У нас вы можете скачать книгу исследование по оптике а. а. майкельсон в fb2, txt, PDF, EPUB, doc, rtf, jar, djvu, lrf!

В конце века Джон Гершель в опытах по дисперсии открыл инфракрасные лучи , передающие тепло и по своим свойствам аналогичные видимому свету. Расположенное с другого конца видимого спектра ультрафиолетовое излучение вскоре открыл Иоганн Вильгельм Риттер год [83]. Промышленная революция и потребности военной техники стимулировали приоритетное развитие как экспериментальной, так и теоретической физики.

Задачей физики всё более становится не объяснение природных сил, а управление ими. Точные измерительные приборы появились практически во всех областях, и результаты физических опытов в XIX веке носят преимущественно количественный характер. Разработана математическая теория погрешностей измерения , позволяющая оценить достоверность наблюдаемых физических величин. Тем не менее для истолкования огромного экспериментального материала в первой половине XIX века всё ещё часто привлекаются качественные метафизические понятия и надуманные гипотезы: В течение века на их месте появляются новые понятия и физические модели: Возникает также прикладная физика , ориентированная на эффективное решение конкретных технологических задач; влияние практики на теоретические исследования становится особенно активным после появления электротехники и двигателя внутреннего сгорания во второй половине XIX века [84] [85].

Важной особенностью периода стало постепенное укрепление мнения, что не все явления природы основаны на механическом движении. Уже второе начало термодинамики не допускало механического обоснования, поскольку из него вытекала необратимость ряда процессов, а попытки объяснить электромагнетизм как колебания эфирной среды натолкнулись на непреодолимые трудности, разрешившиеся только в XX веке с появлением теории относительности и упразднением эфира как среды-носителя [86].

Арман Ипполит Луи Физо. Частично это объяснялось тем, что полная математическая теория волновых колебаний была создана только в начале XIX века Фурье. Свет считался потоком каких-то мелких корпускул [87]. Первый удар по корпускулярной эмиссионной теории света нанёс Томас Юнг , врач, специалист по физиологической оптике.

В году он, выступая перед Королевским обществом , перечислил непреодолимые затруднения эмиссионной теории: Юнг также указал, что убедительного объяснения явлениям преломления света , дифракции и интерференции Ньютон не дал. Взамен Юнг разработал волновую теорию интерференции и ввёл сам этот термин на основе сформулированного им принципа суперпозиции наложения волн , аналогично объяснялась дифракция.

По результатам своих опытов Юнг довольно точно оценил длину волны света в различных цветовых диапазонах. Он также построил правильную теорию цветового зрения и аккомодации [87].

Волновая теория Юнга была встречена враждебно. Как раз в это время год, Малюс , Лаплас и другие было глубоко изучено явление двойного лучепреломления и поляризации света , воспринятое как решающее доказательство в пользу эмиссионной теории. Но тут в поддержку волновой теории выступил Огюстен Жан Френель , в то время дорожный инженер-строитель. Рядом остроумных опытов он продемонстрировал чисто волновые эффекты, совершенно необъяснимые с позиций корпускулярной теории, а его мемуар, содержащий всестороннее исследование с волновых позиций, точные количественные измерения и детальную математическую модель всех известных тогда свойств света кроме поляризации , победил на конкурсе Парижской академии наук года.

Френель обобщил принцип Гюйгенса и сумел строго объяснить прямолинейность распространения световой волны [87]. Курьёзный случай описывает Араго: На следующем заседании Френель продемонстрировал членам комиссии этот эффект.

С этих пор формулы Френеля для дифракции, преломления и интерференции вошли во все учебники физики. И Юнг, и Френель рассматривали свет как упругие продольные колебания эфира , плотность которого в веществе выше, чем в вакууме [87]. Оставалось понять механизм поляризации.

Ещё в году Френель обсуждал возможность того, что световые колебания эфира не продольны, а поперечны. Это легко объяснило бы явление поляризации. Однако поперечные колебания ранее встречались только в несжимаемых твёрдых телах, в то время как эфир считали близким по свойствам к газу или жидкости.

Исследование отражения поляризованного света убедило Френеля, что гипотеза о поперечности световых волн справедлива, после чего он представил мемуар с описанием новых опытов и полную теорию поляризации, сохраняющую значение и в наши дни [88].

Следующие почти сто лет обозначены триумфальным успехом волновой теории во всех областях. Классическая волновая оптика была завершена, поставив в то же время труднейший вопрос: Сильнейшее влияние на развитие физики имел опыт Физо , который показал, что скорость света в воде на четверть меньше, чем в воздухе согласно эмиссионной теории, она должна быть больше, иначе не объяснить преломление света [89].

Пуассон ввёл также, кроме электрического, магнитный потенциал , позволяющий рассчитать статическое магнитное поле [90] [91]. Тело заряжено, если один из типов этой жидкости преобладает; проводниками являются те материалы, которые не оказывают электрическим жидкостям сопротивления. Сила притяжения или отталкивания подчиняется закону обратных квадратов [90].

Благодаря этим первым батареям постоянного тока вскоре были сделаны два выдающихся открытия:. Главные сенсационные события начались в году, когда Эрстед обнаружил на опыте отклоняющее действие тока на магнитную стрелку. Сообщение Эрстеда вызвало всеобщий взрыв интереса. Ампер высказал предположение, что все магнитные явления вызваны внутренними токами внутри материи, протекающими в плоскостях, перпендикулярных оси магнита [90]. Первые теории, связывающие электричество и магнетизм ещё в старых терминах , построили в том же году Био , Савар и позже Лаплас см.

Закон Био — Савара — Лапласа [90]. Он открыл электромагнит соленоид , высказал идею электрического телеграфа. Формула Ампера для взаимодействия двух элементов тока вошла в учебники. Первые метрологические стандарты, установившие единицы измерения электричества и магнетизма, разработали в е годы Гаусс и Вебер.

Начинается практическое применение электричества. В этот же период, благодаря Д. В е годы были разработаны первые образцы электротелеграфа , в году в США введена в действие первая в мире коммерческая телеграфная линия, а несколько лет спустя их число в США и Европе измерялось десятками [92].

Майкл Фарадей в году открыл электромагнитную индукцию , тем самым доказав, что связь электричества и магнетизма взаимна. В результате серии опытов Фарадей сформулировал словесно свойства электромагнитного поля , позже математически оформленные Максвеллом: Фарадей построил первый электродвигатель и первый электрогенератор , открыв путь к промышленному применению электричества.

Фарадей открыл законы электролиза , ввёл термины: В году Фарадей обнаружил поворот плоскости поляризации света в веществе, помещённом в магнитное поле. Это означало, что свет и электромагнетизм тесно связаны. Позже Фарадей исследовал самоиндукцию , открытую в году американским учёным Генри , свойства диэлектриков , разряды в газах [93].

Развитие теории и применений электротехники продолжалось. В году Кирхгоф установил законы распределения токов в сложных электрических цепях. В году Н. Умов исследовал понятие потока энергии в произвольной среде, а в е годы Пойнтинг и Хевисайд развили эту теорию применительно к электромагнитному полю [94].

Промышленные модели электродвигателей и электрогенераторов со временем становились всё более мощными и технологичными; постоянный ток был заменён на переменный. К концу века неисчерпаемые возможности электричества, благодаря совместным усилиям физиков-теоретиков и инженеров, нашли самое широкое применение.

В году запущен трансатлантический электротелеграф , в е годы изобретён телефон , в е годы начинается широкое применение ламп накаливания [95]. Силы, введённые Ампером, как и у Ньютона, считались дальнодействующими. Это положение решительно оспорил Майкл Фарадей , который с помощью убедительных опытов показал: Однако учёные того времени, уже свыкшиеся с дальнодействием ньютонового притяжения, теперь уже к близкодействию относились с недоверием [96].

После открытий Фарадея стало ясно, что старые модели электромагнетизма Ампер , Пуассон и др. Вскоре появилась теория Вебера , основанная на дальнодействии. Однако к этому моменту вся физика, кроме теории тяготения, имела дело только с близкодейственными силами оптика , термодинамика , механика сплошных сред и др. Гаусс , Риман и ряд других учёных высказывали уверенность, что свет имеет электромагнитную природу, откуда следовало, что теория электромагнитных явлений тоже должна быть близкодейственной [93].

В этой атмосфере и появилась теория Максвелла , которую её автор скромно называл математическим пересказом идей Фарадея [97]. В первой работе — Максвелл дал ряд уравнений в интегральной форме для постоянного электромагнитного поля на основе гидродинамической модели силовые линии соответствовали трубкам тока жидкости. Эти уравнения вобрали всю электростатику, электропроводность и даже поляризацию. Магнитные явления моделируются аналогично. Во второй части работы Максвелл, уже не приводя никаких аналогий, строит модель электромагнитной индукции.

В последующих работах Максвелл формулирует свои уравнения в дифференциальной форме и вводит ток смещения. Он доказывает существование электромагнитных волн , скорость которых равна скорости света , предсказывает давление света.

Современный вид уравнениям Максвелла позже придали Герц и Хевисайд [97]. Единство природных сил, которое не сумел доказать Декарт, было восстановлено.

Первоначально это поле трактовали как механические процессы в упругом эфире [94]. Часть физиков выступила против теории Максвелла особенно много возражений вызвала концепция тока смещения. Гельмгольц предложил свою теорию, компромиссную по отношению к моделям Вебера и Максвелла, и поручил своему ученику Генриху Герцу провести её проверку.

Однако опыты Герца, проведенные в — годы, однозначно подтвердили правоту Максвелла [94]. Уже в году Герц построил первый в мире радиопередатчик вибратор Герца ; приёмником служил резонатор разомкнутый проводник. В том же году Герц обнаружил ток смещения в диэлектрике заодно открыв фотоэффект. Спустя ещё несколько лет Попов и Маркони предложили соединить когерер с электрозвонком, создав первый аппарат для радиосвязи [98].

В XX веке началась эра радио и электроники. Уильям Томсон лорд Кельвин. Успехи химии и невозможность взаимопревращения химических элементов стали весомым аргументом в пользу идеи Роберта Бойля о существовании молекул как дискретных первоносителей химических свойств. Было отмечено, что для участников химических реакций соблюдаются некоторые весовые и объёмные соотношения; это не только косвенно свидетельствовало в пользу существования молекул, но и позволяло сделать предположения об их свойствах и структуре.

В году Гей-Люссак и Дальтон открыли закон связи объёма и температуры газа. В году Гей-Люссак обнаружил парадокс: Для объяснения этого противоречия с теорией Дальтона Авогадро в году предложил разграничить понятие атома и молекулы. Он также предположил, что в равных объёмах газов содержится равное число молекул а не атомов, как считал Дальтон.

Тем не менее вопрос о существовании атомов был спорным ещё долгое время []. В теории тепла в первой половине XIX века по-прежнему господствовал теплород , хотя уже начали появляться количественные модели теплопередачи. Обсуждался также компромиссный вариант: В это же время начинают формироваться современные понятия работы и энергии термин предложен Юнгом в году, первоначально только для кинетической энергии [] , и поддержан Кельвином в м.

Джеймс Джоуль , проведя серию опытов с электричеством год , пришёл к выводу: Он подсчитал величину этого эквивалента: Для электротока, как выяснил Джоуль, выделяемое тепло пропорционально сопротивлению и квадрату силы тока. Позднее Джоуль подтвердил свои выводы экспериментами со сжатием газов и объявил, что теплота есть механическое движение, а теплопередача есть переход этого движения в иные формы.

Во всех опытах оценка механического эквивалента теплоты давала близкие значения. Обобщая, Майер и Джоуль формулируют закон сохранения энергии , а Гельмгольц в своей монографии год кладёт этот закон в основу всей физики []. Клаузиус предложил правильную модель идеального газа , ввёл понятие внутренней энергии системы и объяснил фазовые переходы.

Понятие теплорода было окончательно похоронено, Рэнкин и Томсон ввели взамен общее понятие энергии год , уже не только кинетической. После года Клаузиус исследовал необратимые процессы, не укладывающиеся в механическую модель, и предложил понятие энтропии. Максвелл в году вывел статистический закон распределения скоростей молекул газа, получил формулы для внутреннего трения и диффузии , создал набросок кинетической теории теплопроводности []. Дальнейшие успехи кинетической теории газов и термодинамики во многом связаны с Людвигом Больцманом и Ван дер Ваальсом.

Помимо прочего, они пытались вывести законы термодинамики на базе механики, и неудача этих попыток для необратимых процессов вынудила Больцмана предположить год , что второе начало термодинамики имеет не директивно-точный, а статистический характер: Более 20 лет эта догадка не вызывала интереса среди физиков, затем развернулась оживлённая дискуссия.

Примерно с года, особенно после работ Планка , Гиббса и Эренфеста , идеи Больцмана получили признание. С года Больцман и Максвелл развивают статистическую физику. Чрезвычайно плодотворной оказалась эргодическая гипотеза средние по времени совпадают со средними по ансамблю частиц [].

Кроме открытия электрона см. После работ Смолуховского и Перрена , подтвердивших эту теорию, даже убеждённые позитивисты уже не оспаривали существование атомов. Начались первые попытки согласовать с атомной теорией периодическую систему элементов , разработанную в году Д. Менделеевым , но реальные успехи в этом направлении были достигнуты уже в XX веке []. В конце века начались глубокие исследования фазовых переходов и поведения вещества при сверхнизких температурах.

Гиббс в е годы сформулировал правило фаз []. Чтобы связать атомную гипотезу с электрическими явлениями, Берцелиус и Фарадей предположили, что имеются два типа атомов, с положительными и отрицательными зарядами. Из этого следовало существование наименьшего электрического заряда. Были и другие гипотезы, например, У. Ещё ранее, в году, при исследовании электрического разряда в газе были открыты катодные лучи.

После долгих дискуссий учёные пришли к выводу, что это и есть поток электронов. В году Дж. Предположив, что заряд электрона совпадает с уже известным зарядом иона водорода , Томсон получил оценку массы электрона.

Ко всеобщему удивлению, она оказалась во много раз меньше массы атома водорода. Гипотезу Берцелиуса-Фарадея пришлось отвергнуть. Экспериментально определить заряд и массу электрона удалось в году Роберту Милликену в ходе остроумного опыта []. В году Гендрик Лоренц обобщил теорию Максвелла для подвижных сред, содержащих ионы. Решающие открытия были совершены в м рентгеновские лучи , Вильгельм Конрад Рентген и м годах радиоактивность урана , Анри Беккерель.

Правда, волновая природа рентгеновских лучей была окончательно доказана только в году Лауэ , дифракция в кристаллах , но предполагалась многими и ранее. А вот радиоактивность поставила физиков в тупик и подверглась активному исследованию. Вскоре были открыты радий , торий и др. Природу альфа-частиц выяснил Резерфорд только в году [] []. В году Вальтер Кауфман сообщил, что он обнаружил предсказанное Хевисайдом и Дж.

Томсоном возрастание инертной массы электрона при увеличении его скорости. Лоренцеву теорию движения электрона пришлось пересматривать; полемика на эту тему продолжалась даже после создания теории относительности []. Большие споры вызывал вопрос о том, что является источником энергии радиоактивного излучения.

В году они открыли экспоненциальный закон распада радиоактивного атома , оценили внутриатомную энергию как неизмеримо превышающую любую химическую, и выдвинули гипотезу, что именно она является источником энергии Солнца.

Одновременно Резерфорд, Уильям Рамзай и Содди обнаружили первые превращения элементов радона в гелий , а Дж. Томсон дал первое обоснование периодической системе элементов с позиций электронной теории [] []. Уильям Гамильтон в — годах опубликовал вариационный принцип , который имел универсальный характер и был успешно использован в самых разных разделах физики [].

В оптике главным событием стало открытие спектрального анализа год. В году австрийский физик Доплер обнаружил изменение частоты и длины волны , испускаемых движущимся источником. Оба эффекта стали важнейшими инструментами науки, особенно в астрофизике []. В году Анри Навье вывел основную систему уравнений теории упругости , заменив одномерный закон Гука на универсальный закон трёхмерных деформаций изотропных упругих тел.

Модель Навье была сразу же год обобщена в работах Коши , который снял ограничение изотропности. На основе уравнений Коши Пуассон решил множество практически важных задач []. Физика того времени также была неспособна описать некоторые эффекты микромира, такие как атомные спектры излучений, фотоэффект , энергетическое равновесие электромагнитного излучения и вещества, спектр излучения абсолютно чёрного тела.

Ещё одной важной особенностью физики XX века стало расширение понимания единства природных сил. Уже в XIX веке появилось универсальное понятие энергии , а Максвелл объединил оптику, электричество и магнетизм. В XX веке обнаружились глубокие связи пространства и времени , вещества и излучения частицы и волны , гравитации и геометрии , массы и энергии и многие другие взаимоотношения. В году английский астроном Брэдли открыл аберрацию света: С точки зрения эфирной теории света это означало, что эфир неподвижен, и его кажущееся смещение при движении Земли вокруг Солнца по принципу суперпозиции отклоняет изображения звёзд.

Френель , однако, допускал, что внутри вещества эфир частично увлекается движущейся материей. Эта точка зрения, казалось, нашла подтверждение в опытах Физо , который обнаружил, что скорость света в воде меньше, чем в пустоте. Максвелл в году предложил схему решающего опыта, который после изобретения интерферометра смог осуществить в году американский физик Майкельсон. В году Гендрик Лоренц и независимо от него Джордж Фицджеральд предположили, что эфир неподвижен, а длина любого тела сокращается в направлении его движения.

Тогда Лоренц изменил свою гипотезу: Другим серьёзным затруднением был тот факт, что уравнения Максвелла не соответствовали принципу относительности Галилея, несмотря на то, что электромагнитные эффекты зависят только от относительного движения [].

Был исследован вопрос, при каких преобразованиях координат уравнения Максвелла инвариантны. Правильные формулы впервые выписали Лармор год и Пуанкаре год , который доказал их групповые свойства и предложил назвать преобразованиями Лоренца. В этой работе есть даже четырёхмерный интервал Минковского. Физическая, объективная сущность модели Пуанкаре раскрылась после работ Эйнштейна. В статье года Эйнштейн рассмотрел два постулата: Из этих постулатов автоматически следовали формулы преобразования Лоренца , лоренцево сокращение , относительность одновременности и ненужность эфира.

Эйнштейн указал, что все законы физики должны быть инвариантны относительно преобразований Лоренца. Позже эта теория получила название специальной теории относительности СТО. После изгнания из физики эфира электромагнитное поле приобрело новый статус самодостаточного физического объекта, не нуждающегося в дополнительном механическом носителе.

Часть учёных сразу приняли СТО: Планк год и сам Эйнштейн год построили релятивистскую динамику и термодинамику, а Минковский в году представил математическую модель кинематики СТО в виде геометрии четырёхмерного неевклидова мира и разработал теорию инвариантов этого мира.

С года Эйнштейн разрабатывал общую теорию относительности ОТО , заменившую теорию тяготения Ньютона , и завершил её в году. В теории тяготения Эйнштейна, в отличие от ньютоновской, нет дальнодействия и ясно указан физический носитель тяготения — модификация геометрии пространства-времени.

Опытная проверка предсказанных этой теорией новых эффектов , предпринятая в десятках экспериментов, показала полное согласие ОТО с наблюдениями. Попытки Эйнштейна и других учёных расширить ОТО, объединив гравитацию, электромагнетизм и теорию микромира, успехом не увенчались. После открытия электрона стало ясно, что атом имеет сложную структуру, и встал вопрос, какое место в ней занимает электрон, и какие есть ещё субатомные частицы.

Томсон первым выдвинул перспективную гипотезу, что свойства химических элементов определяются распределением электронов в атоме. Одновременно японский физик Нагаока предложил планетарную модель, но Вин сразу указал, что круговые орбиты электронов несовместимы с классической электродинамикой: Резерфорд предложил уточнённую планетарную модель: Первым успехом новой теории было объяснение существования изотопов. Но были и другие модели.

Томсон предположил, что взаимодействие электронов и ядра отличается от кулоновского; делались попытки привлечь теорию относительности и даже неевклидовы геометрии. Первую успешную теорию, объяснившую спектр атома водорода , построил Нильс Бор в году. Бор дополнил модель Резерфорда постулатами неклассического характера:. В году теория Бора была дополнена Зоммерфельдом и Вильсоном ; были объяснены эффект Зеемана и тонкая структура спектра водорода.

Бор добавил к своим постулатам принцип соответствия , который позволил определить интенсивность спектральных линий. После этого стало понятно, как и почему распределяются электроны по слоям орбитам в атоме []. В е годы была в основном сформирована электронная теория металлов , объясняющая их хорошую электропроводность , в е годы было объяснено явление ферромагнетизма []. Японский физик Юкава разработал год модель ядерных сил , квантами которых являются частицы особого рода; эти частицы были обнаружены в космических лучах год и названы пи-мезонами [].

В году Чадвик открыл нейтрон , предсказанный Резерфордом ещё в м. Структура ядра стала теперь ясна. В том же году в космических лучах был открыт позитрон , подтверждающий идеи Дирака о существовании антивещества.

После открытия деления ядра урана год, Отто Ган и Фриц Штрассман и успеха работ по созданию ядерной бомбы ядерная физика превратилась в один из инструментов, формирующих мировую историю. После открытия предсказанного стандартной моделью бозона Хиггса она считается основой современных представлений о микромире хотя эксперименты по её проверке и поиску границ применимости продолжаются [].

В е годы был экспериментально получен спектр излучения абсолютно чёрного тела ; распределение энергии по частотам оказалось несогласованным со всеми имевшимися теориями, особенно для длинных инфракрасных волн. Правильную формулу подобрал в году Макс Планк.

Несколькими неделями позже он выяснил, что эта формула может быть строго доказана, если сделать допущение, что излучение и поглощение энергии происходит порциями не меньше некоторого порога кванта , пропорционального частоте волны. Сам Планк вначале рассматривал такую модель как чисто математический трюк; даже много позже, в году, он пытался опровергнуть собственное открытие, но безуспешно [].

Эйнштейн сразу принял гипотезу квантов света, причём считал, что квантование относится не только ко взаимодействию света с веществом, но является свойством самого света. В году Дебай и Борн уточнили теорию теплоёмкости Эйнштейна, и согласие с опытом было достигнуто.

Эйнштейновская теория фотоэффекта была полностью подтверждена опытами Милликена в — годах []. Наконец, в х годах были обнаружены сразу несколько существенно квантовых явлений, необъяснимых с классических позиций. Французский физик Луи де Бройль предположил , что подобный дуализм свойственен не только свету, но и веществу.

Каждой материальной частице он сопоставил волну определённой частоты. По удачному совпадению, как раз в этом году американские физики Дэвиссон и Джермер изучали отражение электронов от твёрдых тел и обнаружили предсказанную де Бройлем дифракцию электронов. Ещё раньше год волновые свойства электронов обнаружились в эффекте Рамзауэра , но в тот момент не были должным образом истолкованы.

В году Отто Штерн тонкими опытами показал волновые эффекты для атомов и молекул []. Гейзенберг, Макс Борн и Йордан сформулировали правила, по которым классическим величинам сопоставлялись эрмитовы матрицы , так что каждое дифференциальное уравнение классической механики переходило в квантовое []. Новая механика, как показал сам Шрёдингер, эквивалентна матричной: В таком виде волновая механика была удобнее матричной, и вскоре стала общепризнанной. В году Гейзенберг сформулировал принцип неопределённости: Фактически же микрообъект не является ни частицей, ни волной; эти классические понятия возникают только потому, что наши приборы измеряют классические величины.

Школа Бора вообще считала, что все атрибуты атома не существуют объективно, а появляются только при взаимодействии с наблюдателем. Многие физики Эйнштейн, Планк, де Бройль, Бом и др. Поль Дирак разработал релятивистский вариант квантовой механики уравнение Дирака , год и предсказал существование позитрона , положив начало квантовой электродинамике. В году был построен первый исследовательский ускоритель заряженных частиц циклотрон. В году был опубликован знаменитый парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена [].

В начале х Н. Таунс разработали основные принципы усиления и генерации электромагнитного излучения квантовыми системами, положенные затем в основу создания принципиально новых источников излучения радиочастотного мазеры и оптического лазеры диапазонов. В году Теодор Майман создал первый лазер оптический квантовый генератор на основе кристалла рубина, генерирующий импульсы монохроматического излучения на длине волны нм.

Разработана и проверена в экспериментах квантовая теория поля []. Идут поиски общей теории поля , которая охватила бы все фундаментальные взаимодействия , включая гравитацию. Математические методы квантовой теории поля были успешно применены и в теоретической физике твёрдого тела ; позже в ней получили применение методы топологии — например, для описания квантового эффекта Холла.

На протяжении следующих столетий учёные обсуждали проблемы, связанные с внеземной физикой, в том числе []:. С астрофизикой близко смыкается космология , изучающая строение и эволюцию всей наблюдаемой Вселенной.

Последняя идея, в значительно расширенном и доработанном виде, стала основой современных теорий планетогенеза. Были, однако, и другие версии; например, Дж. Джинс в году предположил, что некогда рядом с Солнцем прошла массивная звезда, в результате чего случился выброс из Солнца вещества, сгустившегося в планеты. Более перспективной оказалась другая идея Джинса год: Первым инструментом, пригодным для научного исследования внеземных объектов, стал спектральный анализ год , позволивший дистанционно определить химический состав звёзд и некоторых других небесных тел.

Как и предполагалось со времён Ньютона, небесные тела состоят из тех же веществ, что и земные. В году шведский физик и астроном Андрес Йонас Ангстрем опубликовал первый атлас спектра Солнца, а Анджело Секки исследовал и классифицировал спектры 4 тысяч звёзд. Другим незаменимым инструментом астрофизиков стал эффект Доплера , используемый в астрономии в основном для измерения относительных радиальных скоростей звёзд [].

В начале XX века Весто Слайфер , Эдвин Хаббл и другие астрономы использовали эффект Доплера для доказательства, что внегалактические объекты существуют, и почти все они удаляются от Солнечной системы. Артур Эддингтон на основе обсуждавшихся в те годы космологических моделей Общей теории относительности предположил, что этот факт отражает общий природный закон: Вселенная расширяется , и чем дальше от нас астрономический объект, тем больше его относительная скорость.

Совместно с Перреном Эддингтон обосновал теорию о термоядерной реакции как источнике энергии Солнца [] []. Расцвет астрофизики начался во второй половине XX века, когда парк наблюдательных средств астрономии резко вырос: Были установлены и исследованы основные физические характеристики всех крупных тел Солнечной системы, найдены многочисленные экзопланеты , новые типы светил пульсары , квазары , радиогалактики , обнаружены и изучены реликтовое излучение , гравитационное линзирование и кандидаты в чёрные дыры.

Изучаются ряд нерешённых проблем: Установлена крупномасштабная структура Вселенной. Сформирована общепринятая на данный момент теория Большого взрыва как начального этапа эволюции наблюдаемой Вселенной []. Изучение астрономических объектов предоставляет теоретической физике уникальные возможности, поскольку по масштабу и разнообразию космические процессы неизмеримо превосходят всё, что можно воспроизвести в земной лаборатории.

Например, астрофизики провели множество наблюдений для проверки эйнштейновской теории тяготения и выяснения возможных границ её применимости. При объяснении ряда наблюдаемых явлений например, нейтронных звёзд и космологических эффектов применяются и проверяются методы физики микромира [].

Появление авиации и потребность в точных метеопрогнозах привело к быстрому прогрессу аэродинамики и теории полёта. Английский учёный и изобретатель Джордж Кейли в году, значительно опередив своё время, опубликовал теорию полёта аппаратов тяжелее воздуха. Кейли построил и испытал несколько планеров, тягу в которых, за неимением мотора, создавали машущие крылья []. В году появились первые в мире исследовательские аэродинамические трубы Уэнхем [].

В начале XX века, когда появились мощные двигатели, следующим этапом стали разработка управления самолётом в воздухе, оптимизация его характеристик и повышение надёжности.

Братья Райт , которые первыми наладили управление самолётом в полёте, разработали и многие теоретические аспекты аэродинамики полёта, в том числе контроль трёх осей вращения самолёта и способы уменьшить аэродинамическое сопротивление.

В первые два десятилетия XX века были заложены основы теории полёта и прикладной аэродинамики, в чём велика заслуга Н. Первые попытки научного предсказания погоды делались ещё в XVII веке, хотя достоверность прогнозов была тогда незначительной.

Теоретическая метеорология на основе общефизических законов была разработана в XIX веке. В году вошли в обиход наглядные синоптические карты Г. Важнейшие понятия циклона и антициклона ввёл в середине XIX века знаменитый астроном Леверье []. В году Эмми Нётер доказала фундаментальную теорему: Например, однородности времени соответствует закон сохранения энергии. Это открытие привлекло внимание к роли симметрии в физике, которое оказалось основополагающим, особенно в атомной физике [].

Одним из главных направлений развития физики стала прикладная электроника , к концу века полностью перестроившая практически все области человеческой деятельности. Триод оказался незаменим для создания незатухающих колебаний и усиления тока.

Распространение компьютеров, в свою очередь, позволило компьютерному моделированию стать широко используемым инструментом в физике. Тем не менее, идёт работа в рамках существующих теорий. Так, например, получены первые надёжные признаки существования гравитационных волн , исследуются скорости распространения гравитационного и электромагнитного взаимодействия, которые, по предсказаниям теории относительности, совпадают.

В ЦЕРНе построен и эксплуатируется Большой адронный коллайдер высоких энергий, который должен помочь проверить, помимо прочего, теорию суперсимметрии и стандартную модель. В году было официально объявлено, что с помощью коллайдера обнаружен бозон Хиггса , что подтверждает и завершает стандартную модель [].

Ли Смолин выделяет пять актуальных физических проблем фундаментального значения, решение которых приведёт к существенному прогрессу физики []. Из других важнейших проблем, выходящих за рамки Стандартной модели, физики называют []:. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. Это стабильная версия , отпатрулированная 24 апреля Так как научное знание возникает при всех исследованиях, которые простираются на начала, причины или элементы путём их познания ведь мы тогда уверены в познании всякой вещи, когда узнаём её первые причины, первые начала и разлагаем её впредь до элементов , то ясно, что и в науке о природе надо определить прежде всего то, что относится к началам.

История возникновения квантовой физики. Нерешённые проблемы современной физики. Раздался голос, взор мой вынуждая Оборотиться, как иглу звезда.

Рай, XII, 29—30, перевод М. Советская Энциклопедия , With the research assistance by Wang Ling, v 1—7. Wilhelm von Beetz и тот же Жолли. Под руководством последнего Планк провёл своё единственное экспериментальное исследование, посвящённое проницаемости нагретой платины для газов, в частности водорода.

Поскольку в Мюнхене не было кафедры теоретической физики, он начал посещать занятия математиков Людвига Зейделя и Густава Бауэра Gustav Bauer , у которых, как он признавал позже, многому научился [13]. В лаборатории Жолли Планк познакомился с Германом Гельмгольцем , знаменитым физиком, профессором Берлинского университета.

Здесь его наставниками стали Гельмгольц и Густав Кирхгоф ; он также посещал лекции математика Карла Вейерштрасса. Впрочем, Планк был разочарован лекциями по физике, поэтому принялся за тщательное изучение оригинальных работ Гельмгольца и Кирхгофа, которые считал образцом для подражания в плане мастерства и ясности изложения. Вскоре будущий учёный познакомился с трудами Рудольфа Клаузиуса по теории теплоты и был так впечатлён, что решил заняться термодинамикой [14].

Летом года Планк возвратился в Мюнхен и вскоре сдал экзамен на право работать учителем физики и математики. Одновременно он начал самостоятельные научные исследования, руководствуясь только книгами и научными статьями.

Отталкиваясь от работ Клаузиуса, Планк рассмотрел вопрос о необратимости процессов теплопроводности и дал первую формулировку второго начала термодинамики в терминах возрастания энтропии. Наконец, 28 июня, после сдачи устного экзамена, Планку была присуждена степень доктора философии с высшим отличием summa cum laude.

Впрочем, в то время его диссертация не привлекла к себе никакого внимания, несмотря на то, что он послал её нескольким известным физикам [15]. Поскольку преподавательские обязанности не отнимали у него много времени, он мог полностью сконцентрироваться на научной работе.

В свободное время он занимался музыкой, изучал её теорию и получил известность как блестящий пианист. Другим увлечением Планка в эти годы стал альпинизм , которым он начал заниматься в расположенных неподалёку Баварских Альпах ; учёный оставался приверженцем этого вида спорта на протяжении всей последующей жизни [16]. Всё это время Планк надеялся получить место профессора в каком-нибудь университете.

Однако первое приглашение поступило из Высшей лесотехнической школы в Ашаффенбурге Forstliche Hochschule Aschaffenburg , где освободилась должность преподавателя физики. Посоветовавшись с Гельмгольцем, Планк решил отказаться и ждать варианта, который бы более соответствовал его научным устремлениям.

Такой случай представился весной года , когда молодой учёный получил предложение занять место экстраординарного профессора теоретической физики в Кильском университете. Он с радостью согласился, хотя, как признавался впоследствии, этим назначением он был обязан не столько признанию своих научных трудов, сколько протекции отца, чей близкий друг Густав Карстен работал профессором физики и минералогии в Киле. Эту монографию он отправил на конкурс работ, объявленный философским факультетом Гёттингенского университета.

Книга была встречена с интересом, однако была удостоена лишь второй премии, в то время как первая вообще не была вручена никому из участников конкурса. Причиной этого стало то, что в научном споре между гёттингенцем Вильгельмом Вебером и берлинцем Гельмгольцем Планк оказался на стороне последнего [17].

Эти работы принесли ему определённую известность в научных кругах, особенно среди специалистов по физической химии. В частности, он познакомился с Вильгельмом Оствальдом и Сванте Аррениусом ; последний приезжал к Планку в Киль, чтобы обсудить научные проблемы.

У них было четверо детей: В октябре года, после смерти Кирхгофа, освободилась кафедра теоретической физики Берлинского университета. Тогда Гельмгольц предложил кандидатуру Планка, который получил от коллег высокие оценки как учёный, педагог и человек.

К выполнению своих обязанностей в Берлине молодой физик приступил в январе года ; первые три года он оставался экстраординарным профессором, пока в году в университете не была учреждена ординарная профессура по теоретической физике. Одновременно он возглавил вновь открытый при университете Институт теоретической физики.

Работа в Берлине позволяла тесно общаться с Гельмгольцем, Августом Кундтом и другими известными физиками, однако как теоретик Планк находился по существу в изолированном положении, и на первых порах ему стоило большого труда наладить контакт с коллегами-экспериментаторами [20]. В году по представлению Гельмгольца и Кундта его избрали действительным членом Прусской академии наук [21].

Планк принимал активное участие в университетской жизни, в работе различных комиссий и использовал свой всё возраставший авторитет для защиты своих коллег и науки в целом. Так, он настоял на назначении Эмиля Варбурга преемником Августа Кундта, скончавшегося в году, хотя прусское министерство образования пыталось проигнорировать рекомендацию факультета в пользу этой кандидатуры возможно, по причине еврейского происхождения Варбурга.

В году Планк был членом комиссии, расследовавшей по требованию министерства деятельность физика Лео Аронса нем. Leo Arons , стоявшего на социалистических позициях и финансово поддерживавшего Социал-демократическую партию Германии. Комиссия не обнаружила влияния политических взглядов Аронса на его педагогическую и научную деятельность и отказалась наказывать его.

В году, отвечая на специальный запрос, Планк высказался против принципиального запрета на университетское образование для женщин; сам он разрешил нескольким женщинам посещать свои лекции. Позже он пригласил из Вены Лизу Мейтнер , бывшую студентку Больцмана, и в году даже назначил её своим ассистентом; Мейтнер стала одним из ближайших друзей Планка [22].

В первые берлинские годы Планк по-прежнему уделял много внимания музыке и одно время даже читал курс по теории музыки. Когда Институту была передана большая фисгармония , он получил возможность изучить на этом инструменте восприятие натурального строя музыки и пришёл к выводу, что темперированный строй при всех обстоятельствах звучит более выразительно.

Интерес к искусству и литературе сблизил учёного с историком Теодором Моммзеном , романистом Адольфом Тоблером и другими представителями гуманитарных кругов [23]. С года обязанности Планка включали редактирование журнала Annalen der Physik , в котором учёный отвечал за статьи по теоретическим вопросам. В следующие несколько лет он использовал своё положение для приглашения в Берлин и избрания членом академии Альберта Эйнштейна , работы которого высоко ценил [25].

Он был вовлечён в создание Общества кайзера Вильгельма , основанного в году указом императора Вильгельма II ; в частности, с года он участвовал в переговорах по поводу учреждения в рамках Общества Института физики, возглавить который должен был Эйнштейн [26] [27].

В октябре года умерла жена Планка Мария. У них был один общий ребёнок Герман Hermann , — [28] [29]. По-настоящему свободно он чувствовал себя только среди людей своего круга; берлинский пригород Груневальд , где учёный с семьёй жил в большом доме с обширным садом, был населён университетскими профессорами.

В довоенные годы каждые две недели Планк устраивал дома музыкальные вечера, в которых участвовали знаменитый скрипач Йозеф Иоахим , Альберт Эйнштейн и прочие друзья. По свидетельству племянника учёного, музыка была единственной областью, в которой Планк не сдерживал свой дух; учёный предпочитал сочинения Шуберта , Брамса и Шумана [30]. К берлинскому периоду относится высшее научное достижение Планка. В середине х годов он занялся проблемой теплового излучения и в конце года достиг решающего успеха: Квантовая гипотеза немецкого учёного, глубокий смысл которой вскрылся лишь много позже, ознаменовала рождение квантовой физики [31].

В последующие годы Планк приложил много усилий, пытаясь согласовать свои результаты с классической физикой ; он крайне настороженно относился к дальнейшим шагам, уводящим в сторону от старых представлений, например к теории световых квантов Эйнштейна [32].

Мои тщетные попытки как-то ввести квант действия в классическую теорию продолжались в течение ряда лет и стоили мне немалых трудов. Некоторые из моих коллег усматривали в этом своего рода трагедию. Но я был другого мнения об этом, потому что польза, которую я извлекал из этого углубленного анализа, была весьма значительной.

Ведь теперь я точно знаю, что квант действия играет в физике гораздо большую роль, чем я вначале был склонен считать….

Тем временем, благодаря работам Альберта Эйнштейна, Пауля Эренфеста и других учёных, теория квантов приобретала всё большее признание в научном сообществе. Эта представительная конференция поместила квантовую теорию излучения в центр внимания научного мира, хотя стоявшие перед ней проблемы и противоречия оставались нерешёнными [33]. После появления в году работ Нильса Бора , связавшего гипотезу квантов с проблемой строения атома, начался этап бурного развития квантовой физики.

Как и многие его коллеги, Планк, воспитанный в духе прусского патриотизма, с воодушевлением воспринял начало Первой мировой войны. В своих публичных выступлениях он приветствовал войну, направленную, как он думал, на защиту справедливых требований и жизненно важных ценностей немецкой нации, и призывал молодёжь вступать добровольцами в армию. Он видел в войне способ преодоления всех разногласий и объединения нации в единое целое: Смягчение позиции учёного произошло во многом благодаря общению с Хендриком Лоренцем , который вследствие принадлежности к нейтральному государству имел возможность донести до Планка точку зрения противоположной стороны.

В частности, голландский физик предоставил доказательства того, что преступления немецких войск в Бельгии не были лишь плодом клеветы и вражеской пропаганды. Наивность представлений Планка о политике в годы войны отмечали Лауэ и Эйнштейн [37]. Поражение в войне и последующее падение монархии больно задели патриотические чувства Планка. Даже спустя четыре года в одном из своих выступлений он выражал сожаление, что императорская фамилия лишилась трона.

Вместе с тем, он понимал, что отречение императора является одним из условий проведения необходимых реформ и сохранения немецкого государства как такового [38] [39]. Война принесла учёному и личную трагедию: Для Планка это событие стало поводом переоценить своё отношение к сыну, который не мог найти себя в жизни и не смог оправдать надежд, возлагавшихся на него отцом; учёный с горечью писал по этому поводу: В году дочь Планка Грета, вышедшая замуж за гейдельбергского профессора Фердинанда Фелинга Ferdinand Fehling , умерла неделю спустя после родов.

Её сестра-близнец Эмма, взявшая на себя заботу о ребёнке, в январе года тоже стала женой Фелинга, однако в конце года её постигла судьба сестры: Осиротевшие внучки, получившие имена в честь своих матерей, частично воспитывались в доме деда.

Младший сын Планка Эрвин, также служивший на фронте, встретил окончание войны во французском плену [40] [41]. Планк сыграл видную роль в послевоенной реорганизации немецкой науки, происходившей в условиях упадка экономики и сокращения финансирования научных исследований. Он стал одним из инициаторов учреждения Чрезвычайной ассоциации немецкой науки нем. Notgemeinschaft der deutschen Wissenschaft , созданной для привлечения финансов из различных источников, и впоследствии активно участвовал в распределении средств, осуществлявшемся различными комиссиями этой организации.

Планк, с года бывший сенатором Общества кайзера Вильгельма, принимал участие в общем руководстве Обществом, институты которого в новых условиях были вынуждены ориентироваться на прикладные разработки, важные для восстановления немецкой промышленности. Учёный занимал критическую позицию по отношению к этой новой политике, призывая не забывать о важности фундаментальных исследований. В июле года он был избран президентом Общества; много времени пожилой учёный отдавал общению с политиками, предпринимателями, банкирами, журналистами, выступал в средствах массовой информации [42].

Что касается его политических взглядов, то в новых условиях парламентской республики Планк стал поддерживать умеренно правую Немецкую народную партию , представлявшую интересы промышленников. Кроме экономической разрухи, положение науки в послевоенной Германии осложнялось международной изоляцией, которая во многом была связана с националистической позицией немецких учёных в годы войны и которая лишь постепенно начинала преодолеваться.

Ситуация усугублялась суровыми ограничениями, наложенными на Германию по результатам мирного договора, что не способствовало проявлению инициативы со стороны учёных; Планк и большинство его коллег считали официальное признание собственной неправоты невозможным в таких условиях, ибо это могли счесть проявлением трусости и эгоизма. Лишь к середине х годов напряжение стало уменьшаться, и в году, после принятия Германии в Лигу наций , немецкие и австрийские учёные получили приглашение присоединиться к Международному исследовательскому совету предшественнику Международного совета по науке [44].

Планк, понимавший важность международного научного сотрудничества, способствовал восстановлению разорванных войной связей и налаживанию новых контактов во время своих поездок. В этой деятельности он старался придерживаться принципа невмешательства политики в дела науки и предпочитал неформальные или чисто научные контакты встречам, устроенным государственными или иными политическими организациями. В частности, несмотря на прохладное отношение правительства и своей партии, он посетил в качестве представителя Прусской академии наук торжества по случаю летия Российской академии наук , проходившие в сентябре года в Ленинграде и Москве [45] [46].

Планк передал руководство Институтом теоретической физики Максу фон Лауэ ещё в году, а осенью года , по достижении предельного возраста, покинул пост профессора Берлинского университета. Его преемником стал Эрвин Шрёдингер , за работами которого Планк следил с большим интересом. Однако и после выхода в отставку учёный, получивший титул почётного профессора , по-прежнему активно участвовал в научной жизни университета, работе приёмных и аттестационных комиссий, ещё несколько лет читал курсы лекций; он также оставался секретарём Прусской академии наук.

В е годы Планк получил возможность больше времени уделять лекциям по общенаучным и философским проблемам; его выступления проходили не только в различных университетах Германии, но и в Голландии , Англии , Швейцарии , Швеции , Финляндии. Учёный строго придерживался в жизни определённого распорядка, согласно которому работа чередовалась с отдыхом. Он всегда использовал свои отпуска, чтобы как следует отдохнуть, путешествовал, занимался альпинизмом , проводил время в своём имении вблизи Тегернзе ; ему удалось сохранить хорошее здоровье до преклонного возраста [47] [48].

В году к власти в Германии пришли нацисты ; начались гонения против неугодных учёных, многие из них особенно еврейского происхождения были вынуждены эмигрировать.

Многие немецкие учёные поначалу думали, что политика нового режима носит временный характер и что негативные тенденции со временем должны исчезнуть, поэтому тактика Планка и других руководителей науки состояла в том, чтобы защищать науку и при этом избегать какой-либо критики режима. По словам историка Джона Хейльброна англ. Для этого пожилой учёный использовал свой авторитет и положение президента Общества кайзера Вильгельма ; стараясь не привлекать внимания властей, он способствовал сохранению работоспособности институтов Общества, помогал уволенным сотрудникам найти новую работу или выехать за рубеж.

Придерживаясь этой тактики личных контактов, во время встречи с Адольфом Гитлером в мае года Планк попробовал заступиться за своего еврейского коллегу Фрица Габера , знаменитого химика, однако фюрер даже не захотел говорить на эту тему.

Потерпев это поражение, Планк, однако, никогда открыто не выступал против нацистского режима и старался по мере сил поддерживать с ним мирные отношения.

Так, он был не согласен с позицией Эйнштейна, публично заявившего о своём неприятии нацизма, и фактически устранился от участия в процедуре лишения Эйнштейна членства в Прусской академии наук. Планк также выступил в качестве организатора чествования памяти Габера, скончавшегося в эмиграции; это собрание состоялось, несмотря на официальный запрет посещать его, распространявшийся на всех государственных служащих [50] [51]. Учёный позволял себе критиковать режим лишь косвенным образом, затрагивая в своих выступлениях на философские и исторические темы те или иные проблемы современности [52].

Однако Планку удалось сохранить за собой этот пост, одновременно начались поиски подходящего преемника. Им стал Карл Бош , сменивший Планка в году. В мае года в Берлине был, наконец, открыт Институт физики Общества кайзера Вильгельма нем. После начала Второй мировой войны Планк продолжал выступать с лекциями по всей стране.

Он был вынужден переехать к своему другу Карлу Штилю нем. Carl Still в имение Рогец под Магдебургом. Жестоким ударом для престарелого учёного стала смерть его второго сына Эрвина нем. Erwin Planck , который был близок к группе полковника Штауффенберга и принимал участие в дискуссиях заговорщиков о будущем переустройстве Германии.

Хотя непосредственного участия в событиях 20 июля года Эрвин, по-видимому, не принимал, он был приговорён к смерти и, несмотря на прошения отца о помиловании, в январе года повешен.

Весной года Макс Планк едва не погиб во время бомбёжки в Касселе , где он выступал с очередной лекцией. В конце апреля имение Рогец было разрушено; Планк с женой некоторое время укрывались в лесу, затем в течение двух недель жили у местного молочника; состояние учёного усугублялось артритом позвоночника, он с трудом мог ходить. Наконец, он был доставлен в Гёттинген американскими военными, отправленными на спасение старика по просьбе профессора Роберта Поля.

Здесь учёный был вынужден провести пять недель в университетской клинике, его здоровье значительно ухудшилось в результате пережитых событий. Оправившись, Планк поселился в Гёттингене у своей племянницы; вскоре он смог вернуться к работе, к лекционным выступлениям [56] [57]. В июле года Планк посетил Англию, где в качестве единственного представителя Германии принял участие в праздновании летия со дня рождения Исаака Ньютона.

Некоторое время престарелый физик оставался почётным президентом Общества кайзера Вильгельма, которое вскоре с согласия учёного было переименовано в Общество Макса Планка первым его президентом стал Отто Ган [58]. В Бонне , во время одной из своих лекционных поездок, летний Планк серьёзно заболел двусторонним воспалением лёгких , однако сумел выздороветь.

В марте года состоялось его последнее выступление перед студентами. Научное сообщество Германии готовилось к торжествам по случаю его летия, но за считанные месяцы до этой круглой даты учёный скончался от инсульта. Это случилось 4 октября года в Гёттингене, где Планк и был похоронен [59] [60]. Далее Планк рассмотрел различные виды энергии и показал, что для получения из закона сохранения энергии уравнений движения например, уравнений Ньютона необходимо использовать так называемый принцип суперпозиции , согласно которому полную энергию системы можно разбить на сумму независимых компонент например, на энергии движения вдоль соответствующих координатных осей.

Принцип суперпозиции, согласно Планку, не является вполне строгим и нуждается в экспериментальной проверке в каждой отдельной ситуации. Опираясь на этот принцип, учёный также показал, что из закона сохранения энергии следует ньютоновский закон действия и противодействия.

В своём рассмотрении закона сохранения энергии как эмпирического закона учёный стремился отделить его физическое содержание от распространённых в то время философских и научно-популярных спекуляций, а заодно провести границу между теоретической физикой с одной стороны и метафизикой и математикой с другой. В этом также находило выражение стремление, которому Планк следовал на протяжении всей своей жизни: Учёный отмечал, что законы сохранения единым образом следуют из принципа наименьшего действия: Более того, когда первые открытия в области квантовой физики поставили вопрос о применимости известных законов классической механики и электродинамики, принцип наименьшего действия, по мнению Планка, должен был сохранить свою универсальную значимость, в отличие от таких производных от него понятий, как уравнения Гамильтона [65].

Со студенческих пор Планк испытывал глубокий интерес ко второму началу термодинамики , однако был не удовлетворён его формулировками. Тогда, согласно Планку, второй закон термодинамики можно выразить в следующей форме: Эти соображения были изложены молодым учёным в его докторской диссертации В последующие годы он рассмотрел ряд конкретных термодинамических процессов с целью доказательства возможности установления законов физического и химического равновесия из соображения о достижении энтропией максимальной величины в состоянии равновесия [67].

В первом сообщении Планк рассмотрел взаимодействие между двумя агрегатными состояниями одного вещества, а также между химическим соединением и смесью продуктов его диссоциации. Он показал, что при произвольных температуре и давлении в таких системах невозможно устойчивое равновесие: Далее автор рассмотрел химические реакции при постоянном весовом соотношении веществ и пришёл к выводу, что вследствие принципа возрастания энтропии реакция будет идти до полного своего окончания в определённом направлении, зависящем от температуры и давления [69].

Во втором сообщении Планк обратился к проблеме диссоциации газообразных соединений и, проведя анализ изменения энтропии, показал, что разложение вещества будет продолжаться или нет в зависимости от состояния системы, определяемого температурой, давлением и степенью диссоциации.

В третьем сообщении учёный продемонстрировал, что принцип возрастания энтропии позволяет установить законы наступления любых химических и термодинамических реакций. Здесь же он ввёл понятие электрической энтропии и проанализировал случай взаимодействия двух проводников. Наконец, в последнем, четвёртом, сообщении Планк рассмотрел электрохимические процессы. Теоретические выводы для всех частных случаев, к которым он обращался в этой серии статей, сравнивались с доступными экспериментальными данными [70].

Термодинамический подход, развитый Планком в этих работах, сыграл значительную роль в развитии физической химии ; в частности, им было получено важное выражение для зависимости константы равновесия химической реакции от давления [71].

На протяжении своей последующей научной карьеры Планк неоднократно возвращался к обсуждению смысла второго начала термодинамики и различных его трактовок.

Он считал, что этот закон невозможно сформулировать априори , а только вывести из достоверных экспериментальных наблюдений. Значение второго начала, согласно Планку, также состоит в том, что оно предоставляет необходимый и достаточный критерий для различения обратимых и необратимых процессов или, другими словами, меру термодинамической вероятности того или иного состояния системы [72].

Его обращение к вероятностной трактовке энтропии, впервые предложенной Людвигом Больцманом , было связано с разработкой теории теплового излучения в — годах.

Для Планка преимущество статистического определения энтропии над чисто термодинамическим, которого он ранее придерживался, состояло в расширении этого понятия на неравновесные состояния системы. Однако, в отличие от Больцмана, трактовка Планком принципа возрастания энтропии как абсолютного, детерминистского а не статистического закона оставалась поначалу неизменной. Лишь к году работы Альберта Эйнштейна и Мариана Смолуховского по теории броуновского движения окончательно убедили Планка в существовании флуктуаций и, как следствие, в справедливости статистического понимания второго начала термодинамики [73].

При этом он показал, что свойства растворов зависят от взаимодействия между молекулами растворителя и растворённого вещества и потому не сводимы к газовым законам ; вывел из термодинамических соображений закон Рауля о понижении давления пара растворителя при добавлении к нему некоторой доли другого вещества; установил соотношение между понижением температуры плавления и скрытой теплотой плавления ; получил формулу Вант-Гоффа для осмотического давления [71].

Пользуясь своей теорией, Планк в году показал, что такие свойства растворов, как понижение температуры замерзания , можно объяснить только диссоциацией растворённого вещества. Это находилось в соответствии с теорией электролитической диссоциации , развитой примерно в те же годы шведским учёным Сванте Аррениусом и получившей тем самым термодинамическое обоснование. Впрочем, сам Аррениус критиковал планковский подход, поскольку считал важным наличие у частиц растворённого вещества электрического заряда , который никак не учитывался в чисто термодинамическом анализе немецкого физика.

Почти одновременное появление работ Планка и Аррениуса вызвало в начале х годов дискуссию о приоритете в разработке теории электролитической диссоциации; впрочем, впоследствии Планк признал первенство своего шведского коллеги [75] [76]. Впрочем, как заметил Макс Борн , никто из участников дискуссии не был полностью прав, поскольку, как показали исследования Дебая и Хюккеля , справедливость термодинамических законов не отменяет зависимость их конкретного вида от заряда [77].

В году независимо от Вильгельма Оствальда Планк продемонстрировал применимость закона действующих масс к растворам слабых электролитов. В году Планк дал термодинамическое обоснование теории диффузии электролитов, предложенной Вальтером Нернстом и основанной на представлении об осмотическом давлении ионов в растворе. Опираясь на эту теорию, Планк получил для разности потенциалов двух электролитов формулу, которая была экспериментально подтверждена Нернстом [78] [79].

Много лет спустя, в начале х годов, Планк вернулся к физико-химической тематике и написал несколько работ о разности потенциалов слабых растворов электролитов [81]. В году Нернст на основе своих экспериментальных исследований предположил, что энтропия чистого кристаллического вещества при абсолютном нуле температуры стремится к постоянной величине, не зависящей от фазы, давления и других параметров [82].

Это утверждение получило название третьего начала термодинамики , или теоремы Нернста. В году Планк предложил считать, что при абсолютном нуле энтропия любого однородного конденсированного вещества обращается в нуль. Третье начало в такой форме не ограничивается случаями химических реакций или фазовых превращений , рассмотренными Нернстом, а позволяет определить абсолютное значение энтропии любого одиночного тела [83] [84].

Более того, такое определение энтропии, согласно Планку, можно связать с квантовыми закономерностями, а именно с фиксированной величиной ячейки фазового пространства , что позволяет однозначно вычислить вероятность термодинамического состояния число микросостояний и, следовательно, энтропию [85].

Под типом величин здесь имеются в виду интенсивные или экстенсивные величины [86]. Ещё в самом начале своей научной деятельности Планк пришёл к выводу, что законы термодинамики сами по себе способны приводить к правильным результатам без использования каких-либо произвольных предположений о строении вещества. К таким предположениям он относил и атомизм [87]. Более того, он критиковал кинетическую теорию газов , считая её противоречащей принципу возрастания энтропии, и в году писал, что атомная теория, в конечном счёте, должна уступить место представлению о непрерывном строении материи.

Однако вскоре, работая над проблемами физической химии, он осознал, что никакой плодотворной альтернативы атомным и молекулярным представлениям не существует и что необходимо иметь некоторую механическую модель элементарных явлений. При этом, однако, он продолжал скептически относиться к существующей атомистической гипотезе и статистическим подходам к термодинамике. По его мнению, введения вероятности было недостаточно, чтобы объяснить необратимость термодинамических процессов; возрастание энтропии он понимал в строго детерминистском смысле.

Противоречивость позиции Планка проявилась в развернувшейся в году дискуссии, в которой он поддержал своего ученика Эрнста Цермело , критиковавшего статистическую трактовку энтропии Людвига Больцмана , и одновременно не желал полностью отвергать возможность механического объяснения второго начала термодинамики.

В качестве компромисса он предположил , что строгая механическая интерпретация может оказаться справедливой при рассмотрении не дискретных масс как в кинетической теории газов , а непрерывной материи. В попытке разрешить противоречия между механикой и термодинамикой и получить необратимость за счёт чисто консервативных процессов учёный обратился к проблеме теплового излучения.

Забегая вперёд, можно сказать, что работа над этой темой превратила его в убеждённого атомиста [88] [89]. Хорошей практической реализацией абсолютно чёрного тела является небольшое отверстие в стенке замкнутой полости; внутри такого устройства устанавливается равновесие между излучением и веществом, так что излучение, выходящее из отверстия, близко по своим характеристикам к излучению чёрного тела.

К концу XIX века было установлено несколько закономерностей, касающихся равновесного излучения абсолютно чёрного тела. Так, закон Стефана — Больцмана , утверждает температурную зависимость объёмной плотности энергии излучения, величины, интегральной по всем частотам в спектре. Кроме того, этот закон определяет смещение максимума спектра излучения при изменении температуры.

С практической точки зрения эти исследования были обусловлены необходимостью поиска новых источников света и, в частности, создания стандартов для оценки электрических ламп накаливания [92] [93]. Весной года Планк представил Прусской академии наук свою первую работу по теории теплового излучения; результаты этой статьи были ограничены рядом специальных предположений, которые смягчались в последующих публикациях.

Основной задачей для учёного стало применение второго начала термодинамики к процессам теплового излучения, которые анализировались с точки зрения максвелловской электромагнитной теории. В течение года Планк написал вторую работу, в которой получил уравнение для осциллятора, взаимодействующего с полем, с учётом радиационного затухания; это уравнение использовалось в дальнейших исследованиях [94].

Основной задачей учёного в эти годы была демонстрация того, что взаимодействие осцилляторов с излучением приводит к необратимому процессу установления равновесия в системе, однако вскоре он убедился, что одних законов механики и электродинамики для этого недостаточно.

Воспользовавшись этим предположением, Планк смог получить уравнение, связывающее энергию осциллятора с интенсивностью излучения на определённой частоте. При этом попытка изменения распределения излучения с виновского на какое-либо иное требовала изменения выражения для энтропии, что, по словам Планка, приводило к противоречию с принципом возрастания энтропии [95] [96].

В начале года Планк дал теоретическое обоснование своему определению электромагнитной энтропии, что стало ещё одним аргументом в пользу закона излучения Вина. Поэтому новые результаты Люммера и Прингсгейма сентябрь года , которые надёжно свидетельствовали об отклонении распределения излучения в спектре чёрного тела от функции Вина в длинноволновой области, поставили перед исследователями проблему принципиальной важности. Из этих данных, а также из последних экспериментов Фердинанда Курльбаума и Генриха Рубенса , о которых Планк узнал за несколько дней до заседания, следовало, что закон распределения Вина выполняется лишь в области коротких волн и низких температур.

Учёный отметил, что это выражение, ныне известное как формула Планка , по-видимому, хорошо описывает экспериментальные данные [99] []. Это подтвердил Рубенс, посвятивший ночь после заседания сверке новой формулы с экспериментальными результатами [].

Этот подход был предложен Людвигом Больцманом и в то время был практически не известен в научном мире [Комм 4].

1 2