Физика

Нобелевские лауреаты: Вильгельм Вин

Физик абсолютно черного тела

Вильгельм Вин

Mary Evans Picture Library/Global Look Press

О том, как сын помещика хотел стать фермером, но стал нобелевским лауреатом по физике и как труды неуча по математике привели к созданию квантовой механики, рассказывает наш сегодняшний выпуск рубики «Как получить Нобелевку».

Вильгельм Вин в молодости

Wikimedia Commons

Вильгельм Карл Вернер Отто Фриц Франц Вин

Родился 13 января 1864 года, Гаффкен, Пруссия.

Умер 30 августа 1928, Мюнхен, Германия.

Лауреат Нобелевской премии по физике 1911 года. Формулировка Нобелевского комитета: «За открытия, касающиеся законов, которые управляют тепловым излучением (for his discoveries regarding the laws governing the radiation of heat)».

Наш герой был единственным сыном прусских аристократов и помещиков Карла Вина и Каролины Герц. Любопытно, что формально и Вина можно считать нашим соотечественником: ведь городок Гаффкен близ Фишхаузена в Пруссии с 1946 года называется Парусное близ Приморска Калининградской области России. Сейчас формально в Парусном живет не больше двухсот человек, но еще там базируется секретная часть спецназа ВМФ России. Именно там 13 января 1864 года родился Вильгельм Карл Вернер Отто Фриц Франц Вин. Как полагается знати, родители не постеснялись на имена для своего отпрыска. Впрочем, всю свою жизнь он откликался на простое «Вилли».

Кстати, кузен Вина, Макс Вин, тоже родился на территории нашей страны — в Кенигсберге, двумя годами позже. Макс Вин станет одним из основоположников высокочастотной техники. Если кто занимался электроникой, то мост Вина – это Максово изобретение.

Фишхаузен на изображении 1684 года.

Wikimedia Commons

Пишут, что мальчик рос замкнутым в себе, был привязан к своей матери, и, как часто случалось тогда, вперед родного немецкого выучил французский. Сразу же вспоминается пушкинская Татьяна Ларина:

Она по-русски плохо знала,

Журналов наших не читала,

И выражалася с трудом

На языке своем родном.

Впрочем, ситуация очень похожая: провинциальные помещики из знати, ребенок, воспитанный учителем-французом… Как и Ларина, Вин очень любил природу. Впрочем, это была любовь поневоле, так как у отца были проблемы с позвоночником, и мальчик помогал ему, объезжая поля.

В школе у Вина поначалу не задалось из-за характера. Удивительно, но хуже всего Вилли давалась математика. Вместо подготовки «домашки» Вилли сбегал гулять по полям. В итоге 15 лет от роду его забрали из школы, дали частного учителя и начали готовить к продолжению семейного дела – сельскому хозяйству.

В 1880 году наш герой все же поступил в гимназию Altstädtisches в Кенигсберге. Это было прекрасное учебное заведение, которое закончили, например, математики Арнольд Зоммерфельд и Герман Минковский. Именно здесь, оказавшись среди подобных ему учеников, Вин впервые раскрылся и впервые начал хорошо учиться.

Единственный близкий Вильгельму человек – мать – подбадривала его и вдохновила все-таки поступить в университет. Но, оказавшись в Геттингене весной 1882 года, Вин проучился всего несколько месяцев. Разудалая студенческая жизнь, попойки и суматоха были настолько противны замкнутому характеру Вина, что он оставил учебу, немного попутешествовал по Европе и вернулся домой с твердым намерением осесть «на земле», стать фермером.

Впрочем, попробовав сельскохозяйственной жизни, тоже понял – не его. Видимо, зерна, оброненные в него еще в гимназии, дали всходы, и осенью того же года Вин вернулся в учебе. И на сей раз ему везет: он поступает в Берлин и попадает прямо к последнему немецкому ученому-энциклопедисту, Герману фон Гельмгольцу. Работая у него, Вин делает докторскую диссертацию о дифракции света на остром металлическом крае и защищает ее в 1886 году. Впрочем, несмотря на отличные научные результаты, оратор из нашего героя получился никакой, поэтому он получил оценку диссертации по низшему разряду.

Герман Гельмгольц

Wikimedia Commons

Летом того же года у родителей дома случился пожар, и Вин снова уезжает домой, помогать родителям отстраиваться. Четыре года он изучает теоретическую физику самостоятельно. Впрочем, в 1890 году родителям, видимо, окончательно надоело фермерство (хотя, конечно, истинная причина крылась в сильнейшей засухе того года), и Вин вернулся к Гельмгольцу, который уже работал в то время в новом Государственном физико-техническом институте в Шарлоттенбурге.

Дальше началась самостоятельная академическая карьера Вина, продолжавшаяся треть века. При этом он дважды сменял будущих нобелевских лауреатов на своем посту: в 1892 году Вильгельм стал лектором Берлинского университета, в 1896 году занял пост профессора физики в Техническом университете в Ахене, сменив на этом посту Филиппа фон Ленарда. В 1899 году он уже профессор физики в Гессенском университете, а в 1900 году стал преемником Вильгельма Рентгена на посту профессора физики Вюрцбургского университета.

И уже под руководством Гельмгольца Вин занялся тем, что впоследствии принесло ему Нобелевскую премию: тепловым излучением и абсолютно черным телом.

Модель абсолютно черного тела

Wikimedia Commons

Тут нужно сделать небольшое отступление, и рассказать, что же такое абсолютно черное тело, которое придумал в 1860-х годах еще один уроженец будущего Калининграда, Густав Кирхгоф. По определению абсолютно черное тело – это такое тело, которое поглощает абсолютно все излучение, падающее на него. Таких тел в природе не существует, кроме, пожалуй, черной дыры. Однако поскольку реальных экспериментов с черными дырами провести нельзя, ученым остались только эксперименты мысленные. О важности таких мысленных экспериментов Вин говорил всю свою жизнь.

Густав Кирхгоф

Wikimedia Commons

Кирхгоф показал, что абсолютное тело – это еще и лучший излучатель из всех возможных. Но излучает оно тепловую энергию. Можно придумать модель абсолютно черного тела, существующую в реальности: берем полностью замкнутый объем и делаем в нем маленькую дырочку. С высокой вероятностью все попавшее в эту дырочку излучение постепенно поглотится стенками, переотражаясь от них.

Уже Кирхгоф показал, что излучение внутри такого объема, составленное из перекрещивающихся лучей, которые отражаются от стенок, обладает распределением длин волн и интенсивностей, зависящих только от температуры, но не от материала стенок. Следующий шаг в исследовании абсолютно черного тела сделал наш герой.

Больцман показал, что энергия, излучаемая абсолютно черным телом, пропорциональна четвертой степени температуры. В 1893-1894 годах Вин, пользуясь электромагнитной теорией света, вывел для абсолютно черного тела формулу плотности энергии излучения в зависимости от частоты излучения и температуры излучающего тела.

Из него Вин вывел новое правило, которое получило название закона смещения Вина. Он показал, что в зависимости от температуры излучения длина волны максимума потока энергии смещается во все более коротковолновую область спектра. Поэтому тепловое излучение человека находится в области инфракрасных лучей, Солнца (да-да, излучение нашего Солнца – «чернотельное», как говорят физики) — белое, а самые горячие звезды Вселенной – голубые.

Закон смещения Кирхгофа

Wikimedia Commons

Кстати, в 1899 году закон смещения Вина для абсолютно черного тела получил экспериментальное подтверждение в работах Отто Луммера и Эрнста Прингсхайма. Измеряя болометром излучение, испускаемое маленьким отверстием в полости черного тела, физики получили точное соответствие предсказанию Вина.

В 1896 году последовал второй закон Вина, который объяснил форму кривой распределения энергии излучения. И вот тут классическая физика встала в тупик. Второй закон Вина оказался справедлив для коротковолнового излучения. Независимо от Вина, хорошо знакомый уже нам Уильям Стретт, лорд Рэлей, получил свою формулу. Но она «работала» на длинных волнах.

Именно пытаясь согласовать обе формулы (и теорию с экспериментом) Макс Планк в итоге пришел к идее квантов энергии, и создал новую физику.

Макс Планк

Wikimedia Commons

Вот именно за эти три закона Вильгельм Вин и стал нобелевским лауреатом в 1911 году. Любопытный факт: из 27 номинаций на физического «Нобеля» этого года, Вин был номинирован лишь единожды. Причем в одной номинации с … Максом Планком, который развил его идеи до квантовой теории. Однако Планк был номинировал еще пять раз, а Вин – больше ни одного.

Вин на почтовой марке Сент-Китс и Невис

Wikimedia Commons

Получая свою премию, Вин сказал: «В приложениях термодинамики к теории излучения полезно применять те идеальные процессы, которые оказались столь плодотворными в других отношениях. Я имею в виду мысленные эксперименты, которые зачастую не могут быть реализованы на практике, но тем не менее приводят к надежным результатам... Из этих мысленных экспериментов мы можем извлечь важный вывод: мы можем определить, каким образом спектральный состав излучения абсолютно черного тела меняется при изменении температуры». Достойный совет для любого ученого!

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram.