Само черное тело может излучать электромагнитные волны и может, вопреки названию, иметь визуальный цвет. Вопрос о количестве и свойствах излучаемой им энергии получил в физике XIX века наименование проблемы черного тела.
Эксперименты с нагревом абсолютно черного тела, проводимые для подсчета излучаемой им энергии, выявили две закономерности. Во-первых, оказалось, что чем короче длины волн испускаемых лучей, тем больше их накапливается внутри тела. Во-вторых, чем выше частота волны, тем больше ее сохраняется внутри черного тела и тем больше энергии она в себе несет. Соединение этих закономерностей давало странный результат: получалось, что энергия излучения внутри абсолютно черного тела бесконечна. Это противоречащее всем законам физики утверждение ученые окрестили ультрафиолетовой катастрофой (потому что высокочастотные волны находятся в ультрафиолетовой части спектра).
Макс Планк, приступив к работе над проблемой излучения, пытался взглянуть на нее с точки зрения электромагнитной теории Максвелла, соединив ее с теорией теплоты. Но очень скоро он осознал, что классическая физика не может объяснить парадоксы излучения абсолютно черного тела.
В 1900 году Планк создал формулу, которая устраняла все несоответствия. Для того чтобы получить такой результат, он ввел новое понятие, противоречащее всем известным до этого принципам физики. В его формуле энергия колебаний изменяется не непрерывно, как это свойственно любой волне, а дискретно, шагами. Энергия каждого шага равняется некоей постоянной (позже эту постоянную стали называть постоянной Планка), помноженной на частоту. Дискретные порции энергии впоследствии назвали квантами, а формула, выведенная Планком, положила начало новой дисциплине – квантовой физике. С этого момента физика разделилась на «до» и «после». То, что было до открытия кванта, относится теперь к классической физике.
Открытия, совершенные на основе квантовой теории, – новая глава в науке.
Экспериментальные данные полностью подтвердили расчеты, получаемые при использовании формулы Планка. Формула работала, но ни ее создатель, ни другие ученые в то время не осознавали важности понятия «квант», которое впервые в ней появилось. Планк считал его средством, условной величиной, которая помогла вывести необходимую формулу. Он много раз пытался вернуться в рамки классической науки и «пересоздать» уравнение без кванта, но у него ничего не получалось. Зато получилось, используя формулу, вычислить количество атомов в одном моле вещества и найти электрический заряд электрона. Это были первые шаги квантовой физики.
В 1918 году Максу Планку была присуждена Нобелевская премия «в знак признания его заслуг в деле развития физики благодаря открытию квантов энергии». В тот период уже было понятно, какое революционное значение имело открытие кванта. Сам Планк видел перспективы квантовой теории, но считал, что до ее развития пройдет еще очень много времени. «Введение кванта еще не привело к созданию подлинной квантовой теории», – сказал он в нобелевской лекции.
Последующие десятилетия ознаменовались грандиозными достижениями в квантовой физике, причем сам Планк, также как в первое время Эйнштейн, не хотел принимать новой интерпретации квантовой механики и неоднократно пытался вернуться к законам классической физики и примирить их с закономерностями квантовой теории. Но, как выяснилось, в мире квантов привычные законы не работали. Множество ученых, среди которых известные физики Эрвин Шредингер, Вернер Гейзенберг и Поль Дирак, занялись разработкой математического аппарата квантовой теории и проделали эту работу с успехом.
Вклад Макса Планка в развитие физики трудно переоценить, одного лишь открытия кванта и постоянной Планка хватило бы, чтобы сохранить его имя в истории, но его гению принадлежат и другие достижения. Он был одним из первых ученых, сразу принявших специальную теорию относительности Эйнштейна и посвятивших немало времени и сил ее популяризации. Его работы по этой теме послужили развитию и упрочению теории.
Планк создал новую формулировку второго начала термодинамики, приспособив его для решения задач физической химии. Работая в сфере релятивистской механики, он вывел уравнение динамики релятивистской частицы и заложил основы термодинамики. Он написал несколько трудов, посвященных проблемам оптики и теории дисперсии света. Кроме того, Планк был прекрасным педагогом, его перу принадлежат популярные учебники по физике.
Часть II. Как совершить переворот в науке: жизнь и открытия Эйнштейна
Отстающий ученик: детство будущего гения
Альберт Эйнштейн родился в семье немецких евреев со средним достатком, его отец был коммерсантом, мать занималась домом. Младенец отличался от своих сверстников: его голова была несоразмерно большой, и мать очень переживала, что это какое-то серьезное заболевание. Но врачи никаких отклонений не нашли, и позже пропорции тела пришли в норму. Были у маленького Альберта и другие отличия: он очень долго не разговаривал, держался замкнуто, не очень стремился играть с другими детьми. Сам Эйнштейн утверждал, что уже в три года выстраивал в голове длинные и сложные предложения, но высказать их вслух ему было трудно.
Читать и считать он научился рано и с увлечением занялся изучением научно-популярной литературы. В 10 лет он прочитал «Космос» Александра фон Гумбольта, «Силу и материю» Людвига Бюхнера, многотомную энциклопедию естествознания Аарона Бернштейна. Для него эти книги были также интересны и увлекательны, как для его сверстников приключенческие романы Вальтера Скотта или фантастические произведения Жюля Верна.
Отец Альберта, занимавшийся продажей газового и электрического оборудования, был технически подкованным человеком. От него мальчик узнал много интересного о работе различных приборов, о законах физики, об аксиомах геометрии и химических соединениях. Эти материи вызывали у будущего ученого неподдельный интерес. В пятилетнем возрасте на него произвел неизгладимое впечатление самый обыкновенный компас. Он очень хотел понять, откуда стрелка «знает», где находится север, почему указывает на него из любого положения. Задумавшись над подобным вопросом, Альберт мог часами и даже днями сидеть где-нибудь в уголке и ни с кем не разговаривать.
Учеба в гимназии давалась мальчику непросто, ему всегда было трудно сосредоточиться на том, что неинтересно. А большинство школьных предметов казались ему невыносимо скучными. История, литература и особенно языки были для него непонятной и ненужной китайской грамотой. Эйнштейн и во взрослом возрасте испытывал проблемы с изучением языков, даже международный английский давался ему с огромным трудом. «Школа не годилась для меня, и я не годился для школы. Она была мне скучна. Преподаватели вели себя как фельдфебели. Я хотел знать то, что мне интересно, а они хотели, чтобы я подготовился к экзамену. Больше всего я ненавидел конкурсную систему и особенно спорт…» – вспоминал Эйнштейн.
Ему нравилась математика, но, опять же, не та ее часть, которая преподавалась в школе. Заинтересовавшись расположением фигур на плоскости, он самостоятельно изучил учебник евклидовой геометрии, в то время как его одноклассники решали арифметические примеры. Иногда он беседовал с ними о математике, пытался объяснять темы, которые они изучали, по-своему. В этом проявлялась самостоятельность мышления будущего гения, которая позже позволит ему совершить переворот в физике.
