19. késő - 20. század eleje új tudományos koncepciók születése jellemezte, amelyek radikálisan megváltoztattak a világ szokásos képét. 1887-ben az amerikai fizikusok, Edward Morley és Albert Michelson kísérletileg megerősíteni akarták azt a tradicionális elképzelést, miszerint a fény (azaz elektromágneses rezgések) egy speciális anyagban - éterben terjednek, éppen úgy, ahogy a hanghullámok az űrben átjutnak a levegőn keresztül.
Anélkül, hogy azt feltételeznénk, hogy tapasztalataik a teljesen ellentétes eredményt mutatják, a tudósok egy fénysugarat egy áttetsző lemezre irányítottak, amely a fényforrással szemben 45 ° -os szöget zár be. A gerenda megszakadt, részben áthaladva a lemezen, és részben visszaverődve tőle derékszögben a forrás felé. Ugyanazon frekvenciával továbbhaladva mindkét sugarat visszavertük a merőleges tükrökből és visszatértünk a lemezhez. Az egyik visszatükröződik a másikból, a másik áthaladt, és amikor az egyik fényt egy másikra helyezték, interferencia rojtok jelentek meg a képernyőn. Ha a fény valamilyen anyagban mozog, akkor az úgynevezett éteres szélnek meg kell változtatnia az interferencia mintázatát, ám hat hónapos megfigyelések során semmi sem változott. Tehát Michelson és Morley rájött, hogy az éter nem létezik, és a fény még vákuumban is elterjedhet - abszolút ürességben. Ez megrontotta a klasszikus newtoni mechanika alapvető helyzetét az abszolút tér létezésével kapcsolatban - az alapvető referenciakeret, amelyhez képest az éter nyugalomban van.
Egy másik „kő” a klasszikus fizika irányában volt a skót tudós, James Maxwell egyenletei, amelyek megmutatták, hogy a fény korlátozott sebességgel mozog, amely nem függ a „forrás-megfigyelő” rendszertől. Ezek a felfedezések lendületet adtak két teljesen innovatív elmélet kialakulásának: a kvantumnak és a relativitáselméletnek.
1896-ban a német Max Planck (1858-1947) fizikus megkezdte a hősugárzás tanulmányozását, különös tekintettel a sugárzó anyag textúrájához és színéhez való függőségükhöz. Planck érdeklődése e témában a honfitársa, Gustav Kirchhoff gondolatkísérletével kapcsolatban, amelyet 1859-ben hajtottak végre. Kirchhoff létrehozott egy abszolút fekete test modelljét, amely ideális átlátszatlan tartály, amely elnyeli az összes ráeső sugarat, és nem engedi ki őket, „kényszerítve”. »Ismételten visszatér a falaktól és veszít energiát. De ha ezt a testet hevítik, akkor sugárzást bocsát ki, és minél magasabb a melegítési hőmérséklet, annál rövidebb a sugárhullámhossz, ami azt jelenti, hogy a sugarak átjutnak a láthatatlan spektrumból a láthatóba. A test először vörösre, majd fehéressé válik, mert a sugárzás az egész spektrumot össze fogja keverni. A kibocsátott és elnyelt sugárzás egyensúlyba kerül, azaz paraméterei megegyeznek és függetlenek attól az anyagtól, amelyből a test készül - az energia abszorbeálódik és felszabadul egyenlő mennyiségben. Az egyetlen tényező, amely befolyásolja a sugárzási spektrumot, a testhőmérséklet.
Miután megtudta Kirchhoff eredményeit, sok tudós elhatározta, hogy megmérje egy fekete test hőmérsékletét és a sugárzott sugár megfelelő hullámhosszát. Természetesen a klasszikus fizika módszereivel csinálták - és … zsákutcába kerültek, teljesen értelmetlen eredményekkel. A testhőmérséklet növekedésével és ennek megfelelően a sugárzás hullámhosszának az ultraibolya spektrumhoz való csökkenésével a hullámok oszcillációinak intenzitása (energia sűrűsége) végtelenné vált. Eközben a kísérletek ellenkezőjét mutatták. Valóban, az izzólámpa világít-e jobban, mint egy röntgencső? És melegíthető-e egy fekete kocka radioaktívvá?
Az ultraibolya katasztrófának nevezett paradoxon kiküszöbölésére Planck 1900-ban eredeti magyarázatot talált a fekete test sugárzási energiájának viselkedésére. A tudós azt javasolta, hogy a vibráló atomok szigorúan adagolt részekben - kvantumokban - szabadítsák fel az energiát, minél rövidebb a hullám és annál nagyobb a rezgési frekvencia, annál nagyobb a kvantum, és fordítva. A kvantum leírására Planck egy olyan képletet vezetett be, amely szerint az energiamennyiséget a hullám frekvenciájának és az akció kvantumának szorzata határozhatja meg (állandó 6,62 × 10-34 J / s-val).
Decemberben a tudós bemutatta elméletét a Német Fizikai Társaság tagjainak, és ez az esemény a kvantumfizika és a mechanika kezdetét jelentette. Mivel azonban a valódi kísérletekkel nem sikerült megerősíteni, Planck felfedezése messze nem azonnal felidézte az érdeklődést. És maga a tudós először a kvantákat nem anyagi részecskékként, hanem matematikai absztrakcióként mutatta be. Csak öt évvel később, amikor Einstein igazolást talált a fotoelektromos hatás szempontjából (elektronok kiütése egy fény hatására bekövetkező anyagból), ezt a jelenséget a sugárzott energia "adagolásával" magyarázva, Planck képlete megtalálta alkalmazását. Aztán mindenkinek világossá vált, hogy ezek nem üres spekulációk, hanem egy valós jelenség mikrotársadalmi leírásának leírása.
Mellesleg, a relativitáselmélet szerzője maga is nagyra értékelte kollégájának munkáját. Einstein szerint Planck érdeme annak bizonyítása, hogy nem csak az anyag részecskékből áll, hanem az energia is. Sőt, Planck talált egy kvantumhatást - egy állandó összekapcsolva a sugárzás frekvenciáját az energia nagyságrendjével, és ez a felfedezés fejjel lefelé fordította a fizikát, és más irányba kezdte a fejlődést. Einstein azt jósolta, hogy Planck elméletének köszönhetően lehet létrehozni az atom modelljét, és megérteni, hogyan viselkedik az energia atomok és molekulák lebomlásakor. A nagy fizikus szerint Planck elpusztította a newtoni mechanika alapjait, és új módszert mutatott a világrend megértésében.
Promóciós videó:
Most Planck állandóját használják a kvantummechanika összes egyenletében és képletében, elválasztva a makrokozmust, amely Newton törvényei szerint él, és a mikrokozmoszt, ahol a kvantumtörvények működnek. Például ez az együttható meghatározza azt a skálát, amelyen a Heisenberg bizonytalanság elve működik - vagyis az, hogy nem tudjuk megjósolni az elemi részecskék tulajdonságait és viselkedését. Valójában, a kvantum világban minden objektum kettős természetű, két helyen egyszerre jelentkezik, és egyik pontban részecskeként, a másikban hullámként manifesztálódik stb.
Így, a kvantum felfedezése után, Max Planck alapította a kvantumfizikát, amely képes megmagyarázni a jelenségeket atomi és molekuláris szinten, amely túlmutat a klasszikus fizika hatalmán. Elmélete vált a tudományos terület további fejlesztésének alapjául.