Черное излучение

В те годы, когда еще была популярна теория теплорода, большие споры вызывал вопрос о том, куда девается теплород, когда тепло тратится на излучение.

В цикле Карно тепло отбиралось от нагревателя расширяющимся газом. Тепло в газе тратилось на увеличение кинетической энергии его молекул, так что физический процесс передачи тепла - как и кому оно передается - был понятен и прост (конечно, после того, как кинетическая теория газов утвердилась в физике). Но тепло передается от одного тела к другому не только при контакте. Солнце передает тепло на Землю через космический вакуум. Еще Архимед знал, что можно фокусировать тепловые лучи с помощью огромных зеркал. Опытами по фокусированию тепловых лучей занимались многие физики XVIII века^*. В конце концов они решили, что свет и тепло - явления одного типа и потому тепло, как и свет, есть колебания эфира. Заблуждение исчезло не скоро.

^*(В 1778 г. книге Шееле "О свете и огне" впервые появился термин "лучистая теплота". Шееле заметил, что кроме тепла, которое поднимается над огнем вместе с воздухом, есть тепло, которое мы ощущаем, стоя лицом к огню. Но тепло задерживалось стеклом, а свет нет, и это долго ставило в тупик ученых: "Свет и тепло - все-таки вещи разные", - заключали они.)

Природа разыгрывала с физиками порой комические истории. Когда все уверились в том, что для распространения света требуется эфир, он оказался лишним. Когда же физики были уверены, что тепло - это теплород, который существует сам по себе и которому носитель не нужен, оказалось, что теплорода никакого нет, а тепло переносится электромагнитными волнами.

Но если свет переносит тепло, то он, в принципе, может быть рабочим телом в тепловой машине. Свет должен тогда иметь и энергию, и энтропию, и температуру. Более того, для света должно иметь смысл и тепловое равновесие.

Если бы был прав Ньютон и свет состоял бы из отдельных частиц, то описание его как идеального газа имело бы шансы на успех. Но хотя свет состоит из фотонов, невозможно точно определить, сколько фотонов находится в заданном объеме,- фотоны поглощаются и излучаются стенками, и их число определить невозможно. Как мы увидим, даже их среднее число зависит от температуры.

Нагретое тело испускает свет: при низких температурах - это инфракрасное излучение^*: при высоких - видимое, в космосе галактики излучают в рентгеновской области и даже в области γ -излучения. Излучение любого источника описывается свойствами спектра, т. е. заданием энергии, приходящейся на разные его участки. Функция распределения для излучения имеет смысл, похожий на смысл функции распределения атомов по скоростям. Если начать с гистограммы, т. е. с диаграммы, показывающей, сколько энергии заключено в участке спектра шириной Δv при значениях, близких v, то потом эту гистограмму можно заменить непрерывной функцией и говорить о плотности энергии излучения.

^*(Можно напомнить, что излучение нагретого тела содержит, вообще говоря, все частоты, но основная часть энергии сосредоточена в сравнительно узком участке спектра. Где лежит этот участок спектра (где у спектра максимум) и какова его форма - задача, которой занимались физики в конце XIX века.)

Представление о температуре излучения и о функции распределения для спектра излучения нагретого тела было первым успехом новой физики. Много труда было потрачено на то, чтобы идею о тепловом равновесии использовать для описания излучения. Дело началось с того, что ввели в рассмотрение замкнутый объем, в котором находятся электромагнитные волны. Волны могут излучаться и поглощаться стенками сосуда, которые имеют определенную температуру Т, каким-то образом все время поддерживаемую.

Сейчас подобный сосуд называют резонатором; в резонаторе обычно создается электромагнитное поле с очень узким спектром, почти монохроматическим, но можно "расстроить" резонатор так, чтобы в него попали волны с самыми разными частотами.

Лучистая теплота, по терминологии прошлого века, все время будет уходить из стенок внутрь резонатора, но так как стенки не могут без конца отдавать свою энергию, то должно в конце концов установиться термодинамическое равновесие, определяемое одной-единственной величиной Т. В состоянии равновесия энергия, которая излучается стенками, должна в точности компенсироваться энергией, которая стенками поглощается. Компенсация должна выполняться для каждого интервала частоты излучения. Естественно считать, что в равновесии излучение имеет ту же температуру Т, что и стенки.

Из самых общих соображений можно утверждать, что электромагнитное поле внутри резонатора является такой же системой, как и идеальный газ, в том смысле, что поле обменивается энергией со стенками (излучение поглощается и испускается) и что этот процесс приводит к тепловому, термодинамическому равновесию.

Когда такая задача была сформулирована, то решение поначалу оказалось слишком трудным. Именно здесь и разыгралась катастрофа, оставшаяся в истории под названием ультрафиолетовой.