Готовый перевод String Theory for Dummies / Теория струн для «чайников»: Unlocking the First Quanta: The Birth of Quantum Physics

Отпирание первого кванта: рождение квантовой физики

Квантовая физика уходит своими корнями в 1900, когда немецкий физик Макс Планк предложил решение проблемы термодинамики — проблему, имеющую дело с теплом.

Он решил проблему путем введения математического трюка — он предположил, что если энергия была бы упакована в дискретные пакеты, или кванты, то проблема бы исчезла.

(Это оказалось находкой, потому что это работало.

Не было какого-либо теоретического основания для этого, пока его не придумал Эйнштейн пять лет спустя, как рассмотрено в следующем разделе.)

В процессе этой работы, Планк использовал величину, известную как постоянная Планка, которая оказалась весьма важной для квантовой физики — и теории струн.

Планк использовал эту квантовую идею — идею, что многие физические величины являются дискретными величинами — чтобы решить проблему в физике, но даже сам Планк допускал, что это был всего лишь искусный математический процесс для избавление от бесконечности.

Потребуется пять лет, чтобы Альберт Эйнштейн продолжил квантовую революцию в физике.

Проблема излучения черного тела, которую Планк пытался решить, является главной проблемой термодинамики, в которой у вас имеется объект, который настолько горячий, что он светится изнутри.

Маленькое отверстие позволяет свету выйти, и это может быть изучено.

Проблема в том, что в 1800х, эксперименты и теории в этой области не совпадали.

Горячий объект излучает тепло в форме света (горячие угли в огне или металлические кольца на электрических печах и то, и то — хорошие примеры)

Если бы этот объект был открыт внутри, как духовка или металлическая коробка, тепло бы отражалась всюду изнутри.

Такого рода объект был назван абсолютно чёрным телом — потому что сам объект не отражает свет, только излучает тепло — и на протяжении 1800-х годов, разные теоретические работы по термодинамике изучили то, как тепло вело внутри абсолютно черного тела.

Теперь представьте, что есть маленькое отверстие — похожее на окно — в печи, через которое свет может выйти.

Изучение такого света раскрывает информацию об энергии тепла в абсолютно черном теле.

По существу, тепло внутри абсолютно черного тела принимает форму электромагнитных волн, и так как печь это метал, то это стоячие волны, с узлами по бокам печи (подробнее об волнах смотрите в 5й главе).

Этот факт — наряду с пониманием электромагнетизма и термодинамики — может быть использован для расчета связи между интенсивностью света (или яркостью) и длинной волны.

В результате, по мере того, как длинна волны становится очень маленькой (ультрафиолетовый диапазон электромагнитной энергии), предполагается, что интенсивность резко возрастает, приближаясь к бесконечности.

В природе, ученые никогда не наблюдают бесконечностей, и это не было исключением (смотрите главу 2 для подробности про бесконечности).

Исследование показало, что максимум интенсивности был в ультрафиолетовом диапазоне, что полностью противоречило теоретическим ожиданиям, что и показано на рисунке 7-1.

Это противоречие стало известным как ультрафиолетовая катастрофа.

Рисунок 7-1: Ультрафиолетовая катастрофа произошла, когда теория и эксперимент, в процессе изучения абсолютно черного тела, не совпали.

Ультрафиолетовая катастрофа угрожала разрушить теории электромагнетизма и/или термодинамики.

Очевидно, если они не совпали с экспериментом, тогда одна или обе из теорий содержали ошибки.

Планк решил ультрафиолетовую катастрофу в 1900м году путем введения идеи, что атом мог поглощать или испускать свет только квантами (или дискретными порциями энергии).

Одно из следствий этого радикального предположения было то, что будет меньше испускаемого излучения при высоких энергиях

Введя идею дискретных энергетических пакетов — путем квантования энергии — Планк предоставил решение, которое помогло выйти из сложившейся ситуации без необходимости резкого пересмотра существующих теорий (по крайней мере на тот момент).

Понимание у Планка появилось, когда он посмотрел на данные и попытался разобраться, что происходило.

Очевидно, прогнозы для длинных волн были близки к соответствию с экспериментом, но для коротких волны света - нет.

Теория предсказывала чрезмерное количество света, которое бы было получено на коротких длинах волн, так что Планку нужен был способ, чтобы ограничить коротковолновой диапазон.

Будучи знакомым с некоторыми вещами об волнах, Планк знал, что длина волны и частота были обратно пропорциональны.

Так что, если вы говорите о волнах с короткой длинной волны, вы также говорите о волнах с высокой частотой (ВЧ).

Все, что он должен был сделать, это найти способ снизить количество излучение на высоких частотах.

Планк переработал уравнения, предполагая, что атомы могли излучать или поглощать энергию только конечными порциями.

Энергия и частота были связаны количественным соотношением названным постоянной Планка.

Физики используют переменную h для представления постоянной Планка в его получившихся уравнениях физики.

Конечное уравнение работало для объяснения экспериментальных результатов излучения абсолютно черного тела.

Планк, и, вероятно, все остальные, думали, что это был только математический трюк, который решил проблему для одного странного, специального случая.

Мало кто осознавал, что Планк только что заложил основание для самых странных научных открытий в истории всего мира.

Внимание! Этот перевод, возможно, ещё не готов.
Его статус: перевод редактируется

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/38781/145366

Переводчики: Swarlz