Пионеры атомного века (Великие исследователи от Максвелла до Гейзенберга)

Физик Вилли Вин, в то время еще ассистент Имперского физико-технического института и приват-доцент Берлинского университета, попытался в 1896 году разрешить эту проблему посредством закона излучения. Он добился важного, хотя и неполного успеха, который стал последней ступенью на пути к квантовой теории. "И бессмертной заслугой Вилли Вина, - писал Макс фон Лауэ, - остается то, что он довел физику непосредственно до ворот квантовой физики, а уже следующий шаг, который предпринял Планк, провел ее через эти ворота".

Исследуя распределение энергии в нормальном спектре излучаемой теплоты, Планк основывался на законе Кирхгофа для излучения в пустом пространстве и на законе излучения Вина. Таким путем он хотел подойти к своей цели гармонично и прочно связать теорию теплоты и учение Максвелла - Герца об электричестве. Лишь позднее благодаря своему собственному открытию Планк понял, что на почве классической физики невозможно построить мост между этими двумя теориями.

Исходным пунктом для эпохального открытия Планка послужили опыты, поставленные в конце 90-х годов Отто Луммером и Эрнстом Прингсгеймом в Имперском физико-техническом институте с целью более точного определения излучения черного тела. Важное и в конечном счете решающее значение для теоретического обоснования квантовой формулы Планка имели результаты измерений, которые были получены там же Генрихом Рубенсом и Фердинандом Курлбаумом при экспериментах с излучением длинных волн, в особенности с инфракрасным остаточным излучением полевого шпата и каменной соли.

19 октября 1900 года Курлбаум сообщил об этих опытах Физическому обществу в Берлине. Результаты экспериментов не соответствовали установленной Вином формуле излучения, которая была пригодна для коротких волн и низких температур. Планк, узнав о результатах опыта Рубенса и Курлбаума за несколько дней до заседания, в заранее подготовленном дискуссионном замечании предложил новую формулу излучения, которая, как он считал, помогла устранить выявившиеся несоответствия.

Замечания Планка были опубликованы в "Сообщениях Немецкого физического общества" под заголовком "Об улучшении спектрального уравнения Вина". Маленькая, всего на три страницы, статья в методическом отношении несет на себе отпечаток становления открытия. Данная в ней формула излучения была при длинноволновом излучении и высоких температурах справедлива для опытных данных Курлбаума и Рубенса; при коротких волнах и низких температурах она переходила в закон Вина, который тем самым получал характер ограниченного закона.

Проверка уравнения Планка подтвердила полное совпадение его с данными опытов. Рубенс ночью, сразу же после заседания, тщательно сверивший новую формулу излучения с имеющимися результатами измерений, мог сообщить об этом Планку уже на следующее утро.

Планк нашел свою формулу полуэмпирическим путем, благодаря своему несравненному чутью в термодинамике. Он сам рассматривал ее как "удачно угаданную промежуточную формулу". Теперь дело было за ее теоретическим обоснованием.

В процессе этой работы, которую он позднее назвал самой тяжелой в своей жизни, Планк пришел к ошеломляющему выводу. Он обнаружил, что его уравнение, которое со всей очевидностью верно отражало действительность, было справедливым только при одном совершенно новом представлении, а именно при допущении, что в процессах излучения энергия может быть отдана или поглощена не непрерывно и не в любых количествах, а лишь в известных неделимых порциях - в "квантах".

Сумма энергий этих мельчайших порций определяется через число колебаний соответствующего вида излучения и универсальную естественную константу, которую Планк ввел в науку под ставшим знаменитым символом h. Он назвал эту постоянную величину "элементарным квантом действия", или "элементом действия". Сегодня ее чаще всего называют постоянной Планка. Ее числовое значение он определил еще за полгода до этого, в другой связи, на основании измерений Луммера и Прингсгейма.

Теоретическое обоснование и разработка "удачно угаданной" формулы излучения заняли примерно столько же времени, сколько пять лет назад понадобилось Рентгену, чтобы в исчерпывающей форме описать свое случайное наблюдение 8 ноября 1895 года и вывести из него закономерность. Поскольку Планк теперь безоговорочно принял отстаиваемую Больцманом атомистическую точку зрения и статистическую теорию теплоты, он пришел к атомистическому обоснованию своего закона излучения и к представлениям гораздо более широким, чем те, которые сложились при первом подходе. Каким путем пришел ученый к окончательному результату, осталось неизвестно. Подобно Гауссу и Рентгену, Планк всегда неохотно говорил о применяемых методах и промежуточных ступенях своего исследования. "Многократно запутанную дорогу", по которой он шел к вычислению и обоснованию своей константы, он описал не более детально, чем Рентген события ночи, в течение которой он сделал свое открытие.