Fizyka
  Wiw.pl   Na bieżąco:  Informacje   Co nowego   Matematyka i przyroda:  Astronomia   Biologia   Fizyka   Matematyka   Modelowanie rzeczywistości   Humanistyka:  Filozofia   Historia   Kultura antyczna   Literatura   Sztuka   Czytaj:  Biblioteka   Delta   Wielcy i więksi   Przydatne:  Słowniki   Co i gdzie studiować   Wszechświat w obrazkach    
 Jesteś tutaj:  Wirtualny Wszechświat > Fizyka > Wielkie wykłady - Boska cząstka 
  Indeks
Wielkie wykłady
Dramatis personae
Niewidoczna piłka
nożna

Pierwszy fizyk cząstek
Interludium A:
Opowieść o dwóch
miastach

Poszukiwania atomu:
mechanicy

Dalsze poszukiwania
atomu: chemicy
i elektrycy

Nagi atom
Gdy tęcza już
nie wystarcza

Dowód rzeczowy
nr 1: katastrofa
w ultrafiolecie

Dowód rzeczowy
nr 2: zjawisko
fotoelektryczne

Dowód rzeczowy
nr 3: kto lubi
ciasto z rodzynkami?

Zmagania
Bohr: na skrzydłach
motyla

Dwie minuty dla
energii

No więc?
Uchylenie rąbka
tajemnicy

Człowiek, który
nie znał się
na bateriach

Fale materii
i dama w willi

Fala
prawdopodobieństwa

Co to znaczy, czyli
fizyka kroju i szycia

Niespodzianka
na górskim szczycie

Nieoznaczoność
i inne rzeczy

Utrapienie z podwójną
szczeliną

Newton kontra
Schrödinger

Trzy rzeczy, które
trzeba zapamiętać
o mechanice
kwanowej

Interludium B:
Tańczący mistrzowie
wiedzy tajemnej

Akceleratory: one
rozkwaszają atomy,
nieprawdaż?

Interludium C:
Jak w ciągu weekendu
złamaliśmy parzystość
i odkryliśmy Boga

A–tom!
I wreszcie boska
cząstka

Mikroprzestrzeń,
makroprzestrzeń
i czas przed
początkiem czasu

  Źródło
Leon Lederman,
Dick Teresi

BOSKA CZĄSTKA
Jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?

Przełożyła Elżbieta
Kołodziej-Józefowicz


  Dowód rzeczowy nr 1: katastrofa w ultrafiolecie
 
Dowód rzeczowy nr 1: katastrofa w ultrafiolecie
 
P
ierwszym obserwowanym zjawiskiem, które bez ogródek zadawało kłam teorii klasycznej było „promieniowanie ciała doskonale czarnego”. Wszystkie ciała wypromieniowują energię; tym więcej, im są gorętsze. Żywy, oddychający człowiek emituje około 200 watów promieniowania należącego do niewidzialnego, podczerwonego przedziału widma elektromagnetycznego. (Teoretycy emitują 210 watów, a  politycy dochodzą do 250).
       Wszystkie ciała również absorbują energię ze swego otoczenia. Jeśli ich temperatura jest wyższa niż temperatura otoczenia, stygną, gdyż emitują więcej energii, niż jej pochłaniają. „Ciało doskonale czarne” to termin określający ciało idealnie pochłaniające, czyli takie, które absorbuje 100 procent docierającego do niego promieniowania. Kiedy takie ciało jest zimne, wydaje się czarne, bo nie odbija żadnego światła. Eksperymentatorzy lubią używać ciała doskonale czarnego jako wzorca przy pomiarach emitowanego promieniowania. W  promieniowaniu ciała doskonale czarnego – takiego jak kawałek węgla, żelazna podkowa czy spirala grzejna w  prodiżu – ciekawa jest barwa widma: ile światła emituje ono na poszczególnych długościach fal. W  miarę podgrzewania tych ciał, oczom naszym ukazuje się najpierw czerwona poświata, potem światło jasnoczerwone, żółte, białoniebieskie i  wreszcie (bardzo, bardzo gorąco!) białe. Dlaczego na końcu jest białe?
       Zmiany zabarwienia promieniowania mówią nam o  tym, że podczas podgrzewania maksimum intensywności emitowanego światła przesuwa się od podczerwieni przez czerwień, żółć do błękitu. Jednocześnie z  przesuwaniem się szczytu intensywności rozszerza się zakres emitowanych długości fal. Zanim maksimum dobrnie do błękitu, tyle innych kolorów jest wypromieniowywanych, że gorące ciało wydaje się białe. Mówimy: rozgrzane do białości. Dziś astrofizycy badają promieniowanie ciała doskonale czarnego, które pozostało po najbardziej gorącym etapie w  historii Wszechświata – po Wielkim Wybuchu.
       Ale wróćmy do tematu. W  ostatniej dekadzie XIX wieku otrzymywano coraz lepsze dane dotyczące promieniowania ciała doskonale czarnego. Co teoria Maxwella miała do powiedzenia w  sprawie tych danych? Katastrofa! Zupełnie się myliła. Przewidywała niewłaściwy kształt krzywej rozkładu natężenia światła dla różnych kolorów, czyli zależności natężenia od długości fali. W  szczególności przewidywała, że w  największych ilościach jest emitowane światło o  najmniejszej długości fali – należące do fioletowego końca widma, aż po niewidzialny ultrafiolet. A  tak wcale nie jest i  stąd właśnie „katastrofa w  ultrafiolecie” – nasz dowód rzeczowy numer jeden.
       Na początku sądzono, że to niepowodzenie równań Maxwella zostanie naprawione, kiedy zdobędzie się dokładniejszą wiedzę o  tym, jak promieniująca materia wytwarza energię elektromagnetyczną. Pierwszym fizykiem, który w  1905 roku rozpoznał znaczenie tej porażki, był Albert Einstein, ale pole dla mistrza przygotował inny teoretyk.
       Na scenę wkracza Max Planck, teoretyk z  Berlina, po czterdziestce, mający już za sobą długą karierę w  fizyce, ekspert od teorii ciepła. Był bardzo zdolny i  bardzo... „profesorski”. Pewnego razu, gdy zapomniał, gdzie miał wygłosić wykład, wstąpił do sekretariatu i  zapytał: „Proszę mi powiedzieć, w  której sali wykłada dziś profesor Planck?” Usłyszał surową odpowiedź: „Niech pan tam nie idzie, młody człowieku. Jest pan o  wiele za młody na to, by zrozumieć wykład naszego uczonego profesora Plancka”.
       W  każdym razie, Planck miał bezpośredni dostęp do najświeższych danych eksperymentalnych, z  których większość otrzymywali jego koledzy z  berlińskiego laboratorium. Postawił sobie za cel zrozumienie tych danych. Intuicyjnie odgadł równanie matematyczne, które dobrze do nich pasowało. Równanie to nie tylko poprawnie określało kształt krzywej rozkładu intensywności światła dla ustalonej temperatury, ale także dobrze opisywało zmiany krzywej (rozkładu natężenia w  funkcji długości fal) w  zależności od temperatury. Ze względu na dalszy rozwój wypadków pragnę już teraz podkreślić, że kształt takiej krzywej pozwala określić temperaturę ciała wysyłającego promieniowanie. Planck miał powody, by być z  siebie dumnym. „Dziś dokonałem odkrycia równie ważnego, jak odkrycie Newtona” – chwalił się swemu synowi.
       Następnym problemem, który Planck musiał rozwiązać, było podczepienie swego domysłu do jakiegoś prawa przyrody. Dane uporczywie wskazywały na to, że ciała doskonale czarne emitują bardzo mało promieniowania o  małej długości fali. Z  jakiego prawa przyrody mógł wynikać zakaz emisji fal krótkich, tak ukochanych przez klasyczną teorię Maxwella? Parę miesięcy po opublikowaniu swego szczęśliwego równania Planck wpadł na pomysł. Ciepło jest formą energii i  dlatego temperatura ciała ogranicza ilość energii, jaką dane ciało może wypromieniować. Im gorętsze, tym więcej jest dostępnej energi. W  klasycznej teorii energia rozkłada się równomiernie między różne długości fal. ALE (dostań gęsiej skórki, do diabła, za moment odkryjemy teorię kwantową) przypuśćmy, że krótsze fale „kosztują” więcej energii. W  takim wypadku, gdy próbujemy wysyłać krótkie fale, zaczyna nam brakować energii.
       Planck stwierdził, że aby uzasadnić swoje równanie (zwane teraz prawem promieniowania Plancka), musi przyjąć dwa założenia. Po pierwsze, ilość wypromieniowanej energii zależy od długości fali światła. Po drugie, ze zjawiskiem tym nieodłącznie związana jest dyskretność. Planck mógł uzasadnić swoje równanie i  zachować zgodność z  prawami rządzącymi wymianą ciepła dzięki założeniu, że energia emitowana jest w  postaci dyskretnych wiązek albo porcji energii, czy też – uwaga, oto i  one! – w  postaci kwantów. Energia każdej takiej porcji związana jest z  częstością za pośrednictwem prostego równania E = hn. Kwant energii E  równa się częstości fali światła n  pomnożonej przez stałą h. Ponieważ częstość jest odwrotnie proporcjonalna do długości fali, krótkie fale (czyli fale o  wysokich częstościach) wymagają większej energii. W  określonej temperaturze dostępna jest tylko określona ilość energii, a  zatem fale o  wysokiej częstości muszą być tłumione. Ta dyskretność była nieodzowna dla uzyskania poprawnej odpowiedzi. Częstość równa jest prędkości światła podzielonej przez długość fali.
       Wartość stałej wprowadzonej przez Plancka, h, wynikała z  danych doświadczalnych. Ale czym jest ta stała h? Planck nazwał ją „kwantem działania”, ale historia ochrzciła ją „stałą Plancka” i  już na zawsze będzie ona symbolem rewolucyjnej, nowej fizyki. Jeśli chcesz wiedzieć, drogi Czytelniku, stała Plancka ma wartość 4,11 × 10–15 elektronowoltów razy sekunda (eV·s), ale nie musisz jej zapamiętywać. Zauważ tylko, że ze względu na czynnik 10–15 (15 miejsc po przecinku) jest to bardzo mała liczba.
       Wprowadzenie pojęcia kwantu czy porcji energii świetlnej stanowiło punkt zwrotny, choć ani Planck, ani jego koledzy nie od razu docenili głębię tego odkrycia. Wyjątek stanowił Einstein, który rozpoznał prawdziwe znaczenie kwantów Plancka. Jednak reszta społeczności naukowej potrzebowała 25 lat, by w  pełni zaakceptować tę nową ideę. Stworzone przez Plancka równanie niepokoiło go; nie chciał przecież doprowadzić do obalenia fizyki klasycznej. W  końcu przyznał: „Musimy się pogodzić z  teorią kwantową i, wierzcie mi, ona się rozrośnie, nie będzie dotyczyć tylko optyki. Obejmie także inne dziedziny”. I  miał rację!
       Chciałbym jeszcze wspomnieć o  satelicie Cosmic Background Explorer (badającym promieniowanie tła kosmicznego), w  skrócie zwanym COBE. W  latach dziewięćdziesiątych COBE przekazał swym zachwyconym twórcom – astrofizykom – dane dotyczące rozkładu widmowego promieniowania tła kosmicznego, przenikającego całą przestrzeń. Dane te, o  niespotykanej dotąd precyzji, dokładnie pasują do równania Plancka opisującego promieniowanie ciała doskonale czarnego. Pamiętajmy, że kształt krzywej rozkładu intensywności światła w  zależności od jego długości pozwala na określenie temperatury ciała wysyłającego to promieniowanie. Wykorzystując dane dostarczone przez COBE i  równanie Plancka, badacze mogli obliczyć przeciętną temperaturę Wszechświata. Zimno tu: 2,73 stopnia powyżej zera absolutnego.
góra strony
poprzedni fragment następny fragment
Wiw.pl  |  Na bieżąco  |  Informacje  |  Co nowego  |  Matematyka i przyroda  |  Astronomia  |  Biologia  |  Fizyka  |  Matematyka  |  Modelowanie rzeczywistości  |  Humanistyka  |  Filozofia  |  Historia  |  Kultura antyczna  |  Literatura  |  Sztuka  |  Czytaj  |  Biblioteka  |  Delta  |  Wielcy i więksi  |  Przydatne  |  Słowniki  |  Co i gdzie studiować  |  Wszechświat w obrazkach