Alberto Izquierdo: Революция в микромире. Планк. Квантовая теория

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.