Światło to klucz do życia. To klucz do wszystkiego co istnieje.
I rzekł Bóg: „Niech się stanie światło!” I stało się światło. I widział Bóg światło, że dobre; i rozdzielił Bóg między światłem a ciemnością.
Hmmm … Dobre! I rzekł Planck: niechaj będzie stała Plancka. I nie zobaczył, że było to dobre. Zobaczył dopiero Einstein, gdy bezceremonialnie i nieodpowiedzialnie zobrazował światło jako strumień kwantów.
A było tak: najpierw Hertz, ten od fal elektromagnetycznych, w r. 1887, zauważył, że światło jakoś wpływa na przeskakujące iskry elektryczne. Dziś nazywamy to efektem fotoelektrycznym zewnętrznym. Rzecz dotyczyła działania światła (w tym przypadku głównie w ultrafiolecie) na „promienie katodowe”, dziś mówimy „na elektrony” wyskakujące z metalowej katody.
Wszystko to opisane jest w podręcznikach fizyki, ja rzecz streszczę krótko starając się nie popełniać historycznych błędów, których w podręcznikach bez liku (popełnię natomiast, jestem pewien, inne). W pracy Reconstruction of the History of the Photoelectric Effect and its Implications for General Physics Textbooks czwórka autorów przeanalizowała 103 podręczniki fizyki. Tylko trzy z nich „zadowalająco” przedstawiają istotę problemów związanych z badaniami zjawiska fotoelektrycznego (żaden nie robi tego „bardzo dobrze”). Pozostałe zniekształcają prawdę historyczną.
Był to koniec wieku dziewiętnastego, początki wieku dwudziestego, niby dawno, ale cała ta historia rezonuje do dziś, i kto wie, może jeszcze roznieci wielki ogień w niedalekiej przyszłości? Jest to historia zmagań starego z nowym, kiedy to nowe, rewolucyjne, na jakiś czas bierze w końcu górę, tyle, że nie wiemy z góry na jaki czas. Na stałe, czy może tylko tymczasowo, bo stare znów wróci, tyle, że inne, silniejsze?
Zacznijmy od postaci znanej, niemieckiego fizyka Philippa Lenarda. Znany jest z tego, że za swe badania promieni katodowych otrzymał nagrodę Nobla, także z tego, że był odpowiedzialny za pojęcie „niemieckiej fizyki”, także z tego, że prześladował „żydowską fizykę” w ogóle a Alberta Einsteina w szczególności. Lenard był bez wątpienia znakomitym fizykiem,
Phillipp Lenard - co za spojrzenie!
z czego wynika niezbity wniosek, że świetnymi naukowcami mogą być zarówno święci jak i dranie.
W owym czasie nikt nie miał wątpliwości co do tego, że światło to fale. Drgania eteru, może pola elektromagnetycznego, w każdym razie jasne, że idzie o fale. Świadczyły o tym niezbicie liczne dobrze zbadane zjawiska, głównie zjawiska interferencji i dyfrakcji.
Trzeba więc było do tej przyjętej koncepcji przyłożyć jakoś efekt fotoelektryczny: światło wybija elektrony z metalu. Jak ono to robi?
Odpowiedź była jasna: fale rozkołysują elektrony, które i tak w metalu drgają, i jak dostatecznie taki elektron rozkołyszą, to ten z metalu ucieknie. Tyle, że ten obraz nie zgadzał się z wynikami doświadczeń gdy przychodziło do porównania wartości liczbowych z teorii i z eksperymentu.
Sommerfeld ciężko pracował, publikował wymyślne uzasadnienia, jednak przyciśnięty do muru przyznawał, że z jego obliczeń wynika, że na dostateczne „rozkołysanie” elektronu potrzebne były całe wieki, a w doświadczeniu elektrony uciekały z metalu natychmiast po oświetleniu.
Einstein nie przejmował się zdaniem ogółu. Wziął od Plancka ideę „kwantu działania”, ideę, której sam Planck nie wziął poważnie, założył, że światło to nie fale a cząstki („kwanty”), i wyprowadził równanie efektu fotoelektrycznego. Nikt tej idei Einsteina nie wziął poważnie. Nieuk jakiś ten Einstein. Czyż nie wie, że światło to fale?
Dwaj przyjaciele z boiska: Albert Einstein i Robert A. Millikan
Millikan też uważał Einsteina za nieuka, jednak samo równanie mu się u Einsteina spodobało. Spodobało mu się do tego stopnia, że postanowił dostać nagrodę Nobla za doświadczalny dowód słuszności tego równania. Millikan znany jest z tego, że jak chciał czegoś dowieść doświadczalnie, to tak dobierał warunki i tak wybierał dane, że doświadczenie „wychodziło”. Komu innemu nie wychodziło a jemu wychodziło. Tak było z ładunkiem elektronu. Ehrenhaftowi wychodziły na przykład ułamkowe wartości ładunku elektrycznego, a Millikanowi jak takie wychodziły, to je wrzucał do kosza i zostawiał te całkowite. Dlatego Nobla dostał Millikan a nie Ehrenhaft.
No więc Millikan zrobił doświadczenia, opublikował, potwierdził równanie efektu fotoelektrycznego Einsteina, nie omieszkując przy tym nazwać hipotezę Einsteina o kwantowej naturze światła „hipotezą wręcz nieodpowiedzialną”, no i dostał Nobla.
Wyszła linia prosta jak w mordę strzelił. Jej nachylenie, pomnozone przez ładunek elektronu e, to stała Plancka w eV x sec.
Einstein zresztą też. Niemniej w kwanty światła nikt nie wierzył przez całe dziesiątki lat. No,że nikt, to przesada. W Polsce na przykład w kwanty światła uwierzył wybitny fizyk-wolnomularz Mieczysław Wolfke.
Mieczysław Wolfke - fiyk i wolnomularz
Ciekawe, że zarówno Lenard jak i Wolfke otarli się o Wrocław …. Coś w tym Wrocławiu było ….
Dziś stałą Plancka metodą Einsteina-Millikana każdy może sobie zmierzyć w domu. Potrzebny woltomierz i amperomierz plus parę akcesoriów, jak na tym filmie
Przy dobrej pogodzie wyjdzie jak trzeba. A jak pogoda nie sprzyja, lub jeśli gwiazdy się nie układają, wyjdzie jakaś inna wartość. Zatem dobrze jest mieć pod ręka dywanik pod który niepożądane wyniki można zamieść.
Najlepiej, najdokładniej, wychodzi stała Plancka w eksperymencie animowanym. Każdy ją sobie może zmierzyć bez żadnych przyrządów. Tutaj można ją sobie obejrzeć na filmie:
a tutaj, z witryny uniwersytetu Boulder, Colorado, można sobie samemu poanimować z użyciem Javy (można nawet ściągnąć program na własny PC i bawić się w domu) . Widać, elektrony jak lecą, można je powstrzymać suwakiem potencjału. Można też zmieniać rodzaj katody, zatem i i minimum pracy (potencjał) potrzebnej na uwolnienie elektronów. Naprawdę zachęcam do zabawy.
Nie ulega zatem wątpliwości, że stała Plancka istnieje. Czy jednak istnieją kwanty światła, „fotony”, przenoszące energię h nu? Millikan, a wraz z nim większość fizyków, przez dziesiątki lat, nie mogli tego strawić. W końcu jednak strawili i kiedy w roku 1950 Millikan pisał swoją autobiografię, to swoją historię wybielił tak, by ludzie piszący podręczniki mieli życie łatwiejsze.
Skoro stała Plancka istnieje i skoro istnieją macierze/operatory Q i P spełniające relacje komutacji Heisenberga, gdzie ta stała dumnie występuje, to mamy na czym się oprzeć, mamy fundament. Trzeba więc zacząć na tym fundamencie coś budować. Jakieś nowe równanie, które nowy Millikan mógłby sprawdzić doświadczalnie. I ku temu właśnie zmierzam.
