А ви знали, що квантова фізика народилася через спробу пояснити світіння звичайного розпеченого металу?
Наприкінці XIX століття фізики були впевнені, що майже всі головні закони природи вже відкриті. Здавалося, залишилося лише трохи уточнити вимірювання і зробити формули точнішими. Але саме тоді виникла проблема, яка змусила переглянути основи всієї фізики. Вчені не могли пояснити просте явище — чому нагріті предмети світяться і чому їхній колір залежить від температури.
Якщо нагрівати метал, спочатку він стає темно-червоним, потім яскраво-червоним, помаранчевим, жовтим і навіть майже білим. Так само поводиться полум’я, спіраль лампи розжарювання або поверхня Сонця. Усі ці явища мають одну спільну природу — нагріте тіло випромінює світло. Але фізики хотіли зрозуміти: яке саме випромінювання має створювати тіло за певної температури?
Абсолютно чоре тіло
Щоб знайти відповідь, вчені створили ідеальну модель — абсолютно чорне тіло. Це не обов’язково чорний предмет, а об’єкт, який повністю поглинає світло, що на нього потрапляє. Коли таке тіло нагрівають, воно випромінює світло за простими універсальними законами, незалежними від складу речовини. Саме тому ця модель стала еталоном для дослідження теплового випромінювання.
У природі ідеального чорного тіла майже не існує, але фізики створили його штучний аналог — порожнисту коробку з маленьким отвором. Світло, потрапивши всередину, багаторазово відбивається від стінок і майже повністю поглинається. А якщо коробку нагріти, через отвір виходить випромінювання, яке майже ідеально відповідає абсолютно чорному тілу. Тепер учені мали просту систему, яку можна було точно дослідити.
Здавалося, залишалося лише застосувати відомі закони фізики і отримати правильну відповідь. Але саме тут класична фізика зіткнулася з найбільшою кризою у своїй історії. Розрахунки добре працювали для довгих хвиль — наприклад, червоного та інфрачервоного світла. Але для коротких хвиль, особливо ультрафіолетового випромінювання, вони давали абсолютно безглуздий результат.
Згідно з класичною теорією, зі збільшенням частоти випромінювання енергія мала б постійно зростати. Більше того, у формулі виходило, що в ультрафіолетовій області ця енергія повинна стати нескінченною. Це означало б, що звичайний розпечений метал мав би випромінювати безмежну кількість енергії. Але в реальному світі нічого подібного не відбувалося.
Експерименти показували зовсім іншу картину. Спочатку зі збільшенням частоти випромінювання справді ставало більше, але потім наставала межа, і його інтенсивність починала зменшуватися. Стало зрозуміло: проблема не в точності вимірювань і не в приладах. Помилка була в самих основах класичної фізики. Цю суперечність пізніше назвали ультрафіолетовою катастрофою.
Макс Планк
Розв’язання знайшов німецький фізик Макс Планк. Цікаво, що він зовсім не прагнув створити нову фізику. Планк був переконаний, що класичні закони правильні, а десь просто прихована помилка в розрахунках. Але щоб отримати формулу, яка відповідала експериментам, йому довелося зробити надзвичайно сміливе припущення.
До цього всі фізики вважали, що енергія змінюється безперервно. Вона може приймати будь-які значення, як вода, яку можна налити у будь-якій кількості. Але Планк припустив, що на найменшому рівні природа працює зовсім інакше. Енергія не передається плавно, а існує окремими неподільними порціями.
Квант
Уявімо сходи. Піднімаючись ними, ви можете стояти на одній сходинці або перейти на наступну, але не можете опинитися між ними. Саме так, за ідеєю Планка, поводиться й енергія. Вона змінюється не поступово, а певними «сходинками». Кожну таку найменшу порцію енергії Планк назвав квантом.
Але чому ця ідея вирішила проблему? Класична фізика дозволяла атомам випромінювати будь-яку кількість енергії, навіть нескінченно малу. Через це в розрахунках з’являлася величезна кількість можливих станів, що й приводило до абсурдного результату з нескінченною енергією. Планк ввів нове правило: атом може випромінити лише цілий квант або не випромінювати нічого.
Важливо, що кванти різного світла мають різну енергію. Чим вища частота світла, тим більша енергія одного кванта. Тому для випромінювання ультрафіолетового світла атомам потрібно витратити набагато більші порції енергії, ніж для червоного світла. Але далеко не всі атоми мають таку енергію, тому ультрафіолетове випромінювання не може зростати безмежно.
Формула Планка майже ідеально збіглася з результатами експериментів. Уперше фізика отримала правильний опис випромінювання абсолютно чорного тіла. Здавалося б, Планк лише трохи виправив одну проблему в розрахунках. Але насправді він зробив набагато більше — він показав, що природа на найглибшому рівні може бути не безперервною.
Квантова фізика
Саме ця ідея стала першим кроком до народження квантової фізики. Найдивовижніше, що сам Планк спочатку не вважав кванти реальною властивістю природи. Він думав, що це лише математичний прийом, який допомагає отримати правильну формулу. Але історія науки часто розвивається зовсім не так, як очікують її творці.
Через кілька років Альберт Ейнштейн поставив ще сміливіше питання: а що, якщо кванти — це не просто спосіб обчислень, а справжня властивість Всесвіту? Саме ця ідея привела його до пояснення фотоефекту і показала, що кванти існують не лише у тепловому випромінюванні. Вони є фундаментальною частиною природи.
Так, з роботи Макса Планка, опублікованої у 1900 році, почалася квантова фізика — одна з найуспішніших теорій в історії науки. Сьогодні завдяки квантовій фізиці існують транзистори, лазери, світлодіоди, сонячні батареї, електронні мікроскопи та багато інших технологій. Але все почалося з одного простого, хоча й неймовірного припущення: енергія може існувати лише окремими порціями.
Історія квантової фізики тільки починалася. Планк відкрив кванти енергії, але ще не наважувався сказати, що саме світло складається з таких частинок. Наступний крок зробить Альберт Ейнштейн, який запропонує ще більш дивну ідею: світло може бути одночасно хвилею і потоком окремих квантів енергії.