Этот «цифровой» физический мир

Гришаев Андрей Альбертович

И вот произошли два свершения. Второе из них: Резерфорд предложил планетарную модель атома. Основания для этой модели были, но, согласно ей, электроны в атоме осциллировали постоянно, поскольку они обращались вокруг ядра. А, значит, постоянно порождали световые волны. А, значит, постоянно теряли энергию. И, стремительно падая по спирали на ядро, успевали бы излучить широченный спектр – вместо отдельных линий, наблюдавшихся на опыте… А, несколько ранее этого свершения, Планку удалось соорудить математическое выражение, описывавшее спектр равновесного излучения, у которого максимум при комнатной температуре находится в инфракрасной области. Тут, правда, не обошлось без надувательства. Смотрите: выражение для электромагнитного спектра можно записать так, чтобы аргументом являлась частота – а можно так, чтобы аргументом являлась длина волны. Планк предложил оба эти варианта [П1,П2]. Казалось бы, это два выражения для одного и того же спектра. Но, поразительным образом, их максимумы сильно не совпадают. Чтобы в этом убедиться, следует взять производные от этих выражений и, приравняв их нулю, найти положения максимумов, а затем привести результаты к какой-нибудь одной физической величине – например, к энергии, удачно выражаемой в единицах kT, где k– постоянная Больцмана, а T– абсолютная температура. И окажется, что максимум длин-волнового

выражения Планка соответствует энергии 4.97kT, а максимум частотного выражения Планка – энергии 2.82kT [Г1]. Не мы первые это обнаружили: вопрос обсуждался даже на академическом уровне [Г2,С1,Г3]. Авторы предлагали «промежуточный» вариант выражения для равновесного спектра – с однозначным максимумом. Но, увы, этот вариант не находился в согласии с опытом: на опыте блестяще подтверждалось длин-волновое выражение Планка [Б1,Л1]. А в чём же тогда было надувательство? А в том, что всю квантовую теорию, со всеми её далеко идущими следствиями, строили на частотном выражении Планка, которое на опыте не подтверждалось!

И вот, в этом выражении, не подтверждаемом на опыте, фигурировало произведение частоты на подгоночный множитель, которому впоследствии присвоили статус фундаментальной константы – постоянной Планка. Произведение конкретной частоты на эту постоянную давало конкретную порцию энергии. Вот же они, кванты света! Ух, как они пригодились, чтобы решить проблему с устойчивостью атомов, которая возникала в планетарной модели Резерфорда! Бор, не напрягаясь, всё разъяснил: у атомарного электрона, мол, есть набор стационарных орбит, по которым он обращается, не излучая. А излучение-поглощение – квантами! – происходит, мол, при переходах с одной стационарной орбиты на другую. Эти переходы, мол, и дают наблюдаемые линейчатые спектры! Всё хорошо, но почему электрон, обращаясь по стационарной орбите, не излучает? Да, получается, потому, что Бор так постулировал!

Знаете, зависимость энергии кванта света только от частоты – это поначалу людей с ума сводило. Ведь квант света представляли как отрезочек электромагнитной волны. Сколько же периодов колебаний укладывается на этом отрезочке? Казалось бы: вдвое больше число колебаний – вдвое больше и энергия. Ан нет, при одной и той же частоте, квант длиной в одно колебание и квант длиной в миллион колебаний должны иметь одинаковую энергию! И, если частота является единственным параметром, определяющим энергию кванта, то что колеблется с этой частотой в атоме, поглотившем этот квант? И сколько длится «акт испускания» кванта атомом, тот самый переход электрона с орбиты на орбиту? Отчаявшись найти разумные ответы на эти вопросы, физики на Первом Сольвеевском конгрессе приняли постановление о том, что квант излучается и поглощается мгновенно. Так оно, конечно, спокойнее – если забыть про то, что этот «отрезочек волны» движется со скоростью света, и что он должен иметь какую-никакую длину. Ведь этот вопрос – насчёт длины кванта – на редкость мутный. Вот, например, фемтосекундный лазер. Длина светового импульса длительностью 100 фемтосекунд – 30 микрон. А вот другой пример – узкополосный лазер на красителе фирмы «Coherent Radiation». При ширине его спектра всего в 15 кГц, эквивалентная длина когерентности составляет 3 км. Какова же длина кванта света, если она – то не более 30 микрон, то не менее 3 км? Кстати, если квант света имел бы длину 30 микрон, то как он мог бы лететь в прозрачном твёрдом теле от атома к атому, если расстояние между ними составляет несколько Ангстрем? Вы, дорогой читатель, представляете, как от атома к атому может лететь нечто, имеющее длину на пять порядков больше, чем расстояние между ними? Не получается? Ну, ладно, тогда про 3-километровый квант лучше и не вспоминать…

Впрочем, это всё можно назвать лёгкими недоразумениями по сравнению с центральным догматом квантовой теории – согласно которому, атом может поглощать и излучать только такие кванты света, энергии которых в точности равны разностям энергий атомарного электрона на тех самых стационарных орбитах. Как такое можно было сморозить? Ведь у атомов различных химических элементов различны и наборы квантовых уровней энергии, соответствующих «стационарным орбитам». Выходит, что без специальных мер – сдвигающих или уширяющих квантовые уровни – квант света, излучённый атомом одного элемента, не может быть поглощён атомом другого элемента. Позвольте, если бы так оно и было, то электромагнитное взаимодействие не было бы универсальным! Вот эти атомы обменивались бы только такими квантами, а вон те – другими! Но, к счастью, таких глупостей в мироустройстве нет – известно множество свидетельств о том, что атомы способны поглощать и излучать не только резонансные световые кванты, соответствующие разностям энергий квантовых уровней в атоме, но и нерезонансные кванты, соответствующие континууму между квантовыми уровнями. Первое из этих свидетельств было известно с самого рождения квантовой теории – это спектр равновесного излучения, который, как известно, сплошной. А нам пытаются вдолбить, что атом может поглотить-излучить лишь дискретные порции энергии! Если бы это было так, то атомы не могли бы быть источниками равновесного излучения – а, значит, не могли бы участвовать в равновесном радиационном теплообмене! Но это вопиющее противоречие квантовой теории с тем, чему нас учит термодинамика, не образумило теоретиков – они, наверное, думали, что со временем это всё забудется, и тогда придёт полное понимание. Отнюдь: со временем появились ещё и экспериментальные опровержения центрального догмата квантовой теории. Например, вопреки квантовой теории, заработали лазеры. В первых лазерах использовалась накачка импульсными широкополосными лампами-вспышками. Атомы рабочего тела поглощали нерезонансные кванты накачки, после чего скатывались на верхний уровень лазерного перехода. Известно, далее, о флуоресценции веществ в результате их облучения заведомо нерезонансным ультрафиолетом: она происходит на длине волны, в точности соответствующей разности энергий нерезонансного кванта облучения и энергии нижерасположенного квантового уровня в облучаемом веществе. Наконец, в современной лазерной спектроскопии активно развиваются направления, в которых поглощение-излучение атомами нерезонансных квантов рассматривается уже как нечто само собой разумеющееся. Речь идёт о генерации суммарной частоты, а также о разнообразных методиках многофотонной спектроскопии (см. обзорную монографию [Д1]). В физическом жаргоне появился термин «виртуальный уровень» – это на нём, на виртуальном уровне, оказывается атом при поглощении нерезонансного кванта (к вопросу о континууме энергий между стационарными уровнями мы вернёмся в 5.1). Но, несмотря на перечисленные потрясающие успехи экспериментаторов, никто официально не отменил запрета квантовой теории на поглощение-излучение атомами нерезонансных квантов.

А почему так? А потому что тронь центральный догмат квантовой теории – и вся эта гнилая конструкция рухнет, ибо она изначально строилась не неверных предпосылках. Главной из этих неверных предпосылок является тезис о том, что кванты света – или, как их стали называть впоследствии, фотоны – являются порциями энергии, которые существуют самостоятельно, независимо от атомов, которые их излучают и

поглощают. Однако, по логике «цифрового мира», обладателем физических энергий, в самых различных формах, является только вещество (1.1). Световая энергия не является исключением: она тоже локализована только на атомах. При распространении света она не проходит по разделяющему атомы пространству: энергия возбуждения перебрасывается – на расстояние! – непосредственно с атома на атом. О квантовых перебросах этой энергии мы будем подробно говорить ниже (3.4). Как нам представляется, все попытки физиков построить сколько-нибудь разумную и непротиворечивую модель фотона провалились по одной простой причине: никаких фотонов, в традиционном понимании, не существует. А ведь фотон, как считается, входит в четвёрку фундаментальных, абсолютно стабильных частиц! Но мы покажем, что потуги выдать фотон за реальную частицу – через приписывание фотону свойств реальных частиц – являлись либо заведомой ложью, либо неверной интерпретацией опытных фактов. И вначале мы разберёмся – чего стоят «доказательства» того, что фотоны переносят импульс.

3.2. Где же доказательства того, что фотоны переносят импульс?

Первым и весьма наглядным свидетельством о том, что световая энергия передаётся порциями, стало явление фотоэффекта – вылета электронов из металлической пластинки, облучаемой ультрафиолетом. Если бы энергия облучения падала на пластинку «волнами», то энергии фотоэлектронов увеличивались бы по мере увеличения интенсивности облучения. Однако, энергии фотоэлектронов увеличивались лишь по мере уменьшения длины волны облучения. «Это потому, - разъяснил Эйнштейн, - что каждый фотоэлектрон выбивается одним квантом света, энергия которого и превращается в кинетическую энергию электрона – за вычетом потери на работу выхода из пластинки». Впрочем, «выбивается» - это сильно сказано. Фотоэлектроны вылетали из освещённой стороны пластинки – словно их только припекло, но не пнуло! Они вылетали в направлении, противоположном направлению полёта «выбивавших» их квантов света! Как это получалось, даже Эйнштейн объяснить не брался. О законе сохранения энергии здесь можно было говорить уверенно, а вот о законе сохранения импульса… Ну, да чёрт с ним. Для Нобелевской премии и этого хватило!

А уж как хотелось получить свидетельства о том, что кванты света переносят не только энергию, но и импульс! Вон, чем ближе комета к Солнцу, тем сильнее её ядро «пылит и газит», и тем сильнее это пыле-газовое облако (кома) «сметается» в направлении от Солнца – отчего у кометы формируется хвост. Считается, что Кеплер первый высказал в 1619 г. гипотезу о том, что «сметающим» фактором, формирующим хвосты комет, является давление светового излучения Солнца. Впоследствии электромагнитная теория света Максвелла привела к выводу о том, что давление света прямо пропорционально световой энергии, ортогонально падающей на площадку в единицу времени. Например, для давления, оказываемого солнечными лучами на радиусе орбиты Земли, на основе величины солнечной постоянной, 1400 Вт/м², получается величина около 510^{– 6} н/м². Лебедев утверждал [Л2], что именно давление солнечного света формирует хвосты комет, но соответствующих расчётов он не привёл – для таких расчётов требовалось знать множество параметров пыле-газовых облаков комет, а этими знаниями наука тогда не располагала.

Сегодня, когда наука такими знаниями располагает, всё так же необоснованно считается, что давление солнечного света является основным фактором, формирующим хвосты комет. Между тем, сегодня известно о потоке плазмы от Солнца – солнечном ветре – частицы которого, несомненно, переносят импульс. При средних значениях параметров солнечного ветра на радиусе орбиты Земли, т.е. при концентрации частиц, равной 10 протонам в 1 см³, и их скоростях, равных 500 км/c [Ф1], для давления солнечного ветра получаем величину 4.310^{– 9} н/м². Это на три порядка меньше величины светового давления, полученной на основе солнечной постоянной (см. выше) – и, казалось бы, говорить о действии солнечного ветра применительно к хвостам комет неуместно, поскольку здесь световое давление явно доминирует. Однако, такой подход не учитывает одно важное обстоятельство. А именно: солнечная постоянная характеризует излучение в широком сплошном спектре. Молекулы же газов, из которых состоит кома кометы, рассеивают лишь то излучение (в видимом диапазоне), которое попадает на полосы поглощения. Если учесть этот селектирующий фактор, то доминирующим оказывается действие солнечного ветра [Г4]. Причём, вопрос о том, какое из двух давлений – солнечного света или солнечного ветра – формирует хвосты комет, без особых проблем мог быть разрешён астрономическими наблюдениями. Известно, что в годы активного Солнца солнечный световой поток, практически, постоянен, а вот интенсивность солнечного ветра возрастает на порядок. Значит, если хвосты комет формируются давлением солнечного света, то заметной разницы у хвостов комет при спокойном и активном Солнце не наблюдалось бы, а если они формируются давлением солнечного ветра – разница наблюдалась бы. О недостатке объектов для наблюдения говорить не приходится: «Ежегодно наблюдается около десятка комет. Из них… 4-5 наблюдавшихся ранее, причём об их повторном появлении известно заранее. Две кометы – Швассмана-Вахмана и Отерма – наблюдаются ежегодно» [С2]. Тем не менее, нам удалось найти лишь одно свидетельство по данному вопросу: «Немецкий астроном Бирманн недавно выдвинул предположение, что солнечное корпускулярное излучение, т.е. частицы, вылетающие из Солнца с большими скоростями, тоже могут играть важную роль; он нашёл подтверждение своей теории в изучении влияния солнечных магнитных бурь на комету Уиппла-Федтке» [С3]. Одного этого свидетельства достаточно для вывода о том, что хвосты комет формируются, главным образом, под действием солнечного ветра – и, таким образом, хвосты комет не могут служить доказательством наличия светового давления.

А обнаруживается ли давление света в лаборатории? Считается, что оно обнаружилось в опытах Лебедева [Л3]. В этих опытах свет от электрической дуги направлялся на мишени из фольги, прикреплённые к крылышкам лёгких крутильных маятников разных конструкций. За время освещения с одной стороны, маятнику давали совершить одно полное колебание, замечая при этом три положения максимальных отклонений – по которым вычисляли нулевое положение. Затем свет направляли с другой стороны, и точно так же находили новое нулевое положение. Половина разности между этими двумя нулевыми положениями, как полагали, соответствовала силовому эффекту от светового давления.

Но главным фактором, маскировавшим искомый эффект, являлись радиометрические силы [Л3]. Эти силы обусловлены тем, что, в прилегающем к мишени объёме, температура газа с освещённой стороны выше, чем с неосвещённой – что порождает соответствующую разницу давлений на мишень. Радиометрические силы в значительной степени ослаблялись вакуумированием баллона, в котором помещался крутильный маятник; но полностью эти силы, конечно, не устранялись. Вызывает недоумение тот факт, что величину ожидаемого эффекта из-за действия этих сил – для реальных условий опыта – автор не привёл. Тогда не могло ли оказаться, что этими силами был обусловлен весь наблюдаемый эффект?