Революция в микромире. Планк. Квантовая теория - Alberto Izquierdo

Через десять лет доверие к квантовой гипотезе возросло, и в 1919 году Планк получил Нобелевскую премию в области физики за 1918 год (в годы войны премии не вручались). Нобелевский комитет признавал, что Планк был номинирован большее количество раз, чем другие кандидаты. Ведущие физики-теоретики тех лет — Лоренц, Эйнштейн, Борн, Вин, Зоммерфельд — поддержали его кандидатуру. Сейчас кажется логичным, что Планк первым из основателей квантовой теории был удостоен Нобелевской премии. Затем премии были присуждены Эйнштейну и Бору, позже — другим теоретикам квантовой физики. Возможно, в этом списке, включающем имена Гейзенберга, Шрёдингера, Дирака, Паули и Борна, не хватает имени Арнольда Зоммерфельда (1868-1951).

В 1919 году Нобелевскую премию получил и Йоханнес Штарк (1874-1957). Этот ученый симпатизировал радикальным правым политическим партиям, а впоследствии открыто сотрудничал с нацистским режимом. В конце Второй мировой войны он был приговорен к четырем годам трудового лагеря.

Планк и Штарк отправились в Стокгольм в компании еще одного великого ученого той эпохи — химика Фрица Габера (1868-1934), получившего Нобелевскую премию в области химии годом раньше. Габер открыл в 1909 году процесс синтеза аммиака из водорода и азота. Это позволило Германии организовать производство нитратов для удобрений, а во время войны синтез аммиака применялся для изготовления взрывчатых веществ. Габер также играл важную роль в разработке военных технологий в ходе Первой мировой войны, так как сознательно занимался производством отравляющих газов.

Эти три человека: умеренный Планк, крайне правый расист Штарк и либеральный еврей Габер — летом 1920 года отправились вместе в Стокгольм для получения Нобелевской премии. Наука, война и политика оставили отпечаток на их судьбах. Этих ученых можно считать символом величия и несчастья немецкой науки первой половины XX века, отражающим все противоречия немецкого общества той эпохи. После своей службы Германии, не испытывая никаких угрызений совести за использование науки для создания оружия, Габер покинет родину и не доживет до того, как нацисты начнут использовать газы из его лаборатории для уничтожения представителей его расы. Человек открытой натуры, но далекий от реальной демократии, Макс Планк увидит своими глазами, как здание немецкой науки, возведенное не без его участия, будет разрушаться из-за расистской и дискриминационной политики Гитлера. Все его попытки поддержать науку закончатся провалом. Наконец, Штарк является воплощением худшего в Германии тех лет — дискриминация, расизм и фанатизм росли вместе с могуществом нацистов и достигли степени полного безумия.

Концепция вероятности испускания

Один из чудовищных образов, которые приходят на ум при мысли о Первой мировой войне, это использование на фронте отравляющих газов. Химическая война, которую развернули в основном Франция и Германия, стала проверкой знаний и «гения» лучших химиков. Хорошим образцом изощренности является использование хлорпикрина, или трихлорнитрометана, — очень инертного газа, способного проникать под противогазовые маски. Он не смертелен, но вызывает рвоту, и это заставляет солдат снимать противогаз. Немцы использовали его смесь со смертельными отравляющими газами, которые убивали военных после того, как они снимали маски и вдыхали яд. Немецкое правительство отдало в руки Фрица Габера организацию специального подразделения для химической войны. В нарушение Гаагской конвенции 1899 года немцы использовали хлорную атаку в битве при Ипре 22 августа 1915 года. После этого до конца войны обе стороны активно применяли газы. Габер в качестве оправдания много раз повторял: чем быстрее кончится война, тем меньше людей погибнет. Эти доводы не убедили его жену, которая покончила жизнь самоубийством в тот день, когда Габер отправился на Восточный фронт, чтобы контролировать очередную газовую атаку. Габер имел еврейские корни, однако в Первую мировую войну вел себя как немецкий патриот. И несмотря на это, он не избежал проблем с Третьим рейхом.

Кайзер Вильгельм II и Адольф фон Гарнак, за ними следуют Эмиль Фишер и Фриц Габер во время открытия Института физики, химии и электрохимии имени кайзера Вильгельма в Далеме, Берлин (октябрь 1912 года).

Планк понимал, что критика, звучащая относительно его закона об излучении, обоснованна. Он глубоко обдумал этот вопрос и между 1911 и 1912 годами предложил новую теорию для объяснения закона. Эта теория осталась в истории в качестве любопытного факта, однако в ее построение Планк внес новые элементы, которые в конце концов вошли в состав доктрины о квантовой теории. Один из этих элементов — концепция вероятности испускания.

Энергия классических качелей(вверху) может принимать любую величину. Энергия квантовых качелей(внизу) может принимать только определенные величины, кратные величине энергии hv.

Одно из главных возражений, которое выдвигали Эренфест и другие ученые против теории Планка, заключалось в том, что согласно классической механике осцилляторы могли принимать любое значение энергии, однако квантовая гипотеза ограничивала возможные значения дискретным множеством. Мы можем лучше понять это возражение, если рассмотрим качели. В физике они полностью эквивалентны пружине, или, говоря техническим языком, гармоническому осциллятору. Эти объекты имеют положение равновесия (когда качели находятся в состоянии покоя в самой нижней точке), а при выводе из положения равновесия происходят периодические колебания из одной стороны в другую. Наш повседневный опыт говорит о том, что мы можем раскачивать ребенка так сильно, как захотим. Ограничений по амплитуде движения качелей нет (понимается, что мы не совершаем полный оборот). Однако гипотеза Планка ограничивает возможные значения энергии множеством величин hv. Если бы обычные качели следовали закону Планка, мы видели бы ребенка только на определенных значениях высоты, а не на любой высоте.

Планк в ответ на эти возражения предложил, что осцилляторы могут поглощать энергию постоянно, а испускают ее только в момент, когда величина энергии осциллятора достигает множества hv. Так появился один из судьбоносных концептов — вероятность испускания. Осциллятор, достигавший энергии множества hv, мог испускать или не испускать энергию в соответствии с вероятностью, которую Планк мог рассчитать.

Концепция вероятности испускания была использована Эйнштейном в его знаменитой статье 1916 года, в которой ученый развивает концепцию стимулированного испускания, являющуюся теоретической базой лазерного излучения. Впоследствии квантовая теория приняла концепцию вероятности испускания. Можно утверждать, что квантовая теория рассчитывает только одно — вероятности. Ни Планк, ни Эйнштейн, ни Шрёдингер не приняли до конца вероятностную интерпретацию квантовой механики. Они мечтали о будущих исследованиях, которые должны были исключить эту неопределенность. Так что мы вновь видим, как Макс Планк пытается обуздать коня, которого сам пустил вскачь.

Против диктата видимого. Философские столкновения с Эрнстом Махом

Когда Макс Планк начинал научную карьеру, Вильгельм Оствальд (1853-1932) и Эрнст Мах (1838-1916) имели огромное влияние на немецкую научную мысль. Эти двое были противниками атомизма, а Эрнст Мах также был одним из основных в германском мире приверженцев философской школы позитивизма. Это направление ограничивает познание чувственным опытом, то есть тем, что мы можем увидеть, услышать или потрогать, для этой философии характерна безграничная вера в эволюцию и прогресс.

Философские идеи Маха решающим образом повлияли на Эйнштейна, как он сам это признавал, при разработке специальной теории относительности и подходов к общей теории относительности. Через Эйнштейна Мах повлиял, как мы увидим далее, на Гейзенберга при формулировке квантовой механики.

Мах принимал представления энергетистов о кинетической теории тепла. Атомическая гипотеза, по их мнению, не была необходимой: какой смысл говорить об атомах, если они недоступны чувственному восприятию?

Уже в 1890 году Планк критиковал Маха за непонимание проблем, связанных со вторым началом термодинамики. В 1896 году, прежде чем открыть закон распределения излучения черного тела, Планк присоединился к Больцману в его противостоянии с энергетистами, чья научная программа выглядела неразумной:

«Считаю своей обязанностью выступить со всей возможной откровенностью против дальнейшего развития энергетизма в направлении, которое было принято в последнее время, что означает серьезный шаг назад по отношению к последним результатам теоретических разработок. Данное развитие может иметь следствием поощрение молодых исследователей в дилетантских умозаключениях вместо приобретения ими основательной базы в изучении достоверных достижений».