Макс Планк и то, как драматическое рождение квантовой физики изменило мир

 Квантовый мир — это мир, в котором правила, совершенно чуждые нашему повседневному опыту, диктуют странное поведение.

• Квантовая физика была радикальным отходом от классической физики Ньютона. • Квантовый мир — это мир, в котором правила, совершенно чуждые нашему повседневному опыту, диктуют странное поведение. • Даже один из первых ее первооткрывателей, Макс Планк, не хотел подтверждать радикальные выводы, к которым его привели исследования.

Это первая статья в серии статей, посвященных зарождению квантовой физики.

Сейчас мы живем в эпоху цифровых технологий. Пейзаж технических чудес, который нас окружает, — это то, чем мы обязаны примерно сотне физиков, которые на заре 20-го века пытались понять, как работают атомы. Они и не подозревали, во что превратится их мужественное, творческое мышление несколько десятилетий спустя.

Квантовая революция была очень трудным процессом отказа от старых способов мышления, которые формировали науку со времен Галилея и Ньютона. Эти привычки были прочно укоренены в понятии детерминизма — проще говоря, ученые считали, что физические причины имеют предсказуемые последствия или что природа следует простому порядку. Идеал этого мировоззрения заключался в том, что природа имеет смысл, что она подчиняется рациональным законам, как часы. Отказ от такого образа мышления потребовал огромного интеллектуального мужества и воображения. Это история, которую нужно рассказать много раз.

Непредсказуемое излучение

Квантовая эра явилась результатом серии лабораторных открытий во второй половине XIX века, которые отказывались объясняться господствующим классическим мировоззрением, взглядом, основанным на ньютоновской механике, электромагнетизме и термодинамике (физике тепла). Первая проблема кажется достаточно простой: нагретые объекты излучают определенное излучение. Например, вы излучаете излучение в инфракрасном спектре, потому что температура вашего тела колеблется около 98 ° F. Свеча светится в видимом спектре, потому что она горячее. Тогда вопрос состоит в том, чтобы выяснить связь между температурой объекта и его свечением. Чтобы сделать это упрощенно, физики изучали не горячие объекты вообще, а то, что происходит с полостью при ее нагревании. И вот тогда все стало странно.

Описанная ими проблема стала известна как излучение черного тела, электромагнитное излучение, захваченное внутри замкнутой полости. Под черным телом здесь понимается просто объект, излучающий сам по себе, без проникновения внутрь чего-либо. Изучая свойства этого излучения, проделывая отверстие в полости и изучая просочившееся излучение, стало ясно, что форма и материал полость не имеет значения. Все, что имеет значение, это температура внутри полости. Поскольку полость горячая, атомы с ее стенок будут производить излучение, которое заполнит пространство.

Физика того времени предсказывала, что полость будет заполнена в основном высокоэнергетическим или высокочастотным излучением. Но это было не то, что показали эксперименты. Вместо этого они показали, что внутри полости происходит распространение электромагнитных волн с разными частотами. Некоторые волны доминируют в спектре, но не волны с самой высокой или самой низкой частотой. Как это могло произойти?

Квантовая пинта

Эта проблема вдохновила немецкого физика Макса Планка, написавшего в своей «Научной автобиографии»: «Этот [экспериментальный результат] представляет собой нечто абсолютное, и, поскольку я всегда считал поиск абсолюта высшей целью всей научной деятельности, я горячо поставил перед собой работать."

Планк боролся. 19 октября 1900 г. он сообщил Берлинскому физическому обществу, что получил формулу, хорошо согласующуюся с результатами экспериментов. Но найти подходящий оказалось недостаточно. Как он писал позже, «в тот самый день, когда я сформулировал этот закон, я начал посвящать себя задаче наполнить его истинным физическим смыслом». Почему этот подходит, а не другой?

Пытаясь объяснить физику своей формулы, Планк пришел к радикальному предположению, что атомы испускают излучение не непрерывно, а дискретно, кратно фундаментальной величине. Атомы имеют дело с энергией так же, как мы имеем дело с деньгами, всегда кратными наименьшему количеству. Один доллар равен 100 центам, а десять долларов равны 1000 центам. Все финансовые операции в США кратны центам. Для излучения черного тела с его многочисленными волнами различных частот каждая высвобождаемая частота относится к минимальному пропорциональному «центу» энергии. Чем выше частота излучения, тем больше его «цент». Математическая формула для этого «минимального цента» энергии гласит: E = hf, где E — энергия, f — частота излучения, а h — постоянная Планка.

Планк нашел ее значение, подгоняя свою формулу к экспериментальной кривой черного тела. Излучение определенной частоты может проявляться только как кратное его фундаментальному «центу», который он позже назвал квантовым, словом, которое на поздней латыни означало часть чего-то. Как однажды заметил великий русско-американский физик Джордж Гамов, планковская квантовая гипотеза создала мир, в котором можно было либо выпить пинту пива, либо вообще не пить пиво, но ничего промежуточного.

Квантовая слепота

Планк был далеко не доволен последствиями своей квантовой гипотезы. Фактически, он потратил годы, пытаясь объяснить существование кванта энергии, используя классическую физику. Он был революционером поневоле, побуждаемым глубоким чувством научной честности, чтобы предложить идею, которая ему не нравилась. Как он писал в своей автобиографии:

«Мои тщетные попытки как-то вписать… квант… в классическую теорию продолжались несколько лет и стоили мне больших усилий. Многие мои коллеги видели в этом нечто, граничащее с трагедией. Но я отношусь к этому по-другому... Теперь я знал, что... квант... играет в физике гораздо более значительную роль, чем я изначально был склонен подозревать, и это осознание заставило меня ясно увидеть необходимость введения совершенно новых методов анализа. и рассуждения при решении атомных проблем».

Планк был прав. Квантовая теория, которую он помог предложить, превратилась в еще более глубокий отход от старой физики, чем теория относительности Эйнштейна. Классическая физика основана на непрерывных процессах, таких как планеты, вращающиеся вокруг Солнца, или волны, распространяющиеся по воде. Все наше восприятие мира основано на явлениях, которые непрерывно развиваются в пространстве и времени.

Совсем по-другому работает мир самых маленьких. Это мир прерывистых процессов, мир, в котором правила, чуждые нашему повседневному опыту, диктуют причудливое поведение. Мы фактически слепы к радикальной природе квантового мира. Энергии, с которыми мы обычно имеем дело, содержат такое огромное количество энергетических квантов, что их «зернистость» затемняет нашу способность их видеть. Как будто мы живем в мире миллиардеров, где цент — это совершенно ничтожная сумма денег. Но в мире очень малого правит цент, или квант.

Гипотеза Планка изменила физику и, в конечном счете, мир. Он не мог этого предвидеть. Ни Эйнштейн, ни Бор, ни Шредингер, ни Гейзенберг, ни другие квантовые пионеры. Они знали, что наткнулись на что-то другое. Но никто не мог предположить, насколько квант изменит мир.

Источник