Zum 50. Todestag von Max Planck

(23.4.1858 - 4.10.1947)


Der folgende Text ist auszugsweise zitiert aus:

300 Jahre Physik und Astronomie an der Kieler Universität
von Charlotte Schmidt-Schönbeck (1965)

Biographisches
Untersuchungen zur Thermodynamik
Arbeiten zur Relativitätstheorie
Auseinandersetzung mit atomistischen und energetischen Vorstellungen
Entdeckung des elementaren Wirkungsquantums
Philosophische Fragen in der Physik


MAX PLANCK

Am 23.4.1858 wird Max Planck als Sohn des Professors der Rechte Johann Julius Wilhelm Planck in Kiel geboren. Unter seinen Vorfahren sind bekannte Theologen und Juristen, wie z.B. der Göttinger Jurist Gottlieb Planck, der wesentlich an der Zusammenstellung des Deutschen Bürgerlichen Gesetzbuches beteiligt war.

Zu Plancks ersten Kindheitserinnerungen gehört der Einzug der preußischen Truppen 1864 in seine Heimatstadt. 1867 folgt der Vater einem Ruf an die Universität in München. Hier besucht Planck das Maximilianeum, studiert in Berlin und München Naturwissenschaften, promoviert 1879 in München mit einer theoretischen Arbeit über den zweiten Hauptsatz der mechanischen Wärmetheorie und habilitiert sich wenige Monate (14.6.1880) darauf an der Münchner Universität für theoretische Physik. Sein damaliges Arbeitsgebiet werden wir später im Zusammenhang mit den anderen wissenschaftlichen Arbeiten Plancks kennenlernen.

Da in den achtziger Jahren an deutschen Hochschulen kaum Lehrstühle für theoretische Physik existieren, muß Planck länger als ihm lieb ist als Privatdozent in München bleiben. 1883 bietet ihm die Forstakademie in Aschaffenburg eine Stelle als Physiklehrer an. Planck erscheint diese Aussicht auf eine festbesoldete Stelle reizvoller als eine weitere Wartezeit. Um sich Rat zu holen, reist er nach Berlin zu Helmholtz. Dieser ahnt die kommende Entwicklung der theoretischen Physik voraus und redet Planck zu, noch weiter in München auszuharren.

1885 bekommt Planck einen Ruf als außerordentlicher Professor für theoretische Physik an die Christian-Albrechts-Universität. Er schreibt darüber später: ,,Den Augenblick, da ... mir der Ministerialdirektor Althoff die näheren Bedingungen mitteilte, zähle ich zu den glücklichsten meines Lebens. Denn wenn ich auch im Elternhaus das denkbar schönste und behaglichste Leben führte, so war der Drang nach Selbständigkeit doch immer stärker in mir geworden ... Freilich vermute ich nicht mit Unrecht, daß ich diesen Glücksfall nicht eigentlich meinen wissenschaftlichen Leistungen zu verdanken hatte, sondern vielmehr dem Umstand, daß der Kieler Professor der Physik Gustav Karsten ein naher Freund meines Vaters war" . In den Berufungsakten äußert sich Althoff über den jungen Planck: ,,Herr Planck hat auf mich einen äußerst günstigen Eindruck gemacht, sowohl durch sein bescheidenes Wesen wie durch seine Klarheit und Bestimmtheit in der Erörterung wissenschaftlicher Probleme" . Diese Bescheidenheit kommt dem Finanzministerium sehr gelegen, es zahlt Planck 200 Mark Gehalt; Plancks Nachfolger bekommt 4 Jahre später mehr als das Doppelte.

Im WS 1885/86 liest Planck zunächst über die ,,Theorie der Elektrizität und des Magnetismus" und wendet sich erst im Sommer 1886 seinem eigentlichen Spezialgebiet, der Thermodynamik zu. Schon in München hat Planck einen Kursus über theoretische Physik ausgearbeitet. Er eröffnet ihn in Kiel im WS 1886/87 mit analytischer Mechanik. In den folgenden Semestern schließen sich mechanische Wärmelehre, Elastizitätstheorie, Hydrodynamik, mathematische Optik und Elektrodynamik an. Daneben kündigt Planck an: ,,Für Vorgerücktere: Übungen und Vorträge aus der Mechanik". Plancks Vorlesungen werden später in Berlin veröffentlicht, der erste Band über Mechanik erscheint 1916.

Über näheren Kontakt zwischen Planck und Karsten erfahren wir nichts. Einfluß auf Plancks wissenschaftliche Arbeit hat sein Kieler Aufenthalt nicht gehabt. - Durch eine Reihe von Veröffentlichungen erwirbt sich Planck die Anerkennung von Helmholtz und wird auf dessen Fürsprache hin 1889 als Nachfolger von Kirchhoff nach Berlin berufen. Sein neuer Wirkungskreis steht in keinem Verhältnis zu seiner isolierten Stellung in Kiel. Berlin ist ein Zentrum physikalischer Forschung: hier wirken unter anderem Helmholtz, von Bezold, Kundt und Rubens.

Zum ordentlichen Professor wird Planck 1892 ernannt. Nach seiner Entdeckung des elementaren Wirkungsquantums 1900 wird sein Name weit über die Grenzen der Berliner Hochschule bekannt. Viele ehrenvolle Rufe - unter anderem als Nachfolger von Boltzmann nach Wien - lehnt er ab.

Zahlreiche Anerkennungen werden ihm zuteil: 1909 wird ihm der Titel eines Geheimrats verliehen, 1915 ehrt man ihn mit dem Pour-le-mérite und 1918 wird ihm der Nobelpreis zuerkannt. Akademien im In- und Ausland machen ihn zu ihrem Mitglied, 1928 wird die Max-Planck-Medaille gestiftet. Aber auch harte Schicksalsschläge fordern von ihm fast übermenschliche Kraft: 1909 stirbt seine Gattin, der älteste Sohn fällt im ersten Weltkrieg vor Verdun, zwei Töchter sterben kurz darauf.

1930 zieht sich Planck von seiner Lehrtätigkeit zurück und übernimmt die Präsidentenschaft der Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft. Seit der Machtübernahme Hitlers setzt er den ganzen Einfluß seiner Persönlichkeit ein, um manche Bedrohung für die Wissenschaft abzuwenden, die durch die Entlassung jüdischer Forscher entsteht. Oft ist dieses aufreibende Bemühen vergeblich. Viele seiner Mitarbeiter und Schüler müssen aus Deutschland fliehen: Einstein, Lise Meitner, Goldschmidt und andere. Soweit es in seinen Kräften steht, setzt er sich gegen den politischen Einfluß auf das wissenschaftliche Leben zur Wehr. So ermöglicht er 1938 - trotz des ausdrücklichen Verbots der Regierung - eine Gedenkfeier zum Tode von Fritz Haber.

Auf einer seiner zahlreichen Vertragsreisen kommt Planck 1944 noch einmal nach Kiel, das durch die Bombenangriffe schon stark zerstört ist. Die Christiana Albertina ernennt ihn zum Ehrensenator.

Das Ende des Krieges trifft Planck sehr. Sein Haus und seine Bibliothek in Berlin werden durch Bombenangriffe zerstört; sein Sohn Erwin wird Anfang 1945 hingerichtet, da er an den Ereignissen des 20. Juli 1944 beteiligt war. Mit diesem Sohn verband Planck ein besonders enges und vertrautes Verhältnis; nach dessen Tod schreibt Planck am 28.3.1945 an einen Freund: ,,Sie trauen mir viel zu, wenn Sie die Meinung aussprechen, daß ich in mir die Kraft besitze, dem Schmerz nicht zu erliegen. Ich bemühe mich auch ernstlich, sie aufzubringen. Dabei kommt mir der Umstand zu Hilfe, was ich als eine Gnade des Himmels betrachte, daß mir von Kindheit an der feste durch nichts beirrbare Glaube an den Allmächtigen und Allgütigen tief im Inneren wurzelt. Freilich sind seine Wege nicht unsere Wege; aber das Vertrauen auf ihn hilft uns durch die schwersten Prüfungen hindurch" .

Zusammen mit seiner zweiten Gattin verläßt Planck Berlin und findet auf dem Gut von Freunden in der Nähe von Magdeburg Zuflucht. Beim Einmarsch der Russen wird das Gut unter Beschuß genommen, Planck muß in die umliegenden Wälder fliehen und nach der Rückkehr unter primitivsten Verhältnissen in den zerstörten Gebäuden wohnen. Im Mai 1945 holen ihn amerikanische Wissenschaftler nach Göttingen. Der 87jährige übersteht die Strapazen dieser Reise leidlich und findet in dem Hause von Verwandten eine Heimstätte bis zu seinem Tode am 4.10.1947.

Den Leitgedanken seiner wissenschaftlichen Tätigkeit formuliert Planck einmal selbst: ,,Was mich zu meiner Wissenschaft führte und von Jugend auf für sie begeisterte, ist die durchaus nicht selbstverständliche Tatsache, daß unsere Denkgesetze übereinstimmen mit den Gesetzmäßigkeiten im Ablauf der Eindrücke, die wir von der Außenwelt empfangen, daß es also dem Menschen möglich ist, durch reines Denken Aufschlüsse über jene Gesetzmäßigkeiten zu gewinnen. Dabei ist von wesentlicher Bedeutung. daß die Außenwelt etwas von uns Unabhängiges, Absolutes darstellt, dem wir gegenüber stehen, und das Suchen nach den Gesetzen, die für dieses Absolute gelten, erschien mir als die schönste wissenschaftliche Lebensaufgabe" .

(a) Untersuchungen zur Thermodynamik

Nach dem Vorbild von Carnot, Clausius und Clapeyron hatte man sich in der Thermodynamik vorwiegend mit umkehrbaren Kreisprozessen beschäftigt. Durch Arbeiten von R. Clausius und J. W. Gibbs (1839-1903) wird die Untersuchung der Entropiefunktion, vor allem in der Theorie des Gleichgewichtes zwischen verschiedenen Aggregatzuständen desselben Stoffes, in Angriff genommen. Die Schriften von Clausius bilden den Ausgangspunkt von Plancks Arbeiten zur Thermodynamik. In ihrem Mittelpunkt steht die Frage, welche Folgerungen sich aus der Existenz einer Energie- und Entropiefunktien auf rein mathematischem Wege ergehen. Die ersten Ergebnisse hierzu stellt er 1879 in seiner Dissertation: ,,Über den zweiten Hauptsatz der mechanischen Wärmetheorie" zusammen. In dieser Arbeit teilt er alle physikalischen Prozesse ein in reversible und irreversible und definiert die Entropie als Maß für die Art, wie sich bei einem irreversiblen Prozess der Anfangszustand vom Endzustand eines Systems unterscheidet. Der zweite Hauptsatz läßt sich danach auch so auffassen: Bei einem natürlichen Vorgang nimmt die Summe der Entropien aller an dem Vorgang beteiligten Körper zu.

Aus der Kenntnis, daß ein Gleichgewichtszustand durch ein Maximum der Entropie ausgezeichnet ist, leitet Planck alle Gesetze des physikalischen und chemischen Gleichgewichtes ab. Den ersten Beitrag hierzu liefert seine Münchner Habilitationsschrift: ,,Über Gleichgewichtszustände isotroper Körper bei verschiedenen Temperaturen"  (1880). Die meisten von Plancks Ergebnissen sind bereits vorher von Gibbs - oft in allgemeinerer Form - gefunden worden.

Da man bisher als wichtigste Zustandsgröße die Temperatur angesehen hatte, finden Plancks Arbeiten, die Energie und Entropie als Zustandsfunktionen in den Vordergrund stellen, kaum Verständnis. Weder Kirchhoff, noch Helmholtz oder Clausius lesen sie.

Eine einzige Schrift Plancks aus dieser Zeit findet Beachtung: seine Bearbeitung der Preisaufgabe der Göttinger philosophischen Fakultät ,,Das Prinzip von der Erhaltung der Energie" . An diesem Thema, das seinem Bedürfnis nach systematischer Klärung physikalischer Grundbegriffe sehr entgegenkommt, arbeitet er 1885 in Kiel. In einem einleitenden historischen Abschnitt schildert Planck die Entwicklung des Energieprinzips von einem Satz in einzelnen physikalischen Fachdisziplinen zu dem umfassenden Gesetz der Physik. Den weiteren Erörterungen stellt er die Definition voran: ,,Wir bezeichnen die Energie, also die Fähigkeit, Arbeit zu leisten, eines materiellen Systems in einem bestimmten Zustand als den in mechanischen Arbeitseinheiten gemessenen Betrag aller Wirkungen, welche außerhalb des Systems hervorgerufen werden, wenn dasselbe aus seinem Zustand auf beliebige Weise in einen nach Willkür fixierten Nullzustand übergeht" . Nach dem Beweis, daß diese Aussage mit allen anderen Formulierungen des Energieprinzips äquivalent ist, zeigt Planck, daß sich die Gesamtenergie in Abhängigkeit von den Zustandsgrößen eines Systems als Summe schreiben läßt, deren einzelne Glieder man als die verschiedenen Energiearten des physikalischen Systems interpretieren kann. Die Existenz der verschiedenen Energiearten folgt also auf rein mathematischem Wege.

Bei den anschließenden Beweisen des Energieprinzips wendet sich Planck dagegen, die mechanische Theorie als a-priori-Postulat an den Anfang zu stellen und wählt als Ausgangspunkt einer nichtmechanischen Deduktion des Energieprinzips den Erfahrungssatz von der Unmöglichkeit eines perpetuum mobile. Den Abschluß der Arbeit bildet die Diskussion der verschiedenen Energiearten.

Plancks Bearbeitung wird in Göttingen der zweite Preis zuerkannt, der erste Preis wird nicht vergeben. Als Erklärung dafür schreibt man an Planck: ,,Die Fakultät muß endlich den Bemerkungen, durch welche sich der Verfasser mit dem Weberschen Gesetze abzufinden sucht, ihre Zustimmung versagen" . Weber ist damals schon lange Emeritus in Göttingen, hat aber trotzdem noch großen Einfluß auf das Leben an der Hochschule. In seiner Auffassung von den Grundlagen der Elektrody- namik steht er im Gegensatz zur Meinung von Helmholtz, der sich Planck in seiner Schrift angeschlossen hatte.

Eine Weiterführung seiner Gedanken über die Entropiefunktion gibt Planck in drei Schriften ,,Über das Prinzip der Vermehrung der Entropie" (1887) . Er stellt darin die Folgerungen zusammen, die sich aus dem Clausiusschen Prinzip der Entropie und dem Energiesatz ergeben, ohne Annahmen über das Wesen der molekularen Bewegungen zu machen. Im Rahmen dieses Themas diskutiert Planck die Gesetze der chemischen Reaktionen zwischen Körpern von gleicher Zusammensetzung und gleichen Gewichtsverhältnissen. Es folgen Untersuchungen über die Dissoziation gasförmiger Verbindungen. Aus den Gesetzen physikalischen und chemischen Gleichgewichtes - formuliert mit Hilfe der Entropie - bestätigt Planck das schon bekannte Massenwirkungsgesetz von Guldberg und Waage und außerdem Aussagen von van t 'Hoff über den osmotischen Druck.

Im Anschluß an diese thermodynamischen Fragen wendet sich Planck ihren Anwendungen auf die Theorie verdünnter Lösungen zu (veröffentlicht in einer Folge von vier Arbeiten aus dem Jahr 1888). Er gibt darin eine thermodynamische Ableitung für die Abhängigkeit des Leitvermögens von der Verdünnung, die mit dem von Ostwald im gleichen Jahr bemerkten Zusammenhang übereinstimmt. Plancks Arbeiten sind die thermodynamische Begründung der von Svante Arrhenius aufgestellten Dissoziationstheorie. - Über die Reaktion auf die eben erwähnten Arbeiten schreibt Planck: ,,Durch diese Feststellung geriet ich leider in einen ärgerlichen Konflikt. Denn Arrhenius bestritt in einer ziemlich unfreundlichen Weise die Zulässigkeit meiner Beweisführung, indem er hervorhob, daß seine Hypothesen sich auf Ionen, also auf elektrisch geladene Teilchen beziehen, worauf ich nur erwidern konnte, daß thermodynamische Gesetze unabhängig davon gelten ob Teilchen geladen sind oder nicht" .

Auch nach seiner Berufung an die Berliner Universität beschäftigt sich Planck weiter mit thermodynamischen, vor allem thermochemischen Dingen. Es entstehen Arbeiten über Potentialdifferenzen zwischen verdünnten Lösungen (1890), über die Erregung von Wärme und Elektrizität in Elektrolyten (1890) und über Diffusion und Elektrolyse (1892).

Der wesentliche Beitrag zur Thermodynamik aus späteren Jahren ist die abschließende phänomenologische Formulierung des Nernstschen Wärmetheorems (1910). Während Nernst 1906 nur gefordert hatte, daß die Entropiedifferenz zwischen verschiedenen Phasen desselben Stoffes am absoluten Nullpunkt gleich Null wird, setzt Planck die Entropie der kondensierten Phase eines Stoffes selbst gleich Null.

Bei allen thermodynamischen Überlegungen kommt es Planck weitgehend auf methodische Fragen an, beispielsweise: Welche Schlüsse lassen sich allein aus der formalen Thermodynamik ziehen? An welchen Stellen gehen physikalische oder chemische Voraussetzungen ein? - Ebenso wie Gibbs verwendet Planck bei der Anwendung der Hauptsätze der Thermodynamik vorwiegend die Methode der thermodynamischen Potentiale und nicht die der Kreisprozesse, die von den Chemikern hauptsächlich benutzt wurde.

Dargestellt hat Planck seine Auffassung der Thermodynamik in den ,,Vorlesungen über Thermodynamik", die 1897 erstmals erscheinen und seitdem viele Auflagen erlebt haben; die letzte wird 1954 von M v. Laue herausgegeben.

(b) Arbeiten zur Relativitätstheorie

Als Einstein 1905 seine Abhandlung ,,Zur Elektrodynamik bewegter Körper" veröffentlicht, macht Planck auf eine formale Unvollständigkeit in Einsteins Darstellung der Dynamik eines Massenpunktes aufmerksam und gibt gleichzeitig eine vollständige Übertragung der Prinzipien der Mechanik in die Relativitätstheorie ( ,,Das Prinzip der Relativität und die Grundgleichungen der Mechanik"  1906) . Zwei Jahre später weist Planck darauf hin (,,Zur Dynamik bewegter Systeme" 1908), daß Einsteins Dynamik nur gilt, wenn man für den Körper - den man als Massenpunkt behandelt - keinen Wärmeaustausch zuläßt. Wird nämlich dem Körper Wärme zugeführt, oder von ihm Wärme abgezogen, dann muß das Einsteinsche Gesetz E=mc2 modifiziert werden. Wie das abgeänderte Gesetz auszusehen hat, zeigt Planck mit Hilfe der Invarianz der Entropie gegenüber der Lorentztransformation; er gibt gleichzeitig die Transformationsformeln für Temperatur und Wärmemenge an und formuliert damit die relativistische Darstellung der Thermodynamik. Die Plancksche Form des Einsteinschen Gesetzes sagt aus, daß der Energiestrom - also Energie pro Sekunde und cm2 - dividiert durch das Quadrat der Lichtgeschwindigkeit gleich dem Impuls pro Volumeneinheit des Körpers ist; hierin ist die Einsteinsche Aussage enthalten, die nur für Systeme gilt, die sich ohne äußere Einwirkungen im statischen Gleichgewicht befinden.

(c) Auseinandersetzung mit atomistischen und energetischen Vorstellungen

Obwohl Planck durch die Schriften von Clausius zum Studium der Thermodynamik angeregt worden war, hat er die zweite große Forschungsrichtung Clausius', die kinetische Gastheorie, anfangs sehr kritisch eingeschätzt. Während nämlich nach der Mechanik alle Vorgänge auch in Gasen umkehrbar sind, ordnet der zweite Hauptsatz allen Vorgängen eine Richtung zu, die der zunehmenden Entropie. Wegen dieses Widerspruches zwischen mechanischer und thermodynamischer Beschreibung steht Planck der realen Existenz von Atomen sehr skeptisch gegenüber und gerät dadurch in Auseinandersetzung mit dem überzeugten Atomistiker Ludwig Boltzmann. Ein fruchtbares Ergebnis dieser Diskussion ist die Klarstellung, daß als Voraussetzung aller Wahrscheinlichkeitsaussagen die Annahme von der molekularen Unordnung - symbolisiert z.B. in dem Boltzmannschen ,,Stoßzahlansatz" - eingeht. Da Planck zunächst den zweiten Hauptsatz für ebenso allgemeingültig ansieht wie das Energieprinzip, glaubt er darin ein Argument gegen die Boltzmannsche Formulierung des zweiten Hauptsatz gefunden zu haben.

Aus dieser Einschätzung des zweiten Hauptsatzes entsteht auch Plancks ablehnende Haltung gegenüber der ,,Energetik", die hauptsächlich durch W. Ostwald vertreten wird. Die Energetiker wollen jedes physikalische Gesetz aus dem Energiesatz herleiten. Der Begriff der Irreversibilität von Vorgängen paßt nicht in ihr aus der Mechanik herkommendes System. So geben sie beispielsweise für den unumkehrbaren Übergang der Wärme von höheren zu tieferen Temperaturen als - sehr unvollkommenes - mechanisches Analogon das Fallen eines Steines an.

(d) Entdeckung des elementaren Wirkungsquantums

Plancks größte Leistung, die Entdeckung des elementaren Wirkungsquantums, knüpft an die Thermodynamik der Wärmestrahlung an.

Physikalische Kenntnisse über die Wärmestrahlung gehen bis in das 18. Jahrhundert zurück; die Thermodynamik wird in sie erst 1859 durch G. Kirchhoff eingeführt. Er erkennt, daß sich in jedem Hohlraum, der von Körpern gleicher Temperatur eingeschlossen ist, eine ausschließlich von der Temperatur abhängende, universelle Hohlraumstrahlung einstellt und daß man die Ausstrahlung eines jeden Körpers in ihrer Intensität auf diese Hohlraumstrahlung zurückführen kann ( sofern Absorptionsvermögen und Brechungsindex des Körpers bekannt sind). Damit reduziert sich das allgemeine Strahlungsproblem auf die Untersuchung der Hohlraumstrahlung.

Ein weiterer Schritt zur Erforschung der Wärmestrahlung wird 1884 von Boltzmann getan. Er betrachtet die Hohlraumstrahlung ähnlich wie ein Gas und folgert im Anschluß an Untersuchungen von Maxwell über den Strahlungsdruck, daß auch die Wärmestrahlung auf die umgebenden Wände einen Druck ausübt. Aus dem in Analogie zur kinetischen Theorie berechneten Wert für den Druck und weiteren rein thermodynamischen Überlegungen kommt Boltzmann zu einem Ausdruck für die Gesamtenergie der Hohlraumstrahlung, der dem experimentell 1879 von J. Stefan gefundenem Ergebnis entspricht. In thermodynamischer Hinsicht ist bei dieser theoretischen Ableitung des Stefan- Boltzmannschen Gesetzes die Anwendung des Entropiebegriffes auf die Hohlraumstrahlung der entscheidende Punkt.

Das Stefan- Boltzmannsche Gesetz macht zwar eine Aussage über die Gesamtenergie des ganzen Spektrums, gibt aber keinen Anhaltspunkt über die spektrale Energieverteilung. Den ersten über Boltzmann hinausgehenden Hinweis in dieser Richtung gibt W.Wien durch den Nachweis, daß man auch einem isolierten, monochromatischen Strahlenbündel eine Entropie zuschreiben kann. Das von ihm 1893 aufgestellte Verschiebungsgesetz ermöglicht die Berechnung der Energieverteilung für jede Temperatur.

Der Kirchhoffsche Satz beweist zwar, daß die Energieverteilung der Hohlraumstrahlung eine universelle, von keinem Material abhängige Funktion der Temperatur und der Frequenz ist, aber er gibt nicht an, wie diese Funktion aussieht. Dem Problem, diese Funktion zu finden, gelten viele Bemühungen am Ende des vorigen Jahrhunderts. Es gehört dazu einerseits das nach Rayleigh und Jeans benannte Strahlungsgesetz, das auf Grund klassischer Überlegungen gefunden wurde, und nach welchem die Intensität der Strahlung der Temperatur und dem Quadrat der Schwingungszahl proportional ist. Andererseits formuliert 1896 W. Wien ein Verteilungsgesetz, das einen exponentiellen Abfall der Intensität mit der Wellenlänge fordert. Es wird aber durch experimentelle Untersuchungen gezeigt, daß beide Gesetze zwar für bestimmte Wellenlängenbereiche die Beobachtungen gut wiedergeben, aber keinen allgemeingültigen Zusammenhang für das gesamte Spektrum ausdrücken.

Plancks eigene Untersuchungen zu diesem Fragenkreis unterscheiden sich von den meisten anderen Bemühungen dadurch, daß er nicht nach einer Abhängigkeit der Strahlungsdichte von der Frequenz sucht, sondern nach einer Abhängigkeit der Strahlungsentropie von der Schwingungszahl und der Intensität; ist diese Frage beantwortet, dann ergibt sich daraus leicht der erste Zusammenhang.

Planck untersucht zunächst die Wechselwirkungen der Hohlraumstrahlung mit einem System materieller Körper, das sich im thermodynamischen Gleichgewicht befindet. Er stellt sich vor, daß ein Hohlraum mit einer Reihe monochromatischer Oszillatoren verschiedener Frequenz erfüllt ist, und daß sich durch Emission und Absorption von Strahlung in diesem Hohlraum ein Gleichgewichtszustand einstellt. Unter der Voraussetzung, daß die hier erzeugte atomare Strahlung eine natürliche Unordnung aufweist - diese Hypothese ersetzt hier die Annahme molekularer Unordnung in der kinetischen Gastheorie - kann Planck in seiner Arbeit ,,Über irreversible Strahlungsvorgänge" (1900) einen Ausdruck angeben für die Strahlungsintensität, welche mit einem Oszillator gegebener Energie im Gleichgewicht steht. Damit ist die spektrale Energieverteilung der Hohlraumstrahlung zurückgeführt auf die stationäre Energieverteilung in einem System vieler verschiedener Oszillatoren, die keine den Oszillator charakterisierende Konstante enthält. Abgeleitet hat Planck diesen Zusammenhang zuerst für das Wiensche Strahlungsgesetz, das er zunächst für allgemein gültig hält. Als um 1900 Messungen an der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt aber die Gültigkeit der klassischen Formel von Rayleigh -Jeans für den langwelligen Teil des Spektrums bestätigen, sucht Planck nach einer Interpolationsformel, welche für geringe Schwingungszahlen auf das klassische Gesetz und für hohe Schwingungszahlen auf das Wiensche Gesetz führt. Als Ergebnis erhält Planck eine Strahlungsformel, die er am 19.Oktober 1900 der physikalischen Gesellschaft vorträgt und welche Rubens durch Vergleich mit seinen Messdaten noch in der gleichen Nacht bestätigt.

Die physikalische Interpretation dieser Strahlungsformel gibt Planck ein Vierteljahr später, am 14. Dezember 1900. Diese Deutung gelingt Planck nur durch eine Änderung seiner Einstellung zur Atomistik. Er hatte die statistische Theorie Boltzmanns anerkannt und die Energieverteilung des Systems von Oszillatoren durch die Boltzmannsche Wahrscheinlichkeitsbeziehung zwischen Entropie und Zustandswahrscheinlichkeit berechnet. Das wiederum war nur möglich gewesen durch die Einführung einer völlig neuen physikalischen Annahme: Die Wahrscheinlichkeit der Energieverteilung für ein bestimmtes Resonatorensystem läßt sich nur berechnen, wenn man sich die Energie eines Oszillators aus einzelnen Energiequanten zusammengesetzt denkt wenn man also die Vorstellung von der stetigen Veränderung der Energie - einer Grundvorstellung der bisherigen Physik - fallen läßt.

Nachdem Planck noch die postulierten Energiequanten der Frequenz proportional gesetzt hat (E=h f), kann er eine Beziehung zwischen der Energie und Entropie eines Systems von Oszillatoren herleiten, aus der dann die Abhängigkeit der Energie von der Temperatur und schließlich das vorher durch Interpolation gefundene Strahlungsgeaetz folgt. Mit der Deutung der Konstanten h als Energiequant ist der Zugang zur Quantenphysik gegeben.

In den nächsten Jahren bleibt die Wirkung dieser neuen Denkweise zunächst auf das Gebiet der Wärmestrahlung beschränkt. Das ändert sich, als 1905 Einstein den Begriff des Energiequantums auf die Strahlung selbst überträgt und die Vorstellung von ,,Lichtquanten" benutzt, und den für die klassische Physik unerklärlichen lichtelektrischen Effekt deutet. Zwei Jahre später kann er durch die Quantenvorstellung die Abnahme der spezifischen Wärmen von Festkörpern bei tiefen Temperaturen verständlich machen. Mit der Aufstellung der Bohrschen Postulate 1913 beginnt dann die rasche Entwicklung der Quantentheorie, die durch die Namen von Heisenberg, de Broglie, Schrödinger und Dirac gekennzeichnet ist. Diesen Fortschritten bringt Planck zwar ein reges Interesse entgegen, aber aktiv beteiligt er sich an dieser Entwicklung nicht mehr.

Planck, der im Grunde der klassischen Physik verbunden bleibt, bemüht sich noch eine ganze Zeit, die Trennung zwischen Quantentheorie und klassischer Physik, die seine eigene Entdeckung hervorgerufen hat, wieder rückgängig zu machen.

(e) Philosophische Fragen in der Physik

Mit der Auslegung des Kausalitätsprinzips durch die Quantentheorie und anderen allgemeineren Gesichtspunkten naturwissenschaftlicher Forschung befassen sich viele Aufsätze und Vorträge von Planck aus seinen späteren Jahren.

Plancks Auseinandersetzung mit der eindeutigen Bestimmbarkeit von Naturvorgängen beginnt mit seiner ersten Stellungnahme zu den Boltzmannschen Arbeiten. Er erkennt die Wahrscheinlichkeitsaussagen der atomistischen Theorie erst an, als er sich in deterministischer Denkweise klar gemacht hat, daß auch bei atomistischen Vorgängen das Zusammenwirken einzelner Moleküle streng kausal bedingt ist, und daß die statistischen Gesetze erst bei der Betrachtung einer großen Zahl von Teilchen ins Spiel kommen.

Als die neuere Quantentheorie den Determinismus in der Physik grundsätzlich in Frage stellt, spricht sich Planck entschieden gegen diese Einstellung aus. Er ist der Ansicht, daß sämtliche physikalischen Vorgänge, wenn man sie sich von allen Unsicherheiten der Messung befreit denkt, streng kausal ablaufen. Für ihn ist das Bekenntnis zur Kausalität der einzig gangbare Weg der Naturdeutung. In dem Vortrag ,,Die Physik im Kampf um die Weltanschauung" sagt er darüber: ,,Wenn man als Aufgabe der physikalischen Wissenschaft die Aufdeckung gesetzmäßiger Beziehungen zwischen den realen Vorgängen in der Natur betrachtet, so gehört die Kausalität mit zum Wesen der Physik, und ihre grundsätzliche Ausschaltung muß mindestens als stark bedenklich empfunden werden".

Seiner wissenschaftlichen Naturerkenntnis legt Planck ein ,,physikalisches Weltbild" zugrunde. Darunter versteht er die objektive Gesamtheit von Gesetzen, nach denen alle Naturvorgänge ablaufen. - Informationen für dieses physikalische Weltbild bekommen wir nur durch Erfahrungen, die unsere Sinne von der Außenwelt machen. Da wir aus unseren Erfahrungen theoretische Zusammenhänge nicht nur konstruieren können, sondern durch Theorien die Welt besser verstehen und beeinflussen können, schließt Planck, daß Sinnesempfindungen nicht nur subjektiv sind, sondern uns auch die objektive Außenwelt widerspiegeln, so unvollkommen das auch geschehen mag.

Das naturwissenschaftliche Weltverständnis grenzt Planck streng gegen philosophische und metaphysische Fragen der Weltanschauung ab. - In dieser Richtung liegt auch die Frage nach dem Verhältnis von Religion und Naturwissenschaft, mit der sich Planck intensiv befaßt, wobei er zu der Überzeugung kommt, daß sich beides nicht gegenseitig ausschließt. Er sagt in ,,Religion und Naturwissenschaft" (1937): ,,Es begegnen sich Religion und Naturwissenschaft in der Frage nach dem Wesen einer höchsten, über die Welt regierenden Macht, und hier werden die Antworten, die beide darauf geben, wenigstens bis zu einem gewissen Grade vergleichbar. Sie sind . . . keineswegs in Widerspruch miteinander, sondern lauten übereinstimmend dahin, daß erstens eine von den Menschen unabhängige Weltordnung existiert und daß zweitens das Wesen dieser Weltordnung niemals erkennbar ist, sondern nur indirekt erfaßt, beziehungsweise erahnt werden kann" .

Plancks Freunde und Schüler - dazu gehören u. a. Max von Laue, L. Meitner, Mosengeil und Bothe - schildern Planck als einen außerordentlich gütigen, wohlwollenden und verständnisvollen Menschen, dessen Bescheidenheit seine ganze Lebensführung prägt. Lise Meitner berichtet über ihn: ,,Er war von einer seltenen Gesinnungsreinheit und innerlichen Geradlinigkeit, der seine äußere Einfachheit und Schlichtheit entsprach. Er war von edelmütiger Naivität und voller Ehrfurcht vor der wunderbaren Gesetzmäßigkeit des Naturgeschehens, die er als fromme Ordnung empfand. Aus dieser Einstellung heraus ging bei allen Problemen Plancks erste Reaktion immer nach der Seite der Mäßigung. Das stand auch im Einklang mit seiner starken Bindung an das Traditionsgemäße. Und doch hat das niemals seine Verständnisfähigkeit für andere Gedankenrichtungen oder anders geartete Menschen ausgeschlossen, eine Verständnisfähigkeit, die über alle Äußerlichkeiten hlnwegsehen und das Wesentliche erfassen konnte. Dies war auch die Grundlage zu seiner Freundschaft mit Einstein" .

Plancks schönste Erholung war das Bergsteigen, denn hierbei bestätigte sich immer wieder sein tragendes Lebensgefühl: die Größe der Natur und ihre Erforschung durch den Menschen stören sich nicht, sondern bedingen sich gegenseitig. Die Abstimmung dieser beiden Bereiche aufeinander ist das Motiv zur Einheitlichkeit des physikalischen Weltbildes als einer Lebensart, aus der Planck die Bildungskräfte seiner Persönlichkeit schöpfte.

Sein Wunsch nach vollkommener Harmonie erfüllte sich vor allem in der Musik. Er spielte hervorragend Klavier, seine besondere Vorliebe galt dabei Schubert und Brahms. Planck war mit einem absoluten Gehör begabt; wegen seines musikalischen Talentes und seiner Begeisterung für die Musik hat er sogar eine Zeitlang geschwankt, ob er sich nicht auch im Beruf der Musik zuwenden sollte.

Plancks Ehrfurcht vor dem Naturgeschehen spiegelt sich auch in seiner strengen Zeiteintellung des täglichen Lebens wider. Sommerfeld schreibt darüber: ,,Eine peinlich genaue Zeiteinteilung, ein geregelter Wechsel zwischen Arbeit und Erholung, völlige Ausspannung in jedem Jahr während mehrerer Ferienwochen, zusammen mit einer vornehmen und scheinbar kühlen Zurückhaltung haben Planck trotz der eminenten Leistung seines schaffenden Geistes vor jeder Überarbeitung bewahrt und ihm die jugendliche Elastizität des Körpers und Geistes erhalten ".

In der Art sich zu äußern war Planck sehr vorsichtig und abwägend: diese Zurückhaltung rührte von seiner großen Gewissenhaftigkeit her; er wollte alles, was er sagte, voll verantworten können. Lise Meitner erinnert sich z.B. : ,,Wie oft hat er mir, wenn ich ihn während meiner Assistentenzeit etwas physikalisches fragte, gesagt: ,,Ich will es Ihnen morgen beantworten". Aber dieses Versprechen hielt er dann auch".

In seiner Freundlichkeit, Güte und Hilfsbereitschaft, schreckte er niemals vor einem Risiko für seine eigene Person zurück. Lise Meitner sagt darüber: ,,Ich habe immer mit Bewunderung festgestellt, daß er nie etwas getan oder gesagt hat, weil es ihm nützlich oder schädlich hätte sein können. Was er für richtig erkannt hat, hat er durchgeführt, ohne Rücksicht auf seine eigene Person" .

Trotz seiner Freundlichkeit und seines Wohlwollens war Planck kein humorvoller Mensch. Wahrscheinlich lag ihm durch seinen Ernst, Pflichtgefühl und durch das große Verantwortungsbewußtsein eine schlagfertige und witzige Umgangsform nicht.

Die Lebenseinstellung Plancks, die sich in seinen physikalischen und philosophischen Arbeiten, aber auch in seinem Verhältnis zu anderen Menschen ausdrückt, spricht Sommerfeld beim Betrachten eines Bildes von Planck einmal aus: ,,Wahrlich ein Kopf, der dazu auffordert, in Gold geprägt zu werden. Die klare Stirn, der untrügliche Blick, Offenheit der Züge, unbeirrbare Sachlichkeit, die er so oft von sich und anderen forderte. So hat er gelebt und gewirkt, durchdrungen von dem Glauben an eine vernünftige Weltordnung, an eine harmonische Gesetzmäßigkeit der Natur, durchdrungen aber auch von Ehrfurcht vor dem Unbegreiflichen und von ethischem Pathos" [Rede bei der Verleihung der Max-Planck-Medaille].


Die Hervorhebungen sind vom Bearbeiter vorgenommen worden. Die Fotos von Planck stammen aus der Sammlung Pictures of Famous Physicists . Die Ansicht des Physikalischen Instituts ist der Schrift von Schmidt-Schönbeck entnommen.


1.10.1997       piel@physik.uni-kiel.de      Letzte Änderung: 21.6.99