2020-01-15
168
В начале XX века кризис затронул не только электродинамику и оптику, но и термодинамику, а также учение о строении атома. Для разрешения этого кризиса учёным пришлось ещё сильней пересмотреть основы классической механики, но уже не в области больших скоростей и энергий, а в области малых скоростей, энергий и масштабов. Зародился этот кризис опять же в оптике, при анализе спектра излучения абсолютно чёрного тела. Дело в том, что предсказанный на основе классической механики, термодинамики и электродинамики спектр абсолютно чёрного тела не соответствовал реально измеренному. Согласно расчётам, спектр следовало описывать формулой Релея-Джинса, по которой интенсивность излучения увеличивалась с ростом частоты [5]. Эта формула хорошо работала в области низких частот, но противоречила наблюдениям в области высоких частот. А при бесконечном увеличении частоты мощность излучения должна была бесконечно нарастать, так что тела светились бы безмерно ярко в ультрафиолетовой части спектра, и мгновенно бы остывали за счёт этого излучения. Эта проблема, получившая название ультрафиолетовой катастрофы, ещё больше усилила кризис физики.
Выход из этого кризиса был найден в 1900 г. Максом Планком, который предложил гипотезу квантов, по которой энергии E осцилляторов – колеблющихся электронов не могут иметь произвольных значений, а жёстко связаны с частотой f их колебаний по формуле E=hf, где h – фундаментальная константа, названная постоянной Планка. Эта простая гипотеза позволяла не только устранить ультрафиолетовую катастрофу, но и теоретически рассчитать вид теплового спектра, описываемый формулой Планка и точно соответствующий экспериментально измеренному. В самой гипотезе Планка, как он неоднократно отмечал, ещё не было ничего, что противоречило бы классической механике и электродинамике. В самом деле, поскольку излучающие электроны находятся в атоме, механизм которого пока ещё не был известен, вполне могло оказаться так, что энергии их колебаний определённым образом зависят от частоты их вращения или колебаний. Подобную зависимость мы наблюдаем у планет Солнечной системы, периоды обращения которых подчиняются 3-му закону Кеплера. То есть частота обращения планеты вокруг Солнца жёстко связана с радиусом орбиты, а значит и со скоростью, энергией обращения планеты.
Если учесть, что именно так и стали представлять атом спустя десяток лет в планетарной модели Э. Резерфорда (электроны крутятся по круговым орбитам возле ядра под действием его кулоновского притяжения), то такая связь E и f была бы только естественна. То, что эта связь в модели Резерфорда получалась бы иной, чем E=hf, не столь принципиально и говорит лишь о том, что модель нуждается в исправлении, а сама связь E и f, в принципе, может возникнуть в рамках классической механики, надо лишь найти подходящую модель атома. То, что планетарная модель атома Резерфорда ошибочна, следовало также из того, что она не могла объяснить стабильность атома: крутящиеся по орбитам электроны, теряя при излучении энергию, постепенно сужали бы витки орбиты и падали б на ядро. Это противоречит и формуле Планка E=hf, из которой видно, что с уменьшением энергии обращения электрона, частота его обращения f должна уменьшаться, а не расти, как в планетарной модели атома.
Нестабильность атома Резерфорда ещё больше обострила кризис физики. Выход из кризиса был найден А. Эйнштейном и Н. Бором. Эйнштейн по-своему интерпретировал зависимость E=hf, предположив, что она означает не просто пропорциональность энергии осциллятора его частоте, но что вся эта энергия излучается сразу, в виде целой порции E=hf, да и поглощается эта энергия сразу такой неделимой порцией-квантом: именно так Эйнштейн объяснил фотоэффект. А Бор развил этот вывод Эйнштейна, применив его к модели Резерфорда: раз электроны не могут излучать непрерывно, а излучают энергию лишь порциями, то они уже не станут постепенно падать на ядро, а должны двигаться по стационарным орбитам без излучения. Лишь в момент излучения электрон скачком меняет орбиту, излучая соответствующую порцию энергии. При этом, поскольку энергия электронов квантована, их стационарные орбиты могут иметь лишь определённые радиусы. Этим же были объяснены дискретные линейчатые спектры атомов: каждой линии, каждой частоте в спектре отвечал определённый переход электрона с одной стационарной орбиты на другую, с излучением определённой энергии, жёстко связанной с частотой излучения. Тем самым, казалось бы, была решена ещё одна проблема классической физики, для которой дискретный характер атомных спектров долгое время представлялся загадочным. Таким образом, выход из этого кризиса физики, на первый взгляд, тоже был найден, хотя и дорогой ценой: ценой отказа от принципов классической механики и электродинамики, где энергия меняется и излучается непрерывно.
Но и этот выход, если задуматься, не был реальным выходом, поскольку шёл вразрез с логикой научного развития. Ведь проблемы и кризис были связаны именно с планетарной моделью атома, только-только созданной и потому непроверенной. Её проверка, по сути, сразу показала ошибочность этой модели. Но, так же как в случае с электродинамикой Максвелла, учёные пошли не по пути отказа от дискредитированной новоиспечённой теории, а по пути отклонения проверенной веками и ничем не провинившейся классической механики. Стремление сохранить, вопреки всем фактам, ошибочную электродинамику Максвелла привело к появлению формального согласующего звена в виде теории относительности и релятивистской механики, утверждающей ошибочность классической механики в области больших скоростей. А стремление сохранить ошибочную планетарную модель атома привело, в конечном счёте, к созданию квантовой физики и квантовой механики, утверждающей ошибочность классической механики в случае малых скоростей и масштабов.
Такое стремление Нильса Бора спасти, во что бы то ни стало, планетарную модель Резерфорда, бывшего его учителем, вполне понятно. Но вот как с этим выходом могло согласиться научное сообщество, не вполне ясно. Тем более что от планетарной модели наука всё равно в итоге отказалась, хотя возникшая из-за неё квантовая физика сохранилась. По сути, квантовая физика, так же как релятивистская механика, не устраняла противоречия, приведшие к кризису, а лишь скрывала их посредством формального приёма, позволявшего какое-то время получать согласные с опытом результаты. Когда снова начинали возникать расхождения с опытом, физики выдумывали новые постулаты, вводили новые, логически, физически и интуитивно ничем не подкреплённые гипотезы для устранения противоречий. В итоге квантовая физика прошла несколько этапов таких искусственных "усовершенствований" [5]. Во многом это напоминает построение Птолемеевской геоцентрической теории движения планет, где постепенно и без всяких оснований произвольно добавлялись всё новые эпициклы, дабы получить согласное с опытом внешнее описание видимого движения планет по небосводу. Так же и в квантовой механике вводились всё новые гипотезы, квантовые числа, словно эпициклы характеризующие движение электронов вокруг ядра, принимались правила запрета Бора. И вплоть до наших дней всё множится ворох ничем не подкреплённых гипотез, например о кварках. Однако количество противоречий у квантовой модели мира не убывает, а множится ещё быстрее. И теперь уже сами физики не скрывают того, что они не могут понять, как реально устроены элементарные частицы и даже ядра атомов. Таким образом, квантовая физика, так же как теория относительности, не решала проблем, приведших к кризису, а лишь формально их обходила, отложив их решение на позднее время. В итоге проблемы лишь разрастались.
А правильный и логичный выход из кризиса, диктуемый всей историей развития физики, состоял в установлении корня противоречий, в изучении реального строения атома и построении такой его модели, которая могла бы объяснить все открытые закономерности в рамках существующих теорий, в том числе, в рамках классической механики и электродинамики. Именно по такому пути и пошёл изначально Планк, который долгое время, вплоть до 1920-х годов, просил физиков очень осторожно обращаться с гипотезой квантов, напоминал, что кванты нельзя понимать как порции энергии, которые могут по отдельности перемещаться в пространстве. Планк всегда считал, что гипотеза квантов вполне совместима с классической физикой. И действительно, связь частоты колебаний электрона с его энергией может быть реализована в классической модели атома [9]. Более того, такая классическая связь легко объясняет фотоэффект. Если свет частоты f падает на металл, то, благодаря резонансу, свет эффективно действует лишь на электроны, колеблющиеся на той же частоте f, и, раскачивая их, заставляет вылетать из атома и металла с сохранением кинетической энергии E=hf. Таким образом, по утверждению Планка, энергия фотоэлектронов заключена вовсе не в свете, а в самом металле, в его атомах, тогда как действие света лишь инициирует вылет электронов, подобно искре, взрывающей бочонок с порохом [26]. Это сразу классически объясняло безынерционность фотоэффекта и другие его загадочные свойства, которые, на первый взгляд, противоречили классической физике.
Итак, при изучении законов, связанных с поведением таких малоисследованных объектов как атомы, гораздо естественней было не менять и формально приспосабливать классическую механику к наблюдаемым законам, но изучать сами атомы, их структуру. Именно по такому классическому пути пошли многие физики, такие как М. Планк, Дж. Томсон, И. Штарк, Ф. Ленард, В. Ритц. Так, Томсон показал, что атом должен представлять собой не динамическую, а статическую систему, благодаря чему атом получался стабильным в рамках классической механики. И действительно, Томсон привёл конкретные примеры, в которых системы многих зарядов или магнитов образовывали стабильные системы со стандартной структурой и размерами [21]. Так, Томсон ссылался на опыты А. Майера, в которых набор одинаковых магнитных поплавков образовывал устойчивые конфигурации возле центрального магнита (аналога атомного ядра). Причём магниты располагались концентрическими кольцами. Именно это навело Томсона на мысль, что и электроны могут располагаться в атоме отдельными оболочками, и последовательное их заполнение объясняет структуру таблицы Менделеева, где каждый период связан с заполнением электронами определённой оболочки. Так что эта мысль об электронных оболочках атома впервые естественно возникла именно в классической модели атома. Тогда как в квантовой, боровской модели атома оболочки получались произвольно, искусственным введением квантовых чисел, посредством ничем не обоснованных гипотез и формальных приёмов. Таким образом, если классическая теория атома строилась обоснованно, в стремлении познать структуру атома, то квантовая физика предлагала множество ничем не подкреплённых и даже противоречащих здравому смыслу гипотез, исключительно для того, чтобы дать внешнее, поверхностное, формальное описание свойств атома.
Ещё менее известна классическая модель атома, впервые объяснившая спектр водорода, щелочных металлов и даже предсказавшая новые спектральные линии, впоследствии открытые. Эта модель была предложена Вальтером Ритцем, который, так же как Томсон, считал, что атом содержит некое ядро, составленное из упорядоченно расположенных частиц, образующих своего рода цепи и кристаллы [9, 15]. Электроны могут располагаться в узлах этой кристаллической решётки, а при колебаниях в её магнитном поле генерируют именно те частоты, которые соответствуют частотам в спектре водорода и других атомов. Таким образом, не Бор, а именно Ритц построил впервые модель атома, которая объясняла дискретные спектры атомов [27], причём эта модель была классической (Бор и не скрывал, что положил в основу своей теории формулу Ритца, полученную в рамках классической модели атома [5]). Выходит, дискретный характер атомных процессов и атомных спектров подтверждал не дискретную структуру энергии, а дискретную структуру материи, атома, образованного из многих упорядоченно расположенных частиц. А Бор лишь переложил уже открытые Томсоном и Ритцем закономерности на квантовый язык, хотя в этом и не было уже никакой надобности, раз они легко получались в рамках привычной классической физики, без каких-либо радикальных, ничем не подкреплённых и противоречащих здравому смыслу гипотез.
Как показал Ритц, а после него и Штарк, такая классическая модель атома легко могла объяснить эффекты Зеемана и Штарка, то есть изменения спектров атомов в магнитном и электрическом поле. Происходило лишь смещение электронов от положений равновесия в этих полях и изменение частоты колебаний под действием наложенного поля, искажающего внутриатомное поле, в котором колебались электроны. Но и этот классический вывод переиначили позднее на квантовый лад с помощью теории возмущений.
Таким образом, многочисленные успехи неклассической науки и конкретно квантовой физики реально принадлежали физикам-классикам, получившим соответствующие закономерности в рамках классической модели атома и классической физики. Иногда при анализе кризиса физики начала XX века упоминают ещё одно явление: снижение молярной теплоёмкости твёрдых тел и газов при охлаждении [5]. Этот экспериментально открытый результат, казалось, противоречил классической термодинамике, где на основе молекулярно-кинетической теории получалось, что теплоёмкость при постоянном объёме не должна зависеть от температуры, как утверждал закон Дюлонга-Пти. Это противоречие с опытом устранила квантовая теория, в которой учли, что энергия колеблющихся атомов квантуется, то есть, принимает дискретный ряд значений и не может быть ниже некого предельного значения. Поэтому при снижении температуры, когда энергия тепловых колебаний атомов становится ниже этого предельного значения, они перестают колебаться и уже не дают вклада в теплоёмкость, отчего она снижается. Однако и здесь никак нельзя согласиться с подобным выходом из кризиса. Дело в том, что вывод о постоянстве теплоёмкости был получен в классической теории с учётом ряда упрощений, идеализаций, в рамках которых этот вывод был справедлив. Поэтому устранять противоречия следовало не по пути коренного пересмотра положений классической механики, а по пути уточнения классической теории, где пришлось бы учесть взаимодействия между атомами, а также их конечные размеры [9].
Примерно так в конце XIX века выяснилось, что уравнение Клапейрона-Менделеева для описания состояния идеального газа имеет лишь ограниченную применимость и перестаёт выполняться при определённых условиях, например, при низких температурах. Но ситуация была легко исправлена без коренной ломки представлений, а лишь путём уточнения грубой модели идеального газа. После того, как учли конечный размер молекул и их взаимодействия, было получено уже много лучшее соответствие теории наблюдениям в рамках закона Ван-дер-Ваальса. Заметим, что уже этот простой закон предсказывает отклонение теплоёмкости от классического значения, причём теплоёмкость тоже зависит от температуры. Таким образом, и в других случаях при анализе теплоёмкости адекватный результат может быть получен в рамках классической теории, если отказаться от идеализаций и уточнить теорию. В то же время квантовая теория пошла по пути чисто формального устранения проблем. То же самое можно сказать о квантовой теории электропроводности и о других проблемах классической физики, приведших к мощному кризису. Во всех таких случаях решения и выходы из кризиса, предложенные квантовой механикой, нельзя считать логично обоснованными и строгими. Вот почему в XX веке проблемы физики со временем не уменьшались, а лишь множились. И в настоящее время уже в квантовой физике накопилось столько противоречий, что их число многократно превышает число противоречий прежней классической физики. Поэтому выход из кризиса следует искать на пути уточнения прежних классических моделей, на пути вскрытия реальных причин кризиса и определения реального устройства атома, а не на пути формального описания наблюдений, посредством всё множимых противоречивых гипотез. То есть, и квантовую физику нельзя считать настоящим выходом из кризиса начала XX века.
