Чорне випромінювання 1987 Смородинський Я
У ті роки, коли ще була популярна теорія теплороду, великі суперечки викликало питання, куди подіється теплород, коли тепло витрачається на випромінювання.
У циклі Карно тепло відбиралося від нагрівача газом, що розширюється. Тепло в газі витрачалося збільшення кінетичної енергії його молекул, отже фізичний процес передачі тепла - як і кому воно передається - був зрозумілий і простий (звичайно, після того, як кінетична теорія газів утвердилася у фізиці). Але тепло передається від одного тіла до іншого як при контакті. Сонце передає тепло Землю через космічний вакуум. Ще Архімед знав, що можна фокусувати теплове проміння за допомогою величезних дзеркал. Досвідами з фокусування теплових променів займалося багато фізиків XVIII століття * . Зрештою, вони вирішили, що світло і тепло - явища одного типу і тому тепло, як і світло, є коливання ефіру. Помилка зникла не скоро.
* ( У 1778 р. книзі Шееле " Про світло і вогні " вперше з'явився термін " промениста теплота " . Шееле зауважив, що крім тепла, яке піднімається над вогнем разом із повітрям, є тепло, яке ми відчуваємо, стоячи обличчям до вогню. Але тепло затримувалося склом, а світло немає, і це довго ставило в глухий кут вчених: "Світло і тепло - все-таки речі різні", - укладали вони.)
Природа розігрувала з фізиками часом комічні історії. Коли всі переконалися, що для поширення світла потрібен ефір, він виявився зайвим. Коли ж фізики були впевнені, що тепло - це теплород, який існує сам по собі і якому носій не потрібен, виявилося, що ніякого теплороду немає, а тепло переноситься електромагнітними хвилями.
Але якщо світло переносить тепло, то воно, в принципі, може бути робочим тілом у тепловій машині. Світло повинне тоді мати і енергію, і ентропію, ітемпературу. Більше того, для світла повинно мати сенс теплова рівновага.
Якби мав рацію Ньютон і світло складалося б з окремих частинок, то опис його як ідеального газу мало б шанси на успіх. Але хоча світло складається з фотонів, неможливо точно визначити, скільки фотонів знаходиться в заданому обсязі - фотони поглинаються і випромінюються стінками, і їх визначити неможливо. Як ми побачимо, навіть їхнє середнє число залежить від температури.
Нагріте тіло випромінює світло: при низьких температурах - це інфрачервоне випромінювання * : при високих - видиме, в космосі галактики випромінюють у рентгенівській області і навіть в області γ-випромінювання. Випромінювання будь-якого джерела описується властивостями спектра, тобто завданням енергії, що припадає на його різні ділянки. Функція розподілу для випромінювання має сенс, схожий сенс функції розподілу атомів за швидкостями. Якщо почати з гістограми, тобто з діаграми, що показує, скільки енергії укладено в ділянці спектра шириною Δvпри значеннях, близькихv, то потім цю гістограму можна замінити безперервною функцією і говорити про густину енергії випромінювання.
* ( Можна нагадати, що випромінювання нагрітого тіла містить, взагалі кажучи, всі частоти, але основна частина енергії зосереджена в порівняно вузькій ділянці спектру. Де лежить ця ділянка спектру (де у спектру максимум) і яка його форма - завдання, яким займалися фізики в наприкінці XIX століття.)
Уявлення про температуру випромінювання та функції розподілу для спектру випромінювання нагрітого тіла було першим успіхом нової фізики. Багато праці було витрачено те що, щоб ідею про тепловому рівновазі використовуватиме описи випромінювання. Справа почалася з того, що ввели до розгляду замкнутий обсяг, в якому знаходяться електромагнітні хвилі.Хвилі можуть випромінюватись і поглинатися стінками судини, які мають певну температуруТ, якимось чином постійно підтримується.
Нині подібну посудину називають резонатором; в резонаторі зазвичай створюється електромагнітне поле з дуже вузьким спектром, майже монохроматичним, але можна "розладнати" резонатор так, щоб у нього потрапили хвилі з різними частотами.
Променева теплота, за термінологією минулого століття, весь час йтиме зі стінок всередину резонатора, але так як стінки не можуть без кінця віддавати свою енергію, то має врешті-решт встановити термодинамічний рівновагу, що визначається однією-єдиною величиноюТ. У стані рівноваги енергія, що випромінюється стінками, повинна точно компенсуватися енергією, яка поглинається стінками. Компенсація повинна виконуватись для кожного інтервалу частоти випромінювання. Природно вважати, що у рівновазі випромінювання має таку ж температуруТ, як і стінки.
З загальних міркувань можна стверджувати, що електромагнітне поле всередині резонатора є такою ж системою, як і ідеальний газ, в тому сенсі, що поле обмінюється енергією зі стінками (випромінювання поглинається і випромінюється) і що цей процес призводить до теплової, термодинамічної рівноваги.
Коли таке завдання було сформульовано, то рішення спочатку виявилося надто важким. Саме тут і розігралася катастрофа, що залишилася в історії під назвою ультрафіолетової.