Кто изобрел современную физику? От маятника Галилея до квантовой гравитации

Следующим после Максвелла, кто изобрел новое фундаментальное понятие, стал человек, этого не желавший и для этого малоподходящий, — 42-летний германский профессор Макс Карл Эрнст Людвиг Планк. Он вырос в семье профессора-юриста, а окончив гимназию, думал заняться античной литературой или музыкой, прежде чем избрал физику. И длинный ряд имен, и гуманитарность семейных обстоятельств предвещали скорее чинно традиционную профессорскую жизнь, чем сногсшибательное открытие, требующее перестроить фундамент физики. В жизни Планка это совместилось.

В студенческие годы от физики его пытался отговорить его же профессор, сказав ему, что там почти все уже открыто, осталось заполнить лишь пару пробелов. На это Планк ответил, что и не стремится открывать новое, а хочет лучше понять уже известные основы физики. Этим он и занимался 20 лет, изучая теоретическую физику и преподавая ее студентам.

В 1894 году чинная профессорская жизнь споткнулась о проблему теплового излучения.

Проблему эту, собственно, поставил перед собой сам профессор, размышляя над практической задачей — помочь электротехнической компании разработать экономичную лампу накаливания. Практическую задачу решать надо практически, выбрав конкретный материал для нити накаливания. Но конкретных материалов очень много. Нужна какая-то руководящая идея, а еще лучше теория в соответствии с афоризмом: «Нет ничего практичней хорошей теории».

Теории тогда еще не было. Никто не понимал, что в точности происходит с веществом, когда оно от жара начинает светиться. Из наблюдений знали, что разные вещества, разогретые до одинаковой температуры, светят по-разному. На этом основан спектральный анализ, с помощью которого открыли гелий на Солнце.

Максвелл полагал, что разные вещества излучают по-разному потому, что состоят из разных атомов. Но если разные атомы излучают по-разному, то, казалось бы, и никакой общей теории быть не может?

Физики придумали, как сделать излучение зависящим лишь от температуры излучающего вещества, но не от других его свойств. Для этого надо излучение уравновесить с веществом в замкнутой емкости — в печке — с малым отверстием. Тогда излучение внутри печки выйдет наружу, наткнувшись на отверстие, лишь после долгих блужданий между стенками емкости. За время этих блужданий излучение придет в некое уравновешенное состояние.

Для физиков малое отверстие в большой емкости — отличная модель абсолютно черного тела. Так физики называют тело, которое поглощает все падающие на него лучи, не отражая ничего, но само может излучать. Отверстие в печке, разумеется, излучает, если печка достаточно разогрелась.

Физикам удалось доказать теоретически, что яркость такого теплового уравновешенного излучения зависит не от печки, а лишь от ее температуры. Но из теории никак не следовало, какого цвета и яркости это излучение должно быть. На помощь пришли экспериментаторы, и, согласно измерениям, яркость оказалась распределена по цветам согласно графикам такого вида (цвет описывается длиной волны или частотой колебаний ν):

Самый выдающийся пример печки, излучение которой определяется аналогичной кривой, — Солнце, если в его спектре не обращать внимание на темные фраунгоферовы линии и светлые линии протуберанцев. И те и другие линии возникают за пределами поверхности Солнца, а основное его излучение, прежде чем доберется до поверхности, успевает за время своих внутренних блужданий прийти в равновесие с веществом Солнца.

Важно, что спектр равновесного излучения — универсальная кривая, а значит, определяется какими-то универсальными — фундаментальными — законами. Но какими? Об этом и размышлял Планк, опираясь на главные достижения Максвелла и Больцмана: электромагнитную теорию света и статистическую теорию тепла. Надо было сложить две теории в одну. Но как это сделать, не зная устройство вещества, не зная, как именно излучают атомы?

Планк решил эту проблему, сделав вещество искусственно, теоретически. Ведь если спектр теплового излучения универсален, значит, он возникнет из равновесия с любым веществом. И Планк сотворил вещество — мысленно — из осцилляторов Герца, которыми тот изучал электромагнитные волны Максвелла. Каждый осциллятор — петля из проводника с маленьким разрывом. Поскольку осциллятор мысленный, можно не думать, из чего он сделан, а частота осциллятора определяется размерами петли и разрыва.

Мысленно-экспериментальная «печка» Планка с зеркальными стенками содержала внутри множество осцилляторов разных частот. Излучение уравновешивалось в результате многократного взаимодействия с осцилляторами.