Этот “цифровой” физический мир

 

 

Раздел 3. ПРИРОДА СВЕТА.

 

 

3.1  Как начиналась сказка про фотоны.

 

       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 4.97kT, а максимум частотного выражения Планка – энергии 2.82kT [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!

 

       Знаете, зависимость энергии кванта света только от частоты – это поначалу людей с ума сводило. Ведь квант света представляли как отрезочек электромагнитной волны. Сколько же периодов колебаний укладывается на этом отрезочке? Казалось бы: вдвое больше число колебаний – вдвое больше и энергия. Ан нет, при одной и той же частоте, квант длиной в одно колебание и квант длиной в миллион колебаний должны иметь одинаковую энергию! И, если частота является единственным параметром, определяющим энергию кванта, то что колеблется с этой частотой в атоме, поглотившем этот квант? И сколько длится «акт испускания» кванта атомом, тот самый переход электрона с орбиты на орбиту? Отчаявшись найти разумные ответы на эти вопросы, физики на Первом Сольвеевском конгрессе приняли постановление о том, что квант излучается и поглощается мгновенно. Так оно, конечно, спокойнее – если забыть про то, что этот «отрезочек волны» движется со скоростью света, и что он должен иметь какую-никакую длину. Ведь этот вопрос – насчёт длины кванта – на редкость мутный. Вот, например, фемтосекундный лазер. Длина светового импульса длительностью 100 фемтосекунд – 30 микрон. А вот другой пример – узкополосный лазер на красителе фирмы «Coherent Radiation». При ширине его спектра всего в 15 кГц, эквивалентная длина когерентности составляет 3 км. Какова же длина кванта света, если она – то не более 30 микрон, то не менее 3 км? Кстати, если квант света имел бы длину 30 микрон, то как он мог бы лететь в прозрачном твёрдом теле от атома к атому, если расстояние между ними составляет несколько Ангстрем? Вы, дорогой читатель, представляете, как от атома к атому может лететь нечто, имеющее длину на пять порядков больше, чем расстояние между ними? Не получается? Ну, ладно, тогда про 3-километровый квант лучше и не вспоминать…

 

       Впрочем, это всё можно назвать лёгкими недоразумениями по сравнению с центральным догматом квантовой теории – согласно которому, атом может поглощать и излучать только такие кванты света, энергии которых в точности равны разностям энергий атомарного электрона на тех самых стационарных орбитах. Как такое можно было сморозить? Ведь у атомов различных химических элементов различны и наборы квантовых уровней энергии, соответствующих «стационарным орбитам». Выходит, что без специальных мер – сдвигающих или уширяющих квантовые уровни – квант света, излучённый атомом одного элемента, не может быть поглощён атомом другого элемента. Позвольте, если бы так оно и было, то электромагнитное взаимодействие не было бы универсальным! Вот эти атомы обменивались бы только такими квантами, а вон те – другими! Но, к счастью, таких глупостей в мироустройстве нет – известно множество свидетельств о том, что атомы способны поглощать и излучать не только резонансные световые кванты, соответствующие разностям энергий квантовых уровней в атоме, но и нерезонансные кванты, соответствующие континууму между квантовыми уровнями. Первое из этих свидетельств было известно с самого рождения квантовой теории – это спектр равновесного излучения, который, как известно, сплошной. А нам пытаются вдолбить, что атом может поглотить-излучить лишь дискретные порции энергии! Если бы это было так, то атомы не могли бы быть источниками равновесного излучения – а, значит, не могли бы участвовать в равновесном радиационном теплообмене! Но это вопиющее противоречие квантовой теории с тем, чему нас учит термодинамика, не образумило теоретиков – они, наверное, думали, что со временем это всё забудется, и тогда придёт полное понимание. Отнюдь: со временем появились ещё и экспериментальные опровержения центрального догмата квантовой теории. Например, вопреки квантовой теории, заработали лазеры. В первых лазерах использовалась накачка импульсными широкополосными лампами-вспышками. Атомы рабочего тела поглощали нерезонансные кванты накачки, после чего скатывались на верхний уровень лазерного перехода. Известно, далее, о флуоресценции веществ в результате их облучения заведомо нерезонансным ультрафиолетом: она происходит на длине волны, в точности соответствующей разности энергий нерезонансного кванта облучения и энергии нижерасположенного квантового уровня в облучаемом веществе. Наконец, в современной лазерной спектроскопии активно развиваются направления, в которых поглощение-излучение атомами нерезонансных квантов рассматривается уже как нечто само собой разумеющееся. Речь идёт о генерации суммарной частоты, а также о разнообразных методиках многофотонной спектроскопии (см. обзорную монографию [Д1]). В физическом жаргоне появился термин «виртуальный уровень» – это на нём, на виртуальном уровне, оказывается атом при поглощении нерезонансного кванта (к вопросу о континууме энергий между стационарными уровнями мы вернёмся в 5.1). Но, несмотря на перечисленные потрясающие успехи экспериментаторов, никто официально не отменил запрета квантовой теории на поглощение-излучение атомами нерезонансных квантов.

 

       А почему так? А потому что тронь центральный догмат квантовой теории – и вся эта гнилая конструкция рухнет, ибо она изначально строилась не неверных предпосылках. Главной из этих неверных предпосылок является тезис о том, что кванты света – или, как их стали называть впоследствии, фотоны – являются порциями энергии, которые существуют самостоятельно, независимо от атомов, которые их излучают и поглощают. Однако, по логике «цифрового мира», обладателем физических энергий, в самых различных формах, является только вещество (1.1). Световая энергия не является исключением: она тоже локализована только на атомах. При распространении света она не проходит по разделяющему атомы пространству: энергия возбуждения перебрасывается – на расстояние! – непосредственно с атома на атом. О квантовых перебросах этой энергии мы будем подробно говорить ниже (3.4). Как нам представляется, все попытки физиков построить сколько-нибудь разумную и непротиворечивую модель фотона провалились по одной простой причине: никаких фотонов, в традиционном понимании, не существует. А ведь фотон, как считается, входит в четвёрку фундаментальных, абсолютно стабильных частиц! Но мы покажем, что потуги выдать фотон за реальную частицу – через приписывание фотону свойств реальных частиц – являлись либо заведомой ложью, либо неверной интерпретацией опытных фактов. И вначале мы разберёмся – чего стоят «доказательства» того, что фотоны переносят импульс.