Eind 19e - begin 20e eeuw werden gekenmerkt door de geboorte van nieuwe wetenschappelijke concepten die het gebruikelijke beeld van de wereld radicaal veranderden. In 1887 wilden de Amerikaanse natuurkundigen Edward Morley en Albert Michelson experimenteel de traditionele ideeën bevestigen dat licht (dat wil zeggen elektromagnetische trillingen) zich voortplant in een speciale substantie - ether, net zoals geluidsgolven door de lucht reizen.
Zonder zelfs maar aan te nemen dat hun ervaring het volledig tegenovergestelde resultaat zou laten zien, richtten de wetenschappers een lichtstraal op een doorschijnende plaat onder een hoek van 45 ° ten opzichte van de lichtbron. De bundel splitste zich, ging gedeeltelijk door de plaat en werd gedeeltelijk haaks op de bron gereflecteerd. Voortplantend met dezelfde frequentie, werden beide stralen gereflecteerd door de loodrechte spiegels en teruggevoerd naar de plaat. De ene weerkaatste erdoor, de andere ging erdoorheen, en toen de ene straal op de andere werd gelegd, verschenen interferentieranden op het scherm. Als het licht in een of andere substantie zou bewegen, zou de zogenaamde etherische wind het interferentiepatroon moeten verschuiven, maar er is niets veranderd gedurende zes maanden observatie. Michelson en Morley realiseerden zich dus dat ether niet bestaat en dat licht zich zelfs in een vacuüm kan verspreiden - absolute leegte. Dit bracht de basispositie van de klassieke Newtoniaanse mechanica over het bestaan van absolute ruimte in diskrediet - het fundamentele referentiekader ten opzichte waarvan de ether in rust is.
Een andere "steen" in de richting van de klassieke fysica waren de vergelijkingen van de Schotse wetenschapper James Maxwell, die aantoonden dat licht beweegt met een beperkte snelheid, die niet afhankelijk is van het "source-observer" -systeem. Deze ontdekkingen vormden de aanzet voor de vorming van twee totaal vernieuwende theorieën: kwantum en de relativiteitstheorie.
In 1896 begon de Duitse natuurkundige Max Planck (1858-1947) warmtestraling te bestuderen - in het bijzonder hun afhankelijkheid van de textuur en kleur van het uitzendende object. Plancks interesse in dit onderwerp ontstond in verband met het gedachte-experiment van zijn landgenoot Gustav Kirchhoff, uitgevoerd in 1859. Kirchhoff creëerde een model van een absoluut zwart lichaam, dat een ideale ondoorzichtige houder is die alle stralen die erop vallen absorbeert en ze niet naar buiten laat. »Stuiter herhaaldelijk tegen de muren en verlies energie. Maar als dit lichaam wordt verwarmd, zal het straling gaan uitzenden, en hoe hoger de verwarmingstemperatuur, hoe korter de golflengten van de straal, wat betekent dat de stralen van het onzichtbare spectrum naar het zichtbare spectrum gaan. Het lichaam wordt eerst rood en daarna wit, omdat de straling het hele spectrum combineert. De uitgezonden en geabsorbeerde straling zullen in evenwicht komen, dat wil zeggen dat hun parameters hetzelfde worden en onafhankelijk van de stof waaruit het lichaam is gemaakt - energie zal in gelijke hoeveelheden worden geabsorbeerd en vrijgegeven. De enige factor die het stralingsspectrum kan beïnvloeden, is de lichaamstemperatuur.
Nadat ze de bevindingen van Kirchhoff hadden vernomen, begonnen veel wetenschappers de temperatuur van een zwart lichaam en de bijbehorende golflengten van de uitgezonden straling te meten. Natuurlijk deden ze het met behulp van de methoden van de klassieke fysica - en … ze liepen dood en kregen totaal zinloze resultaten. Met een toename van de lichaamstemperatuur en dienovereenkomstig een afname van de golflengte van straling naar het ultraviolette spectrum, nam de intensiteit van golfoscillaties (energiedichtheid) toe tot oneindig. Ondertussen lieten experimenten het tegenovergestelde zien. Sterker nog, schijnt een gloeilamp helderder dan een röntgenbuis? En is het mogelijk om een zwarte kubus te verwarmen zodat deze radioactief wordt?
Om deze paradox, de ultraviolette catastrofe genaamd, te elimineren, vond Planck in 1900 een originele verklaring voor hoe de stralingsenergie van een zwart lichaam zich gedraagt. De wetenschapper suggereerde dat de atomen, die trillen, energie afgeven in strikt gedoseerde porties - quanta, en hoe korter de golf en hoe hoger de trillingsfrequentie, hoe groter het quantum, en vice versa. Om het kwantum te beschrijven, heeft Planck een formule afgeleid waarmee de hoeveelheid energie kan worden bepaald door het product van de frequentie van de golf en het actiekwantum (constante gelijk aan 6,62 × 10-34 J / s).
In december presenteerde de wetenschapper zijn theorie aan leden van de Duitse Natuurkundige Vereniging, en deze gebeurtenis markeerde het begin van de kwantumfysica en mechanica. Vanwege het gebrek aan bevestiging door echte experimenten, wekte de ontdekking van Planck echter verre van onmiddellijk interesse. En de wetenschapper zelf presenteerde quanta aanvankelijk niet als materiële deeltjes, maar als een wiskundige abstractie. Slechts vijf jaar later, toen Einstein een rechtvaardiging vond voor het foto-elektrische effect (het uitschakelen van elektronen uit een stof onder invloed van licht) en dit fenomeen verklaarde door de "dosering" van de uitgezonden energie, vond de formule van Planck zijn toepassing. Toen werd het voor iedereen duidelijk dat dit geen loze speculaties waren, maar een beschrijving van een reëel fenomeen op microniveau.
Overigens had de auteur van de relativiteitstheorie zelf veel waardering voor het werk van zijn collega. Volgens Einstein ligt de verdienste van Planck in het bewijzen dat niet alleen materie uit deeltjes bestaat, maar ook uit energie. Bovendien vond Planck een actiekwantum - een constante die de frequentie van straling koppelt aan de grootte van zijn energie, en deze ontdekking zette de natuurkunde op zijn kop en begon haar ontwikkeling in een andere richting. Einstein voorspelde dat het dankzij de theorie van Planck zou zijn dat het mogelijk zou zijn om een model van het atoom te maken en te begrijpen hoe energie zich gedraagt wanneer atomen en moleculen vervallen. Volgens de grote natuurkundige vernietigde Planck de fundamenten van de Newtoniaanse mechanica en toonde hij een nieuwe manier om de wereldorde te begrijpen.
Promotie video:
Nu wordt de constante van Planck gebruikt in alle vergelijkingen en formules van de kwantummechanica, waarbij de macrokosmos wordt gedeeld, leeft volgens de wetten van Newton, en de microkosmos, waar kwantumwetten werken. Deze coëfficiënt bepaalt bijvoorbeeld de schaal waarop het Heisenberg-onzekerheidsprincipe werkt - dat wil zeggen, het onvermogen om de eigenschappen en het gedrag van elementaire deeltjes te voorspellen. In de kwantumwereld hebben alle objecten inderdaad een tweeledige aard: ze ontstaan op twee plaatsen tegelijk, manifesteren zich op het ene punt als een deeltje en op het andere als een golf, enz.
Dus, nadat hij quanta had ontdekt, richtte Max Planck de quantumfysica op, die in staat is om verschijnselen op atomair en moleculair niveau te verklaren, wat de kracht van de klassieke fysica te boven gaat. Zijn theorie werd de basis voor de verdere ontwikkeling van dit wetenschappelijke veld.