Макс Планк и его постоянная

Мы часто слышим истории о людях, чье упорство и трудолюбие привели их к небывалым результатам и успехам. О них снимают фильмы и пишут книги. Немецкий физик-теоретик Макс Планк – шаблонный герой такой истории о гении. Разносторонний и не по годам умный, он с детства интересовался наукой, а повзрослев, решил посвятить себя теоретической физике. Когда он рассказал об этом своему университетскому профессору Филиппу фон Жолли (Philipp Von Jolly), тот ответил, что в этой области уже нечего ловить, поскольку все открыто и остались лишь незначительные пробелы. Планк и не собирался совершать открытия, а, по его словам, хотел лишь понять и углубить уже известные основы. Но все случилось ровно наоборот. Если вы внимательно читали предыдущую статью, то должны вспомнить оттуда фразу: «Все было хорошо, пока не пришел Планк». Это так и есть – Макс Планк заставил ученых взглянуть на привычный им мир совсем с другой стороны. И он первым ввел понятие кванта, сделав XX век веком квантовой физики. Молодой Планк Будучи еще мальчиком, Планк обучался в Максимилиановской гимназии, где одинаково сильно полюбил и древние языки, и музыку, и философию, и естествознание. Такие разносторонние увлечения привели к тому, что после окончания школы он долго думал, куда податься: в пианисты, в филологи или в ученые. Любовь к физике и математике победила, и Планк стал студентом Мюнхенского университета. На протяжении всего обучения он посещал лекции по экспериментальной физике и тогда же провел свой единственный в жизни эксперимент о проницаемости нагретой платины для газов. Но все же Планка тянуло к теории, расчетам и формулам, а так как в университете не было кафедры теоретической физики, он посещал много математических занятий, а вскоре на два семестра перебрался в Берлин. С Берлином связан главный период его жизни – уже после окончания университета и сдачи экзамена на звание учителя физики и математики Макс Планк стал главой кафедры теоретической физики в Берлинском университете. Там же и случилось его самое известное открытие. Цветовая карта кузнеца останавливается на температуре плавления стали. wikiwand.com Но начать нужно издалека. Как мы знаем, температура и цвет любого нагретого физического объекта связаны – поэтому и угли в затопленной печи станут бледно-оранжевыми или даже белыми, и гвоздь при нагреве также будет менять цвет с повышением температуры: сначала покраснеет, потом пожелтеет и побелеет (иначе говоря, дойдет до белого каления). Материал предмета значения здесь не имеет. В конце 1890-х годов физики уже знали, что цвет нагретого объекта зависит от того, какой длины тепловые волны он испускает. Оставалось лишь вывести для этого теоретическую формулу. Американский адвокат и инвестор Чарльз Мангер (Charles Munger) придумал выражение «эффект шофера Макса Планка». После получения Нобелевской премии Макс Планк ездил по европейским городам, читая лекции о своем открытии. С ним всегда был его личный водитель, который сидел в зале на каждом выступлении ученого. Однажды шофер предложил Планку выступить вместо него, так как он уже наизусть выучил текст лекции. Макс согласился. Во время речи водителя профессор из зала задал ему неожиданно сложный вопрос, на что шофер ответил: «Это такой простой вопрос, что даже мой шофер может на него ответить» и указал на Макса Планка. История – абсолютная выдумка Мангера, но, по его мнению, она иллюстрирует то, что в мире все люди делятся на «максов планков» и «их водителей» – первые действительно являются профессионалами своего дела, а вторые лишь заучивают роль и делают все по сценарию. «Тепловой» вопрос привел физиков к понятию абсолютно черного тела – это такое тело, которое при любой температуре поглощает все падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах (даже тех, которые нашему глазу не видны). И да, АЧТ не обязательно должно быть черного цвета визуально – это, скорее, модель для вычислений, чем реально существующий в природе объект. Хотя искусственно создать что-то подобное АЧТ можно – обычно приводят такой пример: нужно взять закрытую черную коробку и проделать в одной из ее стенок небольшую круглую дыру. Все электромагнитное излучение будет поглощено коробкой внутри нее самой. Но каким-то образом АЧТ все-таки должно излучать тепло, иначе его температура будет накапливаться бесконечно. Этой проблемой занимались разные физики в конце XIX века. Например, Вильгельм Вин (Wilhelm Wien) в 1893 году установил, что максимум излучения в спектре АЧТ смещается в сторону больших частот вместе с увеличением его температуры. В 1896 году Вин вывел закон распределения энергии АЧТ, но оказалось, что он работает только с высокими частотами и расходится с экспериментом на низких. Попытку преодолеть это расхождение независимо друг от друга предприняли Джон Рэлей и Джеймс Джинс (John Rayleigh, James Jeans). Они получили формулу распределения энергии в зависимости от температуры объекта. Она прекрасно работала с экспериментами на низких частотах, а при их увеличении, то есть на средних и высоких частотах, не «стыковалась» с практическими данными. Согласно закону Рэлея-Джинса, полная мощность теплового излучения любого нагретого тела должна была бесконечно расти – этот парадокс получил название «ультрафиолетовая катастрофа». И в этот момент приходит Планк. Вильгельм Вин В 2014 году ученые из Национальной физической лаборатории Великобритании представили Vantablack – наиболее черное из всех известных нам веществ. Это субстанция из углеродных нанотрубок, которая поглощает 99,965 % падающего на него излучения. Человеческий глаз видит ее цвет не как черный, а как «ничто, провал в бездну, черную дыру, как двумерную черноту». Vantablack – субстанция из углеродных нанотрубок. Фото: Surrey NanoSystems Начиная с 1890-х годов, будучи профессором в Берлине, Планк тоже занимался проблемой теплового излучения АЧТ, желая вывести формулу, которая описала бы зависимость наблюдаемого свечения от длины волны. Спустя 20 лет он таки добился успеха и открыл правильный закон распределения энергии в спектре АЧТ. Для этого ему пришлось выйти из «зоны комфорта физика-теоретика» и предположить, что электромагнитное излучение любого тела испускается не непрерывно, а порциями. Каждую из этих порций Планк назвал «квантом действия». Для тех времен это действительно было революционное заявление – настолько, что сам Планк в течение нескольких лет пытался «впихнуть» понятие кванта в классическую физику. В итоге ему пришлось сдаться – места для кванта там не нашлось, о чем Планк позже писал в своей «Научной автобиографии»: «Мои тщетные попытки как-то ввести квант действия в классическую теорию продолжались в течение ряда лет и стоили мне немалых трудов. Некоторые из моих коллег усматривали в этом своего рода трагедию. Но я был другого мнения, потому что польза, которую я извлекал из такого углубленного анализа, была весьма значительной. Ведь теперь я точно знаю, что квант действия играет в физике гораздо большую роль, чем я вначале был склонен считать». А спустя 18 лет Планк получил Нобелевскую премию за свое открытие с формулировкой – «в знак признания услуг, которые он оказал физике своим открытием квантов энергии». Формула Планка выглядит как E = hν, где h – постоянная величина, а ν – частота волны. Отличие формулы Планка от всех остальных в том, что он добавил постоянную – тот самый квант действия, который свойствен любому излучению. Позже постоянная Планка стала основной константой всей квантовой теории как коэффициент, связывающий величину энергии кванта любой линейной колебательной физической системы с ее частотой. С 2019 года значение постоянной Планка считается зафиксированным и точно равным величине 6,626 070 15 · 10−34 кг·м2·с−1 (Дж·с). Фотон – квант электромагнитного поля. Глюон – квант векторного (глюонного) поля в квантовой хромодинамике. Гравитон – гипотетический квант гравитационного поля. Бозон Хиггса – квант поля Хиггса. Фонон – квант колебательного движения кристалла. Хронон – гипотетический квант времени. Выводы Планка пошатнули фундамент здания классической физики, и становилось все очевиднее, что ее законы не работают с малыми частицами. Последний кирпич из фундамента, казалось бы, устойчивой науки выбил Альберт Эйнштейн, объяснив в 1905 году явление фотоэффекта. На основе гипотезы Планка он предположил, что свет тоже существует только так – квантованно. Теория Эйнштейна отлично согласовывалась с результатами экспериментов, но, как и идея Планка, не помещалась в классическую картину мира. 17 будущих лауреатов Нобелевской премии на Сольвеевской конференции 1927 года в Брюсселе. Вы наверняка узнаете Эйнштейна в первом ряду, Планка мы выделили. Сможете найти других героев этого номера – Эрвина Шредингера, Нильса Бора и Вернера Гейзенберга? А первую в истории лауреатку, получившую премию дважды, Марию Склодовскую-Кюри? Сольвеевские конгрессы – серия международных конференций по обсуждению фундаментальных проблем физики и химии, проводимая в Брюсселе международными Сольвеевскими институтами физики и химии с 1911 года. Физики перестали бояться «новой» науки и выдвигали идеи, многие из которых вызывали еще больше вопросов, чем ответов. А осенью 1911 года состоялся первый Сольвеевский конгресс с заявленной темой «Излучение и кванты». Ну, а дальше вы помните – была модель атома Бора, кот и уравнение Шредингера, копенгагенская и другие интерпретации и мучительное становление квантовой механики, которое и привело к тому, что мы имеем сейчас, – и к этому номеру тоже.