19. gadsimta beigas - 20. gadsimta sākums iezīmējās ar jaunu zinātnisku koncepciju dzimšanu, kas radikāli mainīja parasto pasaules ainu. 1887. gadā amerikāņu fiziķi Edvards Morlijs un Alberts Miķelsons vēlējās eksperimentāli apstiprināt tradicionālās idejas, kuras gaisma (tas ir, elektromagnētiskās svārstības) izplatās īpašā vielā - ēterī, tāpat kā skaņas viļņi pa gaisu pārvietojas telpā.
Pat nepieņemot, ka viņu pieredze parādīs pilnīgi pretēju rezultātu, zinātnieki gaismas staru virzīja uz caurspīdīgu plāksni, kas atrodas 45 ° leņķī pret gaismas avotu. Staru kūlis ir divkāršs, daļēji šķērso plāksni un daļēji tiek atstarots no tā taisnā leņķī pret avotu. Pavairoties ar vienādu frekvenci, abas sijas tika atstarotas no perpendikulārajiem spoguļiem un atgriezās plāksnē. Viens no tiem atstarojās, otrs izgāja cauri, un, kad viens stars tika uzlikts uz otra, ekrānā parādījās traucējumu bārkstis. Ja gaisma kustētos kādā vielā, tā dēvētajam ētera vējam būtu jāpārvieto traucējumu shēma, taču sešu mēnešu novērojumu laikā nekas nav mainījies. Tātad Miķelsons un Morlijs saprata, ka ēteris neeksistē, un gaisma var izplatīties pat vakuumā - absolūtā tukšumā. Tas diskreditēja klasiskās Ņūtona mehānikas pamatpozīciju par absolūtās telpas esamību - pamata atskaites ietvaru, attiecībā pret kuru ēteris atrodas miera stāvoklī.
Vēl viens “akmens” klasiskās fizikas virzienā bija skotu zinātnieka Džeimsa Maksvela vienādojumi, kas parādīja, ka gaisma pārvietojas ar ierobežotu ātrumu, kas nav atkarīgs no “avota-novērotāja” sistēmas. Šie atklājumi kalpoja par impulsu divu pilnīgi novatorisku teoriju veidošanai: kvantam un relativitātes teorijai.
1896. gadā vācu fiziķis Makss Planks (1858–1947) sāka pētīt karstuma starus - īpaši to atkarību no izstarojošā objekta struktūras un krāsas. Planka interese par šo tēmu radās saistībā ar viņa tautieša Gustava Kiršhofa domu eksperimentu, kas tika veikts 1859. gadā. Kiršhofs izveidoja absolūti melna ķermeņa modeli, kas ir ideāls necaurspīdīgs trauks, kas absorbē visus uz tā krītošos starus un neizlaiž tos ārā, “piespiežot”. »Atkārtoti atlec no sienām un zaudē enerģiju. Bet, ja šis ķermenis tiek uzkarsēts, tas sāks izstarot starojumu, un jo augstāka būs sildīšanas temperatūra, jo īsāks būs staru viļņu garums, kas nozīmē, ka stari pāries no neredzamā spektra uz redzamo. Ķermenis vispirms kļūs sarkans un pēc tam balts, jo tā starojums apvienos visu spektru. Izstarotais un absorbētais starojums nonāks līdzsvarā, tas ir, to parametri kļūs vienādi un neatkarīgi no vielas, no kuras tiek izgatavots ķermenis - enerģija tiks absorbēta un atbrīvota vienādos daudzumos. Vienīgais faktors, kas var ietekmēt radiācijas spektru, ir ķermeņa temperatūra.
Uzzinājuši par Kiršhofa atradumiem, daudzi zinātnieki nolēma izmērīt melna ķermeņa temperatūru un izstaroto staru atbilstošos viļņu garumus. Protams, viņi to izdarīja, izmantojot klasiskās fizikas metodes - un … viņi nonāca strupceļā, iegūstot pilnīgi bezjēdzīgus rezultātus. Palielinoties ķermeņa temperatūrai un attiecīgi samazinoties ultravioletā spektra radiācijas viļņu garumam, viļņu svārstību intensitāte (enerģijas blīvums) palielinājās līdz bezgalībai. Tikmēr eksperimenti parādīja pretējo. Patiešām, vai kvēlspuldze spīd spožāk nekā rentgena caurule? Un vai ir iespējams sildīt melnu kubu tā, lai tas kļūtu radioaktīvs?
Lai novērstu šo paradoksu, ko sauc par ultravioleto katastrofu, Planks 1900. gadā atrada oriģinālu skaidrojumu tam, kā uzvedas melnā ķermeņa starojuma enerģija. Zinātnieks ierosināja, ka atomi, vibrējot, atbrīvo enerģiju stingri dozētās porcijās - kvantās, un jo īsāks ir vilnis un jo augstāka ir vibrācijas frekvence, jo lielāks ir kvants un otrādi. Lai aprakstītu kvantu, Planks atvasināja formulu, saskaņā ar kuru enerģijas daudzumu var noteikt pēc viļņa frekvences un darbības kvanta reizinājuma (konstante vienāda ar 6,62 × 10-34 J / s).
Decembrī zinātnieks prezentēja savu teoriju Vācijas Fizikas biedrības locekļiem, un šis notikums iezīmēja kvantu fizikas un mehānikas sākumu. Tomēr, tā kā trūka apstiprinājuma ar reāliem eksperimentiem, Planka atklājums izraisīja interesi tālu no nekavējoties. Un pats zinātnieks sākumā kvantās pasniedza nevis kā materiāla daļiņas, bet kā matemātisku abstrakciju. Tikai piecus gadus vēlāk, kad Einšteins atrada pamatojumu fotoelektriskajam efektam (elektronu izspiešana no vielas, kas atrodas gaismas ietekmē), izskaidrojot šo parādību ar izstarotās enerģijas "dozēšanu", Planka formula atrada savu pielietojumu. Tad visiem kļuva skaidrs, ka tās nav tukšas spekulācijas, bet gan reālas parādības mikro līmenī apraksts.
Starp citu, pats relativitātes teorijas autors augstu novērtēja sava kolēģa darbu. Pēc Einšteina teiktā, Planka nopelns slēpjas pierādīšanā, ka matēriju veido ne tikai daļiņas, bet arī enerģija. Turklāt Planks atrada darbības kvantitāti - pastāvīgu saikni starp radiācijas frekvenci un tās enerģijas lielumu, un šis atklājums apgriezās fizikā otrādi, uzsākot tā attīstību citā virzienā. Einšteins prognozēja, ka tieši pateicoties Planka teorijai, būs iespējams izveidot atoma modeli un saprast, kā enerģija uzvedas, kad atomi un molekulas sabrūk. Pēc lielā fiziķa teiktā, Planks iznīcināja Ņūtona mehānikas pamatus un parādīja jaunu veidu, kā izprast pasaules kārtību.
Reklāmas video:
Tagad Planka konstante tiek izmantota visos kvantu mehānikas vienādojumos un formulās, sadalot makrokosmu, kas dzīvo pēc Ņūtona likumiem, un mikrokosmu, kur darbojas kvantu likumi. Piemēram, šis koeficients nosaka mērogu, kurā darbojas Heizenberga nenoteiktības princips - tas ir, nespēja paredzēt elementārdaļiņu īpašības un izturēšanos. Patiešām, kvantu pasaulē visiem objektiem ir divējāda daba, kas rodas divās vietās vienlaikus, izpaudoties kā daļiņa vienā brīdī un kā vilnis citā utt.
Tādējādi, atklājis kvantus, Makss Planks nodibināja kvantu fiziku, kas spēj izskaidrot parādības atomu un molekulu līmenī, kas ir ārpus klasiskās fizikas spēka. Viņa teorija kļuva par pamatu šīs zinātniskās jomas tālākai attīstībai.