Ende des 19. - Anfang des 20. Jahrhunderts wurden durch die Geburt neuer wissenschaftlicher Konzepte gekennzeichnet, die das übliche Bild der Welt radikal veränderten. 1887 wollten die amerikanischen Physiker Edward Morley und Albert Michelson experimentell die traditionelle Idee bestätigen, dass sich Licht (dh elektromagnetische Schwingungen) in einer speziellen Substanz - dem Äther - ausbreitet, genau wie Schallwellen durch den Raum durch die Luft wandern.
Ohne auch nur anzunehmen, dass ihre Erfahrung das völlig entgegengesetzte Ergebnis zeigen würde, richteten die Wissenschaftler einen Lichtstrahl auf eine durchscheinende Platte, die sich in einem Winkel von 45 ° zur Lichtquelle befand. Der Strahl gabelte sich, ging teilweise durch die Platte und wurde teilweise rechtwinklig zur Quelle von dieser reflektiert. Beide Strahlen, die sich mit der gleichen Frequenz ausbreiteten, wurden von den senkrechten Spiegeln reflektiert und zur Platte zurückgeführt. Einer reflektierte davon, der andere ging durch, und als ein Strahl einem anderen überlagert wurde, erschienen Interferenzstreifen auf dem Bildschirm. Wenn sich das Licht in einer Substanz bewegen würde, müsste der sogenannte ätherische Wind das Interferenzmuster verschieben, aber über sechs Monate Beobachtungen hat sich nichts geändert. So erkannten Michelson und Morley, dass es keinen Äther gibt und sich Licht sogar im Vakuum ausbreiten kann - absolute Leere. Dies diskreditierte die Grundposition der klassischen Newtonschen Mechanik bezüglich der Existenz des absoluten Raums - des grundlegenden Bezugsrahmens, relativ zu dem der Äther ruht.
Ein weiterer "Stein" in Richtung der klassischen Physik waren die Gleichungen des schottischen Wissenschaftlers James Maxwell, die zeigten, dass sich Licht mit einer begrenzten Geschwindigkeit bewegt, die nicht vom "Quellenbeobachter" -System abhängt. Diese Entdeckungen dienten als Anstoß für die Bildung zweier völlig innovativer Theorien: des Quantums und der Relativitätstheorie.
1896 begann der deutsche Physiker Max Planck (1858-1947), Wärmestrahlen zu untersuchen - insbesondere ihre Abhängigkeit von der Textur und Farbe des emittierenden Objekts. Plancks Interesse an diesem Thema entstand im Zusammenhang mit dem Gedankenexperiment seines Landsmanns Gustav Kirchhoff aus dem Jahr 1859. Kirchhoff schuf ein Modell eines absolut schwarzen Körpers, der ein idealer undurchsichtiger Behälter ist, der alle darauf fallenden Strahlen absorbiert und sie nicht herauslässt »Immer wieder von den Wänden abprallen und Energie verlieren. Wenn dieser Körper jedoch erwärmt wird, beginnt er Strahlung zu emittieren. Je höher die Erwärmungstemperatur ist, desto kürzer sind die Wellenlängen der Strahlen, was bedeutet, dass die Strahlen vom unsichtbaren zum sichtbaren Spektrum gelangen. Der Körper wird zuerst rot und dann weiß, weil seine Strahlung das gesamte Spektrum kombiniert. Die emittierte und absorbierte Strahlung wird ins Gleichgewicht gebracht, dh ihre Parameter werden gleich und unabhängig von der Substanz, aus der der Körper besteht - Energie wird in gleichen Mengen absorbiert und freigesetzt. Der einzige Faktor, der das Strahlungsspektrum beeinflussen kann, ist die Körpertemperatur.
Nachdem viele Wissenschaftler von Kirchhoffs Erkenntnissen erfahren hatten, machten sie sich daran, die Temperatur eines schwarzen Körpers und die entsprechenden Wellenlängen der emittierten Strahlen zu messen. Natürlich haben sie es mit den Methoden der klassischen Physik gemacht - und … sie sind in eine Sackgasse geraten und haben völlig bedeutungslose Ergebnisse erzielt. Mit einer Zunahme der Körpertemperatur und dementsprechend einer Abnahme der Wellenlänge der Strahlung auf das ultraviolette Spektrum nahm die Intensität der Wellenschwingungen (Energiedichte) bis ins Unendliche zu. Inzwischen zeigten Experimente das Gegenteil. Leuchtet eine Glühlampe tatsächlich heller als eine Röntgenröhre? Und ist es möglich, einen schwarzen Würfel so zu erhitzen, dass er radioaktiv wird?
Um dieses Paradoxon zu beseitigen, das als ultraviolette Katastrophe bezeichnet wird, fand Planck 1900 eine originelle Erklärung für das Verhalten der Strahlungsenergie eines schwarzen Körpers. Der Wissenschaftler schlug vor, dass die schwingenden Atome Energie in streng dosierten Teilen - Quanten - freisetzen. Je kürzer die Welle und je höher die Schwingungsfrequenz, desto größer das Quantum und umgekehrt. Zur Beschreibung des Quantums hat Planck eine Formel abgeleitet, nach der die Energiemenge durch das Produkt aus der Frequenz der Welle und dem Wirkungsquantum (Konstante gleich 6,62 × 10-34 J / s) bestimmt werden kann.
Im Dezember stellte der Wissenschaftler seine Theorie Mitgliedern der Deutschen Physikalischen Gesellschaft vor, und diese Veranstaltung markierte den Beginn der Quantenphysik und -mechanik. Aufgrund der fehlenden Bestätigung durch echte Experimente erregte Plancks Entdeckung jedoch bei weitem nicht sofort Interesse. Und der Wissenschaftler selbst präsentierte Quanten zunächst nicht als materielle Teilchen, sondern als mathematische Abstraktion. Nur fünf Jahre später, als Einstein eine Rechtfertigung für den photoelektrischen Effekt (Ausschalten von Elektronen aus einer Substanz unter Lichteinwirkung) fand und dieses Phänomen durch die "Dosierung" der emittierten Energie erklärte, fand die Plancksche Formel ihre Anwendung. Dann wurde allen klar, dass dies keine leeren Spekulationen waren, sondern eine Beschreibung eines realen Phänomens auf Mikroebene.
Übrigens hat der Autor der Relativitätstheorie selbst die Arbeit seines Kollegen sehr geschätzt. Plancks Verdienst liegt laut Einstein darin, zu beweisen, dass Materie nicht nur aus Teilchen besteht, sondern auch aus Energie. Darüber hinaus fand Planck ein Aktionsquantum - eine Konstante, die die Frequenz der Strahlung mit der Größe ihrer Energie verbindet, und diese Entdeckung stellte die Physik auf den Kopf und begann ihre Entwicklung in eine andere Richtung. Einstein sagte voraus, dass es dank Plancks Theorie möglich sein würde, ein Modell des Atoms zu erstellen und zu verstehen, wie sich Energie verhält, wenn Atome und Moleküle zerfallen. Laut dem großen Physiker zerstörte Planck die Grundlagen der Newtonschen Mechanik und zeigte einen neuen Weg zum Verständnis der Weltordnung.
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Jetzt wird die Plancksche Konstante in allen Gleichungen und Formeln der Quantenmechanik verwendet, die den Makrokosmos, der nach Newtons Gesetzen lebt, und den Mikrokosmos, in dem Quantengesetze funktionieren, trennen. Dieser Koeffizient bestimmt beispielsweise die Skala, auf der das Heisenberg-Unsicherheitsprinzip funktioniert - dh die Unfähigkeit, die Eigenschaften und das Verhalten von Elementarteilchen vorherzusagen. In der Quantenwelt haben alle Objekte eine duale Natur, die an zwei Orten gleichzeitig entstehen und sich an einem Punkt als Teilchen und an einem anderen als Welle usw. manifestieren.
Nachdem Max Planck Quanten entdeckt hatte, gründete er die Quantenphysik, die Phänomene auf atomarer und molekularer Ebene erklären kann, was jenseits der Möglichkeiten der klassischen Physik liegt. Seine Theorie wurde zur Grundlage für die Weiterentwicklung dieses wissenschaftlichen Feldes.