Предчувствия и свершения. Книга 2. Призраки
Шрифт:
Релей решил начать все сначала, основываясь на работах Максвелла и Больцмана, на общепринятом законе равного распределения энергии по степеням свободы. Он получил новый закон: удельная мощность излучения абсолютно черного тела должна быть пропорциональна абсолютной температуре и обратно пропорциональна четвертой степени длины волны. Формула Релея, полученная из признанной и казавшейся тогда безупречной молекулярно-кинетической теории, расходилась с опытом еще сильнее, чем формула Вина! Из нее не получался даже закон смещения. Кривая стремительно и неограниченно нарастала в сторону коротких волн.
Давая сравнительно хорошее совпадение с опытом на длинных волнах,
Возникло парадоксальное положение, подчеркивающее, что при любой температуре любое тело должно, исходя из молекулярно-кинетической теории, излучать бесконечную энергию на коротких волнах, более коротких, чем ультрафиолетовые волны. Формула Релея превращала любое тело в тепловую машину, в машину смерти, неудержимо преобразующую без остатка тепло в излучение. Это должен быть необратимый процесс. Все предметы должны сиять фиолетовым пламенем и полыхать коротковолновым излучением. Так в науку ворвался призрак «ультрафиолетовой катастрофы»…
Начались разговоры о тепловой смерти Вселенной, ибо этот процесс может прекратиться только тогда, когда мир остынет до абсолютного нуля. Все понимали, что этого не может быть, что необходимо опровергнуть формулу Релея, иначе придется отказаться от молекулярно-кинетической теории, от всей классической физики!
За дело взялся Макс Планк — физик, первым ставший официальным физиком-теоретиком, он действительно первым в 1885 году занял должность экстраординарного профессора теоретической физики в Кильском университете. Через четыре года Планк получил ту же должность в Берлинском университете, а в 1892 году стал там ординарным профессором. Некоторые еще продолжали считать должность профессора теоретической физики излишней, пишет он в своей автобиографии и продолжает: «Ведь я тогда был среди всех физиков единственным теоретиком… что сделало мое положение не совсем легким». До него, начиная с Галилея, каждый физик, изучая природу, выступал и как экспериментатор и как теоретик. Потом и для физики возникла необходимость разделения труда, специализации не только по областям исследования, но и по методам. Конечно, не перевелись и универсалы, которые по-прежнему объединяют в себе обе ипостаси, и многие из них успешно конкурируют с узкими специалистами.
Позже Планк рассказывал, что он не надеялся на удачу при попытке отыскать неизвестную функцию в законе Вина или при поисках нового закона. Слишком многие уже потерпели неудачу. Он рассуждал так. Закон Вина, несомненно, справедлив в области коротких волн, а закон Релея в области длинных волн. Но они кажутся несовместимыми.
Нужно приняться за дело как-то иначе. И не спешить.
Драматическая история возникновения квантовых идей со временем трансформировалась и обросла рядом стереотипов. Некоторые из них возникали из лучших педагогических побуждений, имевших целью облегчить восприятие идей, столь далеких от привычных и наглядных основ классической науки. Другие родились на последующих этапах, когда кванты уже казались естественными образованиями, без которых невозможно понимание явлений микромира. Недаром «отец квантов» Планк написал: «Обычно новые научные истины побеждают не потому, что их противников убеждают и они признают свою неправоту, а большей частью потому, что эти противники постепенно вымирают, а подрастающее поколение усваивает истину сразу».
Человеческая психика такова, что эмоции сильнее доказательств. Люди менее остро ощутили зверства нацистов из протоколов и репортажей о Нюрнбергском процессе, чем из дневников Анны Франк, маленькой девочки, бесхитростно фиксировавшей течение своих последних дней.
Проследим же историю возникновения квантов по воспоминаниям главного участника. Планк взялся за дело, зная, что всех его предшественников постигла неудача. Будучи чрезвычайно педантичным, трудолюбивым человеком, он решил пройти весь путь с самого начала, приняв за отправные пункты только безусловно достоверное. За достоверное он счел термодинамику и электродинамику. И конечно, закон Стефана — Больцмана, полученный из непосредственного опыта.
Итак, внутри замкнутой полости все тела приходят в равновесие с излучением, подчиняясь при этом Первому и Второму началам термодинамики и уравнениям Максвелла. Безразлично, что находится в полости: куски металла, или камертоны, или вибраторы, незадолго до того изученные Герцем. Для обычных веществ все было ясно. При равновесии внутри полости на любой вид. движения атома, молекулы или частицы твердого вещества — вращательное, поступательное, колебательное — на каждую степень свободы приходится одинаковая доля всей находящейся внутри полости энергии, доля, зависящая только от температуры.
Планк был уверен, что задача будет решена полностью, если он применит эту общеизвестную закономерность к конкретному простейшему случаю — к вибраторам Герца. Планк увидел в вибраторе Герца удобную модель излучающего и поглощающего тела. С точки зрения излучения этот вибратор, каким бы ни было его конкретное устройство, является системой с одной степенью свободы. Он поглощает только те электромагнитные волны, которые может излучать. Совсем так, как ведет себя камертон по отношению к звуковым волнам. Удобная модель. Но Планк заподозрил, что, в отличие от камертона, в вибраторе Герца процесс излучения чем-то отличается от процесса поглощения и это позволит вскрыть особенности равновесного состояния внутри полости.
Из этого не вышло ничего. Никаких особенностей не обнаружилось. Больцман, узнав о попытке Планка, объяснил ему, что никаких новых результатов и не следовало ожидать, оставаясь в рамках классической динамики. И в заключение сказал, что решить эту загадку невозможно, не введя в рассмотрение каких-то элементов прерывности, дискретности…
Это указание, туманное, как слова Дельфийского оракула, вошло в сознание или, вернее, в подсознание Планка. Он только не мог придумать, какой смысл можно сюда ввести. Впрочем, и Больцман не мог предложить ничего более определенного. Его мнение опиралось только на интуицию.
Тогда Планк взялся за дело с другого конца, приняв за исходный пункт термодинамику, в которой он чувствовал себя более твердо, чем в электродинамике. Термодинамика показывала, как нужно изучать необратимые процессы, текущие из любого начального состояния в сторону равновесия. Расчеты привели Планка к чрезвычайно изящному результату. Этот результат потряс ученого. Он многократно проверял вычисления. Ошибки не было. Так из термодинамики неожиданно получилось соотношение, эквивалентное закону Вина, верному для коротких волн и неверному для длинных. Значит, термодинамика тоже привела Планка в тупик.