В нескольких словах
Открытие квантования энергии Максом Планком стало революционным прорывом в физике. Планк, работая над решением проблемы излучения абсолютно черного тела, пришел к выводу, что энергия излучается не непрерывно, а дискретными порциями – квантами. Это открытие, подтвержденное впоследствии работами Эйнштейна по фотоэффекту, заложило основы квантовой механики и изменило наше понимание микромира, открыв новые горизонты в изучении атомов, молекул и твердых тел. Значение этого открытия сложно переоценить.
Квантование энергии
Квантование энергии было открыто весьма остроумным способом, благодаря случайности, которая осветила путь, до этого остававшийся в тени. Инструментом для этого послужила статистическая физика, а человеком, совершившим открытие, стал немецкий физик Макс Планк (1858-1947), которого благодаря этому достижению считают отцом квантовой физики.
Отправной точкой Планка стало его стремление решить проблему, существовавшую в физике того времени. Чтобы понять суть проблемы, нужно знать, что в источнике излучения низкая частота соответствует, например, красному цвету, а более высокие частоты – фиолетовому, в пределах видимого спектра. За фиолетовым, то есть с большей энергией, следует ультрафиолетовое излучение, а за красным, с меньшей энергией, – инфракрасное. Проблема заключалась в том, что количество энергии, достигающее наблюдателя, различалось в зависимости от основной частоты излучения источника (хотя источники излучают на всех частотах, у них есть доминирующая).
Существовал закон, который утверждал, что это зависит от квадрата температуры частоты при низких частотах. Результатом этого закона является парабола. И эта парабола выглядела как рога, направленные вверх. Результат был абсурдным: для высоких частот плотность энергии была чрезмерно высокой.
Этот абсурд получил название «ультрафиолетовой катастрофы». Поскольку это не работало, другие исследователи предложили вместо квадрата частоты, основываясь на экспериментальных наблюдениях, использовать куб и добавить поправочный коэффициент. При увеличении частоты вводился математический член, который исправлял результат и избегал проблемы, существовавшей в другом конкурирующем законе. То есть в экспериментальные результаты математически добавляли выражение, корректирующее эксперименты.
Чтобы понять, что произошло, нужно отметить, что в то время статистическая физика делала большие успехи. Было известно, что энергия зависит от всех возможных состояний и способов размещения молекул излучения. Тогда Планк предположил: «Давайте представим, что это гармонические осцилляторы, маленькие пружинки, каждая из которых вибрирует с определенной частотой и может вибрировать только на квантованных частотах», то есть только на определенных разрешенных частотах. Другими словами, энергия не будет непрерывной.
Используя свои знания в области статистической физики, Макс Планк объединил эту идею с двумя математическими формулами и наблюдениями на высоких и низких частотах. И внезапно это сработало. Но, будучи теоретиком, он не осознавал, что открыл. Он увидел, что это работает, но не нашел объяснения этому. Когда Эйнштейн объяснил фотоэлектрический эффект, стало ясно, что эти скачки энергии, эти вибрации, возможны.
Понимание того, что энергия квантована, изменило все. Это основа квантовой физики. Объединение этой теории с экспериментом изменило мир, каким мы его знали. Переход от представления о непрерывной энергии к энергии, которая изменяется скачками, является радикальным изменением концепции. И действительно, в микромире это квантование наблюдается во многих системах, а не только в фотонах. Это видно в состояниях атома. То есть поняли не только, как объяснить свет, но и как объяснить отдельные атомы, молекулы… Вся физика твердого тела основана на этом, на понимании этих состояний. Все последующее квантование стало возможным благодаря этой экспериментальной поддержке и другим, еще более важным, таким как фотоэлектрический эффект. Так родилась квантовая физика.
Руфь Лазкос — доктор физических наук, профессор и исследователь Университета Страны Басков.
Вопрос задан Хосе Мануэлем Теодоро.
«Мы отвечаем» — еженедельная научная консультация, спонсируемая программой L’Oréal-Unesco «Для женщин в науке» и Bristol Myers Squibb, которая отвечает на вопросы читателей о науке и технологиях. На эти вопросы отвечают ученые и технологи, члены AMIT (Ассоциация женщин-исследователей и технологов). Отправляйте свои вопросы .
