Квантовые подходы к тупикам теоретической физики.

Но пришло не избавление, а безысходность пуще прежней. Понимаете, нельзя было ревизию мотивировать тем, что, мол, планетарная модель атома, господа, годится лишь для наивных чукотских девушек. Не дай Бог, кто-нибудь обиделся бы. Поэтому повели такую политику: «Ах, какая она замечательная, планетарная модель! У неё всего один недостаточек! Связанный с излучением электрона, движущегося по орбите! Устранить этот недостаточек – и будет полный ажур!»

Это они вот о чём. По классическим представлениям осцилляции электрона в атоме означали его пребывание в возбуждённом состоянии. При поглощении электромагнитной энергии эти осцилляции «раскачивались», а предоставленные самим себе, затухали, но при этом запасённая электромагнитная энергия излучалась. Теперь, смотрите-ка, что такое орбитальное движение электрона в планетарной модели? Да не что иное, как его двумерные осцилляции! Никто отчего-то не пояснял, откуда это орбитальное движение бралось, кто это так удачно давал электрону пинка нужной силы и в нужном направлении. Но все сходились в том, что, выйдя на атомную орбиту после этого удачного пинка, предоставленный самому себе электрон начал бы терять энергию на излучение. И очень быстро потерял бы её всю, за несколько оборотов упав на ядро. Выходила нелепица: атомы, мол, долго жить не должны, а они живут. Вот, мол, в какой тупик заводят классические представления при умелом пользовании! Ищи, мол, теперича выход из этого тупика!

Тут-то опять и сработал квантовый подход, на основе которого Бор предложил на редкость блистательный выход. Учитесь, студенты: если проблема связана с излучением движущегося по орбите электрона, то эта проблема устраняется простеньким постулатом о том, что движущийся по орбите электрон не излучает. Делов-то, господи! Только требовались ещё кой-какие уточнения. Судя по обилию линий в атомных спектрах, в атомах допустимы целые наборы волшебных орбит, на которых электрон не излучает. А, дескать, излучает он только при перескоке с одной орбиты на другую, более низкую. Соответственно, поглощает он при перескоке на орбиту более высокую. Причём такие излучения-поглощения с очевидностью должны происходить порциями, т.е. квантами, в великолепном, мол, согласии с гипотезой Планка!

Стойте, стойте! Позвольте вам напомнить, что в гипотезе Планка квант имеет физический параметр – частоту. Только этой частотой и определяется величина порции энергии. И вот, оп-ля, эта порция энергии поглотилась атомом, отчего его электрон сиганул на более высокую орбиту. Спрашивается: что же при этом колебнулось в атоме с частотой кванта? Ответ на этот вопрос искали долго, до мелькания чёртиков в глазах, так что можно с полной определённостью сказать: ничего там в атоме с частотою планковского кванта не колеблется. Так-так. Вот значит о чём вы умалчиваете, любезные! Значит, когда планковская порция энергии находится в атоме, то её величина определяется вовсе не частотой?!

Это называется – согласие с гипотезой Планка? Вы ещё скажите, что при поглощении кванта атомом энергия кванта банально превращается в прирост энергии орбитального движения электрона, так что от бывшей частоты кванта остаётся одно воспоминание. Ладно, но тогда каким макаром возобновляются трепыхания на той самой частоте при обратном процессе, когда квант излучается? Может в атомах имеются портативные аналого-цифровые преобразователи? Валяйте, не стесняйтесь!

Тут академики опять попытаются поставить нас на место. Мол, отчего это автор делает акценты на какой-то ерунде-мелочёвке, когда главное содержание постулатов Бора совсем другое! Это оттого, чтобы вас подготовить. Перед тем, как сделать акцент на главном содержании. Оно ведь сводится к чему? К тому, что атом может поглотить и излучить только резонансные порции энергии, которые равны разностям энергий движения электрона на тех самых, стационарных боровских орбитах. Это и есть «главное содержание» – центральный догмат квантовой теории.

Как можно было дойти до жизни такой? Ведь у атомов различных химических элементов различны и системы стационарных орбит, а значит и соответствующих квантовых уровней энергии, а значит и разностей между ними. Тогда из центрального догмата следует, что без специальных мер, сдвигающих или уширяющих квантовые уровни, излучённый атомом одного элемента квант не может быть поглощён атомом другого элемента. Ей-богу, в такой ситуации даже этой троице, двум атомам и одному кванту, стало бы не по себе от осознания идиотизма происходящего. «Универсальное взаимодействие», растудыт его, которое оказывается «только для своих»!

И нам ещё морочат головы про то, что лазеры появились благодаря квантовой теории?! Не «благодаря», любезные, а «вопреки»: в первых лазерах использовалась широкополосная накачка лампами-вспышками! А это прямое экспериментальное опровержение вашего центрального догмата: резонансное излучение генерируется в результате поглощения нерезонансных квантов накачки, энергия которых больше энергии лазерного перехода! Или вот ещё: облучают вещество заведомо нерезонансным ультрафиолетом, и оно начинает флуоресцировать на длине волны, в точности соответствующей разности энергии облучения и энергии ближайшего нижерасположенного квантового уровня в этом веществе!

Впрочем, о чём это мы распелись? Теоретики нынче пошли какие-то особенные, закалённые: убийственными опытными фактами их уже не прошибёшь. Чихать они на них хотели. Единственное, что их ещё может пронять, так это убийственное противоречие в обожаемой теории. Ладно, сделаем! Если по-другому никак. Надо всего лишь сопоставить пару первых же квантовских достижений. То, которое воспевает равновесный спектр (как мы помним, сплошной), и то, которое обязывает атомы поглощать и излучать только резонансные порции энергии, т.е. обязывает их спектры излучения-поглощения быть дискретными…

Что же у вас получается, закалённые вы наши? Что атомы не могут быть источниками равновесного излучения?! И не могут участвовать в равновесном радиационном теплообмене?! Но тогда нужно было сразу же объявить термодинамику лженаукой и выкинуть её в специально отведённое место. Отчего же не объявили, не выкинули? Не нашлось, что ли, желающих ручки марать? Э, нет, тут были мотивы более высокоидейные. А ну как специалисты по термодинамике развернулись бы, да хорошенько дали в ответ? Моментально бы прояснилось, что в равновесном радиационном теплообмене атомы непременно участвуют, а как же иначе! И что в специально отведённое место нужно отправлять не термодинамику, а квантовую теорию. Поэтому квантовикам-затейникам и вправду лучше было помалкивать. И при встрече даже с заштатным термодинамщиком вежливо с ним раскланиваться. Чтобы публика ни о чём таком не догадалась.

И главное, теперь надо было на каждом углу тарахтеть про постулаты Бора. Если на них как следует зациклиться, то кошмар с равновесным сплошным спектром забудется, мол, сам собой. А для пущей важности давай-ка сюда притягивать за уши опытные свидетельства о том, что кванты световой энергии – это конкретно настоящие частицы. Чтобы никаких сомнений на этот счёт не оставалось, как в случае с фотоэффектом. А то действительно стыдно было любимым девушкам в глаза смотреть: облучаешь металлическую пластинку ультрафиолетом и вышибаешь оттуда электроны, но каждый такой электрон вышибается так, словно хватанул лишь порцию энергии, но не порцию импульса! Словно его только припекло, но не пнуло! Причём «не пнуло» – это ещё мягко сказано: фотоэлектроны-то вылетали из освещённой стороны пластинки, т.е. навстречу вышибавшим их квантам. Как это у них так весело получалось, никто из квантовиков объяснить не брался, даже Эйнштейн. Его знаменитое уравнение фотоэффекта описывало лишь баланс энергий при вышибании электрона квантом. Этого было мало: хотелось свидетельств о том, что кванты света переносят не только энергию, но и импульс.

А откуда же их было взять? Вон, смелую гипотезу о том, что хвосты комет образуются из-за давления солнечного света, выдвинул ещё Кеплер в 1619 г. Ну, ему было простительно. Он же не знал, что от Солнца разлетается поток высокоэнергичных частиц, т.н. солнечный ветер. «Да наплевать на этот ветер, – разъяснят вам специалисты, – солнечный свет давит гораздо сильнее!» Они это вот с чего взяли. Зная концентрацию и скорость частиц солнечного ветра на радиусе орбиты Земли, рассчитали результирующее давление и сравнили его с расчётным давлением, полученным на основе потока световой энергии, т.н. «солнечной постоянной». При таком раскладе получается, что солнечный свет давит на три порядка сильнее, чем солнечный ветер. Но заметьте, солнечная постоянная описывает поток энергии в огромном сплошном спектральном диапазоне, а молекулы, которыми «газит» ядро кометы, рассеивают свет селективно. Если это учесть, то давление солнечного света окажется на порядок меньше, чем давление солнечного ветра!

Тут специалисты помычат-помычат и укажут нам на то, что расчёты, вообще-то, ничего не доказывают. Так вам, дяденьки, доказательства нужны? А чем же вы занимались последнюю сотню лет, когда доказательства были перед вами на блюдечке? Разве вы не знаете, что в годы активного Солнца интенсивность солнечного ветра возрастает на порядок, а световой поток от Солнца остаётся постоянен? Если хвосты комет формируются главным образом солнечным ветром, то у этих хвостов должна наблюдаться разница при спокойном и активном Солнце, а если здесь главную роль играет световое давление, то разница наблюдаться не должна… «Молчать, шума не поднимать! – шушукались астрономы. – Если что – всё отрицать!» К счастью, нашёлся отважный астроном Бирманн, который во всеуслышание заявил, что названная разница наблюдается. Значит хвосты комет свидетельствуют вовсе не о том, что свет давит.

А как там насчёт знаменитых опытов Лебедева? Ведь нас учат, что виртуозность экспериментаторского искусства здесь была такова, что световому давлению ничего не осталось, кроме как обнаружиться. Смотрим… Свет от электрической дуги направлялся на мишеньки из тонкой фольги, прикреплённые к крылышкам лёгких крутильных маятников. Мишенька освещалась то с одной, то с другой стороны не для раскачки маятника, а для смещения нулевого положения его колебаний. По величине этого смещения и делался вывод о силовом эффекте от светового давления. Но ведь ещё здесь вмешивались радиометрические силы. Из-за того, что температура остаточных газов несколько выше с освещённой стороны мишеньки, чем с неосвещённой, возникает соответствующая разница давлений. Чтобы уменьшить этот эффект, баллон с маятником откачивали, но полностью радиометрические силы, конечно, не устранялись. Как же можно было убедиться в том, что давил именно свет? А вот как. Согласно теории Максвелла давление света на абсолютно отражающую поверхность в два раза больше, чем на абсолютно поглощающую. Вот Лебедев и виртуозничал с двумя типами мишенек: с зеркальными и чернёными. Но вышел конфуз какой-то: силовой эффект для зеркальных мишенек оказался всего в 1.2-1.3 раза больше, чем для чернёных. К гадалке не ходи – это радиометрические силы резвились… Что интересно, спустя десятилетия опыты Лебедева можно было повторить в условиях несравненно лучшего вакуума, устранив радиометрические силы подчистую. Удача сама лезла в руки, да что-то не нашлось охотников сгрести её в охапку. Оскудела, что ли, земля виртуозами экспериментаторского искусства? Ну что вы! Дело похоже вот в чём: когда эти виртуозы устраняли радиометрические силы, то пропадал и силовой эффект. А чтобы публика об этом не догадалась, придумали игрушку с очаровательным названием «радиометрическая вертушка». Светишь на её крыльчатку, а она и вертится. «Пусть вас не смущает название игрушки, – разъяснили балбесам, – она вертится из-за давления света!»

Впрочем, для квантовой теории подобные закидоны про давление света были что называется, сбоку припёка. А хотелось ей гораздо большего: свидетельств о том, что импульс переносится отдельным квантом. Добыть такое свидетельство – это вам не то, что подшипники у вертушки смазывать, и не то, что подглядывать, как кометы хвостами машут. Квант нельзя было ни увидеть, ни потрогать. Поэтому нужные свидетельства были получены силой великих мыслей. А точнее, силой великих домыслов.

Взять хотя бы историю Комптона. У него получилось в некотором роде эффектно. Была такая странность при рассеянии рентгеновских лучей на мишенях из лёгких элементов: длина волны сдвигалась, причём этот сдвиг зависел лишь от угла рассеяния. Но это было странно с позиций классической, т.е. волновой, теории. А Комптон попробовал применить квантовый подход, в котором рентгеновскому кванту приписан импульс. Предполагалось, что квант со своим приписанным импульсом соударяется со «слабо связанным» атомарным электроном и выбивает его из атома, превращая его в «электрон отдачи». Тогда из законов сохранения энергии-импульса следовало уменьшение энергии рассеянного кванта в соответствии с наблюдавшимся увеличением длины волны! Ну Комптон и обтяпал это дело так, что ахнули почти все, кроме разве что специалистов по рассеянию рентгеновских лучей. Они-то знали, что этот ловкач соловьём заливался лишь про компоненту с увеличенной длиной волны, но помалкивал про компоненту с настолько же уменьшенной длиной волны.

Ибо, если говорить всю правду, то пришлось бы делать грустные выводы. Либо законы сохранения энергии-импульса в половине случаев работают, а в половине – нет. Либо, что более разумно, приписанный кванту импульс – это полная туфта… «Ты, Комптон, главная штука, не тушуйся, – утешали друзья-экспериментаторы. – Мы твой эффект поддержим!» И кинулись поддерживать: доказывать на опыте, что рассеянный квант и «электрон отдачи» ведут себя правильно, т.е. вылетают одновременно и разлетаются именно под теми углами, какие требуют законы сохранения. Об этих поддерживающих опытах в учебниках пишут очень скупо, без подробностей. Это понятно. Если студенты узнали бы подробности, они оценили бы «доказательную силу» этих опытов: хохот грянул бы гомерический.

Таким вышел первый блин на кухне, где стряпали доказательства переноса импульса отдельным квантом. Но вот, из этой кухни опять запахло чем-то свеженьким. На этот раз дело касалось гамма-квантов, которые капризничали, не желая резонансно поглощаться, хотя у ядер-поглотителей имелся такой же квантовый переход, как и у ядер-излучателей. «Это всё из-за того, – втолковывали теоретики, – что гамма-квант сообщает импульс отдачи как излучающему его ядру, так и поглощающему, отчего их изначально совпадавшие спектральные линии разъезжаются из-за эффекта Допплера на величину, превышающую их ширины». Ну, ну.

Вообще-то, спектральная линия излучателя испытывает допплеровский сдвиг тогда, когда соответствующая скорость у излучателя уже имеется. В рассматриваемом же случае, ядро-излучатель приобретает отдачу в результате излучения кванта. Значит, на момент излучения, никакого сдвига линии ещё нет. Мы говорим «на момент», поскольку Первый Сольвеевский конгресс чётко постановил: квант излучается мгновенно. (Правда, тогда ядро, приобретая импульс отдачи, должно двигаться с бесконечным ускорением. Ну, мало ли… открытий чудных. Умом которых не понять!) Само собой, поглощается квант тоже мгновенно. Значит и здесь тот же номер: сначала должно произойти поглощение, и лишь потом появился бы результирующий сдвиг линии. Когда процесс, на который этот сдвиг, якобы, влияет, уже закончился! Не работает толкование про разъезжание спектральных линий из-за эффекта отдачи!

А ведь как красиво выходило: когда Мёссбауэр обнаружил, что резонансное поглощение получается, если ядра-излучатели и ядра-поглотители встроены в кристаллические структуры, находящиеся при достаточно низкой температуре, был сделан логичный вывод о том, что здесь отдача воспринимается не единичным ядром, а всем кристаллом, становясь при этом практически нулевой. Тут же разродились славненькой теорией, согласно которой мёссбауэровский режим наступает, когда температура кристалла становится ниже т.н. дебаевской температуры. Ну и опять промашечка вышла. Вон, у железа наблюдается мёссбауэровское поглощение для перехода 14.4 кэВ при температурах вплоть до 1046^оК, хотя дебаевская температура у железа равна 467^оК. Чихало железо (и не только оно!) на вашу славненькую теорию. Ибо для каждой длины волны гамма-излучения своя температура перехода в мёссбауэровский режим!

А знаете, почему? Да вроде как потому, что в обычных условиях резонансному поглощению мешает вовсе не эффект отдачи, а допплеровские сдвиги из-за тепловых колебаний ядер. При понижении температуры размах этих колебаний уменьшается и наконец он становится меньше, чем рабочая длина волны гамма-излучения. А известно, что если размер области, в которой движется излучатель или поглотитель, меньше длины волны излучения, то линейного эффекта Допплера нету. Вот и наступает мёссбауэровский режим. Причём в этом режиме, когда допплеровские сдвиги из-за тепловых колебаний ядер пропадают, кристалл превращается в великолепный интерференционный фильтр: сверхузкие мёссбауэровские линии говорят не о свойствах квантовых переходов в ядрах, а о свойствах структуры кристалла! Не верите? Так это легко проверить. Если здесь дело в свойствах структуры кристалла, то для монокристалла должна наблюдаться… анизотропия эффекта Мёссбауэра! Проверено: так и есть. Тихий ужас какой-то! Если кто-то до сих пор верит в «эффект отдачи» из-за гамма-кванта, пусть-ка объяснит эту самую анизотропию. Причём пусть исходит из того, что в мёссбауэровском режиме у кристалла подразумевается абсолютная жёсткость, при которой «отдача» воспринимается «всем кристаллом» одинаково во всех направлениях! Ну, кто? Куда же вы попрятались, сладкоголосые?

Может вы оскорбились в своих лучших чувствах? Понимаем… Вам же небось в детстве рассказывали сказки про фотонные ракеты – вот уж где отдача, так отдача! Но кто же виноват в том, что с возрастом вы так и не поняли, что это были сказки?

В этом месте верующие в то, что кванты света переносят импульс, выкладывают последний аргумент, на их взгляд, совершенно убойный. В 1960 г. на околоземной орбите заработал американский спутник «Эхо-1» – 30-метровый сферический надувной баллон с металлизирующим покрытием. Отношение массы к площади поверхности у него было ничтожным. И вот, его орбита стала сильно эволюционировать, как будто солнечный свет и впрямь на него давил. Казалось бы, случай чистый. Ан нет! Вредное ультрафиолетовое излучение Солнца должно было вырывать электроны из поверхности спутника, заряжая его положительно. Компенсирующий приток электронов из окружающего пространства происходил бы не симметрично. Из-за магнитного действия фотоэлектронов, летевших в основном в сторону Солнца, притекавшие электроны формировали бы область избыточной концентрации отрицательного заряда с противосолнечной стороны от баллона. Этот избыточный отрицательный заряд притягивал бы положительно заряженный баллон. Вот вам и сила, тянувшая баллон в направлении «от Солнца». Оценки величин показывают: этот механизм совершенно реалистичен. Тогда доказывает ли случай со спутником «Эхо-1», что свет производит давление? Угадайте! Теоретикам угадать будет сложно, уж больно крепка их вера. «Веруем, что в звёздах-гигантах свет, идущий из недр, сдерживает гравитационное сжатие! Веруем, что в эпицентре ядерного взрыва давление света так велико, что ударная волна им и порождается! Кто не верит, сунь туда пальчик, проверь!»