Квантовая природа света

Законами теплового излучения пользовались, как и некогда термометром (см. параграф 4.2): что такое температура, никто не понимал. Почему функция Кирхгофа имеет именно такой вид, а не иной?

Наиболее значимую попытку получить ее на кончике пера предприняли английские физики Д. Рэлей (1842—1919) и Д. Джинс (1877—1946). Однако их безупречные рассуждения привели к совпадению с экспериментальной кривой только в самом ее начале. Более того, полученная ими кривая 1 (см. рис. 9.1, б) оказалась квадратичной функцией v.

ВОПРОС. Реальна ли квадратичная функция v?

ОТВЕТ. Нет: интеграл от такой функции, т. е. излучаемая телом мощность, стремится к бесконечности.

Проблема выглядела столь удручающей, что в ее название включили несвойственный науке эмоциональный компонент: ультрафиолетовая катастрофа. Все попытки разрешить противоречие оказались безуспешными, пока немецкий физик Макс Планк (1858—1947) не решился на очень смелый шаг. Он допустил, что энергия теплового (электромагнитного) излучения изменяется дискретно'.

где h — постоянная Планка. Отдельные порции Е₀ энергии Эйнштейн назвал потом квантами. Полученная М. Планком зависимость полностью совпала с эмпирическими функциями! Опираясь на это и пользуясь законами Стефана — Больцмана и Вина, можно было теперь вычислить h = = 6,62−10 ³⁴Дж с, а если вместо v пользоваться круговой частотой со = 2rcv, то удобнее постоянная h = h/(2р), которую называют «аш с чертой».

Исторический экскурс В студенческие годы университетский профессор не советовал студенту Планку посвящать свою жизнь физике: наука малонерснективная — за исключением некоторых мелких деталей, почти все в ней известно. Как говорил У. Томсон, на ясном небосводе физики есть только два облачка — опыты А. Майкельсона и излучение абсолютно черного тела. Профессор ошибся и в физике, и в своем студенте. День 14.12.1900, когда М. Планк изложил свою работу (Нобелевская премия 1918 г.), стал днем рождения новой, современной_} квантовой физики. Она определила новый стиль мышления, приведший человека к ядерной энергии, лазерам, микроэлектронике, компьютерам и т. д.

Как обычно бывает, революцию вначале нс осознали — формулы Планка соглашались рассматривать лишь в качестве математического приема, за которым нет физической реальности (точно так же в свое время отнеслись к преобразованиям Лоренца, идеям Максвелла и Эйнштейна). Действительно, на фоне всего многовекового опыта дискретное изменение энергии осцилляторов выглядело несуразно. В механике, электромагнетизме и термодинамике энергия всегда изменялась непрерывно. Первым, кто отнесся к идее Планка всерьез, был А. Эйнштейн: если она позволила разрешить противоречия теории теплового излучения, то ие поможет ли она разобраться с теориями теплоемкости твердого тела и внешнего фотоэффекта, в которых также были проблемы?