Fine XIX - inizio XX secolo furono segnate dalla nascita di nuovi concetti scientifici che cambiarono radicalmente il quadro abituale del mondo. Nel 1887, i fisici americani Edward Morley e Albert Michelson volevano confermare sperimentalmente l'idea tradizionale che la luce (cioè le oscillazioni elettromagnetiche) si propaga in una sostanza speciale - l'etere, proprio come le onde sonore viaggiano nello spazio attraverso l'aria.
Senza nemmeno presumere che la loro esperienza avrebbe mostrato il risultato completamente opposto, gli scienziati hanno diretto un raggio di luce su una piastra traslucida situata a un angolo di 45 ° rispetto alla sorgente luminosa. Il raggio si biforcava, passando parzialmente attraverso la lastra e riflettendosi parzialmente ad angolo retto rispetto alla sorgente. Propagando con la stessa frequenza, entrambi i raggi sono stati riflessi dagli specchi perpendicolari e restituiti alla piastra. Uno si rifletteva, l'altro passava e quando un raggio si sovrapponeva a un altro, sullo schermo apparivano delle frange di interferenza. Se la luce si muovesse in qualche sostanza, il cosiddetto vento etereo dovrebbe spostare lo schema di interferenza, ma nulla è cambiato in sei mesi di osservazioni. Così Michelson e Morley si resero conto che l'etere non esiste e la luce può diffondersi anche nel vuoto: il vuoto assoluto. Ciò ha screditato la posizione di base della meccanica newtoniana classica sull'esistenza dello spazio assoluto - il quadro di riferimento fondamentale, rispetto al quale l'etere è a riposo.
Un'altra "pietra" nella direzione della fisica classica sono state le equazioni dello scienziato scozzese James Maxwell, che hanno dimostrato che la luce si muove con una velocità limitata, che non dipende dal sistema "sorgente-osservatore". Queste scoperte sono servite da impulso per la formazione di due teorie completamente innovative: il quanto e la teoria della relatività.
Nel 1896 il fisico tedesco Max Planck (1858-1947) iniziò a studiare i raggi di calore, in particolare la loro dipendenza dalla consistenza e dal colore dell'oggetto emittente. L'interesse di Planck per questo argomento è sorto in connessione con l'esperimento mentale del suo connazionale Gustav Kirchhoff, condotto nel 1859. Kirchhoff ha creato un modello di un corpo assolutamente nero, che è un contenitore opaco ideale che assorbe tutti i raggi che cadono su di esso e non li lascia fuori costringendo »Rimbalzare ripetutamente sui muri e perdere energia. Ma se questo corpo viene riscaldato, inizierà a emettere radiazioni e più alta è la temperatura di riscaldamento, più brevi saranno le lunghezze d'onda dei raggi, il che significa che i raggi passeranno dallo spettro invisibile al visibile. Il corpo diventerà prima rosso e poi bianco, perché la sua radiazione combinerà l'intero spettro. La radiazione emessa e assorbita entrerà in equilibrio, cioè i loro parametri diventeranno gli stessi e indipendenti dalla sostanza di cui è composto il corpo: l'energia verrà assorbita e rilasciata in quantità uguali. L'unico fattore che può influenzare lo spettro delle radiazioni è la temperatura corporea.
Dopo aver appreso delle scoperte di Kirchhoff, molti scienziati hanno deciso di misurare la temperatura di un corpo nero e le corrispondenti lunghezze d'onda dei raggi emessi. Ovviamente lo hanno fatto usando i metodi della fisica classica e … sono arrivati a un vicolo cieco, ottenendo risultati completamente privi di significato. Con un aumento della temperatura corporea e, di conseguenza, una diminuzione della lunghezza d'onda della radiazione allo spettro ultravioletto, l'intensità delle oscillazioni delle onde (densità di energia) è aumentata all'infinito. Nel frattempo, gli esperimenti hanno mostrato il contrario. In effetti, una lampada a incandescenza brilla più luminosa di un tubo a raggi X? Ed è possibile riscaldare un cubo nero in modo che diventi radioattivo?
Per eliminare questo paradosso, chiamato catastrofe ultravioletta, Planck nel 1900 trovò una spiegazione originale di come si comporta l'energia di radiazione di un corpo nero. Lo scienziato ha suggerito che gli atomi, vibrando, rilasciano energia in porzioni strettamente dosate - quanti, e più corta è l'onda e più alta è la frequenza di vibrazione, più grande è il quanto e viceversa. Per descrivere il quanto, Planck ha derivato una formula secondo la quale la quantità di energia può essere determinata dal prodotto della frequenza dell'onda e del quanto d'azione (costante pari a 6,62 × 10-34 J / s).
A dicembre, lo scienziato ha presentato la sua teoria ai membri della German Physical Society e questo evento ha segnato l'inizio della fisica e della meccanica quantistica. Tuttavia, a causa della mancanza di conferme da veri esperimenti, la scoperta di Planck ha suscitato interesse tutt'altro che immediato. E lo scienziato stesso all'inizio presentò i quanti non come particelle materiali, ma come un'astrazione matematica. Solo cinque anni dopo, quando Einstein trovò una giustificazione per l'effetto fotoelettrico (eliminare gli elettroni da una sostanza sotto l'azione della luce), spiegando questo fenomeno con il "dosaggio" dell'energia emessa, la formula di Planck trovò la sua applicazione. Allora è diventato chiaro a tutti che queste non erano speculazioni vuote, ma una descrizione di un fenomeno reale a livello micro.
A proposito, lo stesso autore della teoria della relatività ha apprezzato molto il lavoro del suo collega. Secondo Einstein, il merito di Planck sta nel dimostrare che non solo la materia è composta da particelle, ma anche energia. Inoltre, Planck ha trovato un quanto d'azione, una costante che collega la frequenza della radiazione con l'ampiezza della sua energia, e questa scoperta ha capovolto la fisica, iniziando il suo sviluppo in una direzione diversa. Einstein predisse che sarebbe stato grazie alla teoria di Planck che sarebbe stato possibile creare un modello dell'atomo e capire come si comporta l'energia quando gli atomi e le molecole decadono. Secondo il grande fisico, Planck ha distrutto le fondamenta della meccanica newtoniana e ha mostrato un nuovo modo di comprendere l'ordine mondiale.
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Ora la costante di Planck viene utilizzata in tutte le equazioni e formule della meccanica quantistica, dividendo il macrocosmo, che vive secondo le leggi di Newton, e il microcosmo, dove funzionano le leggi quantistiche. Ad esempio, questo coefficiente determina la scala alla quale opera il principio di indeterminazione di Heisenberg, ovvero l'incapacità di prevedere le proprietà e il comportamento delle particelle elementari. Infatti, nel mondo quantistico, tutti gli oggetti hanno una doppia natura, sorgono in due luoghi contemporaneamente, manifestandosi come una particella in un punto e come un'onda in un altro, ecc.
Quindi, avendo scoperto i quanti, Max Planck ha fondato la fisica quantistica, in grado di spiegare i fenomeni a livello atomico e molecolare, che è al di là del potere della fisica classica. La sua teoria divenne la base per l'ulteriore sviluppo di questo campo scientifico.
