Книга Планк. Квантовая теория - Alberto Tomas Perez Izquierdo

Исследования термодинамики

В то время в Германии было принято получать образование не в одном университете, поэтому Макс Планк в 1877 году оставил Мюнхен и отправился в Берлин. Там его наставниками стали Герман фон Гельмгольц (1821-1894) и Густаф Кирхгоф (1824-1887). Обоих относят к плеяде великих физиков XIX века, но, по мнению самого Планка, ученые были не очень хорошими педагогами. В своей краткой научной биографии Планк описывает Гельмгольца как плохого преподавателя, который не готовился к занятиям и постоянно ошибался в расчетах у доски. Казалось, что занятия со студентами нагоняли на него скуку, которая передавалась и студентам, так что, по словам Планка, к концу курса на занятия приходили всего трое человек, включая его самого.

Плохую подготовку к занятиям Германа фон Гельмгольца можно оправдать его погруженностью именно в этот период в изучение электромагнетизма и теории Максвелла. В Германии идеи Максвелла не были распространены, и только благодаря Гельмгольцу в его стране пробудился интерес к теории электромагнетизма. В июле 1879 года Прусская академия наук по инициативе ученого объявила о премии за подтверждение или опровержение теории Максвелла для высокочастотных цепей. Премию получил ученик Гельмгольца — Генрих Герц (1857-1894). Его исследования приведут к открытию в 1888 году электромагнитных волн и окончательному подтверждению теории Масквелла.

ТРИ ПРИМЕРА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ МОЩИ ГЕРМАНИИ

Предприятие Siemens, названное по фамилии основателя, Эрнста Вернера фон Сименса (1816-1892), было лидером электрификации Германии и большой части Европы. Созданная им телеграфно-строительная фирма выпускала альтернаторы и динамо-машины для получения электричества, а также двигатели и лампы для его потребления. Занималось предприятие и электропоездами. Уже упомянутый Имперский институт физики и технологии получил от Siemens дотацию и занимался вопросами электроосвещения. Пережив две мировые войны, Siemens остается мощной транснациональной компанией.

Предприятие Zeiss, основанное немецким оптиком Карлом Цейсом (1816-1888) в 1846 году, с самого начала было одним из главных поставщиков точных оптических инструментов. Именно на Zeiss был произведен микроскоп, с помощью которого Рамон-и-Кахаль открыл синапс нейрона и изучал структуру сетчатки млекопитающих. Компания существует по сей день и считается лидером в своей отрасли.

Третье из упомянутых предприятий-гигантов — Bayer, возможно, самое известное, было основано в 1863 году Фридрихом Байером (1825-1880). Продажи знаменитого аспирина Bayer стартовали в конце XIX века и продолжаются до сих пор. Во время Второй мировой войны Bayer стала частью конгломерата немецких компаний химической промышленности Farben IG, который построил завод по производству синтетического каучука рядом с Освенцимом, используя рабский труд заключенных. После войны конгломерат был разделен на три предприятия: Bayer, Basf и Hoechst — все три до сих пор считаются транснациональными гигантами.

Эльберфельд, Германия, 1878 год. Рабочие в лаборатории компании Bayer AG (создана Фридрихом Байером в 1863 году).

Несмотря на то что лекции Гельмгольца зимой 1877 года не вызывали у студентов большого восторга, Планк на них из первых уст получил информацию о перспективах электромагнетизма — научной области, занявшей важное место в его собственных исследованиях. По всей видимости, Планк, вернувшись в Берлин в качестве профессора, поддерживал дружеские отношения с Гельмгольцем до его смерти в 1894 году.

В отличие от небрежного Гельмгольца, второй преподаватель Планка, Густав Кирхгоф, напротив, так тщательно готовился к лекциям, что заучивал их наизусть и читал без малейших отступлений, так что слушатели с трудом подавляли зевоту. Но опять-таки (и, возможно, для Планка это было намного важнее лекций) преподаватель познакомил талантливого студента с авангардом научной мысли того времени. Кирхгоф стал его проводником в мир новейших исследований в области термодинамики. Годы спустя на Планка будет возложена публикация посмертных «Лекций по теории теплового излучения» Кирхгофа.

Третьим ученым, повлиявшим на Планка в годы его пребывания в Берлине, стал Рудольф Клаузиус (1822-1888). Несмотря на предпринятые попытки, Планк не смог познакомиться с ним лично, но прочитал работы Клаузиуса по термодинамике и погрузился в их изучение со страстью, которая больше не угаснет в нем никогда.

МАКСВЕЛЛ И ВЕЛИКИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ СИНТЕЗ

В середине XIX века развитие теории электромагнетизма находилось на распутье. Благодаря работам Ампера (1775-1836), Фарадея (1791-1867) и других физиков того времени было накоплено много важных экспериментальных данных и законов, доказывающих неразрывную связь электричества и магнетизма. Для объяснения открытых феноменов имелось два варианта представлений. Были сторонники теории взаимодействия на расстоянии, были и те, кто защищал теорию полей. Эрнст Генрих Вебер (1795- 1878) в Германии предложил формулу, объясняющую все статические и динамические электрические и магнитные силы на основании взаимодействия электрических зарядов на расстоянии.

Его формула была похожа на формулу гравитационного притяжения двух тел, но с большим количеством переменных, связанным со скоростью и ускорением частиц. Но один из преподавателей Планка, Гельмгольц, около 1870 года с помощью закона сохранения энергии доказал, что формула Вебера безосновательна. С другой стороны, имелась теория полей, своим рождением обязанная Майклу Фарадею, который представлял, что пространство вокруг магнита заполнено нитями — невидимыми силовыми линиями, натяжение которых отвечало за силы притяжения или отталкивания между полюсами магнита. Также Фарадей представлял электрические силовые линии, соединяющие положительные и отрицательные заряды и создающие притяжение. Шотландец Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879) нашел математическое выражение идей Фарадея и сформулировал унифицированную теорию законов электричества и магнетизма. Его теория была изначально механической и предполагала, что все электромагнетические явления были следствием динамики в постоянной среде — эфире, заполняющем пространство. Теория Максвелла учитывала не только все основные известные явления, но и предсказывала, что эфир может передавать волны, как твердое тело передает колебания. Максвелл рассчитал скорость, которой должны были обладать эти волны, и нашел величину, близкую к скорости света. Он писал: «Мы едва ли можем отказаться от вывода, что свет состоит из поперечных колебаний той же самой среды, которая является причиной электрических и магнитных явлений».

К тому времени, когда Планк отправился учиться в Берлин, были уже сформулированы два начала термодинамики. Первое начало выражает сохранение энергии, одна из его наиболее известных формулировок: «Энергия не создается и не разрушается, а только переходит из одной формы в другую». Этот закон был открыт в середине века учеными Джеймсом Джоулем (1818-1889), Юлиусом фон Майером (1814-1878), Уильямом Томсоном (позже известным как лорд Кельвин; 1824-1907) и самим Гельмгольцем. Суть открытия состояла в том, что существует количественное равенство между механической работой и разными формами энергии, способными производить работу и тепло. В 1840-х годах британский ученый Джеймс Джоуль провел серию опытов, доказавших эквивалентность разных форм энергии. Самый известный из этих опытов легче всего объяснить, хотя не так просто осуществить; состоит он в том, что опускаемый груз заставляет вращаться лопасти внутри сосуда с водой. Как показано на рисунке, блок, трос и ось передают движение груза на лопасти. Сосуд был термически изолирован, и Джоуль заметил, что вода в нем нагревается, когда груз опускается. Потенциальная гравитационная энергия груза превращалась в тепло. Джоуль пришел к выводу: для того чтобы нагреть фунт воды с 50 до 51 градуса по Фаренгейту, необходимо опустить груз весом 817 фунтов на один фут.