Андрей Гришаев - Этот «цифровой» физический мир

У1. Участники телеконференций в Интернете, частные сообщения.

Ф1. T. Van Flandern. The speed of gravity – what the experiments say. Phys.Lett. A, 250 (1998) 1.

Ц1. Т. Цубои. Гравитационное поле Земли. М., Мир, 1982.

Ч1. Б.Е.Черток. Ракеты и люди. Кн.2: Фили-Подлипки-Тюратам. «Машинострение», М., 1999. Стр.252.

Ш1. Б.П. Шимбирев. Теория фигуры Земли. М., Недра, 1975.

Ш2. В.В.Шулейкин. Очерки по физике моря. «Изд-во АН СССР». М.-Л., 1949.

Некоторые древнегреческие философы учили, что мы видим глазами потому, что из глаз выходят тончайшие щупальца, которыми мы ощупываем предметы на расстоянии. Эта концепция, в рамках тогдашних знаний о мире, выглядела вполне правдоподобно. А рухнула она от простенького возражения – попробуйте, мол, что-нибудь вот так ощупать в совершенно тёмной комнате! Не получается? То-то же. Пришлось допустить, что мы можем видеть глазами предметы тогда, когда в глаза попадает нечто, идущее от предметов. Это нечто и есть свет. В тёмной комнате света нет, поэтому там – «хоть глаз выколи».

История развития научных представлений о природе света – это история углубления научного бессилия. Ибо чем больше появлялось опытных данных про свет, тем становилось всё яснее, что научные представления о нём – никуда не годные.

Ньютон представлял свет как поток корпускул. Первые же измерения скорости света показали, что световые корпускулы должны летать с огромной скоростью. Представляете, как они сталкивались бы при пересечениях курсов, и как при этом они изменяли бы направления полёта! Однако, лучи зрения множества наблюдателей могут пересекаться, и при этом каждый наблюдатель успешно видит свой объект. Такое может быть, по Ломоносову, если свет – это не поток корпускул, а волны в какой-то особой среде. Ведь для волн как раз характерно – проходить друг сквозь друга без взаимных помех! Но лишь когда у света обнаружились дифракция и интерференция – лишь тогда волновая теория стала господствующей. Пришлось придумать среду – световой эфир – где распространявшиеся механические колебания и представляли собой световые волны. Ох, и намучились физики, пытаясь построить модель эфира. Ведь эфир должен был обеспечивать механические колебания на оптических частотах, которые распространялись бы с огромной скоростью – скоростью света! Для механических колебательных систем эти цифры – совершенно запредельные. Хуже того: уравнения Максвелла, которые изначально описывали механические колебания в эфире – и давали, в качестве решения, распространяющиеся волны – были, по сути, уравнениями сплошной среды. Однако, сплошных сред в природе не бывает, да и механические колебания возможны в тех средах, которые состоят из отдельных частичек, связанных силами упругости. Но самые большие трудности из-за концепции эфира возникли в оптике движущихся тел. Считалось, что эфир заполняет всё мировое пространство, будучи однороден, изотропен и неподвижен. А скорость упругих волн в среде определяется только свойствами этой среды, поэтому волна движется с характеристической скоростью по отношению к местному участку среды . Казалось бы, экспериментатор на Земле, вектор скорости которой по отношению к эфиру изменяется (из-за годичного обращения), мог бы обнаружить соответствующие вариации скорости света. Но, увы… Были предложены модели, в которых эфир движущимися телами увлекался – частично или полностью. Всё тщетно. Ни одна модель эфира не объясняла всей совокупности экспериментальных фактов. Наконец, с подачи Эйнштейна, эфир упразднили. Но уравнения Максвелла сохранили, поскольку на их лорентц-инвариантности и держалось всё то, что называлось «теорией относительности». Раньше уравнения Максвелла описывали волны в среде, а теперь они стали «описывать» волны в чистом поле, без всякой среды. Откуда там, в чистом поле, берутся возвращающие силы, необходимые для наличия и распространения колебаний (кстати, колебаний чего ?) – науке это до сих пор не ведомо. Причём, когда это всё начиналось, было уже хорошо известно, что характеристические спектры атомов представляют собой наборы отдельных линий. Считалось, что каждой такой линии соответствует своя волна, которая излучается при механических осцилляциях электрона в атоме – на резонансной частоте.

И вот произошли два свершения. Второе из них: Резерфорд предложил планетарную модель атома. Основания для этой модели были, но, согласно ей, электроны в атоме осциллировали постоянно, поскольку они обращались вокруг ядра. А, значит, постоянно порождали световые волны. А, значит, постоянно теряли энергию. И, стремительно падая по спирали на ядро, успевали бы излучить широченный спектр – вместо отдельных линий, наблюдавшихся на опыте… А, несколько ранее этого свершения, Планку удалось соорудить математическое выражение, описывавшее спектр равновесного излучения, у которого максимум при комнатной температуре находится в инфракрасной области. Тут, правда, не обошлось без надувательства. Смотрите: выражение для электромагнитного спектра можно записать так, чтобы аргументом являлась частота – а можно так, чтобы аргументом являлась длина волны. Планк предложил оба эти варианта [П1,П2]. Казалось бы, это два выражения для одного и того же спектра. Но, поразительным образом, их максимумы сильно не совпадают. Чтобы в этом убедиться, следует взять производные от этих выражений и, приравняв их нулю, найти положения максимумов, а затем привести результаты к какой-нибудь одной физической величине – например, к энергии, удачно выражаемой в единицах kT , где k - постоянная Больцмана, а T - абсолютная температура. И окажется, что максимум длин-волнового выражения Планка соответствует энергии 4.97 kT , а максимум частотного выражения Планка – энергии 2.82 kT [Г1]. Не мы первые это обнаружили: вопрос обсуждался даже на академическом уровне [Г2,С1,Г3]. Авторы предлагали «промежуточный» вариант выражения для равновесного спектра – с однозначным максимумом. Но, увы, этот вариант не находился в согласии с опытом: на опыте блестяще подтверждалось длин-волновое выражение Планка [Б1,Л1]. А в чём же тогда было надувательство? А в том, что всю квантовую теорию, со всеми её далеко идущими следствиями, строили на частотном выражении Планка, которое на опыте не подтверждалось !

И вот, в этом выражении, не подтверждаемом на опыте, фигурировало произведение частоты на подгоночный множитель, которому впоследствии присвоили статус фундаментальной константы – постоянной Планка. Произведение конкретной частоты на эту постоянную давало конкретную порцию энергии. Вот же они, кванты света! Ух, как они пригодились, чтобы решить проблему с устойчивостью атомов, которая возникала в планетарной модели Резерфорда! Бор, не напрягаясь, всё разъяснил: у атомарного электрона, мол, есть набор стационарных орбит, по которым он обращается, не излучая. А излучение-поглощение – квантами! – происходит, мол, при переходах с одной стационарной орбиты на другую. Эти переходы, мол, и дают наблюдаемые линейчатые спектры! Всё хорошо, но почему электрон, обращаясь по стационарной орбите, не излучает? Да, получается, потому, что Бор так постулировал!