Koniec XIX - początek XX wieku naznaczone były narodzinami nowych koncepcji naukowych, które radykalnie zmieniły zwykły obraz świata. W 1887 roku amerykańscy fizycy Edward Morley i Albert Michelson chcieli eksperymentalnie potwierdzić tradycyjną koncepcję, że światło (czyli oscylacje elektromagnetyczne) rozchodzi się w specjalnej substancji - eterze, tak jak fale dźwiękowe przemieszczają się w przestrzeni w powietrzu.
Nie zakładając nawet, że ich doświadczenie pokaże zupełnie odwrotny skutek, naukowcy skierowali wiązkę światła na półprzezroczystą płytkę umieszczoną pod kątem 45 ° do źródła światła. Wiązka rozwidliła się, częściowo przechodząc przez płytę, a częściowo odbijając się od niej pod kątem prostym do źródła. Rozchodząc się z tą samą częstotliwością, obie wiązki odbiły się od prostopadłych zwierciadeł i powróciły na płytę. Jedna odbiła się od niej, druga przeszła, a kiedy jedna wiązka została nałożona na drugą, na ekranie pojawiły się prążki interferencyjne. Gdyby światło poruszało się w jakiejś substancji, tak zwany eteryczny wiatr musiałby przesunąć wzór interferencji, ale nic się nie zmieniło w ciągu sześciu miesięcy obserwacji. Więc Michelson i Morley zdali sobie sprawę, że eter nie istnieje, a światło może rozprzestrzeniać się nawet w próżni - absolutna pustka. To zdyskredytowało podstawowe stanowisko klasycznej mechaniki Newtona dotyczące istnienia absolutnej przestrzeni - podstawowego układu odniesienia, względem którego eter jest w spoczynku.
Kolejnym „kamieniem” w kierunku fizyki klasycznej były równania szkockiego naukowca Jamesa Maxwella, które pokazały, że światło porusza się z ograniczoną prędkością, która nie zależy od systemu „źródło-obserwator”. Odkrycia te stały się impulsem do powstania dwóch całkowicie innowacyjnych teorii: kwantowej i teorii względności.
W 1896 roku niemiecki fizyk Max Planck (1858-1947) zaczął badać promienie cieplne - w szczególności ich zależność od tekstury i koloru emitowanego obiektu. Zainteresowanie Plancka tym tematem powstało w związku z eksperymentem myślowym jego rodaka Gustava Kirchhoffa, przeprowadzonym w 1859 roku. Kirchhoff stworzył model absolutnie czarnego ciała, które jest idealnym nieprzezroczystym pojemnikiem, który pochłania wszystkie padające na niego promienie i nie wypuszcza ich na zewnątrz, „wymuszając »Wielokrotnie odbijają się od ścian i tracą energię. Ale jeśli to ciało zostanie ogrzane, zacznie emitować promieniowanie, a im wyższa temperatura ogrzewania, tym krótsze długości fal promieni, co oznacza, że promienie przejdą z widma niewidzialnego do widma widzialnego. Ciało najpierw zmieni kolor na czerwony, a następnie na biały, ponieważ jego promieniowanie połączy całe widmo. Wyemitowane i pochłonięte promieniowanie osiągnie równowagę, to znaczy ich parametry staną się takie same i niezależne od substancji, z której zbudowane jest ciało - energia zostanie pochłonięta i uwolniona w równych ilościach. Jedynym czynnikiem, który może wpływać na widmo promieniowania, jest temperatura ciała.
Po zapoznaniu się z odkryciami Kirchhoffa wielu naukowców postanowiło zmierzyć temperaturę ciała doskonale czarnego i odpowiadające im długości fal emitowanych promieni. Oczywiście zrobili to metodami fizyki klasycznej - i … znaleźli się w ślepym zaułku, uzyskując zupełnie bezsensowne wyniki. Wraz ze wzrostem temperatury ciała i, odpowiednio, spadkiem długości fali promieniowania do widma ultrafioletowego, intensywność oscylacji fal (gęstość energii) wzrosła do nieskończoności. Tymczasem eksperymenty wykazały coś przeciwnego. Rzeczywiście, czy żarówka świeci jaśniej niż lampa rentgenowska? Czy można podgrzać czarną kostkę, aby stała się radioaktywna?
Aby wyeliminować ten paradoks, zwany katastrofą ultrafioletową, Planck w 1900 roku znalazł oryginalne wyjaśnienie, jak zachowuje się energia promieniowania ciała doskonale czarnego. Naukowiec zasugerował, że atomy wibrując uwalniają energię w ściśle odmierzonych porcjach - kwantach, a im krótsza fala i wyższa częstotliwość wibracji, tym większy kwant i odwrotnie. Aby opisać kwant, Planck wyprowadził wzór, według którego ilość energii można określić iloczynem częstotliwości fali i kwantu działania (stała równa 6,62 × 10-34 J / s).
W grudniu naukowiec przedstawił swoją teorię członkom Niemieckiego Towarzystwa Fizycznego, a wydarzenie to zapoczątkowało fizykę kwantową i mechanikę. Jednak ze względu na brak potwierdzenia prawdziwymi eksperymentami, odkrycie Plancka nie od razu wzbudziło zainteresowanie. Sam naukowiec początkowo przedstawił kwanty nie jako cząstki materialne, ale jako matematyczną abstrakcję. Dopiero pięć lat później, kiedy Einstein znalazł uzasadnienie dla efektu fotoelektrycznego (wybijanie elektronów z substancji pod wpływem światła), wyjaśniając to zjawisko przez „dozowanie” wypromieniowanej energii, zastosowanie znalazł wzór Plancka. Wtedy stało się jasne dla wszystkich, że nie były to puste spekulacje, ale opis rzeczywistego zjawiska na poziomie mikro.
Nawiasem mówiąc, sam autor teorii względności wysoko ocenił pracę swojego kolegi. Według Einsteina zasługa Plancka polega na udowodnieniu, że nie tylko materia składa się z cząstek, ale także energia. Co więcej, Planck odkrył kwant działania - stałą łączącą częstotliwość promieniowania z wielkością jego energii, a to odkrycie wywróciło fizykę do góry nogami, rozpoczynając jej rozwój w innym kierunku. Einstein przewidział, że dzięki teorii Plancka możliwe będzie stworzenie modelu atomu i zrozumienie, jak zachowuje się energia, gdy atomy i cząsteczki rozpadają się. Według wielkiego fizyka Planck zniszczył podstawy mechaniki Newtona i wskazał nowy sposób rozumienia porządku świata.
Film promocyjny:
Teraz stała Plancka jest używana we wszystkich równaniach i formułach mechaniki kwantowej, oddzielając makrokosmos, żyjący zgodnie z prawami Newtona, i mikrokosmos, w którym działają prawa kwantowe. Na przykład współczynnik ten określa skalę, w której działa zasada nieoznaczoności Heisenberga - to znaczy niemożność przewidzenia właściwości i zachowania cząstek elementarnych. Rzeczywiście, w świecie kwantowym wszystkie obiekty mają dwoistą naturę, powstają w dwóch miejscach w tym samym czasie, manifestując się jako cząstka w jednym punkcie, a jako fala w innym itd.
Tak więc, odkrywając kwanty, Max Planck założył fizykę kwantową, zdolną do wyjaśnienia zjawisk na poziomie atomowym i molekularnym, które są poza możliwościami fizyki klasycznej. Jego teoria stała się podstawą dalszego rozwoju tej dziedziny nauki.