Tip:
Highlight text to annotate it
X
Звідки взялася квантова теорія?
Все почалося не як божевільна ідея, а мов спалах лампочки. На початку 1890-х, німецьке
Бюро Стандартів запитало Макса Планка, як зробити лампочки більш ефективними так, щоб вони
давали максимум світла за мінімуму електричної енергії.
Спершу Планку потрібно було з'ясувати скільки світла випромінює нитка розжарювання.
Він знав, що світло складається з електромагнітних хвиль різного кольору на різних
частотах. Проблема полягала в забезпеченні якомога більшої кількості світла
яке випромінюється видимими хвилями, а не ультрафіолетовими чи інфрачервоними.
Він намагався зрозуміти скільки променів кожного кольору випромінює гарячий об'єкт, але його прогнози
на основі електромагнітної теорії не збігалися з експериментами.
Натомість він зробив те, що пізніше назвав "актом відчаю”, він відкинув існуючу теорію
і почав працювати у зворотньому напрямку - від експериментальних даних. Дані вказали йому на нові
фізичні закони: хвилі світла переносять енергію лише порціями, високочастотне світло
складається з великих порцій енергії, а низькочастотне світло з малих порцій
енергії.
Ідея, що світло випромінюється порціями, чи "квантами", здавалася божевільною в той час, але
незабаром Ейнштейн поєднав її з більш відомою проблемою: розподілу.
Якщо ви бажаєте ощасливити дитину... дайте їй тістечко! Але якщо у вас двоє дітей, а у вас
лише одне тістечко, то вам доведеться розділити його навпіл. А якщо у вас
четверо, чи восьмеро, або ж один мільйон шістсот тисяч, ви не зробите їх дуже щасливими
якщо вони розділять одне тістечко між собою.
Насправді, якщо у вас є нескінченна кількість дітей, але не безкінечна кількість тістечок,
то якщо ви розділите його порівну між дітьми, кожна дитина отримає лише безкінечно малу крихту, і
ніхто з них не повеселішає.
Різниця між хвилями світла і дітьми полягає в тому, що ви не можете помістити безкінечну
кількість дітей у кімнату. А оскільки хвилі світла бувають різних розмірів, то у вас може бути скільки завгодно
маленьких хвиль світла і ви можете помістити безкінечно багато їх у кімнату. І тоді світлові хвилі
зможуть вжити всі ваші шматочки тістечка… тобто енергію.
Фактично, всі ці безкінечно малі хвилі разом могли б поглинути безкінечну кількість
енергії, вони висмокчуть все тепло з будь-чого, що ви покладете у кімнату... миттєво
заморожуючи чай у чашці, чи сонце, чи навіть наднову зірку.
На щастя всесвіт так не влаштований… тому що, як здогадався Планк, крихітні,
високочастотні хвилі можуть переносити енергію лише величезними порціями. Вони наче вередливі діти,
які хочуть лише 37 тістечок, або 162 тисячі тістечок,
не більше і не менше. Через те, що вони такі прискіпливі, високочастотні хвилі зазнають збитків
і більша частина енергії розділяється між низькочастотними порціями порівну.
Цю загальну, середню енергію, яку несуть порції світла, ми називаємо
"температура".
Тому висока температура просто означає високу середню енергію і, за законом Планка,
високу частоту випромінювання світла. Ось чому, коли об'єкт стає гарячішим він горить спершу
інфрачервоним, потім червоним, жовтим, білим; ще гарячіше, стає блакитним, фіолетовим, ультрафіолетовим.
І так далі.
Квантова теорія Планка, вередливого світла, говорить нам, що нитку розжарення потрібно
нагріти до температури близько 3200 Кельвін, щоб більша частина енергії випромінювалась
у видимих хвилях - а якщо гарячіше, то ми б вже засмагали під ультрафіолетовим світлом.
Насправді, квантова фізика кидалась нам у вічі задовго до появи лампочок чи соляріїв:
люди добували вогонь протягом багатьох тисячоліть, а його колір
розповідав весь час про "кванти".