Кудрявцев Степанович - Курс истории физики

Теория теплового излучения началась с 1859 г., когда Кирхгоф открыл основной закон теплового излучения, носящий его имя, и установил понятие абсолютно черного тела, испуска-тельная способность которого имеет универсальное значение. Макс Планк в своей научной автобиографии писал о законе Кирхгофа: «Этот закон утверждает, что если в откачанном пустом пространстве, ограниченном полностью отражающими стенками, находятся совершенно произвольные излучающие и поглощающие тела, то с течением времени устанавливается такое состояние, при котором все тела имеют одну и ту же температуру, а излучение по всем своим свойствам, в том числе по спектральному распределению энергии, зависит только от температуры, но не от свойств тел». Это равновесное излучение и есть излучение абсолютно черного тела, закон распределения которого по длинам волн спектра представляет универсальную функцию длин волн и температуры. «Это так называемое нормальное распределение энергии, — писал Планк, — представляет собой нечто абсолютное».

Через 20 лет после установления Кирхгофом своего закона (он обосновал его с помощью принципов термодинамики в 1860 г.) Жозеф Стефан (1835-1893) из измерений, выполненных французскими физиками, сделал вывод, что суммарная энергия всех длин волн, излучаемых черным телом, пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры тела. Коэффициент пропорциональности есть универсальная константа.

Стефан сформулировал свой закон в 1879 г. Через пять лет, в 1884 г., ученик Стефана Людвиг Больцман, применив к излучению принципы термодинамики и исходя из существования светового давления, равного, по Максвеллу, для изотропного излучения одной трети объемной плотности энергии, вывел теоретически закон Стефана. С этого времени он стал называться законом Стефана — Больцмана, а постоянная закона — постоянной Стефана — Больцмана.

Больцман показал теоретикам путь исследования — применение принципов термодинамики и электромагнитной теории света. Идя этим путем и привлекая кинетическую теорию материи, русский физик В. А. Михельсон в 1887 г. приступил к теоретическому объяснению распределения энергии в спектре излучения твердого тела. Работа Михельсона «Опыт теоретического объяснения распределения энергии в спектре твердого тела» была опубликована в январе 1887 г. в «Журнале Русского физико-химического общества», а также на французском языке в «Gournal de Physique» и на английском языке в «Philosophical Magazine» в том же, 1887 г.

Владимир Александрович Михельсон родился 30 июня 1860 г. в Тульчине Подольской губернии. По окончании в Москве частной гимназии в 1878 г. он поступает в Петербургский институт инженеров путей сообщения. Однако он скоро понял, что его призванием является физика, и перешел в Московский университет. А. Г. Столетов замечает способности Михельсона и по окончании университета в 1883 г. оставляет его для подготовки к профессорскому званию. В 1887 г. Михельсон отправляется за границу, где в лаборатории Гельмгольца работает над магистерской диссертацией «О нормальной скорости воспламенения гремучих газовых смесей». Диссертация получила высокую оценку, и по предложению Столетова совет физико-математического факультета присудил Михельсону докторскую степень, минуя магистерскую.

Михельсон был избран профессором кафедры физики и метеорологии Московского сельскохозяйственного института, бывшей Петровской сельскохозяйственной академии и будущей Тимирязевской сельскохозяйственной академии в Петровском-Разумовском. Михельсон развернул большую работу по организации метеорологических наблюдений в России и созданию при лаборатории метеорологической обсерватории По его проекту в Петровском-Разумовском была построена метеорологическая обсерватория, ныне носящая имя В. А. Михельсона. Сам Михельсон много и плодотворно занимался актинометрией.

После Октябрьской революции Михельсон активно сотрудничает с Советской властью. Одна из его статей, в которой он предсказывал наступление засухи, привлекла внимание В. И. Ленина и по его указанию была опубликована в «Известиях» 17 сентября 1920 г. под названием «Важное предостережение».

В. А. Михельсон умер 27 февраля 1927 г.

Возвращаясь к истории теплового излучения, следует отметить, что статье Михельсона предшествовали измерения, проведенные американским астрофизиком Самуэлем Ланглеем (1834— 1906). Он опубликовал в 1886 г. свои исследования над инфракрасными лучами с помощью изобретенного им болометра и исследования по распределению энергии в солнечном спектре. Михельсон указывает, что результаты Ланглея делают актуальным теоретический анализ распределения энергии в непрерывном спектре. Он подчеркивает, что «большая часть предлагаемых результатов должна быть рассматриваема лишь как первое, грубое приближение к действительности». Полученные им теоретические кривые «обладают всеми без исключения общими свойствами, какие указывает Ланглей, описывая свои экспериментальные кривые». Одним из важных свойств кривых Ланглея является наличие максимума, который смещается по- мере повышения температуры в сторону коротких волн. Теория Михельсона дала следующее соотношение между абсолютной температурой 9 и длиной волны λ max

или, если ввести более употребительное обозначение температуры:

Михельсону не удалось дать точную формулировку закона смещения. Но его работа послужила началом пути, по которому пошел Вильгельм Вин (1864— 1928), давший в 1893 г. точное выражение этого закона:

В том же, 1893 г. была представлена диссертация «Исследования по математической физике» Б. Б. Голицына, во второй части которой содержалась теория теплового излучения. В ней Голицын впервые ввел понятие температуры излучения, которая в то время отождествлялась с температурой эфира и поэтому представлялась весьма спорной. «Мы не знаем, могут ли быть в свободном эфире нестройные движения, и потому уже не можем говорить о температуре эфира», — писали в своем критическом отзыве на диссертацию Голицына А. Г. Столетов и А. П. Соколов. Дальнейшее развитие теоретической физики доказало правоту Голицына, да и сам эфир был исключен из физической картины мира. За Голицыным осталась историческая заслуга введения в науку важного понятия температуры излучения. В его диссертации содержались также и другие результаты, предвосхищавшие выводы Вина и Рэлея — Джинса. Однако резкий критический отзыв оппонентов Столетова и Соколова заставил Голицына взять диссертацию обратно.