100 знаменитых ученых - Александр Фомин

В октябре 1887 года мир физики потрясла тяжелая утрата – умер Густав Кирхгоф. С 1875 года Кирхгоф был лидером и вдохновителем теоретической физики в Германии. В то время Берлинский университет играл лидирующую роль в научных исследованиях, а также был центром теоретической физики в стране. Стареющий «рейхсканцлер науки» Герман фон Гельмгольц нуждался в высококлассном физике, молодом и надежном друге и сотруднике. Наиболее подходящими кандидатурами на это место считались Людвиг Больцман и Генрих Герц, но судьба распорядилась иначе, подготовив путь для восхождения Макса Планка.

В 1889 году Планк переезжает в Берлин, где становится преемником Кирхгофа в Берлинском университете. Сначала Макс работал адъюнкт-профессором теоретической физики, а в 1892 году стал полным профессором Берлинского университета.

Параллельно в 1889 году он становится директором нового Института теоретической физики.

В Берлинском университете Макс Планк проработал до 1926 года, почти 37 лет!

В 1896 году немецкий ученый заинтересовался последними научными работами своего предшественника – Кирхгофа, в которых знаменитый физик исследовал излучение абсолютно черного тела – идеального эталона для проведения опытов.

По определению, абсолютно черное тело поглощает все излучение, попадающее на него, и абсолютно ничего не отражает. Хотя в природе такого тела не существует, в качестве абсолютно черного тела принимали замкнутую оболочку с небольшим отверстием.

По Кирхгофу, спектральный состав равновесного излучения не зависит от природы излучающих тел; излучение, которое испускает абсолютно черное тело, зависит только от его температуры и в некоторой степени от характеристик поверхности; любое нагретое тело испускает магнитные излучения.

Ознакомившись с работами Густава Кирхгофа, Планк начал подготовку к собственным исследованиям. Он поставил перед собой цель закрыть научный вопрос о распределении энергии в спектре излучения абсолютно черного тела. Планк решил использовать в своих опытах электрические осцилляторы – заряженные частицы без конкретной физической формы, которые совершали гармонические колебания подобно маятникам. После того как в 1877 году Генрих Герц экспериментально подтвердил теорию электромагнитной природы света Джеймса Клерка Максвелла, Планк решил использовать уравнения Максвелла, позволявшие определить, как осцилляторы излучают и поглощают электромагнитные волны.

С помощью статистических законов, выведенных Больцманом, можно было связать особенности колебаний с температурой, но попытки ученых точно рассчитать спектральный состав равновесного излучения ни к чему не привели.

Еще до Планка многие ученые пытались вывести кривую излучения черного тела, используя известные в то время понятия. Хотя исследователям и удалось установить эмпирические соотношения между температурой и количеством излученной энергии (закон Стефана-Больцмана) и между температурой и частотой пика на кривой излучения черного тела (закон смещения Вина), но дальше этого дело не пошло.

В последующих опытах Дж. У. Стретт (лорд Рэлей) и английский физик Джеймс Джинс применили принцип, подобный используемому Планком, но они получили другую результирующую формулу.

После продолжительных безуспешных попыток создать теорию, которая смогла бы объяснить имеющиеся экспериментальные данные, Планк сделал гениальное открытие. Он предположил в 1900 году, что осцилляторы излучают энергию лишь дискретными порциями – квантами. При этом энергия кванта пропорциональна частоте колебания, а каждый уровень по энергии равен частоте, умноженной на специальную константу, получившую название постоянной Планка.

Исходя из этих предположений, Планку удалось вывести полуэмпирическую формулу распределения энергии, которая с поразительной точностью согласовывалась с результатами экспериментов других физиков. Формула Планка также прекрасно отвечала законам Вина и Стефана – Больцмана.

14 декабря 1900 года на заседании Берлинского физического общества Планк представил свою гипотезу и новую формулу излучения. Предложенная Планком гипотеза стала первой весточкой рождения квантовой теории.

В следующем году, имея значения экспериментальных данных по излучению черного тела, Макс Планк вычислил значение постоянной Больцмана – одну из фундаментальных величин новой теории, предложенной им.

Кроме того, ученый вычислил значение числа Авогадро (число атомов в одном моле элемента), что позволило ему с большой точностью произвести расчет электрического заряда электрона.

Хотя гениальность открытия Планка не была в полной мере оценена ни самим автором, ни другими физиками того времени, можно с уверенностью сказать, что именно его исследования стали первым кирпичиком в построении квантовой теории.

Сегодня в литературе часто встречается термин «физика до Планка», которым обозначают классическую физику.

За вклад в развитие квантовой физики Макс Планк был удостоен Нобелевской премии по физике за 1918 год. Премия гениальному ученому была вручена «в знак признания его заслуг в деле развития физики благодаря открытию квантов энергии».

В своей презентационной речи 1 января 1920 года А. Г. Экстранд, президент Шведской королевской академии наук, назвал открытия Планка «открытиями эпохального значения», а его теорию излучения – «самой яркой путеводной звездой в современных физических исследованиях».

2 июня 1920 года Планк прочитал свою нобелевскую лекцию, озаглавленную «Возникновение и современное состояние квантовой теории». Ученый подвел подробные итоги своей работы за более чем двадцать лет и пошутил, что известная фраза Гете «Тот человек ошибается, который ничего не делает» как можно лучше характеризирует его работу.

С 1894 года Макс Планк состоял членом Берлинской академии наук, а в период с 1912 по 1943 год являлся ее непременным секретарем.

Всю жизнь Планк пользовался уважением среди ученых. Именно по его инициативе Прусская академия открыла для Альберта Эйнштейна специальную кафедру. Макс Планк оказал полную поддержку теории относительности Эйнштейна, опубликованной в «Анналах физики» в 1905 году. В этом же году Эйнштейн использовал идеи Планка и предсказал двойственную природу света, объяснил фотоэлектрический эффект и ввел понятие фотона.

В 1906 году Планк вывел уравнения релятивистской динамики, получив выражения для энергии и импульса электрона.

В этом же году он выпустил книгу «Лекции по теории теплового излучения», которая стала популярной и издавалась на многих языках.