Alberto Tomas Perez Izquierdo
Наука. Величайшие теории: выпуск 11: Революция в микромире. Планк. Квантовая теория.
Пер. с исп. — М.: Де Агостини, 2015. — 168 с.
ISSN 2409-0069
© Alberto Tomas Perez Izquierdo, 2012 (текст)
© RBA Collecionables S.A., 2012 © ООО «Де Агостини», 2014-2015
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.