Универсальная постоянная природы

Все началось с того, что к 1900 г. Макс Планк завершил "программу", вот уже четыре десятилетия стоявшую на повестке дня - со времени открытий Кирхгофа. Как установил Кирхгоф, отношение поглощательной способности тел к их излучательной способности определяется только температурой тела и длиной волны излучения и совершенно не зависит от специфических свойств излучающих тел. Однако можно представить такое тело, которое при любой температуре полностью поглощает весь падающий на него поток излучения независимо от длины волны. Такое тело Кирхгоф назвал "абсолютно черным телом". Следовательно, должна была существовать некая функция, зависящая от температуры и длины волны, которая отражала бы процесс изменения энергии света. Физики упорно искали эту функцию. Для астрономии она, без сомнения, представляла особый интерес, поскольку давала бы возможность определять температуры неподвижных звезд, исходя из вполне научно обоснованных предположений.

Было предпринято немало активных попыток установить закон излучения тел. В качестве примера можно назвать закон Вина, формулу Рэлея (Дж. У. Стретт, 1842-1919 гг.). Но лишь Планку удалось вывести формулу, справедливую для всех длин волн, которая хорошо согласовалась с практическими результатами.

Планк отчетливо понимал универсальность найденного им соотношения, но, к сожалению, поначалу не смог дать ему должного физического толкования. Он писал, что "формула излучения, выражающая случайно отгаданный закон, имеет лишь чисто формальное значение". Другими словами, отсутствовала теория, из которой неизбежно следовал бы найденный закон излучения. Максу Планку это обстоятельство представлялось в высшей степени неудовлетворительным. Он приложил все усилия, чтобы придать найденной формуле физический смысл. Особой "достопримечательностью" формулы Планка была так называемая универсальная постоянная, имеющая чрезвычайно малую величину-6,625 o 10^-27 эрг с. Поскольку формула Планка очень точно описью ала распределение энергии в спектре, это число должно было иметь существенное значение для характеристики процесса излучения энергии. После сравнительно непродолжительной, но весьма напряженной работы Планку удалось получить результат, который полностью изменил существовавшие тогда представления о процессе излучения.

Знаменитая Пулковская обсерватория. Выполненные здесь исследования принесли мировую славу русской и советской астрономии

Позднее сам Планк оценивал работу, проделанную им за несколько недель-с момента вывода формулы до ее объяснения, - как самую трудную в своей жизни. Результат гласил: в процессе излучения энергия отдается или принимается не просто некоторыми небольшими количествами, а вполне определенными малыми "порциями" - квантами. Величина такого кванта энергии равна произведению частоты испускаемого или поглощаемого излучения на указанную выше константу, которая сегодня известна как "постоянная Планка^*". 14 декабря 1900 г., когда Макс Планк представил свою работу "К теории закона распределения энергии в нормальном спектре" Берлинскому физическому обществу, считается днем рождения квантовой физики.

^*(h = (6,626196 ± 0,000050) 10^-34 Дж х с.)

Основополагающее открытие Планка послужило началом эры всестороннего изучения микромира атомов и элементарных частиц, о которых сам Планк, как и многие другие, говорил с большим скептицизмом. Планк дал теоретическое толкование своего закона излучения, не делая никаких конкретных предположений о его происхождении, и тем более об атомах как излучающих структурах. Лишь несколько лет спустя благодаря развитию знаний об атоме прежде всего в результате исследований по рассеиванию, выполненных Филипп Ленардом (1862-1947) и Эрнестом Резерфордом (1871-1937), стало возможным связать оба представления. Это было сделано великим датским физиком Нильсом Бором (1885-1962), сумевшим соединить квантовую концепцию со структурой атома и объяснить природу атомных спектров, в частности все особенности спектра водорода. На основе этих новых воззрений Арнольд Зоммерфельд (1868-1951), Вернер Гейзенберг (1901-1976) и другие известные физики позднее разработали квантовую теорию, которая позволила человеку проникнуть в глубины микрокосма.

Макс Планк

Связь между атомной физикой и физикой элементарных частиц, с одной стороны, и астрофизикой - с другой, со временем стала настолько тесной, что сегодня с полным правом можно утверждать: без физики микромира невозможна физика космоса и наоборот.

Оптимальное использование информации, скрытой в свете звезд, возможно лишь при наличии достоверной теории о возникновении и распространении звездного света. Современная астрофизика неразрывно связана с атомной и ядерной физикой.

Но подобные воззрения утвердились лишь в процессе длительной научной борьбы. Квантовая гипотеза Планка вначале натолкнулась на величайшее недоверие. Так, спустя уже 10 лет после публикации первой работы Планка, известный ученый Анри Пуанкаре (1854-1912) выступал как открытый противник новых взглядов. Арнольд Зоммерфельд - позднее один из пионеров новой физики - также выражал свои сомнения и держался выжидающе.

Когда через 20 лет после открытия Планка индийсий астрофизик Мегнад Саха (1893-1956) применил квантовую теорию к звездным спектрам и вывел свою знаменитую формулу состояния ионизации газов при высоких давлениях и температурах, редакторы американского журнала Astrophysical Journal не решались публиковать его работу, считая ее слишком умозрительной.

Различное отношение ученых к открытому Планком закону, безусловно, отражало различие мировоззрений естествоиспытателей. Например, Эрнст Мах, Вильгельм Оствальд и Вернер Гейзенберг пытались интерпретировать новые достижения естествознания в духе так называемого "физического" идеализма, тогда как великий австрийский физик и математик Людвиг Больцман (1844-1906), а с середины 90-х годов Макс Планк и многие другие исследователи придерживались материалистического подхода, который, вообще говоря, представлялся тогда стихийным и философски недостаточно обоснованным. Формула Планка, утверждавшая, что энергия передается дискретно, малыми квантами, подрывала основы естествознания XVIII-XIX вв., которое исходило из того, что природа не терпит "скачков".

Открытие Планком закона излучения вело к более глубокому пониманию человеком материальных процессов, происходящих в космосе, к постижению тайн природы и утверждению своего господства над ней.

Без современной физики мы ничего не знали бы о составе звездных атмосфер - внешних оболочек звезд, где, собственно, и рождается достигающий нас звездный свет. Без квантовой теории мы не могли бы "проникнуть" во внутреннее строение звезд. Без ядерной физики для нас оставались бы загадкой источники звездной энергии. Само существование огромных источников энергии в космосе, жизнь звезд с момента рождения до смерти-все это оставалось бы для нас тайной, если бы не активная совместная работа физиков и астрофизиков, которая в последние полвека ознаменовалась впечатляющими успехами и немало способствовала уточнению научной картины мира.

Астрология - средневековое аллегорическое изображение