Max Planck: początek fizyki kwantowej (1900)

Max Planck był profesorem fizyki teoretycznej na uniwersytecie w Berlinie, przed nim katedrę tę zajmował Gustav Kirchhoff, współtwórca analizy widmowej, po Plancku objął ją Erwin Schrödinger, jeden z pionierów mechaniki kwantowej. Widać w tym pewną ciągłość: Kirchhoff pierwszy badał promieniowanie termiczne, Planck wyjaśnił jego podstawową własność, wprowadzając kwanty energii, a Schrödinger należał do tych, którzy dokończyli rewolucji kwantowej w fizyce.

Max Planck

W roku 1900 Planck przekroczył już czterdziestkę, ale najważniejsze w jego życiu naukowym miało się dopiero wydarzyć. Wiadomo, że każde ciało wysyła promieniowanie termiczne, dzięki temu można np. wykrywać w ciemności ludzi albo zwierzęta. Promieniowanie ciała doskonale czarnego to pewien teoretyczny ideał: tak promieniowałoby ciało o stuprocentowej zdolności pochłaniania energii. Najlepszym doświadczalnym modelem takiego ciała jest niewielki otwór w pudełku: fale wpadające do otworu mają niewielkie prawdopodobieństwo wydostania się z niego, wewnątrz pudełka (którego ścianki są utrzymywane w pewnej temperaturze T) mamy promieniowanie elektromagnetyczne w stanie równowagi cieplnej ze ściankami. Oczywiście przez taki otwór część promieniowania będzie się wydostawać na zewnątrz: otwór będzie świecił. Kirchhoff wyjaśnił, że promieniowanie takiego idealnego ciała doskonale czarnego scharakteryzowane jest tylko przez temperaturę, nie zależy od materiału, z którego wykonamy pudełko. W dodatku znając promieniowanie ciała doskonale czarnego, można obliczyć, jak będzie promieniować dowolne ciało rzeczywiste.

Black_body

Tak wyglądają widma ciała doskonale czarnego dla różnych temperatur. Czarna krzywa jest przewidywaniem fizyki przedkwantowej: obie zależności nie tylko są różne, ale jeszcze ta krzywa przedkwantowa nieograniczenie rośnie dla krótkich fal. Pole pod krzywą rozkładu widmowego promieniowania ma sens całkowitej mocy wysyłanej przez ciało (z jednostki powierzchni). Wynikałoby więc z tego, że według fizyki dziewiętnastowiecznej każde ciało promieniuje nieskończenie wiele energii w jednostce czasu, co jest oczywiście niemożliwe. Mamy więc tzw. katastrofę w nadfiolecie i problem do wyjaśnienia.

W roku 1900 dzięki nowym pomiarom Heinricha Rubensa i Ferdinanda Kurlbauma stało się jasne, że dotychczasowa fizyka nie nadaje się do opisu obserwowanej krzywej. Max Planck najpierw odgadł równanie opisujące rozkład promieniowania, a następnie pokazał, w jaki sposób można ten rozkład otrzymać teoretycznie. Rzecz wymagała wprowadzenia osobliwego założenia o skwantowaniu energii. Wróćmy do obrazu pudełka wypełnionego promieniowaniem termicznym. Ścianki tego pudełka stale wysyłają oraz pochłaniają fale elektromagnetyczne. Oznacza to, że drgają tam jakieś ładunki: fala elektromagnetyczna wprawia bowiem ładunek w ruch drgający i odwrotnie: każdy drgający ładunek wysyła falę elektromagnetyczną. Z punktu widzenia teorii ścianki pudełka to zbiór oscylatorów czyli układów drgających. Każdy z nich, tak jak wahadło, ma swoją własną częstość drgań. Im wyższa temperatura, tym intensywniej oscylatory drgają. W równowadze termodynamicznej ta sama ilość energii będzie wysyłana i pochłaniana w jednostce czasu. Należałoby więc obliczyć, jaką średnią energię będzie miał oscylator o częstotliwości \nu w zadanej temperaturze. Fizyka klasyczna przewiduje, że każdy oscylator, bez względu na częstość, będzie miał taką samą średnią energię równą kT, gdzie k jest stałą Boltzmanna.

Planck założył natomiast, że oscylatory mogą mieć jedynie energie równe

E=n\varepsilon=nh\nu,

gdzie n jest liczbą naturalną od zera począwszy, a h – nową stałą fizyczną, zwaną obecnie stałą Plancka. Jeśli w jakimś wzorze fizyki pojawia się stała Plancka, to znaczy to, że mamy do czynienia ze wzorem kwantowym. Gdyby stała Plancka była równa zero, obowiązywałaby fizyka klasyczna (co oznacza np., że niemożliwe byłyby stabilne atomy). Oczywiście w roku 1900 Max Planck nie wiedział jeszcze, że odkrywa zarysy nowego kontynentu, choć musiał zdawać sobie sprawę, że dotyka czegoś fundamentalnego.

Mając założenie o kwantowaniu, łatwo już obliczyć średnią energię oscylatora. Planck zrobił to, korzystając z pojęcia entropii. Entropia jest wielkością, którą można zdefiniować makroskopowo i w takiej postaci została ona wprowadzona do fizyki. Później Ludwig Boltzmann pokazał, że entropia jest miarą nieuporządkowania. Co to znaczy w przypadku naszego zbioru oscylatorów? Załóżmy, że mamy wielką liczbę N oscylatorów o danej częstości. Ponieważ energia jest skwantowana, więc całkowita energia naszego układu musi być równa

E=P\varepsilon,

gdzie P jest jakąś liczbą całkowitą. Entropia S związana jest z liczbą sposobów W, na jakie można rozmieścić P porcji energii między N oscylatorów:

S=k\ln W.

Gdzie k to stała Boltzmanna. W naszym przypadku problem kombinatoryczny najłatwiej narysować.

498px-Einstein_solids_1.svg498px-Einstein_solids_2.svg450px-Einstein_solids_3.svg

(obrazki są z Wikipedii, ale pomysł takiego obliczenia W opisali P. Ehrenfest oraz H. Kamerlingh-Onnes)

Mamy dwa rodzaje elementów: N-1 przegródek „między” oscylatorami oraz P elementarnych energii \varepsilon do rozmieszczenia. Inaczej mówiąc, ze zbioru N+P-1 elementowego musimy wybrać P elementów jako koraliki, reszta to przegródki. Liczba możliwości to liczba kombinacji

W=\dfrac{(N+P-1)!}{(N-1)!P!}.

Im wyższa energia, tym większa liczba kwantów energii („koralików”) i tym więcej sposobów na ich rozmieszczenie – co oznacza że rośnie entropia.

Obliczając na tej podstawie entropię, a następnie wyznaczając energię układu oscylatorów jako funkcję temperatury, otrzymamy dla danego rodzaju oscylatorów

\dfrac{E}{N}=\dfrac{\varepsilon}{\exp{\frac{\varepsilon}{kT}}-1} \mbox{. (*)}

Tego samego wyrażenia użył później Einstein dla drgań atomów w sieci krystalicznej. Jeśli uwzględnimy, że \varepsilon=h\nu oraz że liczba oscylatorów w przypadku ścianek pudełka 3D rośnie jak \nu^2, otrzymamy rozkład Plancka:

E(\nu)\Delta\nu\sim \nu^2\dfrac{h\nu}{\exp{\frac{h\nu}{kT}}-1}\Delta\nu=\dfrac{h\nu^3}{\exp{\frac{h\nu}{kT}}-1}\Delta\nu.

Jednym z najpiękniejszych przykładów rozkładu Plancka jest kosmiczne promieniowanie tła.

spectrum

Jest ono z wielką dokładnością opisane krzywą Plancka i ma temperaturę niecałe 3K, co oznacza, że większość energii przypada w nim na mikrofale o długościach milimetrowych. Trudno w tym zakresie prowadzić pomiary z Ziemi, toteż zwykle dokonuje się tego z satelitów. Najdoskonalsza do tej pory aparatura pomiarowa badająca promieniowanie tła nie przez przypadek nazwana została misją PLANCK.

(*) Pokażemy, jak można z entropii znaleźć średnią energię w funkcji temperatury. Klasyczna definicja entropii wiąże jej przyrost z ilością ciepła \Delta Q oraz temperaturą:

\Delta S=\dfrac{\Delta Q}{T}=\dfrac{\Delta E}{T}.

Druga równość odnosi się już do przypadku naszych oscylatorów. Musimy więc obliczyć, o ile zmieni się entropia, gdy dostarczymy jakąś niewielką dodatkową energię \Delta P\varepsilon. Zmiana entropii jest równa

\Delta S=k\ln\dfrac{(N+P+\Delta P)!N!P!}{N!(P+\Delta P)!(N+P)!}=k\Delta P\ln\dfrac{N+P}{P}.

Korzystamy tu z \Delta P\ll P, a także pominęliśmy jedynki jako dużo mniejsze od naszych liczb P oraz N. Możemy uzyskane wyrażenie wstawić do związku

\dfrac{\Delta S}{\Delta E}=\dfrac{1}{T}.

Odwracając to równanie i pamiętając, że E=P\varepsilon, otrzymujemy wynik (*).

Wyrażenie kwantowe przechodzi w klasyczne, gdy h\nu=\varepsilon\ll kT, mamy wtedy:

\dfrac{\varepsilon}{\exp{\frac{\varepsilon}{kT}}-1}\approx kT.

Wynika to z faktu, że dla wartości x\ll 1 funkcję wykładniczą można przybliżyć \exp x\approx 1+x. Dla małych częstości przybliżenie klasyczne jest prawidłowe, jednak częstości promieniowania nie są ograniczone z góry, więc aby uzyskać poprawną zależność, potrzebny jest wzór kwantowy.

Dodatkowa proporcjonalność do \nu^2 we wzorze Plancka jest sprawą czysto techniczną: w trójwymiarowym pudełku liczba dozwolonych drgań (czyli fal stojących) rośnie jak pole powierzchni kuli.

Reklamy

Rok 1859, inne wydarzenia

Na przełomie każdego roku zdajemy sobie sprawę z umowności określenia początku roku: każdy punkt orbity Ziemi byłby tak samo dobrym początkiem, choć przecież sama długość roku nie jest arbitralna, lecz związana ze Słońcem – źródłem naszej niskiej entropii.

Każdy rok wnosi coś do historii, pełni rolę kolejnego słoja odłożonego w krzywym drzewie człowieczeństwa. Rok 1859 jest w historii nauki (i w historii ludzkości) jedną z najważniejszych dat, jak 1687, gdy ukazały się Matematyczne zasady filozofii przyrody, jak 1953, gdy ostatecznie rozszyfrowano strukturę DNA, otwierając nową epokę w biologii i medycynie. Warto może jednak przyjrzeć się bliżej innym wydarzeniom, jakie przyniósł ów rok 1859, już choćby po to, by zdać sobie sprawę, ile w tamtym czasie znaczył jeden roczny słój w drzewie historii.

Oprócz O powstawaniu gatunków Darwina ukazała się wtedy fundamentalna książka Johna Stuarta Milla O wolności. Klasyk liberalizmu pragnął lepszego społeczeństwa ludzi wolnych, korzystających nieograniczenie z wolności słowa, ale przy tym odpowiedzialnych: niepłacenie podatków czy niestawienie się w charakterze świadka w sądzie było dla niego równie oburzające jak nieuratowanie tonącego dziecka. Przebywający na przymusowej emigracji w Londynie Karol Marks wydał Przyczynek do krytyki ekonomii politycznej, zapowiadający już myśli rozwinięte w pierwszym tomie Kapitału. Żyjący w nędzy i znający nędzę milionów ludzi w Europie, pełen gniewu i goryczy, Marks starał się dowieść na podstawie statystyk rządu brytyjskiego i własnych analiz, że burżuazyjne społeczeństwo skazane jest na gwałtowny kres i musi ustąpić lepszemu proletariackiemu światu.

Jak na złość rewolucjonistom była to epoka stabilizacji i długowiecznych monarchów, królowej Wiktorii i cesarza Franciszka Józefa. W roku 1859 stoczono krwawą bitwę pod Solferino. Dziś pamiętają o niej już chyba tylko miłośnicy historii wojskowej. Szczególnie tragiczny był wówczas los rannych, którzy masowo ginęli, pozostawieni samym sobie. Szwajcar, Henri Dunant, który znalazł się przypadkowo na pobojowisku pod Solferino, wstrząśnięty tym, co zobaczył, zaczął organizować miejscową ludność do pomocy rannym, za własne pieniądze kupował potrzebne środki opatrunkowe. Z jego inicjatywy powstał Międzynarodowy Czerwony Krzyż. Solferino wrosło w pamięć Austro-Węgier, czytelnicy Marsza Radetzky’ego, najbardziej przejmującej książki o zmierzchu i upadku wielonarodowego cesarstwa, pamiętają, że ród Trottów wywodził się od dziadka, który uratował pod Solferino młodego cesarza i w nagrodę zyskał tytuł szlachecki.

Książka O powstawaniu gatunków była naukowym bestsellerem, 1250 egzemplarzy pierwszego wydania rozeszło się tak szybko, że dwa miesiące później potrzebne już było drugie wydanie. Pojawiło się w nim słowo „Stwórca”, lecz nadal nie było słowa „ewolucja”, jedynie w ostatnim zdaniu wystąpił czasownik „evolve”. Do sukcesu pierwszego wydania przyczynił się fakt, że 500 egzemplarzy zakupiła Mudie’s Library rozprowadzająca książki wśród subskrybentów, a także prowadząca wypożyczalnie. Idee Darwina nie wydawały się szerszej publiczności tak szokujące, ponieważ piętnaście lat wcześniej dość podobne myśli pojawiły się w druku w anonimowym bestsellerze Vestiges of the Natural History of Creation, który czytała nawet para królewska i który do 1859 roku rozszedł się w ponad 20 000 egzemplarzy. Książka ta niezbyt podobała się samemu Darwinowi, jako zbyt słabo udokumentowana; wywarła jednak wpływ na Alfreda Russella Wallace’a, inspirując go do poszukiwania śladów tworzenia się nowych gatunków.

Opinię publiczną kształtują nie tylko wybitne idee naukowe czy dzieła sztuki, wpływają na nią także różne mody i pseudonauki. W wieku XIX niezwykle popularna była frenologia, głosząca, że z kształtu czaszki odczytać można budowę mózgu człowieka, a ta z kolei świadczyć miała o stopniu rozwoju różnych aspektów umysłu – każdy obszar mózgu skojarzony był bowiem z jakąś konkretną zdolnością bądź cechą charakteru. Darwin nie cenił frenologii, lecz poświęcona jej książka George’a Combe’a rozeszła się od 1828 do 1859 roku w 300 000 egzemplarzy. Toteż nic dziwnego, że ślady wpływu frenologii znaleźć możemy u pisarzy najrozmaitszej rangi od Conan Doyle’a do Hardy’ego, Dickensa i Flauberta.

PhrenologyPix

Latem 1859 roku na uniwersytecie w Heidelbergu zaczęła się współpraca fizyka Gustava Kirchhoffa z chemikiem Robertem Bunsenem (do dziś każda pracownia chemiczna posiada palniki Bunsena). Uczeni ci skonstruowali pierwszy spektroskop, pozwalający badać światło wysyłane przez różne pierwiastki w wysokich temperaturach. Okazało się, że na podstawie widma można jednoznacznie zidentyfikować pierwiastek. Zauważyli też zbieżność położenia jasnych linii widmowych z laboratorium z ciemnymi liniami w widmie Słońca.

Kirchhoffs_first_spectroscopespectra

Widmo Słońca i zestawione z nim widma laboratoryjne sodu, potasu, litu, strontu, wapnia i baru (z pracy Kirchhoffa i Bunsena z roku 1860)

W ten sposób powstała analiza widmowa, dzięki której odkryli oni w następnych latach cez i rubid. Później odkryto za pomocą analizy widmowej jeszcze kilka pierwiastków, w tym hel, jednak największe zastosowanie znalazła w astrofizyce. Wydawało się bowiem zupełnie niemożliwe, aby ludzie mogli kiedykolwiek poznać skład chemiczny odległych ciał niebieskich, metody chemiczne wymagają próbki odpowiedniej substancji. Tymczasem dzięki badaniu widm znamy nie tylko skład chemiczny, ale także poznajemy wiele faktów dotyczących warunków panujących tam, skąd wysyłane jest światło. Widma umożliwiły także odkrycie rozszerzania wszechświata.
Kirchhoff i Bunsen stwierdzili, że każdy pierwiastek ma charakterystyczne widmo. Z czasem wielkim wyzwaniem stało się wyjaśnienie tego faktu. Wymagało ono wiedzy o budowie atomu. Najprostsze widmo wodoru udało się wyjaśnić Nielsowi Bohrowi w roku 1913, inne dopiero po powstaniu mechaniki kwantowej, a więc po roku 1926.

W latach pięćdziesiątych XIX wieku powstała termodynamika. Zrozumiano, że świecenie Słońca wymaga jakiegoś wydajnego źródła energii. Nie mogła to być energia chemiczna, bo tej wystarczyłoby na jakieś 10 000 lat. Hermann von Helmholtz zasugerował kurczenie się grawitacyjne. Gdyby Słońce kurczyło się o 80 m rocznie, jego wiek można by szacować na jakieś 20 mln. lat. Siłą rzeczy znaczyło to, że Ziemia nie może istnieć od setek milionów lat, jak chcieli geologowie i Charles Darwin. Inną możliwością było zasilanie Słońca przez ciepło spadających na nie meteorytów. Oczywiście, musiało ich być dostatecznie dużo, no i trzeba było wyjaśnić, czemu dotąd nikt ich nie zaobserwował. Meteoryty są ciemne i jeśli są niewielkie, trudno je zauważyć. Jednak nawet wówczas znaczna ilość tej ciemnej materii musiałaby znajdować się w pobliżu Słońca, a ponadto masa naszej gwiazdy powinna rosnąć z czasem. Zachodziło pytanie, czy taka zmiana masy byłaby możliwa do zauważenia. William Thomson (późniejszy lord Kelvin) doszedł do wniosku, że hipoteza meteorytowa jest nie do utrzymania. Najbardziej prawdopodobne wydawało mu się kurczenie Słońca. Jego wiek nie powinien przekraczać 60 mln. lat. Rozważania te były wcześniejsze niż obliczenia wieku Ziemi. Widzimy, że Thomson miał dwa poważne powody, by podawać w wątpliwość dane geologów i Darwina. Jak to już jednak pisaliśmy, mylił się w tej sprawie.

Duże znaczenie dla rozumowań Thomsona miały obliczenia, ogłoszone we wrześniu 1859 roku przez Urbaina Le Verriera, niedawnego odkrywcę Neptuna. Przeanalizował on obserwacje przejść Merkurego przed tarczą słoneczną od roku 1697. Pozwalały one, przy dobrej znajomości położeń Słońca, na dokładne ustalenie położeń tej kłopotliwej w obserwacji planety. Le Verrier zauważył przy tym, że wszystkie te obserwacje dają się uzgodnić z teorią, jeśli przyjąć, że orbita Merkurego obraca się o dodatkowe 38” (mniej więcej 0,01 stopnia) na stulecie. Efekt był niewielki, ale teoria i obserwacje stanowiły już na tyle potwierdzony system wzajemnych powiązań, że nie było w nim miejsca na taki błąd. Należało więc zastanowić się nad przyczynami owego dodatkowego obrotu orbity Merkurego. Mógł on być wywołany przez grawitację dodatkowej nieznanej planety. Gdyby była ona wielkości Merkurego, powinna być o połowę bliższa Słońca. W zasadzie nie można było wykluczyć, że w pobliżu Słońca istnieje nowa planeta: byłaby ona zawsze w pobliżu naszej gwiazdy, a więc trudna do zauważenia (nawet Merkurego widziało stosunkowo niewielu ludzi, zastanawiano się np. czy kiedykolwiek widział go Mikołaj Kopernik). W grudniu 1859 roku Le Verrier otrzymał list od prowincjonalnego lekarza, pasjonata astronomii, Edmonda Modeste’a Lescarbaulta, który twierdził, że zaobserwował przejście takiej planety przed tarczą Słońca. Nic dziwnego, że zaintrygowany Le Verrier wybrał się do autora owej rewelacji osobiście. Na pierwszym posiedzeniu Akademii nauk w roku 1860 odczytano list doktora i komentarz Le Verriera, który w zasadzie uwiarygadniał jego obserwacje. Le Verrier obliczył nawet orbitę nowoodkrytej planety, nazwano ją Wulkan i miała zawsze znajdować się nie dalej niż 8º od Słońca. Lescarbault otrzymał Legię Honorową. „Odkrycie” się nie potwierdziło i sprawa umarła śmiercią naturalną. Jednak obliczona przez Le Verriera niezgodność o 38” była jak najbardziej prawdziwa. Uczony, sam o tym nie wiedząc, dotarł do granicy dokładności prawa ciążenia. Teoria Newtona była wspaniała, lecz tego efektu nie potrafiła wyjaśnić – zrobił to dopiero Albert Einstein w 1915 roku.

Robiąc przegląd wydarzeń roku 1859 nie można też pominąć pracy Bernharda Riemanna dotyczącej teorii liczb. Miało się okazać, że praca ta, zajmująca w rękopisie sześć stron, jest jedną z ważniejszych publikacji w historii teorii liczb, o czym jednak napiszę osobno.