Текст книги "Революция в микромире. Планк. Квантовая теория"
Автор книги: авторов Коллектив
сообщить о нарушении
Текущая страница: 5 (всего у книги 9 страниц)
uv = (8πν²/с³)kT.
Первый вариант этого закона был предложен Рэлеем в 1900 году, и он, как мы отмечали в предыдущей главе, был известен Рубенсу и другим экспериментаторам, работавшим в Имперском физико-технологическом институте. Рубенс во время посещения Планка и позднее, в докладе в Прусской академии наук, представленном через несколько дней, доказывал, что на низких частотах, на которых они с Курльбаумом проводили измерения, закон Рэлея лучше объяснял результаты, чем экспоненциальный закон Вина. Если мы посмотрим на схему, то увидим, что законы Планка и Рэлея – Джинса взаимно накладываются на низких частотах, а законы Вина и Планка – на высоких частотах. И только закон Планка соответствует экспериментальным данным на всех частотах.
Закон излучения черного тела Планка объясняет все экспериментально полученные величины на всех частотах, в то время как закон Рэлея – Джинса соответствует экспериментальным данным на низких частотах, а закон Вина – на высоких.
Как и Планк, Рэлей рассматривал полость, внутри которой электромагнитное излучение находилось в термодинамическом равновесии при заданной температуре. Однако Рэлей не использует осцилляторы Планка и напрямую анализирует свойства волн внутри полости. Ультрафиолетовая катастрофа имеет простое объяснение в теории Рэлея: в полости преобладает коротковолновое излучение, то есть в полость помещаются все волны длиной L/n, где n – целое число, и величина n может расти без ограничения, поэтому она бесконечна (см. схему). Если каждой волне будет соответствовать определенное количество энергии, а количество волн бесконечно, то количество энергии в полости также может быть бесконечным.
Излучение черного тела и солнечный свет
Звезды представляют собой огромные сферы из раскаленного материала, испускающие тепловое излучение. Световой спектр звезды похож на излучение черного тела при достижении температуры поверхности звезды. Доминирующий цвет света звезды является качественным показателем температуры: чем более голубое свечение испускает звезда, тем горячее ее поверхность согласно закону смещения Вина. На схеме мы можем сравнить солнечное излучение, измеренное вне земной атмосферы (светлосерый цвет), с прогнозом, выполненным согласно закону Планка для черного тела температурой 5250 °С. Небольшое расхождение между излучением Солнца и законом Планка связано с тем, что Солнце не находится в идеальном тепловом равновесии. Также на схеме мы можем увидеть излучение (темно-серый цвет), достигающее Земли на уровне моря. В этом случае отмечается резкое снижение интенсивности в определенных интервалах длины волны. Это связано с тем, что атмосферные газы (СO2, кислород или пары воды) поглощают свет на этих интервалах.
Теория Рэлея – Джинса появилась на основе классической физики, но в действительности никогда не выполняла прогностическую функцию. Она приближалась к экспериментальным данным только на низких частотах и в длинноволновом спектре. В течение первого десятилетия XX века величайшие физики эпохи, включая Лоренца, Эйнштейна, Джинса, Вина, Планка, Эренфеста и Пуанкаре, бились над вопросом, почему это так. К концу десятилетия все приняли тот факт, что квантовая гипотеза была необходима для вывода выражения Планка, которое по-прежнему выдерживало проверку экспериментальными данными.
Количество волн, возбуждаемых в полости, бесконечно возрастает при уменьшении длины волны.
Эйнштейн заходит слишком далеко
В 1905 году Эйнштейн ворвался в теоретическую физику и с тех пор стал играть в этой науке первую скрипку до середины XX века. Он публиковал статьи и до этого, но в 1905 году вышло сразу семь статей Эйнштейна, четыре из которых давали науке новые основания. Далее мы будем говорить о теории относительности и о той роли, которую Планк сыграл в ее развитии и распространении, но сейчас нас интересует решительная смена курса в исследованиях квантовой гипотезы после одной из статей Эйнштейна. Статья носила странное название: «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света». Обычно на нее ссылаются при обсуждении фотоэффекта, хотя это лишь одна из тем, рассматриваемых в статье. Работы Эйнштейна отличаются большой ясностью, а введения к ним, предваряющие технические и математические детали, также изложены довольно понятно. Во введении к этой статье мы можем прочесть:
«Волновая теория света, оперирующая непрерывными функциями точки, прекрасно оправдывается при описании чисто оптических явлений и, вероятно, едва ли будет заменена какой-либо иной теорией. Но все же не следует забывать, что оптические наблюдения относятся не к мгновенным, а к средним по времени величинам. Поэтому, несмотря на полное подтверждение экспериментом теории дифракции, отражения, преломления, дисперсии и так далее, может оказаться, что теория света, оперирующая непрерывными пространственными функциями, приведет к противоречию с опытом, когда ее будут применять к явлениям возникновения и превращения света.
Я и в самом деле думаю, что опыты, касающиеся излучения черного тела, фотолюминесценции, возникновения катодных лучей при освещении ультрафиолетовыми лучами и других групп явлений, связанных с возникновением и превращением света, лучше объясняются предположением о том, что энергия света распределяется по пространству дискретно».
Что еще можно добавить?!
Первая часть статьи посвящена рассмотрению некоторых следствий из закона Планка. Одно из них довольно необычно: энтропия излучения при довольно низкой интенсивности описывается выражением, аналогичным выражению для идеального газа. Этот факт подтверждает предположение, что свет состоит из независимых частиц. Эйнштейн мимоходом указал на еще одно доказательство того, что закон Рэлея – Джинса, а не закон Планка, выводится из принципов классической статистической физики. Вторая часть статьи посвящена фотоэффекту, то есть возникновению катодных лучей при освещении ультрафиолетовыми лучами. Это явление было открыто Герцем во время исследований, которые привели его к обнаружению электромагнитных волн. В качестве детектора волн Герц использовал два находящихся рядом металлических наконечника. При прохождении электромагнитной волны между ними возникала искра. Она была более яркой, если наконечники находились в непосредственной близости от основного разряда, который использовался для возбуждения волн, а когда он закрывал детектор, искра была более слабой. Герц заключил, что ультрафиолетовые лучи способствуют усилению разряда на металле.
Когда Эйнштейн начал заниматься этой проблемой, было ясно, что ультрафиолетовое излучение выбивает с поверхности металла электроны. Энергия электронов зависит не от интенсивности, а от частоты излучения. Эйнштейн применил квантовую гипотезу, рассуждая следующим образом: если энергия кванта света полностью передается электрону, мы можем предположить, что для того чтобы оторваться от металла, нужна постоянная энергия W; электрон оторвется от поверхности металла с энергией Е, равной разнице между полученной энергией и энергией, требующейся для отрыва:
Е = hv – W.
Преимуществом данного выражения была возможность его проверки экспериментальными результатами. Также с его помощью можно было определить числовое значение постоянной Планка h и сравнить ее с известной величиной.
Статья Эйнштейна вызвала определенный интерес, но была и раскритикована, прежде всего самим Планком. В предисловии ко второму изданию «Лекций по теории теплового излучения», написанных в 1912 году, можно прочесть:
«В то время как многие физики из консерватизма отвергают развитые мною соображения или занимают выжидательную позицию, другие авторы, напротив, считают необходимым дополнить мои соображения еще более радикальными предположениями. Таково, например, предположение, что распространение всякой лучистой энергии, даже в пустом пространстве, должно происходить неделимыми элементами или квантами. Так как для успешного развития новой гипотезы нет ничего вреднее, чем выход за предел ее применимости, то я всегда стоял за то, чтобы возможно теснее связать квантовую гипотезу с классической динамикой».
Планк говорит об Эйнштейне, хоть и не упоминает его. В приветственной речи при вступлении Эйнштейна в Прусскую академию наук в 1913 году Планк дает ему более дружелюбную и, ввиду будущих открытий, забавную характеристику:
«То, что он в своих умозаключениях иногда, возможно, уходит слишком далеко, как, например, в своей гипотезе световых квантов, вряд ли заслуживает серьезного упрека: не отваживаясь когда-то на риск, даже в самых точных науках о природе невозможно добиться ничего подлинно нового».
Но так же удивительно и то, каким образом в конце концов весы склонились в пользу Эйнштейна. Между 1914и 1915 годами американский физик Роберт Милликен (1868-1953) представил Американской физической ассоциации свои результаты многолетнего экспериментального исследования фотоэффекта. Милликен публично заявлял, что одной из целей этого исследования было опровержение квантовой гипотезы Эйнштейна. Однако в статье с полным отчетом об эксперименте, опубликованной в 1916 году в журнале The Physical Review, можно прочесть:
«В 1905 году Эйнштейн установил первое отношение между фотоэффектом и квантовой теорией, выдвинув смелую, если не сказать несуразную [Милликен использует английское слово reckless] гипотезу о частице света с энергией Αν, энергия которой передается и поглощается электроном. Гипотезу можно квалифицировать [...] как несуразную [...], потому что локализованное в пространстве электромагнитное возмущение нарушает саму концепцию электромагнитного излучения».
Однако статья американского физика завершается фразой, не оставляющей сомнений:
«Уравнение фотоэффекта Эйнштейна было проверено с помощью самых точных тестов и, как нам кажется, во всех случаях соответствовало полученным результатам».
Роберт Милликен и честность ученого
В своем знаменитом эксперименте Милликен анализировал движение мельчайших заряженных капелек масла и сделал вывод о дискретности электрического заряда капель и о его элементарной величине, равной заряду электрона. Есть основания полагать, что Милликен использовал в расчетах лишь определенное количество капель и не применял другие вещества, которые считал способными вызвать погрешность эксперимента. Этот факт был использован критиками: с одной стороны, они ставили под сомнение честность Милликена как ученого, а с другой – видели в этом подтверждение тезиса, согласно которому ученые манипулируют
результатами экспериментов, подгоняя их под теоретические представления. Но никто из этих критиков не упоминает о фотоэффекте. Своими экспериментами американский ученый пытался опровергнуть теорию Эйнштейна. Сам Милликен говорил на этот счет: «Я потратил десять лет моей жизни на проверку этого эйнштейновского уравнения 1905 года и вопреки всем моим ожиданиям вынужден был в 1915 году безоговорочно признать, что оно экспериментально подтверждено, несмотря на его несуразность» (Милликен имел в виду несуразность квантовой теории). Случай с фотоэффектом подтверждает высокую научную честность Милликена и его готовность принять факты, даже когда они противоречат его идеям.
Нобелевская премия за новую физику
Планк выдвигался на Нобелевскую премию в области физики в 1907 и в 1908 годах. Ни в тот, ни в другой раз он не получил награды. В 1908 году он был близок к премии благодаря поддержке великого шведского физика и химика Сванте Аррениуса (1859-1927), который считал, что Нобелевская премия должна признать успехи атомной теории материи, а Планк занимал центральное положение в этой сфере. Но в комитете возникла дискуссия о том, должен ли Вин разделить премию с Планком, так как именно закон Вина стал определяющим для работы Планка. Кроме того, закон Планка, хоть и был подтвержден экспериментально, не имел теоретической базы. В апреле 1908 года Лоренц настаивал, что существующие законы физики не приводят к формуле Планка. Лоренц на тот момент был ведущим специалистом по теоретической физике с мировым именем, и его авторитет заставил комитет сомневаться.
Через десять лет доверие к квантовой гипотезе возросло, и в 1919 году Планк получил Нобелевскую премию в области физики за 1918 год (в годы войны премии не вручались). Нобелевский комитет признавал, что Планк был номинирован большее количество раз, чем другие кандидаты. Ведущие физики-теоретики тех лет – Лоренц, Эйнштейн, Борн, Вин, Зоммерфельд – поддержали его кандидатуру. Сейчас кажется логичным, что Планк первым из основателей квантовой теории был удостоен Нобелевской премии. Затем премии были присуждены Эйнштейну и Бору, позже – другим теоретикам квантовой физики. Возможно, в этом списке, включающем имена Гейзенберга, Шрёдингера, Дирака, Паули и Борна, не хватает имени Арнольда Зоммерфельда (1868-1951).
В 1919 году Нобелевскую премию получил и Йоханнес Штарк (1874-1957). Этот ученый симпатизировал радикальным правым политическим партиям, а впоследствии открыто сотрудничал с нацистским режимом. В конце Второй мировой войны он был приговорен к четырем годам трудового лагеря.
Планк и Штарк отправились в Стокгольм в компании еще одного великого ученого той эпохи – химика Фрица Габера (1868-1934), получившего Нобелевскую премию в области химии годом раньше. Габер открыл в 1909 году процесс синтеза аммиака из водорода и азота. Это позволило Германии организовать производство нитратов для удобрений, а во время войны синтез аммиака применялся для изготовления взрывчатых веществ. Габер также играл важную роль в разработке военных технологий в ходе Первой мировой войны, так как сознательно занимался производством отравляющих газов.
Эти три человека: умеренный Планк, крайне правый расист Штарк и либеральный еврей Габер – летом 1920 года отправились вместе в Стокгольм для получения Нобелевской премии. Наука, война и политика оставили отпечаток на их судьбах. Этих ученых можно считать символом величия и несчастья немецкой науки первой половины XX века, отражающим все противоречия немецкого общества той эпохи. После своей службы Германии, не испытывая никаких угрызений совести за использование науки для создания оружия, Габер покинет родину и не доживет до того, как нацисты начнут использовать газы из его лаборатории для уничтожения представителей его расы. Человек открытой натуры, но далекий от реальной демократии, Макс Планк увидит своими глазами, как здание немецкой науки, возведенное не без его участия, будет разрушаться из-за расистской и дискриминационной политики Гитлера. Все его попытки поддержать науку закончатся провалом. Наконец, Штарк является воплощением худшего в Германии тех лет – дискриминация, расизм и фанатизм росли вместе с могуществом нацистов и достигли степени полного безумия.
Концепция вероятности испускания
Первое оружие массового поражения
Один из чудовищных образов, которые приходят на ум при мысли о Первой мировой войне, это использование на фронте отравляющих газов. Химическая война, которую развернули в основном Франция и Германия, стала проверкой знаний и «гения» лучших химиков. Хорошим образцом изощренности является использование хлорпикрина, или трихлорнитрометана, – очень инертного газа, способного проникать под противогазовые маски. Он не смертелен, но вызывает рвоту, и это заставляет солдат снимать противогаз. Немцы использовали его смесь со смертельными отравляющими газами, которые убивали военных после того, как они снимали маски и вдыхали яд. Немецкое правительство отдало в руки Фрица Габера организацию специального подразделения для химической войны. В нарушение Гаагской конвенции 1899 года немцы использовали хлорную атаку в битве при Ипре 22 августа 1915 года. После этого до конца войны обе стороны активно применяли газы. Габер в качестве оправдания много раз повторял: чем быстрее кончится война, тем меньше людей погибнет. Эти доводы не убедили его жену, которая покончила жизнь самоубийством в тот день, когда Габер отправился на Восточный фронт, чтобы контролировать очередную газовую атаку. Габер имел еврейские корни, однако в Первую мировую войну вел себя как немецкий патриот. И несмотря на это, он не избежал проблем с Третьим рейхом.
Кайзер Вильгельм II и Адольф фон Гарнак, за ними следуют Эмиль Фишер и Фриц Габер во время открытия Института физики, химии и электрохимии имени кайзера Вильгельма в Далеме, Берлин (октябрь 1912 года).
Планк понимал, что критика, звучащая относительно его закона об излучении, обоснованна. Он глубоко обдумал этот вопрос и между 1911 и 1912 годами предложил новую теорию для объяснения закона. Эта теория осталась в истории в качестве любопытного факта, однако в ее построение Планк внес новые элементы, которые в конце концов вошли в состав доктрины о квантовой теории. Один из этих элементов – концепция вероятности испускания.
Энергия классических качелей(вверху) может принимать любую величину. Энергия квантовых качелей(внизу) может принимать только определенные величины, кратные величине энергии hv.
Одно из главных возражений, которое выдвигали Эренфест и другие ученые против теории Планка, заключалось в том, что согласно классической механике осцилляторы могли принимать любое значение энергии, однако квантовая гипотеза ограничивала возможные значения дискретным множеством. Мы можем лучше понять это возражение, если рассмотрим качели. В физике они полностью эквивалентны пружине, или, говоря техническим языком, гармоническому осциллятору. Эти объекты имеют положение равновесия (когда качели находятся в состоянии покоя в самой нижней точке), а при выводе из положения равновесия происходят периодические колебания из одной стороны в другую. Наш повседневный опыт говорит о том, что мы можем раскачивать ребенка так сильно, как захотим. Ограничений по амплитуде движения качелей нет (понимается, что мы не совершаем полный оборот). Однако гипотеза Планка ограничивает возможные значения энергии множеством величин hv. Если бы обычные качели следовали закону Планка, мы видели бы ребенка только на определенных значениях высоты, а не на любой высоте.
Планк в ответ на эти возражения предложил, что осцилляторы могут поглощать энергию постоянно, а испускают ее только в момент, когда величина энергии осциллятора достигает множества hv. Так появился один из судьбоносных концептов – вероятность испускания. Осциллятор, достигавший энергии множества hv, мог испускать или не испускать энергию в соответствии с вероятностью, которую Планк мог рассчитать.
Концепция вероятности испускания была использована Эйнштейном в его знаменитой статье 1916 года, в которой ученый развивает концепцию стимулированного испускания, являющуюся теоретической базой лазерного излучения. Впоследствии квантовая теория приняла концепцию вероятности испускания. Можно утверждать, что квантовая теория рассчитывает только одно – вероятности. Ни Планк, ни Эйнштейн, ни Шрёдингер не приняли до конца вероятностную интерпретацию квантовой механики. Они мечтали о будущих исследованиях, которые должны были исключить эту неопределенность. Так что мы вновь видим, как Макс Планк пытается обуздать коня, которого сам пустил вскачь.
Против диктата видимого. Философские столкновения с Эрнстом Махом
Когда Макс Планк начинал научную карьеру, Вильгельм Оствальд (1853-1932) и Эрнст Мах (1838-1916) имели огромное влияние на немецкую научную мысль. Эти двое были противниками атомизма, а Эрнст Мах также был одним из основных в германском мире приверженцев философской школы позитивизма. Это направление ограничивает познание чувственным опытом, то есть тем, что мы можем увидеть, услышать или потрогать, для этой философии характерна безграничная вера в эволюцию и прогресс.
Философские идеи Маха решающим образом повлияли на Эйнштейна, как он сам это признавал, при разработке специальной теории относительности и подходов к общей теории относительности. Через Эйнштейна Мах повлиял, как мы увидим далее, на Гейзенберга при формулировке квантовой механики.
Мах принимал представления энергетистов о кинетической теории тепла. Атомическая гипотеза, по их мнению, не была необходимой: какой смысл говорить об атомах, если они недоступны чувственному восприятию?
Уже в 1890 году Планк критиковал Маха за непонимание проблем, связанных со вторым началом термодинамики. В 1896 году, прежде чем открыть закон распределения излучения черного тела, Планк присоединился к Больцману в его противостоянии с энергетистами, чья научная программа выглядела неразумной:
«Считаю своей обязанностью выступить со всей возможной откровенностью против дальнейшего развития энергетизма в направлении, которое было принято в последнее время, что означает серьезный шаг назад по отношению к последним результатам теоретических разработок. Данное развитие может иметь следствием поощрение молодых исследователей в дилетантских умозаключениях вместо приобретения ими основательной базы в изучении достоверных достижений».
Планк мог решить, что длинный путь его исследований черного тела до того, пока он на одной из развилок не последовал за Больцманом, мог быть изначально не таким длинным, если бы он не внимал лозунгам антиатомистов.
Планк относительно легко распрощался с собственным антиатомизмом, вновь доказав, что он не догматик. Но по отношению к Больцману ученый ощущал укоры совести за свою начальную позицию и, возможно, поэтому уже после смерти коллеги развернул интеллектуальную борьбу, направленную против позитивизма и особенно против Маха, которого Планк безжалостно атаковал в философских очерках.
Его оценку позитивизму можно обобщить в одной фразе: невозможно опровергнуть позитивизм с точки зрения логики, принимая во внимание внутреннюю основательность доктрины, но его можно судить по результатам. Планк заявлял, что Мах и позитивизм за долгие годы господства не достигли каких-либо ощутимых результатов.
Вместо позитивизма Планк предложил философию, которую мы могли бы назвать реализмом: имеется внешний мир, не зависящий от нас, управляемый универсальными законами природы. Цель науки – описание этих законов и объединение их в полную и согласованную систему, которая может применяться учеными везде и всегда. В течение своей научной деятельности Планк был занят поисками абсолюта, отсюда и его интерес к излучению черного тела, не зависящего от свойств излучающего вещества, к универсальным константам, не зависящим от человека, или даже к теории относительности.
С одной стороны, парадоксально мнение Планка, что теория относительности приближает научную мысль к абсолюту, однако следует помнить: в основании этой теории лежат универсальные законы, например постоянная скорость света. Относительность создает среду пространства-времени, характеристики которой не зависят от человека, от его представлений о масштабе, от его догадок, поэтому данная модель далека от антропоцентричности позитивизма.
Те, кто использует как костыли понятия механики для того, чтобы признать эквивалентность тепла и работы, понимают лишь наполовину достижения данного принципа.
Эрнст Мах о последователях атомной гипотезы
Можно сказать, что Планк выиграл битву, и ведущие немецкие ученые первых десятилетий XX века встали на его сторону против позитивистов. Однако также несомненно, что решающую роль при этом сыграли не философские аргументы сторон, а неоспоримые доказательства существования атомов и успехи в теории относительности и квантовой физике, достигнутые благодаря новым методам науки. При этом идейная дискуссия Планка и Маха превратила первого из них в глазах общественности в важного философа. Имя Планка указано в начале словаря по истории философии, который вышел в Германии в середине прошлого века.
Планк и Мах через призму... Ленина
Интеллектуальное столкновение между Планком и Махом через несколько десятилетий имело удивительные последствия, касающиеся оценки заслуг Планка коммунистическим режимом Германской Демократической Республики. Дело в том, что некоторые аргументы Планка против позитивизма Маха совпадают с мыслями Ленина, изложенными в его статьях. Ленин и Планк признают существование реального объективного мира, не зависящего от человека. Но близость позиций Ленина и Планка не идет далее признания объективности картины внешнего мира. Вывод Ленина является непосредственным следствием из его материалистического восприятия мира, а Планка нельзя назвать истинным материалистом в философском понимании этого термина, так как ученый был религиозен и Бог для него выступал первопричиной всего. Для Планка научные исследования – это способ познания Бога, его дел. По сути, Планк стоит гораздо ближе к Аверроэсу, философу XIII века из Кордовы, чем к Ленину. Как бы то ни было, коммунистические власти Германии увидели в этом частичном совпадении между Лениным и Планком повод восхвалять ученого как патриота и мыслителя.
Эрнст Мах.
Квантовый атом
С 1910 года исследования Эйнштейна и других физиков расширяли сферу действия квантовой гипотезы, но ее час пробил в 1913 году, когда вышла статья молодого датчанина Нильса Бора (1885-1962). Статья, озаглавленная «О строении атомов и молекул», была опубликована в журнале Phylosophical Magazine. В ней Бор представил миру модель, известную нам сегодня как воровская модель атома.
Модель атома водорода Бора. Возможны только орбиты, обозначенные номерами n = 1, 2,3... Электрон при переходе с одной орбиты на другую испускает квант света.
В день выхода статьи Бор находился в Манчестере, он работал в лаборатории Эрнеста Резерфорда, экспериментально доказавшего, что атомы состоят из положительно заряженного ядра, в котором сконцентрирована почти вся масса атома, и электронов, формирующих отрицательно заряженную оболочку. Вдохновленный Резерфордом, Бор разработал планетарную модель простейшего из всех атомов – атома водорода. Он состоит из одного положительно заряда в ядре и одного электрона, движущегося по орбите вокруг ядра. В модели Бора электрон вращается вокруг ядра по круговой орбите, так же как планеты вокруг Солнца или Луна – вокруг Земли.
Но между Луной и электроном имеется существенное различие: электрон – заряженная частица, а Максвелл предсказал, что при движении электрона по круговой орбите он должен испускать электромагнитные волны и, таким образом, терять энергию. Поэтому, в отличие от Луны, электрон, теряя энергию, должен перейти на спиральную орбиту и в конце концов упасть на ядро. Бор поступил так же, как и Планк с осцилляторами 13 лет назад, – чтобы выйти из тупика, он прибегнул к квантовой гипотезе. Бор предположил, что возможны только определенные орбиты, на которых электрон не излучает энергию. А при переходе на другую орбиту электрон испускает квант света частотой V, которая равна разнице энергии между орбитами ΔΕ, деленной на постоянную Планка (см. схему). То есть он применил к процессу испускания электронами света формулу Планка Е = hv, используя ΔΕ вместо Е.
Модель атома Бора предполагала разрыв с классической физикой по трем фундаментальным аспектам. Во-первых, орбиты были квантованы на дискретные уровни энергии; во-вторых, электроны на стационарных орбитах не излучали электромагнитную энергию, и, наконец, излучение света было дискретным, в виде квантов. Только благодаря накопленному на тот момент опыту ученые не пришли в ужас от модели Бора, которая объясняла множество наблюдаемых явлений.
Начиная с момента появления модели Бора структура атома становится центральной проблемой квантовой теории. Другие именитые ученые, такие как Гейзенберг и Шрёдингер, примут у Планка, которому на тот момент было уже 55 лет, эстафету для решения этих новых задач.
Послевоенная наука
После Первой мировой войны экономическое положение Германии значительно ухудшилось. Государство финансировало войну, используя банковские кредиты, что создало огромный финансовый долг. Выплата долгов и репараций по Версальскому мирному договору привела страну к невыносимой финансовой ситуации. Вследствие экономической нестабильности в период с 1919 по 1923 год на страну обрушилась инфляция. Если во время войны курс немецкой марки составлял 9 марок за доллар, то в конце 1919 года за доллар давали 40 марок. Летом 1922 года котировки рухнули до 400 марок за доллар. Но это было только начало. В январе 1923 года курс достиг 7000 марок за доллар, в июле – 160 000, в августе – миллиона, в ноябре – 4,2 триллиона марок.
Немецкий физик Вальтер Эльзассер (1904-1991), эмигрировавший в США и предложивший там теорию гидромагнитного динамо для объяснения происхождения магнитного поля Земли, в 1923 году проживал в Берлине. Его предусмотрительный отец открыл счет в американских долларах в банке Базеля. Эльзассер рассказывал, что раз в неделю он шел в центр города, чтобы снять сумму в марках на очередную неделю. Сразу же после этого он должен был запастись продуктами на всю неделю, потому что если подождать два или три дня, деньги тут же обесценивались.
В эпоху развития квантовой физики ученые часто встречались и обменивались мнениями. В этом состояла философия Сольвеевских конгрессов. Макс Планк присутствовал на первом (в глубине второй слева) в 1911-м и на пятом в 1927 году.
Г игантская инфляция, вызванная Первой мировой войной, коснулась и немецкой науки. На фотографии дети играют пачками обесценившихся банковских билетов.
В подобной ситуации оказался и Планк: предоставленная ему для поездки по академическим надобностям сумма быстро обесценилась, и когда он прибыл на место, ему не хватило денег, чтобы заплатить за гостиницу, и ученый был вынужден ночевать в зале ожидания на вокзале.
Поразительно, что в этих условиях Вернер Гейзенберг смог защитить свою диссертацию (1923), а еще более впечатляет, что в 1921-1922 годах был завершен опыта Штерна и Герлаха, который требовал значительных экономических затрат, однако позволил открыть спин электрона. (Спин – квантовое свойство частиц, не имеющее точного аналога в классической физике, которое можно объяснить, проводя аналогии с вращением частицы вокруг себя).
Все немецкие научные учреждения пережили после войны тяжелый период. Планк как один из руководителей такого заведения приложил все усилия для того, чтобы сократить ущерб, наносимый кризисом немецкой науке. В качестве члена Академии наук вместе с Габером, Нернстом и другими учеными он контролировал работу Национального центра научной документации, миссия которого состояла в том, чтобы хранить по крайней мере один экземпляр любого иностранного научного документа, который мог оказаться важным. Также Планк проводил работу по получению для исследований внешнего финансирования. Средства приходили из самых разных источников – от Фонда Рокфеллера, который в итоге сделал пожертвование на полмиллиона долларов, японского предпринимателя Хаджиме Хоши, американской компании General Electric.
