Сергей Семиков - Баллистическая теория Ритца и картина мироздания
Интересно, что сам Планк, введя представление о квантах, опирался на взгляды Больцмана, который, по мере защиты кинетической теории газов и атомистической концепции, подобно Ритцу, осознал ошибочность теории Максвелла, оперирующей с непрерывными величинами. Больцман указал, что в уравнения Максвелла надо внести элемент прерывистости, учитывающий дискретность во взаимодействии поля с веществом и обусловленный, по мысли этого физика-атомиста, дискретностью не энергии, а материи, состоящей из стандартных атомов и других частиц. По сути, Больцман предсказал реоны Ритца, отметив, что электромагнитное воздействие должно квантоваться. И это были именно кванты электрического воздействия (реоны), а не кванты света, энергии (фотоны). Смысл термина "квант" исходно был ближе к понятию "атом", поэтому Больцман, Томсон, Планк, Штарк и другие говорили о квантах материи (атомах), квантах электричества (электронах), то есть, — о реальных частицах. И лишь по вине Эйнштейна, Бора и, отчасти, самого Планка понятие кванта стали трактовать с позиций энергетизма (§ 5.14), в форме дискретных порций энергии, а не материи или электровоздействия.
Впрочем, и сам Планк отнюдь не считал, что в процессе излучения и поглощения атомами квантов энергии возникают и исчезают какие-то частицы-сгустки света, фотоны. Он лишь говорил, что атомы хранят и выдают электромагнитную энергию дозировано, стандартными порциями. А, конкретнее, он утверждал, что энергия E электрона в атоме — пропорциональна частоте его колебаний f с коэффициентом пропорциональности h, — постоянной Планка: E=hf. Но было бы глупо считать, что и распространяется свет, будучи собран в эти порции. Это всё равно, как думать, что, при излучении одинаковыми радиопередатчиками стандартных по энергии импульсов "точек" и "тире", эти импульсы распространяются в виде частиц, в виде отдельных "тире" и "точек", собранных каждая в своей точке пространства. Ясно, что импульс радиоизлучения расходится сразу во всех направлениях — в виде широкой сферической волны.
Выводя свой закон излучения, Планк отнюдь не считал свет состоящим из квантов, фотонов, но допускал, что атомы отдают энергию порциями, и каждая порция равномерно рассеивается по всем направлениям. Планк считал, что свет — это волна, а дискретность возникает лишь при испускании и поглощении света [73, 83]. То есть, планковский закон излучения вызван не зернистой структурой света, а дискретностью вещества и процесса излучения, которое есть совокупность элементарных актов, связанных с изменением состояний электронов в отдельных атомах. Это отличие планковских квантов и фотонной гипотезы Эйнштейна было проиллюстрировано последним в форме пивной аналогии (см. эпиграф к § 4.2). И, действительно, дозированный характер излучения света и открытая Планком связь частоты колебаний электрона с энергией этих колебаний, ни в коей мере не означают, что свет распространяется и существует в виде этих порций, — абстрактных фотонов, предложенных Эйнштейном.
То же и с поглощением света. Так, С.И. Вавилов изучал столь слабые потоки света, что, после адаптации глаза к темноте, свет то наблюдался, то исчезал [82]. При этом, по мнению экспериментатора, глаз фиксировал отдельные фотоны, — тогда и наблюдался свет. Однако, опыт этот ещё не говорит о дискретной структуре света, а демонстрирует особенность нашего зрения. Аналогично, если в полной тишине пытаться расслышать слабый источник звука, скажем, тиканье наручных часов, их звук будет то исчезать, то появляться [95]. К счастью, из этого никто не заключил, что звук дискретен и состоит из квантов звука, иначе, и это могли бы истолковать как подтверждение выдуманных И. Таммом фононов. Просто, когда ухо работает на пределе слышимости, звук неразличим по громкости. Он либо слышен, либо нет, — это зависит от порога восприятия звука и напряжения внимания. Так же и глаз — это прибор с порогом чувствительности: глаз либо видит слабый источник, либо нет. Всё дело в дискретности восприятия, а не самого света. Пытаться с помощью наших грубых приборов обнаружить дискретность света (фотоны) — так же глупо, как пробовать заметить дискретность массы (атомы) цифровыми весами. При взвешивании малой массы (например, граммовой гирьки) показания весов скачут вплоть до нуля, меняясь на дискретное пороговое значение массы, составляющее обычно 1 грамм. Но, ведь, это не значит, что весы регистрируют отдельные "атомы" (весом в 1 грамм!) или вообще действие на гирьку отдельных квантов гравитации (пресловутых гравитонов). Просто значения и изменения массы, которые меньше некоторого порога, весы в принципе не способны различить и показать. Вся причина в дискретизации значений измеряющим прибором (весами, глазом, детектором), а не в дискретности самой величины.
Та же ситуация, — если использовать в качестве регистрирующего прибора не глаз, а фотоплёнку, фотоумножитель, фотодетектор, счётчик Гейгера (детектор гамма-излучения). Любой из них имеет порог чувствительности. И достаточно малой случайной вариации слабого потока света или порога чувствительности, чтобы этот порог был превышен. Тогда прибор регистрирует свет, в противном случае, сигнал начисто отсутствует. Вызван порог чувствительности тем, что реакция поглощения света идёт на атомном, молекулярном уровне. Так, в фотоумножителе и счётчике Гейгера акт регистрации начинается с одного электрона, вылетевшего из поглотившего свет атома, за счёт фотоэффекта (§ 4.3). Этот электрон, будучи разогнан электрическим полем, рождает лавину электронов, которая и регистрируется (Рис. 146). Так же, и в фотоплёнке: кристалл бромистого серебра распадается начиная с одной молекулы, получившей от света достаточно энергии. Этот распад влечёт за собой цепную (лавинную) реакцию распада всех молекул кристалла. То есть, дискретность акта поглощения связана не с прерывистой, зернистой структурой света, а — с порогом чувствительности, зернистостью приёмника, плёнки. И глаз, и прибор, в принципе, не способны различать малые интенсивности света: они либо регистрируют сигнал, либо нет. Учёные же интерпретируют это так, будто фотон либо поглощается, либо нет.
Рис. 146. Каскадный, лавинный процесс — основа работы чувствительных детекторов света. В фотоумножителе падение света частоты f приводит к выбросу из атома электрона, крутящегося с частотой f. Он и рождает лавину электронов.
Показателен в этом плане следующий опыт. На пути лазерного луча ставят экран с двумя тонкими прорезями, за счёт чего на фотопластинке возникает обычная интерференционная картина от двух щелей (Рис. 147). После луч лазера с помощью фильтров так ослабляют, что фотодетектор регистрирует уже не сплошной поток света, а отдельные импульсы, вызванные, как считают, попаданием в детектор отдельных фотонов. Но, хотя фотоны следуют друг за другом крайне редко, на фотопластинке снова возникает всё та же интерференционная картина. Выходит, каждый фотон, создающий на фотопластинке отдельное засвеченное зерно (из таких зёрен по прошествии времени складывается интерференционная картина), проходит сразу через обе щели (иначе откуда интерференция?). То есть, фотон обладает противоречивыми свойствами: он размазан по пространству, и в то же время, собран в одной точке (где его регистрирует фотоплёнка или фотодетектор). Учёные не могут объяснить это противоречие и говорят, что человеку просто не дано понять наш мир.
Рис. 147. Хотя свет дифрагирует на щелях как волна, изображение на фотопластинке состоит из зёрен, как от падения отдельных фотонов.
Но, на деле, — всё просто: надо лишь отказаться от гипотезы фотонов и принять идею Ритца, по которой свет равномерно расходится во все стороны, в виде сплошного потока частиц с периодичным, волновым их распределением в пространстве. Такой поток, даже будучи ослаблен, содержит мириады частиц и сохраняет волновые свойства, ведущие к дифракции и интерференции (§ 1.12). Поэтому, на экране всегда образуется интерференционная картина. Однако, малая интенсивность света ведёт к тому, что атомы и молекулы в регистрирующем приборе не получают энергии, достаточной для акта регистрации. И лишь в редкие моменты, в редких точках, за счёт случайных вариаций, флуктуаций потока реонов (в том числе за счёт дифракции на тепловых неоднородностях воздуха), — энергия переносимой ими волны оказывается выше пороговой. Тогда и возникают редкие импульсы в фотодетекторах, а на фотопластинке — редкие тёмные точки. Аналогично, если на земле выстроить несколько одинаковых карточных домиков, то очень слабый порыв ветра сможет повалить лишь некоторые из них, лавинно распадающиеся, начиная с единственной карты. Но это не значит, что поток ветра квантуется, а означает лишь его случайные флуктуации, завихрения на препятствиях. А дискретность связана с дискретными актами регистрации ветра: карточный домик не может развалиться наполовину: он либо стоит, либо разваливается целиком. Точно так же и слабый поток света, приводящий к лавинному распаду (начиная с одной молекулы) отдельных фотографических зёрен — не квантуется, а испытывает случайные вариации от дифракции на препятствиях, и потому затрагивает лишь отдельные зёрна: процесс регистрации оказывается вероятностным, случайным.
