Революция в микромире. Планк. Квантовая теория - Alberto Izquierdo

В 1918 году Мейтнер и Ган открыли протактиний. В 1919 году она получила профессорское звание, вероятно став первой женщиной-профессором в Германии.

Планк и музыка

В Европе в конце XIX — начале XX века музыка была необходимой составляющей хорошего воспитания. Во многих буржуазных домах имелись фортепиано. Согласно архивным данным, в 1845 году в Париже было более 60 тысяч фортепиано. В XIX веке Германия стала центром европейской музыки. Немцами были великий Бетховен, родившийся в Бонне, Брамс, родившийся в Гамбурге, а также Мендельсон, Шуман, Вагнер и Малер. Большинство величайших композиторов XIX века были немцами. Многие из физиков, с которыми был знаком Планк, тоже хорошо играли на каком- либо инструменте. Эйнштейну покорились фортепиано и скрипка, Гейзенберг имел репутацию прекрасного пианиста. Пауль Эренфест (1880- 1933), нидерландский физик австрийского происхождения и близкий друг Альберта Эйнштейна, играл на фортепиано. Вместе с Эйнштейном они с удовольствием исполняли сонаты Брамса. Планк пел в университетском хоре и писал музыку — ему принадлежит оперетта под названием Liebe im Walde («Любовь в лесу»). Во время религиозных служб в университете ученый играл на органе, музицировал на фортепиано и виолончели. Кроме того, он имел талант композитора. В те времена Германия переживала такой расцвет музыки, какого больше не было нигде и никогда. Музыка всегда была частью мира Планка. После его переезда в Берлин Имперский физико-технологический институт получил большую фисгармонию, сделанную по заказу министерства. Планк был назначен ответственным за проверку инструмента и возможности его использовать для вокального сопровождения. Этот эпизод ясно говорит о глубине музыкальных познаний Планка.

Планк и Мейтнер всегда тесно общались, именно он убедил Лизу остаться на должности даже после введения расистских законов. Мейтнер выдержала до 1938 года, а затем бежала из страны не без риска для жизни, так как на тот момент выезд был сильно затруднен. Если бы не Планк, скорее всего, она покинула бы Германию на несколько лет раньше.

Еще один пример деятельности Планка по привлечению талантов в немецкую науку — сам Эйнштейн. После того как Планк прочел в 1905 году его статьи по фотоэффекту и специальной теории относительности, он заинтересовался молодым ученым. В 1913 году Вальтер Нернст и Макс Планк поехали на отдых с семьями в Цюрих и посетили там Эйнштейна, чтобы убедить его перебраться в Берлин.

Лиза Мейтнер и расщепление урана

Когда Лиза Мейтнер была вынуждена бежать из Германии, она совместно с Отто Ганом и Фрицем Штрассманом (1902-1980) проводила эксперименты над ураном, бомбардируя его ядро нейтронами. Ученые пытались воспроизвести опыты Энрико Ферми, которые должны были привести к получению новых трансурановых элементов. Когда Мейтнер уже была в безопасности в Стокгольме, 19 декабря 1938 года она получила письмо от Гана, в котором тот сообщал ей последние результаты: среди остатков облученного урана они нашли вещество, которое предварительно приняли за радий, но которое было, без сомнений, радиоактивным барием. Атомный вес урана 238, бария — 137. В это время к Мейтнер в Швецию на рождественские каникулы приехал ее племянник, также физик, Отто Фиш. Она показала Фишу письмо Гана, и тетушка с племянником пошли прогуляться.

Лиза Мейтнер и Отто Ган работают в лаборатории.

Искра атомной бомбы

Эта прогулка — легендарный эпизод в истории физики XX века. Они остановились около дерева, Мейтнер достала карандаш, бумагу и начала делать расчеты. Эти записи показали, что расщепление ядра было не только возможным, но также, согласно формуле Эйнштейна Е = mc², при этом должно было выделяться огромное количество энергии. Через несколько дней Фиш встретился с Нильсом Бором и рассказал ему о результатах расчетов, которые они сделали с тетей. Бор немедленно понял эпохальный характер открытия. В январе он отправился в Соединенные Штаты и привез с собой новость о расщеплении ядра. С тех пор началась гонка за контролем над ядерной энергией. Через несколько лет, после окончания войны, Лиза Мейтнер по приглашению нескольких университетов и исследовательских центров поехала в Соединенные Штаты. Пресса в погоне за сенсацией придумала историю, что она бежала из Германии, унося с собой секрет создания атомной бомбы, и передала его союзникам. В Голливуде Лизе даже предложили сделать фильм на основе этой истории, однако Мейтнер отвергла это предложение, заявив, что уж лучше пройдется голой по Бродвею.

Нернст и Планк предложили молодому коллеге место в Прусской академии наук, кафедру в Берлинском университете (без академической нагрузки) и направление в Институт физики, над созданием которого в это время работали. Условие, что он не должен будет читать лекции, было важным для Эйнштейна, который хотел заниматься только исследовательской деятельностью. Он принял эти условия, а Планк с Нернстом подготовили письмо прусскому министру образования, в котором описывали достоинства молодого физика. Эйнштейн вступил в новые должности в Берлине 7 декабря того же года. В переписке с другом ученый признает, что это предложение привлекло его прежде всего возможностью работать бок о бок с Планком. Эйнштейн и Планк дружили и тесно общались до прихода к власти Гитлера.

Среди талантливых ученых, которые вращались в звездной орбите Планка, ближе всех к нему находился Макс фон Лауэ (1879-1960). Он был профессором-ассистентом Планка между 1905 и 1909 годами, они вместе работали над проблемами термодинамики электромагнитного излучения. Фон Лауэ был удостоен Нобелевской премии в области физики в 1914 году за предсказание дифракции рентгеновских лучей, что подтверждало их волновой характер.

Лауэ был почитателем таланта и хорошим другом Эйнштейна, а кроме того, стал одним из экспертов по вопросам относительности в 1920-х годах. Он был единственным антифашистом в Прусской академии наук и гораздо более решительно, чем Планк, противостоял режиму. Однако фон Лауэ полностью осознавал всю тяжесть жизни при нацистах, поэтому не осуждал коллегу и друга за некоторое малодушие. Фон Лауэ, выступая на похоронах Планка, произнес следующие слова:

«Передо мной самый простой венок без подписей. Его положил я от имени всех его учеников, среди которых и я сам, в знак нашей любви и безграничной благодарности».

Фон Лауэ и дифракция рентгеновских лучей

Макс фон Лауэ полагал, что, так как рентгеновские лучи представляют собой очень короткие волны по сравнению с межатомными расстояниями в кристаллической решетке, лучи на такой решетке могут дифрагировать. Расстояние между атомами кристаллической решетки примерно 1,2 нанометра (один нанометр (нм) — одна миллиардная часть метра, или 10-9м). Фон Лауэ предсказал дифракцию рентгеновских лучей (длина волны которых могла быть до 10 нм) на твердых веществах, имеющих кристаллические решетки, так же, как это происходит на дифракционных решетках с видимым излучением. Дифракция рентгеновских лучей после ее открытия стала важным инструментом для распознавания структуры кристаллических решеток; так, она была использована для вывода пространственной структуры сложной макромолекулы. Одним из самых эффектных открытий, которому способствовала дифракция рентгеновских лучей, стала структура двойной спирали молекулы ДНК. Эта структура была предложена Уотсоном и Криком на основании модели дифракции рентгеновских лучей на кристаллах ДНК.

Первоначально статья, опубликованная Планком в 1901 году в Annalen der Physik, в которой впервые упоминалось о квантовой теории, не получила должного резонанса. Немногие могли понять ее значение, да и тепловое излучение в эпоху великих открытий рентгеновских лучей и радиоактивности считалось второстепенной темой. В последующие годы физики использовали два подхода к работам Планка. Одни, например Джеймс Джинс (1877-1946), Эренфест и Лоренц, критиковали ученого и утверждали, что закон излучения черного тела, сформулированный Планком, не основан на известных постулатах. По их мнению, квантовая теория была чуждым элементом для физики той эпохи. Вторые, среди них можно выделить Эйнштейна, начали применять открытие Планка к другим проблемам физики со все возрастающим успехом. Со временем квантовая теория полностью изменила концепцию современной физики.

Глава 3

Квантовая эра

Через десятилетие после первого упоминания о квантовой теории молодой физик по имени Альберт Эйнштейн обобщил данные Планка и предложил теорию о существовании квантов света. Это открытие, а также вклад Бора, Гейзенберга и Шрёдингера стали основополагающими в оформлении квантовой теории, которая превратилась в потрясающий научный инструмент, раскрывающий перед нами Вселенную за границами классической физики.