Еще во время учебы в университете Макс Планк забросил эксперименты и занялся теоретическими расчетами. Математике он учился у самого Карла Вейерштрасса, который стоял у истоков современного математического анализа, а еще читал работы Рудольфа Клаузиуса, заложившего фундамент термодинамики. С такой подготовкой Планк уже в 29 лет возглавил кафедру теоретической физики в Берлинском университете.
Макс Планк в своем рабочем кабинете
Hulton Archive/Getty Images
В конце 1890-х годов Макс Планк работал над математическим описанием спектра нагретого тела. Горячий гвоздь с ростом температуры краснеет, желтеет и наконец белеет (отсюда пошло выражение «довести до белого каления»). Цвет раскаленного предмета зависит от того, какой длины волны его излучение: каждой температуре соответствует пик волн определенной длины. В конце XIX века уже было оборудование, позволяющее анализировать нагретые тела и строить графики излучения. Но подвести под эти графики формулу у физиков не получалось.
Задача о спектре нагретого тела была важна для металлургии и производства электрических лампочек, но с точки зрения фундаментальной науки казалась чем-то второстепенным. Более того, всю физику многие ученые считали фактически законченной. Несколько больших теорий — атомно-молекулярное учение, электродинамика, ньютонова механика — объясняли почти все наблюдаемые процессы: от движения планет до работы парового двигателя.
14 декабря 1900 года красивое здание классической физики пошатнулось. На заседании Немецкого физического общества Планк представил формулу, которая позволяла правильно рассчитать кривые излучения. Чтобы выкладки сошлись с показаниями приборов, Планку пришлось пойти на хитрость. Он допустил, что испускающие лучи атомы отдают энергию не сплошным потоком, а порциями, или квантами. Это была настолько революционная идея, что даже сам Планк поначалу недооценил ее потенциал.
Как Эйнштейн подхватил идею Планка
В 1905 году настал звездный час, пожалуй, самого известного ученого в мире — Альберта Эйнштейна. Ранее мало кому известный служащий патентного бюро опубликовал друг за другом три статьи, вошедшие в историю физики: первая — о теории относительности, вторая — о броуновском движении частиц под действием ударов отдельных молекул и третья, за которую ему дали Нобелевскую премию, с теоретическим описанием фотоэффекта.
Фотоэффект, открытый Генрихом Герцем и изученный Александром Столетовым, заключается в испускании металлами электронов на свету. Это явление Альберт Эйнштейн объяснил при помощи тех самых квантов излучения, которые Планку казались просто удачным математическим приемом. Эйнштейн же считал кванты настоящими частицами электромагнитного излучения, передающими свою энергию электронам в веществе и выбивающими их наружу.
Несмотря на то что теория Эйнштейна согласовалась с экспериментальными данными, коллеги отнеслись к ней скептически. Блестящий физик-экспериментатор Роберт Милликен, до этого измеривший заряд электрона, потратил около десяти лет на проверку утверждений Эйнштейна и в итоге был вынужден с ним согласиться. Примириться с существованием квантов было непросто и самому Планку. Как и многие, он считал, что деление излучения на порции противоречит классической теории электромагнетизма с ее волнами и целому ряду экспериментальных данных.
Работа Планка о спектре нагретого тела стала первым аргументом против использования классической физики для описания микромира, а статья Эйнштейна про фотоэффект и его теоретическое описание — вторым. Необходимость в новой физике стала очевидна практически всем ученым.
Как Шрёдингер размазал микромир
Одним из вопросов, над которыми бились физики в начале XX века, было строение атома. Незадолго до того был открыт электрон. Эта отрицательно заряженная частица присутствует в атомах. Опыты британского физика Эрнеста Резерфорда в 1909 году показали, что в атомах должно быть и некое положительно заряженное, очень маленькое и при этом массивное ядро. Спустя два года он построил модель, где электроны вращаются вокруг ядра. Но проблема была в том, что в таком случае электроны должны излучать волны — от этого атомы буквально засветились бы, а электроны быстро потеряли бы энергию и упали бы на ядро. На деле не происходит ни того ни другого.
С открытием атомного ядра кризис в науке обострился настолько, что в 1911 году почти все исследователи мировой величины собрались на международном конгрессе об излучении и квантах. Большинство физиков признали, что в квантовании энергии что-то есть, и принялись дорабатывать модель атома.
Австриец Эрвин Шрёдингер догадался описывать крошечные объекты с помощью размазанной в пространстве волновой функции. Волновая функция стала заменой классическим частицам с четкими границами, которые можно представить в виде твердых шариков. В отличие от частицы волна способна рассеиваться на препятствиях или даже проникать под барьеры, непроницаемые с точки зрения классической физики.
Если бы те же законы действовали на привычных нам расстояниях, то положенная на стол книга могла бы самопроизвольно провалиться («туннелировать») сквозь столешницу, а протянув к томику руку, мы бы совсем не обязательно его нащупали. Но на уровне атомов в этом нет ничего невозможного.
С годами новая физика — квантовая механика — позволила объяснить строение материи на мельчайшем уровне, разобраться в возникновении Вселенной. Благодаря странным свойствам квантового мира люди создали ядерное оружие и реакторы, полупроводники для электроники, лазеры, оптоволоконные линии связи, цифровые фотоаппараты.
Эти свойства напрямую не вытекают из формулы Планка для спектра нагретых тел. Сам он долго не мог свыкнуться с предсказаниями новой теории. Поначалу Планк не верил даже в то, что атомы вообще существуют. Но именно с его формулы началась физика, в которой возможны настолько удивительные явления и которая изменила наш мир до неузнаваемости.
Источник: Алексей Тимошенко ИТАР-ТАСС
