Вилхелм Вин (Wilhelm Wien)
13 януари 1864 г. – 30 август 1928 г.
Нобелова награда за физика, 1911 г.
(За откритията в областта на законите, управляващи топлинното лъчение.)
Немският физик Вилхелм Карл Вин е роден в град Гафкен, намиращ се по това време в състава на Източна Прусия (днес град Приморск, Русия); единствен син е на Карл Вин, фермер, и Каролина Вин (Херц). Когато момчето е на две години, семейството му се премества в по-малка ферма в Драхенщайн. Затворено като баща си, то няма приятели и е особено привързано към майка си. Както е прието по това време, наемат му учителка по френски език, на който се научава да говори, преди да се научи да пише на немски. Официално Вин започва да учи на единадесет години в Растенбургската гимназия.
Той е невнимателен ученик , предпочитайки вместо подготовката на домашните си задачи да броди по полетата и се учи лошо, особено по математика. Родителите му го спират от училище през 1879 г. и го възпитават вкъщи, учейки го на фермерски занаят, а училищните си занимания продължава с частен учител. След това през 1880 г. постъпва в Кьонигсбергската гимназия и я завършва през ранната есен на 1882 г. По-късно, през същата есен, насърчаван от майка си, постъпва в Гьотингенския университет. Неудовлетворен от математическите курсове и живота на студентските корпорации, напуска Гьотинген, където учи един семестър, и се отправя на пътешествие из немските области покрай река Рейн. Връща се вкъщи с намерение да стане фермер, но като разбира, че не е създаден за тази работа, подновява през есента на 1882 г. заниманията си по математика в Берлинския университет.
След два семестъра класни занятия и три години лабораторна работа под ръководството на Херман фон Хелмхолц, известен физик, математик и физиолог, като прекарва едно лято и в Хайделбергския университет, през 1886 г. Вин получава докторска степен. Дисертацията му е свързана с дифракцията на светлината и влиянието на абсорбцията на метала върху получените цветове. Дифракцията е явление, възникващо в резултат от вълновата природа на светлината. Ако зад метална преграда се постави екран от страната, противоположна на светлинния източник, при подходящи условия върху екрана се появява дифракционна картина.
Тази картина се състои от редуващи се ярки и тъмни ивици, разпростиращи се по-ниско от геометричната сянка на преградата. Тъй като произходът на ярките и тъмните ивици е свързан с дължината на вълната (съответстваща на определен цвят) и дифракционната картина е различна за различните дължини на вълната, с помощта на дифракция може да се раздели светлина, съдържаща смес от цветове, на разноцветни ивици. Вин открива, че след дифракция светлината се поляризира и че материалът, от който се състои преградата, влияе на цвета. Той предполага, че този цветови ефект не може да се обясни в рамките на съществуващите теории, тъй като те не вземат предвид трептенето на молекулите в дифракционната пластина.
През лятото на 1886 г. Вин си идва у дома, за да помогне на родителите си във фермата, където е възникнал пожар, който поврежда няколко постройки. Там той остава през следващите четири години, продължавайки да изучава самостоятелно теоретична физика. Бъдещето му се определя, когато сушата през 1890 г. принуждава родителите му да продадат земята. Вин става асистент на Хелмхолц в новия Държавен физико-технически институт в Шарлотенбург (днес част от Берлин), където се занимава с решаване на задачи, поставени от промишлени фирми.
За 30-годишен период Вин провежда широк кръг от научни изследвания в различни академични институти. През 1892 г. става лектор в Берлинския университет, през 1896 г. заема поста на професор по физика в Техническия университет в Ахен, сменяйки Филип фон Ленард. През 1899 г. е професор по физика в Гисенския университет, а след това, през 1900 г., приема от Вилхелм Рентген поста професор по физика във Вюрцбургския университет.
Изследванията на Вин обхващат редица въпроси, включително и по хидродинамика, особено свързаните с поведението на морските вълни и циклоните. Още в Държавния физико-технически институт той започва плодотворните си изследвания по топлинно излъчване, иначе казано - по излъчването на телата, предизвикано от тяхното нагряване. При различни температури телата поглъщат, отразяват или предават падащото върху тях излъчване. Но независимо от това те излъчват енергия, тъй като притежават определена температура. Добре известен пример е нишката на електрическата лампа.
През 1860 г., провеждайки теоретически изследвания върху връзката между излъчването и поглъщането на енергия, Густав Кирхоф въвежда понятието абсолютно черно тяло, което поглъща цялото падащо върху него излъчване, без да отразява нищо. Черното като въглен реално тяло - превъзходен, макар и не абсолютно идеален поглъщач на излъчване - все пак отразява малка част от светлината, падаща върху него. То изглежда черно, защото отразява прекалено малко светлина. Абсолютно черното тяло е идеален поглъщач и Кирхов посочва, че то освен това е и най-добрият възможен излъчвател и затова може да служи за еталон за намиране на връзката между интензивността на излъчване и температурата на тялото - независимо от материала, от който е направен конкретният излъчвател.
Макар че едно обикновено тяло не може да бъде абсолютно черно, Кирхоф посочва, обосновавайки се теоретично, че ограденото отвсякъде със стени пространство при еднородна температура (например пещ) притежава необходимите свойства на абсолютно черното тяло - независимо от материала на стените. В това можем да се убедим като се опитаме да си представим какво ще стане, когато направим малък отвор в една от стените. Излъчването, попаднало в отвора, ще достигне противоположната стена и частично ще бъде погълнато, а частично ще се отрази. Крайно невероятно е отразената част да попадне обратно в малкия отвор. Вместо това тя ще извършва серия от отразявания и поглъщания, докато не се погълне напълно (като при това ще нагрее леко стените) и никога повече няма да излезе навън. С други думи - пространството, оградено от стени, ще погълне напълно попадналото в него излъчване, както би трябвало да се случи с едно абсолютно черно тяло. Кирхоф посочва, че излъчването вътре в подобно пространство, състоящо се от кръстосващи се лъчи, които се отразяват от стените, притежава разпределение на дължините на вълните и интензивности, зависещи само от температурата, но не и от материала на стените.
През 1893 г. Вин изследва излъчването на абсолютно черното тяло, използвайки за това така наречения от него "мисловен" (за разлика от лабораторния) експеримент, опиращ се на законите на термодинамиката. Австрийският физик Людвиг Болцман използва термодинамиката по аналогичен начин, за да обоснове математическа формула, открита емпирично от съотечественика му Йозеф Стефан. Стефан забелязва, че общата енергия, излъчвана всяка секунда от едно черно тяло и включваща всички дължини на вълната, е пропорционална на четвъртата степен на абсолютната температура (–273°С) на тялото. Вин развива това теоретично изследване, като пресмята по какъв начин изменението на температурата ще повлияе върху енергията, излъчвана при дадена дължина на вълната, с други думи - при даден цвят.
От експериментите е известно, че едно нагрято тяло излъчва в определена област, иначе казано - в определен честотен спектър (дължина на вълната), но не еднородно. Графиката на излъчваната енергия като функция на дължината на вълната представлява крива, започваща с ниски значения при големи дължини на вълната и издигаща се плавно към заоблен връх, представляващ максимума на интензивността при определена промеждутъчна дължина на вълната, а след това отново падаща до ниски значения на енергията при по-къси дължини на вълната. Вин открива, че кривата се измества в областта на по-късите или по-дългите вълни в съответствие с повишаването или понижаването на температурата според просто съотношение, известно днес като закон на Вин за изместването. Дължината на вълната, съответстваща на върха на излъчването, умножена по абсолютната температура, остава постоянна величина. Тъй като формата на кривата, изобразяваща зависимостта на излъчваната енергия от температурата, в основни линии не се променя, знаейки кривата при определена температура, можем да построим аналогична крива и при всяка друга температура, като използваме закона на Вин.
Промените на дължината на вълната са очевидни при електронагревателен елемент с нарастването на температурата. Когато елементът стане доста горещ, той свети с мътна червена светлина (дълги вълни). Когато температурата се повишава, светлината става яркочервена, след това оранжева, по-нататък жълта и накрая бяла, тъй като дължината на вълната става все по-къса и по-къса. Бялата светлина е смес от множество дълги вълни. Там има къси вълни в съответствие със закона на Вин (дължините на вълната стават с нарастването на температурата все по-къси) и всякакви вълни, включително и по-малко дълги, които притежават достатъчно енергия, за да присъстват във видимия компонент съгласно закона на Стефан-Болцман (общото количество на излъчваната енергия нараства с увеличаването на температурата).
През 1896 г. Вин се предвижва още по-напред в своите теоретични пресмятания, обяснявайки формата на кривата на разпределението на енергията с помощта на законите на термодинамиката и електромагнитната теория, разработена от физика Дж.К.Максуел. Това обяснение получава известност като закон за излъчването на Вин.
Законът на Вин за изместването получава експериментално потвърждение при измерването на излъчването през малко отверстие във вътрешността на черно тяло. Изследването е направено от Ото Лумер и Ернст Прингсхайм през 1899 г. с помощта на чувствителен прибор, наречен болометър. Но по отношение на закона за излъчването е открито, че се съгласува много добре с експериментите само в областта на късите вълни и се отклонява силно от тях при дългите вълни. Английският физик Дж.У.Страт (лорд Рейли) извежда уравнение, което няма проблеми при дългите, но има проблеми при късите вълни. Именно опитът да се съгласува теорията с експеримента за целия спектър довежда Макс Планк до създаването на революционната му квантова теория. Както отбелязва Вин, Планк решава проблема, "като въвежда знаменитата хипотеза за елементите енергия (кванти), според която енергията не е безкрайно делима, а може да се разпределя само на големи количества, които не могат да се делят по-нататък".
Вин се занимава също и с други изследвания, преди всичко с електрическите разряди в газове под много ниско налягане във вакуумните тръби. При тези разряди се появяват три вида излъчвания, изглеждащи доста загадъчни. Единият вид, наречени катодни лъчи, се движи от катода (отрицателния електрод) към анода (положителния електрод). Вторият вид, наречен канални лъчи, се движи в противоположна посока. Третият вид, открит през 1895 г. от Вилхелм Рентген и наречен рентгенови лъчи, се появява в областта на анода, откъдето се избива от катодните лъчи. Катодните лъчи, наречени по-късно електрони, са открити от английския физик Дж.Дж.Томсън през 1897 г. Вин потвърждава, че катодните лъчи са частици, носещи отрицателен заряд. Той също посочва, че каналните лъчи са положително заредени атоми (йони) на остатъчните газове в разрядните тръби и за първи път дава оценка за дължината на вълната на рентгеновите лъчи (много по-къса от тази на видимата светлина), измервайки отношението на енергията им спрямо енергията на създаващите ги катодни лъчи. По-нататъшните му изследвания имат също така съществен принос за радиационната физика, като тук може да се споменат уточнените пресмятания на дължината на вълната на рентгеновите лъчи и предложението да се използват за измерването им кристали пет години преди Макс фон Лауе да проведе аналогичен експеримент.
По време на посещението си в САЩ през 1913 г. Вин чете лекции в Колумбийския университет и посещава Харвардския и Йелския университет. През 1920 г. отново става приемник на Рентген, този път като професор по физика в Мюнхенския университет, където ръководи създаването на физическия институт. През 1925-1926 г. е ректор на университета.
През 1898 г. Вин се жени за Луизе Мелер, която среща в Ахен; те имат двама сина и две дъщери. Вин обича през свободното си време да се занимава с история, литература и изкуство. Умира в Мюнхен. "Вероятно ще се намерят много малко физици, които като Вили Вин да владеят до такава степен еднакво добре както експерименталната, така и теоретическата страна на практическата си дейност" - пише за колегата си Макс Планк.
От 1906 г. до смъртта
си Вин издава заедно с Макс Планк списание
"Annalen der Physik". Член е на американската
Национална академия на науките и на
научните академии в Берлин, Гьотинген,
Виена и Стокхолм.
Превод от руски: Павел Б. Николов
