В края на 19 - началото на 20 век бяха белязани от раждането на нови научни концепции, които коренно промениха обичайната картина на света. През 1887 г. американските физици Едуард Морли и Алберт Микелсън искат експериментално да потвърдят традиционните идеи, че светлината (тоест електромагнитните трептения) се разпространява в специално вещество - етер, точно както звуковите вълни пътуват през пространството през въздуха.
Без дори да предполагат, че техният опит ще покаже напълно противоположния резултат, учените насочиха светлинен лъч към полупрозрачна плоча, разположена под ъгъл от 45 ° спрямо източника на светлина. Лъчът е раздвоен, отчасти преминаващ през плочата и частично отразен от нея под прав ъгъл към източника. Разпространявайки се с еднаква честота, и двата лъча бяха отразени от перпендикулярните огледала и се върнаха към плочата. Единият се отразява от него, другият преминава през него и когато един лъч се наслагва върху друг, на екрана се появяват гранични ребра. Ако светлината се движеше в някакво вещество, така нареченият ефирен вятър ще трябва да измести схемата на смущения, но нищо не се е променило за шест месеца наблюдения. Така Микелсън и Морли разбрали, че етер не съществува и светлината може да се разпространи дори във вакуум - абсолютна празнота. Това дискредитира основното положение на класическата Нютонова механика относно съществуването на абсолютно пространство - основната референтна рамка, спрямо която етерът е в покой.
Друг „камък“в посока на класическата физика бяха уравненията на шотландския учен Джеймс Максуел, който показа, че светлината се движи с ограничена скорост, която не зависи от системата „източник-наблюдател“. Тези открития послужиха като тласък за формирането на две напълно иновативни теории: квантовата и теорията на относителността.
През 1896 г. немският физик Макс Планк (1858-1947) започва да изучава топлинните лъчи - по-специално тяхната зависимост от текстурата и цвета на излъчващия обект. Интересът на Планк към тази тема възниква във връзка с мисловния експеримент на неговия сънародник Густав Кирхоф, извършен през 1859 г. Кирххоф създава модел на абсолютно черно тяло, което е идеален непрозрачен контейнер, който абсорбира всички паднали върху него лъчи и не ги изпуска навън, „принуждавайки »Многократно отскача от стените и губи енергия. Но ако това тяло се нагрее, то ще започне да излъчва радиация и колкото по-висока е температурата на нагряване, толкова по-къси са дължините на лъчите на лъчите, което означава, че лъчите ще преминат от невидимия спектър към видимия. Тялото първо ще стане червено, а след това ще стане бяло, защото неговото излъчване ще комбинира целия спектър. Излъчената и погълната радиация ще влезе в равновесие, тоест параметрите им ще станат същите и независими от веществото, от което е направено тялото - енергията ще се абсорбира и освобождава в равни количества. Единственият фактор, който може да повлияе на радиационния спектър, е телесната температура.
След като научиха за откритията на Кирхоф, много учени си поставиха за цел да измерят температурата на черно тяло и съответните дължини на вълните на излъчваните лъчи. Разбира се, те го направиха, използвайки методите на класическата физика - и … стигнаха до задънена улица, постигайки напълно безсмислени резултати. С увеличаване на телесната температура и съответно намаляване на дължината на вълната на излъчване до ултравиолетовия спектър, интензитетът на вълновите колебания (енергийна плътност) се увеличава до безкрайност. Междувременно експериментите показаха точно обратното. Наистина ли лампата с нажежаема жичка свети по-ярко от рентгенова тръба? И възможно ли е да загреете черен куб, така че да стане радиоактивен?
За да премахне този парадокс, наречен ултравиолетова катастрофа, Планк през 1900 г. намери оригинално обяснение за това как се държи радиационната енергия на черно тяло. Ученият предположи, че атомите, вибриращи, отделят енергия в строго дозирани порции - кванти, и колкото по-къса е вълната и колкото по-висока е вибрационната честота, толкова по-голям е квантът и обратно. За да опише кванта, Планк изведе формула, според която количеството енергия може да бъде определено от произведението на честотата на вълната и количеството на действие (константа равна на 6,62 × 10-34 J / s).
През декември ученият представи теорията си на членове на Германското физическо общество и това събитие бележи началото на квантовата физика и механика. Поради липсата на потвърждение от реални експерименти, откритието на Планк предизвика интерес далеч не веднага. А самият учен отначало представи кванти не като материални частици, а като математическа абстракция. Само пет години по-късно, когато Айнщайн намери оправдание за фотоелектричния ефект (избиване на електрони от вещество под въздействието на светлината), обяснявайки това явление чрез "дозиране" на излъчената енергия, формулата на Планк намери своето приложение. Тогава на всички стана ясно, че това не са празни спекулации, а описание на истинско явление на микро ниво.
Между другото, самият автор на теорията на относителността високо оцени работата на своя колега. Според Айнщайн заслугата на Планк се състои в доказването, че не само материята е съставена от частици, но и енергия. Нещо повече, Планк намерил квант на действие - постоянна връзка между честотата на излъчване с величината на нейната енергия и това откритие обърна физиката с главата надолу, като започна развитието си в друга посока. Айнщайн предсказа, че благодарение на теорията на Планк ще бъде възможно да се създаде модел на атома и да се разбере как енергията се държи, когато атомите и молекулите се разпадат. Според великия физик Планк унищожи основите на Нютоновата механика и показа нов начин в разбирането на световния ред.
Промоционално видео:
Сега константата на Планк се използва във всички уравнения и формули на квантовата механика, разделяща макрокосмоса, живеещ според законите на Нютон, и микрокосмоса, където работят квантовите закони. Например този коефициент определя мащаба, при който действа принципът на несигурността на Хайзенберг - тоест невъзможността да се предвиди свойствата и поведението на елементарни частици. В действителност в квантовия свят всички обекти имат двойствена природа, възникващи на две места едновременно, проявяващи се като частица в една точка и като вълна в друга и т.н.
По този начин, откривайки кванти, Макс Планк основава квантова физика, способна да обясни явления на атомно и молекулно ниво, което е извън силата на класическата физика. Неговата теория стана основа за по-нататъшното развитие на тази научна област.