Корпускулярно-волновой дуализм требовал от физиков отступления от привычных канонов мышления. Сам де Бройль значительно позже своего открытия отмечал, что открытие двойственности «волна — частица» было наиболее драматическим событием в микрофизике. Прекрасное гуманитарное образование де Бройля проявлялось в том, что в его работах на простом и понятном языке излагались трудные вопросы различных физических проблем. Современники де Бройля говорили, что он олицетворяет тип естествоиспытателя-теоретика, в одиночестве размышляющего над стоящими перед ним проблемами, но одновременно и одного из самых блестящих академических преподавателей среди физиков того времени.

и рентгенография). Связано это с тем, что в зависимости от энергии излучения длина такой волны де Бройля для соответствующей частицы сравнима с межатомным

расстоянием в кристалле и поэтому кристаллическая решетка действует как обычная дифракционная решетка и пучок частиц рассеивается на атомах кристаллической решетки.

112

5.3.Гипотеза Планка

Вформуле волны де Бройля, помимо λ и р, есть еще одна величина h, которой нет в классической физике и которую связывают с именем Планка.

Занимаясь термодинамикой теплового излучения, Планк пытался установить закономерность, которая бы четко выражала зависимость распределения энергии в спектре излучения от температуры и длины волн. В результате он вывел формулу Ε = Αν.

Величину h Планк назвал квантом действия. Она является фундаментальной постоянной, равной 6,626 · 10-34 Дж · с, и входит во все основные формулы теоретической физики и химии. Впоследствии А. Эйнштейн отмечал, что «именно закон излучения Планка дал первое точное определение абсолютных величин атомов. Он убедительно показал, что кроме атомистической структуры материи существует своего рода атомистическая структура энергии, управляемая универсальной постоянной». Как выясняется уже в настоящее время, эта константа имеет более глубокий смысл и проявляется в физике Вселенной, моделях единого физического поля и фундаментальных представлениях пространства—времени в виде планковских величин расстояния, времени и массы.

Из этих идей Планка о кванте действия фактически началась квантовая физика, которую на первых порах воспринимали довольно сдержанно, считая ее недостаточно реальной и не необходимой. А. Эйнштейн, взяв идею о дискретности, ввел в 1905 г.

понятие о квантах света — фотонах, а позже разработал на этой основе квантовую теорию теплоемкости твердых тел. Надо отметить, что Планк был в числе тех, кто сразу признал и понял теорию относительности Эйнштейна, и в 1906 г. предложил термин «теория относительности».

Внашем курсе мы часто касались вопросов поиска научных (не обязательно физических) законов, описывающих наш мир. И очень часто многие из них как бы «угадываются», вводятся априорно, в результате некоего озарения и постулируются, т.е. не доказываются. Это, как ни странно на первый взгляд, свойственно математике. Как

отмечал Р. Фейнман, угадывание уравнений, по-видимому, очень хороший способ открытия новых законов, и это показывает, что математика дает глубокое конкретное описание природы по сравнению с философскими принципами или интуитивными механическими аналогиями, которые не да-

113

Макс Планк

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

М.Планк (1858—1947) — немецкий физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии 1918

г. по физике за открытие элемента действия. Так тогда назвали квант действия,

столетие введения которого отмечалось в декабре 2000 г.

М. Планк был разносторонне одаренным человеком. Он состоял в отдаленном родстве со многими выдающимися людьми Германии, в том числе с такими знаменитыми, как философы Гегель (1770—1831) и Шеллинг (1775—1854), поэты Шиллер (1759—1805) и

Гёльдерлин (1770—1843). С детства Планк любил музыку, прекрасно играл на фортепиано, сам сочинял музыку и даже хотел стать музыкантом. Но поступил на физикоматематический факультет Мюнхенского университета. Как отмечали биографы, характерными чертами его были обстоятельность и рассудительность, поэтому его выбор был обычно глубок и основателен. Он редко делал ошибки, и едва ли кто-либо мог повлиять на принимавшиеся им решения.

История причислила М. Планка к гениям потому, что он владел «идеями, объективно превосходящими господствующие». Он находил пути облекать эти идеи в конкретные научные реалии. Сдержанный по натуре, суховатый и даже чопорный, в науке он был романтиком, в семье — любящим мужем и заботливым отцом. У него было две дочери и два сына. Старший был убит под Верденом в 1916 г., младший расстрелян в 1945 г. за участие в заговоре против Гитлера. Не избежал Планк и увлечения многих физиков: он был страстным альпинистом и побывал на многих вершинах Альп. Сохранилась даже фотография 84-летнего ученого на трехтысячнике в Восточном Тироле.

ют таких серьезных результатов. Многие фундаментальные законы (законы Ньютона, Максвелла, Эйнштейна, Шрёдингера, де Бройля, Планка) были правильно угаданы ими от природы.

В 1900 г. при объяснении спектра излучения абсолютно черного тела М. Планк выдвинул идею, что обмен между излучением и веществом происходит не непрерывным образом, а дискретными порциями, квантами. При этом количество энергии,

114

сопоставляемое кванту с частотой ν (величина, обратная длине волны λ), определяется по формуле

Е = hν,

где h = 6,625 · 10-34 Дж · с и есть постоянная Планка.

Физический смысл постоянной Планка состоит в том, что если в классической физике минимальное количество действия может быть любым, то в квантовомеханическом представлении оно не может быть меньше h. He касаясь тонкостей доказательств, заметим, что в этих условиях энергия, импульс и момент импульса (см. § 2.6) будут иметь дискретный спектр значений, т.е., как говорят физики, квантованы на величину А. Поскольку значение А мало, то в каждом кванте заключено очень малое количество энергии и поэтому, возвращаясь в макромир, отметим, что в больших количествах энергии ее дискретная природа незаметна, поскольку небольшое изменение числа квантов оказывается пренебрежимо малым. Поэтому постоянная Планка имеет сугубо квантовый характер.

В 1905 г. Эйнштейн для объяснения фотоэлектрического эффекта также постулировал, что электромагнитное излучение, как и тепловое, имеет квантовый характер и состоит из квантов — фотонов. Напомним, что фотоэлектрический эффект (фотоэффект) — это явление испускания электронов из вещества под действием света. Согласно Эйнштейну кинетическая энергия вылетающего фотоэлектрона равна разности между энергией фотона и минимальной энергией, необходимой для освобождения электрона из вещества, которая называется работой выхода φ:

Eкин = hν - φ.

Теория фотоэффекта была успешно подтверждена экспериментально Р. Милликеном (1868—1953), в 1923 г. получившим за это Нобелевскую премию. Любопытно, что в 1921 г. Нобелевская премия была присуждена также и Эйнштейну, но не за его теорию относительности, а именно за теорию фотоэлектрического эффекта.

Корпускулярно-волновой дуализм, как некая двусмысленность, может стать более понятным, если мы учтем, что, изучая поведение электрона или фотона как частицу или волну, мы опять же навязываем классическое описание объектам, имеющим неклассическую природу. Из этого еще раз следует, что при рассмотрении природы на микроуровне мы должны понимать ее на адекватном квантовомеханическом языке.

115

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.