Пионеры атомного века (Великие исследователи от Максвелла до Гейзенберга) - Гернек Фридрих (читать бесплатно полные книги .TXT) 📗
Физик Вилли Вин, в то время еще ассистент Имперского физико-технического института и приват-доцент Берлинского университета, попытался в 1896 году разрешить эту проблему посредством закона излучения. Он добился важного, хотя и неполного успеха, который стал последней ступенью на пути к квантовой теории. "И бессмертной заслугой Вилли Вина, - писал Макс фон Лауэ, - остается то, что он довел физику непосредственно до ворот квантовой физики, а уже следующий шаг, который предпринял Планк, провел ее через эти ворота".
Исследуя распределение энергии в нормальном спектре излучаемой теплоты, Планк основывался на законе Кирхгофа для излучения в пустом пространстве и на законе излучения Вина. Таким путем он хотел подойти к своей цели гармонично и прочно связать теорию теплоты и учение Максвелла - Герца об электричестве. Лишь позднее благодаря своему собственному открытию Планк понял, что на почве классической физики невозможно построить мост между этими двумя теориями.
Исходным пунктом для эпохального открытия Планка послужили опыты, поставленные в конце 90-х годов Отто Луммером и Эрнстом Прингсгеймом в Имперском физико-техническом институте с целью более точного определения излучения черного тела. Важное и в конечном счете решающее значение для теоретического обоснования квантовой формулы Планка имели результаты измерений, которые были получены там же Генрихом Рубенсом и Фердинандом Курлбаумом при экспериментах с излучением длинных волн, в особенности с инфракрасным остаточным излучением полевого шпата и каменной соли.
19 октября 1900 года Курлбаум сообщил об этих опытах Физическому обществу в Берлине. Результаты экспериментов не соответствовали установленной Вином формуле излучения, которая была пригодна для коротких волн и низких температур. Планк, узнав о результатах опыта Рубенса и Курлбаума за несколько дней до заседания, в заранее подготовленном дискуссионном замечании предложил новую формулу излучения, которая, как он считал, помогла устранить выявившиеся несоответствия.
Замечания Планка были опубликованы в "Сообщениях Немецкого физического общества" под заголовком "Об улучшении спектрального уравнения Вина". Маленькая, всего на три страницы, статья в методическом отношении несет на себе отпечаток становления открытия. Данная в ней формула излучения была при длинноволновом излучении и высоких температурах справедлива для опытных данных Курлбаума и Рубенса; при коротких волнах и низких температурах она переходила в закон Вина, который тем самым получал характер ограниченного закона.
Проверка уравнения Планка подтвердила полное совпадение его с данными опытов. Рубенс ночью, сразу же после заседания, тщательно сверивший новую формулу излучения с имеющимися результатами измерений, мог сообщить об этом Планку уже на следующее утро.
Планк нашел свою формулу полуэмпирическим путем, благодаря своему несравненному чутью в термодинамике. Он сам рассматривал ее как "удачно угаданную промежуточную формулу". Теперь дело было за ее теоретическим обоснованием.
В процессе этой работы, которую он позднее назвал самой тяжелой в своей жизни, Планк пришел к ошеломляющему выводу. Он обнаружил, что его уравнение, которое со всей очевидностью верно отражало действительность, было справедливым только при одном совершенно новом представлении, а именно при допущении, что в процессах излучения энергия может быть отдана или поглощена не непрерывно и не в любых количествах, а лишь в известных неделимых порциях - в "квантах".
Сумма энергий этих мельчайших порций определяется через число колебаний соответствующего вида излучения и универсальную естественную константу, которую Планк ввел в науку под ставшим знаменитым символом h. Он назвал эту постоянную величину "элементарным квантом действия", или "элементом действия". Сегодня ее чаще всего называют постоянной Планка. Ее числовое значение он определил еще за полгода до этого, в другой связи, на основании измерений Луммера и Прингсгейма.
Теоретическое обоснование и разработка "удачно угаданной" формулы излучения заняли примерно столько же времени, сколько пять лет назад понадобилось Рентгену, чтобы в исчерпывающей форме описать свое случайное наблюдение 8 ноября 1895 года и вывести из него закономерность. Поскольку Планк теперь безоговорочно принял отстаиваемую Больцманом атомистическую точку зрения и статистическую теорию теплоты, он пришел к атомистическому обоснованию своего закона излучения и к представлениям гораздо более широким, чем те, которые сложились при первом подходе. Каким путем пришел ученый к окончательному результату, осталось неизвестно. Подобно Гауссу и Рентгену, Планк всегда неохотно говорил о применяемых методах и промежуточных ступенях своего исследования. "Многократно запутанную дорогу", по которой он шел к вычислению и обоснованию своей константы, он описал не более детально, чем Рентген события ночи, в течение которой он сделал свое открытие.
14 декабря 1900 года на заседании Немецкого физического общества в Институте им. Гельмгольца на Рейхстагуфер Макс Планк сообщил о своем революционизирующем открытии. Его выводы на девяти страницах вскоре появились в печати под заголовком "К теории закона распределения энергии в нормальном спектре".
Планк описал "новый, совершенно элементарный метод", благодаря которому, "не зная формулы спектра или же какой-либо теории, можно количественно вычислить с Помощью одной естественной константы распределение данного количества энергии по отдельным цветам нормального спектра и затем посредством второй естественной константы - по температуре этого излучения энергии".
Первая константа природы - элементарный квант действия h. Другая, также впервые рассчитанная Планком и обозначенная им через k константа природы получила гражданство в физике под именем "константы Больцмана", хотя сам Больцман такую константу не предлагал и не задавался вопросом о ее числовом значении.
Если введение кванта действия еще не создало настоящей квантовой теории, как неоднократно подчеркивал Планк, то все же 14 декабря 1900 года был заложен ее фундамент. Поэтому в истории физики этот день считается днем рождения квантовой теории. Поскольку понятие элементарного кванта действия служило в дальнейшем ключом к пониманию всех свойств атомной оболочки и атомного ядра. 14 декабря 1900 года следует рассматривать как день рождения всей атомной физики и как начало новой эры естествознания.
Для старой атомной физики квантовая формула Планка также была важна. Она позволила точно определить абсолютную величину атома и установить первое достоверное значение предложенного в 1895 году австрийским физиком Лошмидтом числа, с помощью которого можно было определять количество атомов в грамм-атоме, то есть в массе, соответствующей атомному весу. Только после открытия Планка можно с достоверностью говорить, каким "весом" обладают атомы. "В этом, - писал Гейзенберг, - первый неоспоримый большой успех теории Планка".
Измерения в Имперском физико-техническом институте, на которые Планк опирался в своих теоретических обобщениях, исходили из практических потребностей. Немецкая промышленность по производству ламп накаливания в то время начала сильно расширяться. Она нуждалась в точных научных основах для изготовления источников света с возможно более высокой светоотдачей. Мощность старых угольных ламп была ограничена, эти лампы не могли успешно соперничать со все еще преобладающими газовыми осветительными приборами. Решению вопроса могли способствовать только коренные изменения. К числу таких работ принадлежали также эксперименты, результаты которых послужили Планку исходным пунктом в его рассуждениях и вычислениях.
Открытие элементарного кванта действия и обоснование квантовой теории в известной мере можно считать побочным теоретическим продуктом берлинской ламповой промышленности начала века. В связи с этим нельзя не вспомнить мысль Фридриха Энгельса, высказанную им в письме 1894 года: "Если у общества появляется техническая потребность, то это продвигает науку вперед больше, чем десяток университетов". В данном случае у общества была техническая потребность, и она действительно оказала могущественное воздействие на науку, правда не без помощи физика, который преподавал и занимался научными исследованиями в одном из крупнейших университетов того времени.
