Революция в микромире. Планк. Квантовая теория

Объединяя математическое выражение первого и второго начал термодинамики, получаем уравнение:

TS = U + W,

связывающее температуру, энтропию, энергию и работу. Это выражение использовал Планк в своих исследованиях излучения черного тела.

Почему черное тело излучает

Сидя перед камином, мы чувствуем себя загипнотизированными бесконечной игрой языков пламени. Кажется, что они одинаковые, но это не так. Подобное гипнотическое воздействие на нас оказывает и беспокойное течение вод ручья. Водовороты, которые образуются за камнем или веткой, всегда на одном месте, но постоянно меняются. Пламя и вода иллюстрируют одну физическую категорию — турбулентность. Пламя нагревает воздух вокруг, так что он резко поднимается, вызывая явление турбулентности — завихрения, похожие на водовороты, которые мы не видим, но угадываем по движению пепла.

Кроме этого, пламя греет нас. Греет разными способами (теплопроводность, конвекция и др.), но сейчас нас интересует тепло, которое мы получаем, приблизившись к огню, то есть распространяющееся с помощью излучения.

Камин поможет нам изучить разные свойства теплового излучения. В первую очередь, мы заметим, что излучение происходит по прямой линии: у нас согревается часть тела, которая находится непосредственно перед огнем, а части тела, скрытые от пламени, остаются холодными. Если мы отойдем в сторону, мы не почувствуем тепла. Есть и еще одна характеристика теплового излучения, к которой мы настолько привыкли, что она кажется очевидной: излучение тем интенсивнее, чем сильнее разогрето тело, его производящее. Действительно, по мере того как увеличивается количество горящих дров, повышается температура пламени и, соответственно, излучение.

Последнее свойство теплового излучения, которое можно наблюдать в камине, является центральной темой научных трудов Планка. Оно связано с цветом горячего тела. По мере того как дрова нагреваются и пламя становится все сильнее, мы можем наблюдать смену цвета. Менее разогретые участки не испускают видимого света, хотя и греют нас: они испускают излучение в инфракрасной зоне спектра. Раскаленные угли имеют характерный красный цвет и являются наиболее нагретыми. Желтые участки имеют температуру между 1400 и 1600 °С. Чем горячее пламя, тем интенсивнее испускаемый свет — от красного до голубого. Как мы видим в случае огня в камине, экспериментально доказано, что чем более нагрето тело, тем интенсивнее испускаемый им свет и тем короче длина его волны.

Так происходит, потому что свет имеет волновую природу. Воспринимаемый нами цвет связан с длиной волны, которая представляет собой расстояние между двумя соседними максимумами или минимумами распространяющейся волны. Длина волны красного цвета равна примерно 700 нм (нанометр — миллиардная часть метра), желтого — 580 нм, голубого — менее 500 нм. При движении по цветам радуги длина волны уменьшается.

Великий англо-немецкий астроном Уильям Гершель (1738-1822) в 1800 году сделал удивительное открытие. Он пропустил солнечный свет через призму. Свет при этом расщепился на разные цвета — этот эффект был известен со времен Ньютона. На столе в лаборатории Гершеля была полоса света, включающая все цвета радуги, от красного до фиолетового. Тогда ученый взял несколько ртутных термометров с черным наконечником, который повышал их чувствительность к теплу, и разместил термометры так, чтобы на них попадал свет разного цвета, как на рисунке.

В 1800 Уильям Гершель осуществил данный эксперимент, доказав,что интенсивность солнечного излучения для каждого цвета отличается. Кроме этого, ученый открыл инфракрасное излучение.

Гершель обнаружил, что температура поднимается для каждого цвета по-разному: красные лучи нагревают термометр больше, чем желтые и голубые. Так было открыто, что интенсивность солнечного излучения для каждого цвета отличается. Но это еще не все! Исследователь поместил термометр дальше полосы красного цвета, где не было никакой цветовой полосы. Термометр продолжал нагреваться, причем довольно значительно. Таким образом, Гершель открыл инфракрасное излучение, длина волны которого больше, чем способен уловить человеческий глаз. В действительности в этом эксперименте стекло термометра отражает больше видимого голубого и желтого излучения, чем видимого красного и невидимого инфракрасного; эти две полосы света частично поглощались стеклом термометра, стекло нагревалось и разогревало ртуть. Большинство горячих тел испускают большую часть энергии в виде инфракрасного излучения, как показано на схеме.

Интенсивность теплового излучения при разных температурах, включая 3000 К: большая часть излучения происходит в инфракрасной части спектра.

Теперь опустим часть аргументов и зададим вопрос: почему черное тело обязательно должно испускать энергию при определенных условиях? Этот вопрос может показаться удивительным, ведь черное тело поглощает весь свет, который его достигает, и ничего не испускает. Но представим, что перед черным телом находится другое раскаленное тело, и оба они полностью изолированы от внешней среды, то есть тепло не может перейти к каким-либо другим объектам. В этом случае черное тело будет поглощать все тепло, исходящее от другого тела, и, таким образом, нагреется: его температура будет увеличиваться по мере того, как оно будет поглощать энергию, испускаемую раскаленным объектом. В определенный момент температура черного тела сравняется с температурой другого тела. Сможет ли черное тело поглощать тепло после этого момента? Нет, так как это противоречит второму началу термодинамики: тепло не может передаваться от менее горячего к более горячему объекту, в данном случае — черному телу. Что тогда произойдет с непоглощенной частью энергии? Энергия должна излучаться. Так мы приходим к выводу, что черное тело должно также излучать энергию. Возьмите кусок черной ткани и положите его на некоторое время на солнце. Затем возьмите ткань и поднесите к щеке: вы почувствуете, что ткань испускает часть поглощенного тепла.

Идеального абсолютно черного тела в природе не существует. Черные тела, которые мы можем видеть вокруг нас, поглощают весь видимый свет, но многие из них не поглощают инфракрасные и ультрафиолетовые волны, а идеальное черное тело должно одинаково поглощать и испускать свет при любой длине волны, так что абсолютно черное тело можно считать физической абстракцией.

Но это очень полезная абстракция. Тепловое излучение черного тела — идеальное излучение, не зависящее от вещества, из которого тело состоит. Тепловое излучение Солнца не идентично тепловому излучению черного тела, но похоже на него. Также на него похоже излучение от камина или другого нагревателя.

Много событий должно было произойти в науке для того, чтобы век спустя открытие Гершеля превратилось в планковскую теорию. Для этого физики-экспериментаторы XIX века должны были разрешить немаловажную проблему, связанную с созданием в лаборатории системы, ведущей себя как можно более похоже на систему абсолютно черного тела.

Мудрецы, которые не верили в атомы

В конце XIX века немецкая физическая наука находилась под влиянием «энергетической» теории, последователями которой были Уильям Джон Ренкин (1920-1872), Вильгельм Оствальд (1853-1932) и другие ученые. Энергетическая теория поддерживала идею о том, что термодинамика и, в частности, первое начало термодинамики представляют прекрасную основу для создания физической модели природы. Сохранение энергии было эмпирическим фактом, на основе которого сторонники энергетической теории с помощью абстрактных математических умозаключений стремились объяснить все физические феномены без построения механистических моделей, таких как атомная. Кроме всего прочего, сторонники энергетической теории высказывали сомнения в существовании атомов, считая подобные представления гипотезой, необходимость в которой со временем отпадет. Планк начал свою научную карьеру именно в этой «энергетической» среде.

После того как Планк прочел записи Клаузиуса, он погрузился в изучение термодинамики. Тема диссертации Планка, которую он защитил в Мюнхене в 1879 году, звучала так: «О втором законе механической теории теплоты». В 1880 году Планк получил место приват-доцента в Мюнхенском университете. Такая должность не предусматривала выплату жалования со стороны университета, но преподаватель мог брать деньги со студентов за занятия.

В годы своего пребывания в Мюнхене Планк написал статью о природе энергии на соискание премии, объявленной Гёттингенским университетом. Ученый получил вторую премию, а первое место не досталось никому. Как сам Планк объясняет в автобиографии, возможно, это произошло, потому что в своей статье он встал на сторону Гельмгольца против Вебера. Так Планк заслужил профессиональное уважение Гельмгольца и после смерти Кирхгофа занял его место в Берлинском университете (хотя это предложение ему было сделано только после того, как от вакансии отказались Больцман и Герц). В Мюнхене и позже, начиная с 1885 года, когда Планк работал как штатный профессор в Киле, он занимался глубоким изучением применения второго начала термодинамики к разным проблемам — химическим реакциям, диссоциации газов и растворов. Глубоко анализируя следствия второго начала термодинамики, Планк пришел к выводам, которые заставили его отдалиться от энергетической теории, сторонники которой, помимо прочего, считали, что первое начало термодинамики является универсальным, а второе следует из него, таким образом, между падением тела и переходом тепла от горячего тела к холодному нет особого различия. Однако Планк возражал: падение тела является обратимым процессом (изменение значения скорости до обратного вернет процесс в исходное положение), а переход тепла от холодного тела к горячему невозможно осуществить спонтанно.

Если существуют законы для энергии, тогда они должны быть применимы ко всем областям физики, должен быть составлен комплекс принципов, как это обычно делается для каждого физического явления.

Уильям Джон Ренкин об энергетической теории

Существовало и более фундаментальное противоречие между энергетизмом и атомизмом. Атомисты утверждали, что материя состоит из атомов и молекул; химические реакции являются следствием комбинирования и диссоциации атомов химических элементов; тепловые феномены зависят от произвольного движения атомов. Представители энергетизма отрицали существование атомов, недоступных для чувственного опыта, и хотели объяснить природные феномены без применения конкретной гипотезы о строении материи.

В этот период — а мы говорим о 80-х годах XIX века — Планк не был ярким сторонником атомизма. Для него принцип возрастания энтропии и принцип сохранения энергии имели универсальную значимость, в то время как для австрийского физика Людвига Больцмана (1844-1906), одного из лидеров атомистов, это были лишь следствия вероятностных законов.

Один из основателей квантовой теории, Арнольд Зоммерфельд (1868-1951), стал свидетелем незабываемой дискуссии Оствальда и Больцмана на конференции в Любеке в 1895 году. Зоммерфельд вспоминал об этом так: