Ομιλία του "Κελύφους" του Kelvin

Την Παρασκευή 27 Απριλίου 1900 ο βρετανικός φυσικός Λόρδος Kelvin έδωσε μια ομιλία με τίτλο "Σύννεφα του 19ου αιώνα πάνω στη δυναμική θεωρία της θερμότητας και του φωτός", η οποία άρχισε:

Η ομορφιά και η σαφήνεια της δυναμικής θεωρίας, η οποία ισχυρίζεται ότι η θερμότητα και το φως είναι τρόποι κίνησης, καλύπτονται επί του παρόντος από δύο σύννεφα.

Ο Κέλβιν εξήγησε ότι τα "σύννεφα" ήταν δύο ανεξήγητα φαινόμενα, τα οποία απεικόνιζε ως το τελευταίο ζεύγος τρυπών που έπρεπε να γεμίσουν πριν από την πλήρη κατανόηση των θερμοδυναμικών και ενεργειακών ιδιοτήτων του σύμπαντος, εξηγείται με κλασικούς όρους της κίνησης του σωματίδια.

Αυτή η ομιλία, μαζί με άλλα σχόλια που δόθηκαν στον Κέλβιν, όπως ο φυσικός Αλβέρτος Μίσελσον σε ομιλία του 1894, δείχνουν ότι αυτός πίστευε ότι ο βασικός ρόλος της φυσικής εκείνης της ημέρας ήταν να μετράει με μεγάλη ακρίβεια γνωστές ποσότητες, σε πολλά δεκαδικά σημεία ακρίβεια.

Τα "σύννεφα" στα οποία αναφέρεται ο Κέλβιν ήταν:

1. Η αδυναμία ανίχνευσης του φωτεινού αιθέρα, συγκεκριμένα η αστοχία του Michelson-Morley πείραμα
instagram viewer
2. ο μαύρη ακτινοβολία το οποίο είναι γνωστό ως η καταστροφή με υπεριώδη ακτινοβολία

Οι αναφορές σε αυτή την ομιλία έχουν γίνει κάπως δημοφιλείς για έναν πολύ απλό λόγο: ο Λόρδος Κέλβιν ήταν σχεδόν τόσο λάθος που θα μπορούσε να είχε. Αντί για μικρές λεπτομέρειες που έπρεπε να επεξεργαστούν, τα δύο "σύννεφα" του Kelvin αντιπροσώπευαν τα θεμελιώδη όρια σε μια κλασική προσέγγιση στην κατανόηση του σύμπαντος. Η επίλυσή τους εισήγαγε ολόκληρα νέα και απροσδόκητα πεδία φυσικής, γνωστά συλλογικά ως «σύγχρονη φυσική».

Στην πραγματικότητα, ο Max Planck λυθεί το πρόβλημα της ακτινοβολίας του μαύρου σώματος το 1900, πιθανώς, αφού ο Κέλβιν έδωσε το δικό του ομιλία) Κάνοντας έτσι, έπρεπε να επικαλεστεί την έννοια των περιορισμών στην επιτρεπόμενη ενέργεια των εκπεμπόμενων φως. Αυτή η έννοια ενός "ελαφριού κβάντα" θεωρήθηκε τότε ως ένα απλό μαθηματικό τέχνασμα, απαραίτητο για την επίλυση του προβλήματος, αλλά λειτούργησε. Η προσέγγιση του Πλανκ εξήγησε με ακρίβεια τα πειραματικά στοιχεία που προκύπτουν από θερμαινόμενα αντικείμενα στο πρόβλημα ακτινοβολίας μαύρου σώματος.

Ωστόσο, το 1905, ο Αϊνστάιν πήρε την ιδέα περαιτέρω και χρησιμοποίησε την έννοια για να εξηγήσει επίσης φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Μεταξύ αυτών των δύο λύσεων, κατέστη σαφές ότι το φως φαινόταν να υπάρχει ως ελάχιστα πακέτα, ή ποσοτικά,φωτόνια, όπως αργότερα θα έλεγαν.

Μόλις κατέστη σαφές ότι το φως υπήρχε σε πακέτα, οι φυσικοί άρχισαν να ανακαλύπτουν ότι όλα τα είδη ύλης και ενέργειας υπήρχαν σε αυτά τα πακέτα και η ηλικία των κβαντική φυσική άρχισε.

Το άλλο "σύννεφο" που ανέφερε ο Κέλβιν ήταν η αποτυχία των πειραμάτων Michelson-Morley να συζητήσουν τον φωτεινό αιθέρα. Αυτή ήταν η θεωρητική ουσία που οι φυσικοί της ημέρας πίστευαν ότι διαπέρασαν το σύμπαν, έτσι ώστε το φως να κινείται σαν ένα κύμα. Τα πειράματα Michelson-Morley ήταν μια αρκετά έξυπνη σειρά πειραμάτων, βασισμένη στην ιδέα το φως θα κινείται με διαφορετικές ταχύτητες μέσω του αιθέρα ανάλογα με το πώς η Γη κινείτο μέσα από αυτό. Κατασκεύασαν μια μέθοδο μέτρησης αυτής της διαφοράς... αλλά δεν είχε δουλέψει. Φαίνεται ότι η κατεύθυνση της κίνησης του φωτός δεν είχε καμία σχέση με την ταχύτητα, η οποία δεν ταιριάζει με την ιδέα να κινείται μέσα από μια ουσία όπως ο αιθέρας.

Και πάλι, όμως, το 1905 ο Αϊνστάιν ήρθε μαζί και έβαλε την μπάλα σε τροχιά. Έθεσε την προϋπόθεση του ειδική σχετικότητα, επικαλούμενος ένα postulate ότι το φως πάντα κινείται με μια σταθερή ταχύτητα. Καθώς ανέπτυξε τη θεωρία της σχετικότητας, κατέστη σαφές ότι η έννοια του φωτεινού αιθέρα δεν ήταν πλέον ιδιαίτερα χρήσιμη, έτσι οι επιστήμονες το απορρίπτουν.

Τα δημοφιλή βιβλία φυσικής έχουν αναφερθεί συχνά σε αυτό το γεγονός, διότι καθιστά σαφές ότι ακόμη και πολύ οι πεπειραμένοι φυσικοί μπορούν να ξεπεραστούν από την υπερβολική αυτοπεποίθηση στην έκταση του πεδίου τους εφαρμοσιμότητα.

Στο βιβλίο του Το πρόβλημα με τη φυσική, ο θεωρητικός φυσικός Lee Smolin λέει τα εξής σχετικά με την ομιλία:

Ο William Thomson (Λόρδος Kelvin), ένας σημαντικός Βρετανός φυσικός, διάσημος διακήρυξε ότι η φυσική τελείωσε, εκτός από δύο μικρά σύννεφα στον ορίζοντα. Αυτά τα "σύννεφα" αποδείχτηκαν οι ενδείξεις που μας οδήγησαν στην κβαντική θεωρία και τη θεωρία της σχετικότητας.

Ο φυσικός Brian Greene αναφέρει επίσης την ομιλία Kelvin στο Το Ύφασμα του Κόσμου:

Το 1900, ο ίδιος ο Κέλβιν σημείωσε ότι «δύο σύννεφα» αιωρούσαν στον ορίζοντα, ένα που αφορούσε τις ιδιότητες της κίνησης του φωτός και το άλλο με οι πτυχές των αντικειμένων ακτινοβολίας εκπέμπουν όταν θερμαίνονται, αλλά υπήρχε μια γενική αίσθηση ότι πρόκειται για απλές λεπτομέρειες, οι οποίες, χωρίς αμφιβολία, σύντομα θα ήταν απευθύνεται.

Μέσα σε μια δεκαετία, όλα άλλαξαν. Όπως αναμενόταν, τα δύο προβλήματα που είχε θέσει ο Κέλβιν έλαβαν άμεση απάντηση, αλλά απέδειξαν οτιδήποτε άλλο παρά δευτερεύον. Κάθε ένας ανάφλεξε μια επανάσταση, και το καθένα απαιτεί μια θεμελιώδη επανεγγραφή των νόμων της φύσης.