Естествознание

Волны

Физики проявления света иногда называли самым темным пятном в физике. Свет вызывает много вопросов: Весит ли он? Занимает пространство? Ударяет тела при падении? Горяч или холоден? Скоро ли перемещается? Если свет не проходит сквозь тонкий лист картона, то как он проходит через толстое стекло? (Л.Элиот, У.Уилкокс: Физика)

О существовании электромагнитного поля Джеймс Максвелл сообщил в 1865 году. В 1887 году Генрих Герц опубликовал статью "Об очень быстрых электрических колебаниях", а в 1888 "Об электродинамических волнах в воздухе и их отражении". Начались изучения этих явлений.

Исследователями было установлено: в природной среде электромагнитные волны в "узком" оптическом диапазоне проявляют радужные цвета, в сложении друг с другом белые или черные. Ультрафиолетовые волны в природной среде проявляют тела и газоразрядные лампы с парами ртути при нагреве t>1000°С. Высокие напряжения в вакуумных трубках проявляют рентгеновские волны, а γ-волны — ядерные процессы.

Появилась шкала электромагнитных волн с разными свойствами поглощения, отражения, дисперсии, дифракции и интерференции.

О волновых свойствах

Волновые свойства в природной среде принято изучать на модели "абсолютно черного тела", которое поглощает внешнюю или излучает внутреннюю энергию в зависимости от температуры. За модель приняли сажу: но проще проявления волн объяснять на примере нагрева куска металла. Вначале ладонью в пространстве над ним ощущают тепловые волны инфракрасного диапазона. Далее проявляется мощность оптических волн — красные, желтые, белые и бело-голубые цвета. То есть температура проявляет по максимуму мощность волн определенной длины. Так, тела людей, сходные с черным телом в инфракрасной области спектра, по максимуму проявляют волны длиной в десять микрон. Мощность их в покое — примерно как у стоваттной лампы накаливания и как у пятисот ваттной — при активной работе. Из пространства в печи, нагретого до 1200°С, мощнее всех исходят электромагнитные волны длиной в два микрона. Дуга между угольными электродами подобна солнечному спектру, где самые мощные из волн длиной 0,5...0,6 микрона.

Вильгельм Вин доказал: умножение длины волны в максимуме излучения черного тела на его температуру дает одну и ту же величину. По закону Стефана-Больцмана сумарная мощность излучений пропорциональна температуре в четвертой степени. Но "кривая" проявлений мощности волн при различных температурах не имела "горба": для длинных волн совпадала с опытом, а в диапазоне видимых и особенно ультрафиолетовых волн "убегала" вверх, стремясь к бесконечности.

Такое несовпадение назвали "ультрафиолетовой катастрофой". Ведь по классическим постулатам точечный излучатель в любом направлении должен излучать одинаковое количество энергии. И физики в постулатах не сомневались. Ведь "в истории человечества (если посмотреть на нее, скажем, через десять тысяч лет) самое значимое событие XIX века — открытие Максвеллом законов электродинамики. На его фоне гражданская война в Америке будет выглядеть мелким провинциальным происшествием" (Роберт Фейнман)

Но расчеты приводили к абсурду: будто раскаленная печь должна излучать все больше энергии в пространство и со временем больше раскаляться. Хендрик Лоренц, выдвинувший гипотезы теории относительности о преобразовании размеров и времени, заметил: уравнения классической физики оказались неспособными объяснить, почему угасающая печь не испускает желтых лучей наряду с излучением больших длин волн.

О квантовой механике

В Эйнштейновском доказательстве инерции энергии масса света принята нулевой: mo=0. Только при этом условии отношение импульса p и энергии E вспышки света равно p=E/c. Из этого допущения Макс Планк по проявлениям нагрева абсолютно черного тела  сажи — в природной среде вывел константу всей квантовой механики, словно Ньютон инертную силу — из гири.

Постоянные σ Стефана-Больцмана и b закона смещения Вина были тогда известны из опытов: 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. Изменилось одно и мало существенное звено рассуждений, но нагрев стал обратным длинам волн p=h/λ. Кривая мощности стала сдвигаться с ростом температуры в сторону коротких волн, а кванты света проявляться только после 500°С. Кванты, по этой идее — это пучки частиц нулевых масс покоя m0=ε/c2=h×ν/c2 с импульсами p=ε/c=h×ν/c=h/λ и энергиями ε=h×ν. От волновых проявлений вновь вернулись к бестелесным частицам типа корпускул Ньютона.

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

Физический смысл константы Планка неясен: ее вычисляют из косвенных показателей нагрева сажи. На XXIV Генеральной конференции по мерам и весам (2011) значение ее приняли 6,62606X×10−34Дж·с, где Х — неизвестные цифры. Зоммерфельд указал на ее 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. В пятой теории о кванте в атоме водорода Зоммерфельд интеграл ∫pdq назвал действием. Началось бурное развитие квантовой механики 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 этим модификациям присуще одно и то же: за опытами следует перестройка квантовой теории. Наблюдаемые в опытах проявления в сочетании с домыслами о ненаблюдаемых ведут к радикально новым гипотезам, новым опытам, и так далее (Леон Бриллюэн: Новый взгляд на теорию относительности)

О сумасшедшем характере 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 их реплика Бора о теории Гейзенберга: мало шансов быть истинной, ведь она недостаточно сумасшедшая. Новые гипотезы в квантовой механике должны радикальным образом отличаться от предыдущих.

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

Майкельсон сожалел о проведенном физическом опыте по определению скорости Земного шара, послужившем становлению гипотез преобразований размеров и времени в теории относительности (Кадырбеч Делокаров: Эвристическая роль философии в научном открытии)

Нет сомнения, что в квантовой механике есть значительный элемент истины. Однако я не думаю, что квантовая механика является исходной точкой для поисков основы, точно так же, как нельзя, исходя из термодинамики прийти к основам механики (Альберт Эйнштейн)