Теория относительности Эйнштейна за 1 час

Немецкий ученый Макс Планк стал основоположником квантовой физики почти случайно: он работал над теорией теплового излучения и обнаружил, что все математические расчеты приходят в упорядоченное состояние только в том случае, если предположить, что свет излучается не сплошным потоком, а небольшими дискретными частицами. Позже эти частицы были названы квантами. Некоторое время он сам не верил в свое открытие, но развитие физики показало, что он был абсолютно прав.

В первые годы после выпуска из Берлинского университета Планк занимался в основном термодинамикой – разделом физики, изучающим теплоту, механическую энергию и их преобразования. Вся термодинамика зиждется на нескольких фундаментальных законах, и по одному из них – второму началу термодинамики – Макс Планк защитил докторскую диссертацию. Позже он разрабатывал тему применения термодинамики в сфере физической химии и электрической химии, эти исследования принесли ему известность в научных кругах.

В 1887 году Планку выпустил в свет работу «Принцип сохранения энергии», где рассмотрел возникновение и эволюцию в науке этого фундаментального закона природы. Особое внимание он уделил принципу суперпозиции, который гласит: полную энергию системы можно разбить на сумму независимых компонент. «Принцип суперпозиции играет во всей физике чрезвычайно важную роль, – писал Планк, – без него все явления смешались бы друг с другом, и совершенно невозможно было бы установить зависимость отдельных явлений друг от друга; ибо если каждое действие нарушается другим, то, естественно, прекращается возможность познать причинную связь».

Проблемы электромагнитного излучения были очень актуальны на рубеже XIX–XX веков, ими занимались многие передовые ученые. Макс Планк тоже заинтересовался этой областью физики. В то время лаборатория Государственного физико-технического университета в Берлине работала над измерением теплового излучения тел. Любое тело, в котором есть тепло, испускает электромагнитные волны, и при высоком нагреве излучение можно увидеть. Повышение температуры меняет цвет тела сначала на красный, потом на оранжевый и при самых высоких показателях – на белый. Кроме температуры, на излучение влияют структура поверхности тела и его цвет.

Для исследований и измерений в качестве эталона используется такой объект, как абсолютно черное тело, полностью поглощающее лучи и совершенно их не отражающее. Идеального черного тела в природе не существует, но для этой роли подходит замкнутая непрозрачная сферическая оболочка с небольшим отверстием. Приходящее извне излучение падает на отверстие, попадает внутрь полости и многократно отражается от ее стенок. Вероятность того, что оно выйдет наружу, близка к нулю, так что оболочка вполне может выполнять функцию абсолютно черного тела в опытах и экспериментах.

Само черное тело может излучать электромагнитные волны и может, вопреки названию, иметь визуальный цвет. Вопрос о количестве и свойствах излучаемой им энергии получил в физике XIX века наименование проблемы черного тела.

Эксперименты с нагревом абсолютно черного тела, проводимые для подсчета излучаемой им энергии, выявили две закономерности. Во-первых, оказалось, что чем короче длины волн испускаемых лучей, тем больше их накапливается внутри тела. Во-вторых, чем выше частота волны, тем больше ее сохраняется внутри черного тела и тем больше энергии она в себе несет. Соединение этих закономерностей давало странный результат: получалось, что энергия излучения внутри абсолютно черного тела бесконечна. Это противоречащее всем законам физики утверждение ученые окрестили ультрафиолетовой катастрофой (потому что высокочастотные волны находятся в ультрафиолетовой части спектра).

Макс Планк, приступив к работе над проблемой излучения, пытался взглянуть на нее с точки зрения электромагнитной теории Максвелла, соединив ее с теорией теплоты. Но очень скоро он осознал, что классическая физика не может объяснить парадоксы излучения абсолютно черного тела.

В 1900 году Планк создал формулу, которая устраняла все несоответствия. Для того чтобы получить такой результат, он ввел новое понятие, противоречащее всем известным до этого принципам физики. В его формуле энергия колебаний изменяется не непрерывно, как это свойственно любой волне, а дискретно, шагами. Энергия каждого шага равняется некоей постоянной (позже эту постоянную стали называть постоянной Планка), помноженной на частоту. Дискретные порции энергии впоследствии назвали квантами, а формула, выведенная Планком, положила начало новой дисциплине – квантовой физике. С этого момента физика разделилась на «до» и «после». То, что было до открытия кванта, относится теперь к классической физике.

Открытия, совершенные на основе квантовой теории, – новая глава в науке.