Трудности и противоречия в квазисоврем. абстрактн. физике, Курс на понимание физических явлений. |
Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес
оригинального документа
: http://wasp.phys.msu.ru/forum/index.php?showtopic=13319
Дата изменения: Unknown Дата индексирования: Sun Apr 10 06:06:31 2016 Кодировка: Windows-1251 Поисковые слова: закон вина |
Здравствуйте, гость ( Вход | Регистрация )
Трудности и противоречия в квазисоврем. абстрактн. физике, Курс на понимание физических явлений. |
10.1.2008, 9:17
Сообщение
#1
|
|
живу здесь Группа: Альтернативщики Сообщений: 251 Репутация: -32 Предупреждения: (0%) |
44. Трудности и противоречия, возникшие в физике после введения Планком формальной квантовой гипотезы и модели фотона Эйнштейном, а также других постулатов в физике ХХ века. О 'скачках' в природе. О явных противоречиях в теории Планка. Решение задачи Планка для спектра излучения абсолютно черного тела в классической физике. Максу Планку одному из первых довелось штурмовать мир атомов и их взаимодействия с излучением, поэтому в истории физики ему отводится одно из особых почетных мест. Этому событию посвящено огромное количество статей и монографий, включая и учебную литературу. Однако теперь попытаемся посмотреть на данную проблему беспристрастно, т.е. просто с позиций физиков того времени с учетом всего имеющегося опыта решения подобных задач. Разумеется, спустя почти сто лет с того времени это сделать намного легче, в начале же ХХ века в рамках классических представлений задача Планка казалась почти неразрешимой. Расхождение теории Рэлея с экспериментом научные круги, по выражению Л.Д. Ландау, восприняли как 'полнейшую научную катастрофу, как крах тех положений, которые составляли основу классической физики' [1]. Так велико было влияние лорда Рэлея среди ученых. Но никто не решился высказать сомнение относительно самой теории Рэлея: является ли она последовательной? Не являлись ли более последовательными теории Кирхгофа, Вина и Больцмана, в которых не возникло подобной катастрофы? Чтобы лучше разобраться в том, что случилось в декабре 1900 года, когда появилось сообщение Планка 'К теории распределения энергии излучения нормального спектра' [2], попробуем углубиться в некоторые детали электродинамики и термодинамики рассматриваемого явления. В задаче о спектре излучения абсолютно черного тела (АЧТ) Планком была использована несколько упрощенная модель, в которой пустое пространство заполнялось простыми линейными осцилляторами, которые сравнивались с акустическими резонаторами, камертонами или колебательными контурами, со слабым затуханием и различными собственными периодами. Предполагалось, что за счет обмена лучистой энергией между осцилляторами в этом пустом пространстве установится стационарное так называемое черное излучение, соответствующее закону Кирхгофа. Но резонатор реагировал только на те лучи, которые он сам испускал и оказывался совершенно нечувствительным к соседним областям спектра. Планк сознавал, что даже если бы его формула излучения оказалась абсолютно точной, то она имела бы очень ограниченное значение - только как 'счастливо отгаданная интерполяционная формула'. В такой простой модели невозможно было учесть все особенности этой сложной задачи, например, проследить тот путь, который проходит энергия в результате ее многократного превращения из одного вида в другой. А ведь в этих превращениях и том факте, что атомы и молекулы в веществе при колебаниях случайным образом сталкиваются между собой и раскрываются статистические закономерности, установленные Максвеллом и Больцманом в молекулярно-кинетической теории. С учетом этих закономерностей данная сложная задача может быть решена полностью с позиций классической физики, т.е. без искусственного квантования абстрактных осцилляторов. Так, например, Эйнштейн несколькими годами позже решил данную задачу, используя вероятности переходов атомов между двумя произвольными энергетическими уровнями, не прибегая к искусственному квантованию [3]. В работе "Возможный смысл теории квант" [4, 5] Умов высказывает следующие оригинальные идеи: "Неудачи, постигшие попытки вывести законы излучения и удельных теплот, исходя из максвеллова распределения энергии в системе молекул или осцилляторов, привели, как известно, Планка к его гипотезе квант. Но причина этих неудач осталась невыясненной, и, пока не воспоследует соответственное объяснение, нельзя считать гипотезу квант единственной разрешающей задачу. Важность вопроса побуждает меня высказать здесь ту точку зрения, которая может, как объяснить бесплодность прежних попыток, так и указать тот путь, который приводит к принятым в настоящее время наукой законам, исходя и в тесной, не формальной, связи с максвелловым распределением энергии и минуя гипотезу излучения порциями или квантами ". Хорошо известно, что и сам Планк не считал данную задачу решенной совершенно правильно и до конца, поскольку несколько раз довольно неудачно пытался изменить свою комбинированную теорию и вдохнуть в нее как можно больше классики [6] (авт.). Фактически, Умов предлагает решить задачу Планка на излучение абсолютно черного тела полностью в рамках классической статистической физики, минуя какое-либо искусственное и туманное квантование абстрактных осцилляторов Планка. Взамен этого, Умов предлагает применить распределение Максвелла к реальным атомам и молекулам, а не к абстрактным осцилляторам или элементам энергии по Планку неизвестного происхождения (авт.). Изложенная концепция позволила Н.А. Умову, польѓзуясь только законом распределения Максвелла, устаѓновить формулу для средней энергии резонатора Планѓка без какой-либо ломки основных представлений классической физики. Все это говорит о том, что данная задача имеет не единственный, предложенный Планком, путь своего решения. Хорошо известно, что сложнейшие задачи физики решаются, как правило, с привлечением не одного уравнения или принципа, а целой системы уравнений, в которых и учитываются все особенности задачи. К атомистической теории Планк относился не только равнодушно, но даже несколько отрицательно [6]. Причина этого заключалась в том, что принципу возрастания энтропии, как и принципу сохранения энергии, он приписывал тогда применимость во всех без исключения случаях, в то время как, по Больцману, первый из этих принципов являлся только вероятностным законом, который как таковой допускает исключения. Планк сам признает первые свои неудачи при решении данной проблемы и отмечает слабые места выбранной модели [6]: 'Осциллятор реагирует лишь на такое излучение, которое он сам испускает, и не проявляет ни в малейшей мере чувствительности к соседним областям спектра'. В таких условиях невозможно добиться перестройки всех частот и установления равновесного излучения в полости. После первых неудач Планк обращается к методу Больцмана - его комбинаторике в молекулярно-кинетической теории. Однако он использует этот метод не традиционно, комбинируя между собой молекулы или атомы в том виде, как это было предложено, например, Н.А. Умовым или А.Л. Шаляпиным [7, 8], а несколько абстрактно, включая в комбинацию искусственные элементы фазового пространства, т.е. в полном отрыве от молекулярно-кинетической теории. Формально Планк нашел математический путь к своей формуле для спектра излучения, но это не может считаться последовательным решением задачи, поскольку были использованы противоречащие друг другу допущения в модели. Тем не менее, главной заслугой Планка было введение им новой универсальной константы для микромира - постоянной Планка. Планк признавал узкие места в своей модели: 'Мои тщетные попытки как-то ввести квант действия в классическую теорию продолжались в течение ряда лет и стоили мне немало трудов. Некоторые из моих коллег усматривали в этом своего рода трагедию'. Теперь, когда произведен анализ данной задачи с разных позиций, хорошо видно, что ее решение в рамках классических представлений находилось рядом, а именно, - с использованием методов статистической физики. В своих исследованиях Планк тяготел к установлению различных принципов. В его работах постоянно встречаются такие выражения как 'принцип возрастания энтропии', 'принцип сохранения энергии'. Если в первом принципе просматривается вероятностная тенденция в поведении энтропии при наличии исключений согласно Больцману, то во втором случае термин 'принцип' использован не совсем точно, поскольку хорошо известен закон сохранения полной энергии для консервативных систем. И данный закон установлен не на основе принципа или с использованием теории вероятностей, а есть прямое следствие второго закона Ньютона. В отношении теории Максвелла Планк выносит окончательный приговор [6]: '...я думаю, что не встречу серьезных возражений со стороны физиков, если скажу, подводя итоги, что допущение о точном соответствии с действительностью простых дифференциальных уравнений Максвелла - Герца несовместимо с возможностью механистического истолкования электродинамических явлений в чистом эфире. То обстоятельство, что Максвелл вывел первоначально свои уравнения с помощью механистических представлений, не изменяет существа дела'. По этому поводу следует заметить, что Максвелл попросту не успел ввиду преждевременной кончины завершить свою теорию и выявить механизмы формирования электромагнитных полей в эфире, но он был уверен в том, что электромагнитная энергия есть энергия механическая. Термин 'механистический' имеет философский смысл и относится к тем случаям, когда исследователи чрезмерно увлекаются механикой процессов, когда это не совсем оправданно, и задача может быть решена иными более совершенными методами. При стремлении же исследователя проанализировать и раскрыть механизмы физических явлений использование термина 'механистический подход' может вызвать просто недоумение, тем более что рано или поздно исследователям, как правило, удается установить эти механизмы. Непоследовательность рассуждений Планка можно обнаружить на примере анализа волновых явлений [6]: 'Представим себе поверхность воды, на которой сильный ветер подымает высокие волны. После того как ветер прекратится, волны остаются еще некоторое время и двигаются от одного берега к другому. При этом произойдет одно характерное изменение. Энергия движения больших, высоких волн будет все больше превращаться, особенно после отражения от берега или других твердых преград, в энергию движения коротких, мелких волн. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока, наконец, волны не станут так малы, движения так слабы, что они будут совершенно незаметны... Представим себе, что совершенно аналогичный процесс происходит не с водяными волнами, а с волнами светового или теплового излучения. Допустим, что лучи, испускаемые раскаленным телом, собираются в замкнутом сосуде посредством отражения и движутся в нем взад и вперед, регулярно отражаясь от зеркальных стен сосуда. В этом случае также произойдет постепенное превращение лучистой энергии длинных волн в энергию коротких волн, упорядоченного излучения - в неупорядоченное. Длинным волнам соответствуют инфракрасные лучи спектра, коротким волнам - ультрафиолетовые лучи. Согласно классической теории, приходится заключить, что вся лучистая энергия перейдет под конец в ультрафиолетовую часть спектра, или что инфракрасные и даже видимые лучи постепенно исчезнут и превратятся в невидимые ультрафиолетовые лучи, которые оказывают преимущественно химическое действие. Но в природе нельзя найти и следа такого явления... Делались самые разнообразные попытки примирить этот факт с классической теорией, но всякий раз оказывалось, что противоречие так глубоко затрагивает самые основы теории, что ее никак нельзя оставить неприкосновенной. Поэтому ничего другого не остается, как пересмотреть основные положения теории'. Данный пример приведен в подробностях с той целью, чтобы еще раз убедиться, каким образом довольно часто выстраивается критика классической теории. Ведь с этой задачи на излучение началась вся ломка классических представлений в самом начале ХХ века. В приведенных примерах речь идет о волнах самой различной природы. На воде происходит превращение больших гравитационных волн в мелкие поверхностные волны с диссипацией энергии. К электромагнитным явлениям это имеет очень малое отношение. Кроме этого, хорошо известно, что даже в акустике волны при отражении от стенок или каких-либо препятствий никогда не дробятся на более мелкие волны, а происходит их постепенное затухание, т.е. диссипация энергии при сохранении длины волны в первом приближении. Планк осознает всю неопределенность возникшей ситуации: 'Конечно, введение кванта действия еще не создает никакой истинной теории квант, и я уже касался трудностей, возникших с самого начала при введении кванта действия в установленную классическую теорию. С течением времени они скорее увеличились, чем уменьшились..." Формула Планка прекрасно описывала экспериментальные результаты по спектру излучения абсолютно черного тела. Но успех имел и теневую сторону. Если допустить, что лучистая энергия испускается и поглощается только порциями, значит надо признать, что в световой волне она распределена не непрерывно, а сосредоточена в виде частиц света, корпускул. То есть подставить под сомнение волновую гипотезу Христиана Гюйгенса и теорию Максвелла, которые прошли многократную проверку и полностью оправдали себя. Да и не только это. Тут значило замахнуться и на большее - на всю классическую физику, служащую фундаментом для естественных наук. И Планк дрогнул, смешался. Сложилась, пожалуй, беспримерная в истории науки ситуация: подарив миру великую гипотезу, ее творец, испугавшись масштаба последствий, в течение ряда лет всячески противодействовал тому, чтобы она укоренилась в науке. Планк чувствовал незавершенность своей задачи. Он всегда стремился к единству физической картины мира. Он понимал ценность того, что добыла мысль человека в итоге многовековых поисков. Классическая физика, говорил он, - это 'величественное сооружение чудесной красоты и гармонии'. И он слишком им дорожил, чтобы на него посягнуть [6]. Теперь, когда мы предложили решение данной задачи полностью в рамках классической физики [7, 8], драматизм всей ситуации ощущается особенно остро. Консервативный доктор Планк 'выпустил джина из бутылки' и оттого потерял покой. Ведь 'введение гипотезы квант, - писал он, равносильно крушению классической теории, а не простому ее видоизменению, как в случае с теорией относительности' [6]. Он констатировал с горечью: 'Ни один физический закон не обеспечен от сомнений, всякая физическая истина считается доступной оспариванию. Дело имеет иногда такой вид, как будто в теоретической физике снова наступила пора первозданного хаоса'. Это была капитуляция большого теоретика перед сложнейшей задачей физики ХХ века. Собственная теория представлялась ему неким 'чуждым и угрожающим взрывчатым снарядом'. Он был готов уничтожить ее, лишь бы не упал волос с головы классической теории. И здесь Планк во многом был прав. 'Конечно, - говорил он и тогда, и позже, - если бы гипотеза квант во всех вопросах действительно превосходила классическую теорию, либо, по меньшей мере, была бы ей равноценна, то ничего не мешало бы целиком пожертвовать всей классической теорией; больше того, на эту жертву необходимо было бы решиться'. Но лично он в этом превосходстве сомневался. Ведь у гипотезы квант не только сильные стороны, немало в ней и слабых моментов, а именно: многие физические эксперименты могут быть объяснены непротиворечиво только на основе классической физики. В нобелевской речи 'Возникновение и постепенное развитие теории квантов', произнесенной 2 июля 1920 г., Планк вновь напомнил о трудностях при введении кванта действия в классическую теорию [9]. 'С течением времени, - сказал ученый, они скорее увеличились, чем уменьшились, и если за этот промежуток бурно несущееся вперед исследование на время перешло от них к текущим вопросам, то добросовестного систематика эти зияющие пустоты удручают еще мучительнее'. Планк ясно сознавал незавершенность задачи, а также несовершенство физической картины мира, полученной при введении им формальной гипотезы квантов. Тем временем атомная теория все больше и больше переходила в математическую форму. Хотя матричная теория Дирака приводила к правильным р |