Відкриття квантування енергії

Відкриття квантування енергії стало результатом дивовижної випадковості, яка освітила шлях, що до того був оповитий темрявою. Інструментом, що дозволив це зробити, стала фізична статистика, а людиною, яка досягла успіху, був німецький фізик Макс Планк (1858-1947), якого завдяки цьому відкриттю вважають батьком квантової фізики.

Проблема випромінювання

Точкою відліку для Планка у його відкритті стала спроба розв'язати проблему, з якою зіткнулася фізика того часу. Щоб зрозуміти суть проблеми, необхідно знати, що у джерелі випромінювання низька частота, наприклад, відповідає червоному кольору, а вищі частоти – фіолетовому, це в межах видимої енергії. За межами фіолетового, тобто з більшою енергією, знаходиться ультрафіолет, а за межами червоного, з меншою енергією, – інфрачервоне випромінювання. Проблема полягала в тому, що кількість енергії, яка надходила, відрізнялася залежно від основної частоти, на якій випромінювало джерело, — хоча джерела випромінюють на всіх частотах, вони мають одну, яка є основною —.

Існував закон, згідно з яким це залежало від квадрату температури частоти на низьких частотах. Результатом цього закону є парабола, через квадрат. І ця парабола мала вигляд рогів, спрямованих вгору. Результат був абсурдним: для високих частот щільність пов'язаної енергії була надзвичайно високою.

Настільки абсурдним, що це явище отримало назву «ультрафіолетова катастрофа». Оскільки це не працювало, інші дослідники казали: «Замість частоти в квадраті, виходячи з експериментальних спостережень, давайте поставимо її в куб і додамо член, який це виправить». Коли частота значно зростала, вводився математичний член, який виправляв результат і уникав проблеми, що існувала в іншому законі, який був у конкуренції. Тобто, те, що вони робили в експериментальних результатах, математично додавало цей вираз, який виправляв експерименти.

Квантування енергії

Щоб зрозуміти, що сталося, необхідно сказати, що в той час фізична статистика почала робити значні успіхи. І те, що було відомо в статистиці, полягало в тому, що енергія залежатиме від усіх можливих станів усіх можливих способів розташування, які можуть мати молекули випромінювання. Тоді Планк подумав: «Давайте зробимо вигляд, що це гармонічні осцилятори, як маленькі пружини, кожна з яких вібрує з певною частотою і може вібрувати лише на квантованих частотах», що означає, що вони можуть вібрувати лише на певних дозволених частотах. Або, іншими словами, енергія не буде безперервною.

Використовуючи свої знання з фізичної статистики, Макс Планк поєднав цю ідею з двома математичними формулами і з тим, що спостерігалося на високих і низьких частотах. І раптом це спрацювало. Але, будучи теоретиком, він не усвідомлював, що відкрив. Він бачив, що це працює, але не знайшов ідеї, щоб це пояснити. Коли Ейнштейн пояснив фотоелектричний ефект, стало зрозуміло, що ці стрибки в енергії, ці вібрації, були можливими.

Наслідки

Розуміння того, що енергія квантована, змінило все. Це основа квантової фізики. Поєднання цієї теорії з експериментами змінило світ, який ми знали. Перехід від безперервної енергії до енергії, яка змінюється стрибками, є радикальною зміною концепції. І насправді, коли ми входимо в мікроскопічний світ, це квантування спостерігається у багатьох системах, а не лише у фотонах. Ви бачите це в станах атома. Тобто, вони не тільки зрозуміли, як пояснити світло, але й зрозуміли, як пояснити окремі атоми, молекули… Вся фізика твердого тіла базується на цьому, на розумінні того, як виглядають ці стани. Все квантування, яке відбулося пізніше, просунулося завдяки цьому експериментальному підтвердженню та іншим, ще більш важливим, таким як фотоелектричний ефект. Так народилася квантова фізика.