Зрушити націю мусить її ж еліта.
Ярослав Стецько, український політичний та військовий діяч, активний діяч ОУН

Стала, що розділила фізику

У грудні 1900 року в науку увійшло поняття кванта
17 грудня, 2020 - 10:32
ФОТО C САЙТА WIKIPEDIA

Студент на іспиті з квантової механіки, розглядаючи на дошці значок ћ, відповідає: «Це — стала планка». Екзаменатор: «Що це за риска на літері?». «Це висота цієї планки».

З ФОЛЬКЛОРУ СТУДЕНТІВ-ФІЗИКІВ

Коли юний Макс Планк вступив 1874 року до Мюнхенського університету, професор фізики Філіп фон Жюлле спробував відрадити молодого студента від занять теоретичною фізикою. «У сфері, де майже все вже відкрито, залишається лише заповнити кілька лакун». От саме з так званими лакунами й були великі проблеми.

1887 року американські фізики Альберт Майкельсон і Едвард Морлі спробували встановити швидкість руху Землі відносно ефіру. Усупереч сподіванням експериментально не вдалося виявити рух нашої планети щодо ефіру. Цікаво, що цей досвід був багаторазово повторений з дедалі більшою точністю, востаннє 2015 року, але все підтвердилося. Це суперечило всім принципам і законам тодішньої фізики, яку створили вчені від Ньютона й до Максвелла. Експеримент Майкельсона-Морлі став підтвердженням кінематики Ейнштейна, названої Спеціальною теорією відносності.

Друга проблема полягала в тепловому випромінюванні, точніше в його розподілі. Тут теж експеримент розходився з теорією. Цим і зайнявся Макс Планк.

Цікаво, що Планк 1906 року назвав роботу Ейнштейна «Relativtheorie», що німецькою перекладається як «Relativitatstheorie», або теорія відносності. Ця термінологія стала загальноприйнятою, хоча сам автор теорії назвав її принципом відносності.

УЛЬТРАФІОЛЕТОВА КАТАСТРОФА

У Мюнхенському університеті Планк отримав ґрунтовну математичну підготовку, але потім перейшов до університету в Берліні, де провчився рік під керівництвом таких видатних фізиків, як Герман Гельмгольц і Густав Кірхгоф. Там же він познайомився з працями німецького фізика Рудольфа Клаузіуса, одного із засновників термодинаміки і молекулярно-кінетичної теорії.

1879-го він захистив докторську дисертацію, присвячену другому началу термодинаміки, а 1897 року вперше з’явилася його книжка «Лекції з термодинаміки», перекладена багатьма мовами.

Роботи Кірхгофа з випромінювання абсолютно чорного тіла викликали інтерес Планка. Це свого роду теоретична ідеалізація тіла, яке поглинає все падаюче на нього випромінювання й нічого при цьому не відбиває. У сучасній астрономії та астрофізики так називають чорні діри, але за часів Планка вони не були відомі.

З робіт Кірхгофа випливало, що абсолютно чорне тіло може випускати теплове випромінювання, щільністю енергії якого є функція, що залежить від частоти й температури. Виходив парадоксальний факт. Зі зростанням частоти щільність енергії випромінювання має безперервно зростати. Як наслідок загальна енергія випромінювання тіла при будь-якій температурі виявлялася нескінченною, що було явним абсурдом, який отримав у фізиків назву «ультрафіолетова катастрофа».

Катастрофа тому, що класична фізика, що визнає тільки безперервні функції розподілу енергії, не могла пояснити такий парадоксальний факт. Теорія явно розходилася з експериментом і просто здоровим глуздом, що випливають із закону збереження енергії.

ПОЯВА КВАНТА

Розв’язання цієї проблеми було знайдено Планком в 1889—1900 рр. Він висунув припущення, що теплове випромінювання випускається атомами не безупинно, як це випливало із законів електродинаміки Максвелла, а певними порціями, квантами. Їхня енергія дорівнює добутку частоти випромінювання на деяку сталу, що має розмірність добутку енергії на час. Він же встановив перше значення цієї сталої, за сучасними даними ћ = 6,626 • 10—34 Дж • с. Сам Планк називав цю сталу квантом дії, але вона носить його ім’я і належить до нечисленних фундаментальним сталих. Таких, наприклад, як швидкість світла у вакуумі.

Днем народження квантової теорії вважають 14 грудня 1900 року, коли на засіданні Прусської академії наук Планк зробив доповідь «До теорії розподілу енергії випромінювання нормального спектра», у якій виклав основні результати своїх досліджень.

Введене поняття кванта означало, що закладено наріжний камінь у фундамент нової фізики, що отримала згодом назву квантової механіки. Запропонована Планком формула щільності енергії випромінювання, по-перше, повністю відповідала результатам експериментів і, по-друге, позбавляла парадоксу так званої ультрафіолетової катастрофи.

У той же час сам Планк і його колеги розглядали введення квантів і відповідної формули як математичний варіант узгодження теорії й експерименту, свого роду гіпотези ad hoc — для даного випадку, для цієї конкретної мети. Новатор науки не повною мірою усвідомлював, що виступає в ролі революціонера, котрий виводить фізику на абсолютно новий рівень.

1918 року Планк став Нобелівським лауреатом. У своїй Нобелівській лекції він так змалював проблему, що стояла перед ним. «Або квант дії був фіктивною величиною — тоді весь висновок закону випромінювання був принципово ілюзорним і представляв просто позбавлену змісту гру у формули, або при виведенні цього закону в основу була покладена правильна фізична думка — тоді квант дії повинен був грати у фізиці фундаментальну роль. Його поява провіщала щось зовсім нове, досі нечуване, що, здавалося, вимагало перетворення самих основ нашого фізичного мислення, що покоїлося з часів обґрунтування аналізу нескінченно малих Ньютоном і Лейбніцем на припущенні про безперервність всіх причинних зв’язків».

КОНСЕРВАТИЗМ У ФІЗИЦІ Й ОСОБИСТОМУ ЖИТТІ

Бурхливий розвиток квантової механіки припадає на 1920-ті рр. Американський історик науки Пол Форман писав, що соціально-політична атмосфера нестійкості й розчарування в колишніх ідеалах у Веймарській Німеччини сприяла поширенню ідей індетермінізму, що зіграло важливу роль у становленні квантової механіки.

У ці роки Планк з великим жалем, навіть можна сказати ностальгією, сприйняв відхід від класичної фізики. Він неодноразово робив спроби узгодити нові підходи з тим, що зовсім недавно було загальноприйнятим, але безуспішно. Нові теоретичні розроблення та нові експерименти щоразу доводили обмеженість підходів класичної фізики. У своїй автобіографії він писав з жалем, що «мої марні спроби якось ввести квант дії в класичну теорію тривали протягом ряду років і коштували мені чималих праць».

Паралельно розвивалася теорія відносності Ейнштейна. Цікаво, що математичний апарат, розроблений для теорії відносності й поняття простору-часу, нова кінематика та динаміка високих швидкостей так чи інакше зі своїми особливостями застосовується й у квантовій механіці. При цьому сам Ейнштейн до останньої ставився негативно, його не влаштовував імовірнісний підхід до фізичних явищ. Відома його фраза з листа Нільсу Бору від 7 листопада 1947. «Ти віриш у гру в кості Бога, а я — в повну закономірність у світі об’єктивно сущого».

Хоча Планк скептично ставився до деяких ідей Ейнштейна, зокрема до досліджень про світлові кванти або фотони, обидва науковці залишалися близькими друзями.

Незважаючи на всі складнощі, Планк продовжував плідно працювати. Він запропонував виведення рівняння Фоккера-Планка, що описує поведінку системи частинок під дією невеликих випадкових імпульсів. З 1912 до 1943 року Планк був секретарем Берлінської (Прусської) академії наук, членом якої він був обраний 1894 року. З 1930 року він був президентом Товариства фундаментальних наук кайзера Вільгельма. З 1948 року воно носить ім’я Макса Планка і вважається однією з найавторитетніших наукових організацій.

Планк був дуже різнобічною людиною. Він захоплювався музикою і філологією. В юності довго вибирав свою науку, але все-таки зупинився на фізиці. Однак музику не залишив. Будучи глибоко віруючою людиною, він співав у церковному хорі, грав на органі, фортепіано та віолончелі. Планк писав пісні для вистав і диригував оркестром. Він навіть написав оперету «Любов у лісі» партитура якої, на жаль, не збереглася.

Хоча Планк вважав за краще триматися осторонь політики, але дуже критично ставився до нацистів. Більш того, у розмові з Гітлером 1934 року він виступив на захист своїх колег-євреїв, яких масово виганяли з університетів і наукових установ.

Його відкрита підтримка переслідуваних колег, зокрема Ейнштейна, і відмова вступити в нацистську партію призвели до того, що уряд змусив його покинути посаду президента Прусської академії наук. Нацисти дуже підозріло ставилися до нього. У офіційній газеті СС «Das Schwarze Korp» його називали «переносник бактерій», а родовід ретельно вивчали в гестапо.

Особисте життя теж складалося з ряду чорних смуг. Перша дружина Планка Марія Мерк померла 1909 року. Старший син Карл загинув у травні 1916-го під Верденом. Молодший син Ервін зустрів закінчення війни у французькому полоні. Дві дочки-близнючки померли під час пологів 1917-го і 1918 року.

У Веймарській республіці Ервін Планк був високопоставленим чиновником. Після приходу до влади нацистів відійшов від політичного життя, але брав участь у дискусіях гуртка полковника Клауса Штауффенберга. Безпосередньої участі у замаху на Гітлера не брав, але був заарештований у січні 1945 року і страчений. Намагаючись врятувати улюбленого сина, 87-річний Макс Планк писав листи з проханням про помилування Гітлеру і главі СС Генріху Гіммлеру, але безуспішно.

У лютому 1944 року в результаті нальоту авіації союзників згорів будинок вченого у берлінському районі Грюневальд. Згоріли його рукописи, щоденники, практично вся велика бібліотека. Планк був змушений перебратися до свого друга Карла Штіля до його маєтку під Магдебургом.

На цьому біди вченого не закінчилися. Навесні 1945 року він мало не загинув під час бомбардування Касселя, де виступав з лекцією. Довелося ховатися в лісі у місцевого молочника, при цьому стан вченого різко погіршився через артрит хребта. На прохання фізика Роберта Поля американські військові доставили Планка до Геттінгена, де він провів п’ять тижнів в університетській клініці.

У липні 1946 року, будучи єдиним представником Німеччини, взяв участь у святкуванні 300-річчя від дня народження Ньютона. У березні 1947 року Планк виступив зі своєю останньою лекцією. Його здоров’я постійно погіршувалося, 4 жовтня 1947 року він помер.

На могилі великого вченого викарбувані його ім’я і значення сталої, названої на його честь.

Юрій РАЙХЕЛЬ
Газета: 
Рубрика: