Fin du 19e - début du 20e siècle ont été marquées par la naissance de nouveaux concepts scientifiques qui ont radicalement changé l'image habituelle du monde. En 1887, les physiciens américains Edward Morley et Albert Michelson voulaient confirmer expérimentalement les idées traditionnelles selon lesquelles la lumière (c'est-à-dire les oscillations électromagnétiques) se propage dans une substance spéciale - l'éther, tout comme les ondes sonores voyagent dans l'espace à travers l'air.
Sans même supposer que leur expérience montrerait le résultat complètement opposé, les scientifiques ont dirigé un faisceau lumineux sur une plaque translucide située à un angle de 45 ° par rapport à la source lumineuse. Le faisceau a bifurqué, passant en partie à travers la plaque et en partie réfléchi à angle droit par rapport à la source. Se propageant avec la même fréquence, les deux faisceaux ont été réfléchis par les miroirs perpendiculaires et renvoyés vers la plaque. L'un se reflétait, l'autre passait à travers, et lorsqu'un faisceau était superposé à un autre, des franges d'interférence apparaissaient sur l'écran. Si la lumière se déplaçait dans une certaine substance, le soi-disant vent éthéré devrait déplacer le motif d'interférence, mais rien n'a changé en six mois d'observations. Ainsi Michelson et Morley ont réalisé que l'éther n'existe pas et que la lumière peut se propager même dans le vide - un vide absolu. Cela a discrédité la position de base de la mécanique newtonienne classique sur l'existence de l'espace absolu - le cadre de référence fondamental par rapport auquel l'éther est au repos.
Une autre "pierre" dans le sens de la physique classique était les équations du scientifique écossais James Maxwell, qui ont montré que la lumière se déplace avec une vitesse limitée, qui ne dépend pas du système "source-observateur". Ces découvertes ont servi d'impulsion à la formation de deux théories complètement innovantes: le quantique et la théorie de la relativité.
En 1896, le physicien allemand Max Planck (1858-1947) a commencé à étudier les rayons de chaleur - en particulier, leur dépendance à la texture et à la couleur de l'objet émetteur. L'intérêt de Planck pour ce sujet est né de l'expérience de pensée de son compatriote Gustav Kirchhoff, réalisée en 1859. Kirchhoff a créé un modèle de corps absolument noir, qui est un récipient opaque idéal qui absorbe tous les rayons tombant dessus et ne les laisse pas sortir, «forçant »Rebondissez à plusieurs reprises sur les murs et perdez de l'énergie. Mais si ce corps est chauffé, il commencera à émettre des radiations, et plus la température de chauffage est élevée, plus les longueurs d'onde des rayons sont courtes, ce qui signifie que les rayons passeront du spectre invisible au visible. Le corps deviendra d'abord rouge puis blanc, car son rayonnement combinera tout le spectre. Le rayonnement émis et absorbé viendra à l'équilibre, c'est-à-dire que leurs paramètres deviendront les mêmes et seront indépendants de la substance à partir de laquelle le corps est fabriqué - l'énergie sera absorbée et libérée en quantités égales. Le seul facteur qui peut affecter le spectre de rayonnement est la température corporelle.
Après avoir pris connaissance des découvertes de Kirchhoff, de nombreux scientifiques ont entrepris de mesurer la température d'un corps noir et les longueurs d'onde correspondantes des rayons émis. Bien sûr, ils l'ont fait en utilisant les méthodes de la physique classique - et … ils sont arrivés à une impasse, obtenant des résultats complètement dénués de sens. Avec une augmentation de la température corporelle et, par conséquent, une diminution de la longueur d'onde du rayonnement vers le spectre ultraviolet, l'intensité des oscillations d'ondes (densité d'énergie) a augmenté à l'infini. Pendant ce temps, les expériences ont montré le contraire. En effet, une lampe à incandescence brille-t-elle plus fort qu'un tube à rayons X? Et est-il possible de chauffer un cube noir pour qu'il devienne radioactif?
Pour éliminer ce paradoxe, appelé catastrophe ultraviolette, Planck a trouvé en 1900 une explication originale du comportement de l'énergie de rayonnement d'un corps noir. Le scientifique a suggéré que les atomes, en vibration, libèrent de l'énergie en portions strictement dosées - les quanta, et plus l'onde est courte et plus la fréquence de vibration est élevée, plus le quantum est grand, et vice versa. Pour décrire le quantum, Planck a dérivé une formule selon laquelle la quantité d'énergie peut être déterminée par le produit de la fréquence de l'onde et du quantum d'action (constante égale à 6,62 × 10-34 J / s).
En décembre, le scientifique a présenté sa théorie aux membres de la Société allemande de physique, et cet événement a marqué le début de la physique et de la mécanique quantiques. Cependant, en raison du manque de confirmation par de véritables expériences, la découverte de Planck a suscité un intérêt loin d'être immédiat. Et le scientifique lui-même a d'abord présenté les quanta non comme des particules matérielles, mais comme une abstraction mathématique. Seulement cinq ans plus tard, quand Einstein trouva une justification de l'effet photoélectrique (assommant les électrons d'une substance sous l'influence de la lumière), expliquant ce phénomène par le «dosage» de l'énergie émise, la formule de Planck trouva son application. Puis il est devenu clair pour tout le monde qu'il ne s'agissait pas de spéculations creuses, mais d'une description d'un phénomène réel au niveau micro.
À propos, l'auteur de la théorie de la relativité lui-même a beaucoup apprécié le travail de son collègue. Selon Einstein, le mérite de Planck est de prouver que non seulement la matière est composée de particules, mais aussi d'énergie. De plus, Planck a trouvé un quantum d'action - une constante reliant la fréquence du rayonnement à la magnitude de son énergie, et cette découverte a bouleversé la physique, amorçant son développement dans une direction différente. Einstein a prédit que ce serait grâce à la théorie de Planck qu'il serait possible de créer un modèle de l'atome et de comprendre comment l'énergie se comporte lorsque les atomes et les molécules se désintègrent. Selon le grand physicien, Planck a détruit les fondements de la mécanique newtonienne et a montré une nouvelle façon de comprendre l'ordre mondial.
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Maintenant, la constante de Planck est utilisée dans toutes les équations et formules de la mécanique quantique, séparant le macrocosme, vivant selon les lois de Newton, et le microcosme, où les lois quantiques fonctionnent. Par exemple, ce coefficient détermine l'échelle à laquelle le principe d'incertitude de Heisenberg fonctionne, c'est-à-dire l'incapacité de prédire les propriétés et le comportement des particules élémentaires. En effet, dans le monde quantique, tous les objets ont une double nature, apparaissant à deux endroits en même temps, se manifestant comme une particule à un point et comme une onde à un autre, etc.
Ainsi, ayant découvert les quanta, Max Planck a fondé la physique quantique, capable d'expliquer les phénomènes aux niveaux atomique et moléculaire, ce qui dépasse la puissance de la physique classique. Sa théorie est devenue la base du développement ultérieur de ce domaine scientifique.