g u t x .com.tr İpek yolu - Çin'i anlamaya götürürüm

Kara cisim radyasyon asi klasik Planck kuantum goblinini serbest bıraktı

Nisan 1900'de ünlü fizikçi Baron Kelvin, fiziğin güneşli gökyüzünde süzülen "iki küçük kara buluttan" bahseden meşhur konferansını verdi. Kim onlardan birinin klasik fiziği altüst eden bir kuantum devrimini tetikleyeceğini hayal edebilirdi. Bu yarım kalmış devrimde, temeli sağlamlaştırmayı ve Kuantum Binasına katkı sağlamayı başaran kaç kahraman ...

(Resim kaynağı: wikipedia)

Yazar | Zhang Tianrong

Kuantum biliminin babası yaşlandı

1946 yazında, Cambridge, İngiltere, dolambaçlı Jian Nehri'nin her iki tarafında hem muhteşem Gotik tarzda binalar hem de yeşil pastoral manzara var. Tarlada bir yolda, düşünceli ve hatırlayarak dolaşan yaşlı bir adam, istemeden oynayan küçük bir çocuğa çarptı.

Sarı saçlı ve mavi gözlü oğlan, sekiz ya da dokuz yaşında görünüyor, takım elbiseli yaşlı adama bakıyor: tam bir alın, birkaç seyrek kıl, düzensiz bir şekilde kel beyin kapısına yapışan, gözlüklerin altından bakış, Sakin ama zayıf olmasına rağmen. Çocuk kendisinin bir yerel gibi olmadığını hissetti, bu yüzden ağzını açtı ve "Büyükbaba kim?" Diye sordu.

Çocuğun akıllı ve sevimli olduğunu görünce, kırışık yüzünde ender bir gülümseme belirdi ve yaşlı adam çocuksu bir sesle cevap verdi: "Alman Planck da öyle!"

Beklenmedik bir şekilde çocuğun gözleri parladı: "Pandora'nın Kutusunu açan ve Kuantum Goblin'i serbest bırakan Max Planck olabilir mi?"

Yaşlı adam: "Bu benim adamım ..."

Çocuk çok sevindi: "Ah, ortaya çıktı ki, siz öncekiler tarafından sık sık bahsedilen Quantum'un babasısınız! Uzun hayranlık!"

Çocuk hemen yaşlı adamı heyecanla yakaladı, kuantum perisinin hikayesini anlatırken dinledi ...

(Kaynak: colnect .com )

Bu diyalog yazar tarafından uydurulmuştur, ancak sahne ve zaman gerçektir. Savaş o yıl bitmişti ve genel durum belirlenmişti. Kırılgan hasta bir vücudu destekleyen 88 yaşındaki Planck, Kraliyet Cemiyeti tarafından düzenlenen ve savaş nedeniyle dört yıl ertelenen Newton'un doğum gününe katılmak için Berlin'den İngiltere'ye geldi. 30 0 yıl dönümü anma toplantısı. Katılan tüm bilim adamları arasında, Planck, kesinlikle bilimsel topluluktaki yüksek statüsüne dayanan, davet edilen tek Alman'dı.

Tarlalarda gezinen Planck, gerçekten de düşünme, oturma ve hatırlama çağındaydı.Çocuğun soruları onun anılarını çağrıştırdı ve geçmiş akla geldi ...

Newton'a katılmak için bu sefer 30 0 yıllık doğum günü kutlamasında akademik kariyerinizi "anlama ve sorgulama ile koruma ve yeniliğin bir arada varoluşu" nasıl hatırlayamazsınız? Royal Society tarafından davet edilen uzmanlar dünyanın her yerindedir ve Zhou Peiyuan, Qian Sanqiang, He Zehui gibi Çinli fizik uzmanları da davetlidir. Almanlar arasında ünlü fizikçi sıkıntısı yoktu, ancak anma toplantısına tek başına davet edildi.

Büyük bir keder adamı, ülkeyi ilk sıraya koy! Almanya'yı seven, mağlup bir ülkenin vatandaşı olarak, kör vatanseverliğini yansıtacak mı? Milletinin anısına ve zor hayatına nasıl değer veremezdi? Ve iki savaşta kaybolan parçalanmış ailesi ve sevdikleri ...

Ayrıca katılmak için geldi toplantı Bunun amaçlarından biri, savaştan sonra hala Alman bilim camiasının statüsünü yeniden inşa etme girişimidir.

Akademik bir ailede doğan Max Planck (1858-1947), büyük büyük babası ve büyükbabası ilahiyat profesörüydü ve babası hukuk profesörüydü. Planck, babasının geniş ailesinin altıncı çocuğu ve kuzey Almanya'nın Kiel şehrinde doğdu.

Planck, çocukluğundan beri bilime inanmaktadır! Newton'a inanan biri! Klasik fiziğe inananlar! Müzik konusunda yetenekli olmasına rağmen, şarkı söyleme ve piyano çalmada çok iyi ve müzik okumaya hazırlanıyordu, ancak sonunda daha çok sevdiği fizikten vazgeçemedi!

Üniversite matematik öğretmeni de onu ikna etmeye çalıştı: fiziği bırak ve başka bir şey öğren! Fizikte zaten Newton ve Maxwell teorileri olduğu için, klasik fiziğin yapısı mükemmel ve her şeyin izleyeceği bir yol var, onu düzeltmenin bir yolu yok, öyle görünüyor ki araştırılacak bir soru yok, düzeltilecek bir şey yok ve geri kalanı sadece çöpleri temizlemek ve doldurmak. Yalnızca güvenlik açığı!

Planck kayıtsız bir şekilde yanıtladı: "Yeni kıtalar keşfetmeyi dört gözle beklemiyorum. Sadece mevcut fizik temelini derinlemesine anlamayı ve mutlu olmayı umuyorum."

Einstein, Planckın Nisan 1918de Berlin Fizik Enstitüsünün düzenlediği 60. doğum günü kutlamasında bir konuşma yaptı: Bilim sarayında, entelektüel zevk arayan veya şöhret ve zenginlik peşinde koşan pek çok insan var. Planck bu iki tip insandan biri değil. O tamamen fiziğe inanan biri, bu yüzden onu seviyorum. "

1877'de Planck, Berlin Humboldt Üniversitesi'ne transfer oldu ve ünlü fizikçiler Helmholtz ve Kirchhoff ve matematikçi Karl Weilstrass ile çalıştı. Planck, akademisyenlerden çok yararlanmış olmasına rağmen, öğretmenlerin öğretmenlik tutumuna katılmıyor. Örneğin, Planck Helmholtz hakkında şu yorumu yaptı: "Öğrencileri sınıfta sıkıcı hissettiriyor çünkü (o) iyi hazırlanmamış, dersler ara sıra oluyor ve genellikle hesaplamalarda hatalar var." Bu deneyimler Planck'ın kendisini harekete geçirmesine neden oldu. Daha sonra hiç hata yapmayan ciddi bir öğretmen oldu.

Planck, 1879'da 21 yaşındayken Münih Üniversitesi'nden doktora derecesi aldı ve tezinin konusu "Termodinamiğin İkinci Yasası Üzerine" idi. Nispeten huzurlu bir on yıllık öğretmenlik kariyerinden sonra, 1'den 89 Planck, 4 yıldan beri siyah cisim radyasyonu problemi karşısında şaşkına dönüyor!

Siyah cisim radyasyonunu çözün, matematik oyunları oynayın

Cesur olan nedir? Siyah cisim radyasyonu nedir?

Siyah gövde koyu bir maşaya benzetilebilir, ancak siyah gövde mutlaka "siyah" değildir. Güneş Siyah cisim olarak da tahmin edilebilir. Fizik anlamında siyah cisim, elektromanyetik dalgaları emebilen, ancak yansıtmayan veya kırılmayan bir nesneyi ifade eder. Yansıtmasa veya kırılmasa da hala radyasyon var! "Siyah cismin" farklı renklerde görünmesini sağlayan, farklı dalga boylarının ışımasıdır.

Örneğin, sıcaklık kademeli olarak yükseldikçe, ocaktaki ateş çubuğu çeşitli renklere dönüşebilir: önce koyu kırmızı olur, sonra daha parlak kırmızı olur, sonra parlak altın sarısı ve muhtemelen daha sonra Mavimsi beyaz görünür. Neden farklı renkler var? Çünkü poker, farklı sıcaklıklarda farklı dalga boylarında ışık yayar. Başka bir deyişle, kara cisim radyasyonunun frekansı, kara cisim sıcaklığının bir fonksiyonudur (frekans, dalga boyuyla ters orantılıdır).

Fizikçilerin peşinde olduğu şey sadece nedenini bilmek değil, aynı zamanda nedenini de bilmektir, bu yüzden bundan sonra daha derin bir "neden" vardır! Öyleyse, bildiğimiz fiziksel teorilerden siyah cisim radyasyonunun frekans yasasını nasıl elde edebiliriz?

(Resim kaynağı: wikipedia)

19. yüzyılın sonuydu.Bilinen fiziksel teoriler şunlardı: klasik elektromanyetik, Newton mekaniği, Boltzmann'ın istatistiği, termodinamik vb.

1 89 3 yıl içinde Alman fizikçi Wilhelm Wien (Wi lh karaağaç Wien, 18 64 -1928), siyah cisim radyasyonundaki elektromanyetik spektrum yoğunluğunu ifade eden Wien'in yasasını kanıtlamak için termodinamik ve elektromanyetik teorileri kullanarak, yukarıdaki şekilde mavi eğriye bakın.

Üçüncü nesil Baron Rayleigh (1842-1919) olarak da bilinen John Strath, klasik elektromanyetik teoriye dayanmaktadır. Artı İstatistiksel mekanik, şekildeki kırmızı çizgi ile gösterildiği gibi bir Rayleigh-Kings formülü türetmiştir.

Ancak iki sonuç tatmin edici değildir: Wien'in yasası yüksek frekanslarda kara cisim radyasyon deneyiyle iyi bir uyum içindedir, ancak düşük frekanslarda değildir; Rayleigh-Kings formülü düşük frekanslar için uygundur ve yüksek frekanslarda sonsuza meyillidir ve sözde "ultraviyole sapmasına" neden olur ( Ultraviyole felaketi olarak da adlandırılır).

Planck'ın başlangıçta düşündüğü şey basit matematik becerileriyle oynamaktı! Artık deneysel verilere sahip olduğunuza göre, iki farklı eğriyi bir araya getirmek için tüm frekans aralığında genel bir matematiksel formül "oluşturmak" için enterpolasyon yöntemini kullanabilirsiniz! Birkaç yıl tökezleyip oynadıktan sonra, gerçekten başardı.Planck, kara cisim radyasyon spektrumunu R0 (, T) tanımlayan tam bir formül aldı ( radyasyon dalga boyu, T sıcaklıktır):

Formülde c ışık hızıdır ve C1 ve C2 belirsiz parametrelerdir. Belirli parametre seçimi altında formül, siyah cisim radyasyonunun deneysel verileriyle iyi bir uyum içindedir.

Kuantum cin, yeni bir çığır açıyor

Elbette, Planck bu enterpolasyon yönteminin getirdiği yüzeysel tesadüfleri tatmin etmeyecektir.Aradığı şey daha derin bir "neden" dir! Yıllarca fizik yapmanın düşünme yöntemi ona şunları söyledi: Yeni eğri deneyle o kadar tutarlı ki, arkasında şu anda bilinmeyen mantıksal bir sebep olmalı. Xintiandi'ye bir kapıyı çaldığını düşünmüyordu, ancak doğa kanunlarının bilinebilir olduğuna ve bilimin insanlara bunu açıklamada rehberlik edeceğine inanıyordu.

Dindar bilimsel inananlar, faydacı değil, dindar bir şekilde bilimin yönlendirdiği yolu izler, hepsi bu!

Ancak yürüdü, bazen heyecanlandı ve bazen kafası karıştı. Heyecanla, teorik olarak doğru eğriyi çıkarmasına izin veren fiziksel bir açıklama olduğunu keşfetti! Gerçekten harika. "Enterpolasyon" için deneysel verileri kullanmanıza gerek yok, ancak tamamen teorik olarak, deneyle tutarlı bir sonuç çıkarabilirsiniz.

Ancak bu fiziksel açıklama onun kafasını karıştırmaktadır, çünkü kara cisim boşluğunun duvarlarındaki atomik rezonatörlerin enerjisini ve bu rezonatörler tarafından değiştirilen enerjiyi boşluktaki elektromanyetik dalgalarla yorumlamak gerekir. Basitçe şu anki fiziksel terimlerle ifade etmek gerekirse, siyah bir cisim tarafından yayılan enerji sürekli değil, "nicelleştirilmiş" dir.

Bu niceleme varsayımına sahipseniz, orijinal sürekli enerji dağıtım planının nicelleştirilmiş bir dağıtım planına dönüştürülmesi gerekir. Boltzmann'ın istatistiksel mekaniği, nicelleştirilmiş enerji dağılımının istatistiksel yasasını yeniden türetmek için planı değiştirmek için kullanılmalıdır.

Planck, termodinamik konusunda uzmanlaşmasına ve entropi ve termodinamiğin ikinci yasasına ilişkin benzersiz ve olağanüstü içgörülerine sahip olmasına rağmen, bir şekilde Boltzmann'ın istatistiksel mekanik yönteminden nefret ediyor. Ne yazık ki, enerji nicelemesinden sonra radyasyon yasasını türetmek için Planck'ın dişlerini ısırması, önyargılardan vazgeçmesi ve bu yöntemi uygulaması gerekiyordu. Bununla birlikte, istatistiksel mekanik çok rekabetçidir ve Planck'ın birkaç ay içinde mükemmel sonuçlar elde etmesine yardımcı olarak onu çok mutlu etti.

Son olarak, formül (1) 'deki C1 ve C2 iki parametresi diğer iki parametreye dönüştürülür: k ve h. k iyi bilinen Boltzmann sabiti, h nedir?

Kısacası, C1 ve C2 parametreleri için yönteme benzer şekilde Planck, o zamanki oldukça doğru kara cisim radyasyon deneysel verilerine uyması için kuantizasyon teorisinden türetilen formülü kullandı ve h = 6.55 × 10-34J · s, Boltz elde etti. Mann sabiti k = 1.346 × 10 -23J / K. Bu iki değer modern değerlerden sırasıyla% 1 ve% 2,5 farklılık göstermektedir. 100 yıldan daha uzun bir süre önce teorik türetme ve ölçüm tekniklerine dayanarak, bu yeterince doğru kabul edilebilir.

O yıl 1900'dü, ünlü fizikçi Baron Kelvin meşhur dersini vererek fiziğin güneşli gökyüzünde süzülen "iki küçük kara buluttan" bahsettiğinde, kara cisim radyasyonu bunlardan biri.

O zamanlar Planck, daha sonra "Planck sabiti" olarak adlandırılan yeni sabit hakkında pek bir şey bilmiyordu. Nicelleştirilmiş enerji kavramını kabul etmek istemese de kendi kendine şöyle düşündü: Bu kadar küçük bir miktar bir cin mi?

42 yaşındaki Planck barışçıl ve muhafazakar bir yapıya sahip ve şüphe ve riske karşı çıkıyor, ancak bu sefer bir ikilemle karşı karşıya kaldı. Pandora'nın bir peri masalındaki sihirli kutusu gibi, bitmiş tezinin yanında titreyerek gökyüzüne baktı! İçindeki küçük peri serbest bırakılmalı mı? Belki klasik fizikteki bazı problemleri çözebilir, kara bulutlardan kurtulabilir ve mavi gökyüzünü eski haline getirebilir! Belki de bir kayanın içindeki bir çatlaktan fırlayan, altın bir sopayı sallayan ve dünyayı bozan bir torun maymununa benzeyecektir!

Planck, dünyayı bozacak bir canavarı serbest bırakmaya isteksizdir, ancak 6 yıldır mücadele ettiği bilimsel başarıları rafa kaldırmaya isteksizdir. Periler her zaman dışarı çıkar ve Tanrı'nın iradesi ihlal edilemez. Sonunda Planck ne pahasına olursa olsun her şeyi yapmaya karar verdi. 4 Aralık 1900'de Planck, daha sonra kuantum mekaniğinin doğum günü olarak belirlenen Berlin Bilimler Akademisi'nde siyah cisim radyasyon araştırma sonuçlarını bildirdi. O zamandan beri, kuantum mekaniği kategorisindeki küçük perinin (h) doğumunu işaret eden sihirli kutu açıldı.

Aslında o zamanlar Planck'ın raporu geniş ilgi görmedi, insanların düşünceleri eylemsizlik etkisine sahiptir ve her zaman gecikmeler olacaktır ve bilim adamları grubu için kaçınılmazdır. Ama sadece Planck, serbest bıraktığı küçük goblinlerden rahatsız ve huzursuzdu. Kuantum teorisini ortaya koyduktan yıllar sonra, bu teoriyi devirmeye bile çalıştı. Dünya sürekli olmalı, nasıl bir merdiven gibi adım adım atlayabilir? Leibniz bir keresinde "Doğada sıçrama yok" demişti. Planck da öyle düşünüyor, bu nedenle, siyah cisim radyasyonunu kuantizasyon varsayımı olmadan açıklamak için hep aynı sonucu almak istiyor.

Canavar serbest bırakıldı ve ona basıp tekrar kapatmak istedi. Söylemesi yapmaktan daha kolaydı! Planck'ın çabaları yıllarca başarısız oldu ve sonunda goblinin varlığını kabul etmek zorunda kaldı ve genel bilimsel şüphelere karşı birkaç yanıltıcı açıklama yaptı:

Yeni bir bilimsel gerçeği kabul etmek için muhaliflerini ikna etmek değil, muhaliflerin tümü ölünceye kadar beklemek gerekir ve yeni nesil bu gerçeği en başından açıkça anlayacaktır.

Planck sabiti h tarafından çizilen kuantum öyküsü hala uzun, şimdilik duralım ve kuantumun babasına dönelim.

Yaşlılıkta iç çeken üzgün şehit

Planck'ın mutlu ailesi, klasik fizik inançları gibi, iki savaşta çöktü.

Planck'ın karısı 1909'da öldü, en büyük oğlu savaşta öldü ve iki kızı savaş sırasında distosi nedeniyle öldü. İkinci oğlu Irwin, Hitler suikastına karıştı ve Naziler tarafından hapse atıldı. Planck bir zamanlar Hitler'e yazdı, ancak oğlu Irvine 1945'te asıldı.

Planck 87 yaşındayken, Berlin'deki evi hava saldırısında yerle bir edildi, kitap koleksiyonu ve birçok araştırma sonucu kayboldu ...

Newton'un doğum günü için Cambridge'e gidin 30 Planck, 0 yıllık anma töreninden ikinci yıl sonra Göttingen'de vefat etti.

Mezar taşı muhtemelen herkesten daha basittir: üzerine "MAX PLANCK" kazınmış dikdörtgen bir taş levha.

Altta bir model gibi görünüyor, ancak yakından baktığımda, modelin ortasına bir sayı dizisinin kazınmış olduğunu görüyorum: h = 6.62 · 10 -34W · s2. Bu, Planck sabitinin bir yaklaşımıdır. İnsan bilimine en büyük katkısı, bu kuantum dünyasının küçük perisini serbest bırakmaktır!