Появление квантовой физики частенько связывают именно с Максом Планком. Считается, что он впервые сформулировал логику существования мельчайшей части чего-то или кванта. В дальнейшем это понятие распространилось на самые разные физические явления - кванты материи, кванты энергии и так далее. Позже Планк сформулирует целую группу так называемых Планковских величин - единиц, которые высчитываются из скорости света и приняты как нечто самое маленькое (или самое большое в случае, например, Планковской температуры).
Так почему получилось, что все спокойно жили не тужили, использовали в раздумьях стандартный физический подход, а Планк взял и "придумал" кванты? Какие для этого были предпосылки и почему нельзя было пользоваться, скажем, механикой Ньютона?
Макс Планк искал ответ на вопрос, почему расчеты излучаемой объектом энергии (черного тела) стремятся к бесконечности (на бумаге) при более коротких длинах волн, когда длина волны стремится к нулю, что является абсурдным результатом. Это было известная на тот момент задача чёрного тела.
Представьте себе фонарик, который может излучать свет в красной области цветового спектра (длинные волны) и имеет переключатель для излучения света, скажем, за пределами ультрафиолетовой области цветового спектра. Используя существующие методы расчета того времени, свет, излучаемый за пределами ультрафиолета, будет испускать абсурдное количество энергии. Если пример не совсем ясен, то прокомментирую - это два взаимоисключаемых явления. Примерно как сладкая соль. Но на бумаге получается именно сладкая соль.
Казалось, что ситуация предельно ясна. При заданной температуре частицы вещества излучающей полости имеют максвелловское распределение по скоростям и излучают электромагнитные волны в соответствии с законами классической электродинамики. Излучение находится в термодинамическом равновесии с веществом, значит для нахождения спектральной плотности энергии излучения и связанной с ней функции можно использовать законы термодинамики и классической статистики.
Но если "провернуть это", то на практике мы в какой-то момент получим так называемую ультрафиолетовую катастрофу. Стандартное распределение приведет к бесконечной энергии на определенной длине волны, что принципиально не возможно.
На практике вместо фонариков из примера рассматривали энергию (и спектр) света, излучаемого тепловыми излучателями, нагретыми до все более высоких температур. ("Идеальный" тепловой излучатель называется черным телом.) Раскаленный брусок железа - это отправная точка.
Стандартные подходы ничего не могли решить. И тут как раз Планк задумался о квантах.
Применив к проблеме равновесного теплового излучения методы электродинамики и термодинамики, Планк получил закон распределения энергии в спектре абсолютно чёрного тела (формула Планка) и обосновал этот закон, введя представление о квантах энергии и кванте действия.
Планк выдвинул довольно смелую гипотезу, что заряды в молекулах на поверхности абсолютно чёрного тела играют роль излучателей. При этом энергия квантуется, то есть может принимать только определённые дискретные значения энергии, а излучение или поглощение энергии происходит порциями или квантами только при переходе из одного состояния в другое. Математическое обыгрывание такого взгляда привело к появлению логики кванта.
Позже Макс Планк будет искренне удивляться, что простой математический трюк (так он сам называл этот приём с квантом) перерос в целое направление науки и позволил найти самые невероятные закономерности.
Что касается загадки чёрного тела - нельзя сказать, что она была решена полностью. Эйнштейн ещё доработает этот момент в будущем, критикуя некоторые постулаты Планка. Но сама логика существования кванта в корне изменила взгляд на существующие подходы. В некотором смысле без работ Планка Эйнштейн не смог бы найти ответ на вопрос.
--
💥 Слушайте мои подкасты по теме!
⚡ Обязательно подпишитесь на Telegram проекта и читайте эксклюзивные статьи! Обновления каждый день!
✅ Поддержать проект монеткой или задать вопрос можно тут! Здесь же я публикую фрагменты будущей книги, которую могут читать подписчики
👉💖 Ставьте лайки материалу, подписывайтесь на проект!