Открытие Планка
«Физика теперь снова зашла в тупик. Во всяком случае, для меня она слишком сложна, и я предпочел бы быть комиком в кино... и не слышать ничего о физике.»
Вольфганг Паули
Почему тела, нагретые до высоких температур, светятся? Как кванты Планка приоткрыли занавес над загадкой излучения абсолютно черного тела? В поисках ответов на подобные вопросы зарождалась квантовая физика.
Ученые отличаются от обычных людей, прежде всего тем, что могут задавать себе вопросы о тривиальных вещах, о которых мы с вами и не задумываемся. Почему нагретое тело — назовем это тепловым излучением — светится? Какова причина этого явления и почему с увеличением температуры цвет нагретого тела смещается к более высокочастотной части спектра? Напомним, что длина электромагнитной волны, а именно такой волной является свет, обратно пропорционально зависит от частоты, то есть чем больше длина волны, тем короче ее частота и наоборот. Эти рассуждения нам пригодятся в дальнейшем еще не раз.
А почему же оно светится?
В конце XIX века сразу несколько ученых — австрийцы Людвиг Больцман и Йозеф Стефан, немцы Густав Кирхгоф и Вильгельм Вин — задались именно этим вопросом и занялись изучением количественной и качественной характеристики теплового излучения.
При изучении физических явлений возникает очень много побочных факторов, влияющих на конечный результат, поэтому физики часто абстрагируются и строят идеальную модель с отсутствием каких-либо помех. Сразу скажем, что это только допущения и в природе подобных ситуаций просто не существует.
Для изучения теплового излучения ученые ввели понятие абсолютно черного тела, которое поглощает все падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах. Заметьте, что, несмотря на название, само абсолютно черное тело может испускать электромагнитное излучение любой частоты и может иметь цвет! Излучение его определяется только температурой.
Абсолютно черное тело — физическое тело, которое при любой температуре поглощает все падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах.
Долой непрерывность!
С одной стороны, абсолютно черное тело поглощает энергию, с другой — способно излучать. Считается, что система находится в тепловом равновесии, если с течением времени тело в единицу времени будет поглощать столько же энергии, сколько и излучать.
Первым обосновал зависимость частоты излучения от температуры абсолютно черного тела немецкий ученый Густав Кирхгоф. Он же, собственно, и ввел этот термин.
Идеи Кирхгофа подхватили немецкий ученый Вильгельм Вин и британцы Джон Рэлей и Джеймс Джинс. В процессе изучения теплового излучения они сформулировали более точные законы зависимости частоты излучаемого телом электромагнитного излучения от температуры, впоследствии получившие соответствующие названия: законы излучения Вина и закон Рэлея — Джинса. Проблема, однако, состояла в том, что закон Рэлея — Джинса хорошо согласовался с экспериментом в низкочастотной области, но при повышении частоты он показывал бесконечные данные. А формула Вина, которая также неплохо сходилась с экспериментом, явно не объясняла зависимость при низких частотах. На том этапе ученые назвали образовавшуюся проблему ультрафиолетовой катастрофой. А значит, до истины было еще очень далеко.
«Молодой человек! Зачем вы хотите испортить себе жизнь, ведь теоретическая физика в основном закончена... Стоит ли браться за такое бесперспективное дело?!» (Филипп Жолли — юному Максу Планку)
День рождения Кванта
В 1900 году немецкий физик Макс Планк, несколько лет, параллельно занимавшийся этой же проблемой, в противоречие классической физике предположил, что энергия электромагнитной волны может излучаться и поглощаться только целыми порциями — квантами, или, как говорят физики, дискретно, в отличие от считавшегося до этого незыблемым понятия непрерывного изменения параметров физических характеристик. Формула зависимости была до изящества проста: e = hn, где e — энергия излучения, n — его частота, а h — постоянная величина, получившая впоследствии название постоянной Планка.
В этом, пожалуй, и заключается гениальность Макса Планка: в отличие от коллег, выводивших огромные формулы нахождения энергии излучения в зависимости от температуры и частоты излучения, смог свести расчеты к трем простым величинам, одна из которых — постоянная.
Теория Планка поначалу не вызвала у коллег особенного интереса, и только спустя несколько лет, когда всплыла проблема фотоэффекта, на нее наконец обратили должное внимание. Тем не менее, 14 декабря 1900 года, день, когда Макс Планк предложил теоретический вывод о соотношении между температурой тела и испускаемым этим телом излучением, считается днем рождения квантовой механики и квантовой физики в целом.
«Мои тщетные попытки как-то ввести квант действия в классическую теорию продолжались в течение ряда лет и стоили мне немалых трудов. Некоторые из моих коллег усматривали в этом своего рода трагедию. Но я был другого мнения об этом, потому что польза, которую я извлекал из этого углубленного анализа, была весьма значительной. Ведь теперь я точно знаю, что квант действия играет в физике гораздо большую роль, чем я вначале был склонен считать...» (Макс Планк)