Божественный Космос

Большинство людей уже знает: считается, что тепловое излучение и свет создаются очень простой вещью — движением вспышек электромагнитной энергии, известных как “фотоны”. Однако до 1900 года считалось, что свет и тепло движутся не в форме дискретных (прерывистых) единиц “фотонов”, а гладко, плавно и неразрывно. Физик Макс Планк первым открыл, что на самом крошечном уровне свет и тепло движутся “пульсациями” или “пакетами” энергии, величиной 10-32 см. По сравнению с таким размером атомное ядро было бы величиной с планету! Интересно следующее: чем быстрее колебание, тем больше пакеты, и, соответственно, чем медленнее колебание, тем меньше пакеты. Планк открыл, что отношение между скоростью колебания и размером пакета всегда остается постоянным, не зависимо от того, как вы их измеряете. Постоянное отношение между скоростью колебания и размером пакета известно как Закон Распределения Вейна. Планк обнаружил единственное число, выражающее это отношение. Сейчас оно известно как “Постоянная Планка”.

Недавно опубликованная статья Каролин Хартман (декабрьский 2001 года выпуск журнала Наука и техника 21-го века) посвящена исключительно находкам Макса Планка. Она раскрывает, что головоломка, созданная его открытиями, остается нерешенной:

“Сегодня, в целях более глубокого проникновения в структуру атома, наш долг — продолжать исследования таких ученых как Кюри, Лиза Мейтнер и Отто Ган. Но фундаментальные вопросы: что вызывает движение электронов, подчиняется ли это движение определенным геометрическим законам, и почему одни элементы более устойчивы, чем другие, все еще не имеют ответов и ожидают новых передовых гипотез и идей”.

В этой книге мы уже можем видеть ответ на вопрос Хартман. Как мы уже сказали, открытия Планка совершались в результате изучения теплового излучения. Вводный параграф в статье Каролин Хартман — совершенное описание его достижений:

“Сто лет назад, 14 декабря 1900 года, физик Макс Планк (1858–1947) объявил (в речи перед Обществом Кайзера Вильгельма в Берлине) о своем открытии новой формулы излучения, которая могла бы описывать все закономерности, наблюдаемые при нагревании материи, когда она начинает испускать тепло разных цветов. Причем его новая формула основывалась на одном важном допущении: энергия излучения не непрерывна, излучение происходит только пакетами определенного размера. Трудность в том, как сделать стоящее за “формулой” допущение физически понятным. Что имеется в виду под “энергетическими пакетами”, которые даже не постоянны, а меняются пропорционально частоте колебания (Закон Распределения Вейна)?”

Немного позже, Хартман продолжает:

“(Планк) знал: когда бы вы ни наталкивались на, по-видимому, неразрешимую проблему в Природе, в ее основе должны лежать более сложные закономерности; иными словами, должна существовать иная “геометрия Вселенной”, чем считалось раньше. Например, Планк всегда настаивал на том, что надежность уравнений Максвелла следует пересмотреть, потому что физика достигла такой стадии своего развития, при которой так называемые “физические законы” больше не универсальны”.

Зерно работы Планка может быть выражено простым уравнением, описывающим, как излучающая материя высвобождает энергию в “пакетах” или вспышках. Это уравнение Е = hv, где Е — это конечная измеряемая энергия, v — частота вибрации излучения, высвобождающего энергию, и h — известна как “Константа Планка”, регулирующая “поток” между v и E.

Константа Планка равна 6,626. Это отвлеченное выражение, поскольку выражает чистое отношение между двумя величинами и не нуждается в присвоении любой конкретной категории измерения, иной, чем эта. Планк открыл эту константу не чудом, скорее он скрупулезно вывел ее посредством изучения многих разных видов теплового излучения.

Это первая главная тайна, которую проясняет Джонсон в своем исследовании. Он напоминает: для измерения константы Планка используется декартова (прямоугольная) система координат. Эта система названа по имени ее создателя Рене Декарта и означает, что для измерения трехмерного пространства используются кубы. Она стала настолько привычной, что большинство ученых даже не считают ее чем-то необычным, просто длина, ширина и высота. В экспериментах, таких как эксперименты Планка, для измерения энергии, движущейся через определенную область пространства, используется маленький куб. В измерительной системе Планка, в целях простоты, этому кубу был естественно присвоен объем “единицы” (1). Однако когда Планк писал свою константу, он не хотел иметь дело с десятичным числом, и поэтому сдвинул объем куба до 10. Это сделало константу равной 6,626 вместо 0,6626. По-настоящему важным было отношение между чем-то, находящимся внутри куба (6,626), и самим кубом (10). Не имеет значения, присваиваете ли вы кубу объем единицы, десяти или любого другого числа, поскольку отношение всегда остается постоянным. Как мы говорили, Планк разгадал постоянную природу этого отношения только посредством тщательных многолетних экспериментов.