Сергей Капица. Физика и физики 20 века

Макс Планк - ТЕОРИЯ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Итог работ Планка в области теории изучения черного тела, приведших к открытию кванта действия, изложен в его монографии «Теория теплового излучения». Мы приводим предисловие к первому (1906) и второму изданию (1912) этой книги.

ТЕОРИЯ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Предисловие к первому изданию

Предлагаемая книга содержит основной материал лекций, которые я читал в зимнем семестре 1905–1906 года в Берлинском университете. Первоначально я предполагал объединить здесь лшпь результаты моих собственных исследований по теории теплового излучения, начатых 10 лет назад. Однако оказалось желательным изложить также основы этой теории, начиная с закона Кирхгофа об испускательной и поглощательной способности тел; таким образом я попытался написать учебник, который мог бы одновременно служить и введением во всю теорию лучистой теплоты на термодинамической основе.

Соответственно этому, изложение начинается с известных опытных законов оптики; постепенно обобщая их и пользуясь результатами электродинамики и термодинамики, я в результате перехожу к задаче о спектральном распределении энергии и к вопросу о необратимости. Часто при этом, руководясь существом вопроса или соображениями педагогического характера, я уклонялся от обычного способа изложения, в частности, при выводе закона Кирхгофа, при вычислении максвелловского светового давления, при выводе закона смещения Вина и обобщении его на излучение с произвольным спектральным распределением энергии. Результаты моих собственных исследований я везде в соответствующих местах включал в общее изложение.

Мне хочется здесь особо подчеркнуть, что развитая в книге теория не претендует ни в какой мере на вполне законченный характер, хотя, как мне кажется, она открывает целесообразный путь для изучения процессов излучения энергии с той же точки зрения, с какой рассматриваются молекулярные движения.

Мюнхен, 1906 г.

Предисловие ко второму изданию

Новейшее развитие физических исследований в общем и целом подтверждает специальную теорию, изложенную в этой книге, и в особенности гипотезу элементарных квантов действия. Прежде всего моя формула излучения до сих пар удовлетворительно оправдывалась даже при очень точных систематических измерениях, которые были предприняты в этом году в Физико‑техническом институте в Шарлоттенбурге. Основная мысль квантовой гипотезы, пожалуй, еще более непосредственно подтверждается значениями элементарных квантов материи и электричества, которые получаются на основании этой гипотезы. Двенадцать лет назад, когда я впервые вычислил величину элементарного кванта электричества и получил 4,69 • 10^–10 эл.‑ст. единиц, наиболее достоверным считалось значе‑нио 6,5 • 10~¹⁰, полученное Дж. Дж. Томсоном из его остроумных опытов с конденсацией водяного пара на газовых ионах, превышающее мое значение на 38%. С тех пор измерения значения этой величины, произведенные с помощью поразительно точных методов Резерфордом, Регене‑ром, Перреном, Милликеном, Сведбергом и другими, все без исключения решали в пользу числа, которое получено из формулы излучения и лежит между значениями Перрена и Милликепа.

Кроме двух упомянутых совершенно независимых друг от друга подтверждений, дальнейшей поддержкой квантовой гипотезы явилась тепловая теорема, установленная Нернстом. Эта теорема со всей ясностью указывает на то, что не только процессы излучения, но и молекулярные процессы имеют характер скачков, определяемых конечными элементарными квантами. Ведь и квантовая гипотеза и тепловая теорема Нернста могут быть сведены к тому простому положению, что «термодинамическая вероятность» некоторого физического состояния есть определенное целое число, или, что то же самое, что энтропия состояния имеет вполне определенное и притом положительное значение, минимум которого равен нулю, в то время как согласно классической термодинамике энтропия может безгранично уменьшаться вплоть до бесконечного отрицательного значения. Это положение в настоящее время я считал бы самой сущностью квантовой гипотезы.

Несмотря на удовлетворительное согласие всех указанных результатов между собой и с опытными данными, идеи, из которых они возникли, хотя и возбуждают очень большой интерес, но, насколько я могу судить, еще отнюдь не нашли себе всеобщего признания. Это связано с тем, что квантовая гипотеза до сих пор еще не достигла удовлетворительного завершения. В то время, как многие физики из консерватизма отвергают развитые мною соображения или занимают выжидательную позицию, другие авторы, напротив, считают необходимым дополнить мои соображения еще более радикальными предположениями. Таково, например, предположение, что распространение всякой лучистой энергии, даже в пустом пространстве, должно происходить неделимыми элементами или квантами. Так как для успешного развития новой гипотезы нет ничего вреднее, чем выход за предел ее применимости, то я всегда стоял за то, чтобы возможно теснее связать квантовую гипотезу с классической динамикой, нарушая границы последней только тогда, когда опытные факты не дают никакого другого выхода. Этой точки зрения я и старался все время придерживаться при переработке данной книги для нового издания.

Основной недостаток первоначального изложения заключался в том, что оно начиналось с классических законов испускания и поглощения, а эатем оказывалось необходимым, для согласования с результатами измерений, допущение конечных порций энергии, что находится в прямом противоречии с основами классической электродинамики. Правда, эта непоследовательность существенно сглаживается благодаря тому, что из классической электродинамики фактически заимствуют только средние значения энергии, тогда как в статистических подсчетах играют роль действительные значения; тем не мепее такое изложение оставляло в целом у читателя некоторую неудовлетворенность,– неясно было, какое из предположений, допущенных вначале, могло быть окончательно оставлено, какое нет.

В протпвоположность этому я постарался с самого начала так построить изложение, чтобы ни одно из вводимых положений не приходилось в дальнейшем ограничивать, а тем более изменять. Этим достигается, по крайней мере, то, что изложенная здесь теория не содержит никаких внутренних противоречий; этим я отнюдь не хочу утверждать, что она не может быть улучшена во многих отношениях как по своей внутренней структуре, так и по части изложения. Я также не ставил себе задачей рассмотреть здесь многочисленные применения квантовой гипотезы в других областях физики, ставшие уже во многих случаях весьма важными; тем более в мою задачу не входил разбор всех воззрений, расходящихся с квантовой гипотезой.

Если таким образом и новое издание этой книги не может претендовать на то, чтобы дать окончательное и удовлетворительное во всех отношениях изложение теории теплового излучения, то для суждения о книге этот недостаток но будет все же решающим. Ведь тот, кто захочт поставить свое отношение к квантовой гипотезе в зависимость от того, удалось ли вполне разъяснить смысл кванта действия для элементарных физических процессов или по крайней мере иллюстрировать его посредством какой‑нибудь простой динамической модели,– тот, по‑моему, не понимает характера и смысла квантовой гипотезы. Существенно новый принцип не может быть воспроизведен моделями, действующими по законам старой теории. Что же касается окончательной формулировки этой гипотезы, то не следует забывать, что и при классическом изложении физика атома в действительности все время является весьма темной и недоступной областью, куда обещает внести некоторую ясность только* введение элементарного кванта действия.

Поэтому из самого существа дела вытекает, что понадобится еще трудная экспериментальная и теоретическая работа, на протяжении годов, и десятилетий, чтобы постепенно продвинуться вперед в этой новой области. Всякий, отдающий в настоящее время свои силы квантовой гипотезе, должен удовлетвориться сознанием того, что, вероятно, только будущее поколение пожнет плоды затраченных трудов.

Берлин, ноябрь 1912 г.