Вильгельм Вин
Биография
Немецкий физик Вильгельм Карл Вин родился в г. Гаффкене, тогда входившем в состав Восточной Пруссии (ныне г. Приморск, Россия); был единственным сыном Карла Вина, фермера, и Каролины Вин (в девичестве Герц). Когда мальчику было два года, его семья переехала на меньшую ферму в Драхенштайн. Замкнутый, как и его отец, мальчик не имел друзей и был особенно привязан к своей матери. Как было принято тогда, ему наняли учительницу французского языка, на котором он стал говорить раньше, чем научился писать по-немецки. Официально В. начал учиться в возрасте одиннадцати лет в Растенбургской гимназии.
Он не был внимательным учеником, предпочитая вместо подготовки домашних заданий бродить по полям, и учился плохо, особенно по математике. Родители взяли его из школы в 1879 г. и воспитывали дома, обучая фермерскому делу, а свои школьные занятия он продолжал с частным учителем. Затем осенью 1880 г. В. поступил в гимназию в Кенигсберге и окончил ее ранней весной 1882 г. Позднее, этой же весной, ободренный своей матерью, он поступил в Геттингенский университет. Неудовлетворенный математическими курсами и не любивший жизнь студенческих корпораций, он оставил Геттинген, проучившись там один семестр, и отправился в путешествие по прирейнским областям Германии. Он вернулся домой, намереваясь стать фермером, но, поняв, что эта работа не для него, возобновил занятия математикой и физикой в Берлинском университете осенью 1882 г.
После двух семестров классных занятий и трех лет лабораторной работы под руководством Германа фон Гельмгольца, выдающегося физика, математика и физиолога, проведя также одно лето в Гейдельбергском университете, В. получил докторскую степень в 1886 г. Его диссертация была посвящена дифракции света на остром металлическом крае и влиянию абсорбции металла на получаемые цвета. Дифракция – это явление, вызываемое волновой природой света. Если за металлическим барьером поместить экран со стороны, противоположной источнику света, то при подходящих условиях на нем возникнет дифракционная картина.
Эта картина состоит из перемежающихся ярких и темных полосок, простирающихся ниже геометрической тени барьера, как если бы свет огибал край барьера. Поскольку расположение ярких и темных полос связано с длиной волны (соответствующей определенному цвету) и дифракционная картина различна для разных длин волн, то с помощью дифракции можно разделить свет, содержащий смесь цветов, на окрашенные полоски. В. обнаружил, что после дифракции свет становится поляризованным и что материал, из которого состоит край, влияет на цвета. Он полагал, что этот цветовой эффект нельзя объяснить в рамках существующих теорий, поскольку они не учитывают колебаний молекул дифракционной пластины.
Летом 1886 г. В. приехал домой, чтобы помочь родителям на ферме, на которой возник пожар, повредивший несколько строений. Он оставался здесь в течение следующих четырех лет, продолжая самостоятельно изучать теоретическую физику. Его будущее определилось, когда засуха 1890 г. вынудила его родителей продать землю. В. стал ассистентом у Гельмгольца в новом Государственном физико-техническом институте в Шарлоттенбурге (ныне часть Берлина), где занимался решением задач, поставленных промышленными фирмами.
За 30-летний период В. выполнил широкий круг научных исследований в различных академических институтах. В 1892 г. он стал лектором Берлинского университета, в 1896 г. занял пост профессора физики в Техническом университете в Ахене, сменив на этом посту Филиппа фон Ленарда. В 1899 г. он был профессором физики в Гессенском университете, а затем, в 1900 г., стал преемником Вильгельма Рентгена на посту профессора физики Вюрцбургского университета.
Исследования В. охватывают ряд вопросов, включая, в частности, гидродинамику, особенно поведение морских волн и циклонов. Еще в Государственном физико-техническом институте он начал свои плодотворные исследования по тепловому излучению, т.е. излучению тел, вызванному их нагреванием. При разных температурах тела поглощают, отражают или передают падающее на них излучение. Но независимо от этого они излучают энергию, поскольку обладают определенной температурой. Хорошо знакомым примером служит нить электрической лампочки.
В 1860-х гг. Густав Кирхгоф, проводя теоретические исследования связи между излучением и поглощением энергии, ввел понятие абсолютно черного тела, которое поглощает все падающее на него излучение, ничего не отражая. Реальное тело, черное, как уголь, – этот превосходный, хотя и не абсолютно идеальный поглотитель излучения – все же отражает небольшую долю света, падающего на него. Оно выглядит черным, потому что отражает слишком мало света. Абсолютно черное тело – это идеальный поглотитель, и Кирхгоф показал, что оно, кроме того, и наилучший возможный излучатель и поэтому может служить эталоном для нахождения связи между интенсивностью излучения и температурой тела – независимо от материала, из которого сделан конкретный излучатель.
Хотя обычное тело не может быть абсолютно черным телом, Кирхгоф показал, обосновав теоретически, что пространство, полностью окруженное стенками при однородной температуре (например, топка), обладает нужными свойствами абсолютно черного тела – независимо от материала стенок. Убедиться в этом можно, если попытаться понять, что произойдет, когда мы проделаем маленькое отверстие в одной из стенок. Излучение, попавшее в отверстие, достигнет противоположной стенки и частично поглотится, а частично отразится. Крайне невероятно, чтобы отраженная часть попала обратно в наше маленькое отверстие. Вместо этого она будет совершать серию отражений и поглощений до тех пор, пока не поглотится полностью (слегка нагрев при этом стенки), и никогда более не выйдет наружу. Другими словами, наш кусок пространства, ограниченный стенками, полностью поглотит попавшее в него излучение, как это и положено абсолютно черному телу. Кирхгоф показал, что излучение внутри такой полости, составленное из перекрещивающихся лучей, которые отражаются от стенок, обладает распределением длин волн и интенсивностей, зависящих только от температуры, но не от материала стенок.
В 1893 г. В. исследовал излучение абсолютно черного тела, используя для этого то, что он назвал «мысленным» (в отличие от лабораторного) экспериментом, опирающимся на законы термодинамики. Австрийский физик Людвиг Больцман использовал термодинамику аналогичным образом для обоснования математической формулы, эмпирически найденной его соотечественником Иозефом Стефаном. Стефан заметил, что общая энергия, излучаемая ежесекундно черным телом и включающая все длины волн, пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры (–273°С) тела. В. развил это теоретическое исследование, подсчитав, каким образом изменение температуры повлияет на энергию, излучаемую на заданной длине волны, или цвете (на самом деле в узком интервале длин волн с центром в заданном значении).
Из экспериментов было известно, что нагретое тело испускает излучение в определенной области, или спектре частот (длин волн), но не однородно. График излучаемой энергии как функции длины волны представляет собой кривую, начинающуюся с низких значений при больших длинах волн, плавно поднимается к закругленной вершине, представляющей максимум интенсивности при некоторой промежуточной длине волны, а затем вновь падает до низких значений энергии при более коротких длинах волн. В. обнаружил, что эта кривая перемещается в область более коротких или более длинных волн по мере того, как температура соответственно повышается или понижается, согласно простому соотношению, ныне известному как закон смещения Вина. Длина волны, соответствующая пику излучения, умноженная на абсолютную температуру, остается величиной постоянной. Поскольку форма кривой, изображающей зависимость излучаемой энергии от температуры, в основном не меняется, то, зная кривую при одной температуре, можно построить аналогичную кривую и при любой другой температуре, пользуясь законом Вина.
Изменения длины волны очевидны в электронагревательном элементе по мере возрастания температуры. Когда элемент становится достаточно горячим, он светится тусклым красным свечением (длинные волны). Когда температура повышается, он меняет свечение на ярко-красное, затем оранжевое, далее желтое и, наконец, белое, поскольку длина волны становится все короче и короче. Белый цвет – это смесь многих длин волн. Здесь присутствуют короткие волны в соответствии с законом Вина (длины волн по мере возрастания температуры становятся короче) и все волны, включая и менее длинные, которые обладают достаточной энергией, чтобы присутствовать в видимой компоненте в согласии с законом Стефана – Больцмана (общее количество излучаемой энергии возрастает с увеличением температуры).
В 1896 г. В. продвинулся дальше в своих теоретических расчетах, объяснив форму кривой распределения энергии с помощью законов термодинамики и электромагнитной теории, развитой шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом. Это объяснение получило известность как закон излучения Вина.
Закон смещения Вина получил экспериментальное подтверждение при измерениях излучения, испускаемого маленьким отверстием в полости черного тела. Исследование было проведено Отто Луммером и Эрнстом Прингсхаймом в 1899 г. с помощью чувствительного прибора, называемого болометром. Однако что касается закона излучения, то обнаружилось, что он очень хорошо согласуется с экспериментами только в области коротких волн и сильно отклоняется от них для длинных волн. Английский физик Дж. У. Стретт (лорд Рэлей) вывел уравнение, которое хорошо работало для длинных, но плохо для коротких волн. Именно попытка согласовать теорию с экспериментом на всем спектре волн привела Макса Планка к созданию его революционной квантовой теории. Как отметил В., Планк решил проблему, «введя знаменитую гипотезу об элементах энергии (квантах), согласно которой энергия не является бесконечно делимой, но может распределяться только довольно большими количествами, которые нельзя дробить дальше».
В. занимался также и другими исследованиями, прежде всего электрическими разрядами в газах под очень низким давлением в вакуумных трубках. При этих разрядах появлялись три типа излучения, казавшихся тогда загадочными. Один тип, названный катодными лучами, двигался от катода (отрицательного электрода) к аноду (положительному электроду). Второй тип, названный канальными лучами, двигался в противоположном направлении. Третий тип, открытый в 1895 г. Вильгельмом Рентгеном и названный рентгеновскими лучами, возникал в области анода, откуда он выбивался катодными лучами. Катодные лучи, позднее названные электронами, были открыты английским физиком Дж.Дж. Томсоном в 1897 г. В. подтвердил, что катодные лучи – это частицы, несущие отрицательный заряд. Он также показал, что канальные лучи – это положительно заряженные атомы (ионы) остаточных газов в разрядных трубках, и дал впервые оценки длин волн для рентгеновских лучей (гораздо короче видимого света), измеряя отношение их энергии к энергии порождающих их катодных лучей. Его дальнейшие работы также внесли существенный вклад в радиационную физику; здесь можно упомянуть уточненные расчеты длин волн рентгеновских лучей и предложение использовать для их измерения кристаллы за пять лет до того, как Макс фон Лауэ проделал аналогичную работу.
В. был награжден в 1911 г. Нобелевской премией «за открытия в области законов, управляющих тепловым излучением». В Нобелевской лекции он говорил о значении того, что он назвал «мысленными» экспериментами. «В приложениях термодинамики к теории излучения полезно применять те идеальные процессы, которые оказались столь плодотворными в других отношениях, – сказал он. – 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».
Во время своего визита в США в 1913 г. В. читал лекции в Колумбийском университете и посетил как Гарвардский, так и Йельский университеты. В 1920 г. он вновь стал преемником Рентгена, на сей раз в качестве профессора физики Мюнхенского университета, где руководил созданием физического института. В 1925...1926 гг. он был ректором этого университета.
В 1898 г. В. женился на Луизе Мелер, которую он встретил в Ахене; у них было два сына и две дочери. В. любил в свободное время изучать историю, литературу и искусство. Он умер в Мюнхене в 1928 г. «Вероятно, найдется очень мало физиков, которые, как Вилли Вин, в такой же степени равно хорошо разбирались бы как в экспериментальной, так и в теоретической сторонах своей практической деятельности», – написал о своем коллеге Макс Планк.
С 1906 г. до самой смерти Вин был соиздателем (вместе с Максом Планком) журнала «Аннален дер физик» ("Annalen der Physik"). Он был членом американской Национальной академии наук и научных академий Берлина, Геттингена, Вены и Стокгольма.
