Квант действия и физика квантов

К концу 19 в. физика разделилась на физику материи и физику эфира (излучения). Материя и излучение казались совершенно независимыми сущностями. Уравнения Максвелла оказались неприменимыми к процессам излучения и поглощения, обнаружившим дискретный характер. Уже к 20-ым гг. прошлого столетия возникла мысль о возможности спектрального анализа. Эту мысль высказал в 1926 г. Тальбот. Была уже известна связь спектров испускания и поглощения. Густав Кирхгоф на основе термодинамики сформулировал свой закон, гласящий, что для лучей одной длины волны при одинаковой температуре отношение излучательной и поглощательной способностей для всех тел одно и то же. Он же ввел понятие абсолютно черного тела. Задача по определению функции Кирхгофа, т.е. зависимости отношения излучательной способности к поглощательной от частоты и температуры, оказалась сложной.

В 1900 г. на заседании Берлинского физического общества Макс Планк предложил новую формулу для распределения энергии в спектре абсолютно черного тела тоже на основании термодинамического подхода.

Планк вводил порции энергии как рабочую гипотезу, как математический прием. Он писал: “...или квант действия был фиктивной величиной... или при выводе этого закона в основу была положена правильная мысль - тогда квант действия должен был играть в физике фундаментальную роль, тогда появление его возвещало нечто дотоле неслыханное, что. казалось, требовало преобразования нашего физического мышления, покоившегося со времени обоснования бесконечно малых Ньютоном и Лейбницем на предположении о непрерывности всех причинных связей”.

В 1911 г. происходил первый Сольвеевский конгресс физиков под руководством Лоренца. В дискуссии по теории Планка участвовали Ланжевен, Пуанкаре, Планк, Нернст, Резерфорд, Эйнштейн, Вин, М.Кюри. Анри Пуанкаре так охарактеризовал ситуацию в физике: гипотеза Планка является чуждой классической физике. Речь шла не только о законе излучения черного тела, но и о некоторых других явлениях, таких как проблема теплоемкости: закон Дюлонга и Пти, установленный еще в начале 19 века, гласил, что молярная теплоемкость для всех тел должна быть одинаковой.

В 1907 г. Эйнштейн предложил построить теорию теплоемкости, используя представления о квантах. Эта теория объясняла уменьшение теплоемкости с уменьшением температуры. Но формула была неточной. Затем теория теплоемкости была разработана Борном и Карманом, которые рассматривали твердое тело как кристаллическую решетку с атомами в узлах. Этим они усовершенствовали подход Дебая, который рассматривал твердое тело как сплошную среду. Следующим этапом развития квантовой теории было введение понятия квантов света. Начало этапу положил Дж. Дж. Томсон, который рассматривал фронт световой волны как состоящий из сгустков (иголок), а фронт рентгеновской волны состоящим из ярких пятен, которые и взаимодействуют с атомами газа, ионизуя их, подобно тому, как взаимодействуют катодные лучи.

Идея световых квантов в более развитой форме была применена А.Эйнштейном при объяснении внешнего фотоэффекта в 1905 г. Сам Эйнштейн был склонен оценивать эту гипотезу лишь как эвристическую, а М.Планк неодобрительно отзывался о гипотезе световых квантов. В самом деле, как с помощью корпускулярного подхода объяснить явления интерференции и дифракции? Т.е. возникли те же трудности, что и при обсуждении корпускулярной гипотезы Ньютона. Эйнштейн высказал мысль о том, что свет является одновременно корпускулярным и волновым явлением.

Этой же проблеме был посвящен опыт Иоффе-Добронравова с пылинкой, заряженной и подвешенной в поле конденсатора, который показал, что при облучении рентгеновскими лучами пылинка теряла заряд, равный заряду электрона дискретно с интервалом в 20-40 мин. (проявление элементарности заряда).

15.2. Кризис в физике. Работа В.И.Ленина “Материализм и эмпириокритицизм”

Физика в XX веке приобрела большой общественный резонанс и влияние на общественную жизнь и даже на политическую борьбу. Ее кризис затронул и российское революционное движение, идейно опиравшееся на марксизм. Физика стала “идеологической” наукой.

Философия Маха и Авенариуса, явившаяся развитием позитивизма, использовалась не только в физике, но и в политической борьбе. Она явилась ответом на появившиеся в период политической реакции, наступившей после революции 1905 года “Очерки по философии марксизма”, составленные из статей В.А. Базарова. А.В. Луначарского, А.А. Богданова и др. Эти авторы, называя себя марксистами, излагали взгляды Маха, Авенариуса и др. так называемых “эмпириокритиков” и “эмпириомонистов”. Работа Ленина ставила задачу их разоблачения как идеалистов, антимарксистов. При этом Ленин опирался на обобщающие труды известных физиков, таких как Анри Пуанкаре, Дж.Дж.Томсон, П. Ланжевен. Непосредственно о теории относительности и теории квантов Ленин не пишет, поскольку в то время они были еще в виде специальных трудов и не получили популярного изложения.

Вот несколько цитат из рассматриваемой книги. “Суть кризиса современной физики состоит в ломке старых законов..., в отбрасывании объективной реальности вне сознания, т.е. в замене материализма идеализмом и агностицизмом”. И еще: “Материя исчезает” - это значит исчезает тот предел, до которого мы знали материю до сих пор.... Исчезают такие свойства материи, которые казались раньше абсолютными, неизменными, первоначальными (непроницаемость, инерция, масса и т.п.) и которые теперь обнаруживаются как относительные, присущие только некоторым состояниям материи. Ибо единственное “свойство” материи, с признанием которого связан философский материализм, есть свойство быть объективной реальностью, существовать вне нашего сознания”. Последнее замечание неполно, т.к. не указывает способ, каким мы узнаем о существовании материи. Впоследствии Ленин даст другое определение материи: “Реальность, данная нам в ощущениях”.

Вот здесь-то и проявится связь с эмпириомонизмом, который критикует автор. А.А.Богданов в своих критических замечаниях приписывает этот дефект недостаточной философской искушенности Ленина. Критика Богданова после многих десятилетий запрета стала вновь известна российской общественности лишь недавно.

Говоря об изменении научных знаний, В.И.Ленин опирается на господствующую схему равития материи: эфир, первоатом, химический атом, молекула, частица, тело. Старое ньютоновское: может быть, все вещи произошли из эфира - с особой силой прозвучало в XX веке у Д.Д.Томсона, Г.А. Лоренца и др. Диковинно происхождение “весомых” из “невесомого”, наличие электромагнитной массы у электрона, но это, по Ленину, лишнее подтверждение диалектического материализма. Надо сказать, что все эти вопросы остались и теперь, просто за прошедшее столетие к ним успели привыкнуть.

Диагноз, который ставит Ленин: “Новая физика свихнулась в идеализм потому, что физики не знали диалектики”. За прошедшее время многие физики узнали диалектику, как отечественные, так и зарубежные, но это не повлияло заметным образом на развитие физики, которая по своей новаторской природе никогда не отторгала ничего плодотворного. Видимо, потенциал диалектики, рожденной при другом уровне знаний, оказался недостаточным, чтобы разрешить новые проблемы. Именно поэтому Н.Бор говорил о необходимости новых, “сумасшедших” идей, т.е. идей, не подчиняющихся формальной логике. Впрочем, последнее слово в этом философском споре еще не сказано, оно - за естествознанием. Важно, чтобы этот вопрос решался не с позиции политических предпочтений, не директивно, а для пользы развития конкретной науки.

Несколько слов об основном критике Ленина А.А. Богданове. Настоящая фамилия Малиновский (1873-1928). Экономист, философ, политический деятель, естествоиспытатель. Окончил медицинский факультет Харьковского университета в 1899 г. Участвовал в народническом движении. Затем примкнул к социал-демократам, большевикам. С 1921 г. целиком посвятил себя естественнонаучным исследованиям. В 1926 г. организовал первый в мире институт переливания крови. Погиб, ставя опыт на себе. Известен также как автор тектологии - всеобщей организационной науки, своего рода предтечи кибернетики.

Рассматриваемая книга является вехой в осмыслении философии естествознания, по крайней мере, в нашей стране. Что дало автору, гуманитарию, политику, уверенность в том, что он сможет “правильно” толковать достижения естественной науки, над пониманием которой бились лучшие умы человечества? Вероятно, то же, что дает ориентацию в этих проблемах представителям церкви, а именно: знание человеческой психики, умение распознавать мотивы, движущие людьми. Кроме того, не надо забывать, что отец Ленина был учителем физики, и у них дома стояли физические приборы.

Критики отмечали недопустимо резкий тон работы, не принятый в научных кругах и обличавший политические цели автора, не интересные специалистам. Книге довелось сыграть значительную роль в политической и духовной жизни СССР и даже в судьбе, если не физики в целом, то отдельных ее представителей во время кампании борьбы с “физическим идеализмом” в нашей стране. Думается, что мысли, изложенные в книге, не потеряли познавательного значения и теперь, когда ее директивный характер, надо полагать, ушел в прошлое.

Радиоактивный распад

Эрнест Резерфорд заинтересовался сообщением о влиянии на радиоактивность тория потоков воздуха. Он считал вначале, что торий, кроме альфа-частиц, испускает еще и некую “эманацию”. Через несколько лет выяснилось, что это был гелий. Надо сказать, что роль потоков воздуха, например, работы вентилятора при исследовании ионизирующих излучений и их воздействий может иногда быть значительной, хотя бы потому, что перемещается ионизованный воздух, который в некоторых случаях (действие радиации на полупроводники, например) может приводить к шунтированию межэлектродного промежутка ионизованным воздухом.

В 1930 г. по составу урановых руд был определен возраст Земли (1.8 млрд. лет). Это было сделано по соотношению количеств урана, свинца и гелия в урановых рудах. Основной закон радиоактивного распада: , где - концентрация ядер в начальный момент времени, - концентрация ядер в момент времени - постоянная распада, равная доле ядер, распадающихся в единицу времени. Наличие изотопов делает атомные массы химических элементов не целочисленными, а дробными: 9,4 - бериллий, 35.5 - хлор и т.п.