Звездочёты. 100 научных сказок

– Ещё в школе Макс полюбил физику. Однажды учитель сказал: «Представьте себе рабочего, который поднимает тяжёлый кирпич на верх строящегося дома. Затраченная им энергия не пропадает. Возможно, однажды, спустя много лет, кирпич расшатается и упадёт вниз на голову случайного прохожего».

Макс Планк был потрясён такой иллюстрацией закона сохранения энергии. Это потрясение выросло в глубокую заинтересованность теоретической физикой.

В университете Планк подготовил диссертацию по термодинамике. После университета у него не было постоянной работы, но это не могло удержать его от занятий наукой. Он читал статьи видных физиков Гельмгольца и Кирхгофа, самостоятельно занимался наукой и писал статьи. Благодаря этому Гельмгольц заметил талантливого молодого учёного, и Планк стал быстро продвигаться по карьерной лестнице, в 30 с небольшим лет став профессором теоретической физики в Берлинском университете.

Молодой профессор Планк не был похож на обычных маститых профессоров с бакенбардами и бородами. Однажды, вскоре после приезда в Берлинский университет, он забыл, в какой аудитории должен читать лекцию. Планк зашёл в канцелярию и обратился к пожилому человеку, ведавшему канцелярией:

– Скажите, пожалуйста, в какой аудитории профессор Планк сегодня читает лекцию?

Старик похлопал его по плечу и сказал:

– Не ходите туда, юноша. Вы ещё слишком молоды, чтобы понимать лекции нашего мудрого профессора Планка.

В это время электрическая компания попросила профессора Планка выяснить, как при минимальных затратах энергии достичь максимальной светимости электрической лампочки. Планк откликнулся на просьбу и начал работу, из которой выросла новая эпоха в науке.

Давно было ясно, что от температуры тела (например, раскалённой проволочки в электролампе) зависит интенсивность его свечения, а также цвет излучения (или длина его волны).

– Верно! – закричала Галатея. – Свечка горит жёлтым, а пламя очень горячей электросварки – синее.

– Для массового производства электроламп важен точный ответ, который позволит миллионам лампочек, горящих по всему миру, быть максимально яркими. Профессор Планк взялся за проблему определения спектра свечения раскалённых тел и за изучение вопроса, как этот спектр зависит от температуры. К тому времени были известны два закона для свечения тел как функции длины волны. Один – эмпирический закон физика Вина – хорошо описывал зависимость длины волны, на которую приходится максимум свечения, от температуры тела, а также яркость свечения в области коротких волн. Однако в длинноволновой части закон Вина сильно отличался от экспериментальных данных. Другой закон – теоретический закон Рэлея – Джинса – наоборот, совпадал с экспериментальными данными для длинных волн, но в области коротких волн безнадёжно врал, утверждая, что основная энергия излучения будет содержаться в самых коротких волнах.

Для начала Планк решил получить формулу, которая хорошо соответствовала бы наблюдаемой зависимости свечения от длины волны, не заботясь о её теоретическом основании. Может, физик-теоретик Планк пошёл по пути получения эмпирической формулы именно потому, что свечение ламп было практическим вопросом: производителей лампочек не интересовала теория – им требовалась работающая в реальности формула.

Планку удалось вывести математический закон, который давал правильные, совпадающие с экспериментом выражения для излучения лампы, как в длинных, так и в коротких длинах волн. Он рассказал об этой формуле на заседании Германского физического общества 19 октября 1900 года. На докладе присутствовал физик Генрих Рубенс, который проводил опыты с чёрным телом. Когда лекция закончилась, Рубенс отправился в свою лабораторию и большую часть ночи провёл за сравнением формулы Планка и экспериментальных данных. Формула работала прекрасно, о чём Рубенс утром сообщил профессору.

Планк был очень доволен. Оставалось понять, является ли полученная формула математическим трюком, не имеющим глубокого обоснования, или её можно вывести из первых принципов физики. Планк начал искать обоснование своему закону, опираясь на работы знаменитого Больцмана, который глубже всех современников понял термодинамику. После долгих усилий учёный выяснил, что его формула не получается из обычных принципов, зато прекрасно выводится, если предположить, что элементарный осциллятор может испускать волны только порциями, пропорциональными частоте волны ϑ.

– Что такое осциллятор и почему он такой непонятный, хотя и элементарный? – озадаченно спросила Галатея.