Сергей Семиков - Баллистическая теория Ритца и картина мироздания
Пусть, однако, критика фотонной, корпускулярной теории света не заставит читателя впасть в другую крайность и принять представления о свете, как о волнах в неподвижной среде, эфире. Согласно БТР, свет — это и не волна в среде, и не частица, и даже не волно-частица (как в квантовой механике). По Ритцу, свет — это волна, переносимая со скоростью света вместе с потоком частиц, как бы "вмороженная" в него. Такая же волна возникает, если дать очередь из автомата, быстро водя им из стороны в сторону: пули образуют в пространстве волнообразную цепочку, движущуюся со скоростью пуль (Рис. 22). Именно такую предложенную Ритцем форму распространения света, переносимого частицами, и, в то же время, обладающего волновыми свойствами, и пытались найти многие учёные от Ньютона до Вавилова [83]. Выходит, правы были Демокрит и Лукреций, сумевшие догадаться не только о частицах тел (атомах), но и об источаемых ими светоносных частицах. И частицы эти — никакие не фотоны (кванты света), но реоны — зёрна, кванты, атомы электрического воздействия, обладающие стандартной массой.
Как видели выше, гипотеза эфира столь же беспочвенна, сколь и гипотеза фотонов (§ 3.21). Свет — это не совсем волна, и не совсем частица. Так же, и периодические сгустки-разрежения электронов в клистроне (§ 2.11) нельзя назвать просто "потоком частиц" (это огромные скопища упорядоченных в пространстве частиц), и нельзя назвать "волнами в среде". Пусть пока не все опыты объяснены без привлечения фотонов, зато разрушен миф о всесильности квантовой теории и полной беспомощности классической физики в трактовке "чисто квантовых" эффектов. Так что, теперь недолго уже ждать полного разрешения проблем классической науки. Думается, именно классический взгляд на "квантовые" явления позволит, наконец, решить такие важные задачи физики и техники, как проблема создания солнечных батарей с высоким КПД и высокотемпературных сверхпроводников, где бессильна помочь квантовая механика.
Итак, частицы всегда остаются частицами, а волны — волнами. Поэтому, бессмысленно вести двойную бухгалтерию волн-частиц (§ 4.11). Наш мир устроен просто и ясно. И лишь нежелание или неумение разобраться в сути происходящего, в природе явлений, побуждает учёных выдумывать запутанные теоретические схемы. Эти схемы противоречат принципу Оккама, ибо вводят столько новых, абсурдных, ниоткуда не следующих допущений, что их шанс оказаться верными — ничтожен. Ещё Ритц предупреждал, что нельзя принимать новые сложные гипотезы, покуда нет уверенности, что исчерпаны более простые и естественные. Остро отточенная бритва Оккама должна быть главным орудием учёного. Именно она позволяет отсечь всё лишнее, мистическое, абсурдное и разделить частицы с волнами.
§ 4.3 Фотоэффект
При такой ситуации естественно предположить, что источник энергии отрывающихся от металла электронов заключён всё же не в лучах, а в самом металле. Что касается лучей, они лишь освобождают её, служат своего рода запалом — ведь одной искры бывает довольно, чтобы взорвать бочонок с порохом…
Макс Планк о фотоэффекте, 1919 г. [83, с. 143]Одно из первых свидетельств корпускулярных свойств света дал фотоэффект, то есть, — вылет электронов из металла при облучении его светом. Напомним, в 1888 г. русский физик-экспериментатор А.Г. Столетов (Рис. 148) исследовал явление фотоэлектрического эффекта, установил его природу и главные закономерности. Явление не только кардинально повлияло на развитие физики, но и повлекло за собой массу открытий, изобретений. Все теле- и видеокамеры, цифровые фотоаппараты, фотоэлементы, солнечные батареи и прочие устройства, преобразующие свет в электрические воздействия и обратно, — основаны на фотоэффекте. Без него немыслима современная техника. Казалось бы, столь важное явление должно быть подробно изучено и объяснено. Но, несмотря на более чем столетнюю историю исследований, фотоэффект так и не нашёл адекватного исчерпывающего объяснения и таит ещё уйму загадок.
Рис. 148. Александр Григорьевич Столетов (1839–1896).
Суть фотоэффекта, как открыл Столетов, состоит в испускании металлом, под действием света, отрицательно заряженных частиц, — электронов. Первый закон фотоэффекта, открытый Столетовым, гласит: интенсивность тока электронов (фототока) из металла — пропорциональна интенсивности освещения. Из этого, полагали, естественно заключить, что именно свет даёт энергию фотоэлектронам, заставляя их вылетать из металла: чем больше света, — тем больше электронов покидает металл. Но Столетов обнаружил удивительную вещь: электроны начинали выходить из металла мгновенно, едва включали освещение [23]. Как показали расчёты, свет просто не успел бы передать электронам требуемую для выхода энергию [134]. Другой загадкой был открытый Ф. Ленардом закон, по которому скорость и энергия E фотоэлектронов зависит не от интенсивности света, а лишь от его частоты f.
Вместе эти два факта, — безынерционность фототока и независимость энергии электронов от яркости, — означали, что вовсе не свет даёт энергию электронам. И, вот, Макс Планк предположил, что фотоэлектроны получают энергию от самого металла, а свет лишь включает спусковой механизм фотоэффекта, играя роль искры, вызывающей взрыв бочонка с порохом, выстрел кремневого ружья, — атома металла, стреляющего пулями-электронами [83]. Чем больше света, — запальных искр, тем чаще раздаются выстрелы: металл чаще стреляет электронами. Но эту идею Планка забыли и приняли другую его гипотезу, которую сам он не рассматривал всерьёз: гипотезу квантов, по которой свет состоит из малых порций, сгустков энергии hf (квантов, фотонов), которые разом отдают электронам свою энергию. Квантовая гипотеза объясняет безынерционность фотоэффекта и зависимость E=hf, но не объясняет других свойств фотоэффекта и не вяжется с волновой, электромагнитной природой света (§ 4.2).
Теоретически свет, будучи электромагнитной волной, мог бы, заставив электрон колебаться, придать ему скорость и "выбить" из металла. Но, в таком случае, неясно, почему скорость электрона не зависит от яркости света, а определяется лишь его частотой. Кроме того, в опытах выяснилось, что энергия вылетевшего электрона нередко больше энергии поглощённого им света, словно энергию электрону передала не распределённая в пространстве волна, а именно фотон, световой квант, — энергетический сгусток, в малом пространстве аккумулирующий всю энергию волны [134]. Вот и решили, что только фотонам по плечу выбивать электроны из металла, потому-то энергия электронов и зависит лишь от частоты света. И, всё же, фотоэффект можно объяснить без привлечения фотонов и квантов света, если принять, следуя Планку, что "источник энергии электронов заключён всё же не в лучах, а в самом металле". В самом деле, учёные признают, что фотоэффект возможен лишь в металле: никто ещё не наблюдал аналогичного фотоэффекту действия света на одиночный электрон в вакууме. А, раз энергию электрону даёт металл, то даже слабый свет, давя на спусковой крючок фотоэффекта, способен высвободить электроны с огромной энергией, независимо от яркости. Так же, и слабое нажатие на спусковой крючок арбалета, баллисты, — высвобождает запасённую в тетиве огромную энергию, приводящую к выбросу стрелы или снаряда.
Но где же источник этой скрытой энергии? Вероятно, в атоме. На эту мысль наводит явление внутреннего фотоэффекта, — процесса, в котором связанные электроны полупроводника, оторвавшись под действием света от атомов, уже не покидают его поверхность, но свободно движутся внутри, снижая сопротивление [74]. На этом явлении основана вся фотоэлектроника: цифровые камеры, фотоаппараты и сканеры. Так вот, похоже, и при внешнем фотоэффекте происходит, в действительности, не передача энергии свободным электронам металла, а лишь вылет электронов из атомов, о чём пишут многие учебники (Рис. 149). А электрон в атоме, двигаясь по своей орбите, уже изначально обладает энергией и скоростью. Всё что остаётся сделать свету — это снять электрон с орбиты. Тогда тот, словно камень, сорвавшийся с пращи, вылетит из атома, сохранив орбитальную скорость V.
Рис. 149. Природа фотоэффекта.
То, что электроны обладают энергией с самого начала, неопровержимо доказывает один малоизвестный, а, возможно, и намеренно замалчиваемый эффект, открытый ещё А.Г. Столетовым, отцом фотоэффекта. Столетов обнаружил, что при длительном облучении металла, тот как бы "устаёт" — выход электронов постепенно уменьшается и может совсем сойти на нет, хотя сила света не менялась [23, сс. 385, 392]. Как же так: свет есть, электроны есть, а фотоэффект ослабевает? Квантовая физика объяснить этого не может. Но, если электроны получают энергию не от света, а обладают ей изначально, то такое явление вполне закономерно, ибо, с течением времени, источник энергии истощается. Всё меньше остаётся способных "выстрелить" атомов, "заряженных" готовыми сорваться электронами, — вот и слабеет фототок. То же явление "утомляемости" обнаружилось у внутреннего фотоэффекта. С этим его проявлением знаком каждый, кто по неосторожности подверг фотоматрицу видеокамеры или "цифровика" действию слишком яркого света, отчего работа фотоэлементов матрицы ненадолго нарушилась. Подобно слепнущему на ярком свету человеку, временно "слепнет" и фотоприбор: картинка искажается "шумами", "мурашками" (эту аналогию фотоэлемента и глаза отмечала ещё С.В. Ковалевская, наш замечательный математик и физик, как следует из книги П. Кочиной). В момент яркой вспышки атомы вещества выбрасывают почти весь свой запас фотоэлектронов, и должно пройти некоторое время, прежде чем он восстановится.
