Холодильник Эйнштейна. Как перепад температур объясняет Вселенную - Пол Сен

Теория Максвелла не только описала видимые цвета, но и предсказала существование невидимых электромагнитных волн. Их действительно начали открывать с 1870-х годов. Так, частоты радиоволн находятся в диапазоне от менее 100 колебаний в секунду до около 3 миллионов колебаний в секунду. Частота микроволн составляет от 3 миллионов до 300 миллиардов колебаний в секунду. Инфракрасные волны занимают диапазон между микроволнами и видимым светом. Когда частоты выше частоты синего света, излучение называется ультрафиолетовым. Далее идет рентгеновское излучение, а затем — гамма-излучение, частота которого составляет более 100 миллиардов миллиардов колебаний в секунду. Весь диапазон — от радиоволн до гамма-излучения — называется электромагнитным спектром.

Открытие Максвелла показывало, что физики в принципе понимали, почему светится нить накаливания электрической лампочки. Электрический ток нагревает нить. Нагревание, в свою очередь, заставляет входящие в ее состав электроны колебаться и испускать электромагнитные волны. На самом деле электромагнитные волны испускают все тела. Атомы постоянно пребывают в движении, а значит, движутся и их электроны. Так, при нормальной температуре около 36,6 °C человеческие тела испускают поддающиеся обнаружению инфракрасные волны. У змей, например гадюк, питонов и удавов, в ходе эволюции появились органы, позволяющие им улавливать такое излучение, чтобы охотиться и находить прохладные места для отдыха.

В конце XIX века ученые пытались установить, как именно взаимосвязаны температура тела и частоты испускаемых им электромагнитных волн.

Чтобы понять, как физики подходили к этому вопросу, представьте печь для обжига. При нагревании электроны в ее стенках начинают колебаться, что наблюдается и при нагревании большинства других тел. И все же печь дает нам наглядный пример, поскольку цвет внутри нее легко сопоставить с ее температурой. Темно-красный показывает, что печь становится довольно горячей. Когда ему на смену приходит оранжевый, а затем — желтовато-белый, температура в печи возрастает. Большинству из нас интуитивно понятно, что “белое каление” горячее “красного каления”.

Дело в том, что при низких температурах печь испускает лишь невидимое инфракрасное излучение. На ощупь она теплая, но при этом не светится. Когда температура поднимается, начинает также испускаться видимый красный свет более высокой частоты. Когда температура преодолевает отметку в 1000 °C, испускаться начинают высокочастотные цвета — сначала оттенки зеленого, а затем немного синего. Однако, поскольку печь продолжает испускать красный свет, при очень высоких температурах мы видим смешение красного, зеленого и синего, которое кажется нам оранжевым, желтым и желтовато-белым в зависимости от пропорционального соотношения компонентов.

Но даже при очень высоких температурах обычная печь для обжига испускает в основном инфракрасное излучение. Крошечная доля генерируемой ею электромагнитной энергии выходит в форме видимого света. Почти ничего не выходит в форме ультрафиолетового излучения или излучения с еще более высокой частотой. Кроме того, какой бы ни была температура, печь для обжига испускает очень мало энергии на низких микроволновых и радиочастотах.

Чтобы увидеть, что происходит при высоких температурах, обратите внимание на солнечный свет. Солнце сродни огромной печи, где поддерживается температура выше 5000 °C. При такой температуре испускается электромагнитное излучение другого типа. Солнце испускает некоторое количество инфракрасного света, но большая часть генерируемой им энергии проявляется в форме видимого света более высокой частоты.

Именно поэтому глаза человека и большинства животных в ходе эволюции приобрели чувствительность к красному, зеленому и синему, ведь на долю этих цветов приходится основная часть электромагнитной энергии, поступающей от Солнца. На более высоких и низких частотах к нам приходит относительно небольшое количество энергии, поэтому способность к их обнаружению не давала бы нам эволюционного преимущества.

Что происходит при еще более высоких температурах — скажем, при 12000 °C, как на сверхгиганте Ригеле? Эта звезда испускает более половины своей электромагнитной энергии в ультрафиолетовом диапазоне. Но даже такая горячая звезда испускает относительно небольшое количество сверхвысокочастотного рентгеновского излучения.

Чем объясняется наличие связи между температурой тел, подобных печи для обжига, и частотой испускаемого ими электромагнитного излучения? Чтобы ответить на этот вопрос, ученым пришлось обратиться к статистическим идеям Больцмана, а когда ответ был найден, он запустил цепочку событий, которые изменили физику.

* * *

Макс Планк, ставший катализатором этой трансформации, пришел в физику, не имея намерения произвести в ней революцию. Ему нравились универсальные законы, такие как первое начало термодинамики, которое однозначно утверждает, что энергия всегда сохраняется. Ему было не по душе предложенное Больцманом вероятностное объяснение второго начала. Планку казалось, что увеличение энтропии не должно происходить только потому, что статистически оно наиболее вероятно.

Планк считал, что, изучив свойства теплового излучения, можно составить новое представление о втором начале. Тепловой поток при конвекции или теплопроводности прекрасно объяснялся беспорядочным движением и столкновениями отдельных частиц. Тепловое излучение в форме незатухающих волн электромагнитной энергии казалось иным. Планк надеялся, что с его помощью перемещение теплоты удастся объяснить без применения законов вероятности.

Для этого Планк стал изучать, как устройства вроде печей для обжига создают электромагнитные волны, когда электроны в их стенках начинают колебаться под действием теплоты. В последние годы XIX века он усердно работал над выводом математического уравнения, которое соответствовало бы наблюдаемой связи между температурой тел вроде печей и частотами испускаемых ими электромагнитных волн.

Затем в деле случился неожиданный поворот. В 1900 году берлинские власти задумались, чем лучше освещать улицы — электричеством или газом. И электричество, и газ дают свет за счет теплоты, но какая система дешевле? Ответа ждали от Императорского физико-технического института, получавшего государственное финансирование и занимавшего в Берлине участок, предоставленный промышленником Вернером фон Сименсом. В 1900 году сотрудники института разработали устройство, которое назвали полостным излучателем.

Полостной излучатель, по сути, представлял собой печь для обжига в форме цилиндра 3,8 см диаметром и около 38 см длиной. Он позволял проводить высокоточные измерения интенсивности света на разных частотах при широком диапазоне температур.

Среди ученых Императорского физико-технического института, проводивших эксперименты с этими устройствами, был друг Планка Генрих Рубенс. Воскресным днем 7 октября 1900 года он заглянул к Планку в гости и принес как хорошие, так и плохие новости.

С одной стороны, в видимом свете и коротких ультрафиолетовых диапазонах математика Планка работала. Его уравнения точно предсказывали, сколько высокочастотного излучения испускается при нагревании полостного излучателя. С другой стороны, с более длинными волнами они работали не так хорошо. При любой заданной температуре уравнения Планка предсказывали меньше инфракрасного света, чем показывали замеры.