Астрофизика, кванты и теория относительности - Каррелли А.
Скачать (прямая ссылка):
1. Введение
11
процесс полностью обратим и был многократно реализован экспериментально.
Чтобы полностью оценить значение этого вывода относительно возможности превращения массы в энергию, следует вспомнить, что развитие техники сталкивается с проблемой контролируемого превращения водорода в гелий путем использования уменьшения массы, которое происходит, когда четыре атома водорода в результате соответствующего цикла превращений объединяются, образуя один атом гелия. Когда этот цикл будет практически реализован, человечество будет иметь в своем распоряжении источник энергии, получаемой из водорода, и не будет более беспокоиться по поводу расходования обычных источников энергии, таких, как уголь, природный газ и нефть, которые, к сожалению, близки к исчерпанию.
Интересно вспомнить эпизод из эйнштейновских исследований, который демонстрирует его способность так интерпретировать экспериментальные данные, что это ведет к выяснению фундаментального результата эксперимента. Как известно, в начале нашего столетия на основе результатов экспериментов, проведенных опытными исследователями, Планк высказал гипотезу, которая полностью противоречила фундаментальным представлениям, господствовавшим в физике того периода. Интерпретируя упомянутые эксперименты, а именно способ, которым тепловая энергия черного тела, нагретого до высокой температуры, излучается или поглощается веществом, которое рассматривается как совокупность гармонических электромагнитных осцилляторов с различными частотами, Планк, чтобы достичь согласия с результатами опыта, высказал абсолютно революционную гипотезу. Он предположил, что обмен энергией между излучением и веществом (точнее, между излучением, испускаемым черным телом, и осцилляторами поглощающего тела) не происходит, как обычно думали, непрерывно, а протекает дискретным образом — посредством обмена отдельными порциями энергии. Планковская теория была выведена эмпирически из опытных данных и предполагала, что излучение и поглощение происходят конечными порциями, т. е. определенными квантами энергии ?. Полное соответствие этого представления с данными экспериментов было достигнуто в предположении, что величина E пропорциональна частоте осциллятора v согласно фундаментальному соотношению E = “ Av. Исходя из этого предположения, Планк ввел в физику новую фундаментальную константу /г, которую можно было получить эмпирически из опытных данных по тепловому излучению.
Хорошо известно, что освещаемые ультрафиолетовыми лучами металлы испускают электроны и что увеличение интенсивности
12
А. Каррелли
освещающего металл света увеличивает число испущенных фотоэлектронов, но не влияет на их кинетическую энергию. В то же время очень точные измерения показали, что энергия испускаемых электронов пропорциональна частоте света. Этот результат был объяснен на основе теории Планка Эйнштейном, который подтвердил вопреки всему известному ранее, что свет обладает корпускулярной структурой и действительно состоит из конечных квантов энергии E = hv.
Фундаментальным следствием этого представления, которое подтверждает важность идей Эйнштейна, является то, что в фотоэлектрической эмиссии коэффициент пропорциональности между энергией E и частотой v света, вызывающего фотоэмиссию, в точности равен величине Л, введенной Планком. Эксперимент подтвердил это: в физику была введена новая сущность — фотон. Тем самым Эйнштейн не только поддержал революционную теорию Планка, но также еще более углубил представления о свете, которые полностью противоречили традиционным, согласно которым свет рассматривался лишь как волновой процесс. Это приводит к следующей проблеме: как интерпретировать теперь электромагнитное поле, которое, несомненно, демонстрирует волновую природу излучения?
Введение факторов дискретности в концепцию излучения делает вывод Планка дискуссионным, поскольку в своем исследовании он исходит из традиционных представлений и лишь в конце приходит к дискретной квантовой точке зрения. Чтобы устранить этот недостаток, Эйнштейн предложил новый вывод закона излучения черного тела, существенно основанный на квантовых соображениях. Таким образом, ему удалось вывести закон Планка без использования каких-либо традиционных представлений. Идеи, предложенные Эйнштейном при выводе им формулы Планка, оказались весьма плодотворными и впоследствии нашли широкое применение во многих других областях науки 1).
Даже при кратком рассмотрении различных сторон деятельности Эйнштейна нельзя не упомянуть о его вкладе в статистическую теорию частиц, которая приобрела фундаментальное значение в связи с подтверждением дискретной теории материи. Основным результатом квантовой теории, который постепенно подтверждался, была идея тождественной природы частиц. После обнаружения ряда частиц с различными свойствами возникло представление, что их можно рассматривать как нечто подобное маленьким шарикам. При таком прёдполо-
*) Подробнее о вкладе Эйнштейна в развитие квантовых представлений см. в работе [2], где более детально обсуждаются затронутые здесь вопросы. — Прим. ред.
