скачать книгу бесплатно
Частицы, прилетающие из космоса в северную и южную полусферы Земли, достигают геомагнитного экватора и остаются в своем полушарии. Они иногда проникают за нейтральный слой, но сила поля возвращает их в зону максимальных сил притяжения. Кроме всего прочего позитрон не способен глубоко проникать в земную кору. Заключение о происхождении и характере частицы было предвзятым, т. к. проигнорировано первоначальное направление, прежде чем она залетела в пузырьковую камеру, и рассматривалось только отклонение траектории в сильном электрическом поле. Анализом не подтверждается факт поступления с космическим излучением позитрона. По своим физическим характеристикам позитрон, как носитель положительного заряда, не мог войти снизу в камеру Вильсона и оставить в ней след. Для этого требуется пройти из Южного в Северное полушарие через слои земной коры и внутренние оболочки. Не достаточный уровень знаний о причинах образования зарядов у частиц, устройстве Вселенной и космических силах, не позволяет верить заявлению ученого об открытии отдельной частицы, несущей только положительный заряд и равной по массе электрону. Исследователи, систематически анализирующие результаты экспериментов, должны хорошо понимать природу физического явления при оценке неизвестных им свойств Варианты возможного происхождения следа в камере не рассматривались. Несмотря на слабость теоретического доказательства и отсутствие возможности проникновения позитрона из нижних оболочек Земли, экспертное сообщество признало за Андерсеном приоритет открытия частицы позитрона. Гипотеза Дирака и факты были тенденциозно соединены между собой. Мы имеем дело с тем случаем, когда желаемое выдают за действительное. Порочность подобного познания в том, что ученые не пытались проверить ошибочность теоретической концепции Дирака. Среди ученых, ожидавших экспериментального доказательства предвосхищенного события, а на деле фальшивой теории, действовал принцип: «Ах, обмануть меня не трудно! Я сам обманываться рад!».
Вера Дирака в существование отдельных магнитных полюсов была такой же необоснованной и бесплодной. Физик публикует умозрительные выводы о возможности существования частицы, наделенной магнитным зарядом, другими словами, изолированного магнитного полюса (магнитный монополь). Поиски магнитного монополя космического происхождения начались в конце XX века. Попытки обнаружить экспериментально магнитный монополь не увенчались успехом. Оценивая неадекватную модель критически, Э. Ферми вспоминает реплику Дирака: «Если мы допустим, что во вселенной существует хотя бы один монополь, то… электрический заряд окажется квантованным; поэтому магнитной массе монополя надо приписать такую величину, чтобы электрический заряд принимал экспериментально установленные значения. Другими словами, элементарный электрический заряд „заставляет“ монополь (если последний существует) иметь квантованную магнитную массу, и наоборот» [54].
Для понимания явлений микромира недостаточно классических и квантово-механических понятий и законов. Чтобы объективно рассуждать о физическом устройстве микромира, нужны принципиально новые знания о силах, создавших Вселенную. Дирак потратил творческую энергию на разработку бесплодных гипотез—призраков. Причина неудач «прорывных» теорий скрыты в попытках обоснования псевдонаучных явлений. Низкая философская культура подтолкнула ученого к поиску доказательств существования отрицательной энергии, позитрона, аннигиляции. Дирак не был способен проникать умом в суть физических процессов происходящих на уровне образования материальных структур. Иногда он отказывался (о чем писал сам) от принципиальной позиции в тех вопросах, с которыми был не согласен. Одаренный математик, привлеченный к научной работе Н. Бором, большей частью занимался подгонкой теории к результатам опытов. Отталкиваясь от закона симметрии, Дирак предположил, что каждая заряженная частица имеет своего двойника – античастицу. За теоретическим «предсказанием» наступила череда «открытий» антивеществ [18, с. 80]: антипротона, антинейтрона, антигелия, антиводорода и других частиц. В предсказаниях Дирака превалирует желание застолбить за собой первенство научного предвиденья гипотетического позитрона и магнитного заряда.
Вызывает сожаление, что академическая наука согласилась с исчезновением частиц материи, что противоречило фундаментальным законам физики и философским представлениям. Ученые придумали такие явления, как аннигиляция, «темная материя», «черные дыры» во Вселенной, отрицательная масса и отрицательная энергия, отрицательная гравитация. В отношении античастиц, которые якобы «открыты» экспериментально, проявлена близорукость и поверхностный подход. Все идеи и теории физиков, связанные с античастицами, философски несостоятельны и неприемлемы. Ложные идеи, модели и закономерности, когда-то взращенные в научной среде, продолжают действовать и в настоящее время. Они препятствуют развитию объективного знания. Деструктивный курс, завел науку в тупик. Сколько времени осталось до краха теории Дирака и подобных ей – нам неизвестно, но конец их будет бесславным.
5. Несостоятельность орбитального движения электронов в атоме
До разработки теории строения атома, мировой научной общественности доводились результаты экспериментов показавшие, что вокруг всякого движущегося заряда помимо электрического поля существует также и магнитное поле. В 1819 году Г. К. Эрстед открыл действие тока на магнитную стрелку и показал, что электрический ток создает вокруг себя магнитное поле. В 1907 г. Г. Лоренц изложил следующий теоретический вывод: пока электрон находится в состоянии равномерного прямолинейного движения, он не излучает энергии; начинает излучать, как только его скорость изменяется или по величине, или по направлению [21, с. 89]. Если электрон находится в орбитальном движении, его скорость непрерывно изменяется по направлению, следовательно, должно происходить непрерывное излучение энергии.
По взглядам, господствующим в науке, электрические заряды могут существовать в виде отрицательных электронов, а также положительных или отрицательных ионов. Согласно теории, атом в целом электрически нейтрален. Результаты экспериментов по рассеянию ?– и ?-частиц в веществе, проведенные сотрудниками лаборатории Резерфорда (Гейгером и Марсденом), оказались неожиданными. При прохождении частиц сквозь слой золотой фольги толщиной 0,00004 см, обнаружилось рассеяние. Отдельные ?-частицы при столкновении отклонялись на угол больший 90°. Чтобы объяснить большие углы рассеяния ?-частиц, Резерфорд в 1911 году выдвинул гипотезу: атом состоит из положительного ядра и окружен электронами, которые обеспечивают нейтральность атома, располагаясь на расстоянии, сравнимом с принятой величиной радиуса атома. Он указал, что причина отклонений – это результат взаимодействия частиц с положительным зарядом ядра атома [55]. Согласно воззрениям физиков, ядро атома представляет собой образование большой плотности. В ядре сконцентрирован положительный заряд и сосредоточена практически вся масса атома. По аналогии с планетарной системой, в модели атома предполагается вращение отрицательно заряженных электронов вокруг центрального ядра. Под влиянием внешних причин атом может терять, либо присоединять, один или несколько электронов, превращаясь в положительно или отрицательно заряженный ион. Положительно заряженное тело представляет собой недостаток электронов, а отрицательно заряженное – их избыток. В начале XX века возникла квантовая механика (Бор называет ее «новая эпоха в физических науках») и появилась чуждая классической физике интерпретация явлений микромира. В 1905 г. А. Эйнштейн дал теоретическое обоснование фотоэффекту. Идея заключалась в том, что свет испускается и распространяется квантами. Позже Бор напишет: «Исходной точкой стал здесь так называемый квантовый постулат, по которому каждое изменение энергии атома есть результат полного перехода между двумя его стационарными состояниями» [56].
Уверовав в планетарную теорию Резерфорда, Н. Бор обнаружил в модели недостаток: заданная конфигурация электронов не обеспечивала устойчивое равновесие электродинамических сил, действующих в системе атома. Не замечая глубинных противоречий в самой идее, датский ученый внес коррективы в гипотезу и опубликовал в 1913 г. статью «О строении атомов и молекул». Используя «постоянную Планка» и сделав упор на квантовые представления, Бор обосновал линейчатые спектры излучения атома водорода. Для того чтобы гипотеза была жизнеспособной, он сформулировал постулаты. Наиболее спекулятивные из них следующие [57]:
1. Испускание (поглощение) энергии происходит не непрерывно, а только при переходе системы из одного «стационарного» состояния в другое.
2. При переходе системы из одного стационарного состояния в другое испускается монохроматическое излучение. Соотношение между частотой ? и общим количеством излученной энергии Е дается равенством (2.3).
Согласно теоретическим взглядам Бора, законы природы не являются причинными. Поэтому атом из состояния А может самопроизвольно перейти в состояние В с испусканием света. То, что рациональная наука может существовать и после отказа от строгой причинности, удивляло Эйнштейна. Более того, отказ приводит к важным следствиям в области теоретической физики. Эйнштейн говорит: «Однако я должен признаться, что мой научный инстинкт восстает против подобного отказа от строгой причинности. Все-таки приходится признать, что сегодня мы далеки от понимания требований строгой причинности, которые казались такими самоочевидными нашим предшественникам» [58].
Постулаты Бора находятся в противоречии с классической механикой и электродинамикой. Датский ученый утверждает: при расчетах движения электронов обычная механика справедлива только для средних значений; допущение напрашивается само собой. Бор признал, что второе допущение находится в явном противоречии с общепринятым пониманием электродинамики, но оно ему представляется «необходимым» для объяснения экспериментально установленных фактов [59]. Согласно мнению ученого, единичный электрон под действием сил притяжения ядра, в отличие от планет, может двигаться по целому ряду устойчивых орбит. Бор исходит из того, что до взаимодействия с ядром электрон находился далеко от него и не обладал заметной скоростью. Заряженная частичка вначале приближается к ядру. Силы Кулона действуют между противоположными зарядами подобно притяжению магнитов. Вместо объединения, электрон начинает преодолевать силы электростатического притяжения и уходить (по невыясненной причине) от ядра на достаточно удаленную в масштабах микромира стационарную орбиту. Положительный заряд притягивает отрицательно заряженные частицы. Бор не приводит доказательств того, что позволяет электронам не приближаться к частицам ядра до полного контакта. Слабость аргументов Бора можно объяснить несоответствием содержания внутреннему устройству атома. Предполагая отсутствие поступления энергии в систему атома, автор теории не решил главные вопросы: какие силы принуждает электроны переходить на орбиты разных уровней энергий и излучать энергию; вращаться в присутствии электрических зарядов других атомов; занимать те точки на сфере вокруг ядра, которые соответствуют минимальной потенциальной энергии системы. Согласно теории, ядро – сложная система сильно взаимодействующих, расположенных близко друг к другу большого числа частиц (десятки – сотни нуклонов). Рассматривая ядерную модель как систему, в которой выполняются законы небесной механики, невозможно объяснить стабильность атома. Хроническая слабость планетарной модели атома – трудность обоснования длительной устойчивости электронов на стационарной орбите. При движении с центростремительным ускорением электрон должен излучать электромагнитные волны. Все электроны в атоме должны были постепенно сближаться с ядром и за короткое время упасть на него, растратив свою энергию.
Бор принял специальные допущения: различным стационарным состояниям соответствует испускание различного числа квантов энергии; частота излучения, испускаемого при переходе системы из состояния, в котором энергия еще не излучалась, в одно из стационарных состояний, равно половине частоты обращения электрона в последнем состоянии [57]. По теории Бора, монохроматическое излучение возникает в момент перехода электрона с орбиты на орбиту и должно непременно испускаться с частотой (?), равной половине частоты обращения (?) по своей последней орбите. В расчетах Бора задавалась частота обращения электрона ? = 6,2 ? 10
сек
[60]. В атоме водорода радиус орбиты электрона (боровский радиус) r
= 0,52917 ? 10
м [1, с. 74]. Используя известные данные, вычислим линейную скорость электрона
v = 2?r? = ? ? 1,1 ? 10
? 6,210
= 2,14 ? 10
м/с. (1.5)
Рассмотрим движение электрона в материальном теле. Известно, что заряд электрона е ? 1,602 ? 10
Кл [33, с. 910]. Число молекул, находящихся в 1 см
идеального газа при нормальных условиях равно 2,687 ? 10
молекул/см
[33, с. 151]. При нормальных условиях грамм-молекулы всех идеальных газов занимают объем V
= 22,414 л. Зная количество электронов на орбите атома, можно установить их общее число в одном грамм-моле любого вещества. Согласно постулату Бора, при нормальных условиях в одном кубическом сантиметре газа водорода одновременно вращается 2,687 ? 10
электронов.
Плотность тока при упорядоченном движении зарядов определяется выражением [33, с. 378]:
j = n
еv
, (2.5)
где n
– число электронов проводимости в единице объема; е – абсолютная величина заряда электрона; v
– средняя скорость упорядоченного движения электронов.
Теория Бора допускает вращение электронов вокруг ядра атома с огромной линейной скоростью. Подставляя в выражение (2.5) числовые значения, получим суммарную силу токов, циркулирующих в 1 см
газа водорода:
I = (2,687 ? 10
) (1,602 ? 10
) (2,14 ? 10
) = 9,21 ? 10
А. (3.5)
Тепловая энергия, выделяемая на электрическом сопротивлении проводящей среды, пропорционально квадрату тока. Не имеет смысла считать количество теплоты, выделяемое одним кубическим сантиметром газа водорода при стационарных условиях, т. к. она будет гигантской. Если бы все электроны вращались в атомах с расчетной скоростью, то вероятней всего не существовало бы веществ в состоянии кристаллов.
Гипотезу об устройстве атома изложил Резерфорд. Бор подхватил его идею, как установленный факт. Согласно закону электростатики, однотипно заряженные частицы в ядре должны отталкиваться друг от друга тем сильней, чем меньше расстояние между ними. Прежде, чем выдвигать алогичную гипотезу, Резерфорду и Бору следовало бы объяснить, какие силы удерживают положительные заряды в плотном ядре. Понимая, что внутри вещества не существует сил, которые могут заставить электроны вращаться, Бор придумал особые условия. По выражению будущего лауреата Нобелевской премии, допущение, «представляется необходимым для объяснения экспериментально установленных фактов» [57]. Аргумент так себе. Новизна экзотической теории и магия авторитета в науке, вероятно, гипнотизирует большинство ученых. Они соглашаются с утверждением, что электроны вращаются в веществе, не получая при этом энергию из внешнего пространства. Нет оснований принимать, как некий установленный факт, существование сил, которые приводят электроны в организованное движение вокруг ядра. Ученые не желают замечать динамического эффекта, возникающего при движении зарядов в материи. Движение электронов вызвало бы в телах такой нагрев, что на планете давно бы испарилась вода и исчезла жизнь. Для теории Бора трудным является ответ на следующий вопрос: что позволяет электронам занимать нужный уровень и вращаться вокруг ядра, когда прекращается действие сил поля на заряды атома? Адекватность законов квантовой механики, если и доказывается Бором, то с помощью принятия постулатов конфликтующих с фундаментальными законами физики. Теоретик продвигает бесконечную продолжительность вращения электронов в веществе, обладающего электрическим и механическим сопротивлением движению частиц. Очевидно, объективной реальности не соответствует концепция вращения электронов вокруг положительных зарядов ядра и постулаты, принятые Бором. Оппоненты указывали Бору на слабости его гипотезы. Он соглашался с тем, что соблюдение постулата о переходе с одной стационарный орбиты на другую противоречит общепринятым законам электродинамики, но поражения не признал.
Сторонникам модели планетарного строения атома для начала следовало бы предложить рациональную модель совместного сосуществования положительных зарядов ядра и отрицательных электронов на орбитах (сферах) вокруг него; доказать устойчивость конфигураций зарядов в атоме; указать возможные пути беспрепятственного движения электронов в веществе с линейной скоростью сотни километров в секунду. Физики не называют те силы, которые могли сплотить положительно заряженные частицы в ядре. Рассчитанные Бором частоты излучений в действительности отличались от орбитальных частот электронов и высших гармоник этих частот [61]. Эксперименты показали, что теория полна противоречий. В 1913 году, после выхода в свет гипотезы Бора, в одной из частных бесед О. Штерн заявил своему другу В. Гейзенбергу: «Если эта бессмыслица, которую опубликовал Бор, верна, то я не хочу быть физиком» [62]. Гейзенберг говорит, что ни разу не удалось увидеть обращение электрона с определенной частотой; кроме того существует неувязка с вырождением, поскольку неизбежно противоречие с квантовыми условиями Зоммерфельда (магнитным квантовым числом). Тот факт, что предполагаемая частота обращения электронов вокруг ядра не соответствовала частотам испускаемого излучения «Бор воспринимал как почти невыносимое противоречие, которое он кое-как пытался сам преодолеть с помощью своего принципа соответствия» [63]. В приватном разговоре с Бором, Гейзенбергу показалось, что тот не так твердо верит, как Зоммерфельд, в применимость классической механики к орбитальному движению электронов. Обращение электрона и связь с требуемой частотой испускаемого излучения, приняты Бором бездоказательно. Предложенный вариант неприемлем для теории. Для реализации подобной задачи, электрон должен выполнять функцию персонального микрокомпьютера, одновременно решая две задачи: определять место будущей стационарной орбиты и заблаговременно (до начала перехода) рассчитывать частоту излучения, соответствующую, будущему положению. Осознавая зыбкость своих теоретических построений, Бор направил пригласительное письмо Шредингеру, чтобы обсудить при встрече с ним спорные детали квантовой и волновой механики, а по возможности склонить на свою сторону. Шредингер принял предложение и приехал в сентябре 1926 г. в Копенгаген. В ходе обмена мнениями, были вскрыты ключевые вопросы квантовой теории, по которым взгляды ученых расходились. Гейзенберг, присутствовавший при обсуждении, описал их спор [64]:
– Шредингер: «Вы должны все-таки понять, Бор, что вся ваша идея квантовых скачков неизбежно ведет к бессмыслице. Вы вот утверждаете, что в стационарном состоянии атома электрон сначала периодически вращается, по какой-то орбите, не излучая. Не дается никакого объяснения, почему он не должен ничего излучать, притом, что согласно теории Максвелла, излучение быть должно. Потом электрон отчего-то перескакивает с одной орбиты на другую, и происходит излучение. Что это за переход, постепенный или внезапный? Если он постепенный, то электрон должен постепенно же изменять частоту своего вращения и свою энергию. Непонятно, откуда тогда берутся четкие частоты спектральных линий. А если переход происходит внезапно, так сказать, скачком, то хотя и можно, применяя эйнштейновские представления о световых квантах, прийти к правильному числу световых колебаний, однако надо же еще и спросить, как движется электрон во время скачка? Почему при этом не испускается непрерывный спектр, как того требовала бы теория электромагнитных явлений? И какими законами определяется его движение при скачке? Словом, все это представление о квантовых скачках по необходимости оказывается просто чепухой».
– Бор: «Да, во всем, что Вы говорите, Вы совершенно правы. Но это еще не доказательство, что квантовых скачков не существует. Это доказывает только, что мы не можем их себе представить, т. е. что наглядные понятия, с помощью которых мы описываем события повседневной жизни и эксперименты прежней физики, недостаточны для изображения процессов квантового перехода».
– Шредингер: «Я не хотел бы с Вами вдаваться в философский спор относительно образования понятий, это уж мы лучше оставим для философов, но мне просто хотелось бы знать, что происходит в атоме. … Если в атоме есть электроны, т. е. частицы, как мы их до сих пор себе представляли, то они должны и как-то двигаться… как они ведут себя в стационарном состоянии или при переходе из одного состояния в другое. А математический формализм волновой или квантовой механики выглядит так, будто на эти вопросы не существует никакого разумного ответа».
– Бор: «Ведь не хотите же Вы всерьез поставить под вопрос все основные положения квантовой теории?».
– Шредингер: «Я не утверждаю, разумеется, будто все эти моменты уже полностью понятны. Но ведь и Вы тоже не обладаете никаким удовлетворительным физическим истолкованием квантовой механики».
– Бор: «Нет, на это надеяться нельзя. … Мы видим, что вспышка света на экране появляется внезапно, и электрон пролетает через камеру Вильсона внезапно. Ведь не можете же Вы просто отстраниться от этих скачкообразных процессов и делать вид, будто их вовсе не существует?».
– Шредингер: «Если нельзя избавиться от этих проклятых квантовых скачков, то я жалею, что вообще связался с квантовой теорией».
Диалог высветил недостатки в теории устройства атома. Дискуссии продолжались часами, днем и ночью, но согласие между ними достигнуто не было. Бор не нашел достаточных аргументов в защиту своей теории в полемике с оппонентом. Шредингер не согласился с доводами уважаемого ученого. Австрийский физик недвусмысленно поставил вопрос об объективности квантовой механики. В осознанном не согласии видна полная уверенность в своей правоте. Ученый продемонстрировал незаурядное мужество и отсутствие боязни быть затравленным коллегами по цеху. Будущим поколениям молодых ученых – это пример, достойный подражания. Эрвин Шредингер не только великий физик—теоретик, но и незаурядный философ. Принципиальный ученый, неподвластный сиюминутной конъюнктуре, предвидит тупиковый путь развития квантовой механики. Он поставил диагноз гипотезе Бора – недееспособная теория. Шредингер верил, что исторический путь зависит от тех, кто будет продолжать развитие науки. Поэтому призывает сопротивляться негативной тенденции: «От нас самих всецело зависит, перестанем ли мы рассуждать, станем ли действовать в соответствии с разумом, наступит ли закат или за этим кризисом последует взлет» [8]. Чтобы не стать соучастником лживого шоу, Шредингер наотрез отказался примкнуть к теоретикам группы Н. Бора.
Отвергнуть существование электронных орбит в атоме позволяет краткий анализ. Теоретические построения Бора базируется на постулате, что атомы могут испускать или поглощать лучистую энергию с частотой ? только ограниченными количествами, равными h?. Вопреки теории Лоренца, Бор исключил нормальное ускорение и излучение при орбитальном движении электрона. Постулаты Бора выходят за границы общеизвестных истин, что подчеркивает дефекты, заложенные в модель атома. По воспоминаниям П. Капицы, Бор был уверенным физиком, но уступал своим коллегам во владении математическим аппаратом.
Действие магнитного поля движущихся электронов на магнитную стрелку было А. Ф. Иоффе установлено экспериментально [65] и опубликовано в 1911 году. Учитывая дату публикации, электромагнитное излучение, возникающее в процессе движения электрона в поле ядра, было известно Бору. Здравомыслящий человек не воспринимает серьезно гипотезу, в которой не установлена связь частоты излучения с частотой обращения электрона. Орбитальное движение электронов в атоме, как физический процесс, проблематичен. Почему при многочисленных недостатках гипотезу не отвергли – это загадка. Перечислим требования, которым должна была отвечать гипотеза:
а) атом является устойчивой системой;
b) при определенных внешних условиях атом излучает энергию;
c) излучение атома водорода имеет линейчатый спектр, связанный со строением и свойствами его оболочки.
В первых статьях о конфигурации и движении электронов исходили из предположения, что электроны в каждой группе расположены относительно центра (в ядре) круговой орбиты на равных угловых расстояниях. Датский физик-теоретик не смог ответить на вопрос: почему конфигурация электронов в атоме, временно нарушенная внешними факторами, затем восстанавливается. Вновь проанализировав модель устройства атома, Бор пришел к выводу: электроны в атоме расположены отдельными группами. Ученый согласился с тем, что нельзя считать атом состоящим из определенного числа точно очерченных сферических оболочек электронов, движущихся в строго ограниченных областях. Спустя несколько лет после публикации гипотезы, Бор скажет, что у нас нет законченной теории, которая позволила бы описать во всех деталях механизмы испускания и поглощения излучения атомными системами. Принцип соответствия, как и все другие понятия квантовой теории, носят формальный характер [26]. Под давлением критиков Бор признал недостатки в устройстве атома: «Фундаментальной трудностью всех этих теорий была неспособность объяснить фактическое появление этой симметрии в процессе образования атома путем связывания электронов ядром».
В феврале 1914 г. Резерфорд заявил, что на основании данных радиоактивных распадов он и Бор сделали определенный вывод. Им кажется обоснованным предположение, что ?-частицы большой скорости возникают в ядре, и ?-превращения есть следствие выброса отрицательного электрона из ядра [55]. В феврале 1929 г. Лондонским королевским обществом под председательством Э. Резерфорда была организована дискуссия о строении атомного ядра. Доклад Резерфорда показал, что его взгляд на внутреннее устройство атома эволюционировал. Он высказал предположение, что ядра легких элементов состоят из комбинации ?-частиц, протонов и электронов, причем отдельные части ядра сильно притягивают друг другу [66]. Не отказавшись полностью от прежних представлений, Резерфорд изложил новую идею: ядро имеет очень плотную структуру, причем плотность постепенно убывает с удалением от центра; эта система окружена силовым барьером, обычно мешающим вылету ?-частиц. Один из участников дискуссии (Д. Гартри) указал на неопределенность теории, предложенной Резерфордом: плотная середина и менее плотные края ядра. Резерфорд признал, что у него пока нет объяснения неоднородности.
С альтернативных позиций выступил английский физик Дж. Чедвик. Вывод о причинах рассеивания, содержащийся в его докладе, отрицал гипотезу об отклонении ?-частиц положительным ядром: «При бомбардировке некоторых элементов ?-частицами, из них выбиваются ядра водорода, или протоны, которые можно обнаружить по сцинтилляции, вызываемой ими на экране из сернистого цинка. Эти протоны появляются вследствие искусственного разложения ядер этих элементов. Мы полагаем, что разрушение ядра происходит когда ?-частица ударяет по атому и задерживается там, в результате чего вылетает протон» [66].
Эйнштейн воспринимал постулаты Бора скептически. В одной из встреч с Гейзенбергом Эйнштейном задал ему вопрос: «Почему Вы, собственно, так упрямо верите в Вашу теорию, когда многие основополагающие вопросы еще совершенно неясны?» [65]. Отношение к вероятности физических явлений природы, являющихся результатом случая, Эйнштейн выразил словами: «Господь Бог не играет в кости» [67]. Однажды Гейзенберг, при общении с Эйнштейном, описывал ему переход электрона из одного стационарного состояния в другое. Ученый прервал его словами: «Очень может быть, что Вы и я знаем о природе что-то свое. Но кого это может интересовать? Поэтому, если Ваша теория верна, Вы должны рано или поздно суметь рассказать мне, как ведет себя атом, когда он, излучая, переходит из одного стационарного состояния в другое» [64]. Мэтр физики предложил подумать о том, как ведет себя природа, а не навязывать ей свои впечатления. Теория, которая при выявлении новых свойств нуждается в дополнительных пояснениях, вызывает сомнение в заложенной первоначально концепции. Ее создатели, слагая каждый раз новые «дополнения», не прибавляют убедительности к физической картине происходящего.
Резерфорду пришла мысль о планетарном устройстве атома, которая оказалась не эффективной. Трудности в построениях атома на основе «ядерной» модели заметил Н. Бор и показал, что устойчивые положения внешних электронов не могут быть выведены из классической механики. Датский физик ввел некоторые понятия, связанные с квантом Планка, и подкорректировал модель устройства атома. Резерфорд замечает шероховатости теории, но указывает на них обтекаемо: «… можно придерживаться различных мнений относительно справедливости и физического смысла допущений Бора» [55]. Не отрицая важности теории Бора, английский ученый подчеркнул ее неполноту: теория представляет интерес и значение для физики, как первая попытка построить простые атомы и объяснить их спектры. По данному поводу высказался Р. Фейнман: «Все попытки объяснить вращение электронов вокруг ядра законами механики – теми же, при помощи которых Ньютон вычислял движение Земли вокруг Солнца, – оказались неудачными. Ни одно предсказание не подтвердилось» [68, с. 8].
Теория устройства атома Бора производит впечатление искусственной конструкции, построенной без учета физических законов. С позиций датского ученого, сопротивление движению электронов вокруг ядра либо не существует, либо оно должно быть равным нулю. Физические явления Н. Бор трактует вольно и с подменой понятий: что он допускает – противоречит здравому смыслу; что отрицает – реально существует. Приватизировав ложную идею Резерфорда, Бор занимается доработкой иррациональной модели и множит ошибки. Сформулированные постулаты, не отвечали положениям классической физики. С помощью математических манипуляций и придуманных закономерностей, Бор создает иллюзию закономерности вращения электронов. Таким образом, он дал импульс развитию ошибочного представления о существовании стационарных орбит электронов, излучающих энергию квантами во время перехода с одной орбиты на другую. Взаимодействие электромагнитного поля с атомами лежит в основе теории спектров излучения и поглощения света атомными системами. Проблема орбит и квантовых переходов связана с устройством атома. Объяснение механизма возникновения линий в спектре водорода, данное в 1913 году, перенесли на другие атомы. Теория, не понимающая причин излучения, во всех эпизодах выходит далеко за пределы наблюдаемых фактов. Действия ученых, «продвигающих» несуразные идеи для удовлетворения своих амбиций, охарактеризовал Аристотель: «… не ища теорий и объяснений, сообразных с наблюдаемыми фактами, а притягивая за уши наблюдаемые факты и пытаясь их подогнать под какие-то свои теории и воззрения» [44, 293а].
Создавая информационный шум вокруг новой теории, Бор привлек к своей работе молодых и талантливых ученых. Борзые и напористые ученые поспешили в Копенгаген – Мекку новейшей физики, где «открытия» достигались легко. Вундеркинды от математики сочиняли уравнения для физических закономерностей и сами же диктовали пути для их проверки. Они создавали продукт, который хорошо оплачивали. Желание исказить выявленные физические закономерности согласуется с сознательной подгонкой опытных данных под гипотезу. Настаивая на своих идеях, они вводили в заблуждение окружающих. Наивно полагать, что грамотные специалисты защищали в «интересах» науки теории с нулевым эвристическим эффектом, случайно отбрасывали аргументы оппонентов и «душили» не согласных. Противникам не представляли возможности вести с ними честную, конкурентную борьбу. И сегодня академическая наука упорно держится за парадоксальную модель устройства атома. Теория Бора сохранила за собой право определять спектральные частоты линий, как следствие квантовых переходов электронов с одной орбиты на другую. Научное сообщество имело неосторожность и расширило границы квантового излучения до многоуровневых электронных оболочек химических элементов. Сложилась типичная для науки картина: «Верую, ибо нелепо».
В 1977 году, вспоминая о событиях, которые происходили около 50 лет назад, П.А. М. Дирак говорит, что это был период большого оживления в физике. В отношении квантовой электродинамики (КЭД) он ощущал неудовлетворенность результатами ее достижений, т. к. эти успехи в основном обусловлены случайностью. КЭД хорошо работала в случае некоторых одноэлектронных задач, несмотря на то, что концепции теории Н. Бора были в основе неверными [31]. Автор заканчивает статью словами: «Я, действительно, провел всю свою жизнь в попытках найти лучшие уравнения квантовой электродинамики и до сих пор безуспешно». Уверенности взглядам, что энергия света распределяется по пространству дискретно, придавала позиция Эйнштейна, касающаяся «излучения черного тела», фотолюминесценции и других явлений, связанных с возникновением и превращением света [69]. Доказательство сводилось к двойственной природе света – принципу дуализму, согласно которому частицы имеют также волновую природу. Для Бора применение идей непрерывности и причинности немыслимо: «Две точки зрения на природу света являются скорее двумя различными попытками интерпретации экспериментального материала, в которых ограниченность классических понятий находит взаимно дополняющее выражение» [70].
Дж. Дж. Томсон – английский физик, лауреат Нобелевской премии интуитивно чувствовал фальшь в философии Бора. Он считал, что атом состоит из большого числа корпускул. В нормальном атоме это собрание образует систему, которая электрически нейтральна. Пространство, в котором находятся корпускулы, ведет себя так, как если бы оно обладало зарядом положительного электричества, равным по величине сумме зарядов отрицательных корпускул. Согласно воззрениям Томсона, атом состоял из отрицательно заряженных электронов и частиц с положительными зарядами внутри сферы радиуса R =10
см, распределенными равномерно [17, с. 5]. Хотя отдельные корпускулы ведут себя подобно отрицательным ионам, отрицательный эффект уравновешивается чем-то, когда они собраны в нейтральном атоме. Томсон пытался определить расположение электронов в атоме и рассчитать частоты их колебаний около положений равновесия, чтобы объяснить линейчатую структуру спектров испускания атомов. Данная идея не увенчалась успехом. Талантливый ученый и экспериментатор был убежденным сторонником гипотезы эфира (среды). Достойна уважения приверженность Томсона представлять модель устройства атома средствами классической физики.
Теоретики в качестве базовой модели навязали планетарную модель атома, хотя многочисленные эксперименты не подтверждали вращения Земли и свидетельствовали против закономерностей Кеплера и гипотезы Коперника. Вывод из результатов инструментальных измерений постоянно искажают, доказывают то, что не свойственно природе. О сложности обобщений результатов эксперимента при переходе от опыта к суждению, от познания к применению говорит И. Гете. Внутренние враги, живущие в человеке – это воображение, нетерпение, поспешность, самодовольство, косность, формализм мысли, предвзятое мнение, лень, легкомыслие, непостоянство мысли [71]. Они часто одолевают и практика и наблюдателя, кажущегося застрахованным от всех страстей. Если перед наукой стоит задача построения гипотезы на новых принципах устройства атома, то ей потребуется отказаться от ложных постулатов Бора.
Главная причина признания планетарной модели Бора – недостаточная креативность ученых. Они не могут отступить от стандарта и предложить нешаблонную модель структуры атома. К. Поппер обозначил системную проблему постулатов Бора: «Я уверен, физики вскоре поймут, что принцип дополнительности является принципом ad hoc и что (это еще более важно) его единственная функция состоит в том, чтобы избежать критики и предотвратить обсуждение физических интерпретаций, хотя критика и обсуждение крайне необходимы для развития любой теории» [73]. Для решения серьезной проблемы, от Бора требовались аргументы, доказывающие работоспособность новой модели атома. Искажение известных физических законов, более ассоциирует с преднамеренной фальсификацией, чем с понятием гипотезы. Насилием над истиной, ложь можно навязывать обществу ограниченное время. В анналах истории от теории, изложенной Н. Бором, останется только «пшик».
6. Структурный подход к модели атома
Весь мир, по мнению Ф. Ленарда, состоит из вещества, которое бывает двух родов: материя и эфир. Пространство между звездами и планетами не пустое, оно заполнено веществом второго рода, отличным от материи, – эфиром [74, с. 10]. Филипп Эдуард Антон фон Ленард в опытах с катодными лучами наблюдал отклонение электронов от прямолинейности при прохождении через тонкую пластину вещества. Этот факт указал ему на то, что внутри атома должно существовать необыкновенно сильное электромагнитное поле, так как на отклонение катодных лучей могут влиять только электрическая и магнитная силы. Ленард называет катодные лучи «электричеством свободным от материи», потому что в природе находятся только наэлектризованные тела и никогда электричество само по себе. Немецкий физик в 1903 г. изложил гипотезу устройства вещества. Согласно учению, атомы в обычном состоянии не наэлектризованы, т. е. в каждом из них должно быть равное количество положительного и отрицательного электричества. Сердцевиной концепции была структурная организация атома. Ученый объединил отрицательный заряд с положительным и назвал полярную пару «динамидой». Ленард говорил, что атомы состоят из динамид, которые создают единое силовое поле. Заряды противоположных полярностей входят в структуру атома.
Рассматривая атом, Ленард находит, что непроницаемое пространство в атомах «чрезвычайно мало». Нейтральные частицы (динамиды) маленького объема размещаются внутри тела. Группируясь внутри атома, они образуют центры поля. Ленард предполагает вероятным следующее устройство атома: отрицательные электроны движутся по замкнутым траекториям около мало подвижных положительных электронов; эти движения сохраняются в атоме длительное время. По мнению Ленарда [74. С. 53], в кубическом метре какого-нибудь вещества, оказывается меньше одного кубического миллиметра такого непроницаемого пространства. Все остальное тело заполнено силовым полем, созданным зарядами атомов. В эфире, который заполняет все атомное пространство, заключено электромагнитное поле. Из постулата следовало, что эфир находится в покое, а рассеянная материя движется сквозь него. Ленард исключал действие эфира на равномерно движущуюся в нем материю (электрические заряды).
7. Неувязки в квантовой теории и в корпускулярно-волновом дуализме
7.1. Не очевидность процесса квантового излучения
Тепловая радиация, падающая на тело, частично поглощается, остальное уходит в направлениях, определяемых законами отражения и преломления. Нагретые тела излучают электромагнитные волны. Излучение света происходит в результате переходов атомов и молекул из состояний с большей энергией в состояние с меньшей энергией. Произведенные в XIX веке исследования зависимости интегральной лучеиспускательной способности нагретых тел от температуры, приводили к противоречивым результатам. Излучение определяется не только температурой, но также составом тела и физическими свойствами излучающей поверхности. Все тепловые лучи при их распространении подчиняются закономерностям световых лучей. Кирхгоф провел исследования химического состава солнечной атмосферы. По его результатам ученый пришел к выводу: для излучения одной и той же длины волны при одинаковой температуре отношение лучеиспускательной способности тела к его поглощательной способности для всех тел одно [75]. Если температуру тела поднимать все выше, то появляются новые лучи с меньшей длиной волны, возникают новые лучи с длиной волны, соответствующие величине температуры. При этом интенсивность лучей с большими длинами волн растет. Отсюда следует, если температуру тел, постепенно повышать, то при одной и той же температуре они начинают испускать лучи одной длины волны [76]. Интенсивность лучей определенной длины волны, испускаемых различными телами при той же температуре, может быть различной; она пропорциональна поглощательной способности тел для лучей данной длины волны. Законы абсолютно черного тела устанавливают энергетическую зависимость излучения от частоты и температуры. Интегральная излучательная способность (энергетическая светимость) абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры [20, с. 724]. Закон, получивший название Стефана – Болъцмана, записывается в виде [34, с. 692]:
u = kT
, (1.7)
где k = 5,67 ? 10
вт/м
? град
– универсальная постоянная Стефана – Болъцмана.
Черное излучение эквивалентно излучению системы бесконечно большого числа не взаимодействующих друг с другом гармонических осцилляторов, называемых радиационными осцилляторами. Квантовая теория своим возникновением обязана неспособности классической теории объяснить результаты термодинамических экспериментов. Речь идет о распределения энергии в спектре испускания черных тел, которое, согласно закону Кирхгофа, не зависит от природы излучающего вещества. Лорд Рэлей (Д. У. Стретт) и Д. Х. Джинс применили к равновесному излучению в полости теорему статистической механики о равномерном распределении кинетической энергии по степеням свободы. Записав энергию равновесного излучения в полости абсолютно черного тела в интервале частот спектра от ? до ?+d?, получили [20, с. 734] формулу:
u
= kТ?
/?
с
, (2.7)
где с – скорость света в вакууме; ? – частота колебаний волн электромагнитных излучений.
В области больших частот теория приводит к расхождению с опытом. В экспериментах равновесие между излучением и излучающим телом устанавливается при конечных значениях u
[20, с. 736]. Интегральная лучеиспускательная способность абсолютно черного тела с увеличением частоты достигает максимума энергии, в последующем происходит ее спад [34, с. 692]. По формуле Рэлея – Джинса (2.7) с увеличением частоты (?) энергия u
монотонно возрастает. В случае ? ? ?, вместо конечных значений получаем бесконечную интегральную плотность энергии (u
? ?). Это разногласие между теорией и опытом Эренфест П. С. назвал «ультрафиолетовой катастрофой» [77].
Несоответствие теории экспериментам, очевидно, вызвано закономерностями, которые не учтены физиками. Классическая теория теплоемкости показывает на опыте, что она правильно описывает определенный круг явлений. Однако многие явления она не объясняет. Опытные факты приводят к заключению, что явления протекают всегда так, что эффективный вклад в теплоемкость вносят не все, а только некоторые степени свободы. При понижении температуры некоторые степени свободы становятся малоэффективными и совсем исчезают. Все происходит так, будто у молекул по мере охлаждения теряются степени свободы. С повышением температуры начинают проявляться новые степени свободы, которые ранее были малоэффективны. Расхождения классической теории с опытом при низких температурах проявляются особенно резко [78]. Экспериментально установлен факт, что при температуре абсолютного нуля удельные теплоемкости С
и С
всех тел стремятся к нулю. Это значит, что классический закон равномерного распределения кинетической энергии по степеням свободы требует уточнения.
Классическая теория рассматривает атом одноатомного газа как материальную точку с тремя степенями свободы, этим достигает известного согласия с опытом. Если принять атом твердым телом, то получится шесть степеней свободы – три поступательные и три вращательные. По теореме о равномерном распределении кинетической энергии все степени свободы равноправны, фактически число полных степеней свободы шесть. По непонятным причинам атомные системы приближенно ведут себя как макроскопические модели с наложенными связями. Явления протекают так, что эффективный вклад в теплоемкость вносят не все, а только некоторые степени свободы. При повышении температуры начинают проявляться все новые и новые степени свободы, которые ранее были малоэффективны. Изменение состояния физической системы в теории считалось ранее непрерывным. При рассмотрении линейчатых спектров атомов и дифракции электронов возникли трудности. М. Планк пришел к радикальной идее: множество состояний, в которых может находиться колеблющаяся излучающая система, является дискретным, счетным, а различие между двумя такими состояниями характеризуется одной универсальной постоянной, элементарным квантом действия [79]. С признанием новой парадигмы были разорваны отношения с прежними воззрениями. Со временем возникли расхождения (так посчитали ученые), связанные со стационарными орбитами электронов – они противоречат законам классической механики. В данном месте физики могли принципиально решить вопрос: теория неверна потому, что модель атома, предложенная Бором – не верна. Но академики пошли другим путем. «Выход» нашел В. Гейзенберг: он отказался от детального описания движений электронов по классическим законам, введя в теоретическое рассмотрение лишь непосредственно наблюдаемые величины.
Потребность в новой теории возникла тогда, когда спектральная плотность энергии излучения должна была неограниченно расти по мере сокращения длины волны. Занимаясь исследованием проблемы спектрального распределения интенсивности излучения, М. Планк пришел к заключению: процесс носит дискретный характер, обмен энергией между веществом и излучением происходит определенными порциями. В 1900 г. Планк эмпирическим путем получил свою формулу, которая хорошо согласовалась с экспериментальными данными и сводилась к формуле Вина при малых длинах волн и к формуле Рэлея при больших. В 1901 году, вводя понятие кванта энергии, немецкий физик подвел под нее теоретическую основу [80]. Дискретность ученый связывал со свойствами вещества, представленного в виде ансамбля элементарных осцилляторов, энергия которых может принимать значения кратные минимальной величине – кванту. О новой формуле излучения Планк доложил Берлинскому физическому обществу 19 октября 1900 года. Он предложил считать превращение колебательной энергии в энергию излучения линейного гармонического осциллятора, не так как в классической теории, а вполне определенными дискретными порциями, происходящими прерывно. Количество энергии (Е), которое мог излучать или поглощать осциллятор, должно удовлетворять соотношению (2.3):
Е = h?,
где универсальная константа (h = 6,625 ? 10
