Вільгельм Вин

Фотографія Вільгельм Вин (photo Vilgelm Vin)

Vilgelm Vin

  • День народження: 13.01.1864 року
  • Вік: 64 роки
  • Місце народження: Гаффкен, Німеччина
  • Дата смерті: 30.08.1928 року
  • Громадянство: Німеччина

Біографія

Німецький фізик Вільгельм Карл Вин народився р. Гаффкене, тоді входив до складу Східної Пруссії (нині р. Приморськ, Росія); був єдиним сином Карла Вина, фермера, і Кароліни Вин (в дівоцтві Герц). Коли хлопчику було два роки, його родина переїхала на меншу ферму в Драхенштайн. Замкнутий, як і його батько, хлопчик не мав друзів і був особливо прив’язаний до своєї матері. Як було прийнято тоді, йому найняли вчительку французької мови, на якому він став говорити раніше, ніж навчився писати по-німецьки. Офіційно Ст. почав вчитися у віці одинадцяти років у Растенбургской гімназії.

Він не був уважним учнем, воліючи замість підготовки домашніх завдань бродити по полях, і вчився погано, особливо з математики. Батьки взяли його з школи у 1879 р. і виховували вдома, навчаючи фермерському справі, а свої шкільні заняття він продовжував з приватним вчителем. Потім восени 1880 р. В. вступив у гімназію в Кенігсберзі і закінчив її ранньої навесні 1882 р. Пізніше цієї ж весни, підбадьорений своєю матір’ю, він вступив до Геттінгенського університету. Незадоволений математичними курсами і не любив життя студентських корпорацій, він залишив Геттінгені, провчившись там один семестр, і вирушив у подорож по прирейнским областях Німеччини. Він повернувся додому з наміром стати фермером, але, зрозумівши, що ця робота не для нього, відновив заняття математикою і фізикою в Берлінському університеті восени 1882 р.

Після двох семестрів класних занять і трьох років лабораторної роботи під керівництвом Германа фон Гельмгольца, видатного фізика, математика і фізіолога, провівши також одне літо в Гейдельберзькому університеті, Ст. отримав докторську ступінь в 1886 р. Його дисертація була присвячена дифракції світла на гострому металевому краї абсорбції і впливу металу на одержувані кольору. Дифракція – це явище, що викликається хвильовою природою світла. Якщо за металевим бар’єром помістити екран з боку, протилежного джерела світла, то при відповідних умовах на ньому виникне дифракційна картина.

Ця картина складається з чергуються світлих і темних смужок, що знаходяться нижче геометричної тіні бар’єру, як якщо б світ огинав край бар’єра. Оскільки розташування яскравих і темних смуг пов’язане з довжиною хвилі (що відповідає певному кольору) і дифракційна картина різна для різних довжин хвиль, то за допомогою дифракції можна розділити світло, що містить суміш квітів, на пофарбовані смужки. В. виявив, що після дифракції світло стає поляризованим і що матеріал, з якого складається край, впливає на кольори. Він вважав, що цей колірний ефект можна пояснити в рамках існуючих теорій, оскільки вони не враховують коливань молекул дифракційної пластини.

Влітку 1886 р. В. приїхав додому, щоб допомогти батькам на фермі, на якій виникла пожежа, пошкодив кілька будівель. Він залишався тут протягом наступних чотирьох років, продовжуючи самостійно вивчати теоретичну фізику. Його майбутнє визначилося, коли посуха 1890 р. змусила його батьків продати землю. Ст. став асистентом у Гельмгольца в новому Державному фізико-технічному інституті в Шарлоттенбурзі (нині частина Берліна), де займався вирішенням завдань, поставлених промисловими фірмами.

За 30-річний період Ст. виконав широке коло наукових досліджень в різних академічних інститутах. У 1892 р. він став лектором Берлінського університету, в 1896 р. зайняв посаду професора фізики в Технічному університеті в Аахені, змінивши на цьому посту Філіпа фон Ленарда. У 1899 р. він був професором фізики в Гессенском університеті, а потім, у 1900 р., став спадкоємцем Вільгельма Рентгена на посаді професора фізики Вюрцбурзького університету.

Дослідження Ст. охоплюють рядвопросов, включаючи, зокрема, гідродинаміку, особливо поведінка морських хвиль і циклонів. Ще у Державному фізико-технічному інституті він почав свої плідні дослідження теплового випромінювання, тобто випромінювання тіл, викликаному їх нагріванням. При різних температурах тіла поглинають, відображають або передають падаюче на них випромінювання. Але незалежно від цього вони випромінюють енергію, оскільки володіють певною температурою. Добре знайомим прикладом служить нитка електричної лампочки.

У 1860-х рр. Густав Кірхгоф, проводячи теоретичні дослідження зв’язку між випромінюванням і поглинанням енергії, ввів поняття абсолютно чорного тіла, яке поглинає все падаюче на нього випромінювання, нічого не відображаючи. Реальне тіло, чорне, як вугілля, – цей чудовий, хоча і не абсолютно ідеальний поглинач випромінювання – все ж відображає невелику частку світла, падаючого на нього. Воно виглядає чорним, тому що відображає занадто мало світла. Абсолютно чорне тіло – це ідеальний поглинач, і Кірхгоф показав, що воно, крім того, і найкращий можливий випромінювач і тому може служити еталоном для знаходження зв’язку між інтенсивністю випромінювання і температурою тіла – незалежно від матеріалу, з якого зроблений конкретний випромінювач.

Хоча звичайне тіло не може бути абсолютно чорним тілом, Кірхгоф показав, теоретично обгрунтувавши, що простір, повністю оточене стінками при однорідної температурі (наприклад, топка), володіє потрібними властивостями абсолютно чорного тіла – незалежно від матеріалу стінок. Переконатися в цьому можна, якщо спробувати зрозуміти, що станеться, коли ми зробимо маленький отвір в одній зі стінок. Випромінювання, що потрапило в отвір, досягне протилежної стінки і частково поглинеться, а частково відіб’ється. Вкрай неймовірно, щоб відбита частина потрапила назад в наше маленьке отвір. Замість цього вона буде здійснювати серію відбиттів і поглинань до тих пір, поки не поглинеться повністю (злегка нагріваючи при цьому стінки), і ніколи більше не вийде назовні. Іншими словами, наш шматок простору, обмеженого стінками, повністю поглине потрапило в нього випромінювання, як це і належить абсолютно чорного тіла. Кірхгоф показав, що випромінювання всередині такої порожнини, складене з перехресних променів, що відбиваються від стінок, має розподілом довжин хвиль та інтенсивностей, що залежать тільки від температури, але не від матеріалу стінок.

У 1893 р. Ст. досліджував випромінювання абсолютно чорного тіла, використовуючи для цього те, що він назвав «уявним» (на відміну від лабораторного) експериментом, що спирається на закони термодинаміки. Австрійський фізик Людвіг Больцман використовував термодинаміку аналогічним чином для обґрунтування математичної формули, емпірично знайденої його співвітчизником Йозефом Стефаном. Стефан зауважив, що загальна енергія, випромінювана щомиті чорним тілом і включає всі довжини хвиль, пропорційна четвертій степені абсолютної температури (-273°С) тіла. Ст. розвинув це теоретичне дослідження, підрахувавши, яким чином зміна температури вплине на енергію, випромінювану на заданій довжині хвилі, або кольорі (на самомделе у вузькому інтервалі довжин хвиль з центром в заданому значенні).

З експериментів було відомо, що нагріте тіло випромінює випромінювання в певній області, або спектрі частот (довжин хвиль), але не однорідне. Графік випромінюваної енергії як функції довжини хвилі являє собою криву, що починається з низьких значень при великих довжинах хвиль, плавно піднімається до закругленої вершині, представляє максимум інтенсивності при деякій проміжній довжині хвилі, а потім знову падає до низьких значень енергії при більш коротких довжинах хвиль. В. виявив, що ця крива переміщується в область більш короткі або більш довгих хвиль по мірі того, як температура відповідно підвищується або знижується, згідно простому співвідношенню, нині відомому як закон зміщення Віна. Довжина хвилі, відповідна піку випромінювання, помножена на абсолютну температуру, залишається величиною постійною. Оскільки форма кривої, що зображає залежність випромінюваної енергії від температури, в основному не змінюється, то, знаючи криву при одній температурі, можна побудувати аналогічну криву і при будь-якій іншій температурі, користуючись законом Вина.

Зміни довжини хвилі очевидні электронагревательном елементі в міру зростання температури. Коли елемент стає досить гарячим, він світиться тьмяним червоним свіченням (довгі хвилі). Коли температура підвищується, він змінює світіння на яскраво-червоне, потім помаранчеве, далі жовте і, нарешті, біле, оскільки довжина хвилі стає все коротше і коротше. Білий колір – це суміш багатьох довжин хвиль. Тут присутні короткі хвилі у відповідності з законом Вина (довжини хвиль по мірі зростання температури стають коротше) і всі хвилі, включаючи і менш довгі, які мають достатню енергію, щоб бути присутнім у видимій компоненті в згоді з законом Стефана – Больцмана (загальна кількість випромінюваної енергії зростає із збільшенням температури).

У 1896 р. В. просунувся далі у своїх теоретичних розрахунках, пояснивши форму кривої розподілу енергії з допомогою законів термодинаміки і електромагнітної теорії, розвинутої шотландським фізиком Джеймсом Клерком Максвеллом. Це пояснення здобуло популярність як закон випромінювання Вина.

Закон зміщення Віна одержав експериментальне підтвердження при вимірах випромінювання, що випускається маленьким отвором у порожнині чорного тіла. Дослідження було проведено Отто Луммером і Ернстом Прингсхаймом у 1899 р. з допомогою чутливого приладу, званого болометром. Однак що стосується закону випромінювання, то виявилося, що він дуже добре узгоджується з експериментами тільки в області коротких хвиль і сильно відхиляється від них для довгих хвиль. Англійський фізик Дж. У. Strutt (лорд Релей) вивів рівняння, яке добре працювало для довгих, але погано для коротких хвиль. Саме спроба узгодити теорію з експериментом на всьому спектрі хвиль призвела Макса Планка до створення його революційної квантової теорії. Як зазначив В., Планк вирішив проблему, «ввівши знамениту гіпотезу про елементи енергії (квантах), згідно з якою енергія не є нескінченно подільною, але може розподілятися толькодовольно великими кількостями, які не можна дробити далі».

Ст. займався також і іншими дослідженнями, насамперед електричними розрядами в газах під дуже низьким тиском у вакуумних трубках. При цих розрядах з’являлися три типу випромінювання, що здавалися тоді загадковими. Один тип, названий катодними променями, рухався від катода (негативного електрода) до анода (позитивного електрода). Другий тип, названий канальними променями, рухався в протилежному напрямку. Третій тип, відкритий в 1895 Вільгельмом Рентгеном і названий рентгенівськими променями, виникав в області анода, звідки він вибивався катодними променями. Катодні промені, пізніше названі електронами, були відкриті англійським фізиком Дж.Дж. Томсоном у 1897 р. В. підтвердив, що катодні промені – це частинки, що несуть негативний заряд. Він також показав, що канальні промені – це позитивно заряджені атоми (іони) залишкових газів у розрядних трубках, і вперше дав оцінки довжин хвиль для рентгенівських променів (набагато коротше видимого світла), вимірюючи ставлення їх енергії до енергії породжують їх катодних променів. Його подальші роботи також внесли істотний внесок в радіаційну фізику; тут можна згадати уточнені розрахунки довжин хвиль рентгенівських променів і пропозиція використовувати для їх вимірювання кристали за п’ять років до того, як Макс фон Лауе виконав аналогічну роботу.

Ст. був нагороджений у 1911 р. Нобелівською премією «за відкриття в галузі законів, керуючих тепловим випромінюванням». У Нобелівській лекції він говорив про значення того, що він назвав «уявними» експериментами. «В додатках термодинаміки до теорії випромінювання корисно застосовувати ті ідеальні процеси, які виявилися настільки плідними в інших відносинах, – сказав він. – Я маю на увазі уявні експерименти, які найчастіше не можуть бути реалізовані на практиці, але тим не менш призводять до надійним результатами… З цих уявних експериментів ми можемо витягти важливий висновок: ми можемо визначити, яким чином спектральний склад випромінювання абсолютно чорного тіла змінюється при зміні температури».

Під час свого візиту в США у 1913 р. В. читав лекції в Колумбійському університеті, відвідав як Гарвардський, так і Єльський університети. У 1920 р. він знову став наступником Рентгена, цього разу в якості професора фізики Мюнхенського університету, де керував створенням фізичного інституту. У 1925…1926 рр. він був ректором цього університету.

У 1898 р. В. одружився на Луїзі Мелер, яку він зустрів в Ахені; у них було два сини і дві дочки. Ст. любив у вільний час вивчати історію, літературу і мистецтво. Він помер у Мюнхені в 1928 р. «Ймовірно, знайдеться дуже мало фізиків, які, як Віллі Вин, в такій же мірі однаково добре розбиралися б як в експериментальній, так і в теоретичній сторонах своєї практичної діяльності», – написав про свого колегу Макс Планк.

З 1906 р. до самої смерті Вин був співвидавцем (разом з Максом Планком) журналу «Аннален дер фізик» («Annalen der Physik»). Він був членом американської Національної академії наук і наукових академій Берліна, Геттінгена, Вени і Стокгольма.