Представьте себе, что у вас в руках банка, полная воды. Можете вы отлить из нее половину? Вполне, правда? Труда не составит. А отпить глоток? Тоже не сложно. Выплеснуть капельку? Пожалуйста. Количество воды можно увеличивать и уменьшать в банке на сколь угодно малую величину. И потому вес воды мы можем считать величиной непрерывной.
А теперь представьте, что в руках у вас коробка с детскими кубиками. Каждый кубик весом сто граммов. Можете вы убавить от общего их количества, скажем, тридцать семь с половиной граммов? Нет! Кубики ломать нельзя! Вес коробки с кубиками может меняться только на величины, кратные ста граммам. Потому что вес ее — величина не непрерывная, а дискретная. И самое малое количество, на которое он может измениться (100 граммов), можно назвать порцией, или квантом, веса.
М. Планк в своей библиотеке
Уяснив себе понятие кванта, вернемся к проблеме черного тела. Классическая физика рассматривала процессы излучения и поглощения энергии только как процессы непрерывные. Да и как может быть иначе, если излучение распространяется в виде волн. Всякое же волновое движение есть выражение непрерывного процесса…
А что сделал Планк? Вопреки устоявшимся взглядам родной классической науки, он предложил считать, что испускание лучистой энергии атомами вещества происходит дискретно, то есть квантами. При этом кванты энергии должны быть пропорциональны крошечной универсальной постоянной (позже ее назвали постоянной Планка: h = 6,624 ∙ 10-27 эрг∙сек) и частоте излучения. То есть должны рассчитываться по простой формуле: E = hv.
Таким образом непрерывный поток энергии от нагретого черного тела превращался в «пулеметную очередь» из отдельных порций — квантов энергии. Казалось бы, ничего особенного, ведь квант энергии получался таким маленьким. Но на самом деле это означало ломку всего превосходно построенного здания классической физики, поскольку вместо основных фундаментальных законов, построенных на принципе непрерывности, Планк предлагал замену его принципом дискретности.
Гипотеза Планка вызвала много возражений. Главным из них было то, что дискретность излучения требовала отказа от классической электромагнитной теории света, для которой непрерывность волновых процессов являлась непременным условием.
И Планк был, в общем-то, согласен с большинством возражений. Воспитанный в классических традициях, он сам искренне страдал от логического несовершенства своей гипотезы. Видел трудности, которые она порождала для понятий классической физики. И искренне надеялся, что она будет носить временный характер.
Однако независимо от надежд на скорую гибель квантовая гипотеза вовсе не собиралась сдавать своих позиций. Наоборот, словно джинн, выпущенный из бутылки, она росла, ширилась и захватывала все новые и новые отрасли физики. Квантовые представления оказались весьма удобными не только для теории теплового излучения. Эйнштейн использовал их для анализа результатов опытов по фотолюминесценции, фотоэффекту, ионизации газов, а позже — удельной теплоемкости и фотохимическим процессам… Благодаря такому широкому фронту охватываемых вопросов квантовая теория приобретала глобальный характер. И это с каждым годом понимало все большее число физиков.
Макс Карл Эрнст Людвиг Планк родился в 1858 году в городе Киле, где его отец был профессором юриспруденции.
Макс Планк получил в основном математическое образование. Он учился сначала в Мюнхене, потом в Берлине. Его учителями были такие выдающиеся немецкие ученые, как Гельмгольц и Кирхгоф. Его ранние работы по теории теплоты принесли ему известность, и, не достигнув даже тридцатидвухлетнего возраста, Планк уже руководил кафедрой физики в Берлинском университете.
Он никогда не занимался экспериментальной работой и всю жизнь оставался теоретиком до мозга костей.
Планк всю жизнь интересов алея философскими вопросами физики, был убежден в реальности внешнего мира и в могуществе разума. Это существенно отметить, потому что очень важный этап его деятельности протекал в обстановке кризиса в физике. Однако материалистически настроенный Планк твердо противостоял модным позитивистским увлечениям Маха и Оствальда, о которых мы еще будем говорить. «Он был типичным немцем в лучшем смысле этого слова, — пишет в своей книге Джордж Паджет Томсон, видный физик нашего времени, сын Дж. Дж. Томсона. — Честный, педантичный, с чувством собственного достоинства, по-видимому довольно твердый, но в благоприятных условиях способный отбросить всю чопорность и превратиться в обаятельного человека».
Работая одно время в университете вместе с Эйнштейном, Планк был очень дружен с ним. И часто вечерами в импровизированных концертах они выступали вдвоем: Планк играл на фортепьяно, Эйнштейн на скрипке.
Макс Планк был спокойным человеком с сильным характером. Он до конца своей жизни оставался предан науке, всегда хорошо относился к людям и никогда не стоял в стороне от общественных дел и событий.
О твердости и принципиальности его характера говорит тот факт, что в годы фашистского режима на одном из официальных приемов Планк бесстрашно осудил преследование властями евреев и просил об освобождении ряда своих знакомых. Взбешенный фюрер выставил его из кабинета.
Некоторое время спустя младший сын Планка вместе с другими патриотами после раскрытия заговора против Гитлера был арестован и казнен фашистами.
Такой осталась память о Максе Планке — честном, немного старомодном для своего бурного времени немецком профессоре, безгранично преданном классической науке, в которую, сам того не желая, он внес самое большое потрясение.
Таким остался Макс Планк в воспоминаниях тех, кто его знал и любил.
Сам Планк вначале еще пытался примирить кванты с классической теорией, пробовал втиснуть в рамки последней свою постоянную h. И когда это у него не получилось окончательно, стал относиться к своему детищу куда более серьезно. Пройдут годы, и он напишет в своей автобиографии: «…квант действия играет фундаментальную роль в атомной физике и с его появлением в физической науке наступила новая эра, ибо в нем заложено нечто до того неслыханное, что призвано радикально преобразить наше физическое мышление, построенное на понятии непрерывности всех причинных связей».
Особенно большое значение в становлении новой теории сыграло объяснение, которое дал Эйнштейн явлению внешнего фотоэффекта.