Черное тело
Мы можем начать с рассмотрения некоторых результатов, полученных немецким физиком Густавом Робертом Кирхгофом.
Кирхгоф родился 12 марта 1824 г. в Кенигсберге, там же он проходил обучение в университете под руководством физика Франца Неймана (1798—1895). В 1847 г. после получения докторской степени он перебрался в Берлин, где годом позже стал приват-доцентом (звание, которое давало ему право преподавать в университете, но без жалования; студенты прямо платили небольшие суммы преподавателю за лекции). В 1850 г. он был назначен профессором в Бреслау, где он встретился с химиком Робертом Вильгельмом Бунзеном (1811 — 1899), который некоторое время спустя выдвинул его на должность профессора физики в Гейдельберге. В 1875 г. он стал заведующим кафедрой физики Университета в Берлине, где и скончался в 17 октября 1887 г. Он был номинирован в члены Итальянской Академии Линчей в 1883 г.
Кирхгоф работал почти во всех областях экспериментальной и теоретической физики, получая результаты фундаментальной важности. Кроме тех, которые мы будем здесь обсуждать, он описал законы, которые позволяют получать распределение токов в электрических цепях; дал замечательную формулировку двух принципов термодинамики, решил строгим и полным способом уравнения электромагнетизма Максвелла и постарался дать математическую формулировку принципа Гюйгенса.
В 1859 г. Кирхгоф обратился к собранию Берлинской Академии со словами:
«Несколько недель тому назад я имел честь представить Академии сообщение о некоторых наблюдениях, которые, как кажется мне, являются весьма интересными, т. к. позволяют нам сделать заключения о химическом составе солнечной атмосферы. Отталкиваясь от этих наблюдений, я теперь вывел на основе довольно простых теоретических соображений общую теорему, которую ввиду ее большой важности я осмеливаюсь представить Академии. Она касается свойств всех тел и относится к испусканию и поглощению тепла и света».
Кирхгоф не скромничал, представляя свои результаты! Он продолжил свою лекцию, показав, что тела, которые испускают излучение на некоторой длине волны, способны поглощать это же излучение, и для лучей одной и той же длины волны при одной и той же температуре отношение способности испускать излучение (технический термин «сила испускания») к способности поглощать его (поглощаемость) является одним и тем же для всех тел и не зависит от их природы и формы,
Кроме этого общего результата, который казался ему очень важным, он подчеркнул важность проведения точных экспериментальных измерений с целью проверки его предположения и выразил надежду, что при этом не возникнут особые трудности, так как «все функции, не зависящие от природы тел, с которыми до сих пор имели дело, просты по структуре».
Он предложил для этих экспериментов использовать тело, названное им «черным телом», которое способно поглощать все излучение, падающее на него. Для этого тела поглощательная способность равна единице, а сила испускания становится идентичной универсальной функции, которую он ввел.
Хотя идеальное черное тело является абстракцией, Кирхгоф дал указания для практической реализации его, если изготовить полость с отверстием, диаметр которого много меньше размеров полости. Это отверстие по существу и является черным телом. Действительно, любое излучение, попадающее в отверстие, будет полностью поглощено стенками полости. Через некоторое время внутреннее излучение достигает равновесия со стенками полости, имеющей температуру T, и в этот момент излучение (которое мало по сравнению с тем, что содержится внутри) станет выходить из отверстия, представляя собой характеристическое излучение в полости.
Немного позднее, в 1865 г., Дж. Тиндаль (1820—1893) опубликовал результаты некоторых измерений способности тела, нагретого до двух разных температур, испускать излучение. Он нагревал зачерненную платиновую проволоку, которая не была в точности черным телом. Однако, несмотря на это несовершенство, эти измерения были использованы в 1879 г. австрийским физиком Йозефом Стефаном (1835—1893) для установления эмпирического закона, согласно которому энергия, испускаемая с единицы площади поверхности нагретого тела, пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры.
Законы черного тела
Закон Стефана привлек внимание его ученика Людвига Больцмана (1844—1906), который в 1884 г. вывел его, основываясь на принципах термодинамики и электромагнетизма. Он использовал соотношение между давлением излучения и вторым началом термодинамики, которое было открыто несколькими годами ранее итальянским физиком Адольфо Бартоли (1851-1896).
Людвиг Эдвард Больцман родился в Вене в ночь между Исповедальным вторником и Бренной средой. Этим фактом, что он родился как раз в момент смерти в веселом танце Исповедального вторника он, шутя, объяснял внезапные перемены своего настроения от большой радости к глубокой депрессии. Низкого роста с курчавыми волосами, он был типичным человеком, испытывающим маниакально-депрессивный психоз. Его подруга называла его «милый дорогой толстячок». После защиты докторской диссертации в Вене в 1866 г. выполненной под руководством Стефана, в которой была построена кинетическая теория газов, Больцман стал ассистентом Стефана, и по его рекомендации был назначен заведующим кафедрой математической физики в университете Граца в возрасте всего лишь 25 лет.
Во время работы над диссертацией, Стефан дал ему статьи Максвелла по электромагнетизму и английскую грамматику, рекомендуя выучить английский, чтобы прочесть работы Максвелла в оригинале. В результате Больцман написал работу по одной из проблем электромагнетизма. Во время своего пребывания в Граце он написал четыре фундаментальных работы по статистической теории газов, введя все концепции, которые мы будем использовать в этой книге. Но наиболее важным результатом этого периода было введение уравнения, которое относится к явлениям переноса в газах (например, перенос тепла или массы, т.е. теплопроводность и диффуция и др.), используя статистическую теорию.
Независимо друг от друга, Больцман и американский физик Виллард Гиббс (1839—1903) разработали статистическую механику, науку, которая устанавливает связь между микроскопическим миром атомов и молекул и макроскопическим миром. В то время химики и физики уделяли огромное внимание проблеме «реальности» атомов и молекул. Для Больцмана они были столь же реальны, как материальные объекты, которые можно видеть и ощущать, но многие люди рассматривали их лишь как полезную концепцию, которая позволяет сделать вычисления. Среди видных оппонентов был Вильгельм Оствальд (1853—1932), автор системы, названной «энергетикой» и основанной на термодинамике. Он утверждал, что все проблемы можно решить, путем сведения физики лишь к изучению трансформации энергии. В 1895 г. Больцман, который был бескомпромиссным противником этих воззрений, организовал для Оствальда и его последователя математика Г. Хелма (1851-1923) приглашение на собрание Немецкого Научного сообщества. В своей лекции Хелм утверждал, что механические модели, а лучше и всю механику, следует исключить: законы движений, а также поведение точечных масс следует вывести на основе простых энергетических соображений. Больцман и другие атаковали его столь сильно, что Хелм просил извинений у публики. Даже Оствальда бойкотировали на этом собрании. В конце концов антиатомизм был отвергнут, и даже Оствальд изменил свои взгляды.
В 1873 г. Больцман получил кафедру математики в Вене, но в 1876 г. он вернулся в Грац, где оставался до 1890 г. В эти годы он сконцентрировался на законе излучения. В то время он был очень несчастен в личной жизни: в 1885 г. умерла его мать, а в 1890 г. первый из его пяти сыновей. Как декан университета, он сталкивался с политическими проблемами, которые возникли из-за студенческих протестов против Габсбургов. В 1890 г. он занял кафедру его любимой дисциплины теоретической физики в Мюнхене.