От ламп накаливания до квантовой механики — всего один шаг. Хотите узнать, как свет «сломал» физику и почему Макс Планк назвал своё открытие актом отчаяния? Читайте ниже!
Конец XIX века. Лампы накаливания становятся массовым продуктом. Для их производства нужен точный стандарт измерения светимости нагретых тел. Учёные создают модель абсолютно чёрного тела — идеального объекта, который полностью поглощает свет и излучает его только при нагревании.
Представьте шар с маленьким отверстием. Свет попадает внутрь и многократно отражается, пока полностью не поглотится стенками. При нагревании такой объект начинает излучать свет — от инфракрасного до ультрафиолета. Вопрос: как предсказать, сколько и какого света он излучит?
Теория Рэлея и Джинса
Английские физики предположили: тело состоит из заряженных «осцилляторов», колеблющихся с разными частотами. Энергия распределяется поровну между всеми возможными колебаниями.
Формула нормально работала для длинных волн (инфракрасных), так как максимальная длина волны не могла быть больше самого объекта, но что-то пошло не так в другой части спектра…
Так как ограничения снизу на количество возможных осцилляторов не было, почти вся энергия доставалась бесконечности все более малых колебаний. Если бы такое происходило в реальности, то любой нагретый объект светил бы невидимыми и смертельно опасными гамма-лучами. Было очевидно, что теория неверна, но ученые не могли понять, в чём именно заключается ошибка.
Эту ситуацию назвали «ультрафиолетовой катастрофой».
Ученым нужно было пересмотреть фундаментальные представления о свете и энергии. Немецкий физик Макс Планк пытался найти формулу, совпадающую с экспериментами, но теоретически обосновать её не удавалось. Тогда он решился на то, что позднее называл «актом отчаяния» , — попытался подогнать решение к ответу.
В 1900 году Планк предложил революционную идею: ограничение на количество передаваемой энергии. Он постулировал, что существует минимальная порция энергии – квант, меньше которой частицы передать друг другу не могут. Это убрало бесконечный ряд осцилляторов со сколь угодно малыми частотами и идеально согласовало расчеты с экспериментами. Так родилось новое направление — квантовая теория.
Парадоксально, но сам Планк ещё десять лет не верил в физическую реальность квантов, считая их математическим трюком. Но идея уже вышла за рамки его контроля и вдохновила других учёных на новые открытия.
Первым, кто всерьез воспринял квантовую гипотезу, был молодой клерк из патентного бюро — Альберт Эйнштейн. Именно он показал, что кванты света — фотоны — реально существуют, и положил начало целой эпохе открытий, изменивших наше понимание Вселенной.