Krajem 19. - početkom 20. stoljeća bila su obilježena rađanjem novih znanstvenih koncepata koji su radikalno promijenili uobičajenu sliku svijeta. 1887. američki fizičari Edward Morley i Albert Michelson željeli su eksperimentalno potvrditi tradicionalne ideje da se svjetlost (tj. Elektromagnetska oscilacija) širi u posebnoj tvari - eteru, baš kao što zvučni valovi putuju kroz svemir kroz zrak.
Iako nisu ni pretpostavili da će njihovo iskustvo pokazati potpuno suprotan rezultat, znanstvenici su usmjerili zraku svjetlosti na prozirnu ploču koja se nalazi pod kutom od 45 ° prema izvoru svjetlosti. Zraka je bifurkirana, dijelom prolazeći kroz ploču, a dijelom se odražava od nje pod pravim kutom prema izvoru. Razmnožavajući se istom frekvencijom, obje zrake odbile su se od okomitih ogledala i vratile se na ploču. Jedan se odrazio od nje, drugi je prošao kroz, a kad se jedna zraka postavila na drugu, na ekranu su se pojavile rube smetnji. Ako bi se svjetlost kretala u nekoj tvari, takozvani eterični vjetar morao bi pomaknuti obrazac smetnji, ali ništa se nije promijenilo tijekom šest mjeseci promatranja. Tako su Michelson i Morley shvatili da eter ne postoji, a svjetlost se može širiti čak i u vakuumu - apsolutna praznina. Time je diskreditirana osnovna pozicija klasične Newtonove mehanike o postojanju apsolutnog prostora - temeljnog referentnog okvira, u odnosu na koji eter počiva.
Drugi "kamen" u smjeru klasične fizike bile su jednadžbe škotskog znanstvenika Jamesa Maxwella, koje su pokazale da se svjetlost kreće ograničenom brzinom, koja ne ovisi o sustavu "izvor-promatrač". Ova otkrića poslužila su kao poticaj za stvaranje dvije potpuno inovativne teorije: kvantne i teorije relativnosti.
1896. njemački fizičar Max Planck (1858-1947) počeo je proučavati toplinske zrake - posebno njihovu ovisnost o teksturi i boji emitirajućeg objekta. Planckovo zanimanje za ovu temu pojavilo se u vezi s misaonim eksperimentom njegovog sunarodnjaka Gustava Kirchhoffa, provedenim 1859. godine. Kirchhoff je stvorio model apsolutno crnog tijela, koji je idealan neproziran spremnik koji apsorbira sve zrake koje padaju na njega i ne ispušta ih van, “prisiljavajući »Nekoliko puta odbijaju zidove i gube energiju. Ali ako se ovo tijelo zagrijava, ono će početi emitirati zračenje, a što je viša temperatura zagrijavanja, to su kraće valne duljine zračenja, što znači da će zrake prelaziti iz nevidljivog spektra u vidljivi. Tijelo će prvo postati crveno, a zatim postati bijelo, jer će njegovo zračenje kombinirati cijeli spektar. Emitovano i apsorbirano zračenje doći će u ravnotežu, odnosno njihovi će parametri postati isti i neovisni o tvari iz koje je tijelo napravljeno - energija će se apsorbirati i oslobađati u jednakim količinama. Jedini faktor koji može utjecati na spektar zračenja je tjelesna temperatura.
Nakon učenja o Kirchhoffovim nalazima, mnogi su znanstvenici namjeravali mjeriti temperaturu crnog tijela i odgovarajuće valne duljine emitiranih zraka. Naravno, učinili su to koristeći metode klasične fizike - i … došli su u ćorsokak, dobivši potpuno besmislene rezultate. S porastom tjelesne temperature i, sukladno tome, smanjenjem valne duljine zračenja do ultraljubičastog spektra, intenzitet valnih oscilacija (gustoća energije) povećao se do beskonačnosti. U međuvremenu, eksperimenti su pokazali suprotno. Doista, žarulja sa žarnom niti svijetli sjajnije od rendgenske cijevi? I je li moguće zagrijati crnu kocku tako da ona postane radioaktivna?
Za uklanjanje ovog paradoksa, nazvanog ultraljubičastom katastrofom, Planck je 1900. godine pronašao originalno objašnjenje kako se ponaša energija zračenja crnog tijela. Znanstvenik je predložio da atomi, vibrirajući, oslobađaju energiju u strogo doziranim dijelovima - kvanti, a što je kraći val i što je veća frekvencija vibracija, to je kvant veći i obrnuto. Da bi opisao kvant, Planck je dobio formulu prema kojoj se količina energije može odrediti proizvodom frekvencije vala i kvantom djelovanja (konstantnim jednakim 6,62 × 10-34 J / s).
U prosincu je znanstvenik svoju teoriju predstavio članovima Njemačkog fizičkog društva, a ovaj je događaj označio početak kvantne fizike i mehanike. Međutim, zbog nedostatka potvrde stvarnim eksperimentima, Planckovo otkriće izazvalo je zanimanje daleko od trenutka. I sam je znanstvenik isprva predstavio kvante ne kao materijalne čestice, već kao matematičku apstrakciju. Tek pet godina kasnije, kada je Einstein našao opravdanje za fotoelektrični efekt (izbacivanje elektrona iz tvari pod utjecajem svjetlosti), objašnjavajući taj fenomen "doziranjem" zračene energije, Planckova formula pronašla je svoju primjenu. Tada je svima postalo jasno da to nisu prazne špekulacije, već opis stvarnog fenomena na mikrorazini.
Usput, i sam autor teorije relativnosti vrlo je cijenio rad svog kolege. Prema Einsteinu, Planckova zasluga leži u dokazivanju da se materija ne sastoji samo od čestica, već i od energije. Štoviše, Planck je pronašao kvant djelovanja - konstantu koja povezuje frekvenciju zračenja s veličinom njegove energije, a ovo je otkriće fiziku okrenulo naglavačke, započevši svoj razvoj u drugom smjeru. Einstein je predvidio da će zahvaljujući Planckovoj teoriji biti moguće stvoriti model atoma i razumjeti kako se energija ponaša kada propadaju atomi i molekule. Prema velikom fizičaru, Planck je uništio temelje newtonske mehanike i pokazao novi način u razumijevanju svjetskog poretka.
Promotivni video:
Sada se Planckova konstanta koristi u svim jednadžbama i formulama kvantne mehanike, razdvajajući makrokozmos, živeći po Newtonovim zakonima, i mikrokozmos, gdje djeluju kvantni zakoni. Primjerice, ovaj koeficijent određuje razmjere na kojima djeluje Heisenbergov princip neizvjesnosti - to jest nemogućnost predviđanja svojstava i ponašanja elementarnih čestica. Doista, u kvantnom svijetu svi predmeti imaju dvostruku prirodu, koji nastaju na dva mjesta istovremeno, manifestiraju se kao čestica u jednoj točki i kao val u drugoj, itd.
Otkrivši kvantitet, Max Planck osnovao je kvantnu fiziku, sposobnu objasniti pojave na atomskoj i molekularnoj razini, što je izvan snage klasične fizike. Njegova teorija postala je osnova za daljnji razvoj ovog znanstvenog područja.