Меморандум о естествознании

Волны

Проявления света из тьмы в природной среде физики зачастую называли самым темным пятном в физике. От них много вопросов: Весит ли свет? Занимает ли он пространство? Ударяет тела при падении? Горяч или холоден? Скоро ли перемещается? Если он не проходит сквозь тонкий лист картона, то как он проходит через толстое стекло? (Л.Элиот, У.Уилкокс: Физика)

Джеймс Максвелл открыл проявления мощности электромагнитных смещений природной среды (1865 г.), Генрих Герц  сообщил "Об очень быстрых электрических колебаниях" (1887 г.) и "Об электродинамических волнах в воздухе и их отражении" (1888 г.): начались опыты.

Оказалось, волны оптического диапазона проявляют радужные цвета, при сложении белые или черные. Волны ультрафиолетовые проявляют газоразрядные лампы с парами ртути при нагреве t>1000°С; рентгеновские волны создают высокие напряжения в вакуумных трубках. Ядерные процессы γ-волнами ионизируют окружающую среду. Появилась шкала электромагнитных волн с разными физическими свойствами поглощения, отражения, дисперсии, дифракции и интерференции.

Появился и новый физико-математический раздел — квантовая механика, в котором электромагнитные волны абстрагировали до кванта.

О волновых свойствах сажи

Проявления волн в быту поясним на нагреве куска металла. В начале нагрева ладонью ощутимы тепловые волны инфракрасного диапазона. Затем проявляется мощность оптических волн: красные, желтые, бело-голубые свечения. Температура тел в природной среде проявляет по максимуму мощности волн характерной длины. Тела людей создают волны в инфракрасной области спектра с преобладанием в них длины 10 микрон: мощность в покое ~стоваттной, при активной работе ~пятисотваттной лампы накаливания. Полость в печи, нагретая до 1200°С, мощнее всего распространяет волны длиной 2 микрона. Из дуги между угольными электродами мощнее всех распространяются волны длиной 0,5...0,6 микрона.

В разделе термодинамики задачу о равновесной мощности волнового спектра свели к излучениям абсолютно черного тела, сажи: она поглощает 99% волн в видимом диапазоне и мощность ее волнового спектра зависит только от температуры. Вильгельм Вин доказал: умножение длины волны в максимуме излучения на температуру дает одну и ту же величину. По закону Стефана-Больцмана сумарная мощность излучений абсолютно черного тела пропорциональна его температуре в четвертой степени.

Но "кривая" мощности волнового спектра сажи не имела "горба": для длинных волн совпадала с опытом, а для видимых и ультрафиолетовых волн "убегала" стремительно вверх, к бесконечности. Это была ультрафиолетовая катастрофа. Потому что "в истории человечества (если посмотреть на нее, скажем, через десять тысяч лет) самое значимое событие девятнадцатого века — открытие Максвеллом законов электродинамики. На его фоне гражданская война в Америке будет выглядеть мелким провинциальным происшествием" (Роберт Фейнман)

Но расчеты приводили к абсурду: раскаленная сажа должна излучать все большую энергию в пространство и со временем все больше раскаляться. Хендрик Лоренц грустно заметил: "Уравнения классической физики оказались неспособны объяснить, почему угасающая печь не испускает желтых лучей наряду с излучением больших длин волн".

О нуле кванта механики

В Эйнштейновском доказательстве инерции энергии масса света mo=0: при таком условии отношение импульса p и энергии E вспышки света p=E/c; из этой апории Макс Планк по нагреву сажи вывел квантовую константу, словно Ньютон из гири силу.

Постоянные σ Стефана-Больцмана и b закона смещения Вина были известны : σ=5,67×10-8Вт·м-2К-4, b=2,9×10-3м·К. Решая систему уравнений с двумя неизвестными, Планк вычислил: h=6,548×10-34Дж·c, k=1,346×10-23Дж·К (1900 г.). Так нагрев сажи стал обратным длинам волн: p=h/λ. Кривая мощности волнового спектра сдвинулась с ростом температуры в сторону коротких волн, кванты света оптического диапазона стали проявляться после 500°С. Квант — пучек частиц нулевых масс m0=ε/c2=h×ν/c2 с импульсами p=ε/c=h×ν/c=h/λ и энергиями ε=h×ν: скачок на скорости света бестелесного импульса и такой же бестелесной энергии по причине перестановки символьных знаков: m0=0=ε/c2=h×ν/c2. Победившую было теорию волн вновь возвратили к апории типа корпускул Ньютона.

В теории электронов принято учитывать двоякость массы от необходимости преодолевать инерцию и электрона, и эфира. Масса электрона реальна, эфира — электродинамическая. И вот реальная масса электрона стала равна нулю. Перед нами, — говорит Пуанкаре, — руины физики, разгром всех физических принципов. Гносеологические постулаты этого автора периода сомнений известны: не природа навязывает нам понятия о пространстве и времени, а мы задаем их природе; все, что не есть мысль, есть чистейшее ничто. Ломка физических принципов указывает — таков ход его мысли, — что они не копии, не снимки с природы, а лишь продукты самого сознания (Ленин: Материализм и эмпириокритицизм)

Константу Планка получают из косвенных показателей абсолютно черного тела. На XXIV Генеральной конференции по мерам и весам (2011) она принята h=6,62606X×10−34  Дж·с, где Х — еще не известные цифры. Физический смысл остается неясен. Зоммерфельд указал на механическую размерность. Ланжевен зоммерфельдовским квантованием в электронных траекториях задал квант магнитного момента и в 1911 году вычислил магнетон Бора, отличный от современного множителем 2×π, не определенным Зоммерфельдом. Бор в работе об атоме водорода (1913) выдвинул четвертую теорию. Зоммерфельд в пятой теории — о кванте в атоме водорода — интеграл ∫pdq назвал действием. Началось ее бурное развитие с неожиданными результатами. За магнитными моментами и принципом запрета Паули, волнами де Бройля последовали объединение матричной механики Борна-Гейзенберга с волновой механикой Шредингера, перестановочные соотношения, теория электрона Дирака. Всем модификациям присуще одно и то же: за экспериментами следует коренная перестройка теории. Наблюдаемые в опытах проявления в сочетании с вымыслами о ненаблюдаемых ведут к радикально новым гипотезам, новым опытам, и так далее (Леон Бриллюэн: Новый взгляд на теорию относительности)

Про сумасшедший характер квантовых гипотез

Из гносеологических уроков релятивистской и квантовой теорий авторы стали отходить от наглядных картин мира и понятий антропоморфного характера или радикальным образом изменять их смысл. Мотивом для выбора гипотез стал их диковинный, сумасшедший характер. Поясняет это реплика Бора о новой теории Гейзенберга: Мало шансов быть истинной, недостаточно сумасшедшая. Новые гипотезы квантовой механики должны радикальным образом отличаться от предыдущих.

Трудности с осмыслением квантовых гипотез испытывали и создававшие их люди. Так, Эрвин Шпредингер объявил Бору: "Если мы будем и дальше сохранять эти проклятые квантовые скачки, то я сожалею, что имел дело с атомной теорией".

Хендрик Лоренц поведал Иоффе: "Я потерял веру, что моя работа вела к истине. Не знаю, зачем я жил, и жалею, что не умер лет пять назад, когда все представлялось ясным". Альберт Майкельсон сожалел о физическом опыте, который дал повод гипотезам преобразований в теории относительности (Кадырбеч Делокаров: Эвристическая роль философии в научном открытии)

Не думаю, что квантовая механика — исходная точка для поиска основ: так же, как, исходя из термодинамики, нельзя прийти к основам механики (Альберт Эйнштейн)