Текст книги "Революция в микромире. Планк. Квантовая теория"

Автор книги: авторов Коллектив

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 9 страниц)

Annotation

Макса Планка часто называли революционером, хотя он был против этого. В 1900 году ученый выдвинул идею о том, что энергия излучается не непрерывно, а в виде порций, или квантов. Отголоском этой гипотезы, перевернувшей сложившиеся представления, стало развитие квантовой механики – дисциплины, которая вместе с теорией относительности лежит в основе современного взгляда на Вселенную. Квантовая механика рассматривает микроскопический мир, а некоторые ее постулаты настолько удивительны, что сам Планк не единожды признавал: он не успевает за последствиями своих открытий. Учитель учителей, в течение десятилетий он стоял у штурвала немецкой науки, сумев сохранить искру разума в сумрачный период нацизма.

Alberto Tomas Perez Izquierdo

Введение

Глава 1

Исследования термодинамики

Почему черное тело излучает

Мудрецы, которые не верили в атомы

Формула для мемориальной доски

Глава 2

Осцилляторы Планка

На сцену выходит Вин

Рубенс приходит к Планку

Только формальное предположение: ε = hv

Начало несчастий

Первая мировая война: от манифеста 93-х до отречения Вильгельма I

Гибель карла под Верденом

Охотник за талантами

Глава 3

Эйнштейн заходит слишком далеко

Нобелевская премия за новую физику

Концепция вероятности испускания

Против диктата видимого. Философские столкновения с Эрнстом Махом

Квантовый атом

Послевоенная наука

Планк с воодушевлением принимает волновое уравнение Шрёдингера

Принцип неопределенности

Планк, Эйнштейн и евреи в нацистской Германии

Гитлер приходит в ярость

Казнь Эрвина Планка

Бозе замыкает круг

Глава 4

Релятивист-энтузиаст

Гений термодинамики

Единицы измерения вселенной

Детерминизм или причинность: мы свободны?

Убегая в лес

Сражения после смерти

Эпилог

Список рекомендуемой литературы

Указатель

Alberto Tomas Perez Izquierdo

Наука. Величайшие теории: выпуск 11: Революция в микромире. Планк. Квантовая теория.

Пер. с исп. – М.: Де Агостини, 2015. – 168 с.

ISSN 2409-0069

© Alberto Tomas Perez Izquierdo, 2012 (текст)

© RBA Collecionables S.A., 2012 © ООО «Де Агостини», 2014-2015

Введение

14 мая 2009 года в 10 часов 12 минут по местному времени двигатели «Ариан-5» были запущены, и ракета начала свой полет в космос с базы Европейского космического агентства (ESA) во Французской Гвиане. Через две минуты ракета достигла высоты 70 км, и в этот момент от нее отделились два дополнительных твердотопливных двигателя. Огромный вытянувшийся в линию клуб дыма, который оставляла за собой ракета, растаял между облаками. В этот момент ее скорость была 2 км/с, почти в шесть раз выше скорости звука, «Ариан-5» продолжала движение благодаря основному двигателю, который работал на водороде и кислороде, хранящихся в баках в сжиженном виде при минусовой температуре. Горение водорода давало энергию, необходимую для движения. Практически всю первоначальную массу ракеты составляло топливо, и при достижении требуемой высоты масса «Ариан-5» составила примерно 1 % от стартовой.

На борту «Ариан-5» находились два устройства – «Планк» и «Гершель». «Гершель» – инфракрасный телескоп диаметром 3,50 м. «Планк» – спутник, оснащенный инструментами для изучения микроволнового фонового излучения. Следует отметить, что вся Вселенная наполнена электромагнитным излучением (его также называют реликтовым), которое появилось в ту далекую эпоху, когда еще не было звезд, а космос представлял собой бульон из частиц и излучения такой интенсивности, при которой атомы мгновенно разрушались и их существование было невозможным. Материя и излучение находились в состоянии термического равновесия при определенной постоянной температуре. В результате расширения и охлаждения Вселенной энергия излучения снизилась, и в это время начали формироваться первые атомные объекты. С тех пор излучение свободно перемещается во Вселенной, не взаимодействуя с материей. Сегодня оно проявляется как микроволновой сигнал, испускаемый во всех направлениях с одинаковой интенсивностью.

Конечной целью спутника «Планк» была вторая точка Лагранжа системы Солнце – Земля, находящаяся на расстоянии полутора миллионов километров от нашей планеты (для сравнения вспомните, что расстояние между Землей и Луной равно 380 тысячам километров). Когда небольшое тело оказывается в точке Лагранжа системы из двух массивных тел, то в результате гравитационного воздействия с их стороны относительное расположение этих трех объектов остается постоянным. В случае с «Планком» его положение должно быть неизменным относительно Солнца и Земли. Из этой позиции удобно проводить постоянное измерение фонового микроволнового излучения, что и является задачей «Планка».

Микроволновое фоновое излучение – это тепловое излучение, схожее с тем, которое испускают нагретые тела. Макс Планк изучал характеристики теплового излучения большую часть своей жизни; если быть более точными, то основной темой его исследований стала проблема, известная нам как излучение черного тела. В 1900 году физики-экспериментаторы с большой точностью измерили, как менялась интенсивность излучения нагретого тела в зависимости от температуры и длины волны. Одним из них был Генрих Рубенс, который лично сообщил Планку 7 октября, что последние измерения отклонялись от ранее предложенных формул. Вероятно, именно в этот день Планк обнаружил математическую формулу, точно описывавшую результаты эксперимента. Эта формула, известная как закон излучения Планка, смогла объяснить все экспериментальные результаты, полученные с тех пор. Четко соответствует ей и микроволновое фоновое излучение.

Открытие Планка стало возможным не только потому, что в распоряжении ученого оказались необходимые данные, но и потому, что он обладал мудростью, способностями и вдохновением. Искомые данные попали к нему первому, поскольку Планка окружали выдающиеся физики той эпохи. При этом он глубоко знал проблему, был знаком с последними научными достижениями, связанными с ней, и, что немаловажно, обладал прекрасной математической подготовкой. Мы упомянули и вдохновение, ведь только благодаря ему ученый записал свою формулу не как неопровержимое доказательство, не как неизбежное следствие первоначальных данных, а для того, чтобы проверить, возможно ли воспроизвести эксперименты, немного изменив имеющийся закон. Так что его открытие было эмпирическим.

Получив формулу, Планк захотел дать ей физическое объяснение, найти ее связь с исходными данными. Для этого он использовал передовые достижения физики своего времени: электродинамику Максвелла и Герца, с одной стороны, и второй закон термодинамики и понятие энтропии – с другой. Также он учел вероятностную интерпретацию понятия энтропии, выдвинутую за несколько лет до этого австрийским ученым Людвигом Больцманом. Наконец, Планк довольно неожиданно, что не без оснований можно назвать гигантским шагом вперед, предложил гипотезу, названную квантовой. Согласно этой гипотезе, механическая энергия осциллятора (например, тела на пружине) не может быть равна произвольной величине, ее значение ограничивается множеством элементарных величин – квантов. Квант энергии Е пропорционален частоте V, с которой колеблется осциллятор:

E = hv.

Постоянная А, определяющая коэффициент пропорциональности между энергией и частотой, известна как постоянная Планка. Вероятно, буква h была выбрана Планком от немецкого слова Hilfe, означающего «помощь».

Расцвет квантовой гипотезы произошел через четверть века, хотя Планк выдвинул ее для решения конкретной задачи – ad hoc – и не придавал ей особого значения, а некоторые физики в начале XX века заявляли, что гипотеза Планка не соответствует классическому подходу Альберт Эйнштейн в своей блестящей статье, написанной в 1905 году, придал квантовой гипотезе гораздо более глубокое значение, чем сам Планк, заявивший: испускание и поглощение света происходит порциями энергии, равными hv.

И если введение Планком гипотезы ставило под сомнение классическую физику, то интерпретация Эйнштейна вступала с известной наукой в открытое противоречие. В XIX веке не подвергалось сомнениям, что свет – это волна. Предположение Эйнштейна подразумевало, что при определенных процессах свет обладает корпускулярными свойствами. Результаты экспериментов американского физика Роберта Милликена, исследовавшего фотоэлектрический эффект, в 1915 году точь– в-точь повторили предсказания Эйнштейна в статье 1905 года. Нужно подчеркнуть, что когда Милликен начал экспериментальные исследования фотоэлектрического эффекта, он стремился опровергнуть корпускулярную гипотезу Эйнштейна, но после нескольких лет упорной работы вынужден был заявить научной общественности о справедливости его теории для фотоэлектрического эффекта. То есть свет оставался волной, но при этом состоял из частиц. В 1913 году Нильс Бор применил квантовую теорию для создания модели атома водорода. Атом Бора объяснял экспериментальные результаты, связанные с испусканием и поглощением света материей,– спектры атомов. С этого момента атомная физика опиралась на фундаментальную формулу Е = hv, применяемую в разных обстоятельствах. Кульминацией этого процесса стало появление в 1920-х годах нового научного раздела – квантовой механики.

Квантовая механика – это теоретическая область знания, изучающая атомные и ядерные феномены. Эта дисциплина – один из столпов современной физики. Макс Планк не принимал участия в разработке квантовой механики – этим занимались более молодые физики: Гейзенберг, Шрёдингер, Дирак,

Борн, Йордан и Паули. Но общепризнанным было представление о Планке как об основателе квантовой физики, который сделал первое открытие в глубинном понимании атомной природы материи, в каком-то смысле – как о первом революционере. За свое открытие в 1918 году Планк получил Нобелевскую премию.

В начале XX века ученый стал одним из самых известных физиков Европы. Значителен его вклад в термодинамику – этим разделом физики он владел как никто другой. Также Планк способствовал развитию теории относительности. Его исследования чёрного тела, кроме своего непосредственного значения, привели к введению в физику, в дополнение к имеющимся, двух универсальных констант. На их основе Планком была создана система единиц массы, длины, времени и температуры, сегодня известная как платовские единицы, независимые от других систем.

Ученый скончался в преклонном возрасте, достигнув 89 лет. Он был свидетелем становления Германии, ее развития и распада после Второй мировой войны. Планк родился в 1858 году, его юношеские годы пришлись на Вторую империю. Рос ученый в националистической и консервативной среде. В эпоху промышленного, научного и технологического расцвета Германии он занимал ответственные посты в учебных заведениях (был ректором Берлинского университета) и немецких научных сообществах. Во второй половине жизни Планку довелось пережить несколько личных трагедий, особенно трудно он перенес смерть двух сыновей и двух дочерей от первого брака.

Несмотря на то что ученый, как и многие его современники, был подхвачен волной национализма, захлестнувшей его страну в начале Первой мировой войны, последствия поражения он, потерявший одного из сыновей на поле боя, переживал тяжело. В межвоенный период Планк занимал влиятельное положение в науке и научной политике, но само время было очень трудным из-за нехватки ресурсов и постоянной политической и социальной нестабильности. Отношения ученого с режимом Гитлера оказались сложными и напряженными. В конце Второй мировой войны Планк потерял еще одного сына, Эрвина, который был казнен нацистами. Эрвин был обвинен в участии в заговоре германского Сопротивления в июле 1944 года, результатом которого стала операция «Валькирия» – покушение полковника Штауффенберга на Гитлера. Всего огромного влияния ученого не хватило для спасения жизни сына.

Макс Планк также занимался философскими аспектами научного знания. Он поддерживал интенсивную дискуссию с одним из самых известных философов своего времени, Эрнстом Махом, о природе научного исследования. В последние годы жизни Планк написал несколько популярных статей о науке, философии и религии, которые были тепло встречены широкой публикой.

Квантовая физика изменила наше понимание мира. Она открыла дорогу многочисленным технологическим новинкам, вошедшим в нашу жизнь. Но за каждым открытием, которое мы совершаем, стоят десятки новых вопросов. Макс Планк постоянно ощущал внутреннюю потребность расширить свое понимание мира и его феноменов, а именно эта потребность является стимулом для неустанного научного поиска. Поиск Истины с большой буквы, Абсолюта был путеводной звездой в непростой жизни ученого.

Ракета «Ариан-5» поднялась вверх, движимая не только сотнями тонн горючего, но и нашими идеями и желанием узнать мир, в котором мы живем.

1858 23 апреля в Киле родился Макс Карл Эрнст Людвиг Планк.

1889 После первых успехов на академическом поприще в Мюнхене и Киле Планк стал преемником Густава Кирхгофа в качестве профессора теоретической физики в Берлине. Два года спустя он получил кафедру.

1895 Назначен редактором престижного научного издания Annalen der Physik, на страницах которого в 1910– 1920-х годах печатались первые статьи по релятивистской и квантовой физике.

1900 19 октября на заседании Берлинского физического общества Планк представил свой закон распределения энергии в спектре абсолютно черного тела (с того времени известный как закон излучения Планка). Два месяца спустя, 14 декабря, в докладе перед тем же обществом ученый выдвинул квантовую гипотезу.

1909 Умерла Мария Планк, в девичестве Мерк. Год спустя ученый вступил в брак во второй раз, женившись на племяннице первой жены, Марге фон Хёсслин.

1913 Планк назначен ректором Берлинского университета.

1914 Через четыре месяца после начала войны подписал вместе с другими 92 немецкими интеллектуалами националистический манифест «Призыв к цивилизованному миру», более известный как Манифест 93-х, в защиту Германии и ее роли в военном конфликте.

1916 В битве при Вердене погиб Карл Планк, старший сын ученого. В следующем году скончалась одна из двух дочерей, Грета.

1919 Планк награжден Нобелевской премией по физике за вклад в открытие квантовой гипотезы. Умерла вторая дочь Планка – Эмма.

1933 В качестве председателя Общества кайзера Вильгельма по развитию науки Планк встретился с только что назначенным канцлером Германии Адольфом Гитлером, чтобы сообщить тому о серьезном ущербе, который антисемитизм наносит немецкой науке. Впоследствии на встрече с коллегой Вернером Гейзенбергом Планк признался: «Нет такого языка, на котором можно было бы объясниться с таким человеком».

1945 Эрвин Планк казнен нацистами. Из пяти детей Макса Планка только один, младший Герман, остался в живых.

1946 Общество научных исследований кайзера Вильгельма переименовано в Общество научных исследований Макса Планка.

1947 4 октября в Гёттингене Макс Планк умирает.

1958 В апреле в Берлине празднуется столетие со дня рождения Планка. В торжествах принимают участие ученые и политические власти обеих Германий.

Глава 1

Планк и физика XIX века

Научные интересы молодого Планка сразу привлекла термодинамика, а именно исследования взаимодействия тепла и разных форм энергии. Кроме научной важности, эта дисциплина представляла собой арену для дебатов о природе физической реальности, к которым Планк примкнул с воодушевлением. В исследованиях термодинамики (как и во многих других областях науки и техники) Германия в те годы бесспорно лидировала.

Макс Планк родился в 1858 году в Киле, на севере Германии, в семье профессора права. Для матери Планка брак с его отцом был вторым. Она прожила до 93 лет, и, возможно, именно от нее ученый унаследовал свое долголетие. Дед и прадед Планка со стороны отца были теологами, многие родственники со стороны матери входили в число духовенства. Круг, к которому принадлежала семья Планка и их ближайшие друзья, составляли преподаватели, адвокаты, государственные чиновники высокого ранга и священнослужители. В детстве Макс Планк не испытывал недостатка в возможностях для интеллектуального развития, а его развлечения (например, летний отдых на Балтийском море) были типичными для немецких семей среднего и высокого достатка.

Такая семья не могла не быть консервативной, но это был интеллектуальный, вежливый и довольно толерантный консерватизм. Планк был открытым человеком, следовавшим доводам разума, он легко общался с носителями полярных политических взглядов, поскольку в течение своей жизни часто наблюдал самые экстремистские проявления борьбы за власть. Планк находился на стороне тех, кто защищал право женщин на высшее образование. В частности, он был наставником Лизы Мейтнер (1878-1968), выдающейся женщины-ученого XX века. В открыто расистском обществе, антисемитизм которого становился все более радикальным, Планк всегда защищал способности и достоинства людей независимо от их расы и происхождения.

В 1867 году семья Планков переехала в Мюнхен. Там Макс завершил среднее образование в гимназии и поступил в университет. Молодой Планк был блестящим студентом, которому легко давались такие разные предметы, как языки, математика, история и особенно музыка, а товарищи и преподаватели любили его за прямоту. Планк окончил гимназию с прекрасными оценками. Под влиянием одного из своих учителей, Германа Мюллера, пробудившего в нем страсть к науке, в 1874 году юноша поступил на факультет экспериментальной физики и математики Мюнхенского университета.

Для того чтобы составить полное представление о Максе Планке как об ученом и как о личности, необходимо рассмотреть политическую, экономическую и социальную атмосферу эпохи его детства и юношества. Все эти годы немецкая политика подчинялась одному человеку – Отто фон Бисмарку (1815-1898). Канцлер Пруссии Бисмарк исповедовал идею объединения немецких земель. Три войны, прогремевшие одна за другой, сделали Пруссию лидирующей частью Германии по отношению к другим государствам, а также Австро– Венгерской империи. Во время первой из этих войн, с Данией, маленький Макс Планк видел своими глазами вступление прусских войск в его родной город. Это была первая встреча Планка с войной (в конце своей долгой жизни он вновь увидит в своем городе чужие войска, на этот раз американские). Киль вместе с герцогством Шлезвиг-Гольштейн был присоединен к прусской короне. Во второй войне, в 1866 году, Пруссия одержала победу над Австрией, а в третьей, франко-прусской войне, – над Францией.

Победа над Францией привела к объединению южных земель под началом Пруссии: 18 января 1871 года Вильгельм I (1797-1888) был коронован в Версале как император объединенной Германии. В период, называемый Второй империей, Пруссия и фон Бисмарк встали во главе объединения Германии. Роль парламента была довольно декоративной, а вся реальная власть была сосредоточена в руках императора, его канцлера и высших должностных чинов. Бисмарк находился у власти до 1890 года, когда Вильгельм II (1859-1941), второй сын Вильгельма I, имевший собственный взгляд на управление государством, решил обойтись без уже престарелого канцлера. Когда Бисмарк оставил свой пост, Планку было 34 года.

Макс Планк в 1878 году. Годом ранее он оставил Мюнхенский университет и перевелся в Университет Фридриха Вильгельма в Берлин.

Основное здание университета изображено на литографии 1880 года.

Планк, его первая жена Мария Мерк и четверо их детей: Карл, Эрвин,близнецы Грета и Эмма.

Последняя четверть XIX века стала периодом радикальных экономических и социальных преобразований. Индустриализация, начавшаяся в середине столетия, превратила Германию в мощную промышленную державу, равную по развитию Британии. Вместе с индустриализацией развивались наука и технологии, являясь одновременно ее причиной и следствием. По всей стране и особенно в Берлине появилось множество исследовательских центров, привязанных к промышленности. Один из них – Имперский институт физики и технологии, основанный в 1887 году и сыгравший ключевую роль в открытии кванта энергии.

Если в Англии считали, что правительство не должно вмешиваться в рыночные отношения, то немецкий капитализм с самого начала находился под сильным влиянием государства. Крупные предприятия и банки, армия и правительство были связаны между собой – так сформировался монополистический капитализм с растущей концентрацией экономики. В сложившейся ситуации рабочее движение набирало силы (не будем забывать, что Маркс и Энгельс были немцами). Ученый и преподаватель Макс Планк отнюдь не симпатизировал рабочему движению, хотя, например, Эйнштейн был его сторонником: он с самой молодости сочувствовал немецкой социал-демократии и неоднократно называл себя социалистом. К счастью, разница в политических взглядах не помешала общению и дружбе двух великих ученых, и это лучше всяких доказательств свидетельствует о том, что Планк был хоть и консерватором, но открытым и толерантным человеком.

Помимо индустриализации, еще одной характеристикой Второй империи стало развитие национализма. Объединение страны в 1871 году сопровождалось скрытым внутренним напряжением. В отдельных частях нового федерального государства сохранялись местные законы и даже монархии, и насаждаемый сверху национализм в этих условиях был необходим для политического и социального объединения страны. Ключевым звеном воспитания национального чувства у «новых немцев» стала система образования.

Ситуацию в экономике, промышленности и науке Германии в начале XX века лучше всего описывает участие государства во Всемирной выставке в 1900 году в Париже.

Павильон страны был выше всех других павильонов. В тематических выставках немцы демонстрировали свои продукты и открытия, подчеркивая их немецкое происхождение. Посетители были впечатлены успехами Германии в области сжижения газов, электрохимии и освещения. Именно к той эпохе восходит представление о высоком качестве немецкого оборудования.

Непохоже, чтобы это доставляло огромное удовольствие англичанину, а если бы он внимательно осмотрел товары, представленные его собственной страной, то почувствовал бы еще большую грусть.

Из статьи, появившейся в английском журнале Nature о немецких измерительных инструментах, представленных на всемирной выставке в 1900 году

Индустриализация требовала рабочей силы с хотя бы минимальным образованием, поэтому с 1870 по 1914 год по всей Европе распространились начальные школы. В эпоху Бисмарка возникла и утвердилась государственная образовательная система от начальной школы до университета с переходным звеном – гимназиями. Университетские преподаватели были государственными служащими и должны были приносить клятву верности императору. Все эти условия создали ту особую среду, в которой вырос Планк, именно они объясняют его пылкий национализм, свойственный большинству немецких ученых его поколения в начале Первой мировой войны.

Интересно, что промышленные методы, разработанные в конце XIX века немецкими учеными и изобретателями, предприятия-гиганты, основанные в тот период, связаны с именами, дошедшими до наших дней: Сименсом, Цейсом, Байером... Мы легко вспомним десяток таких имен, и это лучше всего подтверждает промышленную мощь Германии в конце XIX века, которая была тесно связана с научно-техническим прогрессом.

На рубеже веков, когда Макс Планк сделал одно из величайших открытий в истории физики, Германия была державой, доминирующей во всех сферах науки и техники. Милитаристский и авторитарный режим в стране способствовал усилению националистических чувств германских подданных. И эти два аспекта – научно-техническое развитие и политический авторитаризм – стали определяющими, а под конец сыграли драматическую роль в судьбе Германии и вместе с ней – в судьбе Планка.

Исследования термодинамики

В то время в Германии было принято получать образование не в одном университете, поэтому Макс Планк в 1877 году оставил Мюнхен и отправился в Берлин. Там его наставниками стали Герман фон Гельмгольц (1821-1894) и Густаф Кирхгоф (1824-1887). Обоих относят к плеяде великих физиков XIX века, но, по мнению самого Планка, ученые были не очень хорошими педагогами. В своей краткой научной биографии Планк описывает Гельмгольца как плохого преподавателя, который не готовился к занятиям и постоянно ошибался в расчетах у доски. Казалось, что занятия со студентами нагоняли на него скуку, которая передавалась и студентам, так что, по словам Планка, к концу курса на занятия приходили всего трое человек, включая его самого.

Плохую подготовку к занятиям Германа фон Гельмгольца можно оправдать его погруженностью именно в этот период в изучение электромагнетизма и теории Максвелла. В Германии идеи Максвелла не были распространены, и только благодаря Гельмгольцу в его стране пробудился интерес к теории электромагнетизма. В июле 1879 года Прусская академия наук по инициативе ученого объявила о премии за подтверждение или опровержение теории Максвелла для высокочастотных цепей. Премию получил ученик Гельмгольца – Генрих Герц (1857-1894). Его исследования приведут к открытию в 1888 году электромагнитных волн и окончательному подтверждению теории Масквелла.

ТРИ ПРИМЕРА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ МОЩИ ГЕРМАНИИ

Предприятие Siemens, названное по фамилии основателя, Эрнста Вернера фон Сименса (1816-1892), было лидером электрификации Германии и большой части Европы. Созданная им телеграфно-строительная фирма выпускала альтернаторы и динамо-машины для получения электричества, а также двигатели и лампы для его потребления. Занималось предприятие и электропоездами. Уже упомянутый Имперский институт физики и технологии получил от Siemens дотацию и занимался вопросами электроосвещения. Пережив две мировые войны, Siemens остается мощной транснациональной компанией.

Предприятие Zeiss, основанное немецким оптиком Карлом Цейсом (1816-1888) в 1846 году, с самого начала было одним из главных поставщиков точных оптических инструментов. Именно на Zeiss был произведен микроскоп, с помощью которого Рамон-и-Кахаль открыл синапс нейрона и изучал структуру сетчатки млекопитающих. Компания существует по сей день и считается лидером в своей отрасли.

Третье из упомянутых предприятий-гигантов – Bayer, возможно, самое известное, было основано в 1863 году Фридрихом Байером (1825-1880). Продажи знаменитого аспирина Bayer стартовали в конце XIX века и продолжаются до сих пор. Во время Второй мировой войны Bayer стала частью конгломерата немецких компаний химической промышленности Farben IG, который построил завод по производству синтетического каучука рядом с Освенцимом, используя рабский труд заключенных. После войны конгломерат был разделен на три предприятия: Bayer, Basf и Hoechst – все три до сих пор считаются транснациональными гигантами.

Эльберфельд, Германия, 1878 год. Рабочие в лаборатории компании Bayer AG (создана Фридрихом Байером в 1863 году).

Несмотря на то что лекции Гельмгольца зимой 1877 года не вызывали у студентов большого восторга, Планк на них из первых уст получил информацию о перспективах электромагнетизма – научной области, занявшей важное место в его собственных исследованиях. По всей видимости, Планк, вернувшись в Берлин в качестве профессора, поддерживал дружеские отношения с Гельмгольцем до его смерти в 1894 году.

В отличие от небрежного Гельмгольца, второй преподаватель Планка, Густав Кирхгоф, напротив, так тщательно готовился к лекциям, что заучивал их наизусть и читал без малейших отступлений, так что слушатели с трудом подавляли зевоту. Но опять-таки (и, возможно, для Планка это было намного важнее лекций) преподаватель познакомил талантливого студента с авангардом научной мысли того времени. Кирхгоф стал его проводником в мир новейших исследований в области термодинамики. Годы спустя на Планка будет возложена публикация посмертных «Лекций по теории теплового излучения» Кирхгофа.

Третьим ученым, повлиявшим на Планка в годы его пребывания в Берлине, стал Рудольф Клаузиус (1822-1888). Несмотря на предпринятые попытки, Планк не смог познакомиться с ним лично, но прочитал работы Клаузиуса по термодинамике и погрузился в их изучение со страстью, которая больше не угаснет в нем никогда.

МАКСВЕЛЛ И ВЕЛИКИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ СИНТЕЗ

В середине XIX века развитие теории электромагнетизма находилось на распутье. Благодаря работам Ампера (1775-1836), Фарадея (1791-1867) и других физиков того времени было накоплено много важных экспериментальных данных и законов, доказывающих неразрывную связь электричества и магнетизма. Для объяснения открытых феноменов имелось два варианта представлений. Были сторонники теории взаимодействия на расстоянии, были и те, кто защищал теорию полей. Эрнст Генрих Вебер (1795– 1878) в Германии предложил формулу, объясняющую все статические и динамические электрические и магнитные силы на основании взаимодействия электрических зарядов на расстоянии.

Его формула была похожа на формулу гравитационного притяжения двух тел, но с большим количеством переменных, связанным со скоростью и ускорением частиц. Но один из преподавателей Планка, Гельмгольц, около 1870 года с помощью закона сохранения энергии доказал, что формула Вебера безосновательна. С другой стороны, имелась теория полей, своим рождением обязанная Майклу Фарадею, который представлял, что пространство вокруг магнита заполнено нитями – невидимыми силовыми линиями, натяжение которых отвечало за силы притяжения или отталкивания между полюсами магнита. Также Фарадей представлял электрические силовые линии, соединяющие положительные и отрицательные заряды и создающие притяжение. Шотландец Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879) нашел математическое выражение идей Фарадея и сформулировал унифицированную теорию законов электричества и магнетизма. Его теория была изначально механической и предполагала, что все электромагнетические явления были следствием динамики в постоянной среде – эфире, заполняющем пространство. Теория Максвелла учитывала не только все основные известные явления, но и предсказывала, что эфир может передавать волны, как твердое тело передает колебания. Максвелл рассчитал скорость, которой должны были обладать эти волны, и нашел величину, близкую к скорости света. Он писал: «Мы едва ли можем отказаться от вывода, что свет состоит из поперечных колебаний той же самой среды, которая является причиной электрических и магнитных явлений».

К тому времени, когда Планк отправился учиться в Берлин, были уже сформулированы два начала термодинамики. Первое начало выражает сохранение энергии, одна из его наиболее известных формулировок: «Энергия не создается и не разрушается, а только переходит из одной формы в другую». Этот закон был открыт в середине века учеными Джеймсом Джоулем (1818-1889), Юлиусом фон Майером (1814-1878), Уильямом Томсоном (позже известным как лорд Кельвин; 1824-1907) и самим Гельмгольцем. Суть открытия состояла в том, что существует количественное равенство между механической работой и разными формами энергии, способными производить работу и тепло. В 1840-х годах британский ученый Джеймс Джоуль провел серию опытов, доказавших эквивалентность разных форм энергии. Самый известный из этих опытов легче всего объяснить, хотя не так просто осуществить; состоит он в том, что опускаемый груз заставляет вращаться лопасти внутри сосуда с водой. Как показано на рисунке, блок, трос и ось передают движение груза на лопасти. Сосуд был термически изолирован, и Джоуль заметил, что вода в нем нагревается, когда груз опускается. Потенциальная гравитационная энергия груза превращалась в тепло. Джоуль пришел к выводу: для того чтобы нагреть фунт воды с 50 до 51 градуса по Фаренгейту, необходимо опустить груз весом 817 фунтов на один фут.