В 1977 году, вспоминая о событиях, которые происходили около 50 лет назад, П.А. М. Дирак говорит, что это был период большого оживления в физике. В отношении квантовой электродинамики (КЭД) он ощущал неудовлетворенность результатами ее достижений, т. к. эти успехи в основном обусловлены случайностью. КЭД хорошо работала в случае некоторых одноэлектронных задач, несмотря на то, что концепции теории Н. Бора были в основе неверными [31]. Автор заканчивает статью словами: «Я, действительно, провел всю свою жизнь в попытках найти лучшие уравнения квантовой электродинамики и до сих пор безуспешно». Уверенности взглядам, что энергия света распределяется по пространству дискретно, придавала позиция Эйнштейна, касающаяся «излучения черного тела», фотолюминесценции и других явлений, связанных с возникновением и превращением света [69]. Доказательство сводилось к двойственной природе света принципу дуализму, согласно которому частицы имеют также волновую природу. Для Бора применение идей непрерывности и причинности немыслимо: «Две точки зрения на природу света являются скорее двумя различными попытками интерпретации экспериментального материала, в которых ограниченность классических понятий находит взаимно дополняющее выражение» [70].
Дж. Дж. Томсон английский физик, лауреат Нобелевской премии интуитивно чувствовал фальшь в философии Бора. Он считал, что атом состоит из большого числа корпускул. В нормальном атоме это собрание образует систему, которая электрически нейтральна. Пространство, в котором находятся корпускулы, ведет себя так, как если бы оно обладало зарядом положительного электричества, равным по величине сумме зарядов отрицательных корпускул. Согласно воззрениям Томсона, атом состоял из отрицательно заряженных электронов и частиц с положительными зарядами внутри сферы радиуса R =10
8
Теоретики в качестве базовой модели навязали планетарную модель атома, хотя многочисленные эксперименты не подтверждали вращения Земли и свидетельствовали против закономерностей Кеплера и гипотезы Коперника. Вывод из результатов инструментальных измерений постоянно искажают, доказывают то, что не свойственно природе. О сложности обобщений результатов эксперимента при переходе от опыта к суждению, от познания к применению говорит И. Гете. Внутренние враги, живущие в человеке это воображение, нетерпение, поспешность, самодовольство, косность, формализм мысли, предвзятое мнение, лень, легкомыслие, непостоянство мысли [71]. Они часто одолевают и практика и наблюдателя, кажущегося застрахованным от всех страстей. Если перед наукой стоит задача построения гипотезы на новых принципах устройства атома, то ей потребуется отказаться от ложных постулатов Бора.
Главная причина признания планетарной модели Бора недостаточная креативность ученых. Они не могут отступить от стандарта и предложить нешаблонную модель структуры атома. К. Поппер обозначил системную проблему постулатов Бора: «Я уверен, физики вскоре поймут, что принцип дополнительности является принципом ad hoc и что (это еще более важно) его единственная функция состоит в том, чтобы избежать критики и предотвратить обсуждение физических интерпретаций, хотя критика и обсуждение крайне необходимы для развития любой теории» [73]. Для решения серьезной проблемы, от Бора требовались аргументы, доказывающие работоспособность новой модели атома. Искажение известных физических законов, более ассоциирует с преднамеренной фальсификацией, чем с понятием гипотезы. Насилием над истиной, ложь можно навязывать обществу ограниченное время. В анналах истории от теории, изложенной Н. Бором, останется только «пшик».
6. Структурный подход к модели атома
Весь мир, по мнению Ф. Ленарда, состоит из вещества, которое бывает двух родов: материя и эфир. Пространство между звездами и планетами не пустое, оно заполнено веществом второго рода, отличным от материи, эфиром [74, с. 10]. Филипп Эдуард Антон фон Ленард в опытах с катодными лучами наблюдал отклонение электронов от прямолинейности при прохождении через тонкую пластину вещества. Этот факт указал ему на то, что внутри атома должно существовать необыкновенно сильное электромагнитное поле, так как на отклонение катодных лучей могут влиять только электрическая и магнитная силы. Ленард называет катодные лучи «электричеством свободным от материи», потому что в природе находятся только наэлектризованные тела и никогда электричество само по себе. Немецкий физик в 1903 г. изложил гипотезу устройства вещества. Согласно учению, атомы в обычном состоянии не наэлектризованы, т. е. в каждом из них должно быть равное количество положительного и отрицательного электричества. Сердцевиной концепции была структурная организация атома. Ученый объединил отрицательный заряд с положительным и назвал полярную пару «динамидой». Ленард говорил, что атомы состоят из динамид, которые создают единое силовое поле. Заряды противоположных полярностей входят в структуру атома.
Рассматривая атом, Ленард находит, что непроницаемое пространство в атомах «чрезвычайно мало». Нейтральные частицы (динамиды) маленького объема размещаются внутри тела. Группируясь внутри атома, они образуют центры поля. Ленард предполагает вероятным следующее устройство атома: отрицательные электроны движутся по замкнутым траекториям около мало подвижных положительных электронов; эти движения сохраняются в атоме длительное время. По мнению Ленарда [74. С. 53], в кубическом метре какого-нибудь вещества, оказывается меньше одного кубического миллиметра такого непроницаемого пространства. Все остальное тело заполнено силовым полем, созданным зарядами атомов. В эфире, который заполняет все атомное пространство, заключено электромагнитное поле. Из постулата следовало, что эфир находится в покое, а рассеянная материя движется сквозь него. Ленард исключал действие эфира на равномерно движущуюся в нем материю (электрические заряды).
7. Неувязки в квантовой теории и в корпускулярно-волновом дуализме
7.1. Не очевидность процесса квантового излучения
Тепловая радиация, падающая на тело, частично поглощается, остальное уходит в направлениях, определяемых законами отражения и преломления. Нагретые тела излучают электромагнитные волны. Излучение света происходит в результате переходов атомов и молекул из состояний с большей энергией в состояние с меньшей энергией. Произведенные в XIX веке исследования зависимости интегральной лучеиспускательной способности нагретых тел от температуры, приводили к противоречивым результатам. Излучение определяется не только температурой, но также составом тела и физическими свойствами излучающей поверхности. Все тепловые лучи при их распространении подчиняются закономерностям световых лучей. Кирхгоф провел исследования химического состава солнечной атмосферы. По его результатам ученый пришел к выводу: для излучения одной и той же длины волны при одинаковой температуре отношение лучеиспускательной способности тела к его поглощательной способности для всех тел одно [75]. Если температуру тела поднимать все выше, то появляются новые лучи с меньшей длиной волны, возникают новые лучи с длиной волны, соответствующие величине температуры. При этом интенсивность лучей с большими длинами волн растет. Отсюда следует, если температуру тел, постепенно повышать, то при одной и той же температуре они начинают испускать лучи одной длины волны [76]. Интенсивность лучей определенной длины волны, испускаемых различными телами при той же температуре, может быть различной; она пропорциональна поглощательной способности тел для лучей данной длины волны. Законы абсолютно черного тела устанавливают энергетическую зависимость излучения от частоты и температуры. Интегральная излучательная способность (энергетическая светимость) абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры [20, с. 724]. Закон, получивший название Стефана Болъцмана, записывается в виде [34, с. 692]:
u = kT
4
где k = 5,67 10
8
2
4
Черное излучение эквивалентно излучению системы бесконечно большого числа не взаимодействующих друг с другом гармонических осцилляторов, называемых радиационными осцилляторами. Квантовая теория своим возникновением обязана неспособности классической теории объяснить результаты термодинамических экспериментов. Речь идет о распределения энергии в спектре испускания черных тел, которое, согласно закону Кирхгофа, не зависит от природы излучающего вещества. Лорд Рэлей (Д. У. Стретт) и Д. Х. Джинс применили к равновесному излучению в полости теорему статистической механики о равномерном распределении кинетической энергии по степеням свободы. Записав энергию равновесного излучения в полости абсолютно черного тела в интервале частот спектра от ν до ν+dν, получили [20, с. 734] формулу:
u
ν
kТν2
2
3
где с скорость света в вакууме; ν частота колебаний волн электромагнитных излучений.
В области больших частот теория приводит к расхождению с опытом. В экспериментах равновесие между излучением и излучающим телом устанавливается при конечных значениях u
ν
νuννuνНесоответствие теории экспериментам, очевидно, вызвано закономерностями, которые не учтены физиками. Классическая теория теплоемкости показывает на опыте, что она правильно описывает определенный круг явлений. Однако многие явления она не объясняет. Опытные факты приводят к заключению, что явления протекают всегда так, что эффективный вклад в теплоемкость вносят не все, а только некоторые степени свободы. При понижении температуры некоторые степени свободы становятся малоэффективными и совсем исчезают. Все происходит так, будто у молекул по мере охлаждения теряются степени свободы. С повышением температуры начинают проявляться новые степени свободы, которые ранее были малоэффективны. Расхождения классической теории с опытом при низких температурах проявляются особенно резко [78]. Экспериментально установлен факт, что при температуре абсолютного нуля удельные теплоемкости СV и СР всех тел стремятся к нулю. Это значит, что классический закон равномерного распределения кинетической энергии по степеням свободы требует уточнения.
Классическая теория рассматривает атом одноатомного газа как материальную точку с тремя степенями свободы, этим достигает известного согласия с опытом. Если принять атом твердым телом, то получится шесть степеней свободы три поступательные и три вращательные. По теореме о равномерном распределении кинетической энергии все степени свободы равноправны, фактически число полных степеней свободы шесть. По непонятным причинам атомные системы приближенно ведут себя как макроскопические модели с наложенными связями. Явления протекают так, что эффективный вклад в теплоемкость вносят не все, а только некоторые степени свободы. При повышении температуры начинают проявляться все новые и новые степени свободы, которые ранее были малоэффективны. Изменение состояния физической системы в теории считалось ранее непрерывным. При рассмотрении линейчатых спектров атомов и дифракции электронов возникли трудности. М. Планк пришел к радикальной идее: множество состояний, в которых может находиться колеблющаяся излучающая система, является дискретным, счетным, а различие между двумя такими состояниями характеризуется одной универсальной постоянной, элементарным квантом действия [79]. С признанием новой парадигмы были разорваны отношения с прежними воззрениями. Со временем возникли расхождения (так посчитали ученые), связанные со стационарными орбитами электронов они противоречат законам классической механики. В данном месте физики могли принципиально решить вопрос: теория неверна потому, что модель атома, предложенная Бором не верна. Но академики пошли другим путем. «Выход» нашел В. Гейзенберг: он отказался от детального описания движений электронов по классическим законам, введя в теоретическое рассмотрение лишь непосредственно наблюдаемые величины.
Потребность в новой теории возникла тогда, когда спектральная плотность энергии излучения должна была неограниченно расти по мере сокращения длины волны. Занимаясь исследованием проблемы спектрального распределения интенсивности излучения, М. Планк пришел к заключению: процесс носит дискретный характер, обмен энергией между веществом и излучением происходит определенными порциями. В 1900 г. Планк эмпирическим путем получил свою формулу, которая хорошо согласовалась с экспериментальными данными и сводилась к формуле Вина при малых длинах волн и к формуле Рэлея при больших. В 1901 году, вводя понятие кванта энергии, немецкий физик подвел под нее теоретическую основу [80]. Дискретность ученый связывал со свойствами вещества, представленного в виде ансамбля элементарных осцилляторов, энергия которых может принимать значения кратные минимальной величине кванту. О новой формуле излучения Планк доложил Берлинскому физическому обществу 19 октября 1900 года. Он предложил считать превращение колебательной энергии в энергию излучения линейного гармонического осциллятора, не так как в классической теории, а вполне определенными дискретными порциями, происходящими прерывно. Количество энергии (Е), которое мог излучать или поглощать осциллятор, должно удовлетворять соотношению (2.3):
Е = hν,
где универсальная константа (h = 6,625 10
34
В теорию вводят понятие кванта энергии. Планк подвел под формулу теоретическую основу. Согласно представлению немецкого ученого, испускание и поглощение излучения с частотой ν происходит при переходе осциллятора в соседнее состояние, расположенное соответственно либо ниже, либо выше исходной частоты. Задумавшись, что получится, если не производить предельный переход (ε 0), Планк вышел на закономерность, которая привела к серьезным изменениям в физике. В первых работах Планк обещал не нарушать философские принципы. Достаточно быстро изменил классической механике и электродинамике. Ученый решил, что соблюдать закон непрерывности не рационально и отказался в пользу «квантовых скачков». Фундаментальный принцип Планк счел формальным, поскольку «Маховский принцип непрерывности не дает ничего взамен, так как непрерывность не есть постоянство» [81].
Выступая в 1911 г. с докладом на I Сольвеевском конгрессе по физике в Брюсселе, Планк признал недостатки теории: теоретическое убывание температуры до абсолютного нуля, не приближает энергию осциллятора к нулю, она остается равной hν/2. Явления, связанные с квантом действия, и те, что по законам классической динамики протекают непрерывно принципиально противоположны. Не отрицая электродинамики, ученый апеллировал к направленности квантовой теории: гипотеза «не об энергии, а о действии». Предположил компромисс: молекулы и свободные электроны движутся по законам классической динамики, а атомы и электроны внутри молекул следуют квантовой теории; физические силы, (гравитационные, электрические и магнитные) «действуют непрерывно, а химические силы квантами. Во время дискуссии В. Вин высказал замечание о гипотезе Планка: «Планковскому осциллятору недостает одного важного свойства реальных молекул, а именно способности менять длину волны излучения; без этого свойства было бы невозможно равновесие излучения. Наоборот, связанные резонаторы различной частоты могут произвести нужное изменение длины волны излучения» [82]. Подобные резонаторы в вычислениях Планка не учитываются. Вин сомневается, что между излучением и плотностью энергии получилось бы фундаментальное соотношение, если их ввести. Пуанкаре указал на ограниченность гипотезы зависимостью всего одной степенью свободы. Планк согласился: «Для нескольких степеней свободы квантовая гипотеза еще не сформулирована». Чтобы избежать однозначного выбора между квантовыми явлениями и электромагнитной теорией Максвелла, Планк отказывается от своего прежнего мнения относительно поглощения и испускания. Он предложил компромиссную гипотезу: поглощение происходит непрерывно, а испускание дискретно. Пуанкаре не лестно отзывается о теории Планка: «Некая гипотеза возникла впервые у Планка, но она оказалась столь странной, что стремилась найти любые способы, чтобы от нее избавиться. Эти способы пока ничего не дали» [83]. Неприятие теории учеными вызвано тем, что энергия излучателей изменялась резкими скачками; физические явления не подчинялись законам, которые можно было выразить с помощью дифференциальных уравнений.