Спасибо, что вы с нами!

Бомба Макса Планка

160 лет назад, 23 апреля 1858 года, родился человек, которого считают одним из основателей квантовой механики. Немецкий физик Макс Планк на рубеже веков представил доклад, в котором впервые говорилось о квантовании энергии: свет, согласно этой концепции, излучается отдельными порциями, квантами. «Чердак» объясняет, что такое квантовая физика и в чем состоит заслуга Планка.
Добавить в закладки
Комментарии
...

Макс Планк не был единственным создателем квантовой механики. На формирование квантовой теории потребовалось больше четверти века и усилия множества ученых, включая Альберта Эйнштейна и Эрвина Шредингера. Созданная их общим трудом новая физика включала свой собственный математический аппарат вкупе с рядом ранее отсутствовавших понятий, однако все началось с решения одной конкретной проблемы.

1900 год

Начало карьеры Макса Планка было связано с теоретическими работами по термодинамике — эксперименты ученый ставить перестал еще в университете во время учебы, но зато он учился математике у самого Карла Вейерштрасса и изучал публикации Рудольфа Клаузиса. Вейерштрасс по праву считается основателем современного математического анализа, а Клаузиус фактически заложил фундамент термодинамики. С такой базой Планк уже в 1887 году, в возрасте 29 лет, возглавил кафедру теоретической физики в Берлинском университете.

В конце 1890-х годов Макс Планк, бывший тогда также и руководителем Института теоретической физики в Берлине, работал над математическим описанием спектра нагретого тела. Суть этой задачи состояла в следующем: надо было найти формулу, связывающую интенсивность свечения раскаленного объекта с длиной волны излучения — последняя величина в случае видимого света определяет цвет.

Свечение нагретого тела. Фото: Fir0002/Flagstaffotos

Зависимость интенсивности свечения от длины волны можно представить графиком:

По горизонтали здесь отложена длина волны, а по вертикали — интенсивность. Чем выше кривая, тем больше излучения испускает нагретое тело с данной длиной волны: можно заметить, что нагретый до 5000 кельвинов (это те же градусы Цельсия, но с отсчетом от -273 °C, абсолютного нуля) предмет сильнее всего светится желтым, а вот при нагреве «всего» до 3000 кельвинов максимум приходится на область инфракрасного излучения. Подобные графики к моменту начала работы Макса Планка уже умели получать при помощи специальных приборов-спектрографов, однако найти для них удачное математическое описание не получалось. Черная кривая на картинке соответствует одной из существовавших до Планка моделей — видно, что она очень плохо соответствует реальности.

Задача о спектре нагретого тела была важна для металлургии и производства электрических лампочек, но с фундаментальной точки зрения казалась многим исследователям чем-то второстепенным. Более того, всю физику многие ученые считали фактически законченной и построенной на сочетании нескольких больших теорий. Это были атомно-молекулярная теория, электродинамика и ньютонова механика — все вместе объясняло большую часть наблюдаемых в мире процессов, от движения планет до работы парового двигателя.

Но когда Макс Планк 14 декабря на заседании Немецкого физического общества представил свою формулу и впервые смог корректно вывести экспериментальные кривые спектров из теоретических соображений, под стройное здание классической физики была фактически заложена бомба. Доклад «К теории распределения энергии излучения нормального спектра» (Zur des Gesetzes der Energieverteilung im Normalspektrum) содержал идею о том, что испускающие электромагнитное излучение в форме света и инфракрасных лучей атомы отдают энергию вовне не непрерывным потоком, а порциями, квантами. Это была настолько революционная идея, что даже сам Макс Планк поначалу недооценил ее потенциал.

Для решения проблемы нахождения термодинамического равновесия Планк придумал красивый вычислительный прием: не прибегая к «тяжелой артиллерии» в виде интегрального исчисления, как делали все другие занимавшиеся этой проблемой физики, просто просуммировать отдельные порции энергии, полагая их конечными. Он надеялся получить ответ, который не будет зависеть от величины отдельной порции. А вместо этого получил точное значение каждой их них — hν, где ν — частота излучения, а h — постоянная Планка, имеющая размерность действия, то есть произведения энергии на время. Сам Планк называл эту постоянную квантом действия. Согласно современным данным, h = 6,626 × 10−34 Дж×с.

Кстати, оригинальное издание доклада Планка в тот день — на сегодня раритет, цена которого составляет свыше 22 тысяч долларов.

1905 год

1905 год стал звездным для самого, пожалуй, известного в мире ученого — Альберта Эйнштейна. Ранее мало кому известный служащий патентного бюро практически одномоментно публикует три статьи, вошедшие в историю физики: первая — по теории относительности, вторая — по анализу броуновского движения (хаотичное перемещение частиц по действием ударов отдельных молекул) и третья, за которую дали Нобелевскую премию, — с теоретическим описанием фотоэффекта.

Фотоэффект, открытый изначально Генрихом Герцем и изученный Александром Столетовым, заключается в испускании металлами электронов под действием падающего света. Это явление Альберт Эйнштейн объяснил при помощи тех самых квантов излучения, которые сам Макс Планк рассматривал в качестве разве что удачного математического приема. Согласно Эйнштейну, кванты, будучи реальными частицами электромагнитного излучения, передают свою энергию электронам в веществе и выбивают эти электроны наружу.

Несмотря на то что теория Эйнштейна хорошо описывала экспериментальные данные, многие ученые отнеслись к ней скептически. Блестящий физик-экспериментатор Роберт Милликен, до этого поставивший тонкие и точные опыты по измерению заряда электрона, потратил около десяти лет на проверку предсказаний Эйнштейна, но в итоге был вынужден признать реальность квантов.

Схематическое изображение фотоэффекта. Падающие слева кванты выбивают отрицательно заряженные электроны из металла. Иллюстрация: Wolfmankurd / Wikimedia

Примириться с существованием квантов было непросто и самому Планку. Он, равно как и многие другие физики, считал, что деление излучения на некие порции противоречит классической теории электромагнетизма (с ее электромагнитными волнами) и целому ряду экспериментальных данных, из которых также следовала волновая природа света. Работа Планка по спектру нагретого тела стала первым аргументом против использования классической физики для описания микромира, а статья Эйнштейна про фотоэффект и его теоретическое описание — вторым. Далее последовали попытки разных физиков создать модель атома; на этом этапе необходимость строить новую физику стала очевидной уже практически для всех специалистов.

1910-й и около

Электроны были открыты в конце XIX века, и практически сразу стало понятно, что эти частицы входят в состав атомов. Возник вопрос: если атом вовсе не элементарен, а включает в себя электроны, то как же он устроен?

Опыты британского физика Эрнеста Резерфорда в 1909 году показали, что в атомах явно должно быть некое положительно заряженное, очень маленькое и при этом массивное ядро. На основе этого ученый пришел в 1911 году к модели, в которой ядро окружают вращающиеся вокруг электроны. Но проблема этой теории заключается в том, что движущиеся по окружности заряженные электроны по законам электродинамики обязаны излучать электромагнитные волны. Атомы, во-первых, будут буквально светиться, а во-вторых, излучающий электрон очень быстро теряет энергию и должен упасть на ядро. Ни того ни другого, как можно заметить без всяких опытов, не наблюдается; кризис в науке с открытием атомного ядра обострился настолько, что в 1911 году пришлось собрать международный конгресс по теме «Излучение и кванты» с участием почти всех ученых мировой величины.

Альберт Эйнштейн, Мария Кюри, Эрнест Резерфорд, Хендрик Лоренц, Анри Пуанкаре и, конечно, Макс Планк (второй слева)

И хотя к этому моменту квантовая механика еще не получила своего математического аппарата, плодотворность идеи о квантовании энергии стала очевидна по крайней мере большинству ведущих физиков мира.

1920-е

Спустя еще полтора десятка лет квантовая механика приобрела свой математический аппарат, а число указывающих на существование квантования энергии экспериментов существенно возросло. И хотя поначалу Макс Планк не мог свыкнуться с тем, что материя на микроскопическом уровне все-таки не является непрерывной (он долгое время сомневался и в существовании атомов), появление идеи о волновой функции — разработка Эрвина Шредингера — все-таки отчасти примирило великого теоретика с квантовомеханической картиной мира.

Волновая функция стала заменой классическим частицам, которые имеют четко очерченные границы и которые можно представить, например, в виде твердых шариков. Волновые функции распределены по всему пространству, и благодаря этому понятию любой объект можно представить не как частицу, а как волну, которая способна, например, рассеиваться на препятствиях или даже проникать под барьеры, непроницаемые с точки зрения классической физики. Если бы квантовая механика работала не в масштабе микромира, а на привычных нам расстояниях, положенная на стол книга могла бы самопроизвольно провалится («туннелировать») сквозь столешницу, да и протянув к ней руку мы бы встретили желаемое лишь с определенной вероятностью. Эти странные свойства квантового мира уже не вытекают напрямую из формулы Планка для спектра нагретых тел, но они являются логическим следствием из той новой физики, которая началась с этой формулы.

После формирования основ квантовой механики последовали исследования в области строения атомного ядра (это привело к ядерному реактору и ядерному оружию), физики полупроводников (на этом выросла вся современная электроника) и квантовой химии. В середине XX века квантовая механика дополнилась теорией, описывающей кроме электромагнетизма еще и два вида взаимодействий внутри атомного ядра и между элементарными частицами. Так появилась Стандартная модель, ставшая самым фундаментальным описанием строения материи. Квантовая механика позволила создать лазеры, оптоволоконные линии связи и микропроцессоры; она позволила понять, почему светят звезды и как возникла Вселенная.

Макс Планк дожил до преклонного возраста (он скончался в возрасте 89 лет, в 1947 году), пережив нацистов и Вторую мировую войну. После прихода Гитлера к власти физик попытался стать защитником науки, которому чужда всякая политика, но это закончилось тем, что с Планком прекратил общение Эйнштейн (того не устроила слишком пассивная позиция Планка), а сам ученый стал мишенью для нападок со стороны сторонников «арийской физики»: те отрицали и квантовую механику, и теорию относительности как продукты «еврейской физики». Старший сын Планка погиб в Первую мировую войну, а обе его дочери умерли при родах. В 1945 году второго сына Макса Планка казнили за участие в антигитлеровском заговоре, сам физик чуть не погиб при бомбардировках, но после окончания войны стал главой Общества кайзера Вильгельма, объединения ведущих научно-исследовательских институтов Германии. Дом и личная библиотека Планка погибли во время воздушного налета на Берлин.

На его могильной плите выбиты только имя и фамилия ученого и численное значение постоянной Планка.

В 1948 году, вскоре после его смерти, на основе этой организации было основано Общество научных исследований имени Макса Планка, состоящее ныне из 80 институтов и научно-исследовательских организаций.

Добавить в закладки
Комментарии
...
Вам понравилась публикация?
Расскажите что вы думаете и мы подберем подходящие материалы