Mopic / AWO / Science Photo Library via AFP
Tudomány

120 éves az az elmélet, amit még a kutatói sem értenek teljesen

Százhúsz éve, 1900. december 14-én ismertette Max Planck német fizikus a berlini Fizikai Társaság előtt a modern fizika egyik alapját jelentő kvantumelméletet, amelyért 1918-ban megkapta a Nobel-díjat.

Az 1858-ban született Planck érdeklődése a 19. század utolsó évtizedeiben az abszolút fekete test hőmérsékleti sugárzása felé fordult. Az abszolút fekete test egy olyan ideális test, ami bármilyen hullámhosszú elektromágneses sugárzást teljesen elnyel – ennek jó modellje egy üreges szilárd test, melynek üregét a külső térrel egy kicsi lyuk köti össze. Ez esetben ugyanis a lyukat elhagyó, úgynevezett feketetest-sugárzás vagy hőmérsékleti sugárzás intenzitása és spektruma kizárólag a hőmérséklettől függ, és független a test méreteitől, alakjától, vagy anyagától. A különböző hőmérsékletű feketetest-energia kisugárzásának spektrális eloszlására az addigi, a klasszikus fizikára épülő elméletek csak a nagyon kis (Rayleigh-Jeans-törvény), illetve a nagyon nagy (Wien-törvény) frekvenciákra tudtak elfogadható közelítést adni.

Planck maga is holtpontra jutott a klasszikus fizika eszközeivel, ezután félretéve minden elméleti megfontolást egyszerűen megkereste azt a matematikai képletet, amely helyesen írja le a spektrumokat. A berlini Fizikai Társaság 1900. október 19-i ülésén A Wien-féle eloszlási törvény módosításáról című előadásában ismertette általános érvényű formuláját, amely speciális (határ)esetként magába foglalta a két korábbi törvényt is.

STF / AFP Max Planck 1943-ban

A képlet tökéletesen leírta a mérésekkel megállapított eredményeket, csupán az elméleti háttere hiányzott. Ez Planckot is zavarta, s minden idejét annak szentelte, hogy a tapasztalattal jól egyező, a feketetest által kisugárzott energia frekvenciafüggését helyesen leíró képletet elméletileg is megalapozza.

Sokáig próbálkozott azzal, hogy feltevéseit beillessze a klasszikus fizikába, de nem járt sikerrel.

Planck ugyan természetéből és neveltetéséből adódóan konzervatív volt, de tudósként elfogadta, hogy ha a tények nem felelnek meg az elméletnek, akkor csak az annak ellentmondó magyarázat lehetséges. Ezért azt a feltevést tette, hogy a hőmérsékleti sugárzás energiája nem folytonos, hanem kis csomagokból, kvantumokból áll. Képletéből adódott, hogy a kvantumok nagysága függ az elnyelt, vagy kisugárzott fény frekvenciájától: minél nagyobb a frekvencia, azaz minél rövidebb a hullámhossz, annál nagyobb az adott fény legkisebb energiakvantuma. Valamely kvantum energiaértékét úgy kapjuk meg, hogy a sugárzás frekvenciáját megszorozzuk egy hatás dimenziójú mennyiséggel, a h-val jelölt hatáskvantummal, a róla elnevezett Planck-állandóval.

Ezen univerzális állandó felfedezését a „kis h forradalmának” nevezik, mert a tudományban még nem volt példa arra, hogy egy ilyen „kis valami” ilyen nagy fordulatot idézzen elő. Planck tudományos életrajzában utóbb így vallott felfedezéséről: „a hatáskvantumban valami eddig soha nem hallott jelentkezik, amely arra van hivatva, hogy alapjában átalakítsa egész fizikai gondolkodásunkat”.

Planck a sugárzási törvény elméleti levezetéséről 1900. december 14-én ugyancsak a berlini Fizikai Társaság ülésén számolt be A normálspektrum energiaeloszlási törvényének elmélete című előadásában, ezt a napot tekintjük a kvantumelmélet születésnapjának. A klasszikus fizikának ellentmondó, akkoriban

igen radikális elméletet a tudományos közvélemény kezdetben kevés figyelemre méltatta,

éveknek kellett eltelniük, amíg a tudósok meghatározó köre elfogadta az új alapokra helyezett fizikai gondolkodást. Planck tekintélye nagy szerepet játszott abban, hogy Albert Einstein 1905-ben publikált speciális relativitáselméletét elfogadják, a két tudós később jó barát lett.

Leemage via AFP Portré Erwin Schrödingerről, aki gondolatkísérletével népszerűbbé tette a kvantummechanikát.

A kvantumhipotézis volt a 20. század egyik legragyogóbb és leghatásosabb fizikai elmélete, a kvantummechanika kiindulópontja. Fizikai világképünk radikális megváltozását eredményező hatásán kívül az alkalmazások egész sorát lehetne felsorolni a kémia, a technika, a biológia vagy az orvostudomány területéről. Erre alapozva indult meg a modern elektronikai kutatás, került sor a tranzisztor elvének meghatározására, majd az eredmények műszaki alkalmazására, s a szórakoztató elektronikai ipar, a számítógépek teljesen átalakították világunkat és az emberi kapcsolatokat.

A kvantumelmélet bemutatása után tizennyolc évnek kellett eltelnie, amíg a stockholmi Nobel-díj Bizottság meggyőződött az új elmélet korszakalkotó jelentőségéről, és 1919-ben visszamenőleg Plancknak ítélte oda az 1918. évi fizikai Nobel-díjat. Niels Bohr Nobel-díjas dán fizikus így vallott a korszakalkotó felfedezésről: „Akit nem ráz meg a kvantumelmélet, az nem értette meg!”

Ajánlott videó

Ha kommentelni, beszélgetni, vitatkozni szeretnél, vagy csak megosztanád a véleményedet másokkal, a 24.hu Facebook-oldalán teheted meg. Ha bővebben olvasnál az okokról, itt találsz válaszokat.

A cikkhez ide kattintva szólhatsz hozzá.
24-logo

Engedélyezi, hogy a 24.hu értesítéseket
küldjön Önnek a kiemelt hírekről?
Az értesítések bármikor kikapcsolhatók
a böngésző beállításaiban.