Квантовая теория Планка
(О проблеме теоретических и практических наблюдений излучения черного тела читайте здесь)
Формулу, совершенно точно описывающую спектр излучения черного тела, удалось вывести Максу Планку, ставшему вскоре главой школы немецких физиков, ректором Берлинского университета. Да, тому самому Максу Планку, которого так отговаривали заниматься теоретической физикой.
Планк долгое время колебался, на чем остановить свой выбор — на гуманитарных занятиях или физике. Влечение к физике оказалось сильнее, но увлечения молодости не пропали зря: все теоретические работы Планка, книги и статьи отличаются редким изяществом и красотой слога. «При изучении его трудов,— сказал Альберт Эйнштейн,— вообще создается впечатление, что требование художественности является одной из главных пружин его творчества. Ведь недаром рассказывают, что Планк после окончания гимназии сомневался, посвятить ли себя изучению математики и физики или музыки».
Планк сделал необычайное предположение: излучение черного тела передается окружающему пространству не непрерывно, а в виде отдельных мелких порций, которые он назвал квантами действия (действием в физике именуется величина, получаемая после перемножения энергии на время).
Музыка помогала Максу Планку, как и многим другим ученым,работать сосредоточенно и вдохновенно
Вскоре слово «действие» исчезло из названия частиц, «изобретенных» Планком, и их стали именовать квантами или фотонами, мельчайшими порциями излучения. По сути, Планк изменил одно, не очень существенное звено в цепи рассуждений. Но оно оказалось решающим — математические расчеты стали совершенно другими и привели к формуле, которая описывала спектр излучения черного тела в прекрасном согласии с экспериментом.
Формула, выведенная Планком, позволила определить форму спектральной кривой излучения. В этом спектре при обычных «земных» температурах было ничтожно мало ультрафиолетовых лучей. Спектр излучения тела, наконец, и в теории стал похож на горб верблюда…
Расчетный спектр излучения, как и на практике, начинал с ростом температуры сдвигаться в сторону коротких волн, и при температуре выше 500°С в нем появлялись видимые лучи.
Если движение автомобиля ночью сфотографировать с большой выдержкой, то вместо светящихся точек — фар и габаритных огней — мы получим яркие длинные линии. Не помогает ли это сравнение понять, как из отдельных квантов света образуются сплошные непрерывные лучи?
Из формулы Планка в виде частных случаев могли быть получены и закон Вина, и соотношение Стефана — Больцмана, показывающее, что общая энергия излучения тела пропорциональна его абсолютной температуре в четвертой степени.
Физики облегченно вздохнули: «ультрафиолетовая катастрофа» закончилась вполне благополучно. Но создатель новой формулы не был удовлетворен достигнутым.
Вот как описывал Планк сомнения, мучившие его: «…или квант действия был фиктивной величиной — тогда весь вывод закона излучения был принципиально иллюзорным и представлял собой просто лишенную содержания игру в формулы, или при выводе этого закона в основу была положена правильная физическая мысль — тогда квант действия должен был играть в физике фундаментальную роль, тогда появление его возвещало нечто совершенно новое, дотоле неслыханное, что, казалось, требовало преобразования самых основ нашего физического мышления…»
После как будто бы окончательной победы волновой теории света физикам было необычайно трудно возвращаться к представлениям об излучении как о потоке частиц, вспоминать о корпускулах Ньютона. Эти затруднения, возможно, возрастали из-за обманчивости наших чисто эмоциональных ощущений: всегда кажется, что солнечное излучение заливает все вокруг непрерывным потоком, волнами света.
В поэзии — от Гомера и до наших дней — ощущениям, рождаемым светом, всегда отводилось особое место. Наиболее часто поэты воспринимали свет как особую, светоносную, сияющую жидкость. Федор Иванович Тютчев, например, писал:
Снова жадными очами
Свет живительный я пью.
Неужели эта удивительная жидкость так же многолика, как вода? Водой наполнены безграничные моря, огромные озера, быстротекущие реки. Сравнение с речными и морскими волнами всегда помогало создателям волновой теории распространения света и звука. Но ведь та же самая вода часто предстает перед нами в виде дождя, мелкой дробью барабанящего по крыше! Крупинки льда, снежинки, крупные горошины града — все это тоже вода. Почему бы не существовать и «крупинкам» света?
Источник: Марк Колтун “Мир физики“.
