Nach dem Abi wollte er Konzertpianist werden – doch dann entschied er sich für die Physik.

Eine Familie, in der Bildung groß geschrieben war. Max Planck entstammt einer großen, traditionsreichen Gelehrtenfamilie. Die väterliche, aus Schwaben kommende Linie wurde von Theologen und Juristen geprägt. In der mütterlichen, aus Norddeutschland stammenden Linie, dominierten Staatsbeamte, aber auch dort gab es einige Pfarrer. Als er 1858 in Kiel als sechstes von sieben Kindern des Wilhelm Planck geboren wurde, war er formal dänischer Staatsbürger, da Holstein damals noch zu Dänemark gehörte. Familientradition und Zusammengehörigkeit wurden im Hause Planck hochgehalten und als hohes Gut betrachtet, man besuchte regelmäßig Onkel, Tanten, Cousins an der Ostsee, in Thüringen und in Bayern.

Bild 1. Das Maximiliansgymnasium in München. Er war gut in Religion und Musik. Naturwissenschaftlichen Unterricht gab es nicht, dafür aber Schulung in logischem Denken und theoretischem Urteilsvermögen, die es ihm ermöglichten, Physik zu studieren.

Auf dem Gymnasium – Latein an erster Stelle. Als Max neun war, übersiedelte die Familie nach München, da sein Vater einem Ruf als Professor an die Ludwig-Maximilians-Universität folgte. Max ging in das renommierte Maximiliansgymnasium. Klassenprimus war er zwar nicht, aber er gehörte immer zu den Besten seiner Klasse. In dem humanistischen Gymnasium hatten die alten Sprachen Latein und Griechisch einen hohen Stellenwert, ebenso Deutsch, Mathematik, Geschichte, Geografie und Religion. Englisch und Französisch kamen erst in den höheren Klassen hinzu. Einen naturwissenschaftliuchen Unterricht, wie wir ihn heute kennen, gab es nicht. Diese Defizite wurden durch intensive Ausbildung im logischen Denken und der Schulung des theoretischen Urteilsvermögens ausgeglichen. Daher konnte Max Planck später ohne Probleme ein erfolgreiches naturwissenschaftliches Studium absolvieren. Auf dem Gymnasium war er ein guter Schüler, ein logischer Kopf, der etwas Rechtes zu werden versprach, wie es in einem Zeugnis heißt. Seine Stärken lagen überhaupt nicht in der Mathematik oder den Naturwissenschaften, sondern in der Religionslehre und der Musik. Er spielte begeistert die Orgel in sonntäglichen Gottesdiensten und sang im Kirchen- und Schulchor. Es war so üblich in den Familien des Bildungsbürgertums, dass man Hausmusik trieb und Theater spielte.

Bild 2. 1874, Max, der 16-jährige Abiturient.

Als Sechzehnjähriger legte er 1874 das Abitur ab, die Noten bestanden aus Einsen und Zweien. Die Wahl eines Sudiums fiel ihm sehr schwer: Musik? Altphilologie? Er wählte dann doch Mathe und Physik. Da hatte wohl sein erstklassiger Mathe-Lehrer einen großen Anteil, denn er verstand es, den Schülern auf sehr anschauliche Weise die Bedeutung von physikalischen Gesetzen klarzumachen, so z.B. das Gesetz von der Erhaltung der Energie als eines universellen Naturgesetzes.

So machte er das Gesetz anschaulich: Ein Bauarbeiter schleppt einen Ziegelstein der Masse m auf das Dach eines Hauses mit der Höhe h; die dabei geleistete Arbeit mgh geht nicht verloren, der Stein besitzt sie als potenzielle Energie weiterhin. Wenn er eines Tages herunterfällt, verwandelt sich diese in kinetische Energie ½mv², wodurch die Geschwindigkeit vor dem Aufprall (2gh)^½ beträgt. Diese wandelt sich durch den Aufprall in Wärme der Größe mgh um. Es geht nichts verloren, auch bis in alle Ewigkeit nicht. Diesem von seinem Fach begeisterten Lehrer, Hermann Müller hat die Menschheit es wohl zu verdanken, dass Planck die richtige Weichenstellung bekam und statt Musik Physik studierte und so zu einem der größten Wissenschaftler wurde, der die alte Physik aus den Angeln heben sollte.

Bild 3. Das ist der Physikprofessor Philipp von Jolly, der ihm fast das Physikstudium ausredete.

Ein Physikprofessor treibt ihm fast die Physik aus. Diese Art von Logik des Lehrers, der sie noch dazu scharfsinnig und witzig vortrug, gefiel ihm. Also machte Max sich nach dem Abi auf und befragte, durch Vermittlung seines Vaters, den Münchener Ordinarius für Physik, Philipp von Jolly nach den Aussichten eines Physikstudiums. Der antwortete ihm: Die Physik ist hochentwickelt und nahezu ausgereift und nach der Ergänzung durch das Gesetz der Erhaltung der Energie als abgeschlossen und vollendet zu betrachten. Etwas grundsätzlich Neues ist nicht zu erwarten.

Man fühlt sich fast an die Szene „Mephisto mit dem Schüler“ im Faust erinnert. Doch glücklicherweise machte diese Negativauskunft auf Max keinen dauerhaften Eindruck, und wie sollte sich Herr von Jolly täuschen! Das ist die Ironie der Geschichte, dass Max Planck ein Vierteljahrhundert später diese weithin geteilte Überzeugung ad absurdum führen sollte durch Schaffung eines ganz neuen Kapitels der Physik, das die klassische Physik als ein tatsächlich abgeschlossenes Gebiet weit hinter sich lassen sollte.

Bild 4. Max Plancks Alma Mater, die renommierte Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) in München. Bild 5. Das historische Siegel der LMU.

An der Ludwig-Maximilians-Universität. Nach der Immatrikulation 1874 für Mathe und Naturwissenschaften stellten sich von Jolly und die Mathematikprofessoren jedoch als glänzende Dozenten, wenn auch nicht als große Gelehrte heraus. Es zog Max daher in das Mekka der Physik, zu Hermann von Helmholtz und Gustav Kirchhoff an die Friedrich-Wilhelms-Universität nach Berlin. Die waren das Gegenteil der Münchener: Große Gelehrte und Wissenschaftler von internationalem Rang, die auf Max einen großen Eindruck machten; aber sie waren lausige Redner, die ihren Stoff trocken und langweilig vortrugen. Es war also auch da für ihn nicht befriedigend. Daher nahm er seine wissenschaftliche Fortbildung in die eigene Hand, ohne dass ein hervorragender Forscher oder Lehrer auf seinen persönlichen Bildungsgang einen besonderen Einfluss nahm.

In seinem Selbststudium stieß er auf die Schriften von Rudolf Clausius, von denen er so begeistert war, dass er von ihnen auf das Fachgebiet geführt wurde, dem er nahezu sein ganzes zukünftiges Schaffen widmete: der Thermodynamik und insbesondere deren zweiten Hauptsatz mit dem Begriff der Enthropie.

Bild 6. 1878 – mit 20 Jahren Staatsexamen an der LMU.

Schlag auf Schlag - Staatsexamen, Dissertation, Habilitation. Doch zuvor musste das universitäre Pflichtprogramm erfüllt werden. In München machte er 1878 das Staatsexamen für das Lehramt an höheren Schulen. Für viele Physikstudenten war das der Notberuf, auf den man ausweichen konnte, wenn es mit der weiteren akademischen Karriere nicht klappte. Den Beruf eines Industriephysikers gab es damals noch nicht.

So stand Max Planck vertretungsweise als Mathematiklehrer vor seiner Klasse und erklärte den Kindern die Trigonometrie, die Logarithmen und die Potenzen. Er hatte Vergnügen daran, die jungen Menschen zu belehren und zu sehen, wie sich das fortentwickelte.

Nach kurzer Zeit war er zurück an der Uni, um sich ganz seiner Dissertation zu widmen mit dem Thema: Über den zweiten Hauptsatz der mechanischen Wärmetheorie, aufbauend auf den fundamentalen Untersuchugen von Clausius. 1879 war die Doktorprüfung bestanden; sie wurde mit summa cum laude bewertet.

Die Thermodynamik und insbesondere der zweite Hauptsatz steckten damals noch in den Kinderschuhen und waren der Fachwelt noch unklar und ungereimt. Daher war trotz der sehr guten Bewertung die Wirkung seiner Arbeit gleich Null. Planck schreibt in seinen Erinnerungen, dass die Professoren kein Verständnis für den Inhalt seiner Arbeit hatten. Helmholtz hatte die Dissertation überhaupt nicht gelesen, Kirchhoff lehnte ihren Inhalt ausdrücklich ab. An Clausius kam er nicht heran, der beantwortete seine Briefe gar nicht. Obwohl das für den jungen Planck deprimierend war, hielt er an dem einmal eingeschlagenen Weg fest. Er war von der Bedeutung überzeugt und kümmerte sich nicht weiter darum, ob dies der Fachwelt gefiel oder nicht.

Doktor und Dozent – aber kein Gehalt. Schon 1880 folgte die Habilitationsschrift, die eine Fortentwicklung seiner Dissertation darstellt. Damit hatte der 22-jährige Planck die höchste akademische Prüfung bestanden und wurde durch königliche Order als Privatdozent in die philosophische Fakultüt der Münchener Uni aufgenommen. Er führte nun als Hochschullehrer seine Vorlesungen in Mechanik, Hydrodynamik, Optik und Elektrizität durch. Er war als Privatdozent allerdings unbesoldet und bekam nur die geringen Kolleggelder der bestenfalls zehn Studenten, die seine Spezialvorlesungen besuchten. Das waren ja nicht die gut besuchten Kursvorlesungen, die dem Ordinarius vorbehalten waren. So musste der frisch gebackene Dozent weiterhin seinen Eltern auf der Tasche liegen. Er sehnte sich nach Unabhängigkeit und Gründung eines eigenen Haushalts.

Na endlich – der Ruf auf eine Professur – dann Heirat. Er musste sich daher möglichst schnell als Forscher und Lehrer in der Wissenschaft einen Namen machen. Er holte sich Rat bei Helmholtz, dem „Reichskanzler der Physik“. Der bestärkte ihn auf seinem Weg in die theoretische Physik, für die er gute Zukunftsaussichten voraussah. 1885 kam dann endlich die wirtschaftliche Wende in Plancks Leben. Er erhielt einen Ruf an die Universität Kiel als außerordentlicher Professor für theoretische Physik. Er wurde als talentierter Physiker, der seine Studenten zu fesseln wusste, beschrieben.

Ein Jahresgehalt von 2000 Mark nebst Wohnungsgeldzuschuss und Kolleggeldern war nicht üppig (ein Facharbeiter bekam damals 900 Mark), aber ermöglichte ihm, einen eigenen Hausstand zu gründen. 1887 feierte er Hochzeit mit Marie Merck, einer Tochter aus einer wohlbetuchten Bankiers- und Unternehmerfamilie, einer Münchener Jugendfreundin aus Gymnasiumszeiten. Jetzt sind wir zu zweit, auch an mir hat sich das unabwendbare Schicksal vollzogen, schrieb er an seine Freunde. 1888 kam sein erster Sohn, Karl, zur Welt. Das Ehepaar bekam dann noch die Zwillinge Grete und Emma und den zweiten Sohn Erwin. Max Planck war ein ausgesprochener Familienmensch, legte oft alles andere beiseite, um ganz der Familie zu leben. Sein Privatleben war allerdings von großer Tragik überschattet, doch davon später.

Die Gesetze der Thermodynamik bestimmen alle Bereiche der belebten und unbelebten Natur. Mit der Thermodynamik, der Lehre von den Energieumwandlungen, hatte Max Planck das Thema gefunden, das für sein ganzes wissenschaftliches Schaffen dominierend sein sollte. Zwischen 1842 und 1854 arbeiteten Forscher aus England und Deutschland an dem Prinzip der "Energieerhaltung", basierend auf früheren Erkenntnissen von Fourier und Carnot in den 1820ern. In England war es James Prescott Joule, der 1843 das mechanische Wärmeäquivalent nachwies (Gleichwertigkeit von Wärme und mechanischer Arbeitsleistung). 1845 präzisierte Julius Robert von Mayer den Zahlenwert zu 1 kcal = 427 kpm, wie er noch älteren Ingenieuren in Erinnerung ist. Heute haben alle Energieformen die Einheit J (=Joule): 1 kcal = 4,185 kJ. 1847 formulierte dann Hermann von Helmholtz unmissverständlich, dass Wärme, Licht, Elektrizität und Magnetismus alle eine gleichwertige "lebendige Kraft" (=Energie) darstellen. Rudolf Clausius schuf 1850 zwei Grundprinzipien, die als erster und zweiter Hauptsatz der Thermodynamik in die Physikgeschichte eingingen. Der 1. Hauptsatz: Die einem System zugeführte mechanische Arbeit und der eingespeiste Wärmestrom erhöhen im System die innere Gasenergie, die Verschiebearbeit, die Geschwindigkeitsenergie und die potenzielle Energie. Der 2. Hauptsatz: Energie-Umwandlungsprozesse finden nicht in beliebiger Richtung statt (z.B. ist Wärmeübertragung von einem warmen auf einen kalten Körper ohne Zutun nicht umkehrbar). Damit gaben Mayer, Helmholtz und Clausius den Erfindern der Wärmekraft- und Kältemaschinen das Instrument in die Hand, mit dem sie ihre Entwicklungen zum Erfolg führen konnten: Nicolaus Otto, Carl Benz, Gottlieb Daimler, Rudolf Diesel waren damit in der Lage, ihre Wärmekraftmaschinen zum Laufen zu bringen. Später waren auch Hans-Joachim Pabst von Ohain, Anselm Franz und Gerhard Neumann mit ihren Düsentriebwerken unter strikter Anwendung der thermodynamischen Gesetze erfolgreich, sowie Wernher von Braun mit dem Raketentriebwerk und vorher ebenso Carl von Linde mit seiner Kälteerzeugungsmaschine und Luftverflüssigung.

Mit den Energieerhaltungs- und Umwandlungsprinzipien hatten die Physiker Gesetze gefunden, mit der sich viele Vorgänge in Natur und Technik schlüssig beschreiben und vor allem verstehen ließen – mechanische, elektromagnetische und biologische Phänomene.

Die geheimnisvolle Entropie. Das Gesetz von der Erhaltung der Energie stellt aber nur die halbe Wahrheit dar, weil es keine Aussage über die Richtung der Energieumwandlung macht. Nicht jeder denkbare Energieaustausch findet statt. Dafür ist die Entropie, die zweite charakteristische Größe, zuständig; sie bestimmt, welche Prozesse, die nach dem 1. Hauptsatz erlaubt sind, realisiert werden. Clausius hatte schon 1865 die Entropie als Formel definiert: dS=(dQ)/T. Die Änderung der Entropie dS ist gleich der von einem Körper aufgenommenen Wärme dQ in Beziehung gesetzt zu seiner Temperatur T. Die Fachwelt konnte aber bis zum Wirken Plancks mit dieser Geschichte nichts anfangen und machte einen großen Bogen um die Entropie. Planck setzte mit seinen Untersuchungen hier an. Er drang tief in das Wesen dieser geheimnisvollen Größe ein, versuchte sie so präzise wie möglich zu fassen, beseitigte Widersprüche und Unklarheiten in den Clausius´schen Schriften. Ab 1887 schrieb er eine Serie von Abhandlungen Über das Princip der Vermehrung der Entropie.

Seine Schlussfolgerungen: Neben der Energie ist die Entropie die wichtigste Eigenschaft eines thermodynamischen Systems. Sie ist ein Maß für die Irreversibilität (Nichtumkehrbarkeit) eines Systems, irreversible Prozesse sind immer mit Entropievermehrung verbunden. In abgeschlossenen Systemen kann die Entropie niemals abnehmen. In reversiblen (umkehrbaren), adiabat abgeschlossenen Systemen bleibt die Entropie konstant. Das Gesetz der Entropievermehrung gilt nicht nur für thermische Prozesse, sondern auch für chemische und biologische. Da die Entropie auch ein Maß für die Unordnung ist, verwandelt sich die Ordnung unserer Welt, die ja ein abgeschlossenes thermodynamisches System darstellt, immer mehr in eine Unordnung. Mit der Berechnung der Entropie hatten die Naturwissenschaftler jetzt ein Werkzeug in der Hand, zu bestimmen, welche Prozesse möglich und welche unmöglich sind. Die Unterscheidung zwischen reversiblen und irreversiblen Prozessen versetzte die Ingenieure in die Lage, die Güte z.B. ihrer Wärmekraftmaschinen zu berechnen. Diese wurden umso besser, je mehr es den Forschern gelang, Irreversibilitäten zu vermeiden und sich dem reversiblen Prozess anzunähern. So brachte es Rudolf Diesel fertig, einen Motor zu erfinden mit dem bis heute höchsten thermischen Wirkungsgrad; er nahm sich den reversiblen Carnot´schen Kreisprozess zum Ziel.

Bild 7. Hermann von Helmholtz – „Reichskanzler der Physik“ und Berliner Zentralfigur der scientific community – förderte Max Planck.

Auf in den Himmel der Wissenschaften – Professor in Berlin. Auch auf seinen anderen Forschungsgebieten, wie den thermoelektrischen und elektromotorischen Kräften in Elektrolyten verstand sich Max Planck als Anhänger der theoretischen Physik. Für die meisten Gelehrten galt aber die experimentelle Physik als die Leitwissenschaft, die allein, durch das Experiment, zum wirklichen Verständnis der naturwissenschaftlichen Phänomene führt. Die Theorie wurde nicht geschätzt, galt als zweitrangig und wurde als notwendiges Übel angesehen. Der Physiker Wilhelm Wien schrieb noch 1898: Wenn die theoretische Physik weiterhin so brach liegt, wird die Physik überhaupt zu Grunde gehen. Seine Einschätzung änderte sich sehr schnell, als die Quanten- und Relativitätstheorie auf den Plan traten und ganz neue Maßstäbe setzten. Hermann von Helmholtz, die Berliner Zentralfigur der scientific community, förderte die theoretische Physik und spürte viele talentierte Nachwuchswissenschaftler auf, so Heinrich Hertz und auch Max Planck. Als 1887 Gustav Kirchhoff überraschend starb, kam als dessen Nachfolger nur ein Wissenschaftler von Rang infrage. Man entschied sich für den erst 30-jährigen (!) Max Planck. Seine wissenschaftlichen Abhandlungen zeichnen sich durch eine große Schärfe des mathematischen und physikalischen Denkens aus, und ihr Verfasser kann als der gründlichste und zuverlässigste Vertreter der theoretischen Physik in Deutschland betrachtet werden, lautete die Einschätzung der Berufungskommission.

Bild 8. Der Berliner Physikprofessor Gustav Kirchhoff – die Kirchhoffschen Regeln für elektrische Stromkreise sind vielen noch aus dem Physikunterricht bekannt. Als er 1887 starb, wurde Planck auf seinen Lehrstuhl berufen.

Im Februar 1889 trat er sein Amt an. 1892 wurde er schon ordentlicher Professor, und 1894 erfolgte der akademische „Ritterschlag“, die Aufnahme in die Preußische Akademie der Wissenschaften. Dieser „wissenschaftliche Olymp“ vereinte die herausragendsten Gelehrten deutscher Universitäten und anderer Wissenschaftseinrichtungen und genoss hohe internationale Reputation. Da war der 35-Jährige in einem Gremium, dessen Mitglieder auf ein Durchschnittsalter von weit über 60 kamen! Es gab Gegenstimmen zu seiner Wahl, stuften den „Jugendlichen“ doch einige mit seiner theoretischen Physik als Schmalspurgelehrten ein. Das sollte sich schnell ändern; denn die Exzellenz seiner wissenschaftlichen Leistungen ließ die Kritiker bald verstummen.

Bild 9. Die Friedrich-Wilhelms-Universität in Berlin (heute Humboldt-Universität), Unter den Linden. Foto um 1900. Ab 1889 Max Plancks Wirkungsstätte, sein Institut befand sich im Seitenflügel links.

Die Übersiedlung von dem überschaubaren Kiel in den akademischen Großbetrieb Berlin stellte eine Herausforderung für Planck dar, die er aber glänzend meisterte. Administrative, organisatorische und gesellschaftliche Aufgaben waren zu bestehen, sowie die Betreuung von Dutzenden, später Hunderten von Studenten. Sein eigenständiges Institut für theoretische Physik war im Westflügel des Hauptgebäudes der Friedrich-Wilhelms-Universität Unter den Linden untergebracht. Es hielt keinem Vergleich mit heutigen Instituten stand. Da gab es lediglich eine Bibliothek und die Büros des Lehrstuhlinhabers und seines Assistenten. Gearbeitet wurde in der Regel zu Hause. Planck wohnte seit 1908 in Grunewald, von wo er täglich mit der Stadtbahn zur Uni fuhr.

Seine Vorlesungen baute er zu einer 5-semestrigen Kursvorlesung aus, die das gesamte System der Physik umfasste. Daraus ging sein fünfbändiges Werk „Einführung in die theoretische Physik“ hervor, es erschienen zwischen 1916 und 1930. Es wurde zu einem Standardwerk der physikalischen Weltliteratur. Er stellte darin die Dinge einfach und doch überzeugend dar. Es hatte damals die Bedeutung wie heute die Lehrbuchzyklen von Richard Feynman.

Nach Auskunft Max von Laues waren seine Vorlesungen bis ins kleinste vorbereitet und von unübertrefflicher Klarheit; sie waren nüchtern, doch fehlte ihnen eine gewisse Lebendigkeit. Es ist für sein understatement bezeichnend, dass er bei der Behandlung der Wärmestrahlung und des Planck´schen Strahlungsgesetzes mit keinem Wort erwähnte, dass es von ihm gefunden worden war. Er genierte sich, über seine neuen Ideen vor den Studenten zu sprechen. Auch ließ er seine Doktoranden nicht über seine Quantentheorie arbeiten, sondern stellte ihnen Themen aus der Relativitätstheorie, die Albert Einstein 1905 begründete. Planck hatte im Gegensatz zu vielen anderen die Bedeutung von Einsteins bahnbrechender Theorie sofort erkannt und wurde zu einem großen Bewunderer. Einsteins Theorie übertreffe alles, was in der Naturforschung, ja in der philosophischen Erkenntnistheorie geleistet wurde, sagte er. Planck wird zum Förderer des jungen Einstein und schafft ein außergewöhnliches Freundschaftsverhältnis zwischen beiden Gelehrten, obwohl sie beide charakterlich völlig unterschiedlich sind. Vor Ausbruch des Ersten Weltkrieges gelingt es Planck und anderen Berliner Physikern, den neuen Stern am Physikerhimmel nach Berlin zu holen und ihm außergewöhnliche Arbeitsbedingungen zu bieten. Einstein konnte dann in Berlin seine Arbeiten zur Allgemeinen Relativitätstheorie erfolgreich abschließen. Max Planck war endgültig zu einer gestaltenden Kraft nicht nur an der Berliner Universität, sondern in der gesamten Wissenschaftsgemeinschaft der Welt geworden.

Hier erschloss er sich im Jahr 1900 die Wärmestrahlungstheorie als neues Forschungsgebiet, das ihn zu seinem größten wissenschaftlichen Triumph und zur Begründung der Quantentheorie führen sollte.

Die nicht-klassische Physik - die ganze Geschichte

Bildnachweis.

Alle Bilder aus Wikipedia.  Bild 1: Urheber Julian Pery, CC-BY-SA 3.0. Bild 2: Urheber unbekannt, Schutz abgelaufen. Bild 3: Schutz abgelaufen. Bild 4: Urheber Rufus46, CC-BY-SA 3.0. Bild 5: gemeinfrei. Bild 6: Schutz abgelaufen, gemeinfrei. Bild 7: Gemählde von Ludwig Knaus 1881, Schutz abgelaufen, gemeinfrei. Bild 8: gemeinfrei. Bild 9: Urheber unbekannt, gemeinfrei.