Волны

      Электрические проявления сами физики иногда называют самым темным пятном в физике.

      Одни проявления света вызывают много вопросов: весит ли он? Занимает пространство? Ударяет тела при падении? Он 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).

      В XIX веке открыто: в природной среде свет проявляют разновидности электромагнитных волн "чрезвычайно узкого" оптического диапазона. Появилось представление об общей шкале электромагнитных волн с разными свойствами поглощения, отражения, дисперсии, дифракции и интерференции.

Про волны и пучок частиц с нулевыми массами покоя

      Радиоволны открыты посредством вибраторов и колебательных контуров.  Волны оптического диапазона в глазах проявляют радужные цвета, в сложении белые или черные. Волны ультрафиолетового диапазона испускают тела и газоразрядные лампы с парами ртути при нагреве t>1000°С. Рентгеновские волны проявляют высокие напряжения в вакуумных трубках, а γ-лучи — ядерные процессы. Проявления потенциалов мощности волновых процессов стабилизируют, уравновешивают действия мест природной среды.

      Но волновые свойства абстрагировали к свойствам "абсолютно черного тела", которое поглощает внешнюю и излучает внутреннюю энергию в зависимости от температуры. За физическую модель приняли сажу, но саму идею проще понять на примере нагрева куска металла. Вначале ладонью ощущаются тепловые (инфракрасные) волны, далее проявляется мощность волн видимого — красного, желтого, белого и бело-голубого цвета. То есть нагрев проявляет по максимуму мощность волн определенной длины. Так, максимум излучения тела человека (по свойствам кожа схожа с черным телом в инфракрасной области спектра) при десяти микронах. Мощность — примерно как у стоваттной лампы накаливания в покое и как у пятисот ваттной — при активной работе. Из отверстия в печи, раскаленной внутри до 1200°С, мощнее всего исходят лучи в два микрона. Дуга между угольными электродами проявляет лучи, по спектру как солнечные, самые мощные из них с 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 общая мощность излучений пропорциональна абсолютной температуре в четвертой степени. Начались расчеты "кривой" излучений при различных температурах, а не только при длине волны с наибольшей энергией. Но кривая по расчетам не имела "горба": в области длинных волн она совпадала с опытом, но в диапазоне видимых и особенно ультрафиолетовых волн начинала "убегать" вверх, стремясь к бесконечности.

      Несоответствия в опытах и расчетах назвали "ультрафиолетовой катастрофой". По "классическим" постулатам тепловой излучатель в любом направлении должен испускать одинаковое количество энергии. Физики в XIX веке их не подвергали сомнениям. Ведь даже позднее было принято считать, что "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 все расчеты приводили к тому, что раскаленная печь должна излучать все больше энергии в пространство и со временем все больше раскаляться. Современник "ультрафиолетовой катастрофы" Хендрик Лоренц заметил: "Уравнения классической физики оказались неспособными объяснить, почему угасающая печь не испускает желтых лучей наряду с излучением больших длин волн".

     Математики "катастрофу энергично решили". В Эйнштейновском доказательстве инерции энергии масса света равна нулю: mo=0: только при этом условии отношение импульса p и энергии E вспышки света равно p=E/c. Отсюда Планк из "нагрева сажи" вывел константу, как Ньютон "инертную силу" — из гири.

      Постоянные σ Стефана-Больцмана и b закона смещения Вина были тогда известны из опытов: σ=5,67×10-8 Вт·м-2К-4, b=2,9×10-3 м·К. И, решая систему уравнений с двумя неизвестными, Планк вывел: h=6,548×10-34 Дж·c, k=1,346×10-23 Дж К. Изменилось одно несущественное звено рассуждений, но нагрев стал обратным длинам волн p=h/λ. В физико-математических расчетах кривая мощности спектра излучений стала сдвигаться с возрастанием температуры в сторону волн коротких, а "кванты света появляться" лишь после 500°С. Волны абстрагированы до "пучка 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". Вместо волн вновь — "идея корпускул Ньютона".

      При 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 нам понятия пространства и времени, а мы задаем их природе; все, что не есть мысль, есть чистейшее ничто. Ломка всех принципов указывает — таков ход его мысли, — что они не копии, не снимки природы, внешние по отношению к сознанию, а лишь продукты самого сознания (Ленин: Материализм и эмпириокритицизм).

      Неясен сам физический смысл константы Планка, которую вычисляют из косвенных показателей "абсолютно черного тела", сажи. На XXIV Генеральной конференции по мерам и весам (2011) ее значение приравняли к 6,62606X×10−34 Дж·с, где Х — неизвестные цифры. Зоммерфельд указал на механическую размерность. Ланжевен зоммерфельдовским квантованием в электронных траекториях задал квант магнитного момента. В 1911 году он вычислил магнетон Бора, отличный от современного множителем 2×π, не определенным Зоммерфельдом. Бор в работе об атоме водорода (1913) дал четвертую теорию. В пятой теории — кванта в атоме водорода — Зоммерфельд интеграл ∫pdq назвал действием. Началось бурное развитие теорий квантовой механики с неожиданными результатами. За магнитными моментами и принципом запрета Паули, волнами де Бройля — 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 гипотез. Наблюдаемое в опытах в сочетании с идеями и допущениями о "не наблюдаемом" приводят к новым радикальным гипотезам, новым опытам, и так далее (Леон Бриллюэн: Новый взгляд на теорию относительности).

О сумасшедшем характере гипотез

      В квантовой механике элементы истины, конечно, есть, но не думаю, что она служит исходным для поиска основ, как и из начал термодинамики нельзя прийти к основам механики (Альберт Эйнштейн).

      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.

      Иллюстрирует это реплика Бора по поводу новой теории Гейзенберга — "у нее мало шансов быть истинной, поскольку она недостаточно сумасшедшая". Новые физико-математические гипотезы, по идее, должны радикальным образом отличаться от предыдущих.

      Трудности с осмыслением "квантовых идей" испытывали и создававшие их люди. Так, Шпредингер объявил Бору: "Если мы собираемся сохранить эти проклятые квантовые скачки, то я сожалею, что имел дело с атомной теорией". Лоренц говорил 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 об опыте, результаты которого приняты за "идею сокращения Земли и новой меры времени" в теории относительности (Кадырбеч Делокаров: Эвристическая роль философии в научном открытии).

О естествознании