Как постоянная Планка повлияла на развитие современной физики?

Постоянная Планка — ключевое понятие в квантовой физике. Ее введение в начале XX века оказало значительное влияние на физику. В частности, она сыграла фундаментальную роль в нашем понимании микроскопических явлений. Но как она на самом деле помогла сформировать современную физику, и каковы ее последствия для существующих и развивающихся технологий?

Квантовая механика — это раздел физики, описывающий поведение частиц в атомном и субатомном масштабе. Она открывает удивительные явления, когда классических законов физики уже недостаточно для объяснения всего происходящего. В основе этой научной революции лежит концепция квантования, согласно которой некоторые физические величины, такие как энергия или угловой момент, могут принимать только дискретные значения, называемые «квантами».

Этот постулат знаменует собой разрыв с классическим представлением о том, что энергия является непрерывной величиной. Однако этот вызов касается в основном испускания и поглощения энергии квантовыми системами, а не энергии в целом, которая остается непрерывной в других контекстах, таких как классическая механика и относительность.

Этот новый подход был заложен в 1899 году немецким физиком Максом Планком, когда он пытался решить проблему излучения черного тела — идеального объекта, который поглощает все падающее электромагнитное излучение, а затем снова испускает его в виде теплового излучения.

Чтобы объяснить это явление, Планк сформулировал гипотезу о том, что энергия испускается и поглощается не непрерывно, а дискретными пакетами — квантами. Энергия этих квантов прямо пропорциональна частоте излучения, и это соотношение выражается постоянной Планка «h». Эта фундаментальная постоянная определяет масштаб кванта действия и управляет испусканием и поглощением фотонов.

Константа, лежащая в основе основ современной физики

Постоянная Планка играет ключевую роль как в структуре электромагнитного излучения, так и в самой природе нашей физической реальности. В частности, она позволяет вычислить энергию фотонов из их частоты, согласно знаменитому уравнению: E = hf. Здесь E означает энергию, f - частоту, а h - постоянную Планка, значение которой составляет 6,626 x 10^-34 джоуль-секунды (Дж.с).

Эта постоянная является основой нескольких важнейших концепций квантовой механики, таких как принцип неопределенности, дуализм «волна-частица» и квантование атомных уровней энергии. Основываясь на работе Планка, физик Вернер Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности, согласно которому невозможно одновременно и с абсолютной точностью знать положение и импульс частицы. Другими словами, чем точнее измерение одного из этих параметров, тем более неопределенным становится другой, что ставит под сомнение детерминизм классической физики.

Постоянная Планка также играет фундаментальную роль в дуализме волна-частица — явлении, при котором частицы могут вести себя как волны и как частицы тела. Соотношение де Бройля, устанавливающее соответствие между длиной волны и импульсом частицы, напрямую связано с постоянной Планка, что иллюстрирует ее ключевую роль в этом свойстве.

Ее надежность и универсальность привели к тому, что постоянная Планка была принята в качестве эталона для переопределения килограмма в 2019 году.

Революционер вопреки себе

Поразительно, но сам Макс Планк не сразу осознал глубокие последствия своего открытия. Для него введение квантов было не более чем математическим трюком, призванным решить проблему излучения черного тела. Только благодаря более поздним работам Альберта Эйнштейна по фотоэлектрическому эффекту и атомной модели Нильса Бора идея квантования энергии была полностью принята.

В 1905 году Эйнштейн продемонстрировал, что свет можно интерпретировать как поток частиц — фотонов, каждый из которых несет энергию, пропорциональную его частоте, в соответствии с соотношением, установленным Планком. Это открытие, ставшее одним из первых экспериментальных доказательств квантовой природы энергии, было подтверждено экспериментами Роберта Милликена по фотоэлектрическому эффекту.

Атомная модель Бора, представленная в 1913 году, усилила этот подход, постулировав, что электроны могут занимать только определенные орбиты внутри атома. Любое изменение орбиты сопровождается поглощением или испусканием кванта энергии, согласно количественной оценке, непосредственно выведенной из работы Планка.

Основа для технологий завтрашнего дня

Последствия постоянной Планка не ограничиваются теорией: они проложили путь к крупным технологическим достижениям. Полупроводники, лазеры и спектроскопия — все они обязаны своим развитием принципам квантовой механики.

В спектроскопии изучение спектров света, испускаемого или поглощаемого атомами, дает бесценную информацию о химическом составе наблюдаемых объектов. Этот метод сегодня используется как в астрономии, так и в медицине, в частности для диагностики заболеваний с помощью анализа инфракрасных спектров.

Магнитно-резонансная томография (МРТ), основанная на ядерном магнитном резонансе, — еще одно ключевое применение квантовых принципов, использующее свойства атомных ядер в электромагнитном поле для получения высокоточных изображений.

Наконец, в квантовых вычислениях манипулирование кубитами основано непосредственно на принципах суперпозиции и квантовой запутанности. В то время как квантование энергии, введенное Планком, положило начало квантовой физике, кубиты используют эти более широкие понятия для выполнения вычислений, которые экспоненциально быстрее, чем в обычных компьютерах. Таким образом, несмотря на свою абстрактность, постоянная Планка является основой современной физики.