Alberto Izquierdo - Революция в микромире. Планк. Квантовая теория

• Название: Революция в микромире. Планк. Квантовая теория
• Автор: Alberto Izquierdo
• Издательство: ООО «Де Агостини»
• Жанр: Научпоп
• Год: 2012

Макса Планка часто называли революционером, хотя он был против этого. В 1900 году ученый выдвинул идею о том, что энергия излучается не непрерывно, а в виде порций, или квантов. Отголоском этой гипотезы, перевернувшей сложившиеся представления, стало развитие квантовой механики — дисциплины, которая вместе с теорией относительности лежит в основе современного взгляда на Вселенную. Квантовая механика рассматривает микроскопический мир, а некоторые ее постулаты настолько удивительны, что сам Планк не единожды признавал: он не успевает за последствиями своих открытий. Учитель учителей, в течение десятилетий он стоял у штурвала немецкой науки, сумев сохранить искру разума в сумрачный период нацизма.

---

Идеального абсолютно черного тела в природе не существует. Черные тела, которые мы можем видеть вокруг нас, поглощают весь видимый свет, но многие из них не поглощают инфракрасные и ультрафиолетовые волны, а идеальное черное тело должно одинаково поглощать и испускать свет при любой длине волны, так что абсолютно черное тело можно считать физической абстракцией.

Но это очень полезная абстракция. Тепловое излучение черного тела — идеальное излучение, не зависящее от вещества, из которого тело состоит. Тепловое излучение Солнца не идентично тепловому излучению черного тела, но похоже на него. Также на него похоже излучение от камина или другого нагревателя.

Много событий должно было произойти в науке для того, чтобы век спустя открытие Гершеля превратилось в планковскую теорию. Для этого физики-экспериментаторы XIX века должны были разрешить немаловажную проблему, связанную с созданием в лаборатории системы, ведущей себя как можно более похоже на систему абсолютно черного тела.

Мудрецы, которые не верили в атомы

В конце XIX века немецкая физическая наука находилась под влиянием «энергетической» теории, последователями которой были Уильям Джон Ренкин (1920-1872), Вильгельм Оствальд (1853-1932) и другие ученые. Энергетическая теория поддерживала идею о том, что термодинамика и, в частности, первое начало термодинамики представляют прекрасную основу для создания физической модели природы. Сохранение энергии было эмпирическим фактом, на основе которого сторонники энергетической теории с помощью абстрактных математических умозаключений стремились объяснить все физические феномены без построения механистических моделей, таких как атомная. Кроме всего прочего, сторонники энергетической теории высказывали сомнения в существовании атомов, считая подобные представления гипотезой, необходимость в которой со временем отпадет. Планк начал свою научную карьеру именно в этой «энергетической» среде.

После того как Планк прочел записи Клаузиуса, он погрузился в изучение термодинамики. Тема диссертации Планка, которую он защитил в Мюнхене в 1879 году, звучала так: «О втором законе механической теории теплоты». В 1880 году Планк получил место приват-доцента в Мюнхенском университете. Такая должность не предусматривала выплату жалования со стороны университета, но преподаватель мог брать деньги со студентов за занятия.

В годы своего пребывания в Мюнхене Планк написал статью о природе энергии на соискание премии, объявленной Гёттингенским университетом. Ученый получил вторую премию, а первое место не досталось никому. Как сам Планк объясняет в автобиографии, возможно, это произошло, потому что в своей статье он встал на сторону Гельмгольца против Вебера. Так Планк заслужил профессиональное уважение Гельмгольца и после смерти Кирхгофа занял его место в Берлинском университете (хотя это предложение ему было сделано только после того, как от вакансии отказались Больцман и Герц). В Мюнхене и позже, начиная с 1885 года, когда Планк работал как штатный профессор в Киле, он занимался глубоким изучением применения второго начала термодинамики к разным проблемам — химическим реакциям, диссоциации газов и растворов. Глубоко анализируя следствия второго начала термодинамики, Планк пришел к выводам, которые заставили его отдалиться от энергетической теории, сторонники которой, помимо прочего, считали, что первое начало термодинамики является универсальным, а второе следует из него, таким образом, между падением тела и переходом тепла от горячего тела к холодному нет особого различия. Однако Планк возражал: падение тела является обратимым процессом (изменение значения скорости до обратного вернет процесс в исходное положение), а переход тепла от холодного тела к горячему невозможно осуществить спонтанно.

Если существуют законы для энергии, тогда они должны быть применимы ко всем областям физики, должен быть составлен комплекс принципов, как это обычно делается для каждого физического явления.

Уильям Джон Ренкин об энергетической теории

Существовало и более фундаментальное противоречие между энергетизмом и атомизмом. Атомисты утверждали, что материя состоит из атомов и молекул; химические реакции являются следствием комбинирования и диссоциации атомов химических элементов; тепловые феномены зависят от произвольного движения атомов. Представители энергетизма отрицали существование атомов, недоступных для чувственного опыта, и хотели объяснить природные феномены без применения конкретной гипотезы о строении материи.

В этот период — а мы говорим о 80-х годах XIX века — Планк не был ярким сторонником атомизма. Для него принцип возрастания энтропии и принцип сохранения энергии имели универсальную значимость, в то время как для австрийского физика Людвига Больцмана (1844-1906), одного из лидеров атомистов, это были лишь следствия вероятностных законов.

Один из основателей квантовой теории, Арнольд Зоммерфельд (1868-1951), стал свидетелем незабываемой дискуссии Оствальда и Больцмана на конференции в Любеке в 1895 году. Зоммерфельд вспоминал об этом так:

«Реферат об энергетике был прочитан доктором Хельмом. Его поддерживал Вильгельм Оствальд. За ними обоими стояла натурфилософия Эрнеста Маха, отсутствовавшего на этом заседании. Оппонентом был Больцман, его секундантом — Феликс Клейн. Борьба между Оствальдом и Больцманом походила как внешне, так и внутренне на сражение тореро с быком. Но, несмотря на все искусство владения шпагой, тореро на этот раз был побежден быком. Аргументы Больцмана были неотразимыми. Мы, молодые теоретики, были все завоеваны Больцманом».

Оствальд был очень приятным человеком и другом Больцмана, хотя они и были оппонентами. Когда эксперименты Жана Перрена (1870-1942) доказали существование молекул, Оствальд признал свою ошибку и уже в 1909 году написал: «Я убедился, что в недавнее время нами получены экспериментальные подтверждения прерывного, или зернистого, характера вещества, которое тщетно отыскивала атомистическая гипотеза в течение столетий и тысячелетий». Но другие энергетисты, в том числе Мах, остались на своих позициях.

Это заблуждение заставило Планка сделать в автобиографии замечание, которое, по нашему мнению, было ложно интерпретировано. Планк пишет о трудностях, которые ему, как и Больцману, пришлось преодолеть, чтобы высказать свои аргументы, противоречащие энергетической школе: «Новая научная правда побеждает не потому, что удается переубедить оппонентов и заставить их прозреть, а больше потому, что оппоненты в конце концов умирают, уступая место новому поколению, для которого эта правда уже привычна». Некоторые ученые приводят эти слова Планка в подтверждение того факта, что наука порождает идеи, к которым ученые склонны, и предполагаемая объективность научных теорий не так уж очевидна. Сложно отрицать, что каждый исследователь является продуктом своего времени. Но при этом нельзя утверждать, будто ученые видят то, что хотят видеть, а не приходят к заключениям на основании фактов.

Слова Планка в данном случае должны рассматриваться как горькая ирония, с которой он вспоминает эти дискуссии и трагический конец Больцмана. При этом сам же Планк является лучшим опровержением своего тезиса. Несмотря на то что он стал первым человеком, применившим квантовую гипотезу, ученый был не согласен со многими идеями, лежавшими в ее основании. Однако он не только не объявил бойкот ученым, оспаривавшим его точку зрения, но и поддерживал их, помогал им, а позже признал их правоту.

Людвиг Больцман

Больцман (1844-1906) родился в Вене и там же поступил в университет. Один из его профессоров, Йозеф Стефан, посвятил юношу в работы Максвелла о молекулярной теории теплоты. В 1869 году Больцман получил кафедру математической физики в австрийском городе Граце. Ученый развивал взгляды Максвелла о распределении молекул в идеальном газе. Сегодня это распределение называется распределением Максвелла — Больцмана. Оно характеризует вероятность того, что молекула с определенным импульсом находится в определенном элементе объема. В 1872 году Больцман вывел уравнение, описывающее эволюцию во времени функции распределения молекул газа. Оно известно как уравнение Больцмана и является одним из самых важных результатов теоретической физики. В 1877 году ученый сделал вывод: вероятность того, что молекула будет обладать энергией е, пропорциональна результату sqrt(ε) · e-ε/(kT), где Т—температура, а k — константа. Для этого вывода он предположил, что энергия е может принимать только дискретные значения, и это предположение сближается с квантовой теорией. Несколько лет спустя исследованиями Больцмана воспользовался Макс Планк. Больцман был ректором Университета Граца, профессором математической физики в Мюнхене, теоретической физики — в Лейпциге, философии — в Вене. Он вел продолжительную дискуссию с некоторыми немецкими учеными об атомной природе материи. Предполагается, что непринятие его взглядов могло стать одной из причин депрессии ученого и его самоубийства.