Ten artykuł wyjaśnia, czym jest hipoteza Plancka, kto ją stworzył i jak ważna jest dla rozwoju współczesnej nauki. Pokazano również znaczenie idei kwantyzacji dla całego mikroświata.
Smartfon i fizyka kwantowa
Współczesny świat wokół nas bardzo różni się technologią od wszystkiego, co było znane sto lat temu. Wszystko to stało się możliwe tylko dlatego, że na początku XX wieku naukowcy pokonali barierę i wreszcie zrozumieli, że materia w najmniejszej skali nie jest ciągła. A tą erę jego założeniem otworzyła wspaniała osoba - Max Planck.
Biografia Plancka
Jedna ze stałych fizycznych, równanie kwantowe, społeczność naukowa w Niemczech, asteroida, krater na Księżycu, teleskop kosmiczny zostały nazwane jego imieniem. Jego wizerunek był wybijany na monetach i drukowany na znaczkach i banknotach. Jaką osobą był Max Planck? Urodził się w połowie XIX wieku w skromnej, niemieckiej rodzinie szlacheckiej. Wśród jego przodków było wielu dobrych prawników i ministrów Kościoła. M. Planck otrzymał dobre wykształcenie, ale koledzy fizycy żartobliwie nazywali go „samoukiem”. Naukowiec swoją podstawową wiedzę zdobył m.inksiążki.
Hipoteza Plancka zrodziła się z założenia, które poczynił teoretycznie. W swojej karierze naukowej kierował się zasadą „nauka jest najważniejsza”. Podczas I wojny światowej Planck starał się utrzymywać kontakty z zagranicznymi kolegami z krajów sprzeciwiających się Niemcom. Przybycie nazistów zastało go na stanowisku dyrektora dużego środowiska naukowego - a naukowiec starał się chronić swoich pracowników, pomagał wyjechać za granicę tym, którzy uciekli przed reżimem. Tak więc hipoteza Plancka nie była jedyną rzeczą, za którą był szanowany. Nigdy jednak otwarcie nie wypowiadał się przeciwko Hitlerowi, najwyraźniej zdając sobie sprawę, że nie tylko zrobi sobie krzywdę, ale nie będzie w stanie pomóc tym, którzy tego potrzebują. Niestety wielu fizyków nie zaakceptowało tego stanowiska M. Plancka i przestało z nim korespondować. Miał pięcioro dzieci i tylko najmłodsze przeżyło ojca. Najstarszy syn został zabrany przez I, środkowy - do II wojny światowej. Obie córki nie przeżyły porodu. Jednocześnie współcześni zauważyli, że tylko w domu Planck był sobą.
Źródła kwantów
Ze szkoły naukowiec interesował się drugą zasadą termodynamiki. Mówi: każdy proces przebiega tylko ze wzrostem chaosu i utratą energii lub masy. Był pierwszym, który sformułował to w ten sposób, w kategoriach entropii, która może tylko wzrosnąć w układzie termodynamicznym. To właśnie ta praca doprowadziła później do sformułowania słynnego przypuszczenia Plancka. Był też jednym z tych, którzy wprowadzili tradycję rozdzielania matematyki i fizyki, tworząc praktycznie część teoretyczną tej drugiej. Przed nimwszystkie nauki przyrodnicze były mieszane, a eksperymenty były przeprowadzane przez jednostki w laboratoriach, które prawie nie różniły się od alchemicznych.
Hipoteza ilościowa
Zbadanie entropii fal elektromagnetycznych w kategoriach oscylatorów i oparcie się na danych eksperymentalnych uzyskanych dwa dni wcześniej, 19 października 1900, Planck przedstawił innym naukowcom wzór, który później został nazwany jego imieniem. Połączył energię, długość fali i temperaturę promieniowania (w granicznym przypadku dla całkowicie czarnego ciała). Przez całą następną noc jego koledzy pod kierownictwem Rubensa przeprowadzili eksperymenty potwierdzające tę teorię. I miała rację! Aby jednak teoretycznie uzasadnić hipotezę wynikającą z tego wzoru i jednocześnie uniknąć trudności matematycznych, takich jak nieskończoność, Planck musiał przyznać, że energia nie jest emitowana w ciągłym strumieniu, jak wcześniej sądzono, ale w oddzielnych porcjach (E=hv). Takie podejście zniszczyło wszystkie istniejące wyobrażenia o ciele stałym. Hipoteza kwantowa Plancka zrewolucjonizowała fizykę.
Konsekwencje kwantyzacji
Na początku naukowiec nie zdawał sobie sprawy z wagi swojego odkrycia. Przez pewien czas wyprowadzony przez niego wzór był używany jedynie jako wygodny sposób na zmniejszenie liczby operacji matematycznych do obliczeń. W tym samym czasie zarówno Planck, jak i inni naukowcy wykorzystali równania ciągłe Maxwella. Jedyną żenującą rzeczą była stała h, której nie można było nadać fizycznego znaczenia. Tylko późniejAlbert Einstein i Paul Ehrenfest, rozumiejąc nowe zjawiska radioaktywności i próbując znaleźć matematyczne uzasadnienie widm optycznych, zdali sobie sprawę z wagi hipotezy Plancka. Mówią, że raport, w którym po raz pierwszy przedstawiono wzór kwantyzacji energii, otworzył erę nowej fizyki. Einstein był prawdopodobnie pierwszym, który rozpoznał jego początek. Więc to też jest jego zasługa.
Co jest skwantyzowane
Wszystko stwierdza, że wszystkie cząstki elementarne, które mogą przyjąć, są dyskretne. Elektron w pułapce może znajdować się tylko na określonych poziomach. Wzbudzenie atomu, a także proces odwrotny - emisja, również zachodzi skokowo. Każde oddziaływanie elektromagnetyczne jest wymianą kwantów odpowiedniej energii. Ludzkość ograniczała energię atomu tylko dzięki zrozumieniu dyskretności poziomów energii. Mamy nadzieję, że teraz czytelnicy nie będą mieli pytania, jaka jest hipoteza Plancka i jaki jest jej wpływ na współczesny świat, a więc na każdego z ludzi.
