2.1. ВВЕДЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ КЛАССИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ

Здесь речь пойдет об очень глубоких и красивых явлениях и законах окружающего мира, которые определяют свойства материи на атомных и субатомных масштабах, т.е. на расстояниях порядка  и меньше. Соответствующий раздел физики называется квантовой теорией.

Чтобы подойти к предмету лекции, вспомним, как обстояло дело в физике и вообще в естественных науках к концу XIX века, примерно к 1890г. Тогда для ученых наступило время уверенности и чувства власти над природой. Казалось, что все основные законы классической физики, сформулированные на основе механики Галилея и Ньютона и электродинамики Максвелла, являются окончательными и универсальными, т.е. в принципе позволяют понять все многообразие явлений природы. Уже изобретены телефон и фонограф, работают паровая турбина и двигатель внутреннего сгорания, открытие электромагнитных волн в скором времени приведет к рождению радио.

Несмотря на то, что прямое экспериментальное наблюдение кристаллической структуры с помощью снимков в рентгеновских лучах будет получено лишь в первые годы XX века, уже был накоплен огромный косвенный экспериментальный и теоретический материал, указывающий на атомное строение вещества. Были получены правильные оценки размеров и масс атомов, постоянной Авогадро. В 1869г. Д.И. Менделеевым открыт периодический закон. Основываясь на атомистических представлениях и законах классической механики, Л. Больцман разработал кинетическую теорию газов, положившую, как казалось, начало статистическому обоснованию всей термодинамики. Считалось, что атомы (от греческого atomos – неделимый), действительно являются неделимыми. В этой связи характерно высказывание Максвелла: «Они [атомы] единственные материальные тела, всегда остающиеся в том же состоянии, что и в момент своего творения». Хотя существование атомных спектров косвенно указывало на какую-то внутреннюю структуру атомов, это (как тогда представлялось) не означало, что атом можно расщепить.

Однако уже в то время было известно несколько задач, решение которых в рамках классической физики приводило к неустранимым парадоксам. И поиски разрешения некоторых из этих парадоксов привели не просто к уточнению отдельных физических положений, а к открытию принципиально новых, так называемых квантовых, методов физического описания, которые необходимо применять к атомным и субатомным явлениям. Одной из таких проблем была задача определения свойств излучения, находящегося в тепловом равновесии с веществом. Эта задача была сформулирована немецким физиком Густавом Кирхгофом в 1859г. Попытки решить именно эту задачу и привели в конце концов к созданию квантовой теории. Поэтому остановимся на задаче Кирхгофа подробнее.