada que pudiera ser.

Planck recibió el Premio Nobel de Física en 1918 por su logro. Él describió en su discurso del Nobel dado el 2 de Junio de 1920, con mucho más detalle del que hemos dado antes, cómo hizo sus descubrimientos. Damos ahora algunos extractos del discurso:

Durante muchos años, [mi meta] fue resolver el problema de la distribución de energía en el espectro normal del calor irradiado. Después de que Gustav Kirchhoff hubiese demostrado que el estado de la radiación de calor que tiene lugar en una cavidad delimitada por cualquier material emisor y absorbente a una temperatura uniforme es totalmente independiente de la naturaleza del material, se demostró una función universal que era dependiente sólo de la temperatura y la longitud de onda, pero de ningún modo de las propiedades del material. El descubrimiento de esta destacable función prometía una visión más profunda de la conexión entre la energía y la temperatura que es, de hecho, el problema principal en la termodinámica y por tanto en toda la física molecular. ...

En esa época mantuve lo que hoy serían consideradas ingenuamente inocentes y asumibles esperanzas, de que las leyes de la electrodinámica clásica nos permitirían, si se abordaran de una forma suficientemente general evitando hipótesis especiales, comprender la parte más significativa del proceso que esperaríamos, y por tanto lograr la meta deseada. ...

[Varios métodos diferentes] mostraron más y más claramente que un importante elemento de conexión o término, esencial para llegar a la base del problema, tenía que estar perdido. ...

Estuve ocupado... desde el día en que yo [establecí una nueva fórmula para la radiación], con la tarea de encontrar una interpretación física real de la fórmula, y este problema me llevó automáticamente a considerar la conexión entre la entropía y la probabilidad, es decir, el tren de ideas de Boltzmann; posteriormente tras varias semanas del más duro trabajo de mi vida, la luz penetró la oscuridad, y una nueva perspectiva inconcebible se abrió ante mi. ...

Debido a que [una constante en la ley de la radiación] representa el producto de la energía y el tiempo ... la describí como el cuanto elemental de acción. ... Mientras que fuera mirado como infinitamente pequeño ... todo estaba correcto; pero en el caso general, sin embargo, un hueco se abría en un lugar o en otro, que se convertía en más importante cuanto más débiles y rápidas se considerasen las vibraciones. Todos esos esfuerzos en salvar las distancias se derrumbaron pronto dejando poco lugar a dudas. O bien el cuanto de acción era una cantidad funcional, con lo que toda la deducción de la ley de la radiación era esencialmente una ilusión que representaba sólo un papel vacío sobre fórmulas sin significado, o bien la derivación de la ley de la radiación debía jugar un papel fundamental en la física, y aquí había algo completamente nuevo, nunca oído con anterioridad, que parecía requerir que revisáramos básicamente todo nuestro pensamiento físico, construido como lo estaba, a partir del tiempo del establecimiento del cálculo infinitesimal porLeibniz y Newton, sobre la aceptación de la continuidad de todas las conexiones causativas. La experimentación decidió que era la segunda alternativa.

Al principio la teoría encontró resistencia pero, debido al exitoso trabajo de Niels Bohr calculando las posiciones de las líneas espectrales usando la teoría, fue generalmente aceptada. El mismo Planck en [7] explica cómo, a pesar de haber inventado la teoría cuántica¹, él mismo no la comprendía al principio:

Intenté inmediatamente soldar alguna forma el cuanto elemental de acción en el marco de la teoría clásica. Pero contra todos esos intentos esta constante se mostró testaruda ... Mis fútiles intentos por integrar el cuanto elemental de acción en la teoría clásica continuaron durante varios años y me costaron muchos esfuerzos.

Planck, que tenía 42 años cuando hizo este histórico anuncio del cuanto, tomó poca parte en el posterior desarrollo de la teoría cuántica. Fue dejado a Einstein con las teorías de los cuantos de luz, a Poincaré que probó matemáticamente que los cuantos eran una consecuencia necesaria de la ley de la radiación de Planck, Niels Bohr con su teoría del átomo, Paul Dirac y otros. Tristemente su vida estuvo llena de tragedias en los años que siguieron a esta destacable iniciación del estudio de la mecánica cuántica. Su mujer Marie murió el 17 de octubre de 1909. Tuvieron cuatro hijos; dos niños, Edwin y Kart, dos mellizas, Margarete y Emma. Dos años después de la muerte de su primera mujer, Planck se casó de nuevo, con Marga von Hösslin, la sobrina de Marie, su primera mujer, el 14 de marzo de 1911. Tuvieron un niño, Hermann. Kart, el más joven de los hijos del primer matrimonio de Planck, murió en 1916 durante la Primera Guerra Mundial. Sus dos hijas murieron de parto, Margarete en 1917 y Emma en 1919. Su hijo Edwin se convirtió en su mejor amigo y consejero, pero como relatamos más abajo Edwin murió en circunstancias incluso más terribles.

Planck siempre asumió responsabilidades administrativas, además de sus actividades investigadoras, tales como Secretario de la Sección de Matemáticas y Ciencias Naturales de la Academia Prusiana de Ciencias, un puesto que mantuvo desde 1912 hasta 1943. Había sido elegido para la Academia en 1894. Planck estuvo muy implicado con la Sociedad Alemana de Física, siendo tesorero y miembro de la comisión. Fue presidente de la Sociedad desde 1905 a 1908 y después de nuevo desde 1915 hasta 1916. Planck fue también honrado por ser elegido miembro honorario en 1927. Dos años después se instituyó un premio, la Medalla Max Planck, y él mismo fue el primer galardonado. Estuvo en la comisión del Kaiser Wilhelm Gesellschaft (Sociedad del Kaiser Guillermo), la principal organización investigadora alemana, desde 1916 y fue presidente de la Sociedad desde 1930 hasta 1937 (fue renombrada como la Sociedad Max Planck). Fue la época en que los nazis ascendieron al poder, y él puso sus mejores esfuerzos para prevenir que los temas políticos se impusieran a los científicos. No pudo prevenir la reorganización de la Sociedad por los nazis y rehusó aceptar la presidencia de la reorganizada Sociedad.

Permaneció en Alemania durante la Segunda Guerra Mundial atravesando lo que debieron ser tiempos de la más profunda dificultad. En 1942 explicó por qué permanecía todavía en Berlín:

He estado aquí en Berlín en la universidad desde 1889 ... por tanto soy bastante veterano. Pero realmente no hay ningún antiguo berlinés genuino, gente que naciera aquí; en el mundo académico todo el mundo se traslada con frecuencia. La gente se va de una universidad a la siguiente, pero en ese sentido yo soy realmente muy sedentario. Pero una vez que llegué a Berlín no fue fácil marcharse; a fin de cuentas, este es el centro de la actividad intelectual de toda Alemania.

Sin embargo, permanecer en Berlín hacia el final de la Segunda Guerra Mundial, era muy peligroso. Él se mudó a Rogätz, cerca de Magdeburgo, en 1943. Su casa en el suburbio de Grunewald en Berlín fue destruida por el fuego tras un bombardeo en Febrero de 1944. Perder su casa y posesiones fue malo, pero perder sus irreemplazables libros de notas científicas fue una tragedia para él y para la ciencia. Peor fue lo que siguió. Su hijo Edwin fue sospechoso de estar implicado en el complot para asesinar a Hitler el 20 de Julio de 1944 y fue ejecutado por la GESTAPO a primeros de 1945. En [4] Heilbron describe el impacto de las guerras sobre Planck y su familia:

Él recordaría, incluso en su vejez, la visión de las tropas prusianas y austriacas marchando sobre su ciudad natal cuando tenía seis años. A lo largo de su vida, la guerra le causaría un profundo sufrimiento personal. Perdió a su hijo mayor durante la Primera Guerra Mundial. En la Segunda Guerra Mundial, su casa en Berlín fue incendiada en un bombardeo. En 1945 su otro hijo fue ejecutado cuando fue declarado culpable de complicidad en un complot para asesinar a Hitler.

Planck tenía 87 años al final de la Segunda Guerra Mundial y fue llevado a Göttingen por los aliados. Notablemente, dada su edad, fue capaz de emplear su esfuerzo en reconstruir la ciencia alemana y de nuevo llegó a presidente de la Kaiser Wilhelm Gesellschaft en 1945-46. Era la segunda vez que defendía la ciencia alemana a través de un periodo de excepcional dificultad.

Artículo de: J J O'Connor y E F Robertson
MacTutor History of Mathematics Archive

Glosario

1. La mecánica cuántica es la rama de la física matemática que estudia los sistemas atómicos y subatómicos y su interacción con la radiación en términos de cantidades observables. Se basa en la observación de que todas las formas de energía son liberadas en unidades discretas o 'paquetes' llamados quantos

Bibliografía

4. J L Heilbron, The dilemmas of an upright man : Max Planck as spokesman for German science (Berkeley, 1986).
7. M Planck, Scientific Autobiography, and Other Papers (1949).
Más referencias bibliográficas (15 libros/artículos)

Citas

Una importante innovación científica raramente se abre camino persuadiendo y convirtiendo a sus oponentes: raramente sucede que Saulo se convierte en Pablo. Lo que pasa es que sus oponentes mueren gradualmente, y la generación naciente está familiarizada con las ideas desde el principio.
(Nueva York 1949).

Si alguien dice que puede pensar en los problemas de los cuantos sin marearse, eso sólo significa que no comprendió lo primero sobre ellos.

Su nombre destaca con magnificencia sobre el pórtico de la física clásica, y podemos decir esto de él; por su nacimiento James Clerk Maxwell pertenece a Edimburgo, por su personalidad pertenece a Cambridge, por su obra, pertenece a todo el mundo.