Карпенко Владимир Никитович


Подтверждение корпускулярной концепции строения света в физике 19-20-го веков.

Физический смысл постоянной Планка.

 

В одной из работ автора [1] провозглашен и обоснован тезис, что теория относительности (ТО) А. Эйнштейна является заблуждением века. В данной работе автор счел необходимым продолжить обоснование этого тезиса. И делается это под знаком актуальнейшей необходимости преодоления релятивизма во всех областях науки и прежде всего - в физике. Начало такому преодолению положено в другой работе автора в соавторстве с М.П. Вариным [2]. Данной проблеме будет посвящен цикл статей, и очередными в этом ряду являются работа [3] и данная статья

Продолжая рассматривать ТО под углом "заблуждения века" нелишне напомнить, что опыт Майкельсона 1881г. был задуман как experimentum cruces. Но когда результат опыта оказался не в пользу волновой концепции света, об истинной цели опыта просто "забыли". Почему - об этом ясно сказано в работе [1]. Появившаяся ТО, претендуя на роль некоей глобальной физической теории (да еще с не меньшей претензией ее автора на расширение границ познания), на самом деле уже в неявном виде, продолжала утверждать волновую концепцию света. В самом деле, о чем говорит второй постулат ТО? О постоянстве и независимости скорости света от движения источника. Но это же из области волновой концепции (и не только света!). В сочетании с первым постулатом, на самом деле означающем распространения принципа относительности Галилея на электромагнитные явления (каковым также считался и считается свет), это и привело к самой неадекватной, но главное - стойкой, когда-либо известной физической науке, теории. Достаточно вспомнить такие экзотические следствия ТО, как изменение течения времени, линейных размеров, масштабов, увеличения, вплоть до бесконечности, массы движущихся объектов. Вместе с тем фотон, как структурная единица света - лишен этой самой массы. В конечном счете, это значит, что вывод А. Эйнштейна о нулевой массе покоя фотона [4] снова возвращает последний в лоно волновой концепции. Именно это обстоятельство позволило говорить о безмассовом волновом пакете, каким пытались изобразить в квантовой механике фотон. И это несмотря на открытие заново корпускул (квантов) света М. Планком и фотоэффекта в 1887г. Г. Герцем. Кстати, фотоэффектом занимался и сам Эйнштейн [5].

Под давлением экспериментальных фактов, подтверждающих корпускулярную природу света, сторонники волновой концепции начали говорить о корпускулярно-волновом дуализме. В основу квантовой механики легло еще одно положение, согласно которому фотон, как и другие микрообъекты, является одновременно и волной и частицей.

Это было началом конца не только волновой концепции, но и самой квантовой механики в интерпретации "новых физиков". Именно в рамках квантовой механики после многочисленных дискуссий было признано: волновая функция является мерилом вероятности нахождения частицы (в том числе и фотона) в определенном месте дифракционной картины [9]. Т.е. речь идет уже не о волновой картине, а о распределении микрообъектов, описание которого возможно в терминах волновых процессов.

В этой связи рассмотрим открытие в 1927г. явления дифракции электронов, а затем и других микрообъектов. Теперь можно смело заявить, если бы это явление было известно до постановки опыта Майкельсона 1881г., то волновая концепция перед этим фактом уже не устояла бы. Само собой разумеется, не осталось бы и никакой почвы для создания ТО.

Действительно, обратимся к книге [6], на стр. 771 приведены дифракционные картины света и электронов от края соответственно экрана и кристалла. Если не принять во внимание масштаб (для электронов эта фотография сделана с помощью электронного микроскопа), то их невозможно отличить. Абсолютное сходство дифракционных картин!

Напрашивается вывод и о физическом сходстве объектов, породивших эти картины. В первую очередь следует сказать, что это результат взаимодействия фотонов и электронов с веществом. Далее, электрон является элементарной частицей, обладающей, определенной массой. Есть ли экспериментальные факты, свидетельствующие о том, что и фотон есть частица, обладающая, как и электрон, массой (именно в классическом смысле)? Да есть. Это и фотоэффект, это и открытие Планком квантов электромагнитного излучения, наконец, это все тот же опыт Майкельсона, свидетельствующий о том, что свет есть поток частиц, подчиняющихся в своем движении принципу относительности Галилея и т.д. А можно ли в принципе определить массу фотона в противовес заключению ТО, что у него ее просто нет? Да, конечно. Не будем при этом говорить, насколько физически адекватна формула для энергии электромагнитного излучения (соотношение Планка)

(1)

(Здесь n - частота волны фотона, h - постоянная Планка). Но приравняв энергию фотона (1) его кинетической энергии (что абсолютно физически адекватно)

(2)

(Здесь mф - масса фотона, с - скорость фотона), получим:

.

Следовательно:

(3)

Далее, электрон обладает относительно высокоэнергичным полем. Несомненно, это обстоятельство также является одним из факторов, определяющих ту периодичность распределения, которую мы наблюдаем в дифракционной картине потока электронов после взаимодействия их с веществом. Именно наличие такого поля и отличает поток электронов, от потока подобных по массе, но не обладающих достаточно энергичным полем частиц. Следовательно, из подобия дифракционных картин электронов и света можно заключить, что и частицы света обладают полем, которое достаточно энергично и ответственно за дифракцию света. Из сказанного ясно, насколько важна разработка механизма дифракции с учетом корпускулярной природы электромагнитного излучения. Начало этому положено в работе автора [7].

Что касается корпускулярно-волнового дуализма, в первую очередь предположения де Бройля о существовании неких волн материи, кроме констатации данного факта в виде гипотетической формулы по аналогии со светом (используя его волновую концепцию).

(здесь l - длина волны де Бройля микрообъекта, р - его импульс), дальше дело не пошло. Не "выдержала" сама квантовая механика. Волновой пакет, в виде которого представлялась микрочастица, со временем неумолимо расползался в пространстве, а расчетная фазовая скорость этих "волн" превышала известное ограничение ТО - скорость света в пустоте.

Таким образом, дифракция электронов, как и других материальных частиц (нуклонов, атомов, молекул и т.д.), как теперь оказалось, ничего общего с провозглашенным ранее корпускулярно-волновым дуализмом не имеет. Поле, наряду с другими факторами, определяет характер распределения в пространстве частиц, им обладающих при взаимодействии с веществом, но волновое описание этого распределения в целом весьма приближенно, а точнее - условно. Ибо самое большое заблуждение в этой аналогии - это придание этому распределению несуществующего физического фактора - скорости. Т.е. сказанное выше позволяет сбросить с фотона "волновую шелуху", и тогда фотон предстает в виде обычной частицы, в ряду элементарных, подобной им. Однако, нельзя еще раз не сказать, что реальная скорость фотонов (скорость света, измеренная в экспериментах) была отождествлена со скоростью распространения "волны", якобы определяемой дифракционной картиной.

И тут мы приближаемся вплотную к раскрытию физического смысла постоянной Планка. Неадекватность волновой модели распространения света физической реальности рано или поздно должно было привести к противоречию. Это произошло в виде "ультрафиолетовой катастрофы" [8], разрешенной успешно М. Планком. Это стало возможным лишь после признания, что свет излучается в виде квантов - все тех же корпускул. Однако в рамках волновой теории энергия кванта монохроматического света оказалась равной Е=hn, т.е. это формула (1). Видимо Планк сознательно пошел на введение в формулу (1) частоты - как-никак, это динамическая величина. Это несмотря на то, что в экспериментах измерялась (и до сих пор измеряется!) именно длина волны l, сопровождаемая определенным расчетом. При этом дифракционная картина считается именно волновой, а не ее аналогом - периодическим распределением. А это дает повод "длину волны" через абсолютно реальную скорость световых квантов пересчитать в частоту и прийти к формуле (1). Конечно, в свете вышесказанного - это физически неадекватно.

Так что формула (1) неверна? Чтобы ответить на этот вопрос вспомним сказанное выше, что дифракционная картина света - это распределение интенсивности потока фотонов с периодичностью на плоскости, определяемой шириной полосы ("длиной волны"). Для удобства изложения будем употреблять иногда в необходимых случаях термин "длина волны", вкладывая в него новый смысл. Так вот, эта "длина волны" оказалась по Планку обратно пропорциональной энергии кванта. Действительно,

,

т.е. (6)

Но, как показано выше, скорость света никакого отношения к распределению интенсивности (дифракционной картине) света не имеет. Из (6) видим, что введение частоты уменьшило h в "с" раз, т.е. на самом деле имеет место совершенно другая постоянная

. (7)

А формула (1) приобретает вид:

(8).

Формула (8) имеет совершенно иную интерпретацию, чем формула (1). В формуле (8) постоянная (назовем ее постоянной Планка-Карпенко) имеет значение:

Как видим, изменилась и размерность постоянной. А l - это уже не длина волны, а ширина полосы дифракционной картины, рассчитанная (как первое приближение) на основании аналогии с волновой дифракционной картиной.

Таким образом, формула (8) показывает, что энергия кванта монохроматического потока света обратно пропорциональна ширине полосы l в его дифракционном распределении, рассчитанном в приближении волновой аналогии. Следует заметить, что физический смысл и значение постоянной Планка-Карпенко значительно скромнее, чем это предполагалось ранее для постоянной собственно Планка h в формуле (1). В формуле (8) ее универсальность можно поставить под сомнение. Скорее всего это лишь коэффициент пропорциональности, определяющий среднюю энергию отдельной частицы по такой характеристике потока ей подобных, как ширина дифракционных полос в распределении интенсивности этого потока.

Трудно быть уверенным, что будет одним и тем же во всем диапазоне шкалы электромагнитного излучения. Тем более трудно об этом говорить для элементарных частиц различной массы при практически неограниченном диапазоне скоростей. Ведь ТО низвергнута [1], а классическая механика не дает какого-либо ограничения величин скоростей. А скорость и масса, как известно, влияют на энергетическую мощь потока микрочастиц. Т.е. есть сомнения, что постоянная Планка-Карпенко есть универсальная постоянная вообще. Короче, этот вопрос требует дополнительного исследования, что и будет сделано автором.

Потребует также дополнительного исследования характер распределения интенсивности потока микрочастиц в пределах каждой полосы распределения. Здесь следует ожидать различных законов распределения в дифракционных полосах различных элементарных частиц, атомов, других микрообъектов. Эту проблему назовем раскрытием тонкой структуры дифракционных полос и других проявлений при взаимодействии направленного потока микрообъектов с веществом. В свою очередь это позволит судить об особенностях полей различных частиц, а значит, и выявлять в них общее и особенное.

Рассмотрение дифракции света в связке с дифракцией электронов позволило еще раз из схожести картин этих явлений сделать вывод не только о том, что свет - это поток элементарных частиц (квантов), обладающих массой и достаточно энергичным полем. Мы окончательно убедились, что свет, как и другие виды электромагнитного излучения, не имеет волновой природы. Т.е. отдельному кванту даже в рамках математической аналогии нельзя приписывать определенную длину волны, а тем более частоту. Для потока же квантов или других микрообъектов ширина дифракционной полосы в сочетании с постоянной Планка-Карпенко позволяет определить среднюю энергию кванта по формуле (8).

Но это еще не все. Сравнив формулы (1) и (8), убеждаемся, что введение скорости света М. Планком в формулу (1) носит скорее всего искусственный характер, но сделано это в угоду волновой теории света. Мы получим одну и ту же среднюю энергию кванта как по формуле (1) так и по формуле (8). Но в формуле (8) скорость света даже косвенно не входит, а l берется из эксперимента. А для определения средней энергии кванта вводится новая постоянная - постоянная Планка-Карпенко.

Таким образом, на смену постоянной Планка приходит новая постоянная . Как старая, так и новая постоянные имеют, скорее всего, математический, чем физический, смысл. Это всего лишь коэффициенты пропорциональности для определения средней энергии квантов потоков электромагнитного излучения по данным дифракционных картин. Если ранее правомерность применения постоянной Планка за пределами определения энергий квантов излучения можно было ставить под сомнение, то теперь для заменяющей ее постоянной Планка-Карпенко можно ответить твердое - нет! Несомненно, что это обстоятельство повлечет за собой пересмотр механизмов многих явлений микромира.

В этой связи еще раз рассмотрим идею де Бройля 1924г о волнах материи, присущих любому материальному объекту, обладающему импульсом р. Когда корпускулярная природа света фактически стала непреложным фактом, а волновая не хотела сдавать свои позиции, продолжая рассматривать дифракцию света, как волновой процесс, и была выдвинута де Бройлем концепция корпускулярно-волнового дуализма.

Формула (1) при переходе от частоты к длине волны, дает зависимость последней от импульса кванта:

,

откуда

(9)

На самом деле, напомним, из изложенного выше следует, что здесь справедлива формула (8), из которой следует, что:

(10)

Применение формулы (9) к любому материальному объекту, обладающему импульсом р, сразу вызвало непреодолимые трудности. Волны де Бройля оказались оторванными от объекта, которому они приписывались. Чтобы знать частоту этих волн нужно знать их скорость. А придание им по аналогии со светом, скорости равной "с", сразу "отрывает" волны от частицы из-за разности скоростей. Рассмотрение же частицы в виде волнового пакета, распространяющегося с групповой скоростью v, равной скорости частицы, приводит к распаду пакета в пространстве из-за дисперсии волн, составляющих пакет. В конце концов, волны де Бройля были признаны волнами вероятности [9].

Корпускулярная же концепция в широком смысле и здесь не приводит к противоречиям. В этом случае справедлива формула (10) с небольшой оговоркой относительно константы . Будет ли это постоянная Планка-Карпенко или другая константа, предстоит еще выяснить в дальнейшем из экспериментов. Что касается l, то это уже не длина волны, а ширина дифракционной полосы в соответствующем распределении частиц.

Итак, рассмотрение подобия дифракционных картин потоков кантов света и электронов с использованием более ранних работ автора [1-3], [7], привело к следующим результатам:

1.      Еще раз подтверждено то, что, квант электромагнитного излучения является элементарной частицей, обладающей массой, полем и т.п., как и другие, известные на данный момент частицы.

2.      Многочисленные экспериментальные данные, в том числе, такие как фотоэффект, опыт Майкельсона 1881г., дифракция электронов и других микрообъектов привели автора к убеждению, что корпускулярная теория электромагнитного излучения является адекватной его физической природе. А утверждение "самой" квантовой механики о том, что волновая функция определяет лишь вероятность нахождения частицы в определенном месте пространства, позволило по иному взглянуть на дифракционные картины света и других микрообъектов при их взаимодействии с веществом. Именно не как на отображение волнового процесса, а как на распределение интенсивности потока частиц в пространстве после этого взаимодействия, т.е. окончательно сбросить с микрочастиц "волновую шелуху", а вместе с ней и пресловутый "дуализм".

3.      В угоду волновой концепции была искажена формула для энергии излучения кванта E=hn, дающая зависимость последней от частоты, а не от длины волны. Действительно, если дифракционная картина - это распределение интенсивности потока частиц в виде полос, то о какой частоте может идти речь? В эксперименте ведь измеряется ширина дифракционной полосы l в сочетании с расчетом по аналогии с волновым процессом, и именуемая "длина волны" (опять же по аналогии). Для корпускулярной концепции этого достаточно, если принять во внимание, что формула (1) определяет среднюю энергию кванта (монохроматического, по волновой концепции, излучения). Эксперимент показывает, что чем больше эта энергия, тем уже дифракционные полосы. Т.е. мы должны получить (обратная пропорциональность по l), что совпадает с формулой (8).

Таким образом, получена новая формула (8) для средней энергии кванта монохроматического излучения. Термин монохроматический заимствован из волновой концепции. В корпускулярной же теории (при относительно постоянной скорости излучения) это означает, что фотоны (кванты) такого излучения будут иметь примерно одинаковую массу. В самом деле, приравняв энергию кванта определяемой формулой (8) его кинетической энергии, получим

,

откуда

(11)

Входящая в (8) константа уже не совпадает с постоянной Планка h из формулы (1). Как было получено выше =1,9864684 Дж×м. Изменилась не только ее величина, но и размерность. Вместо [Дж×с] стало [Дж×м]. Новая константа в тексте названа постоянной Планка-Карпенко.

4.      Корпускулярная и волновая концепции электромагнитного излучения являются взаимоисключающими, если говорить об их адекватности физике явлений. Поэтому постоянная Планка h уходит в историю физики вместе с волновой концепцией. Это никак не умаляет заслуги М. Планка, открытие которого вопреки логике использовались не лучшим образом. Имя Планка сохранено и в названии новой константы наряду с именем автора настоящей работы, т.е. - это постоянная Планка-Карпенко. Насколько является универсальной - покажут дальнейшие исследования и эксперименты.

5.      Предстоит огромная работа по анализу теоретических последствий, связанных с "уходом" постоянной Планка h из физической науки. И речь идет отнюдь не о смене констант (h на ). Дело в том, что, как и ТО А. Эйнштейна, постоянная Планка является одной из ключевых "фигур", так называемой, новой физики, господствовавшей в 20-м веке. Что только не квантовали в этой физике, даже пространство - время, как говорится, оптом и в розницу, т.е. раздельно - пространство и время. И везде пытались использовать все ту же константу h. Спрашивается, на каком основании? А потому, что образно говоря, там, на расстояниях меньших 10-33м, мы все равно ничего не поймем с нашей, засевшей в наши мозги евклидовой геометрией! Поэтому-то и лились ручьем со страниц изданий о новой физике разные экзотические теории, в том числе с различными неевклидовыми геометриями в микромире.

У автора же этих строк иное мнение. Поступательное развитие науки неотвратимо расставляет все на свои места, и учит внимательно относится к интерпретации результатов экспериментов. Так, неправильно истолкованный результат опыта Майкельсона 1881г. привел к ошибочной теории относительности А. Эйнштейна [1]. А успешное, но неполное решение проблемы "ультрафиолетовой катастрофы" [8] привело к появлению псевдоконстанты (как теперь стало ясно) - постоянной Планка h, с дальнейшей, зачастую неоправданной, ее универсализацией в новой физике 20-го века. Ведь Планк ограничился чисто математическим решением вышеуказанной проблемы, не вдаваясь глубоко в ее физику. Посмотрите, ведь формулы (1) и (8) дают совершенно одинаковую среднюю энергию для кванта монохроматического электромагнитного излучения. Но константы h и совершенно различны как по величине, так и по размерности, а за этим стоит уже определенный физический смысл, а главное - концепция, модели явления.

Таким образом, оба примера показывают, как использование неадекватной физической концепции (а в обоих случаях она была одной и той же, а именно волновой) приводит к масштабным последствиям для науки.

      Раскрыт физический смысл постоянных h и . Несмотря на то, что получены они, исходя из совершенно различных, взаимоисключающих концепций, он абсолютно одинаков. Стало ясно, что речь не может идти о каких то минимальных количествах энергии, умноженной на секунду (h) или на метр (). Эти константы по параметрам n(h) и l(), характеризующим дифракционную картину, которая является результатом взаимодействия потоков элементарных и других частиц с веществом, которое позволяет определить среднюю энергию частицы, составляющей этот поток. Другими словами, это мостики, позволяющие перейти от параметров характеризующих поведение многих частиц (их потока), к такому параметру отдельной частицы из этого потока, как ее средняя энергия, согласно формул (1) и (8).

Математически и h - это всего лишь коэффициенты пропорциональности в формулах (8) и (1). Над физическим смыслом постоянной Планка бились многие ученые. И ей даже придумали особое название - квант действия. Именно это название h и являлось предметом поиска его физического смысла, но тщетно. То, что это коэффициент пропорциональности в формуле (1) видно невооруженным глазом. Однако, пониманию того, что этим все и ограничивается, мешало, та особая роль, которая по нарастающей приписывалась этой константе в "новой" физике, преувеличивая ее универсальность.

Вышесказанное следует учесть при определении границ применимости постоянной Планка-Карпенко - . И решающее слово здесь как всегда - за экспериментом.

 

 

ЛИТЕРАТУРА

1.    Карпенко В.Н. Теория относительности А. Эйнштейна как несостоявшаяся гипотеза или заблуждение века. - сб. Проблемы естествознания на рубеже столетий. С.Пб., Политехника., 1999.

2.      Карпенко В.Н., Варин М.П. Преодоление последствий релятивизма А Эйнштейна в физике ХХ века. сб. Проблемы естествознания на рубеже столетий. С-Пб., Политехника., 1999.

3.      Карпенко. Неэквивалентность массы и энергии. Восстановление истины или Е¹mc2.

4.      Эйнштейн А. Собрание научных трудов т.1., М., Наука. 1965.

5.      Эйнштейн А. Собрание научных трудов т.3., М., Наука. 1965.

6.      Физика. пер с англ. п/ред. Ахматова А.С., М., Наука. 1965.

7.      Карпенко В.Н. Единая теория материи. Постановка задачи, основные идеи., сб. Проблемы естествознания на рубеже столетий. С-Пб., Политехника, 1999.

8.      Ландсберг Г.С. Оптика. М., Гостехиздат, 1957.

9.      Савельев И.В. Курс физики. М., Наука, 1989.

 

г. Днепропетровск 15.01.2000г.

Автор:
Карпенко Владимир Никитович,
5-23, ул. 20 лет Победы,
49127, Днепропетровск
Украина.

Вернуться к списку статей