Планк. Квантовая теория

Введение

14 мая 2009 года в 10 часов 12 минут по местному времени двигатели «Ариан-5» были запущены, и ракета начала свой полет в космос с базы Европейского космического агентства (ESA) во Французской Гвиане. Через две минуты ракета достигла высоты 70 км, и в этот момент от нее отделились два дополнительных твердотопливных двигателя. Огромный вытянувшийся в линию клуб дыма, который оставляла за собой ракета, растаял между облаками. В этот момент ее скорость была 2 км/с, почти в шесть раз выше скорости звука, «Ариан-5» продолжала движение благодаря основному двигателю, который работал на водороде и кислороде, хранящихся в баках в сжиженном виде при минусовой температуре. Горение водорода давало энергию, необходимую для движения. Практически всю первоначальную массу ракеты составляло топливо, и при достижении требуемой высоты масса «Ариан-5» составила примерно 1 % от стартовой.

На борту «Ариан-5» находились два устройства — «Планк» и «Гершель». «Гершель» — инфракрасный телескоп диаметром 3,50 м. «Планк» — спутник, оснащенный инструментами для изучения микроволнового фонового излучения. Следует отметить, что вся Вселенная наполнена электромагнитным излучением (его также называют реликтовым), которое появилось в ту далекую эпоху, когда еще не было звезд, а космос представлял собой бульон из частиц и излучения такой интенсивности, при которой атомы мгновенно разрушались и их существование было невозможным. Материя и излучение находились в состоянии термического равновесия при определенной постоянной температуре. В результате расширения и охлаждения Вселенной энергия излучения снизилась, и в это время начали формироваться первые атомные объекты. С тех пор излучение свободно перемещается во Вселенной, не взаимодействуя с материей. Сегодня оно проявляется как микроволновой сигнал, испускаемый во всех направлениях с одинаковой интенсивностью.

Конечной целью спутника «Планк» была вторая точка Лагранжа системы Солнце — Земля, находящаяся на расстоянии полутора миллионов километров от нашей планеты (для сравнения вспомните, что расстояние между Землей и Луной равно 380 тысячам километров). Когда небольшое тело оказывается в точке Лагранжа системы из двух массивных тел, то в результате гравитационного воздействия с их стороны относительное расположение этих трех объектов остается постоянным. В случае с «Планком» его положение должно быть неизменным относительно Солнца и Земли. Из этой позиции удобно проводить постоянное измерение фонового микроволнового излучения, что и является задачей «Планка».

Микроволновое фоновое излучение — это тепловое излучение, схожее с тем, которое испускают нагретые тела. Макс Планк изучал характеристики теплового излучения большую часть своей жизни; если быть более точными, то основной темой его исследований стала проблема, известная нам как излучение черного тела. В 1900 году физики-экспериментаторы с большой точностью измерили, как менялась интенсивность излучения нагретого тела в зависимости от температуры и длины волны. Одним из них был Генрих Рубенс, который лично сообщил Планку 7 октября, что последние измерения отклонялись от ранее предложенных формул. Вероятно, именно в этот день Планк обнаружил математическую формулу, точно описывавшую результаты эксперимента. Эта формула, известная как закон излучения Планка, смогла объяснить все экспериментальные результаты, полученные с тех пор. Четко соответствует ей и микроволновое фоновое излучение.

Открытие Планка стало возможным не только потому, что в распоряжении ученого оказались необходимые данные, но и потому, что он обладал мудростью, способностями и вдохновением. Искомые данные попали к нему первому, поскольку Планка окружали выдающиеся физики той эпохи. При этом он глубоко знал проблему, был знаком с последними научными достижениями, связанными с ней, и, что немаловажно, обладал прекрасной математической подготовкой. Мы упомянули и вдохновение, ведь только благодаря ему ученый записал свою формулу не как неопровержимое доказательство, не как неизбежное следствие первоначальных данных, а для того, чтобы проверить, возможно ли воспроизвести эксперименты, немного изменив имеющийся закон. Так что его открытие было эмпирическим.

Получив формулу, Планк захотел дать ей физическое объяснение, найти ее связь с исходными данными. Для этого он использовал передовые достижения физики своего времени: электродинамику Максвелла и Герца, с одной стороны, и второй закон термодинамики и понятие энтропии — с другой. Также он учел вероятностную интерпретацию понятия энтропии, выдвинутую за несколько лет до этого австрийским ученым Людвигом Больцманом. Наконец, Планк довольно неожиданно, что не без оснований можно назвать гигантским шагом вперед, предложил гипотезу, названную квантовой. Согласно этой гипотезе, механическая энергия осциллятора (например, тела на пружине) не может быть равна произвольной величине, ее значение ограничивается множеством элементарных величин — квантов. Квант энергии Е пропорционален частоте V, с которой колеблется осциллятор:

E = hv.

Постоянная А, определяющая коэффициент пропорциональности между энергией и частотой, известна как постоянная Планка. Вероятно, буква h была выбрана Планком от немецкого слова Hilfe, означающего «помощь».

Расцвет квантовой гипотезы произошел через четверть века, хотя Планк выдвинул ее для решения конкретной задачи — ad hoc — и не придавал ей особого значения, а некоторые физики в начале XX века заявляли, что гипотеза Планка не соответствует классическому подходу Альберт Эйнштейн в своей блестящей статье, написанной в 1905 году, придал квантовой гипотезе гораздо более глубокое значение, чем сам Планк, заявивший: испускание и поглощение света происходит порциями энергии, равными hv.

И если введение Планком гипотезы ставило под сомнение классическую физику, то интерпретация Эйнштейна вступала с известной наукой в открытое противоречие. В XIX веке не подвергалось сомнениям, что свет — это волна. Предположение Эйнштейна подразумевало, что при определенных процессах свет обладает корпускулярными свойствами. Результаты экспериментов американского физика Роберта Милликена, исследовавшего фотоэлектрический эффект, в 1915 году точь- в-точь повторили предсказания Эйнштейна в статье 1905 года. Нужно подчеркнуть, что когда Милликен начал экспериментальные исследования фотоэлектрического эффекта, он стремился опровергнуть корпускулярную гипотезу Эйнштейна, но после нескольких лет упорной работы вынужден был заявить научной общественности о справедливости его теории для фотоэлектрического эффекта. То есть свет оставался волной, но при этом состоял из частиц. В 1913 году Нильс Бор применил квантовую теорию для создания модели атома водорода. Атом Бора объяснял экспериментальные результаты, связанные с испусканием и поглощением света материей,— спектры атомов. С этого момента атомная физика опиралась на фундаментальную формулу Е = hv, применяемую в разных обстоятельствах. Кульминацией этого процесса стало появление в 1920-х годах нового научного раздела — квантовой механики.

Квантовая механика — это теоретическая область знания, изучающая атомные и ядерные феномены. Эта дисциплина — один из столпов современной физики. Макс Планк не принимал участия в разработке квантовой механики — этим занимались более молодые физики: Гейзенберг, Шрёдингер, Дирак,

Борн, Йордан и Паули. Но общепризнанным было представление о Планке как об основателе квантовой физики, который сделал первое открытие в глубинном понимании атомной природы материи, в каком-то смысле — как о первом революционере. За свое открытие в 1918 году Планк получил Нобелевскую премию.

В начале XX века ученый стал одним из самых известных физиков Европы. Значителен его вклад в термодинамику — этим разделом физики он владел как никто другой. Также Планк способствовал развитию теории относительности. Его исследования чёрного тела, кроме своего непосредственного значения, привели к введению в физику, в дополнение к имеющимся, двух универсальных констант. На их основе Планком была создана система единиц массы, длины, времени и температуры, сегодня известная как платовские единицы, независимые от других систем.

Ученый скончался в преклонном возрасте, достигнув 89 лет. Он был свидетелем становления Германии, ее развития и распада после Второй мировой войны. Планк родился в 1858 году, его юношеские годы пришлись на Вторую империю. Рос ученый в националистической и консервативной среде. В эпоху промышленного, научного и технологического расцвета Германии он занимал ответственные посты в учебных заведениях (был ректором Берлинского университета) и немецких научных сообществах. Во второй половине жизни Планку довелось пережить несколько личных трагедий, особенно трудно он перенес смерть двух сыновей и двух дочерей от первого брака.

Несмотря на то что ученый, как и многие его современники, был подхвачен волной национализма, захлестнувшей его страну в начале Первой мировой войны, последствия поражения он, потерявший одного из сыновей на поле боя, переживал тяжело. В межвоенный период Планк занимал влиятельное положение в науке и научной политике, но само время было очень трудным из-за нехватки ресурсов и постоянной политической и социальной нестабильности. Отношения ученого с режимом Гитлера оказались сложными и напряженными. В конце Второй мировой войны Планк потерял еще одного сына, Эрвина, который был казнен нацистами. Эрвин был обвинен в участии в заговоре германского Сопротивления в июле 1944 года, результатом которого стала операция «Валькирия» — покушение полковника Штауффенберга на Гитлера. Всего огромного влияния ученого не хватило для спасения жизни сына.

Макс Планк также занимался философскими аспектами научного знания. Он поддерживал интенсивную дискуссию с одним из самых известных философов своего времени, Эрнстом Махом, о природе научного исследования. В последние годы жизни Планк написал несколько популярных статей о науке, философии и религии, которые были тепло встречены широкой публикой.

Квантовая физика изменила наше понимание мира. Она открыла дорогу многочисленным технологическим новинкам, вошедшим в нашу жизнь. Но за каждым открытием, которое мы совершаем, стоят десятки новых вопросов. Макс Планк постоянно ощущал внутреннюю потребность расширить свое понимание мира и его феноменов, а именно эта потребность является стимулом для неустанного научного поиска. Поиск Истины с большой буквы, Абсолюта был путеводной звездой в непростой жизни ученого.

Ракета «Ариан-5» поднялась вверх, движимая не только сотнями тонн горючего, но и нашими идеями и желанием узнать мир, в котором мы живем.

1858 23 апреля в Киле родился Макс Карл Эрнст Людвиг Планк.

1889 После первых успехов на академическом поприще в Мюнхене и Киле Планк стал преемником Густава Кирхгофа в качестве профессора теоретической физики в Берлине. Два года спустя он получил кафедру.

1895 Назначен редактором престижного научного издания Annalen der Physik, на страницах которого в 1910- 1920-х годах печатались первые статьи по релятивистской и квантовой физике.

1900 19 октября на заседании Берлинского физического общества Планк представил свой закон распределения энергии в спектре абсолютно черного тела (с того времени известный как закон излучения Планка). Два месяца спустя, 14 декабря, в докладе перед тем же обществом ученый выдвинул квантовую гипотезу.

1909 Умерла Мария Планк, в девичестве Мерк. Год спустя ученый вступил в брак во второй раз, женившись на племяннице первой жены, Марге фон Хёсслин.

1913 Планк назначен ректором Берлинского университета.

1914 Через четыре месяца после начала войны подписал вместе с другими 92 немецкими интеллектуалами националистический манифест «Призыв к цивилизованному миру», более известный как Манифест 93-х, в защиту Германии и ее роли в военном конфликте.

1916 В битве при Вердене погиб Карл Планк, старший сын ученого. В следующем году скончалась одна из двух дочерей, Грета.

1919 Планк награжден Нобелевской премией по физике за вклад в открытие квантовой гипотезы. Умерла вторая дочь Планка - Эмма.

1933 В качестве председателя Общества кайзера Вильгельма по развитию науки Планк встретился с только что назначенным канцлером Германии Адольфом Гитлером, чтобы сообщить тому о серьезном ущербе, который антисемитизм наносит немецкой науке. Впоследствии на встрече с коллегой Вернером Гейзенбергом Планк признался: «Нет такого языка, на котором можно было бы объясниться с таким человеком».

1945 Эрвин Планк казнен нацистами. Из пяти детей Макса Планка только один, младший Герман, остался в живых.

1946 Общество научных исследований кайзера Вильгельма переименовано в Общество научных исследований Макса Планка.

1947 4 октября в Гёттингене Макс Планк умирает.

1958 В апреле в Берлине празднуется столетие со дня рождения Планка. В торжествах принимают участие ученые и политические власти обеих Германий.