Коллектив авторов - 100 великих научных открытий

Узнав о выводах Кирхгофа, многие ученые задались целью измерить температуру черного тела и соответствующие ей длины волн испускаемых лучей. Разумеется, делали они это методами классической физики — и… заходили в тупик, получая совершенно бессмысленные результаты. С повышением температуры тела и, соответственно, уменьшением длины волны излучения до ультрафиолетового спектра интенсивность волновых колебаний (плотность энергии) возрастала до бесконечности. А между тем эксперименты показывали обратное. И правда, разве лампа накаливания светит ярче трубки Рентгена? И разве можно нагреть черный кубик так, чтобы он стал радиоактивным?

Чтобы устранить данный парадокс, названный ультрафиолетовой катастрофой, Планк в 1900 г. нашел оригинальное объяснение тому, как ведет себя энергия излучения абсолютно черного тела. Ученый предположил, будто атомы, колеблясь, выпускают энергию строго дозированными порциями — квантами, причем, чем короче волна и выше частота колебаний, тем квант больше, и наоборот. Для описания кванта Планк вывел формулу, согласно которой величину энергии можно определить по произведению частоты волны и кванта действия (постоянной, равной 6,62 × 10 -34 Дж/с).

В декабре ученый изложил свою теорию членам Немецкого физического общества, и это событие положило начало квантовой физике и механике. Впрочем, из-за неподтвержденности реальными опытами открытие Планка вызвало интерес далеко не сразу. Да и сам ученый поначалу представлял кванты не материальными частицами, а математической абстракцией. Лишь пять лет спустя, когда Эйнштейн нашел обоснование фотоэлектрическому эффекту (выбиванию электронов из вещества под действием света), объяснив это явление «дозированием» излучаемой энергии, формула Планка нашла свое применение. Тогда уже всем стало ясно, что это не пустые домыслы, а описание реального явления на микроуровне.

Кстати, сам автор теории относительности очень высоко оценил работу коллеги. По словам Эйнштейна, заслуга Планка состоит в доказательстве того, что не только материя складывается из частиц, но и энергия. Более того, Планк нашел квант действия — постоянную, связывающую частоту излучения с величиной его энергии, и это открытие перевернуло физику с ног на голову, пустив ее развитие в ином направлении. Эйнштейн предсказал, что именно благодаря теории Планка станет возможным создать модель атома и понять, как ведет себя энергия при распадах атомов и молекул. По словам великого физика, Планк разрушил основы ньютоновской механики и показал новый путь в познании мироустройства.

Ныне постоянная Планка применяется во всех уравнениях и формулах квантовой механики, разделяя макромир, живущий по законам Ньютона, и микромир, где работают квантовые законы. К примеру, этот коэффициент определяет масштабы, в которых действует принцип неопределенности Гейзенберга — то есть невозможности предугадывать свойства и поведение элементарных частиц. Ведь в квантовом мире все объекты имеют двойственную природу, возникая в двух местах одновременно, проявляясь как частица в одной точке и как волна — в другой и пр.

Таким образом, открыв кванты, Макс Планк основал квантовую физику, способную объяснять явления на атомном и молекулярном уровнях, что не под силу физике классической. Его теория стала базой для дальнейшего развития этой научной сферы.

В 1836 г. английский физик Майкл Фарадей сформулировал законы электролиза (разложения жидкостей на отдельные элементы под воздействием тока). Согласно первому закону, чем больший заряд передать электроду, тем большей будет масса осажденных на нем элементов. Согласно второму, чем больше масса осевших на электроде элементов, тем больше весит 1 эквивалент этого элемента — количество, реагирующее с 1 моль (6,002×10 23 атомов) водорода. Опираясь на эти законы, британский ученый Джордж Стони в 1874 г. высказал догадку о том, что разрыв каждой конкретной связи возникает только тогда, когда через электролит (токопроводящую жидкость) пропускают определенный, соответствующий именно данному типу связи заряд (количество электричества). Через 15 лет Стони придумал название для элементарной единицы, переносящей заряд, — электрон.

Впрочем, еще до того, как он ввел этот термин, немецкий физик Герман Гельмгольц (1821–1894) предположил, что электричество, независимо от того, заряжено ли оно положительно или отрицательно, состоит из крошечных частиц — точно так же, как любая материя состоит из атомов. Ученый догадывался, что химические вещества должны содержать электрические частицы, ведь при разложении электролитов вместо атомов образовывались положительно и отрицательно заряженные ионы. Значит, рассуждал физик, при замыкании цепи один атомы теряют какое-то количество электрических частиц, другие присоединяют такое же количество и притягиваются к соответствующим электродам, а уже там под воздействием повышенного напряжения отдают лишние частицы либо забирают недостающие — и становятся нейтральными.

В 1895 г. немецкий ученый Вильгельм Конрад Рентген обнаружил загадочные икс-лучи, которые возникали по вине заряженных частиц, испускаемых катодом (отрицательным электродом) вакуумной трубки на анод — положительный катод, вследствие чего выделялся поток энергии. Год спустя опыты французского физика Антуана Анри Беккереля показали: если поместить атомы урана в электрическое поле, создаваемое двумя электродами, произойдет атомный распад на положительные ядра, поток отрицательных частиц и волновое излучение энергии. Так была выявлена радиоактивность. Наконец, в конце апреля 1897 г. кембриджский профессор физики Джозеф Томсон (1856–1940) официально сообщил о том, что была найдена новая элементарная частица с самой маленькой массой и зарядом — электрон.

Когда Томсон только начал работу в Кавендишской лаборатории Кембриджа, коллеги подтрунивали над ним. По словам одного из лаборантов, пальцы Джозефа были жутко неуклюжими, поэтому сотрудники всячески старались не подпускать его к оборудованию. Единственное, что на тот момент у Томсона получалось хорошо, — это стратегическое планирование: он мог четко нарисовать в воображении поэтапный процесс любого эксперимента. За это коллеги дали профессору прозвище Безрукая Голова, однако уже через несколько лет он отважился ставить опыты без чьей-либо помощи.

Сначала Джозеф пропускал рентгеновские, радиационные и катодные лучи (потоки электронов, испускаемые отрицательным электродом — катодом) через разреженные газы и наблюдал, как их молекулы приобретают заряд, превращаясь в положительные и отрицательные ионы. Попутно ученый выяснил, что если разность потенциалов в газе небольшая, то, согласно закону Ома, с падением напряжения (давления, оказываемого на электроны) сила тока тоже уменьшается. А вот с ростом напряжения сила тока, как ни странно, падала, что противоречило закону Ома, но стоило только увеличить напряжение до максимума, как ток резко возрастал и газ разряжался с искрами, похожими на молнию.