День, когда мы узнаем, что такое электричество, вероятно, станет ещё более величайшим событием в летописи человечества, чем любое другое происшествие, отражённое в нашей истории. Придёт время, когда комфорт, возможно, даже само существование человека будут зависеть от этого замечательного явления.
(Никола Тесла [110])

Побывав в мега- и микромире, вернёмся в привычный земной макромир, дабы объяснить на базе Баллистической Теории Ритца открытые здесь явления и закономерности. Часть 3 показала, что классическая теория Ритца проясняет геометрическую структуру и свойства элементарных частиц, атомов. Теперь, пора применить эти знания к большим ассоциациям атомов и объяснить строение вещества, свойства материальных сред, дабы создать не квантовую, а чисто классическую теорию твёрдого тела, особенно для явлений излучения, фотоэффекта, теплоёмкости, электрической проводимости и сверхпроводимости. Как увидим, классическая картина этих явлений не только возможна, но и наиболее естественна, проста и точна.

В частности, будет показана абсурдность гипотезы корпускулярно-волнового дуализма и принципа неопределённости Гейзенберга, нагоняющих туман в наши представления о микромире. То, что в квантовой механике атомный мир, электроны — размыты, замутнены, и позволяет учёным, пользуясь такой неопределённостью, "творить" в микромире всё, что вздумается, принимая самые абсурдные гипотезы и картины явлений. Именно в мутной воде квантового мрака и размытости, в тумане математических формулировок "хорошо рыбка ловится", менее заметны манипуляции, подтасовки и подмены, которые уже исходно противоречат здравому смыслу, — можно творить полный беспредел, и никто не схватит учёного за руку. Поэтому в микромире нас стремятся приучить к мысли, что здесь бесполезен наш здравый смысл, к которому обычно апеллируем при разрешении спорных вопросов и противоречий. Уже поэтому, квантовую теорию следовало бы признать ложной. И лишь отсутствие до сих пор классической картины явлений не позволяло отвергнуть квантовую их картину.

Тем не менее, как покажем в этой части, все эффекты, будто бы доказывающие принцип неопределённости, волновые свойства частиц и корпускулярные свойства света, имеют простое классическое объяснение, зачастую, даже, — более точное и всеобъемлющее, нежели их квантовая трактовка. Лишь классическая теория вещества и излучения позволяет верно понять их свойства и управлять ими, создавая материалы с нужными свойствами. В микромире нет квантового тумана и размытости, а царит строгий, классический детерминизм. Недаром наш известный физик А.А. Власов, специалист по оптике, термодинамике, электродинамике и физике плазмы, написавший одноимённое кинетическое уравнение [25], утверждал, что воспеваемый невеждами триумф квантовой теории, в объяснении явлений микромира, свойств газов, жидкостей и кристаллов, — сильно преувеличен. Кванторелятивисты лишь угадали или имитировали методами "тыка", подбора и плагиата некоторые феноменологические законы и эмпирические правила, не открывающие природы явлений и не позволяющие продвинуться дальше. Поэтому, остро необходимо установление истинных, глубинных, классически детерминированных законов происходящего.

Такое классическое понимание электрических и других явлений в средах оказывается важным не только в теоретическом и мировоззренческом ключе, но, более всего, — в практическом плане. Как верно отметил Тесла, именно понимание природы электрических явлений имеет для человечества первостепенное значение. И, как раз, баллистическая модель, принятая Тесла, позволяет достичь такого понимания. Не зря, и в макромире электрических приборов так распространена баллистическая терминология: батарея, электронная пушка, баллистический гальванометр, пушка Гаусса, безынерционный баллистический транзистор, болометр. Слово "батарейка" тоже пришло к нам из артиллерии, где батареей (от фр. "бить", того же корня и слово "баталия") называют группу периодично расположенных однотипных арторудий. Так же и периодично дислоцированные силовые центры — однотипные атомы в кристалле, или электроны с позитронами в атоме, выстроены в батареи, стреляющие реонами и ареонами. Наконец, вся вакуумная и СВЧ-электроника: лампы, клистроны (§ 2.11), гиротроны, магнетроны и т. д., — тоже работает на баллистических принципах, то есть, — на свободном или управляемом полёте пучка электронов, выстреленных электронной пушкой. Именно баллистика оказывается ключом к электронике. Не случайно, известный курс "Электроники" В. Гапонова открывается главой "Электронная баллистика и электронная оптика" [36]. Осталось внести баллистические механические принципы и в самые теоретические основы явлений, что приведёт к грандиозному прорыву в этой области. Так, важнейшая задача сейчас состоит в создании высокотемпературных сверхпроводников для передачи электроэнергии на большие расстояния и постройки экономичного транспорта. Остро необходимы и дешёвые эффективные и экологически чистые генераторы электроэнергии, например, солнечные батареи. В решении этих задач неоценимую помощь может оказать именно БТР, предлагающая, в пику квантмеху, адекватную классическую картину явлений. А, ведь, нет ничего более практичного, чем хорошая теория.

§ 4.1 Ритц и проблема излучения абсолютно чёрного тела

Принципиальные трудности в теории излучения чёрного тела ведут нас не столько к тому, чтобы вместе с Планком вводить частицу энергии-времени, но скорее к требованию восстановить при помощи принципа наименьшего действия нарушенный современной электронной теорией принцип детерминизма природных процессов в духе классической механики, чтобы известное конечное число заданных факторов было достаточным для определения процесса движения системы электронов в любой момент времени.
(Вальтер Ритц, "Об основаниях электродинамики и теории излучения абсолютно чёрного тела" [9])

История квантовой физики началась с Планка, — учёного, бывшего сторонником классических взглядов и не ожидавшего, что его идеи приведут к отказу от классической физики и станут фундаментом для абсурдной квантовой механики. К идее световых квантов Планк пришёл, исследуя механизм излучения нагретых тел. Планк сначала эмпирически подобрал формулу для описания спектра излучения абсолютно чёрного тела, которая хорошо согласовалась с экспериментально измеренной зависимостью спектральной интенсивности от частоты света. Пытаясь дать физическую интерпретацию этому закону, Планк пришёл к мысли о квантовой структуре света. Однако, закон Планка легко объяснить и классически, — в рамках волновых представлений о свете, если верно интерпретировать процесс теплового излучения.

Действительно, исходная идея Планка не противоречила классической физике. Планк просто показал, что открытый им закон теплового излучения легко получается, если допустить, что энергии E атомных осцилляторов (электронов, колеблющихся в атомах) принимают не все возможные значения, а жёстко связаны с частотой f колебаний электрона, испускающего, как любой вибрирующий заряд, свет той же частоты f. Эта связь выражается известной формулой E=hf, где величина h, именуемая постоянной Планка, и была названа элементарным квантом действия. Прежде казалось, что в рамках классической физики нельзя получить такую связь, ибо энергия осциллятора, скажем, — груза на пружинке, как известно, может принимать самые разные значения при одной и той же частоте колебаний груза. Потому, и была выдвинута квантовая гипотеза, согласно которой свет излучается порциями, в виде квантов энергии E=hf. Но, в действительности, такую связь частоты и энергии, как видели (§ 3.3), легко получить и в рамках классической физики, если принять магнитную модель атома Ритца. В магнитном поле бипирамидального атомного остова электрон, крутящийся с частотой f, как раз имеет энергию E=hf, где величина h, на основании данных о радиусе и магнитном моменте электрона, получается в точности равна постоянной Планка. А, потому, планковский закон излучения естественно возникает и в классической физике, раз уж он прямо следует из соотношения E=hf. Разберём подробней механизм теплового излучения и закон Планка.

Тепловое излучение, как выяснили, возникает при поглощении атомами электронов. Когда атом металла или газа захватывает электрон, тот начинает вращаться в атоме, излучая на частоте своего вращения f=E/h, где E — энергия поглощённого атомом электрона.

Электроны, как любые другие частицы при температуре T, подчиняются распределению Максвелла. То есть, доля, концентрация электронов со скоростью V есть

n~Ee^—E/kT,

где E=MV²/2, а M — масса электрона. Спектральная плотность энергии u (энергия, излучаемая на данной частоте f) пропорциональна NE, где N — частота захвата атомами электронов энергии E=hf. Для быстрых, высокоэнергичных электронов частота столкновений и захватов определяется их концентрацией n и скоростью V, много большей скорости атомов: N~nE. В итоге, энергия, излучаемая атомом на частоте f, будет

u~E³e^—E/kT=(hf)³e^—hf/kT,

что совпадает с законом излучения Вина и с формулой Планка для высоких частот. Низкие частоты возникают от ударов медленных электронов, имеющих малую энергию. Скорости этих электронов меньше средней скорости атомов, и частота их столкновений, захватов зависит уже не от энергии E, а определяется скоростью, энергией атомов N~nkT. Поэтому, энергия, излучаемая атомом на низких частотах, есть

u~E²kTe^—E/kT=(hf)²kTe^—hf/kT

или

u~(hf)²kT,

если учесть близость e^—hf/kT к единице. Но это — формула Релея-Джинса или формула Планка для низких частот (Рис. 144)!

Рис. 144. Максвелловское распределение электронов n(E) переходит в планковское u(f). Частота захвата электронов атомами зависит от их взаимной скорости (v-V), равной в крайних случаях v либо V.

Так что, формула Планка имеет классическое объяснение в обоих предельных случаях. Критерий перехода между ними даёт соотношение тепловой энергии атомов и электронов, — соотношение энергии kT и E=hf. При kT>>hf получаем формулу Джинса, а при kT<<hf — формулу Вина. Можно рассчитать и промежуточный случай, и он даст близкое, но неточное совпадение с формулой Планка. Но, ведь, и она не вполне точна, давая порой заметные расхождения с опытом, хотя это и объясняют тем, что в природе нет абсолютно чёрных тел.

Итак, спектр излучения чёрного тела легко объясним в рамках классической теории Ритца. А, значит, фундамент квантовой физики подорван. Ведь квантовую физику выдумали как раз потому, что классическая не смогла объяснить спектр излучения чёрного тела и привела к ультрафиолетовой катастрофе, — излучению на высоких частотах бесконечной энергии. От ультрафиолетовой катастрофы физику спас закон Планка и его квантовая трактовка. Но после оказалось, что квантовая физика и электродинамика рождают ещё больше расходимостей и бесконечностей: "за что боролись — на то и напоролись"! А, смешнее всего, что энергия излучения чёрного тела на высоких частотах выходила бесконечной и в квантовой механике. Следуя ей, к излучению на каждой из частот надо добавить энергию нулевых колебаний hf/2, стремящуюся к бесконечности, с ростом частоты f. Так вернулись к ультрафиолетовой катастрофе классического закона Релея-Джинса.

Всё это не вредит формуле Планка, но говорит о ложности нынешней квантовой трактовки этой формулы. Не зря, Планк призывал к осторожному обращению с квантами, которые он ввёл как формальный приём, веря, что открытый им закон излучения удастся объяснить и в рамках классической физики. О том же говорил в своём споре с Эйнштейном и Ритц (см. эпиграф § 4.1). Он связывал ультрафиолетовую катастрофу с неверным описанием процесса излучения и порочностью максвелловской электродинамики. Словно предчувствуя грядущие квантовомеханические потрясения, Ритц указал, что главная проблема теории излучения чёрного тела состоит в неверном описании движения электронов в металле и атомах, в его неопределённости. Уравнения Максвелла и теория Лоренца слишком неоднозначны, то есть, — допускают большое число физически невозможных решений. Если наложить соответствующие ограничения, в том числе условие запаздывающих потенциалов (по сути, классический принцип причинности, детерминизма) и предложенную Планком связь частоты колебаний и энергии электрона, то планковский закон излучения получится сам собой в рамках классического подхода. Этому вопросу посвящена серия из четырёх статей, в том числе, — предсмертная статья Ритца, где он вступил в схватку с самим Эйнштейном (Рис. 23), вставшим горой за электродинамику Максвелла и термодинамическую необратимость [6, 146, 161].

И, точно, как показано выше, закон Планка вполне объясним классически и связан с детерминированной частотой обращения электрона, с дискретностью, прерывистостью, но не света, а самого вещества и излучения, состоящего из отдельных актов. Ведь в тепловом излучении каждый акт излучения и поглощения света сопряжён с движением по орбите отдельного электрона, захваченного атомом или вылетающего из него. Примечательно, что ещё в начале XX в. Ритц отмечал, что именно теория Максвелла противоречит классической механике и принципу причинности, детерминизма в физике. И, потому, не механика Ньютона, а теория Максвелла ответственна за кризис науки начала XX века, в связи с проблемой опыта Майкельсона и закона излучения чёрного тела. Как верно заметил Ритц, именно теория Максвелла, противоречащая классической механике и лишающая поле с веществом чёткой корпускулярной структуры, ответственна за появление теории относительности и квантовой физики. Эти абсурдные теории — неизбежное следствие столь же абсурдной теории Максвелла.

То, что энергия E колебаний, кружения электрона в атоме, — связана с частотой f его обращения, подтверждает и фотоэффект: внешний электрон атома, срываясь со своей орбиты под действием света частоты f, при вылете из металла, как раз имеет энергию E=hf (§ 4.3). Планк стремился вернуть физику в классическое русло, борясь за правильное истолкование своих идей в рамках дискретных свойств электричества, атомов, а не света. Модель атома Ритца позволила этого добиться. Модель поясняет не только то, как рождается сплошной и линейчатый спектр излучения нагретых тел, но и почему тела излучают тем интенсивней, чем выше их температура.

Нагрев приводит к убыстренному движению атомов. Растёт сила и частота их столкновений, толчки побуждают внутренние и внешние электроны атома интенсивней кружиться и излучать, генерируя соответственно дискретный и сплошной спектры. Внешние электроны чаще отрываются от атомов и, набрав в столкновениях добавочную энергию, излучают её в виде сплошного спектра при захвате другими атомами (Рис. 145). Это явление, именуемое "обратным фотоэффектом", рождает также сплошной X-спектр рентгеновской трубки [134]. Однако, в газе атомы удалены друг от друга, они редко теряют и поглощают электроны. Потому, у газов, в отличие от раскалённых твёрдых тел, с их сплошным спектром, более ярок дискретный, линейчатый спектр, природу которого разобрали выше (§ 3.1). Лишь в протяжённой плазме звёзд электроны движутся свободно и в больших объёмах газа часто соударяются с атомами, генерируя сплошной спектр, не хуже твёрдых тел. Заметим, что квантовая физика объяснить сплошной спектр излучения Солнца и звёзд не способна.

Рис. 145. Генерация сплошного и линейчатого спектра соответственно внешними и внутренними электронами. Максвеллово распределение электронов по энергиям E, переходящее при E=hf в планковское распределение по интенсивности спектра.

Интересно отметить, что ещё в 1750 г. М.В. Ломоносов в своей работе "Размышления о причине теплоты и холода" (§ 4.15) связал тепловые свойства тел с вращением их частиц, которое с ростом температуры становится всё более интенсивным, отчего тело излучает всё больше тепла. Тем самым, Ломоносов не только предсказал существование в атомах крутящихся электронов, но и догадался, что именно их кружение ответственно за тепловое излучение тел. Классическое объяснение спектра излучения абсолютно чёрного тела — это лишь первый кирпич, изъятый из фундамента квантовой теории и встроенный в здание классической физики. Как покажем далее, и все прочие кирпичи фундамента: фотоэффект, эффект Комптона, опыт Франка-Герца и т. д., — не имеют отношения к квантовой концепции, в здании которой лежат ненадёжно, однако, стройно укладываются в рамки классической физики.

§ 4.2 Существуют ли фотоны — кванты света?

Если пиво всегда продают в бутылках, содержащих пинту, отсюда вовсе не следует, что пиво состоит из неделимых частей, равных пинте.
(А. Эйнштейн о различии фотонной и планковской гипотезы [73, с. 147])

Вопрос о природе волновых свойств света обсуждался ранее (§ 1.12). Теперь пришла пора обсудить природу корпускулярных проявлений света и показать, что световая волна не может быть частицей, так же, как частица — волной. Но, ведь, ранее мы утверждали, что согласно БТР свет — это поток частиц-реонов. И, вот, оказывается, свет не частица? Вот именно: одна частица это ещё не свет, так же, как один, два и даже три ореха это ещё не куча. Согласно Ритцу, свет — это волна, несомая со световой скоростью потоком из множества реонов. Иными словами, в БТР нет квантов света, — фотонов, но есть кванты электрического воздействия, — реоны. Как же тогда объяснить существование фотонов, — частиц, каждая из которых может сама по себе рождать свет? Ниже покажем, что представление о фотонах возникло в результате ошибки.

Прежде всего, в излучении и поглощении света стандартными порциями нет ничего странного. Вполне естественно, что похожие, как две капли воды, атомы будут и энергию излучать одинаковыми порциями, словно однотипные радиопередатчики, посылающие стандартные импульсы в виде "точек" и "тире". Видно, так уж устроены атомы, что, подобно радиотелеграфу, они излучают лишь дискретный ряд энергий и, подобно радиостанциям, — в дискретном диапазоне частот. Этот внутренний механизм атома пытались вскрыть многие учёные. Наибольшего успеха в этом добился непревзойдённый мастер создания моделей Вальтер Ритц, как было показано выше (§ 3.1). Предложенный им атомный механизм позволил не только объяснить прерывистый характер спектра излучения атома, но и найти весь ряд генерируемых атомом частот. В этих моделях не было фотонов и квантовых переходов, напротив, — свет в виде обычных электромагнитных волн создавался классическими колебаниями электронов в атоме.

Как известно, история фотонов, — квантов света, началась с открытия Максом Планком квантов излучения. Впервые он заговорил о квантах, столкнувшись с проблемой излучения абсолютно чёрного тела. Проблема состояла в том, что классическая теория неверно описывала спектр излучения нагретых тел, скажем, раскалённой нити в лампе. Макс Планк решил эту проблему, предположив, что энергия E осциллятора, — колеблющегося электрона в атоме, — не произвольна, а жёстко связана с частотой f его колебаний, по формуле E=hf, где h — это постоянная Планка. Но идею Планка истолковали превратно, посчитав, зачем-то, что квантование связано с самим светом, а не с излучающими его атомами, внутри которых колеблются электроны. Хотя уже тот факт, что квантовые свойства света проявляются лишь при его взаимодействии с веществом, говорил, что всё дело — в атомном механизме, а не в свете. И, вместо того, чтоб искать, по идее Планка, дискретность в недрах атома, учёные, начиная всё с того же Эйнштейна, стали саму энергию делить на части: кванты, фотоны, — частицы, в виде которых, якобы, излучался свет. А, между тем, связь энергии и частоты колебаний электрона в атоме, а, значит, и спектральный закон Планка, — прямо следует из магнитной модели атома Ритца (§ 4.1).

Интересно, что сам Планк, введя представление о квантах, опирался на взгляды Больцмана, который, по мере защиты кинетической теории газов и атомистической концепции, подобно Ритцу, осознал ошибочность теории Максвелла, оперирующей с непрерывными величинами. Больцман указал, что в уравнения Максвелла надо внести элемент прерывистости, учитывающий дискретность во взаимодействии поля с веществом и обусловленный, по мысли этого физика-атомиста, дискретностью не энергии, а материи, состоящей из стандартных атомов и других частиц. По сути, Больцман предсказал реоны Ритца, отметив, что электромагнитное воздействие должно квантоваться. И это были именно кванты электрического воздействия (реоны), а не кванты света, энергии (фотоны). Смысл термина "квант" исходно был ближе к понятию "атом", поэтому Больцман, Томсон, Планк, Штарк и другие говорили о квантах материи (атомах), квантах электричества (электронах), то есть, — о реальных частицах. И лишь по вине Эйнштейна, Бора и, отчасти, самого Планка понятие кванта стали трактовать с позиций энергетизма (§ 5.14), в форме дискретных порций энергии, а не материи или электровоздействия.

Впрочем, и сам Планк отнюдь не считал, что в процессе излучения и поглощения атомами квантов энергии возникают и исчезают какие-то частицы-сгустки света, фотоны. Он лишь говорил, что атомы хранят и выдают электромагнитную энергию дозировано, стандартными порциями. А, конкретнее, он утверждал, что энергия E электрона в атоме — пропорциональна частоте его колебаний f с коэффициентом пропорциональности h, — постоянной Планка: E=hf. Но было бы глупо считать, что и распространяется свет, будучи собран в эти порции. Это всё равно, как думать, что, при излучении одинаковыми радиопередатчиками стандартных по энергии импульсов "точек" и "тире", эти импульсы распространяются в виде частиц, в виде отдельных "тире" и "точек", собранных каждая в своей точке пространства. Ясно, что импульс радиоизлучения расходится сразу во всех направлениях — в виде широкой сферической волны.

Выводя свой закон излучения, Планк отнюдь не считал свет состоящим из квантов, фотонов, но допускал, что атомы отдают энергию порциями, и каждая порция равномерно рассеивается по всем направлениям. Планк считал, что свет — это волна, а дискретность возникает лишь при испускании и поглощении света [73, 83]. То есть, планковский закон излучения вызван не зернистой структурой света, а дискретностью вещества и процесса излучения, которое есть совокупность элементарных актов, связанных с изменением состояний электронов в отдельных атомах. Это отличие планковских квантов и фотонной гипотезы Эйнштейна было проиллюстрировано последним в форме пивной аналогии (см. эпиграф к § 4.2). И, действительно, дозированный характер излучения света и открытая Планком связь частоты колебаний электрона с энергией этих колебаний, ни в коей мере не означают, что свет распространяется и существует в виде этих порций, — абстрактных фотонов, предложенных Эйнштейном.

То же и с поглощением света. Так, С.И. Вавилов изучал столь слабые потоки света, что, после адаптации глаза к темноте, свет то наблюдался, то исчезал [82]. При этом, по мнению экспериментатора, глаз фиксировал отдельные фотоны, — тогда и наблюдался свет. Однако, опыт этот ещё не говорит о дискретной структуре света, а демонстрирует особенность нашего зрения. Аналогично, если в полной тишине пытаться расслышать слабый источник звука, скажем, тиканье наручных часов, их звук будет то исчезать, то появляться [95]. К счастью, из этого никто не заключил, что звук дискретен и состоит из квантов звука, иначе, и это могли бы истолковать как подтверждение выдуманных И. Таммом фононов. Просто, когда ухо работает на пределе слышимости, звук неразличим по громкости. Он либо слышен, либо нет, — это зависит от порога восприятия звука и напряжения внимания. Так же и глаз — это прибор с порогом чувствительности: глаз либо видит слабый источник, либо нет. Всё дело в дискретности восприятия, а не самого света. Пытаться с помощью наших грубых приборов обнаружить дискретность света (фотоны) — так же глупо, как пробовать заметить дискретность массы (атомы) цифровыми весами. При взвешивании малой массы (например, граммовой гирьки) показания весов скачут вплоть до нуля, меняясь на дискретное пороговое значение массы, составляющее обычно 1 грамм. Но, ведь, это не значит, что весы регистрируют отдельные "атомы" (весом в 1 грамм!) или вообще действие на гирьку отдельных квантов гравитации (пресловутых гравитонов). Просто значения и изменения массы, которые меньше некоторого порога, весы в принципе не способны различить и показать. Вся причина в дискретизации значений измеряющим прибором (весами, глазом, детектором), а не в дискретности самой величины.

Та же ситуация, — если использовать в качестве регистрирующего прибора не глаз, а фотоплёнку, фотоумножитель, фотодетектор, счётчик Гейгера (детектор гамма-излучения). Любой из них имеет порог чувствительности. И достаточно малой случайной вариации слабого потока света или порога чувствительности, чтобы этот порог был превышен. Тогда прибор регистрирует свет, в противном случае, сигнал начисто отсутствует. Вызван порог чувствительности тем, что реакция поглощения света идёт на атомном, молекулярном уровне. Так, в фотоумножителе и счётчике Гейгера акт регистрации начинается с одного электрона, вылетевшего из поглотившего свет атома, за счёт фотоэффекта (§ 4.3). Этот электрон, будучи разогнан электрическим полем, рождает лавину электронов, которая и регистрируется (Рис. 146). Так же, и в фотоплёнке: кристалл бромистого серебра распадается начиная с одной молекулы, получившей от света достаточно энергии. Этот распад влечёт за собой цепную (лавинную) реакцию распада всех молекул кристалла. То есть, дискретность акта поглощения связана не с прерывистой, зернистой структурой света, а — с порогом чувствительности, зернистостью приёмника, плёнки. И глаз, и прибор, в принципе, не способны различать малые интенсивности света: они либо регистрируют сигнал, либо нет. Учёные же интерпретируют это так, будто фотон либо поглощается, либо нет.

Рис. 146. Каскадный, лавинный процесс — основа работы чувствительных детекторов света. В фотоумножителе падение света частоты f приводит к выбросу из атома электрона, крутящегося с частотой f. Он и рождает лавину электронов.

Показателен в этом плане следующий опыт. На пути лазерного луча ставят экран с двумя тонкими прорезями, за счёт чего на фотопластинке возникает обычная интерференционная картина от двух щелей (Рис. 147). После луч лазера с помощью фильтров так ослабляют, что фотодетектор регистрирует уже не сплошной поток света, а отдельные импульсы, вызванные, как считают, попаданием в детектор отдельных фотонов. Но, хотя фотоны следуют друг за другом крайне редко, на фотопластинке снова возникает всё та же интерференционная картина. Выходит, каждый фотон, создающий на фотопластинке отдельное засвеченное зерно (из таких зёрен по прошествии времени складывается интерференционная картина), проходит сразу через обе щели (иначе откуда интерференция?). То есть, фотон обладает противоречивыми свойствами: он размазан по пространству, и в то же время, собран в одной точке (где его регистрирует фотоплёнка или фотодетектор). Учёные не могут объяснить это противоречие и говорят, что человеку просто не дано понять наш мир.

Рис. 147. Хотя свет дифрагирует на щелях как волна, изображение на фотопластинке состоит из зёрен, как от падения отдельных фотонов.

Но, на деле, — всё просто: надо лишь отказаться от гипотезы фотонов и принять идею Ритца, по которой свет равномерно расходится во все стороны, в виде сплошного потока частиц с периодичным, волновым их распределением в пространстве. Такой поток, даже будучи ослаблен, содержит мириады частиц и сохраняет волновые свойства, ведущие к дифракции и интерференции (§ 1.12). Поэтому, на экране всегда образуется интерференционная картина. Однако, малая интенсивность света ведёт к тому, что атомы и молекулы в регистрирующем приборе не получают энергии, достаточной для акта регистрации. И лишь в редкие моменты, в редких точках, за счёт случайных вариаций, флуктуаций потока реонов (в том числе за счёт дифракции на тепловых неоднородностях воздуха), — энергия переносимой ими волны оказывается выше пороговой. Тогда и возникают редкие импульсы в фотодетекторах, а на фотопластинке — редкие тёмные точки. Аналогично, если на земле выстроить несколько одинаковых карточных домиков, то очень слабый порыв ветра сможет повалить лишь некоторые из них, лавинно распадающиеся, начиная с единственной карты. Но это не значит, что поток ветра квантуется, а означает лишь его случайные флуктуации, завихрения на препятствиях. А дискретность связана с дискретными актами регистрации ветра: карточный домик не может развалиться наполовину: он либо стоит, либо разваливается целиком. Точно так же и слабый поток света, приводящий к лавинному распаду (начиная с одной молекулы) отдельных фотографических зёрен — не квантуется, а испытывает случайные вариации от дифракции на препятствиях, и потому затрагивает лишь отдельные зёрна: процесс регистрации оказывается вероятностным, случайным.

Особенно ярко это проявляется при регистрации гамма-излучения, источником которого служат редкие ядра атомов и микрочастицы, отчего энергия отдельных актов излучения — мала. В итоге, лишь изредка счётчик Гейгера регистрирует излучение, что интерпретируют как попадание в детектор отдельных гамма-квантов. На деле же, источник всегда испускает гамма-излучение сразу во всех направлениях, в виде сферической волны, а не гамма-квантов, как подтвердил эффект Мёссбауэра (§ 3.7). И срабатывание лишь одного-двух из множества счётчиков обусловлено малой мощностью излучения и его флуктуациями. Это видно при аннигиляции электрона и позитрона, рождающей, по квантовой теории, два гамма-кванта (§ 1.16, § 3.13). А, на деле, не всегда одновременно регистрируют излучение лишь два детектора: изредка срабатывают разом и три детектора, ещё реже — четыре, чего квантовая теория объяснить не может. Причина же — в образовании сферической волны гамма-излучения (Рис. 42), слабо действующей на детекторы, отчего шанс срабатывания сразу многих счётчиков, у которых порог чувствительности будет случайно превышен, хоть и мал, но не равен нулю.

Как видим, прерывистость регистрации света связана с его малыми флуктуациями, случайными колебаниями яркости, которые у слабого сигнала сопоставимы с самим сигналом и порогом чувствительности. Чем же вызваны эти флуктуации света? Дело тут не в колебании яркости источника, а в промежуточной среде, воздухе, малые тепловые флуктуации плотности которого ведут к рассеянию и дифракции света, за счёт чего яркость в каждой точке экрана постоянно и случайно меняется, что вызвано ещё и дрожанием лазера с экраном. Эти малые флуктуации, действительно, были обнаружены, скажем, в опыте Брауна-Твисса, но, по ошибке, были истолкованы как флуктуации числа фотонов в пучке света [82]. Особенно хорошо заметны эти случайные колебания яркости в монохроматичном луче лазера: лазерное пятно на экране разбивается на сотни мерцающих точек: излучение кажется зернистым. Но, как было показано, это вызвано не зернистостью и дискретностью света, а его малыми флуктуациями. Аналогично, тепловые флуктуации, турбулентность в атмосфере Земли приводят к мерцанию света звёзд, быстрым колебаниям их цвета и яркости (§ 2.11). Отметим, что сторонники фотонных теорий хотели и это явление истолковать, как подтверждение дискретной структуры света: будто свет звёзд столь слаб, и фотоны следуют так редко, что мы видим отдельные кванты разных цветов лишь в моменты их точного попадания в фоторецепторы — оттого и мерцание (здесь кванторелятивисты снова пошли по пути Аристотеля, объяснявшего мерцание звёзд слабостью их световых лучей, которые от малой яркости якобы дрожат и часто летят мимо глаза). Но, к счастью, связь мерцания звёзд с волнением атмосферы доказана столь надёжно, что у фотонного объяснения нет шансов.

Первый "квантовый заскок" в представлении о свете, как о фотонах, произошёл с выходом в 1905 г. работы Эйнштейна о фотоэффекте и световых квантах. Ф. Ленард, исследуя фотоэффект, открыл, что в этом процессе "вырывания" светом электронов с поверхности металла, скорость V вылета электронов зависит не от интенсивности, а от частоты f выбившего их света. Отсюда Эйнштейн заключил, что световая энергия не только при взаимодействии с атомами, но и во всех прочих процессах излучается и поглощается только порциями, квантами. Так, электрон массой m, поглощая свет, приобретает энергию mV2/2=hf одного кванта. То есть, Эйнштейн, в противоположность Планку, счёл кванты реальными частицами, фотонами, в виде которых распространяется свет, хотя, по Планку, выпуск и поглощение света (или пива) порциями ещё не доказывает, что свет состоит из квантов (а пиво — из неделимых порций).

Следующим пришёл Бор, который процесс излучения и поглощения света атомом вообще не связывал с колебаниями в нём электрона, а, значит, — и с электромагнитными волнами. Бор просто принял, что электрон скачком меняет свою энергию, отдавая или поглощая её разницу в виде кванта света. Всё это, вкупе с отказом от эфира, постепенно привело к мысли, что свет — это не просто электромагнитная волна, но частица, фотон, в форме которого свет не только излучается и поглощается, но и распространяется. В то же время, никто не думал отрицать, что свет — это волна. Так, в науку вошло осмеянное Дж. Оруэллом в романе "1984" двоемыслие, скрытое в физике под серьёзным научным термином "корпускулярно-волновой дуализм". Следуя ему, всякую волну надо одновременно считать частицей и, — наоборот, делая вид, словно, на самом деле, тут нет противоречия.

Неспособность истолковать корпускулярно-волновой дуализм света, одновременно способного интерферировать и вызывать квантовые эффекты, всегда смущала учёных. Понимая абсурдность, двусмысленность этого положения, они отмечали, что им приходится по понедельникам, средам и пятницам считать свет волной, а по вторникам, четвергам и субботам — частицей. Этот вопрос настолько неудобен, что некоторые учёные, скажем Фейнман, просто орали в ответ: "Не думай, а вбей себе в башку, что это так!". Так же и Ландау, когда ученики задавали ему подобные вопросы, называл их дураками и огрызался фразой: "Заткнись, дурак, не возникай и делай, как говорят!". Это отчаяние и бессилие учёных при объяснении противоречивых свойств света лучше всего свидетельствует об ошибочности квантовой физики и электродинамики Максвелла. Вместо того, чтобы способствовать пониманию, размышлению, нас призывают в "лучших" традициях религии веровать, ибо это абсурдно. В итоге, у всех, кто исповедует неклассическую модель мира, развивается комплекс неполноценности: они видят, что просто не могут понять природу света, осознают своё слабоумие и, потому, крайне раздражаются, когда им задают такие неудобные вопросы, которые они пожелали бы вообще забыть [111]. Впрочем, сам Эйнштейн уже к концу жизни в 1951 г. честно признался, что не может объяснить, что такое свет и световые кванты (фотоны).

В том числе, квантовая теория не может объяснить наличия у света групповой и фазовой скорости, поскольку фотоны, согласно теории Эйнштейна, движутся всегда с одной и той же скоростью c. Так же непонятно, отчего свет меняет свою скорость, попадая в преломляющую среду, хотя скорость фотонов не меняется. Все эти явления, так же как и явления распространения радиоволн, способна объяснить лишь волновая теория света. Лишь за счёт сложения, интерференции света, испущенного разными излучателями, в том числе рассеянного атомами среды, приводит к изменению фазовой скорости света, несмотря на движение несущих свет реонов с постоянной скоростью c (§ 1.12).

Так волна или частица всё же свет? Как следует из замечательной книги о природе света [83], этому вопросу уже сотни и тысячи лет. Пожалуй, первыми им серьёзно задались Демокрит и Лукреций, а, спустя два тысячелетия, — И. Ньютон. Не зря наш известный физик С.И. Вавилов счёл их идеи столь актуальными, что перевёл на русский отдельные фрагменты поэмы Лукреция "О природе вещей" [77] и трактат Ньютона по оптике [89]. Ньютон ещё в XVII веке пытался совместить волновые и корпускулярные представления о свете, но без обманного дуализма. Он допускал, что свет, распространяясь в виде корпускул, создаёт их ударами колебания атомов среды, испускающих новые корпускулы [89, с. 282]. Это роднит взгляды Ньютона с электронной теорией Лоренца, в представлении Ритца. Ведь, согласно Ритцу, колебания электронов создают переменный по силе и направлению поток частиц (Рис. 29, Рис. 30), удары которых заставляют колебаться другие электроны, создающие, в свою очередь, — вторичные волны, потоки реонов. Более того, по верному замечанию Вавилова [31], уже древние атомисты, — Демокрит, Эпикур и Лукреций, представляли свет в виде последовательных волновых фронтов, переносимых потоком мельчайших частиц, с огромной скоростью источаемых предметами (см. Часть 1, эпиграф). А последователи атомистов, Ньютон и Ломоносов, предугадали даже открытие электронов, когда говорили об атомах среды, колеблющихся под воздействием света и передающих его дальше, за счёт выброса новых светоносных частиц.

Пусть, однако, критика фотонной, корпускулярной теории света не заставит читателя впасть в другую крайность и принять представления о свете, как о волнах в неподвижной среде, эфире. Согласно БТР, свет — это и не волна в среде, и не частица, и даже не волно-частица (как в квантовой механике). По Ритцу, свет — это волна, переносимая со скоростью света вместе с потоком частиц, как бы "вмороженная" в него. Такая же волна возникает, если дать очередь из автомата, быстро водя им из стороны в сторону: пули образуют в пространстве волнообразную цепочку, движущуюся со скоростью пуль (Рис. 22). Именно такую предложенную Ритцем форму распространения света, переносимого частицами, и, в то же время, обладающего волновыми свойствами, и пытались найти многие учёные от Ньютона до Вавилова [83]. Выходит, правы были Демокрит и Лукреций, сумевшие догадаться не только о частицах тел (атомах), но и об источаемых ими светоносных частицах. И частицы эти — никакие не фотоны (кванты света), но реоны — зёрна, кванты, атомы электрического воздействия, обладающие стандартной массой.

Как видели выше, гипотеза эфира столь же беспочвенна, сколь и гипотеза фотонов (§ 3.21). Свет — это не совсем волна, и не совсем частица. Так же, и периодические сгустки-разрежения электронов в клистроне (§ 2.11) нельзя назвать просто "потоком частиц" (это огромные скопища упорядоченных в пространстве частиц), и нельзя назвать "волнами в среде". Пусть пока не все опыты объяснены без привлечения фотонов, зато разрушен миф о всесильности квантовой теории и полной беспомощности классической физики в трактовке "чисто квантовых" эффектов. Так что, теперь недолго уже ждать полного разрешения проблем классической науки. Думается, именно классический взгляд на "квантовые" явления позволит, наконец, решить такие важные задачи физики и техники, как проблема создания солнечных батарей с высоким КПД и высокотемпературных сверхпроводников, где бессильна помочь квантовая механика.

Итак, частицы всегда остаются частицами, а волны — волнами. Поэтому, бессмысленно вести двойную бухгалтерию волн-частиц (§ 4.11). Наш мир устроен просто и ясно. И лишь нежелание или неумение разобраться в сути происходящего, в природе явлений, побуждает учёных выдумывать запутанные теоретические схемы. Эти схемы противоречат принципу Оккама, ибо вводят столько новых, абсурдных, ниоткуда не следующих допущений, что их шанс оказаться верными — ничтожен. Ещё Ритц предупреждал, что нельзя принимать новые сложные гипотезы, покуда нет уверенности, что исчерпаны более простые и естественные. Остро отточенная бритва Оккама должна быть главным орудием учёного. Именно она позволяет отсечь всё лишнее, мистическое, абсурдное и разделить частицы с волнами.

§ 4.3 Фотоэффект

При такой ситуации естественно предположить, что источник энергии отрывающихся от металла электронов заключён всё же не в лучах, а в самом металле. Что касается лучей, они лишь освобождают её, служат своего рода запалом — ведь одной искры бывает довольно, чтобы взорвать бочонок с порохом…
(Макс Планк о фотоэффекте, 1919 г. [83, с. 143])

Одно из первых свидетельств корпускулярных свойств света дал фотоэффект, то есть, — вылет электронов из металла при облучении его светом. Напомним, в 1888 г. русский физик-экспериментатор А.Г. Столетов (Рис. 148) исследовал явление фотоэлектрического эффекта, установил его природу и главные закономерности. Явление не только кардинально повлияло на развитие физики, но и повлекло за собой массу открытий, изобретений. Все теле- и видеокамеры, цифровые фотоаппараты, фотоэлементы, солнечные батареи и прочие устройства, преобразующие свет в электрические воздействия и обратно, — основаны на фотоэффекте. Без него немыслима современная техника. Казалось бы, столь важное явление должно быть подробно изучено и объяснено. Но, несмотря на более чем столетнюю историю исследований, фотоэффект так и не нашёл адекватного исчерпывающего объяснения и таит ещё уйму загадок.

Рис. 148. Александр Григорьевич Столетов (1839–1896).

Суть фотоэффекта, как открыл Столетов, состоит в испускании металлом, под действием света, отрицательно заряженных частиц, — электронов. Первый закон фотоэффекта, открытый Столетовым, гласит: интенсивность тока электронов (фототока) из металла — пропорциональна интенсивности освещения. Из этого, полагали, естественно заключить, что именно свет даёт энергию фотоэлектронам, заставляя их вылетать из металла: чем больше света, — тем больше электронов покидает металл. Но Столетов обнаружил удивительную вещь: электроны начинали выходить из металла мгновенно, едва включали освещение [23]. Как показали расчёты, свет просто не успел бы передать электронам требуемую для выхода энергию [134]. Другой загадкой был открытый Ф. Ленардом закон, по которому скорость и энергия E фотоэлектронов зависит не от интенсивности света, а лишь от его частоты f.

Вместе эти два факта, — безынерционность фототока и независимость энергии электронов от яркости, — означали, что вовсе не свет даёт энергию электронам. И, вот, Макс Планк предположил, что фотоэлектроны получают энергию от самого металла, а свет лишь включает спусковой механизм фотоэффекта, играя роль искры, вызывающей взрыв бочонка с порохом, выстрел кремневого ружья, — атома металла, стреляющего пулями-электронами [83]. Чем больше света, — запальных искр, тем чаще раздаются выстрелы: металл чаще стреляет электронами. Но эту идею Планка забыли и приняли другую его гипотезу, которую сам он не рассматривал всерьёз: гипотезу квантов, по которой свет состоит из малых порций, сгустков энергии hf (квантов, фотонов), которые разом отдают электронам свою энергию. Квантовая гипотеза объясняет безынерционность фотоэффекта и зависимость E=hf, но не объясняет других свойств фотоэффекта и не вяжется с волновой, электромагнитной природой света (§ 4.2).

Теоретически свет, будучи электромагнитной волной, мог бы, заставив электрон колебаться, придать ему скорость и "выбить" из металла. Но, в таком случае, неясно, почему скорость электрона не зависит от яркости света, а определяется лишь его частотой. Кроме того, в опытах выяснилось, что энергия вылетевшего электрона нередко больше энергии поглощённого им света, словно энергию электрону передала не распределённая в пространстве волна, а именно фотон, световой квант, — энергетический сгусток, в малом пространстве аккумулирующий всю энергию волны [134]. Вот и решили, что только фотонам по плечу выбивать электроны из металла, потому-то энергия электронов и зависит лишь от частоты света. И, всё же, фотоэффект можно объяснить без привлечения фотонов и квантов света, если принять, следуя Планку, что "источник энергии электронов заключён всё же не в лучах, а в самом металле". В самом деле, учёные признают, что фотоэффект возможен лишь в металле: никто ещё не наблюдал аналогичного фотоэффекту действия света на одиночный электрон в вакууме. А, раз энергию электрону даёт металл, то даже слабый свет, давя на спусковой крючок фотоэффекта, способен высвободить электроны с огромной энергией, независимо от яркости. Так же, и слабое нажатие на спусковой крючок арбалета, баллисты, — высвобождает запасённую в тетиве огромную энергию, приводящую к выбросу стрелы или снаряда.

Но где же источник этой скрытой энергии? Вероятно, в атоме. На эту мысль наводит явление внутреннего фотоэффекта, — процесса, в котором связанные электроны полупроводника, оторвавшись под действием света от атомов, уже не покидают его поверхность, но свободно движутся внутри, снижая сопротивление [74]. На этом явлении основана вся фотоэлектроника: цифровые камеры, фотоаппараты и сканеры. Так вот, похоже, и при внешнем фотоэффекте происходит, в действительности, не передача энергии свободным электронам металла, а лишь вылет электронов из атомов, о чём пишут многие учебники (Рис. 149). А электрон в атоме, двигаясь по своей орбите, уже изначально обладает энергией и скоростью. Всё что остаётся сделать свету — это снять электрон с орбиты. Тогда тот, словно камень, сорвавшийся с пращи, вылетит из атома, сохранив орбитальную скорость V.

Рис. 149. Природа фотоэффекта.

То, что электроны обладают энергией с самого начала, неопровержимо доказывает один малоизвестный, а, возможно, и намеренно замалчиваемый эффект, открытый ещё А.Г. Столетовым, отцом фотоэффекта. Столетов обнаружил, что при длительном облучении металла, тот как бы "устаёт" — выход электронов постепенно уменьшается и может совсем сойти на нет, хотя сила света не менялась [23, сс. 385, 392]. Как же так: свет есть, электроны есть, а фотоэффект ослабевает? Квантовая физика объяснить этого не может. Но, если электроны получают энергию не от света, а обладают ей изначально, то такое явление вполне закономерно, ибо, с течением времени, источник энергии истощается. Всё меньше остаётся способных "выстрелить" атомов, "заряженных" готовыми сорваться электронами, — вот и слабеет фототок. То же явление "утомляемости" обнаружилось у внутреннего фотоэффекта. С этим его проявлением знаком каждый, кто по неосторожности подверг фотоматрицу видеокамеры или "цифровика" действию слишком яркого света, отчего работа фотоэлементов матрицы ненадолго нарушилась. Подобно слепнущему на ярком свету человеку, временно "слепнет" и фотоприбор: картинка искажается "шумами", "мурашками" (эту аналогию фотоэлемента и глаза отмечала ещё С.В. Ковалевская, наш замечательный математик и физик, как следует из книги П. Кочиной). В момент яркой вспышки атомы вещества выбрасывают почти весь свой запас фотоэлектронов, и должно пройти некоторое время, прежде чем он восстановится.

Вполне закономерно и то, что свет заданной частоты выбивает из атомов электроны со строго определённой скоростью. Свет представляет собой переменное электромагнитное поле, эффективно воздействующее на электрон лишь в том случае, если частота света f, с которой меняется поле, совпадает с частотой f обращения электрона по орбите (так и на качелях для раскачки — надо махать ногами, в такт качаниям). Атом можно уподобить циклотрону, в котором для воздействия на электрон нужно переменное поле, синхронное с круговым движением частицы (Рис. 150). От такого воздействия электрон сходит со своей орбиты и вылетает из атома, сохранив орбитальную скорость. Понятно, что эта его скорость V тем больше, чем выше была частота обращения, равная частоте f выбившего электрон света: E=MV²/2=hf. Именно такая зависимость энергии и скорости от частоты следует из магнитной модели атома Ритца (§ 3.3).

Рис. 150. Действие волны, синхронной с обращением электрона внутри атома.

Рассмотрим подробнее открытую Столетовым усталость фотоэффекта, — уменьшение фототока с течением времени, при постоянном уровне освещения [23]. Объяснить это можно, лишь признав, что источник энергии фотоэлектронов скрыт в металле. С течением времени этот источник истощается, как нашёл Столетов, — тем быстрее, чем сильней фототок. Квантовая теория объяснить этот эффект не может. Другой эффект, тоже проблемный для теории квант, и тоже открытый Столетовым, — это температурная зависимость фототока [23]. Оказалось, при постоянной освещённости, фототок заметно увеличивается с ростом температуры металла, причём, — задолго до того, как начинает сказываться термоэлектронная эмиссия. Если источник энергии фотоэлектронов не в свете, а в металле, то зависимость эта вполне понятна: чем выше температура металла, его энергия, тем больше электронов достаточной энергии накапливает металл.

Итак, свет воздействует не на свободные электроны металла, а на захваченные атомами и крутящиеся в их магнитном поле, если следовать магнитной модели атома (Рис. 151). Такие электроны уже обладают необходимой для вылета кинетической энергией. Падающий свет лишь изменяет их траектории так, что они покидают магнитные ловушки атомов, сохранив исходный запас энергии (в отличие от электрического удержания электронов, магнитное не меняет их энергии). Вскоре на их место приходят другие электроны, набравшие энергию в ходе теплового движения и случайных столкновений. Чем сильнее нагрет металл, тем больше таких электронов, обладающих нужной энергией и захваченных атомами. Отсюда понятна температурная зависимость фототока. Таким образом, нет принципиальной разницы между внутренним и внешним фотоэффектом: в обоих случаях свет воздействует на электроны в атомах, как в случае фотоионизации (§ 4.6). Просто, в первом случае, электроны остаются внутри образца, а, во втором, — покидают его.

Рис. 151. Движение внешнего электрона в магнитном поле B атома и критические радиусы орбит.

Таким образом, фотоэлектроны, вырываемые из атома электромагнитной волной, уже изначально обладают энергией E и орбитальной скоростью V, связанной с частотой f света и обращения электрона — соотношением E=MV²/2=hf. Если бы электрон удерживала на орбите электрическая кулонова сила притяжения к ядру, частота его обращения была бы пропорциональна кубу, а не квадрату скорости V. Вот почему, эта сила должна быть магнитной, а не электрической природы. И, действительно, в магнитном поле В атома на электрон действует сила Лоренца F=eVB=MV²/r. Ранее выяснили (§ 3.1, § 3.3), что в магнитном атоме с увеличением радиуса r орбиты поле меняется, как B=?₀?/?ar², где a — расстояние между частицами в стержне, ? — их магнитный момент. Поэтому, MV²/r= eV?₀?/?ar², откуда, домножив всё на r/2, получим MV²/2= k(V/2?r), где V/2?r — это частота f обращения электрона, а k= e?₀?/a— некоторая константа.

Если коэффициент k равен постоянной Планка h, то приходим к общеизвестной формуле E=MV2/2= hf, связывающей энергию E фотоэлектрона — с частотой выбившего его света f. Покажем, что k=h. Для этого, в формулу k= e?0?/a подставим известные значения магнитного момента электрона ?= eh/4?M и расстояний a между электронами и позитронами, составляющих порядка удвоенного классического радиуса электрона a= e²/4??₀Mс² (3?10^–15 м). Отсюда k=h/?₀?₀с²=h. Строго соответствующая величина и направление магнитного поля B и закон E=hf получаются и при непосредственном рассмотрении ориентированных магнитных частиц в стержнях бипирамидального атома, имеющего форму противотанкового ежа (Рис. 108).

Атом играет роль магнитной ловушки электронов, захватывающей и длительно удерживающей их на орбите. Когда падающий свет, — электромагнитное поле, меняющееся с частотой f, попадает в резонанс с частотой обращения электрона, то заставляет его сойти с устойчивой орбиты и покинуть атом, а, затем, — металл (Рис. 149). Отрыв светом электронов от атома давно открыт во внутреннем фотоэффекте. Но, если искромётная гипотеза Планка верна, то и во внешнем фотоэффекте свет будет воздействовать лишь на пойманные атомами электроны. Именно атомы будут ружьём, пращей, баллистой, стреляющей электронами, тогда как свету отведена скромная роль спускового механизма этих метательных орудий. Итак, энергия фотоэлектронов заключена в атомах, от которых они отрываются, поэтому никто ещё не обнаружил передачи светом энергии свободному электрону. Свободный электрон, как признают сторонники квантовой теории, в принципе не может поглотить энергию hf у света [134]. Вот почему, фотоэффект и комптон-эффект (§ 4.7) наблюдают только в веществе, — у электронов, связанных с атомами.

Рассмотрим подробней механизм фотоэффекта, — то, как он идёт на атомном уровне. Понять его можно лишь на базе магнитной модели атома Ритца. Ритц показал, что электроны в атоме занимают возле ядра устойчивые положения, откуда следует стабильность атома (невозможная в динамических, планетарных моделях). Если электроны и движутся вокруг ядра, то лишь — под действием магнитных, а не электрических сил. При этом, вращающийся электрон, теряя энергию на излучение, будет не падать на ядро, а отдалятся от него: в магнитном поле вся энергия электрона кинетическая, и она спадает с удалением. Когда захваченные атомом внешние электроны отрываются, на смену им приходят новые. Магнитное поле атома генерируют элементарные магнитные диполи, — электроны и позитроны, выстроенные в правильном порядке. В итоге, ядро, остов атома, напоминает песочные часы, — четырёхгранную бипирамиду (Рис. 151). Электрон движется в её средней плоскости и его кинетическая энергия E связана с частотой f обращения электрона и генерируемого им излучения — законом E=hf, где h — постоянная Планка. В металле различные атомы содержат электроны колеблющиеся, вращающиеся — с самыми разными частотами (именно эти колебания образуют сплошной тепловой спектр металла, где представлены все частоты § 4.1). Вот почему, свет частоты f, попав в металле в резонанс с обращением отдельных электронов, крутящихся с той же частотой f, срывает их с орбиты, и те вылетают с сохранением своей энергии E=hf (Рис. 149). При этом, раз электроны — внешние, избыточные, а поле — магнитное, им не приходится затрачивать энергию на отрыв от атома. Ведь электрической силы со стороны атома нет.

Заметим, что и Планк, объяснив закон теплового излучения посредством гипотезы квантов, говорил исходно лишь о связи E=hf энергии осцилляторов (электронов в атоме) — с частотой их колебаний f (§ 4.1, § 4.2). А, раз именно такую связь даёт бипирамидальная модель атома, из неё сразу следует закон излучения Планка. Лишь позднее классическую идею Планка извратили так, будто энергия квантуется: свет излучается квантами, фотонами. Судьба идей Планка напоминает историю открытий Ритца. Их выводами воспользовались адепты неклассической физики, проигнорировав классические идеи, в рамках которых эти выводы были получены.

Рассмотренный механизм образования фотоэлектронов приводит к выводу, что фотоэффект можно наблюдать лишь в некотором диапазоне частот. Раз энергия электрона E=MV²/2=hf, а его скорость связана с радиусом орбиты R зависимостью V=2?Rf, то f=h/2?²R²M. Но радиус R орбиты электрона в атоме не может быть ни слишком велик, ни слишком мал, а, значит, и диапазон частот излучения, выбивающего электроны, ограничен сверху и снизу. Электрон не должен находиться слишком близко к ядру, где кулоновское притяжение ядра преобладает над магнитной силой (как показывает опыт Резерфорда). Внешний электрон обязан располагаться за сферой внутренних, узловых электронов, экранирующих заряд ядра. Это даёт синюю границу фотоэффекта. С другой стороны, радиус орбиты не может быть больше размеров атома: вне атомного остова магнитное поле быстро спадает, и атом в этой области не может удержать электроны на орбите. Так что, и для внутреннего фотоэффекта, где электрон остаётся в образце и ему не надо совершать работу выхода, должна быть красная граница фотоэффекта: свет с частотой меньшей f=h/2?²R²M — неэффективен (R — радиус атома). И такая красная граница обнаружена.

Интересно рассчитать эти границы, зная минимальный r и максимальный R радиусы орбиты электрона (Рис. 151). Минимальный радиус должен быть порядка сотни радиусов ядра, то есть электроны вряд ли могут располагаться ближе r?10^–13 м. Отсюда, — максимальная частота f=h/2?²r²M?10²¹ Гц. Поэтому, излучение с частотой много большей 10²¹ Гц (жёсткие гамма-лучи) уже не сможет вызвать фотоэффекта (что подтверждают и опыты). Максимальный радиус орбиты составляет порядка радиуса атома R?10^–10 м. Так что, красная граница фотоэффекта будет лежать в области частот f_кр=h/2?²R²M?10¹⁵ Гц, но это есть видимый свет. И во внешнем фотоэффекте красная граница действительно соответствует видимому свету. Считают, что это связано с наличием работы выхода — минимальной энергией A, которую должен затратить электрон, дабы покинуть металл (§ 4.12). Тогда наименьшая частота света (красная граница), выбивающего электрон f_кр=A/h. Но, не исключено, что красная граница и работа выхода связаны со свойствами самих атомов, а не металла. Тому есть подтверждения.

Так, самую длинноволновую красную границу имеют щелочные металлы, что естественно, поскольку у них наибольшие атомные радиусы R. У этих металлов красная граница расположена в диапазоне видимого света, а предельная длина волны ?=с/f_кр растёт с ростом атомного радиуса. У металлов же с меньшими атомными радиусами, красная граница расположена в области ультрафиолета (Таблица 8). Выходит, и красная граница, и сама работа выхода заданы свойствами атомов, а не металла в целом. И это естественно, ведь металл — это, по сути, одна гигантская молекула, — много атомов, слившихся воедино: их электроны обобщены. А работа выхода — это энергия ионизации такой молекулы, пропорциональная энергии ионизации её атомов.

И, точно, у металлов с наименьшей энергией ионизации E_и,— у щелочных металлов, — минимальна и работа выхода A, и эти энергии растут с уменьшением атомного радиуса (Таблица 9). Почему-то этот факт, загадочный с точки зрения квантовой теории, игнорируют, хоть и отмечают, что красная граница тем дальше сдвинута в сторону длинных волн, чем электроположительней атомы металла, то есть, — чем легче они отдают свои электроны [74]. К вопросу о природе работы выхода ещё вернёмся и обсудим её подробней (§ 4.12).

Итак, волновой подход не уступает квантовому, позволяя наглядно объяснить гораздо больше эффектов, прежде казавшихся совершенно загадочными. Волновая теория более удобна и для объяснения комптон-эффекта и рождения электрон-позитронных пар под действием гамма-излучения. Почему же не откажутся от квантового объяснения со всей его несуразностью? Первая причина состоит в игнорировании альтернативных подходов (путь, открытый Планком, давно забыт). Вторая причина — в упорном нежелании академических кругов подвергать сомнению основы квантовой механики, ведь фотоэффект — её фундамент. Поэтому, представители официальной науки всеми правдами и неправдами скрывают альтернативные пути и проблемы квантовой теории фотоэффекта. Это замалчивание, скрытое противостояние классической и неклассической физики, — восходит корнями к началу XX века, к тому же Столетову, с внезапной смертью которого связана тёмная история, каких немало в науке.

Столетов был сторонником классического подхода в физике и стоял на страже здравого смысла в науке, за что и пострадал [15]. Дело в том, что другой физик, Б. Голицын, задолго до Эйнштейна и Луи де Бройля выдвинул идею корпускулярно-волнового дуализма, в том числе в отношении света, приписав ему некую температуру, как меру энергии атомов света (подобно фотонам, имеющим свои энергии). Столетов выступил с резкой критикой этой идеи и добился того, что её признали ошибочной. После это ставили в вину Столетову: не окажи он своим авторитетом такого влияния, идея корпускулярно-волнового дуализма прижилась бы много раньше и принадлежала бы России. Якобы Столетов сам загубил идею, объяснявшую исследованный им фотоэффект. Но, на деле, Столетов, будучи тонким теоретиком и экспериментатором, глубоко чувствовал истинную природу явлений, интуитивно понимал, что идея корпускулярно-волнового дуализма, идущая от ненавистного ему мистического энергетизма Маха и Оствальда, — абсурдна, чужда материализму и чёткому атомистическому представлению о мире (§ 5.14). Не случайно, Столетов был другом и научным единомышленником таких учёных-материалистов, как Менделеев, Тимирязев, Циолковский, бывших противниками энергетизма и мистики [23].

Трагичен конец этой истории. Сторонники энергетизма Голицына, используя своё высокое положение, в ответ на критику Столетова добились, чтобы у того стали возникать служебные неприятности [15, 23]. А Столетов, будучи человеком принципиальным, не мог поступиться своими научными убеждениями. Началась настоящая травля учёного. Всё кончилось тяжёлым сердечным приступом и скорой смертью Столетова. Эта история мало освещалась. И, до сих пор, подобные тёмные дела продолжают замалчивать, помогая некой скрытой силе творить беспредел в науке и проводить в жизнь абсурдные неклассические идеи, сметая с пути всех, кто им сопротивляется. Именно эти силы не допускали таких гигантов мысли, как Столетов и Менделеев, — в Российскую Академию Наук, где ещё со времён её основателя — Петра I, установилось засилье иностранцев, не допускавших в академическую среду отечественных, оригинально и смело мыслящих учёных. И, до сих пор, в РАН главенствуют деятели некоренного происхождения, блокирующие прогрессивные направления исследований — под предлогом борьбы с лженаукой, которую сами на деле и представляют. Лишь немногие учёные-герои, вроде Столетова, осмеливаются, вопреки вышестоящим чинам и академикам, публично выступить против абсурда, обнажая его глупость, как в сказке про голого короля. Уже за одно это такие учёные достойны уважения. Их усилиями свет однажды разгонит мрак, царящий в учении о свете и фотоэффекте.

Итак, видим, что фотоэффект гармонично вписывается в классическую картину мира, которая, вдобавок, объясняет гораздо больше особенностей фотоэффекта. Достаточно лишь признать, что свет — это всё же волна, а не фотоны, и принять магнитную модель атома Ритца. В рамках этой модели находит строгое обоснование гипотеза Планка о том, что источник энергии фотоэлектронов скрыт не в свете, а в металле, тогда как свет служит своего рода запальной искрой, ведущей к взрыву металла электронами, словно бочонка с порохом или заряда шрапнели.

§ 4.4 Селективный фотоэффект

Селективность фотоэлектрических явлений очень напоминает резонансные эффекты. Дело происходит так, как будто электроны в металле обладают собственным периодом колебаний, и по мере приближения частоты возбуждающего света к собственной частоте электронов амплитуда колебаний их возрастает и они преодолевают работу выхода. Подтверждение подобного взгляда можно было бы видеть в том обстоятельстве, что явление селективного фотоэффекта сильно зависит от направления поляризации света и угла падения.
(Г.С. Ландсберг, "Оптика" [74])

Ещё одна загадочная и, до сих пор, не объяснённая особенность фотоэффекта, — селективный (избирательный) фотоэффект. Суть его в том, что вблизи некоторых частот фототок сильно возрастает, как при резонансе (Рис. 152). Причём, селективный фотоэффект сильно зависит от поляризации падающего света (потому его называют ещё "векториальным" [36, Ч.I]). Действие оказывает лишь составляющая поля, нормальная к поверхности металла, что можно выявить, например, с помощью стопы Столетова (стопки стеклянных пластин) [74]. Зависимость фототока от поляризации света, по отношению к поверхности металла, доказывает, что и здесь причина эффекта кроется в металле, а не в фотонах. Понять природу эффекта легко, если заметить, что он обнаружен в области ультрафиолета. Но, как раз, в ультрафиолете металлы обретают прозрачность, как было обнаружено ещё Р. Вудом [56, 136]. То есть, ультрафиолетовые лучи некоторого диапазона способны вырывать электроны не только с поверхности металла, но также из глубины, проникая в его толщу. Вот почему, на этих частотах фототок заметно возрастает.

Рис. 152. Зависимость фототока I от длины волны падающего света в селективном фотоэффекте для двух направлений поляризации [74].

Тогда усиление воздействия света в селективном фотоэффекте вызвано, во-первых, тем, что меньшая часть света отражается, проникая вглубь. Во-вторых, свет воздействует на большее число атомов, готовых к выбросу электрона, отчего эффективность воздействия света на вещество повышена. Итак, пик фототока наблюдается в окне прозрачности металла для света. Как показывает Таблица 10, частота f=c/?m, отвечающая этому пику, нарастает с уменьшением размера атома R. Поэтому, пик может быть обусловлен и тем, что в атомах есть орбиты, где электронов особенно много, причём, в силу подобия атомов, радиус этих орбит растёт с увеличением размера атома.

Итак, селективный эффект возникает, поскольку на некоторых частотах металлы плохо отражают и хорошо пропускают свет, который проходит в толщу металла и, тем самым, наращивает фототок. Поскольку поглощение имеет именно резонансный характер и связано с наличием собственных частот колебаний электронов, то и фототок обнаруживает выраженный пик в полосе поглощения. Поглощение вблизи резонансных частот f_m сильно меняет диэлектрическую проницаемость металла ?= n²= 1-f_p²/(f²-f_m²), где f_p — плазменная частота электронного газа в данном металле [74]. В итоге, мнимая часть показателя преломления n уменьшается, что ведёт к снижению проводимости металла, вплоть до того, что вблизи частот f= f_m его можно условно считать диэлектриком. Соответственно, падает и коэффициент отражения R металла, за счёт сниженной проводимости перестающего хорошо отражать свет и сближающегося по своим отражательным свойствам с диэлектриками. Поэтому, свет на данных частотах особенно эффективно воздействует на электроны, за счёт проникновения в металл. И, точно, в области ультрафиолета, где в основном и наблюдался селективный фотоэффект, многие металлы хорошо поглощают и плохо отражают свет. Так, серебро, имеющее высокую отражательную способность R=95 % в видимом свете и потому применяемое в качестве отражающего покрытия зеркал, уже для света с длиной волны ?=316 нм уменьшает отражательную способность до 4,2 %, становясь по свойствам близкo к стеклу [136, с. 431]. Таким образом, зависимость фототока от частоты — это отражение кривой спектральной чувствительности металла, то есть, — зависимости его коэффициента поглощения (обусловленного электронами) от частоты света. При этом, на сплошной непрерывный спектр поглощения налагаются полосы-пики поглощения, связанные с наличием в атомах собственных частот колебаний электронов.

Рис. 153. Падение на границу двух сред света с продольной и поперечной относительно плоскости падения поляризацией.

Осталось объяснить зависимость селективного фотоэффекта — от поляризации излучения. Так, при падении луча перпендикулярно границе металла, селективный фотоэффект отсутствует. Зато, при косом, скользящем падении луча, эффект — максимален. Если селективный эффект вызван компонентой излучения, проникающей в глубь металла, то объяснение — очевидно. Из оптики [74] известно, что излучение разной поляризации по-разному проникает в преломляющую среду (Рис. 153). Лучше всего проходит излучение с вектором поляризации, лежащим в плоскости падения (параллельная поляризация E_¦), то есть, — как раз излучение с составляющей электрического поля, нормальной к границе среды. А излучение с вектором поляризации, перпендикулярным плоскости падения (перпендикулярная поляризация E₊), — не имеет нормальной к границе составляющей поля и проникает в среду заметно слабее, эффективно отражаясь.

Рис. 154. Зависимость коэффициента отражения R от угла падения ? для двух типов поляризации [74].

При угле падения, равном углу Брюстера, излучение с продольной поляризацией полностью проходит в среду (Рис. 154). Различие проницаемости среды для света выражено тем ярче, чем выше показатель преломления среды n. Для ультрафиолетовых лучей металл можно условно считать прозрачной средой, но — с большим и, при том, комплексным n (строго это делают в металлооптике [136]). Отсюда — высокая отражательная способность металлов (коэффициент отражения R растёт с ростом n) и отсюда же ясно, почему свет с вектором поляризации E₊ почти не проникает в толщу металла и не даёт селективного фотоэффекта, будучи почти полностью отражён из-за R₊, близкого к единице. Зато, как видно из графика (Рис. 154), свет с продольной поляризацией E_¦, имея низкий коэффициент отражения R_¦, хорошо проникает в металл и создаёт фототок тем эффективней, чем больше угол падения ? и нормальная к поверхности металла компонента поля E в падающей электромагнитной волне. Если n велико, то угол Брюстера, при котором всё излучение E_¦ проходит в металл, близок к 90°. Соответственно, и фототок должен расти с увеличением угла падения вплоть до угла Брюстера. Именно такая зависимость фототока от угла падения и наблюдалась в опытах: фототок монотонно нарастает, по мере увеличения угла ? от 0 до 90? [134].

Отметим, что ключ к пониманию селективного и простого фотоэффекта, на основе волновой теории, был предложен ещё П. Друде, который развил классическую теорию проводимости металла, на основе модели электронного газа (§ 4.17). Именно Друде открыл, что свет, отражённый металлом, поляризуется, словно при отражении диэлектриком, что доказывает преимущественное пропускание и поглощение металлом света одной поляризации [136]. Однако, Друде вскоре после разработки этих теорий трагически умер в 1906 г. в возрасте 42-х лет, как считают, — в результате самоубийства [161]. Это не только позволило спокойно расправиться с его классическими теориями металлооптики и проводимости, но и открыло дорогу теории относительности и квантовой теории на страницы редактируемого им журнала "Анналы физики", — одного из ведущих в то время.

§ 4.5 Нелинейный фотоэффект

Вот уже более пятнадцати лет развивается новое научно-техническое направление, связанное с умножением оптических частот (применяется также термин "генерация оптических гармоник": второй гармоники, третьей, четвёртой и т. д. — в зависимости от того, во сколько раз умножается частота исходного лазерного излучения).
(Л.В. Тарасов, "Что такое нелинейная оптика" [143])

Другая важная разновидность фотоэффекта — нелинейный фотоэффект, чаще называемый ошибочно — "многофотонным". Суть его в том, что мощное лазерное излучение частоты f выбивает электроны с энергией уже не hf, а — удвоенной и кратной энергии E=nhf, где n — целое число [74]. Это принято объяснять тем, что в лазерном излучении плотность потока света столь высока, что электрон, порой, поглощает не один, а сразу n фотонов, у каждого забирая энергию E=hf, потому эффект и называют ещё "многофотонным". И, всё же, этот эффект легко объясним в рамках волновой оптики. Металл под действием лазерного излучения генерирует, за счёт нелинейных эффектов, излучение удвоенной и других кратных частот. Вторичное излучение и выбивает электроны из металла. В отличие от принятого многофотонного объяснения, это позволяет понять, почему нелинейный фотоэффект вызывает, опять же, лишь нормальная к металлу компонента поля волны. То есть, нелинейный фотоэффект, подобно селективному, чувствителен к поляризации света (§ 4.4). Это означает, что и здесь свет вырывает электроны не с поверхности, а из толщи металла, проникая вглубь.

Как раз тот факт, что какую-то роль играет поляризация излучения, направление колебаний поля, — доказывает, что нелинейный, а, значит, и простой (линейный) фотоэффект связан с волновыми свойствами света [74]. Об этом говорит и тот факт, что эффект проявляется только под воздействием мощного лазерного излучения, когда в среде возникают нелинейные эффекты и колебания. А, раз дело в волнах, колебаниях, то фотоны уже не к месту.

В самом деле, давно известны среды, генерирующие в свете лазерного луча излучение с удвоенной, утроенной и, вообще, — кратной частотой. Этот нелинейный эффект, чисто классически следующий из нелинейной теории колебаний [103], называют умножением оптических частот или генерацией оптических гармоник [143, с. 110]. Так, инфракрасный луч, упав на кристалл ниобата лития, выходит из него уже зелёным. Видимо, то же происходит и в нелинейном фотоэффекте: луч, упав на границу полупроводника или металла, рождает излучение удвоенной и кратной частоты nf. Это вторичное излучение и выбивает электроны кратных энергий hnf (Рис. 155). Нелинейный и селективный фотоэффекты потому и зависят от направления световых колебаний относительно среды, что электроны выбивает вторичное, преобразованное средой излучение. Так, в селективном фотоэффекте резонанс излучения в веществе избирательно усиливает пропускание света в определённом диапазоне, наращивая фототок на данной частоте (§ 4.4). А в нелинейном фотоэффекте среда генерирует излучение кратных частот. Итак, фотоэффект легко объясним в рамках волновой теории света, и фотоны с квантами здесь излишни.

Рис. 155. Нелинейный фотоэффект.

Вообще, нелинейные эффекты в оптике сейчас любят сводить к квантовым. Так, генерацию второй гармоники в нелинейной среде (чисто волновое явление) теперь зачем-то объясняют сложением двух фотонов в один, но с удвоенной энергией, вдобавок с переходом через несуществующий виртуальный уровень. Никто не наблюдал такого сложения фотонов в свободном пространстве: для него всегда требуется вещество, среда, а, значит, не в фотонах дело, а как раз в среде. Об этом говорит ещё и тот факт, что интенсивность второй гармоники существенно зависит от нелинейных характеристик среды. Так, есть среды с кубичной нелинейностью, которые легко генерируют третью гармонику и намного хуже — вторую, хотя, по квантовой теории, всё было бы наоборот, поскольку двум фотонам сложиться проще, чем сразу трём. То же касается двух- и многофотонного поглощения, нелинейного фотоэффекта, где реально происходит не захват многих фотонов, а поглощение излучения кратной частоты, сгенерированного средой, под напором лазерного света. Таким образом, следуя принципу Оккама, не стоит умножать сущностей сверх необходимого. Раз для объяснения фотоэффекта, включая селективный и нелинейный, вполне достаточно классической волновой теории, то ни к чему придумывать кванты света и фотоны, противоречащие ряду особенностей фотоэффекта. Зачем огород городить и квантовать, раз и без этого всё вполне понятно? Если бы причина была в поглощении электроном нескольких фотонов, то нелинейный фотоэффект интенсивней всего шёл бы на поверхности металла, где интенсивность света и пропорциональная ей вероятность многофотонных процессов — выше. А, на деле, как показывает чувствительность фотоэффекта к поляризации излучения, свет вырывает электроны из толщи металла, подтверждая волновую природу фотоэффекта.

Интересно, что нелинейный эффект генерации разностных или суммарных (в том числе кратных) частот от сложения двух колебаний, гораздо раньше, чем в оптике, был открыт и исследован в акустике (тоны Гельмгольца [72]). Никому и в голову не придёт объяснять этот эффект сложением квантов звука (гипотетических фононов), поскольку эффект легко объясним классической нелинейной теорией колебаний. Однако, когда и в оптике, наконец, выявили генерацию разностных и суммарных частот света (скажем, в рамановском комбинационном рассеянии), то учёные почему-то прибегли к квантовой трактовке эффекта, по принципу сложения и деления квантов света, хотя существовала готовая теория взаимодействия световых колебаний в нелинейных средах и соотношения Мэнли-Роу. Таким образом, квантовая теория эффекта Рамана и умножения оптических частот не только не нужна, но даже вредна, поскольку вводит избыточные и ошибочные утверждения, мешающие правильному пониманию процессов и их точному описанию.

Так, только волновая, колебательная трактовка объясняет тот факт, что для нелинейного фотоэффекта существует зависимость величины фототока от направления поляризации падающего света, совсем как в селективном фотоэффекте (§ 4.4). Раз преобразование излучения во вторую гармонику — это обычный нелинейный волновой эффект, протекающий в веществе (любое вещество в сильных лазерных полях становится нелинейной средой), то излучение должно прежде проникнуть в среду. А это, как видели, возможно лишь для света с продольной поляризацией, проникающего в толщу металла и выбивающего электроны уже не только с поверхности. Действительно, свет высокой интенсивности, даже при сильном затухании, способен сравнительно глубоко проникать в металл. Интенсивный свет, прошедший в глубь металла, и создаёт нелинейные эффекты. Удвоение частоты может происходить как в объёме металла, так и в отдельных его кристаллах, ориентированных случайным образом, в том числе, — таким, который обеспечивает выполнение условия синхронизма и эффективное преобразование первой гармоники во вторую. Итак, прозрачность металла — вещь относительная. Вдобавок в сильных лазерных полях, за счёт эффекта просветления среды, даже непрозрачная среда может стать отчасти прозрачной. Именно это позволило, в своё время, создать полупроводниковые лазеры, хотя полупроводники непрозрачны для света и во многом сходны по свойствам с металлами, что, как полагали кванторелятивисты, делает полупроводник непригодным в качестве активной среды лазера (§ 4.9). Таким образом, фотоэффект, часто называемый "многофотонным", гораздо правильней называть "нелинейным", как у Ландсберга [74]. Нелинейный фотоэффект — это чисто волновое, колебательное, классическое явление, относящееся к нелинейной оптике.

§ 4.6 Обратный фотоэффект, фотоионизация и солнечные батареи

Широко используется в практических целях так называемый внутренний фотоэффект, при котором, в отличие от внешнего, оптически возбуждённые электроны остаются внутри освещённого тела, не нарушая нейтральности последнего… Происходит пространственное разделение внутри объёма проводника оптически возбуждённых электронов и микрозон (дырок), возникающих в непосредственной близости от атомов, от которых оторвались электроны… Таким образом достигается прямое преобразование световой энергии в электрическую.
(Г.С. Ландсберг, "Оптика" [74])

Последняя разновидность фотоэффекта — обратный фотоэффект: генерация металлом излучения при обстреле его поверхности электронами энергии E (§ 4.1). Электрон при захвате атомом начинает излучать на частоте своего вращения f=E/h (Рис. 156). Подобный же эффект работает и в некоторых светодиодах, где в переходном слое полупроводникового кристалла, края которого находятся под напряжением V, электроны набирают энергию E=eV и, при захвате атомами, закручиваясь в их магнитном поле, излучают на частоте вращения f=eV/h. Ещё раз отметим, что захват и выброс электрона атомом происходит без изменения энергии (без затрат и выделения энергии ионизации), поскольку захват производит магнитное поле нейтрального атома, не меняющее энергии захваченного электрона. Что касается потенциального электрического поля атомного ядра, то оно в принципе не способно захватить электрон. Поэтому, в фотоэффекте электроны лишь малую долю энергии получают от света, основная же часть энергии у них есть изначально. И, не исключено, что однажды опыт покажет: энергия электронов, покинувших металл, порой превосходит энергию выбившего их света. Энергия света идёт лишь на изменение орбиты электрона и отрыв его от атома при сходе с устойчивой орбиты. В фотоэлементах (солнечных батареях) эта энергия освобождения электронов и преобразуется в электрическую. В случае, если бы энергия света шла ещё и на придание скорости электронам, по сути, — на нагрев полупроводника, КПД солнечных батарей было бы существенно меньше известного. Реально же энергия света напрямую, с минимальными потерями, преобразуется в электрическую.

Рис. 156. Прямой (а) и обратный (б) фотоэффекты: выброс электрона атомом под действием света (а) и генерация атомом рентгеновского излучения при захвате электрона.

Вполне возможно, что правильное понимание механизма фотоэффекта позволит ещё сильней повысить КПД солнечных батарей, найти более дешёвые и эффективные полупроводниковые материалы, преобразующие свет в электроэнергию. Пока же поиск таких материалов вёлся вслепую. И, лишь на базе классического подхода, этот поиск станет, наконец, целенаправленным, осмысленным и эффективным. Стоит отметить, что в диэлектриках и полупроводниках, в отличие от металла, свету, возможно, всё же приходится совершать некоторую работу по ионизации атомов, поскольку производится отрыв уже не только внешних, но, порой, и внутренних электронов в атоме. Вероятней всего, в таких случаях свет не сам выбивает эти внутренние электроны, а делает это через посредство внешних. Сначала свет воздействует на внешние, крутящиеся возле атома электроны энергии E=hf, заставляя их срываться с орбиты (§ 4.3). Эти внешние электроны ударяют в другие атомы и, при достаточной энергии E (если она достигает энергии ионизации E_и), выбивают из атомов внутренние электроны, производя ионизацию. В этом, видно, и состоит причина того, что атом может быть ионизован лишь светом частоты f=E_и/h или большей. Поэтому, фотоэлементы и солнечные батареи необходимо конструировать на основе материалов с возможно меньшей энергией отрыва электронов от атомов.

Аналогично протекает фотоионизация в газах: внешние электроны атомов, сорвавшись с орбиты — под действием света частоты f=E_и/h, без потерь своей энергии E=E_и ударяют в другие нейтральные атомы и выбивают из них внутренние электроны, которым уже приходится преодолевать притяжение ядра, затрачивая на это сообщённую энергию E_и. Известна и многофотонная ионизация, когда ионизацию производит свет меньшей частоты f=E_и/nh, где n — целое число [74]. Однако, объясняется этот феномен, подобно нелинейному фотоэффекту, — не поглощением сразу n фотонов, а генерацией средой кратных частот 2f, 3f…, nf, за счёт нелинейных эффектов (§ 4.5). Интенсивное излучение частоты f, проходя через среду, обогащает свой спектр, за счёт генерации новых гармоник атомами газа. Это вторичное излучение кратных частот f'=nf=E_и/h и выбивает электроны из атомов. Впрочем, возможно и вырывание электрона из атома под действием ударов сразу нескольких фотоэлектронов (не фотонов!), с энергией, меньшей энергии ионизации.

Во многом схож с фотоэффектом и процесс образования электрон-позитронных пар, под действием гамма-излучения, тоже имеющего критическую частоту f=E_п/h, по превышении которой из ядер вырываются электроны с позитронами [139]. Только здесь энергия E_п — это уже не энергия связи электронов с металлом или с атомом (энергия ионизации), а электростатическая энергия связи электронов и позитронов в ядре, составляющая величину, порядка E_п=2mc² (§ 1.16, § 3.12, § 3.13). В целом, процесс "рождения" электрон-позитронных пар протекает подобно фотоионизации: излучение с частотой выше f>E_п/h воздействует на электрон, крутящийся в магнитном поле ядра, с той же частотой f и энергией E=hf>E_п. Этот электрон, при ударе о ядро, способен за счёт своей высокой энергии выбить из ядра либо электрон, либо позитрон, которых в ядрах почти поровну. Оттого гамма-излучение и создаёт поток, где электронов и позитронов поровну, что трактуют как рождение их парами. Впрочем, нередко они и впрямь вылетают парами, если электрон, выбивший позитрон, не поглотится ядром, а отскочит от него. Тогда, в камере Вильсона видно, как из одной точки (от одного ядра) исходят сразу два следа: электрона и позитрона. Если вспомнить аналогию электронов и позитронов — с чёрными и белыми шашками, сидящими в своих клетках на шахматной доске (атомном ядре, § 3.2, § 3.12), то механизм вылета из ядра электрон-позитронных пар напоминает игру "Чапаев", где удары чёрных шашек (электронов) выбивают с шахматной доски белые шашки (позитроны), вылетающие нередко парой, вместе с ударившими их чёрными.

То, что ядра содержат позитроны, а удары электронов выбивают их оттуда, подтверждено явлением ?⁺-распада и опытами Д. Скобельцына, в которых электрон-позитронные пары вылетали из ядер при облучении высокоэнергичными электронами [19, с. 326]. Если же энергия налетающего электрона или иной частицы (скажем, из космических лучей) — достаточно высока, то, при ударе о ядро, она может освободить до нескольких десятков электронов и позитронов. В этом случае, в камере Вильсона или на эмульсии видны "звёзды": из одной точки (ядра) исходят сразу сотни треков, — ядро как бы взрывается на сотни составлявших его элементарных зарядов (§ 3.9). Так же, и при облучении гамма-лучами с частотой f>>E_п/h образуются высокоэнергичные электроны, выбивающие из ядра сразу несколько электрон-позитронных пар. Понятно и то, почему число образуемых пар пропорционально квадрату заряда ядра Z². Ведь, в ядрах с высоким Z — пропорционально Z² увеличено число электронов, крутящихся в магнитном поле ядра — на соответствующих орбитах, с энергией порядка 1 МэВ. Значит, гамма-излучение в Z² раз эффективней воздействует на вещество, вырывая эти электроны и, при ударе их о ядра, порождая больше электрон-позитронных пар.

Итак, опыт убеждает, что все так называемые "квантовые закономерности", открытые в явлениях фотоэффекта, фотоионизации и рождения электрон-позитронных пар, обусловлены отнюдь не свойствами света, но — свойствами атомов, вещества. Так, селективный и нелинейный фотоэффекты явно свидетельствуют, что процессы излучения и поглощения веществом света имеют резонансный, колебательный, волновой характер, а никак не квантовый. Лишь классическая модель фотоэффекта, которую отстаивал и отец фотоэффекта А. Столетов, способна помочь адекватному и простому пониманию всех закономерностей фотоэффекта.

§ 4.7 Эффект Комптона

Явление изменения длины волны при рассеянии света можно было бы объяснить с волновой точки зрения при помощи явления Доплера: электроны, рассеивающие рентгеновские лучи, под действием их выбрасываются из атомов по различным направлениям с разными скоростями. Таким образом, рассеянное излучение должно иметь изменённую длину волны в зависимости от скорости и направления движения рассеивающих электронов. Вычислив, как должны были бы двигаться рассеивающие электроны, нетрудно получить классическую картину явления Комптона.
(Г.С. Ландсберг, "Оптика" [74])

Не составит большого труда объяснить с классических позиций и другое "квантовое" явление — эффект Комптона, который вместе с фотоэффектом считают неопровержимым доказательством фотонной теории. Суть его в том, что рентгеновские лучи претерпевают на электронах так называемое "комптоновское рассеяние" (Рис. 157). Причём, в отличие от обычного рассеяния, длины волн падающего ?₀ и рассеянного ?' излучения не совпадают, а их разница жёстко связана с углом рассеяния ? соотношением

?'—?₀= 2?_кsin²(?/2),

где ?_к — комптоновская длина, составляющая для электрона массы m величину ?_к=h/mc= 2,4?10^–12 м [134]. Кроме того, как показали опыты, электрон в процессе рассеяния испытывает отдачу, приобретая скорость, направленную под таким углом ? к падающему лучу, что tg?= ctg(?/2)/(1+?_к/?₀). Всё выглядит так, словно не волна рассеивается на электроне, а с ним упруго сталкивается частица, фотон, передающий электрону часть своего импульса и энергии. К тому же, как утверждают многие учебники, классическое взаимодействие волны с электронами вещества не могло бы породить рассеянного излучения на смещённой частоте. Ведь свободный электрон, по теории Дж. Томсона, должен колебаться под действием электромагнитной волны — с частотой поля этой волны, а, значит, и излучение испускать — на той же частоте и с той же длиной волны ?₀ [82]. А, между тем, рассеянное излучение в эффекте Комптона, кроме несмещённой компоненты спектра ?₀, содержит сдвинутую, — с длиной волны ?'.

Рис. 157. Эффект Комптона.

Кроме того, совсем как в фотоэффекте, в комптоновском — скорость и энергия электрона часто превосходят те, которые ему могла бы сообщить волна в момент облучения [134]. Это, опять же, трактуют как соударение с электронами световой волны, собранной в порции, кванты. Но, в действительности, похоже, и здесь луч не отдаёт электронам энергию, а лишь высвобождает электроны, изначально обладавшие скоростью в атомах. Поэтому, никто ещё не смог наблюдать комптоновское рассеяние на свободных электронах. Учёные признают, что его дают только электроны атомов, но полагают, что атом, испустивший электрон, — это лишь досадная помеха и электроны в нём можно рассматривать как свободные. На самом же деле, без участия атомов комптон-эффект был бы вовсе невозможен, его никто и никогда не сможет наблюдать у свободных электронов. Так, в случае обратного комптон-эффекта, когда уже действительно свободно летящий электрон не поглощает, а, напротив, отдаёт энергию свету, имеет место лишь классическое рассеяние [151, с. 312]. Далее покажем, что и прямое комптоновское рассеяние имеет чисто классические причины.

Собственно говоря, некоторые учёные даже проговорились, что такое объяснение существовало, но было основательно забыто. Так, Г.С. Ландсберг пишет, вопреки часто приводимому в учебниках утверждению, по которому классическая теория не способна объяснить рассеяния на новой частоте, что реально и классика предсказывает смещённые компоненты излучения. Ведь, если учесть, что электроны, вылетающие из атомов под действием внутреннего фотоэффекта, обладают большими скоростями, то рассеянное ими излучение, по эффекту Доплера, обязано иметь иную длину волны [74]. Эта длина волны ?', в полном согласии с комптон-эффектом, будет зависеть от длины волны ?₀ падающего излучения, от угла вылета электрона и направления рассеянного излучения. Так возникает классическая картина эффекта Комптона. Ландсберг не раскрывает подробностей этого описания и того, кто его автор. Поэтому попробуем реконструировать, восстановить эту забытую трактовку, отреставрировав классическую картину явления.

Пусть электромагнитная волна частоты f₀, падая на атом, "вырывает" из него электрон, имеющий, как показывает фотоэффект (§ 4.3), энергию mV²/2= hf₀. Угол ? вылета электрона может оказаться любым. Падающая волна заставит этот свободно летящий со скоростью V электрон колебаться, но, в силу эффекта Доплера, — с частотой f=f₀(1+Vcos?/c), отличной от f₀ (Рис. 158). Вибрирующий электрон излучает вторичные волны, частота прихода f' которых, в некотором направлении ?,— отлична от частоты их испускания f. Из эффекта Доплера f'=f(1+Vcos(?+?)/c)= f₀(1+Vcos?/c)(1+Vcos(?+?)/c). Кроме того, падающая волна заставит колебаться и излучать с частотой f₀ электроны, оставшиеся в атоме. Эти две волны от атома и свободного электрона интерферируют, но правильно сложиться не могут, поскольку их частоты f₀ и f' не совпадают. Во всех направлениях эти две волны сложатся беспорядочно, создавая биения, или вообще не сложатся от несинхронного прихода. И, лишь в направлении ?, для которого f₀= f'= f₀(1+Vcos?/c)(1+Vcos(?+?)/c), волны интерферируют за счёт равенства частот и одновременного прибытия, откуда cos?= —cos(?+?), то есть ?=90°-?/2.

Рис. 158. Механизм комптон-эффекта: излучение f₀, "вырывая" электрон из атома, рассеивается им с частотой f'.

Подставляя значение ?, найдём, что лучи, идущие в направлении ?, имеют частоту

f'= f₀(1–Vsin(?/2)/c)(1+Vsin(?/2)/c)=f₀(1–sin²(?/2)V²/c²)

и длину волны

?'= с/f'= ?₀+ ?₀sin²(?/2)V²/c².

Учтя же, что для излучения, выбившего электрон, ?₀=c/f₀=2hc/mV², найдём

?'= ?₀+ sin²(?/2)2h/mc.

То есть, пришли к проверенной опытом формуле ?'—?₀= 2?_кsin²(?/2), где ?_к= h/mc. Также приходим к правильному соотношению углов рассеяния и отдачи, ибо если ? =90°- ?/2, то tg? = ctg(?/2). Это довольно точно совпадает с опытно проверенной зависимостью tg? = ctg(?/2)/(1+?_к/?₀), поскольку ?_к= 2,4?10^–12 м обычно много меньше длины волны ?₀ рентгеновского излучения, диапазон которого простирается от 10^–7 до 10^–12 метра. Лишь для самых жёстких рентгеновских лучей величина (1+?_к/?₀) будет заметно отличаться от единицы. Но тогда надо, соответственно, уточнить и наш приближённый расчёт, ибо при сопоставимости ?_к= h/mc и ?₀=2ch/mV² скорость V электрона становится сравнимой со скоростью света c, и в выражении для f' надо учесть квадратичный эффект Доплера (§ 1.20). При расчёте сделан и ряд других упрощений, конечно, не меняющих сути дела, поскольку более строгий классический анализ, учитывающий отдачу атома при испускании электрона, взаимодействие с волной обратного рассеяния и условие волнового синхронизма, даёт ту же картину эффекта Комптона.

Отметим ещё одно отличие квантовой и классической теории комптон-эффекта. В квантовой теории свет (фотон) излучается лишь в плоскости, образуемой лучом света с линией движения электрона. А в классической картине рассеянный свет излучается во всех направлениях вдоль образующих конуса, ориентированных под углом ?+? к линии движения электрона (оси конуса), поскольку для всех этих направлений выполнено условие интерференции лучей. Однако, наиболее интенсивное излучение испускается всё же под углом ? к исходному лучу. Дело в том, что электроны, вылетающие под углом ? к оси луча и создающие излучение соответствующей длины волны ?'=?₀+ sin²(?/2)2h/mc, могут лететь не только вверх, но и вбок, и вниз, вдоль образующих конуса с углом ? и осью луча. Все эти электроны формируют свои конусы излучения, которые, складываясь, дают усреднённую картину. Касательная поверхность к этим конусам даёт каустическую поверхность, вдоль которой излучение наиболее интенсивно. Эта поверхность имеет форму конуса, с углом при вершине ? и осью, совпадающей с исходным лучом. Таким образом, хотя рассеяние происходит во всех направлениях, наиболее интенсивное излучение света длины волны ?'=?₀+ sin²(?/2)2h/mc идёт под углом ?, где ?=180°-2?. Именно это обнаружилось в опыте. Причём, комптоновское излучение ?' действительно исходит не только в направлении ?, но и под другими углами, просто с меньшей интенсивностью. Поэтому, на спектрограммах, для данного угла ?, видно излучение не только на длине волны ?'=?₀+ sin²(?/2)2h/mc, но и на соседних длинах волн [134], чего квантовая теория объяснить не может.

Чтобы проверить, какая из теорий эффекта Комптона (квантовая или классическая) справедлива, достаточно исследовать эффект Комптона на свободных электронах, скажем летящих в вакуумных лампах или в электронно-лучевых трубках. Если эффект Комптона при этом будет наблюдаться, то справедлива квантовая теория явления. Если же он не обнаружится или будет слишком слаб, то квантовая теория ошибочна, а справедлива классическая теория, по которой лишь электроны, вылетающие из атомов, способны создавать комптон-эффект. Различить, рассеивается ли свет свободными электронами или остаточными атомами в колбе, можно по известной скорости электронов в лучевых трубках. Эта скорость внесёт известный доплеровский сдвиг в положения спектральных линий комптоновского излучения.

Было проведено много экспериментов по измерению энергий электронов в эффекте Комптона, углов испускания излучения, проверки синхронности испускания излучения и электронов [82, 134]. Все они подтвердили справедливость квантовой картины эффекта Комптона. Однако та же картина, как показано выше, должна возникать и в классическом случае, только объяснение будет совсем иным. То есть, эксперименты никоим образом не подтверждают квантовой трактовки комптон-эффекта, а, зачастую, и противоречат ей, подтверждая скорее классическую картину явления, если учесть ряд опытно выявленных особенностей эффекта Комптона.

Выходит, фотоэффект и эффект Комптона, — эти два главных свидетельства в пользу фотонной теории и корпускулярно-волнового дуализма, оказались ничтожны: световую волну ни к чему считать фотоном, частицей. Не существует опытов, для истолкования которых нужны кванты света. Введение фотонов, в то время как все свойства света легко объяснить классическими волнами, — это то самое преумножение сущностей, против которого предостерегал Оккам. Два фундаментальных эффекта, — фотоэффект и эффект Комптона, на которых держалось всё здание квантовой физики, как оказалось, вполне можно интерпретировать в рамках классической физики, причём столь удачно, что удалось объяснить ряд особенностей, проблемных для квантовой физики. В итоге, фотоны и кванты света оказываются не просто избыточными, ненужными, но и вредными для адекватного понимания сути явлений. Ведь неклассические, дуалистические объяснения — не материалистичны (§ 4.13, § 5.12). Не случайно, по своим взглядам А. Комптон был как раз сторонником физического идеализма, поскольку пытался в рамках физики развивать нематериалистические идеи релятивизма [29, с. 20], говорящего об отсутствии объективной реальности и относительности понятия "частица" и "волна".

Мы многое знаем о Комптоне, но, к несчастью, ничего не можем сказать о том Неизвестном Учёном, который, как следует из "Оптики" Ландсберга, предложил классическую трактовку комптон-эффекта. В этом плане учебник Ландсберга, вообще, — весьма примечателен и заслуживает пристального внимания. Сознательно или случайно в него были внесены многие верные идеи, или упоминания о них, пусть и в критическом ключе. Это и изложение сути БТР, и упоминание классической модели атома Ритца, а также ажурной модели атома Ленарда (прообраза ядерной модели Резерфорда), и интересные замечания о нелинейном, селективном фотоэффекте, наконец, — классическая трактовка эффекта Комптона. Будучи тесно связан с оптическими проблемами, Г.С. Ландсберг, по-видимому, имел доступ к закрытым источникам информации, располагал и интересовался многими сокрытыми данными об идеях и личностях, забытых в кванторелятивистской горячке. Но и целой книги не хватит, чтобы всех их перечислить, рассказать об их жизни и заслугах. Сколько было таких безвестных учёных-героев, осмелившихся, вопреки общему мнению и хору глупцов-подпевал неклассической физики, усомниться в кванторелятивистской картине мира и выдвинуть свои альтернативные идеи? Сколько таких великих, порой бесценных идей погибло по вине чьих-то амбиций, злой воли, зависти и корысти? Сколько таких безвестных учёных было замучено в застенках институтов — травлей сворой академиков, террором научной мафии, запретами на публикации в журналах? Сколько их, ищущих и бескорыстно служащих истине, безвестно умерло, не успев донести до нас свои светлые мысли? Но не их имена произносят с уважением, а имена их мучителей и попирателей истины. И не стоит ли, раз существует Могила Неизвестного Солдата, почтить память Неизвестного Учёного, Борца за классическую науку и свободу мысли, подобным памятником? Также, все усилия следует приложить и к тому, чтобы восстановить, реконструировать имена и идеи этих учёных, самозабвенно отдавших жизнь борьбе за истину, против мракобесия в науке. Они достойны памяти и уважения не меньше, чем герои войны.

§ 4.8 Опыт Франка-Герца

Когда разность потенциалов достигнет 4,9 В, электроны при неупругом столкновении с атомами ртути вблизи сетки отдадут им всю свою энергию… Аналогичные опыты в дальнейшем были проведены с другими атомами. Для всех них были получены характерные разности потенциалов, называемые резонансными потенциалами.
(А.Н. Матвеев, "Атомная физика" [82])

Итак, энергия не излучается и не поглощается атомом в виде фотонов, квантов света. Нет "квантовых явлений", которые нельзя бы было истолковать в рамках классической физики. Но и внутри атомов энергия электрона не квантуется, не меняется дискретно, вопреки квантовой механике. Дискретное изменение энергии в атоме обычно доказывают дискретным спектром атомов (излучаемый атомом спектр частот создаётся, якобы, переходами между постоянными уровнями энергии) и опытом Франка-Герца. Как помним, дискретный спектр излучения связан, в действительности, не с уровнями энергии, а с наличием у электронов собственных частот колебаний в магнитном поле атома (§ 3.1). Поэтому, и опыт Франка-Герца, видимо, связан с этими резонансными частотами атома. В этом опыте выяснилось, что атомы поглощают энергию порциями [82, 134]. Это следовало из того, что электроны, разгоняемые электрическим полем, при столкновении с атомами, — отдавали им свою энергию E, едва она достигала значения E₁, равного первому резонансному потенциалу атома (минимальной энергии электрона необходимой для возбуждения атома). Уже само упоминание резонанса говорит о том, что потеря электроном энергии вызвана совпадением частот. В самом деле, электрон с энергией E, столкнувшись с атомом, либо отскочит, либо на время с ним соединится, угодив в магнитную ловушку атома и начав обращаться с частотой f=E/h. Повращавшись в обществе атома, он может его покинуть, сохранив свой запас энергии.

Но всё будет иначе, если частота обращения f этого внешнего электрона совпадёт, войдёт в резонанс с частотой собственных колебаний одного из внутренних электронов, сидящих в узлах атома (Рис. 159). Тогда, внешний электрон, кружась, станет своим периодичным воздействием, при регулярном сближении, сильно раскачивать узловой, и, передав ему свою энергию, покинет атом — с заметно меньшим её запасом. А колеблющийся, внутренний электрон начнёт постепенно терять энергию в виде излучения с частотой f своего кружения в узле, пока не замрёт там. Вот почему, едва электроны наберут в ускоряющем поле критическую энергию E₁, они сразу её теряют, вызывая свечение газа на частоте f=E₁/h первой резонансной линии [134].

Рис. 159. Опыт Франка-Герца: уход энергии электрона в излучение при резонансе.

Отметим, что в случае, если энергия захваченного электрона больше резонансного потенциала, он уже не сможет возбудить колебания внутреннего электрона, поскольку будет вращаться с большей частотой. Усовершенствованный опыт Франка-Герца, действительно, показал, что если электрон влетает в газ уже с энергией, большей резонансного потенциала, он эту энергию не теряет, и ток электронов не снижается [134]. Это ещё раз доказывает резонансный характер явления: атом не может забрать энергию у электронов не только с энергией, меньшей критической, равной резонансному потенциалу, но и с большей. В противоположность этому, ионизацию атома, отрыв от него электрона, как показали опыты, способны производить и электроны с энергией, большей потенциала ионизации E_и. Это соответствует классической теории, поскольку в отличие от возбуждения излучения, ионизация атома вызывается чисто механическим ударом электрона по атому. Но это явление ударной ионизации — в корне противоречит квантовой теории атома Бора, по которой атом, с его дискретной системой уровней, способен поглощать только строго определённые порции энергии, как при возбуждении, так и при ионизации.

Впрочем, кванторелятивисты выдумали следующую уловку. Если электрон имеет энергию E, большую потенциала ионизации E_и, то его энергия может быть поглощена атомом, независимо от значения E, поскольку выше E_и спектр энергий атома становится из дискретного — сплошным, так как энергия электрона вне атома может быть произвольной [134]. Это якобы подтверждает и то, что линейчатый спектр излучения атома становится сплошным — после достижения границы серии f_? (так, у водорода это частота f_?=Rc(1/n²–1/m²)=Rc/n², для которой m=? [74]). Но это, именно, — уловка, ибо она противоречит постулату Бора о порционном захвате энергии атомом. Ведь электроны вне атома уже не имеют отношения к его энергетическому спектру, и надо отдельно рассматривать дискретные скачки энергии электрона внутри атома и непрерывные её вариации уже после ионизации и поглощения энергии E_и. То есть, квантовая трактовка не проходит, зато классическая легко объясняет как ионизацию, так и сплошной спектр, примыкающий к границе серии. Сплошной спектр генерируют электроны, захваченные магнитным полем атома, когда крутятся в нём с частотой f=E/h и излучают на этой частоте (§ 3.1). От излучения их энергия E убывает, и плавно снижается частота f излучения электрона, по мере расширения витков его орбиты. Так атом генерирует сплошной спектр. Но, едва частота вращения f снизится до значения f_? (до предельной частоты излучения в спектральной серии), как внешний электрон, за счёт резонанса, станет быстро отдавать свою энергию внутренним, узловым электронам (с собственными частотами ~f_?), как в опыте Франка-Герца. Поэтому, внешний электрон, отдав им энергию и потеряв скорость, уже не удерживается силой Лоренца. Он отрывается от атома, перестав вращаться и излучать, а генерируемый им сплошной спектр обрывается на границе серии f_?.

Тем самым, ещё один фундаментальный опыт, доказывающий будто бы, что энергия излучения и электрона в атоме квантуется, принимая лишь дискретный ряд значений, как оказалось, можно легко истолковать с классических позиций, если принять магнитную модель атома Ритца. Энергия электрона в атоме меняется непрерывно, а мнимая дискретность вызвана связью частоты колебаний электрона и его энергии, а, также, — дискретным рядом частот, которые может излучать атом из-за дискретного распределения в нём узловых электронов. Возможно, поэтому многие учебники избегают упоминаний о резонансных потенциалах, наводящих на мысль о резонансе частот, и говорят о них как о критических потенциалах или потенциалах возбуждения.

§ 4.9 Лазеры и квантовая электроника

Никто не оспаривает тот факт, что я сделал первый лазер… Если они сделали это, то где же тогда, чёрт возьми, их лазер?
(Теодор Мейман об учёных-кванторелятивистах)

Лазеры стали важнейшей составляющей современной науки, техники и быта. Поэтому особенно обидно, что эти генераторы света, вопреки идеям их создателей, называют квантовыми генераторами, а саму лазерную физику — квантовой электроникой. На деле, лазерное излучение, как видели (§ 4.5), не стоит связывать с квантами и фотонами, ведь лазер — это просто высокодобротный оптический резонатор и усилитель, который избирательно усиливает одни волны и гасит другие, подобно акустическому, выделяя заданные частоты и фазы колебаний. Происходит, по сути, такая же, как в опыте Франка-Герца, перекачка энергии, запасённой во внешних электронах атома, частота колебаний которых не фиксирована и превышает основную частоту f, — к узловым, внутренним электронам, колеблющимся и излучающим на этой стандартной частоте f. Именно это и позволяет трансформировать разные виды энергий накачки — в когерентный свет, с его жёстко заданной фазой и частотой. А стандарт этой частоты задан отнюдь не квантами и дискретными значениями энергии атома, а кристально чёткой пространственной структурой атома, с твёрдым масштабом расстояний и констант радиуса r₀, магнитного момента ? и заряда e электрона (§ 3.1).

Лазер — это чисто классический прибор, в котором происходит нелинейное взаимодействие электромагнитных волн и колебаний атомных электронов. За счёт этого, энергия электронов, вибрирующих с разными частотами и фазами, и преобразуется в энергию колебаний электронов на стандартной частоте f лазерного излучения. Этот процесс уже давно описан в классической, хоть и нелинейной теории колебаний [103], а фотонами и квантами здесь, как говорится, "и не пахло". Сначала оптическое излучение накачки (скажем, от лампы-вспышки) возбуждает колебания внешних и внутренних электронов атома на множестве собственных частот, причём на некоторой частоте f колебания возбуждаются особенно эффективно. Электроны, вибрирующие с частотой f, теряют энергию медленней, чем получают её от взаимодействия с другими электронами и излучёнными ими волнами. Поэтому, при некоторой интенсивности излучения, превышающей пороговую, колебания электронов на частоте f будут усиливаться, за счёт энергии всех прочих колебаний, переходящей в энергию колебаний и излучения на основной частоте f.

Как следует из соотношений Мэнли-Роу [103], такая перекачка энергии эффективна лишь в случае, если высокочастотное излучение преобразуется в низкочастотное. Вот почему, излучение накачки обязательно должно иметь частоту f_p — большую, чем частота f излучения лазера, хотя здесь играет роль и постепенное расширение витков орбиты внешних электронов, передающих свою энергию узловому электрону, при снижении частоты их колебаний с f_p до f. То есть, здесь ни при чём обычное объяснение, по которому энергия кванта излучения лазера E=hf не может быть больше энергии кванта накачки E_p=hf_p. Совершенно излишне здесь и представление об инверсии населённостей уровней атома, ибо порог генерации задаётся балансом скорости притока и оттока энергии основных колебаний электронов на частоте f. Так что, "квантовые" генераторы и усилители работают исключительно по классическим принципам теории колебаний и волн, не требуя квантовых. В некоторых типах лазеров, например в полупроводниковых, газовых и некоторых других, механизм перекачки энергии может иметь и более сложный, но, всё равно, — классический характер. В этих случаях, генерация лазерного излучения может идти примерно так. При накачке (скажем электрическим разрядом) атомы, а, точнее, — их внешние электроны, набирают энергию. Одновременно возбуждаются и внутренние электроны в узлах, которые генерируют пока ещё некогерентное, но уже имеющее стандартную частоту f излучение (могут присутствовать и другие частоты спектра, которые усиливаются и излучаются гораздо хуже).

Это излучение, проходя сквозь атомы, заставляет их, по спусковому механизму фотоэффекта, выбрасывать те внешние электроны, что крутятся с той же частотой f (в отличие от внутренних электронов, они излучают очень слабо, поскольку имеют гораздо меньшие значения скоростей и ускорений, § 3.2). Тогда, атом испытывает отдачу, отчего происходит взбалтывание его узловых электронов, особенно электронов с частотой собственных колебаний f, так же как в опыте Франка-Герца. Поэтому, они сами начинают генерировать излучение f, причём, — в той же фазе, что и падающий свет, поскольку их колебания запущены синхронным с падающей волной внешним электроном (Рис. 160). Его рывок-отдача не только запускает колебания внутреннего электрона, но и синхронизует их с падающим светом.

Рис. 160. Генерация лазерного света: набор электроном энергии в поле E разряда, его захват и выброс атомом от фотоэффекта.

Таким образом, запальное излучение будет лавинно нарастать, за счёт энергии внешних электронов. Спустя время те восполнят утерянную при вылете энергию, за счёт устройства накачки, затем поглотятся атомами и снова будут испущены при падении волны. Итак, каждый акт усиления начального излучения связан с выбросом и захватом электрона. Недаром, наибольшим КПД и распространением обладают разработанные отечественными физиками Г. Алфёровым и Н.Г. Басовым полупроводниковые лазеры (те, что стоят в СD- и DVD-устройствах), где инжекционная генерация света напрямую связана с внутренним фотоэффектом. Это доказывает тесную связь лазерного излучения с прямым и обратным фотоэффектом — с элементарными актами испускания-поглощения электронов и света атомами среды. Не зря, и сам фотоэффект Планк уподоблял взрывному, лавинному процессу, где свет лишь высвобождает запасённую энергию, служа спусковым механизмом лавины (§ 4.3). Вообще, лазер стали применять в качестве оружия отчасти потому, что его работу издавна иллюстрируют с помощью баллистической аналогии. В лазере атомы сначала запасают энергию, как запасает её тетива лука, арбалета, баллисты, или заряд пороха в ружье, а после энергия взрывообразно высвобождается спусковым крючком, которым в лазере служит сам свет.

В квантовой же физике объяснение генерации лазерного света звучит крайне неправдоподобно. Достаточно сказать, что основное свойство лазерного излучения — его когерентность, равенство частот и фаз у всех волн света, — там объясняют, не рассматривая сами волны и их генерацию, а рассуждая исключительно о фотонах и квантах света, — о неволновой стороне явления. И, вообще, ошибочно считать, что создание лазеров чем-то обязано квантовой теории. Лазеры изначально были разработаны исключительно на основании известного из опытов оптического свойства сред, — способности возбуждённых атомов среды излучать свет заданной частоты под действием падающего света (сугубо классического эффекта фотолюминесценции, § 3.1). Поэтому, первые лазеры были изобретены и построены техниками, инженерами, экспериментаторами, людьми далёкими от квантовой и вообще теоретической физики (так же и первый мазер был построен Басовым и Прохоровым, на основе классической молекулярной радиоспектроскопии и нелинейной теории колебаний). Первые подвижки в этом направлении и, даже, реально работающие лазеры были сделаны ещё в XIX веке инженером-изобретателем Н. Тесла, позднее крайне негативно относившимся и к теории относительности, и к квантовой физике. Созданная им в 1890 г. электронная лампа давала свет по механизму, близкому к генерации монохроматичного света в опыте Франка-Герца (§ 4.8) и уже имела зеркальный резонатор с полупрозрачным участком, как в нынешних лазерах [110, с. 537].

Саму же идею лазера выдвинул в 1939 г., и более развёрнуто в 1951 г., советский техник-энергетик В.А. Фабрикант, причём не в виде научной статьи, а в форме заявки на изобретение. Открытие В. Фабриканта, однако, было отвергнуто, как не реализуемое и противоречащее теории. А построил первый работающий лазер в 1960 г. опять же инженер, американец Т. Мейман, руководствуясь больше не расчётами, а опытом и здравым смыслом (см. www.ritz-btr.narod.ru/mejman.html). Мейман собрал лазер, по сути, в домашних условиях: из простой лампы-вспышки и рубинового стержня. Этот лазер умещался в кармане, как современные лазерные указки [143], и был настоящим эффективно работающим лазером, не шедшим ни в какое сравнение с созданными даже спустя некоторое время громоздкими установками представителей официальной квантовой науки. Мейману, однако, пришлось опубликовать отчёт об этом изобретении в обычной газете, тогда как научные журналы отказывались принять статью к печати, поскольку, во-первых, это была статья не специалиста-теоретика, а во-вторых, лазер Меймана работал вопреки квантовой теории. Сам Мейман основой своего успеха считал, как раз, отход от квантовой догмы, от традиционных представлений, основанных на "незыблемых" постулатах научной элиты. Именно слепая вера в авторитеты ("эффект гуру", как называл его Т. Мейман) не позволила, по словам изобретателя, достичь успеха другим учёным. И неизвестно, были бы у нас вообще сейчас работающие лазеры, не осмелься кто-то пойти против официальных квантовых догм.

То же самое и с мазером — прибором, излучающим радиоволны строго фиксированной частоты и, оттого, послужившим основой для создания лазеров и высокостабильных часов. Мазер тоже работает на чисто классическом принципе возбуждения и усиления электромагнитных колебаний в резонаторе — от пучка возбуждённых молекул аммиака, отдающих энергию собственных колебаний, в виде энергии излучения на стандартной частоте этих колебаний. Дабы обеспечить преобладание усиления над поглощением, пучок молекул, поступающий в резонатор, пропускают через неоднородное электрическое поле. Оно выводит из пучка поглощающие молекулы аммиака, которые не колеблются, а, потому, обладают постоянным дипольным моментом, на который и действует поле. В то же время, колеблющиеся, возбуждённые молекулы аммиака подобны пульсирующему диполю (Рис. 29): их дипольный момент периодически меняет величину и знак, отчего усреднённый по времени дипольный момент и действие электрического поля за время пролёта равны нулю. Поэтому, возбуждённые излучающие молекулы не выводятся из пучка электрическим полем, а, попав в резонатор, возбуждают его на частоте своих колебаний. Колебания молекул аммиака NH₃, имеющих вид пирамидки, с атомом азота N в вершине и тремя атомами водорода H в основании, носят классический непрерывный характер: атом азота механически колеблется, пролетая между атомами водорода и выходя то по одну, то по другую сторону от них (если же атом азота обладает малой энергией, он не пройдёт меж атомов водорода, а молекула не будет колебаться). Так что, дискретные изменения состояний и энергетические уровни из квантовой физики здесь совершенно ни при чём (§ 3.4). Более того, квантовая теория противоречит работе мазера.

Как рассказывает Н.Г. Басов, физик-инженер, совместно с А.М. Прохоровым построивший первый мазер, он обращался с идеей такого генератора ко многим видным специалистам по квантовой теории. И все кванторелятивисты в один голос утверждали, что мазер создать невозможно, что частоту излучения нельзя жёстко зафиксировать, ибо это противоречит принципу неопределённости Гейзенберга (Крюков П.Г. Фемтосекундные импульсы, М.: Физматлит, 2008, с. 53). И, всё же, вопреки догматам квантовой физики, мазер был построен Басовым в 1954 г. Лишь после этого под уже готовое изобретение, реализованное физиками-инженерами, подогнали теоретическую базу кванторелятивисты, будто именно квантовой теории мазер обязан своим появлением. На деле же, видим, что мазер и лазер были созданы не благодаря, а, скорее, — вопреки квантовой теории и должны считаться не триумфом, а грандиозным провалом неклассической физики. То же можно сказать и об основе современных лазерных систем, — полупроводниковых лазерах, идею которых выдвинул всё тот же Басов, хотя против этого восстали все теоретики, твердившие, что такой лазер не сможет работать, — из-за сильного поглощения света полупроводником. А, ведь, ещё в 1920-х годах нижегородский радиоинженер О.В. Лосев наблюдал свечение, исходящее из полупроводников, и эффект усиления, открыв путь создания не только всей нынешней электроники и транзисторов, но и светодиодов с лазерами. В итоге, вопреки всем прогнозам кванторелятивистов, полупроводниковый лазер заработал, да ещё как!

Итак, первые мазеры и лазеры не могли работать по квантовой теории! Мейману, выступившему против квантовых догм, приходилось трудиться в условиях постоянного безденежья, неверия и насмешек. Когда же твердотельный лазер был построен, и 7 июля 1960 г. на пресс-конференции, организованной Мейманом, все увидели, что лазер работает, его сразу же использовали в своих целях кванторелятивисты, забыв об авторе изобретения и начав утверждать, что лазер построен и предсказан по квантовой теории. Так, задним числом Ч. Таунс и другие учёные подогнали теоретическую базу под уже готовое изобретение, хотя исходная теория лазера Таунса, как показал Мейман, — неработоспособна, а предложенный Таунсом лазер на парах натрия так и не удалось построить. Однако, в итоге нобелевскую премию за создание лазеров получил не В. Фабрикант, и не Т. Мейман, открывший лазеры и указавший все известные в настоящее время сферы их применения, а Ч. Таунс, совместивший лазеры с неклассической физикой и применивший их для утверждения диктатуры квантовой теории и теории относительности. Повторялась ситуация, уже имевшая место при открытии сверхпроводимости, сверхтекучести (которые квантовая теория не могла предсказать и, даже, после открытия долго не могла объяснить, § 4.20, § 4.21), при открытии ядерной энергии (ничем не обязанной теории относительности, § 3.13). Так же, и лазер — это сугубо классический прибор, для понимания принципов работы которого не нужны квантовые представления, а достаточно знать классическую модель атома или опытно открытую способность среды из возбуждённых атомов резонансно усиливать падающее излучение. Секта кванторелятивистов присвоила себе открытие лазера так же, как открытие сверхпроводимости, ядерной энергии, спектральных формул Ритца, его же формул для смещения перигелия Меркурия, квантов электрического поля (реонов), — всего того, к чему кванторелятивисты не имели никакого отношения, но до сих пор приводят в качестве успехов своих абсурдных теорий. "Наказать невиновных и наградить непричастных" — таков девиз кванторелятивистов. Изобретение лазера, построенного руками инженеров и физиков-классиков, было украдено у них дельцами от науки, совсем как в повести А. Толстого "Гиперболоид инженера Гарина", и использовано для утверждения всемирного господства кванторелятивистской секты.

§ 4.10 Электрон — волна или частица?

— Кому велено чирикать — не мурлыкайте!

— Кому велено мурлыкать — не чирикайте!

Не бывать вороне коровою,

Не летать лягушатам под облаком!
(К. Чуковский, "Путаница")

Приход квантовой физики перевернул науку с ног на голову: не только свет стали наделять корпускулярными свойствами, но и частицы материи начали считать волнами, запутав всё, как в стихотворении Чуковского. Действительно, нет более странного утверждения квантовой физики, чем гипотеза де Бройля, по которой всякую частицу надо одновременно рассматривать как волну, а волну — как частицу. Однако, учёные приняли сей парадоксальный тезис, нарушающий столь почитаемый ими принцип Оккама, по которому свет незачем рассматривать как частицу, если можно объяснить его свойства, считая свет волной, и не стоит считать электроны и атомы волнами, раз легко понять их свойства, как частиц. Впрочем, казалось, электроны в опытах проявляли и волновую природу, а свет — корпускулярную. Поэтому, теперь мало кто сомневается, что электроны обладают кроме корпускулярных ещё и волновыми свойствами. Помимо законов проводимости (§ 4.17) и эффекта туннелирования (§ 4.12), косвенно подтверждающих двойственную природу электрона, имеются будто бы и прямые доказательства наличия у него волновых свойств. Это опыты, обнаружившие интерференцию и дифракцию электронных пучков или, даже, — отдельных электронов. Однако, как видели, многие неклассические эффекты вполне можно объяснить и классически. Именно так, выше было показано, что квантовые эффекты можно объяснить, считая свет простой волной. Так же, и "волновые" свойства электрона можно истолковать классически, считая его частицей. Эти объяснения не были найдены только потому, что физики, ослеплённые успехами квантовой механики, и не пытались их найти. Так существуют ли реальные доказательства корпускулярно-волнового дуализма?

Первым опытом, "подтвердившим" волновую природу электрона, был опыт Дэвисона и Джермера, которые облучали кристалл никеля высокоэнергичными электронами [134]. Те рассеивались поверхностью кристалла неравномерно: в некоторых направлениях электронов вылетало больше, в других — меньше. Максимумы и минимумы рассеяния чередовались, как при дифракции света на дифракционной решётке или рентгеновских лучей на кристалле (Рис. 161). Поэтому, сочли, что электроны подобны волне, рассеиваемой поверхностью кристалла, атомы которого играют ту же роль, что штрихи отражательной дифракционной решётки. Казалось, это подтвердили и согласующиеся с опытом численные оценки длин волн электронов — по формуле де Бройля, на основании их известных скоростей и энергий.

Рис. 161. Дифракция электронов: электронный луч, рассеянный кристаллом, в зависимости от угла ? даёт максимумы и минимумы тока электронов, попавших в детектор.

Физики, однако, не учли, что электроны при ударе о металл всегда генерируют электромагнитные волны. И, наоборот, электромагнитные волны, свет, попав в металл, вырывают из него электроны. Поэтому, не исключено, что реально на кристалле никеля дифрагировали не сами электроны, а — созданное ими ещё в электронной пушке электромагнитное рентгеновское излучение. Не зря, сравнивают дифракцию на кристалле электронов и рентгеновских лучей. А детектор, призванный регистрировать электроны, обнаруживает именно рентгеновские лучи. Ведь фотоплёнку, часто применяемую для регистрации дифракционной картины, одинаково способны засвечивать как электронные пучки, так и рентгеновские лучи.

Если же в качестве детектора использован гальванометр, меряющий величину тока, заряда, приносимого электронами, то и он может регистрировать, в действительности, просто интенсивность рентгеновских лучей. Эти лучи могут наводить ток и фото-ЭДС в гальванометре, а могут выбивать электроны из детектора, рождая ток, обратный тому, что дают электроны. Поэтому, кроме величины тока гальванометра, надо измерять его знак — соответствует ли он привнесению электронов или их уходу? Величина фототока, как гласит закон Столетова, пропорциональна интенсивности излучения. Поэтому, там, где дифракция рентгеновских лучей даёт максимумы, будет максимален и фототок, что интерпретируют как рост числа падающих электронов. А где расположены минимумы, там и фототок мал, — поэтому считают, что в эти области электроны почти не попадают (Рис. 162).

Рис. 162. Классическая трактовка опытов Джермера. Электроны, ударив в металл, генерируют рентгеновские лучи, дифрагирующие на кристалле и воздействующие на детектор.

Кроме качественного, имеется и количественное согласие. Длина волны де Бройля ?=h/MV, где M — масса частицы, V — её скорость, h — постоянная Планка. Чем выше скорость и энергия электрона, тем короче отвечающая ему длина волны. Судя по положению дифракционных максимумов в опыте Дэвисона, с ростом энергии электрона длина волны именно так и убывает. То же даёт и классическая картина явления. На кристалле дифрагируют не электроны, а созданные их ударами рентгеновские лучи, длина волны ? которых по законам обратного фотоэффекта связана с энергией электрона E=hf=hc/?, или ?=hc/E. То есть, и в классике длина волны дифрагирующего излучения падает с ростом энергии, скорости электронов. Поскольку в опытах исследуют быстрые электроны со скоростями порядка скорости света c, их импульс p=MV выражают через энергию релятивистской формулой E=pc=MVc. Отсюда найдём ?=hc/E=h/MV, что совпадает с формулой де Бройля.

Если б учёные для оценки импульса электрона пользовались классическим выражением E=MV²/2, они бы заметили несоответствие, ибо длина волны выражалась бы иначе: ?= 2hc/MV². Не замечают этого лишь от принятия формулы СТО E=pc. Одна ошибочная теория скрывает ошибки другой. Как в поговорке "рука руку моет, вор вора кроет", так и теория относительности с квантовой механикой: не будь одной, ложность другой стала б очевидна.

И, всё же, опыт Джермера обнаруживает расхождение с квантовой теорией. По СТО формула E=pc справедлива лишь для очень быстрых электронов, рождающих наиболее жёсткое излучение. Поэтому, чем медленней электроны, тем сильней отклонение в сторону классической формулы E=MV²/2. Так что, для медленных электронов, по классической теории, должны наблюдаться заметные несоответствия формуле де Бройля. И они, действительно, возникают, приводя в недоумение физиков [56, 134]. Те, правда, пытаются спасти теорию, полагая, что в металле, за счёт работы выхода, длина волны электрона меняется [82, 134]. Но все эти отчаянные попытки не выдерживают критики. Так, находимые из опытов Джермера, с учётом этой гипотезы, значения работы выхода — совершенно не согласуются с её реальными значениями. Значит, проблема именно в квантовой теории явления, а не в неучтённых помехах.

Как видим, классическая трактовка опытов Джермера не только возможна, но и даёт лучшее согласие с экспериментом, чем квантовая. Аналогично трактуются все прочие опыты по дифракции "электронов" на кристаллах и поликристаллах: везде дифрагируют не сами электроны, а вызванное ими рентгеновское излучение, которое и регистрируют детекторы. Правда, в одном из опытов Г. Томсон и П. Тартаковский, поняв, что дифракционную картину могут создать и рентгеновские лучи, пытались исключить этот эффект, наложив магнитное поле в пространстве за экраном [82]. Если дело в рентгеновских лучах, то картина, как полагали, не изменится (магнитное поле на них не влияет), а если причина в электронах, магнитное поле исказит картину, что и наблюдалось в опытах. Но и в классической картине явления электроны, прошедшие за экран и выбитые из детектора, могут исказить картину, созданную рентгеновскими лучами. Гораздо проще разделить явления, вовсе исключив попадание электронов в детекторы посредством перегородки, задерживающей электроны, но пропускающей рентгеновские лучи, либо наложив столь мощное магнитное поле, которое так отклонит электронный пучок, что электроны вообще не смогут попасть на плёнку. Если при этом дифракционная картина всё же возникнет, то причина эффекта будет однозначно заключаться в рентгеновских лучах.

Так же можно объяснить и опыты по "дифракции" или "интерференции" электронов на краю экрана, на одной или двух щелях в экране. Считают, что электронная волна, дифрагируя на перегородке, подобно свету, создаёт интерференционную картину на люминесцентном покрытии. Но, и в этом случае, очевидно, дифрагируют и интерферируют не сами электроны, а рождённые ими в металле электромагнитные волны, которые воздействуют на люминофор экрана так же, как электроны, вызывая его свечение. Особенно показателен опыт по интерференции электронов в установке, аналогичной интерферометру из опыта Саньяка (§ 1.13). Пучок электронов делился на два, которые вновь сводились на детекторе, где "интерферировали". При этом, в зависимости от вращения установки интерференционная картина менялась, словно в опыте Саньяка, где интерферировали световые волны. Однако, здесь учёные перестарались и сами себя "подставили", поскольку опыт привёл к выводу, что волны в опыте движутся со скоростью света, а не со скоростью электронов. То есть, интерферировали не электронные, а электромагнитные волны, возбуждённые электронами и отражённые плоскими электродами электронных зеркал. То есть, никакой интерференции электронов или других частиц в подобных опытах не наблюдалось: была классическая интерференция света.

Именно классическая трактовка позволяет решить одну из главных загадок интерференции и дифракции электронов. Если электроны пускать редко, дабы те следовали по одному, то интерференция на двух щелях и другие дифракционные картины, всё же, возникают, как показали опыты В. Фабриканта (изобретателя лазера, § 4.9). Но это значит, что каждый электрон проходит сразу через обе щели, интерферируя сам с собой, иначе б интерференция была невозможна. С другой стороны, можно зафиксировать, через какую именно щель прошёл каждый электрон, а также заметить то место люминесцентного экрана, куда электрон попал. Всё это не вяжется с волновым представлением электрона и тем, что он проходит сразу обе щели [15]. Учёных гнетёт это противоречие, и, потому, они либо избегают этой темы, либо выдумывают совсем уж мистические теории.

А на деле — всё просто. Раз причина дифракции не в электроне, а в вызванных им рентгеновских лучах, то ему и незачем проходить сразу обе щели. Электроны, поодиночке пролетающие через щели, вообще не влияют на дифракционную картину. Можно вообще заткнуть щели материалом, непроницаемым для электронов, но прозрачным для рождённого ими излучения, — дифракционная картина сохранится, хотя до приёмника не долетит ни один электрон. А точки, где детекторы фиксируют электроны, это не места попадания электронов, прошедших через щели, а участки, где энергия излучения достаточна для возбуждения атомов детектора, для засветки кристаллов люминофора или бромистого серебра. Всё точно так же, как в рассмотренном выше случае для обычного оптического излучения (Рис. 147).

Известен также опыт по дифракции электронов на атомах инертных газов. Такой опыт был выполнен Рамзауэром и Таунсендом [82]. Коротко суть его в следующем. Между источником И электронов и установленным напротив него приёмником П (Рис. 163) помещается рассеивающая среда — инертный газ. Выстреливаемый источником к приёмнику узкий пучок электронов известной энергии рассеивается атомами газа. Часть электронов из тех, что не рассеялись или рассеялись на малые углы, достигает приёмника, создавая электрический ток, измерение которого даёт процент долетевших частиц (этот процент и ток тем больше, чем меньше рассеяние).

Рис. 163. Электронный пучок от источника приходит к приёмнику ослабленным за счёт рассеяния электронов атомами газа.

Теоретически, с уменьшением скорости и энергии частиц, степень их рассеяния атомами, определяемая через эффективное сечение рассеяния ?, должна монотонно нарастать. Точно так же, быстро мчащийся автомобиль или снаряд, влетающий в полосу препятствий, отклоняется от прямого пути, «рассеивается» тем раньше и сильнее, чем меньше его начальная скорость.

Но в опыте такая картина, — рост рассеяния с падением скорости, — наблюдается только до определённого значения E₁ энергии электронов (Рис. 164). С достижением его, дальнейшее снижение скорости приводит уже не к росту, а к спаду рассеяния. Лишь после того, как энергия электронов понизится до следующего характерного значения E₀, степень рассеяния снова начнёт расти. Если Резерфорд, в своём известном опыте, сравнивал ?-частицы, отбрасываемые назад тонкой золотой фольгой, с винтовочными пулями, отскакивающими от листа бумаги, то медленные электроны, пробивающие слой газа в опыте Рамзауэра, следует, напротив, уподобить лёгким соломинкам, прошивающим толстый лист брони. Действительно, классическая теория долгое время не могла объяснить аномально высокой проницаемости газов — для сравнительно медленных электронов.

Рис. 164. Зависимость сечения рассеяния электронов от их энергии в опыте Рамзауэра.

Но, достаточно было предположить у электрона волновые свойства, как всё становилось на свои места. По квантомеханическим представлениям, рассматривать рассеяние электрона, как частицы, можно лишь до тех пор, пока его импульс выше некоторого значения, пока дебройлевская длина волны электрона мала, — много меньше размеров рассеивающего атома. (Точно так же геометрическая оптика, по сути рассматривающая свет, как поток прямолинейно летящих частиц, — фотонов, применима лишь для оптических систем, значительно превосходящих размерами длины световых волн.) Но, при некоторой, достаточно малой, скорости дебройлевская длина волны электрона (?=h/p, где h — постоянная Планка, а p — импульс электрона) сравнивается с размерами рассеивающих электроны атомов.

В таком случае, согласно квантовой теории, электроны рассеиваются атомами уже не как частицы, но как волны: происходит дифракция электронных волн на атомах. При дифракции же, как следует из оптических опытов, волны огибают экран, создавая при сложении интерференционные максимумы позади него, в области геометрической тени. Так, например, при освещении круглого экрана в центре его тени, при определённых условиях, появляется светлое пятно (пятно Пуассона). Примерно то же происходит с электронами. При достаточно малой скорости они начинают как бы проходить сквозь атомы, огибать их, что проявляется в уменьшении рассеяния и создании на приёмнике своеобразного электронного пятна Пуассона. (Так же и автомобиль, медленно въезжающий в полосу препятствий, уже не будет в них врезаться, а станет их объезжать, и, потому, несмотря на малую скорость, сможет длительное время двигаться в правильном направлении).

Так и получилось, что рассеяние электронов, при убывании их скорости, растёт только до определённого значения их импульса, энергии. Едва скорость электронов уменьшится настолько, что длина их волны станет сопоставима с размерами атомов, рассеяние резко снизится. Этим и объясняется необычный характер графика (Рис. 164), имеющего аномальный провал, — минимум в области низких значений энергии электронов.

Замечательно, что, чем тяжелее используемый инертный газ, тем при меньших скоростях электронов удаётся наблюдать эффект аномального снижения рассеяния. Так, в "Общем курсе физики" [134] для сравнительно лёгкого аргона приводится критическое значение энергии E₁= 13 эВ, для более тяжёлого криптона E₁ = 11 эВ, а для тяжёлого ксенона E₁ = 6 эВ. Снижение E₁ объясняют тем, что размер атомов инертных газов постепенно растёт с увеличением их атомного номера, при переходе от He к Xe (Таблица 11: радиусы по статье «Инертные газы» из БСЭ). Поэтому, чем тяжелее газ, тем больше его атомы, и тем больше должна быть дебройлевская длина волны ? электрона, для дифрагирования на них. Тем сильнее нужно снизить скорость электронов для появления аномально низкого рассеяния. Выходит, по зависимости рассеяния электронов атомами можно даже оценивать значения атомных радиусов.

Такова квантомеханическая трактовка опыта Рамзауэра-Таунсенда, казалось бы, предельно ясная и убедительная. Но, на самом деле, — не всё так гладко.

Дело в том, что рассмотренный закон усиления рассеяния с падением скорости обоснован лишь для случая упругого рассеяния, то есть, — для рассеяния, при котором сумма кинетических энергий электрона и рассеивающего атома до и после соударения — одинакова: энергия удара не переходит во внутреннюю энергию атома. Поэтому, в учебниках специально оговаривается, что рассматривается только случай упругого соударения [82]. Но, в том-то и дело, что при энергиях порядка 10 эВ соударение уже близко к неупругому (§ 4.8).

Действительно, для каждого из газов энергия E₁, начиная с которой возникает расхождение с классическим законом рассеяния, — лишь немногим меньше соответствующих энергий ионизации (Таблица 11). А, по другим данным, для аргона эти энергии и вовсе совпадают. Так, например, по учебнику А.Н. Матвеева [82] для аргона энергия наибольшего рассеяния составляет 16 эВ, что почти совпадает с энергией ионизации его атомов (15,7 эВ). Но тогда соударение становится уже неупругим: при такой энергии отдельные электроны, столкнувшись с атомом, уже не отскочат от него упруго, а потеряют скорость, отдав часть энергии на ионизацию атома, — на отрыв от него электрона.

Впрочем, столкновение становится неупругим ещё задолго до того, как энергия удара превысит энергию ионизации. Заметно меньше последней — энергия возбуждения атома (Таблица 11), — минимальная порция энергии, которую атом может поглотить. Только такая, но, — никак не меньшая, порция энергии способна перевести атом в возбуждённое состояние. Лишь электроны энергии E₁, колеблющиеся при захвате атомом с частотой f=E₁/h, способны войти в резонанс с собственной частотой колебаний внутренних электронов атома и, потому, легко отдают атому эту энергию E₁, которая излучается в виде так называемой "первой резонансной спектральной линии атома". Существование такого порогового значения энергии было открыто в опыте Франка-Герца (§ 4.8), не менее простом и убедительном, чем опыт Рамзауэра-Таунсенда. Да и во многом другом эти опыты похожи.

И там, и там имелся источник и приёмник электронов с рассеивающей средой (парами металла или инертным газом) между ними. В обоих опытах измерялся процент долетевших до приёмника электронов — по созданному в нём току. И, так же, по мере увеличения скорости и энергии электронов, всё большая их часть должна была, благодаря уменьшению рассеяния, достигать приёмника: ток I приёмника должен был монотонно нарастать по мере роста энергии электронов (Рис. 165, пунктирная кривая).

Рис. 165. Зависимость тока I электронов от их энергии E в опыте Франка-Герца.

Однако, так же, как в опыте Рамзауэра, на экспериментальной кривой (Рис. 165, сплошная линия) возникали минимумы и максимумы: по достижении электронами определённой скорости, соответствующей некоторой энергии E₀, число частиц, долетевших до приёмника, при дальнейшем росте скорости — переставало увеличиваться и начинало убывать. Лишь по достижении электронами следующего характерного значения скорости (и энергии E₁), доля частиц, поглощённых приёмником, начинала снова расти. Объясняется опыт просто: пока скорости движения электронов малы, атомы рассеивают их упруго, почти не уменьшая их скорости при соударениях, поскольку атом гораздо массивней отскакивающих от него электронов.

Но, едва нарастающая энергия электрона превысит потенциал возбуждения атома E₁ (и его первой резонансной линии), как последний отберёт энергию у частицы: энергия электронов сгорает, как при переборе в карточной игре «очко» (именно так в гелии набор электроном энергии большей 21 эВ, ведёт к её "сгоранию"). Электроны с такой энергией теряют скорость и не могут больше преодолеть запирающего поля. Если же электрон имеет заметно большую энергию, то, в зависимости от условий опыта, он либо теряет только часть её (равную резонансному потенциалу), либо совсем её не теряет (усовершенствованный опыт Герца). Вот почему, по мере дальнейшего роста энергии электрона, процент достигших приёмника частиц снова начнёт увеличиваться (Рис. 165).

Сходство опытов столь очевидно, что сразу обращает на себя внимание. В обоих опытах наблюдается, вопреки предсказанной зависимости (на Рис. 164 и Рис. 165 показана пунктиром), — резкое падение числа долетевших до приёмника электронов, которое минимизируется, при достижении ими энергии E₁. Недаром, зависимости на Рис. 164 и Рис. 165 качественно являются зеркальным отражением друг друга, поскольку ?~1/I. То есть, в опыте Рамзауэра возникает так же зависимость тока электронов от энергии, что и на Рис. 165. Поэтому, опыт Рамзауэра-Таунсенда объясняется так же, как опыт Франка-Герца. Набрав определённую энергию, электроны перестают в столкновениях рассеиваться упруго, а разом отдают атомам накопленную энергию (равную энергии возбуждения, — резонансному потенциалу). При этом, скорость их падает, что ведёт к усилению рассеяния, снижающего процент долетевших до приёмника частиц. Тогда, на монотонно убывающей кривой рассеяния появляется своеобразный резонансный максимум, всплеск. Вот почему график (Рис. 164) так напоминает знакомую всем со школы резонансную кривую.

Таким образом, резонансный максимум и сопровождающий его минимум рассеяния должны наблюдаться в любом случае, независимо от природы электрона. О резонансном пике сечения рассеяния, приходящемся на энергию возбуждения, упоминается и в литературе по теории столкновений и рассеяния электронов на атомах. А, раз на графике (Рис. 164), кроме экстремумов, связанных с возбуждением атома, нет никаких других, то, выходит, ни к чему здесь привлекать дифракцию и волновые свойства электрона. Так что, результат опыта Рамзауэра-Таунсенда не может служить доказательством волновой природы электрона: этот опыт есть не более, чем видоизменённый опыт Франка-Герца.

Это подтверждается и значениями энергии максимумов рассеяния в опыте Рамзауэра, которые близки к энергиям возбуждения указанных газов (Таблица 11: энергии возбуждения атомов по книге [91, с. 44]). Из-за того, что резонансный пик кривой рассеяния по разным причинам сильно размыт, минимум рассеяния может заметно отстоять от максимума, а энергия максимума — не точно совпадать с энергией возбуждения.

И вовсе не увеличением размеров атомов объясняется в опыте Рамзауэра уменьшение энергии E₁ максимума рассеяния, а тем, что энергия возбуждения (и ионизации) постепенно убывает при переходе от гелия к ксенону. Если же размеры атомов, действительно, иногда оценивают по рассеянию и дифракции на них электронов, то, возможно, ошибочностью такой методики измерения и вызваны большие расхождения (иногда в 5 раз) значений атомных радиусов, найденных разными методами.

Итак, опыт Рамзауэра-Таунсенда не подтверждает волновых свойств электрона и должен быть исключён из соответствующих разделов учебников. Казалось бы, ничего страшного: просто в данном опыте проявляется, как и во многих других, не волновая, а только корпускулярная сторона двуликого электрона, зато в других дифракционных опытах волновые свойства этих, да и других частиц налицо. Но не всё так просто…

В опыте Рамзауэра, как и в опыте Франка-Герца, волновые свойства электрона, приводящие к уменьшению рассеяния, всё же должны проявляться, если и не при указанных, то при чуть меньших значениях энергий. Но в том-то и дело, что на зависимостях (Рис. 164 и Рис. 165), кроме обязательных колебаний рассеяния, связанных с возбуждением спектральных линий и ионизацией атомов, — больше нет никаких других. Получается, что опыт Рамзауэра не только не подтверждает волновой природы электрона, но даже опровергает её.

Вдобавок, ошибочная волновая трактовка опыта Рамзауэра, вошедшая в учебники, подрывает доверие к волновому объяснению и всех остальных опытов по интерференции или дифракции электронов и других частиц. Как увидим, все эти опыты можно объяснить рационально, без привлечения волновых свойств частиц. Выходит, реально нет никакого корпускулярно-волнового дуализма, и учёные ожидаемое — принимают за действительное. Просто результаты опытов по интерференции электронов, как и результаты опыта Рамзауэра, были настолько необычны, казались столь противоречащими классическим представлениям, что волновая природа электрона была в них признана безоговорочно, и не было попыток дать опытам альтернативное объяснение. А, между тем, видим, что такое объяснение может быть найдено, его следует поискать. Не зря, даже Эйнштейн и Планк, которых никто не обвинит в слепой приверженности классическим взглядам, работами которых и было положено начало квантовой физике, до конца своих дней отрицали квантовую механику и индетерминизм явлений микромира, утверждая, что невозможно для частицы быть одновременно волной, а для волны — частицей. И многие другие физики верили, что со временем в каждом из случаев выживет только одна модель, которая объяснит как волновые, так и корпускулярные свойства частиц или волн. Эту точку зрения самоотверженно защищал и А.Г. Столетов (§ 4.3).

§ 4.11 Волновые свойства частиц

Его богатое воображение, его оптимистическая готовность овладеть проблемой, не затруднённые слишком критическим подходом, были бы здесь весьма уместны.
(А. Зоммерфельд по поводу ранней кончины В. Ритца [50])

Вальтер Ритц, подобно Шерлоку Холмсу, был непревзойдённым мастером по простому рациональному объяснению, на первый взгляд, сверхъестественных явлений и загадочных фактов, оказавшихся не по зубам представителям официальных структур. Так, Ритц классически объяснил результат опыта Майкельсона, спектры атомов, излучение чёрного тела. И, в объяснении волновых свойств частиц, пожалуй, именно Ритц, которому было многое по плечу, благодаря его оптимизму и смелому воображению, предложил бы разгадку. Однажды он уже сделал это, объяснив на базе корпускулярной теории истечения света и баллистического принципа волновые свойства света, переносимого частицами-реонами. Несомненно, Ритц предложил бы разумное наглядное классическое объяснение и волновым свойствам всех других частиц.

Так, волновые свойства были обнаружены не только у электронов, но и у других частиц, — нейтронов, атомов и молекул. Но, совершенно так же, как в случае реонов и электронов, эти опыты можно объяснить классически, не прибегая к гипотезе корпускулярно-волнового дуализма, а продолжая считать частицы простыми телами, корпускулами.

Рис. 166. Схема работы селектора скоростей, пропускающего молекулы со скоростями V=d/t.

Рассмотрим, например, дифракцию молекулярных пучков на поверхности кристалла. Сначала прибор, называемый "селектором скоростей" и представляющий собой два вращающихся диска с прорезями [134], выделяет из пучка частицы, обладающие заданной скоростью и соответствующей длиной волны де Бройля (Рис. 166). Этот пучок падает на кристалл и отражается, подобно электронному (Рис. 161). При этом, кроме пучка, отражённого под углом падения ?, возникают два побочных пучка, — два вторичных максимума, как от дифракции (Рис. 167). Эти максимумы отстоят от главного тем дальше, чем ниже скорость молекул и больше длина волны. Кажется, этот опыт уверенно доказывает волновые свойства частиц. Но это только кажется, поскольку он тоже имеет простую классическую трактовку. Прежде всего, селектор пропускает помимо молекул со скоростью V=d/t, частицы, летящие со скоростями d/(t+nT), где n — целое число, T — период обращения дисков. То есть, в кристалл попадают и сравнительно медленные частицы, за время пролёта которых селектор делает один или n оборотов.

Рис. 167. Картина рассеяния пучка атомов кристаллом напоминает дифракционную, но объясняется классически.

Теперь рассмотрим частицу, падающую на поверхность кристалла. Атом отскакивает не от отдельных атомов кристалла, а от взаимодействия с их общим электрическим полем. Поле атомной плоскости имеет волнистые эквипотенциальные поверхности, горбы которых расположены напротив атомов, а впадины — между ними. При этом, чем дальше от границы кристалла, тем более плоскими и гладкими становятся плоскости равного потенциала. От этих эквипотенциальных поверхностей и отскакивают, отражаются атомы или молекулы газа. Чем выше энергия частиц газа, тем от более глубокой поверхности они отразятся, словно от жёсткой, то есть, — под углом равным углу падения. Если сечение поверхности изобразить синусоидой с предельной крутизной ?, то видно, что атомы будут отражаться под любыми углами, заключёнными в пределах от ?–2? до ?+2?. Причём интенсивней всего идёт отражение именно под этими крайними углами: каждый пучок создаёт по два максимума (Рис. 168). У медленных частиц они отстоят мало, поскольку частицы отражаются внешними эквипотенциальными слоями, почти плоскими, — с малым ?. Эти медленные молекулы с V=d/(t+nT), которых в газе больше всего, и создают высокий главный пик возле угла ? — максимумы слиты в один (Рис. 167). Зато быстрые молекулы c V=d/t доходят до более глубоких слоёв с большей волнистостью и крутизной ?. Именно они создают возле главного два побочных максимума, ошибочно принятых за дифракционные.

Рис. 168. Рассеяние атомов поверхностью кристалла под избранными углами — результат отражения атомов эквипотенциальными поверхностями.

Чем выше скорости быстрейших молекул, пропущенных селектором, тем глубже лежат отражающие их эквипотенциальные поверхности, имеющие большую крутизну ?. И тем дальше отстоят побочные максимумы от главного. Впрочем, с углублением угол ? может и снижаться. Вот почему результаты таких опытов неоднозначны, и не приводится их количественный анализ. Ведь, если эффект — классический и не связан с дифракцией, то опыт и не может дать согласия с формулами квантовой механики, доказав ложность волн де Бройля.

Бесполезность волновых свойств частиц и "дифракции" для объяснения эффекта следует и из того, что эффект удалось наблюдать лишь у лёгких атомов гелия и молекул водорода. Если же применялись более тяжёлые инертные газы и пары металлов, то "дифракционная" картина не возникала. Как показали опыты 1971 г., вместо трёх максимумов получался либо один пик, либо два симметричных горба ("Техника — Молодёжи" № 4, 2001). Видимо, это связано с низкой скоростью тяжёлых атомов, отчего через селектор проходили лишь самые быстрые из них, а все прочие рассеивались. Как показано выше, именно такие атомы, летящие со скоростью V=d/t, и образуют два симметрично рассеянных горба. Если же угол ? близок к углу предельной крутизны ?, то из этих двух горбов остаётся только один горб-лепесток, соответствующий отражению пучка атомов под углом ?+2?. А второй горб, отвечающий углу отражения ?–2?, не может возникнуть или имеет ничтожную интенсивность, подобно пику, отвечающему зеркальному отражению под углом ?. Тем самым, доказано, что отражение атомных и молекулярных пучков носит не дифракционный характер, "предсказанный" квантовой механикой, а вполне классический.

Последний убедительный, по мнению физиков, довод в пользу волновых свойств частиц — это дифракция нейтронов. Поток нейтронов, равно как поток электронов, при падении на кристалл рождает дифракционные картины. Однако, причина их вряд ли в дифракции нейтронов. Скорее дело в том, что нейтроны, как известно, тоже генерируют при попадании в вещество электромагнитные волны рентгеновского и гамма-диапазона. Нейтроны, сталкиваясь с ядром, переводят его в возбуждённое состояние, подобно электронам, возбуждающим атом (именно по такому принципу накачки нейтронами работает, к примеру, ?-лазер). Вспомним, что нуклоны (протон и нейтрон) играют ту же роль в генерации ядерных спектров, что и электрон с позитроном — в генерации атомных спектров (§ 3.7). Ядро, поглотившее нейтрон, возбуждается и начинает излучать электромагнитные волны, частота f которых связана с энергией E падающего нейтрона. Возможно, в ядре он распадается до протона и электрона, которые, получив всю энергию нейтрона, начинают вращаться в магнитном поле ядра с частотой f=E/h, излучая на длине волны, близкой к дебройлевской ?=h/(E/c)?h/p, где p — импульс падающего нейтрона (§ 4.3). И, наоборот, излучение частоты f способно резонансно выбить из ядра нейтрон энергии E=hf, скажем, — в результате удара по ядру фотоэлектрона энергии E или вылета крутящегося с частотой f протона, захватившего при вылете из ядра электрон [135, с. 64]. Такой резонансный вылет протонов и нейтронов, под действием гамма-излучения соответствующей частоты, давно известен [19] и называется "ядерным фотоэффектом" (фотоядерными реакциями). То есть, аналогия проявления "волновых" свойств электронов и нейтронов при взаимодействии с атомами — это ещё один пример родства свойств атома и ядра, а также единого механизма генерации атомных и ядерных спектров (§ 3.1, § 3.7).

Таким образом, снова имеем классическую картину: падающие нейтроны возбуждают излучение соответствующей длины волны, которое и дифрагирует на кристалле. Затем, в тех точках дифракционной картины, где излучение наиболее интенсивное, из ядер вылетают нейтроны (в ходе ядерного фотоэффекта § 4.6), которые регистрируются приборами. Рентгено-, электроно- и нейтронография потому и стали самыми популярными методами анализа структуры вещества, что в каждом из них создаётся рентгеновское излучение, удобное для изучения кристаллов. Разнятся лишь способы генерации и регистрации этого излучения. Таким образом, ни к чему считать частицы ещё и волнами. Все их так называемые "волновые" свойства — это иллюзия. Принцип Оккама снова оправдал себя!

Явления и законы природы жёстко детерминированы и вполне познаваемы. Поэтому, учёный, желающий добиться настоящего успеха в науке, должен быть, прежде всего, оптимистом, обладать безграничной уверенностью в возможности понять и объяснить явления природы на рациональной основе, с позиций наглядных классических, а не мистических представлений. Если по-настоящему захотеть и постараться, то удастся найти простое естественное объяснение любым загадкам природы. Именно в таком оптимизме, смелости воображения, как верно заметил Зоммерфельд, и состояла одна из причин успеха Ритца в понимании явлений природы. Не зря, именно Ритц, в согласии с законами диалектики, непротиворечиво соединив волновые и корпускулярные представления о свете, впервые дал наглядное адекватное классическое описание потока волн материи — образуемых реонами кинематических волн, аналогичных классическим электронным "волнам" в клистронах (§ 1.11).

§ 4.12 Работа выхода и туннельный эффект

Молньи стремителен бег, и разит она тяжким ударом
И с быстротою всегда чрезвычайной скользит при полёте
Из-за того, что сама в облаках набирается силы,
Прежде чем вылетит вон, получая огромную скорость.
А когда больший напор её выдержать туча не может,
Вырвавшись тут, вылетает она с изумительной силой,
Вроде того, как снаряд из могучих несётся орудий.
Кроме того, элементы её мелки и гладки,
И потому не легко для молньи поставить преграды.
Внутрь проникает она и проходит по пористым ходам.

(Тит Лукреций Кар, "О природе вещей", I в. до н. э. [77])

Чтобы окончательно доказать адекватность и достаточность классического описания движения частиц, рассмотрим напоследок туннельный эффект. Туннельный эффект — это последнее важное "проявление волновых свойств" электронов и других частиц, которое тоже легко истолковать классически. Электроны образуют в металле электронный газ, который, как всякий газ, не имеет резких границ и, потому, частично выходит за пределы металла. Именно так электроны и "туннелируют" сквозь границу без помощи волновых свойств.

Рассмотрим подробней эффект туннелирования и природу работы выхода электронов. Известно, что электрон может покинуть металл, лишь затратив энергию, равную работе выхода A [36, Ч.I]. Вот почему, для интенсивной электронной эмиссии из металла требуется его нагрев. Только так возникают электроны со скоростями и энергиями, достаточными для ухода с поверхности (термоэлектронная эмиссия). Но, как оказалось, электроны могут уходить даже с поверхности холодного металла, если приложить снаружи достаточно сильное электрическое поле (холодная эмиссия). Считали, что в классической теории такое невозможно. Ведь для того, чтобы электрон набрал в электрическом поле энергию выхода, ему надо пройти в этом поле некоторый путь, отойдя от поверхности. А, чтобы выйти из металла, нужна энергия, равная работе выхода A. Возникает порочный круг: электрон мог бы набрать требуемую энергию, если б перепрыгнул через энергетический барьер, но для этого-то ему и нужна энергия [134]. И, всё же, электроны как-то выбираются из металла, словно беря энергию взаймы и следуя не поверх барьера, а сквозь него, как сквозь туннель, огибают барьер словно волны, будучи размыты в пространстве и времени, за счёт квантовой неопределённости. Вот почему, этот туннельный эффект считают возможным лишь в рамках квантовой механики.

И, всё же, туннельный эффект не доказывает квантовых фантазий о размытом в виде волны электроне, но допускает чисто классическую трактовку, если правильно истолковать работу выхода. Прежде всего, подвижные электроны, даже в холодном металле, то и дело покидают его поверхность, придавая ей положительный заряд, который тянет электроны обратно (Рис. 169). В итоге, над поверхностью любого металла реет облако взмывающих и падающих электронов, — своего рода электронная атмосфера, окружающая металл тонким слоем. Эта прослойка и задаёт работу выхода. Каждый электрон, вырвавшись с поверхности металла, влетает в облако, электрическое отталкивание которого создаёт тормозящую силу FT, тянущую электрон назад. Электрон между отрицательно заряженной вершиной облака и положительно заряженной поверхностью оказывается как меж пластин конденсатора с запирающим полем.

Рис. 169. Электроны, вылетевшие за границу металла, втягиваются назад. Лишь самые быстрые и ускоренные полем E покидают металл насовсем.

По сути, тонкий слой электронного газа, обволакивающий поверхность металла, аналогичен атмосфере Земли, атомы которой тоже не могут уйти в космическое пространство, поскольку для этого необходимо преодолеть земное притяжение, совершив своего рода работу выхода. Скорости атомов меньше первой космической, и, взлетев до некоторой высоты, они возвращаются к поверхности. Лишь у планет с горячей атмосферой или малыми размерами атомы непрестанно утекают в пространство. Подобно концентрации атомов в атмосфере, концентрация электронов падает с удалением от поверхности — по экспоненциальному закону. И лишь редкие высокоскоростные электроны доходят до внешних слоёв электронного облака.

Нагрев металла ускоряет движение электронов, и всё большему их числу удаётся покинуть металл. Так возникает термоэлектронная эмиссия, аналогичная утечке атомов газа из нагретой атмосферы. В случае холодной эмиссии, реализуется иной вид утечки: не от роста скорости частиц электронного газа, а от падения запирающей силы и работы выхода (это соответствует утечке газов с малых планет, не способных удержать атомы своим полем). Ведь, при холодной эмиссии электрон находится не только в запирающем поле электронной атмосферы, но и во внешнем ускоряющем поле E, которое снижает возвратную силу FT и позволяет электронам, преодолев притяжение металла, покинуть его насовсем.

Прежде считали, что внешнее поле не способно придать достаточную энергию электрону, поскольку внутри металла электрическое поле отсутствует, а выйти из металла электрон, по прежним представлениям, не мог. Реально же электроны вылетают из металла и на пути L набирают в поле E энергию EL. То есть, внешнее поле успевает сообщить электрону энергию A достаточную для полного выхода из металла. Здесь и впрямь наблюдается, своего рода, туннельный эффект: электронный газ выходит на некоторую высоту из металла, не будучи скован его границами, словно он размыт. Но размытость эта не имеет ничего общего с квантово-механической неопределённостью положения и энергии электрона, с представлением его в виде волны. Явление имеет чисто классическую природу, ибо газы и атмосферы, в том числе электронные, не могут иметь чётких границ. Их граница всегда условна, размыта.

Наконец, и количественно ток электронов при холодной эмиссии вполне соответствует классической теории. Как было сказано, концентрация электронной атмосферы в приповерхностном слое металла спадает с расстоянием h от границы — по экспоненциальному закону Больцмана n~e^—h/H, подобно спаду концентрации молекул земной атмосферы с высотой h, где H~kT — характерная высота, растущая с увеличением температуры T и оценочно равная толщине атмосферного слоя. Набрать энергию A, достаточную для полного улёта из металла, способны только те электроны, которые пройдут в ускоряющем поле E путь L=A/E. Иначе говоря, покинуть металл смогут электроны, взлетающие на высоту h>L. Число их легко найти интегрированием их концентрации n~e^—h/H, в пределах изменения h от высоты L до бесконечности. Отсюда найдём, что процент вылетающих электронов, способных покинуть металл, пропорционален e^—^L/H= e^—A/HE. Именно такая зависимость тока холодной эмиссии I~ e^—E'/E и была найдена в опытах, где постоянная E'=A/H [36, 134].

Аналогично объясняется туннельный эффект для двух металлических пластин, отделённых тонким слоем диэлектрика. Электроны одной пластины влетают внутрь диэлектрика и, при малой его толщине, могут пройти в другую пластину. В отсутствие напряжения, этот поток уравновешивается обратным. Но, при наложении напряжения, этот баланс нарушается, и через такой контакт пойдёт небольшой ток, величина которого экспоненциально растёт с температурой T и с уменьшением толщины L диэлектрика. Такое же тонкое электронное облако создаётся в переходном слое на границе двух металлов, имеющих разную концентрацию электронов, что объясняет контактную разность потенциалов.

Кроме того, как было показано ранее, существование работы выхода напрямую связано со свойствами атомов и молекул, с наличием у них энергии ионизации, поскольку металл можно рассматривать как одну гигантскую молекулу, имеющую определённую энергию ионизации, которая и есть работа выхода из металла (§ 4.3). Интересно, что чёткие механические представления о движении электронов в металле сформировались ещё в античном мире у Демокрита и Лукреция, которые представляли разряд молнии в виде тока мельчайших частиц (электронов), преодолевающих запирающее поле облака и стремительно вылетающих из тучи. Не зря, и в этой древней теории электричества нашла применение баллистическая аналогия, позволившая предвосхитить открытие работы выхода электрона, критического поля пробоя и ударной ионизации.

Другое проявление "туннельного" эффекта, уже для альфа-частиц, было рассмотрено выше (§ 3.14). Феномен тоже нашёл простое классическое истолкование, так что и ?-частицу ни к чему считать волной, вводя неопределённость её положения и энергии в ядре. Необходимую для отрыва от ядра энергию активации ?-частице сообщают случайные удары реонов, заставляющие компоненты ядра дёргаться наподобие броуновских частиц. Когда совокупная энергия ударов превысит энергию активации E_a, ?-частица отрывается и дальнейший её разгон осуществляют кулоновские силы, отдающие потенциальную энергию E_к (Рис. 132). При этом, вероятность получения энергии активации по законам математической статистики, экспоненциально убывает с ростом этой энергии. А, потому, если эта энергия велика, то распады происходят крайне редко: ядра имеют большой период полураспада T_1/2. Поскольку средняя запасённая в разных ядрах внутренняя энергия реакции E_r — примерно одинакова, то полная энергия Eк= E_r+E_a, приобретённая ?-частицей за счёт внутренней энергии ядра и случайных ударов, мало отличается у разных ядер, составляя 2–9 МэВ. Причём, увеличение энергии ?-частиц, происходящее за счёт сообщения добавочной энергии активации E_a, как говорилось, сопровождается очень сильным ростом периода полураспада ядра T_1/2. Тем самым, получает простое объяснение закон Гейгера-Неттола, теперь уже не требующий привлечения квантовой теории ?-распадов Гамова [135].

Аналогично было показано, что электрон, постоянно испускающий реоны или испытывающий их удары, тоже должен постоянно дёргаться, дрожать, что отчасти напоминает квантовую неопределённость его положения, однако, — с чисто классической природой. Наконец, некоторая "размытость" присуща электронам и по той причине, что они генерируют поток реонов не сами, а испускают прежде бластоны, взрывающиеся каскадами реонов на разном расстоянии от электрона — в пределах сферы распада, имеющей некоторую толщину и протяжённость (§ 3.18). Это приводит к тому, что кулоновские силы и закон Кулона, так же, как сила давления, порождаемая ударами атомов воздуха, имеют лишь среднестатистический смысл: на малых масштабах кулонова сила, подобно силе давления, оказывается случайно меняющейся, в какой-то момент оказываясь то больше, то меньше, — в зависимости от того, на каком расстоянии взрываются бластоны. Этим тоже можно, в некоторых случаях, объяснить эффекты туннелирования, которое происходит в те моменты, когда силы притяжения или отталкивания зарядов ослаблены или увеличены за счёт флуктуаций. Таким образом, эффекты туннелирования, хоть и связаны с вероятностными процессами, "размытостью" частиц, но вероятность и размытость эта — чисто классическая, детерминированная, имеющая простое наглядное механическое объяснение.

§ 4.13 Детерминизм в физике и объективная реальность

Демокрит настолько был увлечён возможностью "сквозного" причинного объяснения мира, что объявлял всякого рода случайные события лишь субъективной иллюзией, порождённой незнанием подлинных причин происходящего. Знание же их, по убеждению Демокрита, превращает любую случайность в необходимость.
(Б.Б. Виц, "Демокрит" [31, с. 62])

Основная проблема неклассической физики состоит, пожалуй, в том, что она лишает мир свойства быть объективной реальностью, делает его существенно зависящим от наблюдателя, то есть, по сути, — отрицает материальность мира и материалистический подход в науке. Все понятия и свойства тел становятся условными, относительными, неопределёнными. Относительным становится не только время, пространство, длина, масса, но даже понятие волна и частица. Поэтому, все кванторелятивистские теории вполне подходят под определение "релятивизма", — идеалистического учения, отрицающего возможность объективного познания действительности, вследствие якобы полной относительности наших знаний (§ 5.12). В самом деле, Эйнштейн, в своей теории относительности, ставит весь мир в подчинение наблюдателю: к нему всё привязано. Понятия ритма процессов, длины, массы и других индивидуальных характеристик тел, по Эйнштейну, уже не имеют смысла безотносительно к наблюдателю. Это — чистейшей воды субъективизм, отрицающий объективную реальность мира. Такая абсолютизация наблюдателя — это, по сути, возвращение к геоцентрической теории Аристотеля-Птолемея, ставивших в центр мира земного наблюдателя, относительно которого всё и вертелось. Совсем как Аристотель не мог себе представить, что Солнце "покоится", так же и Эйнштейн не мог представить "покоящегося" солнечного луча света, который якобы всегда должен двигаться относительно наблюдателя с одной и той же скоростью c, равно как с постоянной скоростью движется по кругу Солнце в системе Аристотеля. О том, что Эйнштейн свёл на нет достижение Коперника, говорил ещё век назад А.К. Тимирязев [25]. Именно абсолютизированный наблюдатель (или наблюдательный прибор) выступает во всех неклассических теориях как "Пуп Земли" и своими субъективными ощущениями задаёт физическую реальность.

Причём, Эйнштейн утверждает, что зависимость явлений от наблюдателя имеет характер не просто иллюзии, а реальности. Так, ранее был рассмотрен эффект Доплера и Ритца, говорящий об изменении частоты от движущегося источника (§ 1.10). Однако, это изменение носит лишь видимый, мнимый характер. Мы знаем, что реальная частота процессов в источнике, разумеется, не меняется при движении наблюдателя относительно источника. Источнику свойственна собственная, строго заданная частота. А, следуя Эйнштейну, можно было бы и в этом случае сказать, что в зависимости от движения источника и наблюдателя происходит реальное изменение частоты процессов источника. Причём, разные наблюдатели, движущиеся с разными скоростями, зарегистрируют разные частоты источника и, с релятивистских позиций Эйнштейна, все они будут правы. Ведь и здесь нет способа узнать реально или мнимо изменение хода времени. То есть, возникает неопределённость, многозначность, индетерминизм, "физическое беззаконие": источник не имеет одной, строго заданной частоты, — частота, время не существуют в объективной реальности, они относительны, в согласии с определением релятивизма и в противоречии с материалистической классической картиной мира. То же самое и с массой, длиной: эти физические свойства теряют определённость, размываются и ставятся в зависимость от наблюдателя. В этом суть СТО. Тем самым, Эйнштейн сам идёт против детерминизма (однозначности физических значений, связанных жёсткой причинно-следственной связью), который он отстаивал, когда критиковал квантовую механику, отрицающую классический принцип причинности: принцип причинной, исторической обусловленности, закономерности всех явлений.

Могут возразить, что в такой относительности, зависимости явлений от наблюдателя нет ничего странного. Так, в книге Мартина Гарднера "Относительность для миллионов" [37] приведён такой пример: два человека равного роста смотрят друг на друга через одну и ту же рассеивающую линзу, отчего каждому кажется, что другой меньше, и в этом нет противоречия. Поэтому, точно так же, каждому из двух движущихся наблюдателей вполне может казаться, что другой короче и что частота тиканья часов у другого меньше. Но существенно то, что теория относительности указывает на реальность подобных изменений, тогда как мы знаем, что это просто фокус, иллюзия. Через линзу мы видим не сам предмет, а, лишь, — его увеличенное, искажённое изображение (§ 1.12), тогда как, истинные размеры предмета остаются неизменными, существуя в объективной реальности. Точно так же, при движении не меняется и ритм времени наблюдаемого объекта, сохраняя своё стандартное значение. У Эйнштейна же объективная физическая реальность не существует, и весь мир — это лишь субъективное восприятие, своё для каждого наблюдателя и прибора. А это есть субъективизм, идеализм, просто, — физический, завуалированный, поскольку в качестве познающего субъекта выступает уже не только человек, но и физический измерительный прибор.

С ещё большими нарушениями детерминизма и попранием объективной реальности сталкиваемся в квантовой механике. Каждая частица оказывается размыта в форме тумана неопределённости, причём, не просто распылена в каком-то объёме, а, по принципу неопределённости Гейзенберга, может находиться в каждой точке с некоторой вероятностью. Определить, в какой точке будет обнаружен, например, электрон, принципиально невозможно, в отличие от известных примеров случайных вероятностных процессов (бросание монет, костей, движения броуновских частиц). Причём, опять же, это свойство оказывается напрямую связано с наблюдателем. В зависимости от скорости движения частицы относительно наблюдателя, её положение оказывается более или менее размытым. Кроме того, относительным становится и само понятие "частица". В зависимости от системы отсчёта и наблюдателя, объект оказывается то волной, то частицей. Мы не только не можем определённо сказать, где находится в данный момент частица, но даже не можем толком указать частица ли это или волна. Это — полный индетерминизм, неопределённость, лишающая мир всех физических свойств и, прежде всего, свойства быть объективной реальностью, независимой от наблюдателя.

Именно с приходом принципа неопределённости Гейзенберга, индетерминизм, противоречащий духу материалистической науки, достиг своего апогея в физике. Не случайно, сам Гейзенберг был сторонником идеализма, который и привнёс в физику [156]. Ритц убедительно показал, в пику Эйнштейну и Гейзенбергу, что энергия локализована, что поведение атома и движение электронов в нём подчиняется законам классической механики: оно жёстко детерминировано. В то же время, именно теория Ритца позволила дать классическую трактовку принципу неопределённости Гейзенберга. Так, модель Ритца показывает, что заряд электрона и впрямь может быть "размазан" в пределах некой сферы распада, что классически объясняет эффекты туннелирования (§ 3.18). Но эта "размытость" имеет классическую природу: электрон имеет структуру, состоит из мелких частиц, летающих и делящихся в пределах его сферы. При этом, положение и движение каждой частицы в любой момент строго определено. Так же и облако атомов, электронов можно считать размытым, не имеющим чётких границ, но эта "размытость" — классическая, связанная с усреднением по времени случайного движения частиц.

Кроме того, ещё Р. Фритциус показал, что, согласно Ритцу, электрон в атоме под действием ударов реонов, испущенных ядром, должен дёргаться, дрожать: его движение становится сложным, случайным. Электрон, подобно броуновской частице в сосуде, начинает беспорядочно метаться в пределах некой области атома, имея неопределённое положение и энергию. Но, при этом, в каждый момент времени можно точно зафиксировать его мгновенную координату, скорость и энергию: тут нет принципиальных ограничений. Случайные тепловые блуждания электрона и действие ударов реонов ведут к тому, что в некоторые моменты энергия электрона и образованных из электронов частиц может превысить высоту потенциального барьера, отчего частицы его преодолевают и отрываются (§ 3.14, § 4.12). Дрожанием электронов в атоме от ударов реонов можно объяснить и естественную ширину спектральных линий, тоже связанную с принципом неопределённости (§ 3.4). Выходит, эти и другие "квантовые" явления можно объяснить без нелепого индетерминизма, а — вполне рационально и классически, если только распространить принципы статистической молекулярной физики, в том числе, принцип вероятностной необратимости, — на явления электродинамики, как предлагал ещё Ритц в споре с Эйнштейном [161].

Против индетерминизма, неопределённости, восставали все прогрессивные учёные, вспомним того же Столетова, который ещё накануне пришествия квантовой механики стал на борьбу с нематериалистическими, энергетическими веяниями в науке (§ 4.3, § 5.14). Но и задолго до этого отстаивал детерминизм первый учёный-материалист Демокрит. Этот древнегреческий атомист отрицал индетерминизм не из глупого страха перед случайностью явлений. Напротив, именно Демокрит, а за ним Эпикур и Лукреций ввели в физику случайное, вероятностное движение броуновских частиц под действием беспорядочных ударов атомов, — спонтанное механическое развитие процессов, независимое от воли богов. Именно эти древние атомисты, как отмечал С. Вавилов, предугадали принцип неопределённости, объяснив его классическими причинами. Однако, все они понимали, что за этой случайностью стоит жёсткий порядок, причинно-следственная взаимосвязь явлений. Демокрит утверждал, что не существует реальной неопределённости, и все случайности лишь кажутся таковыми, поскольку мы не знаем исходных условий, связи явлений [31]. Так, подбрасывая монетку, игральную кость, мы не знаем, какой стороной она упадёт, но — не потому, что это совершенно случайное, неопределённое событие, а потому что мы не знаем начальных условий её запуска (которые задаём бессистемно, произвольно). Зная же направление, скорость броска и скорость вращения жребия при запуске, можно точно рассчитать, что именно выпадет на основании законов механики и аэродинамики. Ещё Лаплас отмечал, что, обладая знанием скоростей и координат всех частиц мира, можно, на основании законов механики, как угодно точно вычислить их последующие положения, то есть предсказать будущее, сколь угодно отдалённое. Итак, по Демокриту нет случайностей: все случайности — это неизбежное следствие предшествующих событий. Поэтому, частица, скажем, электрон, имеющий некоторую начальную скорость и положение, всегда попадёт в строго определённую щель или предопределённое место на экране, даже если мы не знаем его исходных характеристик (§ 4.10).

Порой утверждают, что весь этот релятивизм и индетерминизм — это лишь продолжение программы Демокрита, Коперника, Галилея и Ньютона. Именно Демокрит, а затем и Коперник с Галилеем ввели в механику кинематический принцип относительности, показав относительность понятия скорости. То есть, если предмет движется в одной системе с заданной скоростью, то в другой системе, движущейся относительно первой, скорость предмета будет иной. Иллюзорность абсолютного движения окружающих предметов для наблюдателя на корабле отмечали ещё Демокрит и Лукреций (см. эпиграф § 2.19). Так же и Коперник показал, что видимое движение Солнца по небу не обязательно свидетельствует о его движении, и, в действительности, движется, вращается Земля. В этом суть кинематического принципа относительности и баллистического принципа в БТР. Но это никоим образом не лишает мир объективной реальности, а, как раз, — утверждает её. Нет ничего странного в том, что с разных точек зрения, разными наблюдателями всё видится по-разному: если первому одни предметы кажутся ближе, быстрее, то второму — другие.

При этом Демокрит, Коперник и Галилей в один голос утверждают, что все такие, воспринимаемые наблюдателем, движения звёзд и планет по небесной сфере — это лишь видимость, иллюзия, созданная вращением Земли. Существует чёткий вариант взаимного положения и движения тел, — существует объективная реальность, по-разному воспринимаемая разными людьми. А неклассические теории относительности и квантовой механики, напротив, вернули к воззрениям Птолемея-Аристотеля, приписав видимости — статус реальности, абсолютизировав наблюдателя. Не зря, выходит, А.К. Тимирязев обвинял Эйнштейна, который обесценил своей теорией — творение Коперника, жертву Бруно, подвиг Галилея. Что же касается скорости, то относительность этого понятия следует, в отличие от относительности массы, длины и времени, уже из определения: скорость вводится как отношение смещения в пространстве ко времени этого смещения. Естественно, что по-разному движущимся наблюдателям, относительно которых это смещение разное, и скорость тел представляется различной. Важно, что существует одна единственная скорость движения тела относительно выбранной определённым образом системы отсчёта. Во всём мироздании соблюдается чёткий единый план, общий строй, строгий порядок, закономерность и последовательность явлений, то что называют "детерминизмом".

Итак, неклассические теории навязывают нам нематериалистические, иррациональные, мистические взгляды, индетерминизм и релятивизм, отвергая объективную реальность. Весь мир неклассической физики XX века — это комната смеха, королевство кривых зеркал. И нас призывают считать реальными не истинные виды предмета, а его кривые, изогнутые изображения, видимые разными наблюдателями в разных зеркалах. В таких зеркалах медленно идущие процессы кажутся быстротекущими и наоборот; большое кажется малым и обратно; кривое выглядит прямым, а прямое — скошенным; короткая палка, частица, — представляется вытянутой и волнистой, а волна выглядит прямой, как стрела, или точечной. А, хуже всего, что именно эти ложные искривлённые изображения и мнения наблюдателей нас и призывают считать за образец красоты и истинности, как в повести В. Губарева "Королевство кривых зеркал". Разумеется, такой подход к явлениям мира нельзя считать научным.

В мире, на самом деле, властвует детерминизм: все тела и частицы имеют в каждый момент времени строго определённые координаты и физические свойства. Благодаря этому, как верно заметил "смеющийся философ" Демокрит, а также герой комедийно-философского фильма "Трасса 60": "любое случайное событие является в действительности закономерным и предопределённым, иначе бы оно не произошло". Далее покажем, как на основании этого строго детерминистического, научного подхода и чётко заданного в рамках БТР положения частиц в атомах и кристаллах объясняются различные феномены и свойства физических субстанций и твёрдых тел.

§ 4.14 Строение вещества и химическая связь

Что, наконец, представляется нам затверделым и плотным,
То состоять из начал крючковатых должно несомненно,
Сцепленных между собой наподобие веток сплетённых.
В этом разряде вещей, занимая в нём первое место,
Будут алмазы стоять, что ударов совсем не боятся…
Вещи, в которых их ткань совпадает взаимно с другою,
Так что, где выпуклость есть, у другой оказалась бы там же
Впадина, — эта их связь окажется самою тесной.
Есть и такие ещё, что крючками и петлями будто
Держатся крепко и так друг с другом сцепляются вместе.

(Тит Лукреций Кар, "О природе вещей", I в. до н. э. [77])

Не только физика атома, ядра, но и физика твёрдого тела, термодинамика и химия опираются теперь на квантовую механику. Неужели даже в этих, исконно классических науках нельзя объяснить явления наглядно, а нужен сложный аппарат квантовой механики? В физике ядра, атома и элементарных частиц, как оказалось, квантовые представления не только не обязательны, но, часто, — просто ошибочны и уступают классическому описанию. Да и в других разделах физики классический подход даёт естественное адекватное описание всех "квантовых" эффектов, стоит лишь правильно их истолковать, найти удачную механическую модель явлений, строения атомов и частиц. Такой моделью оказалась бипирамидальная магнитная модель атома. Её основы заложены Ритцем, Томсоном, Ленардом, Ленгмюром и Льюисом — ещё в начале XX в. [19, 46]. Согласно модели, атом имеет форму двух пирамид, соединённых вершинами и послойно заполняемых электронами, что объясняет спектры атомов, закон Менделеева и законы фотоэффекта (§ 3.3, § 4.3).

Размеры атомов и межэлектронные зазоры в слоях задают и межатомные расстояния в молекулах и кристаллах. Ближе атомы сойтись не могут. Однако, почему они не могут разойтись? Что удерживает атомы вместе в молекулах и кристаллах? Первое научное объяснение этому предложили те же Ленгмюр и Льюис, на основе разработанной ими кубической модели атома, по которой ядро атома послойно окружают электроны, занимающие устойчивые положения в вершинах кубов [19, 46]. Эта модель во многом соответствует бипирамидальной, поскольку бипирамида вписывается в куб (Рис. 170). Модель Ленгмюра без всяких оснований отвергли, приняв квантовую теорию химической связи с абстрактными электронными облаками, орбиталями и их перекрытием. Зато в классической модели всё выглядело предельно просто. Электроны послойно заполняли пространственные уровни, оболочки атомов — в форме куба. Если в атоме уровень был заполнен не до конца, его могли занять электроны других атомов, входящие в вакантное место, как ключ в замок. Это позволяло образовывать химические соединения — только определённым подходящим друг к другу по форме атомам и в строго заданном отношении. Например, атом кислорода имеет два свободных места на электронном уровне (Рис. 170). Поэтому, к нему могут пристыковаться два атома водорода, содержащие по одному электрону. Так образуется молекула воды (Рис. 171). Тогда угол между отрезками, соединяющими центры атомов, составит около 109° (угол меж диагоналями куба). Это соответствует реальному углу в 105–109°, измеренному у молекул воды в экспериментах [138].

Рис. 170. Электронные слои атомов с вакансиями-петлями для образования химических связей или ионов O^2-, Cl^- при захвате электронов e.

Всё это очень напоминает демокритову модель сцепления атомов по принципу "ключ-замок". Демокрит и Лукреций считали, что на атомах есть выпуклости и впадины, крючки и петли (см. эпиграф § 4.14). Когда выпуклость (крючок) одного атома попадает во впадину (петлю) другого, они соединяются, как детали игрушечного конструктора [105]. Выпуклости-крючки — это электроны одного атома, а вогнутости-петли, провалы, — не занятые электронами места в слое другого. Такую впадину будем в дальнейшем называть "вакансией", "пазом" или "гнездом", по аналогии с посадочным гнездом в конструкторе. Такой термин был предложен В. Мантуровым в его кристаллической модели ядра [79]. При этом, силы, удерживающие атомы вместе, имеют электрическую природу. Те же силы удерживают в слое электроны — это силы притяжения к электрон-позитронной решётке, аналогичные ядерным, только с иным масштабом (§ 3.12).

Рис. 171. Образование молекулы воды с углом между атомами водорода 109?.

Так получается предельно наглядная механическая картина связи атомов, сцепленных по принципу шипового соединения деревянных деталей мебели, где выпуклости, зубья, шипы одной доски попадают в пазы и прорези другой, входя с ними в зацепление. Эти периодичные ряды шипов, расположенных в шахматном порядке, вполне аналогичны электронной шахматной структуре атомов (Рис. 170). Только в атомах роль клея и сил трения, удерживающих шипы во впадинах, играют электромагнитные силы, удерживающие электроны в слое, в его не занятых участках. Кстати, именно по принципу "шип-впадина" устроен и широко применяемый в химии молекулярный конструктор из разноцветных шариков-атомов — с разным числом отверстий, в которых силами трения удерживаются связующие их прутики, изображающие электроны. Выходит, структурная химия отчасти вернулась к геометромеханической модели связи атомов (за счёт их форм, "шипов", "крючков" и "переплетений"), открытой ещё в античности, затем надолго забытой, но возрождённой Бойлем и Дальтоном [106]. Интересно, что ещё Демокрит и Лукреций, открывшие эту модель связи атомов, за счёт подобия их форм, предугадали, что связующим элементом (выпуклостями и крючками) должны быть те же мельчайшие частицы, что создают разряд молнии (электроны, см. § 4.17).

Так же легко модель объясняет существование отрицательных ионов. В боровской же модели атом не в силах связать избыточный электрон, а, тем более, — несколько. А, между тем, есть много отрицательных ионов, скажем Cl—, O2–. По Бору, нейтральный атом не удержал бы лишние электроны, зато, если учесть наличие в классической бипирамидальной модели вакансий в слое, то в них электрон-позитронная решётка вполне может связать и несколько лишних электронов. В атоме хлора всего одно свободное место (Рис. 170). Поэтому, атом захватывает один электрон и прочно его удерживает, образуя ион Cl—. В атоме кислорода слой имеет два незанятых места. Соответственно, по присоединении к ним электронов образуется ион O2–. Энергия связи электрона с атомом, в этом случае, называется "сродством к электрону". Она — того же порядка и той же природы, что энергия ионизации. Впрочем, если избыточных электронов чересчур много, отталкивание мешает их удержанию атомом.

Атому, в котором больше свободных мест, чем занятых, проще отдавать электроны. Таким образом, валентность атома, — его способность образовывать химическую связь, — определяется числом электронов, которые он может удержать или отдать. Причём, валентность определяется ещё и способом размещения электронов на уровне: электроны могут перемещаться внутри слоя, словно фишки в "пятнашках". Совершенно так же, как для нуклонов в ядре (§ 3.6), атом может образовывать несколько устойчивых конфигураций электронов, способных захватить или отдать больше или меньше электронов (как предположил ещё А. Майер § 3.1). Вот почему, одни и те же атомы могут проявлять разную валентность, образуя разное число связей. Эта первая и самая наглядная модель химической связи объясняет, как у атомов возникает данное число связей, почему энергия связи того же порядка, что и энергия ионизации (отрыва электрона). Квантовая же физика даёт невразумительные туманные объяснения, напоминающие мистические умствования Аристотеля, — вечного противника Демокрита [105]. Самое странное, что пошла эта квантовая теория химической связи из Гёттингена, словно по смерти Ритца власть там также перешла к его противникам, сторонникам неклассических взглядов: М. Борну, В. Гайтлеру, Ф. Лондону, В. Паули, В. Гейзенбергу [46]. Именно они развили абстрактную теорию связи бесструктурных атомов, посредством перекрытия туманных электронных орбиталей и квантового обменного взаимодействия, не имеющего отношения к обмену частицами, а связанному с перекрытием волновых функций электронов.

Рассмотренный выше классический механизм связи атомов работает не только в молекулах, но и в аморфных твёрдых телах, жидкостях, где связи носят беспорядочный характер, то возникая, то разрываясь, отчего атомы соединяются без всякой системы. Другое дело — кристаллы. В них связи упорядочены и порядок этот, возможно, задан во многом правильным строением атомов и электронных слоёв. Оттого и соединение атомов происходит в геометрически точном стиле. Аналогично, кирпичи, блоки, с их правильной формой, укладываются в зданиях и пирамидах правильным образом. Ещё лучше эти чёткие межатомные связи кристалла видны на примере паззла, квадратные детали которого, благодаря геометро-механическому зацеплению их выпуклостей и впадин, образуют целостную картину, напоминая кристаллическую решётку из атомов, образующих единое тело, кристалл. Уже давно открыто, что форма молекулярных кристаллов напрямую связана с формой молекул. Так же, и кубическая, октаэдрическая (бипирамидальная) форма алмазов, простых кристаллов, возможно, обусловлена такой же формой атомов. Квантовая теория химической связи не только неестественна, но и попросту не нужна, поскольку все особенности атомной связи (ионной, ковалентной и металлической) прекрасно объясняла созданная гораздо раньше классическая теория Томсона-Льюиса-Ленгмюра. Кванторелятивисты беззастенчиво присвоили себе успехи этой классической теории, забрав её терминологию, обозначения и принципы, лишь переиначив их на квантовый лад.

Атомы, с их жёстким каркасом, скованные связями, обладают, всё же, некоторой свободой движений. Они могут отдаляться друг от друга. При этом, на атомы действуют силы притяжения электронов одного атома к электрон-позитронной решётке другого. Могут атомы и сближаться, — тогда их отталкивают силы упругости атомного каркаса. Поэтому, есть определённое равновесное межатомное расстояние, есть сопротивление тел сжатию и растяжению, и есть хаотические тепловые колебания атомов возле положений равновесия. Полагали, что классически нельзя получить стабильных систем из положительных и отрицательных зарядов. На этот счёт есть специально доказанная теорема Ирншоу. Поэтому, утверждают, что лишь квантовые, неклассические законы обеспечивают стабильность атомов и вещества. И, всё же, стабильность этих систем объяснима классически, достаточно учесть неэлектрические, магнитные силы и изменение характера кулоновского взаимодействия на малых расстояниях (§ 3.18). Именно наличие характерного размера частиц, заданного эффективным радиусом их отталкивания, позволяет заряженным частицам образовывать устойчивые конфигурации в виде атомов, ионных кристаллов, типа кристалла соли. И сами физики признают реальность такого спинового, электромагнитного взаимодействия электронов, обеспечивающего устойчивость системы зарядов, но не хотят признать его классический характер.

Убедиться в стабильности некоторых типов электромагнитных систем помогают опыты А. Майера, где магниты, плавающие в воде, самопроизвольно образовывали стандартные устойчивые правильные структуры (§ 3.1). Примечательно, что сам Альфред Майер рассматривал свои опыты именно как иллюстрацию, как модель строения атомов, структуры молекул и кристаллов. Он даже объяснял на основе этой модели — многие свойства веществ, такие, как рост объёма некоторых тел (к примеру, льда) при затвердевании, аллотропию, изомерию, связывая их с наличием у одного атома, молекулы нескольких возможных устойчивых форм, конфигураций [78, с. 372]. И действительно, как видели, атомы и частицы могут существовать в виде разных устойчивых конфигураций электронов и позитронов (§ 3.9). Точно так же, и плавающие магниты в опыте Майера могли образовывать несколько устойчивых правильных конфигураций, с различной степенью стабильности. Возможно, Майер был прав и в том, что смена одной устойчивой конфигурации атома на другую, ведёт к изменению типа кристаллической решётки материала, с изменением его объёма (смена аллотропных модификаций). Наличие у атомов и молекул определённой геометрической формы, далёкой от сферической, объясняет, как заметил Майер, и расширение некоторых тел при кристаллизации. Ведь упорядоченная постройка из кубиков, контактирующих только вершинами (Рис. 171), имеет больший объём, чем те же кубики, но сваленные в одну кучу. Так же, и кубические, бипирамидальные атомы при кристаллизации вещества могут увеличить удельный объём тела в сравнении с жидким его состоянием, что наблюдается у таких веществ, как вода, германий, галлий, сурьма, висмут (§ 4.17). Такое расширение представляет большую проблему для квантовой теории, с её бесструктурными, размытыми сферическими атомами.

Замечательно, что ещё Демокрит и Лукреций высказывали эту мысль о влиянии на свойства тела не только составляющих его частиц, но и формы, порядка их расположения, образуемых ими конфигураций, словно порядка букв в слове, — на его смысл (§ 5.16). Эту ключевую идею структурной химии, впервые чётко сформулированную Бутлеровым, пророчески высказывал ещё Ломоносов, считавший, подобно древним атомистам, что атомы элементов различаются весом, формой и соединяются в молекулы или твёрдые тела — по принципу подобия, соответствия геометрических форм, на чём и строил науку химию. Причём, сила химической связи задавалась, по Ломоносову, лишь геометрическими свойствами атомов в соединении, — их взаимным положением и площадью контактирующих граней, что недалеко от истины, раз энергия химической связи определяется числом связующих электронов, образующих плоские электронные слои соприкасающихся атомов, и расстоянием меж ними.

Вернёмся к анализу стабильности системы зарядов. Если условно рассматривать электроны и позитроны не как точечные заряды, а как жёсткие заряженные шарики — с радиусом, равным классическому радиусу электрона r₀, то они вполне могут образовать стабильные комплексы: элементарные частицы, ядра и атомы. Притягиваемые заряды сближаются и образуют кристаллическую решётку, как в кристалле соли. Но дальнейшее сближение либо рождает силы отталкивания, либо ослабляет кулоновское притяжение. Это и задаёт равновесное расстояние между частицами, равное классическому радиусу r₀=2,8·10^-15 м, — потому-то их и можно считать жёсткими шариками. Нарушение кулоновского закона, при сближении до r₀, связано с механизмом электрического взаимодействия (§ 3.18) и признаётся физиками [60]. Электронные комплексы, как выяснили, могут иметь и другой характерный масштаб, отличный от r₀ и — куда более крупный, сопоставимый с радиусом атома a₀=5,3·10^-11 м, на котором тоже должны возникать отклонения от закона Кулона (§ 3.7, § 3.18). Вдобавок, кроме электрических, есть ещё магнитные силы взаимодействия электронов. Всё это, как видели, и позволяет им образовать устойчивые электронные слои масштаба a₀, задавая характерный размер атома. Электроны сближаются вплоть до взаимопроникновения их сфер распада, после чего сближение электронов или образованных ими атомов останавливается.

Сопротивление атомов или электронов сближению соответствует известному в квантовой механике принципу "запрета Паули", по которому два электрона не могут занять одно состояние. В классике этот закон возникает не как формальное правило, но как естественное следствие наличия у частиц (электронов и позитронов) эффективного радиуса отталкивания, отчего те ведут себя, как жёсткие шарики, не способные занять одну позицию в атоме. Если один электрон занял своё положение на электронном уровне, другой уже не сможет там очутиться. Для него просто не будет места, как нет места в целиком занятой ячейке для яиц. Итак, электрон-позитронная решётка, сетка имеет, подобно миллиметровке, два характерных масштаба с разницей в 10⁴–10⁵ раз (§ 3.7). Один масштаб, с шагом решётки в 10^–15 м (1 ферми), определяет характерные размеры ядер и элементарных частиц. Другой, с шагом в 10^–10 м (1 ангстрем), задаёт типичные размеры атомов, длины связей в молекулах. Переход от крупного масштаба к мелкому происходит по достижении частицами энергий, достаточных для преодоления отталкивания.

Наличие двух масштабов расстояний между электронами и позитронами имеет много важных следствий. Подобие двух этих сеток — объясняет аналогию химических и ядерных процессов. Не зря, механизмы распада или синтеза молекул и ядер, выделение и поглощение энергии в химических и ядерных реакциях во многом сходны. Ведь, в обоих случаях происходит соединение и распад кристаллических комплексов, сцепляемых электростатическими силами притяжения электрон-позитронной решётки. Отличаются лишь масштабы. И, поскольку масштабы расстояний r меж зарядами отличны в 10⁵ раз, соответственно, — различаются и величины сил, выделяемых энергий и энергий связи. Ведь энергия кулоновского взаимодействия зарядов пропорциональна 1/r. И, точно, характерные энергии связи электронов в атоме и самих атомов, энергии единичных актов химических реакций — составляют единицы электронвольт, а энергии связи ядер, нуклонов, энергии распадов — измеряются мегаэлектронвольтами, то есть, — в 10⁶ раз больше (§ 3.12, § 3.13). Энергия химической связи, ионизации атома в несколько электронвольт — это, по сути, энергия электрического взаимодействия E=e²/4??₀r электрона с позитроном, с электрон-позитронным слоем в атоме на межэлектронном расстоянии r= a₀=5,3·10^-11 м. А характерная энергия единичного акта ядерной реакции — это суть энергия взаимодействия E=e²/4??₀r электрона с позитроном или электрон-позитронной решёткой на расстоянии r= r₀=2,8·10^-15 м.

Обычно атомы, ядра и элементарные частицы изображают шариками (что порой делалось для удобства и в данной книге), а, потому, мысль об их чёткой периодичной структуре, о кубической, пирамидальной форме частиц, с их рёбрами и гранями, кажется диковатой. Но, с другой стороны, атомы и частицы издавна называют элементарными кирпичиками, из которых построена материя. Так что же удивительного, если эти кирпичики имеют форму многогранников, как обычные строительные кирпичи, игрушечные кубики или детали конструктора? И что странного, если и сами эти кирпичи построены из ещё меньших кирпичиков, расположенных правильными, периодичными рядами? Не зря, Кеплер и Ломоносов, которые первыми научно обосновали атомарную и кристаллическую структуру вещества, считали атомы многогранниками, пирамидками [63]. А нынешние учёные, даже применив электронный микроскоп, ещё не получили чётких изображений атомов и лишь гадают об их форме.

Итак, классическая модель атома, мало того, что помогает наглядно и естественно объяснить механизм химической связи, но и позволяет установить глубокую аналогию химических и ядерных процессов, энергий и связей. Интересно, что эта геометро-механическая модель связи, впервые предложенная ещё Демокритом, возрождённая Ломоносовым, развитая Льюисом и Ленгмюром, но потом — надолго забытая, ныне вновь обрела признание, скажем в органической химии, в иммунологии, молекулярной генетике и в теории обонятельных рецепторов, где присоединение атомов и молекул часто происходит по принципу соответствия их геометрической формы, — по механизму ключ-замок. Не исключено, что такое представление о структуре материи, частицы которой связаны за счёт механического переплетения с образованием слоистых периодичных, шахматных структур (§ 3.12), формирующих затем объёмные тела и полые многогранники, отражены и в материальной культуре наших предков, для которых плетение, особенно венков и кос, имело глубокий символический смысл. Не случайно быт славян был основан на переплетении волокон льна, шерсти, волос, соломы, лыка, бересты, ивовых прутьев и даже брёвен, как видно на примере тканой одежды, лаптей, корзин, плетёных коробов, котомок, а также изб, теремов и других шедевров народного зодчества, возведённых без единого гвоздя. Если же наши предки-умельцы и применяли металл, то его они тоже переплетали наподобие волокон, когда соединяли вместе звенья цепей или кольца кольчуг (наиболее распространённых как раз на Руси), образующих такие же узоры, как цепочки и сетки связанных электронов и позитронов (Рис. 95, Рис. 102). Такой механизм формирования мира, путём плетения или связывания нитей материи и поля (истекающего из частиц, словно пряжа), отражён и в "Велесовой книге", составленной древнеславянскими учёными-волхвами. Аналогичные воззрения о том, что наш мир соткан из периодично расположенных зарядов противоположного знака, находим и в древнеиндийских "Станцах Дзиан": "И ткань эта есть Вселенная, сотканная из Двух Сущностей, воедино слитых".

§ 4.15 Вымерзание степеней свободы

Очевидно, теплота состоит во внутреннем движении материи… Внутреннее движение можно себе представить происходящим трояким образом: 1) неощутимые частицы непрерывно изменяют место, или 2) вращаются, оставаясь на месте, или, наконец, 3) непрерывно колеблются взад и вперёд… Первое мы назовём поступательным, второе вращательным, третье колебательным внутренним движением… При более быстром вращении частиц связанной материи должна увеличиваться теплота, а при более медленном — уменьшаться. Частицы горячих тел должны вращаться быстрее, более холодных — медленнее… Должна существовать наибольшая и последняя степень холода, которая должна состоять в полном прекращении вращательного движения частиц.
(М.В. Ломоносов, "Размышления о причине теплоты и холода", 1750 г.)

Ещё одним "подтверждением" квантовой теории в молекулярной физике считают явление вымерзания степеней свободы [19]. Известно, что двухатомная молекула, скажем, молекула водорода H₂, обладает пятью степенями свободы. Три из них связаны с поступательным движением молекул вдоль трёх осей, и две — с вращением вокруг двух осей (Рис. 172). На каждую степень свободы частицы приходится энергия kT/2, и двухатомная молекула обладает в среднем энергией 5kT/2, где k — постоянная Больцмана, T — температура в кельвинах. Одноатомная же молекула наделена лишь энергией поступательного движения 3kT/2. У двухатомных молекул реально есть ещё и энергия упругих колебаний атомов внутри молекулы. Поэтому, энергия реальных двухатомных молекул 7kT/2.

Рис. 172. Энергии и степени свободы двухатомной молекулы (а) и атома в кристалле (б) связаны с поступательным движением, вращением и колебаниями.

В итоге, молярная теплоёмкость C (прирост внутренней энергии тела фиксированного объёма из N_a=6·10²³ молекул при нагреве на 1 ?С) для газа из реальных двухатомных молекул — 7R/2; из жёстких двухатомных — 5R/2; из одноатомных — 3R/2 (здесь R=kN_a — газовая постоянная). И, точно, при высоких температурах теплоёмкость водорода C=7R/2, однако при охлаждении C падает до 5R/2 (Рис. 173.а). А, с приближением к абсолютному нулю, C стремится к 3R/2, словно у молекул газа при охлаждении "вымерзают" (сковываются) степени свободы. Двухатомные молекулы сначала становятся жёсткими, а, при дальнейшем охлаждении, прекращают вращение, словно одноатомные.

Рис. 173. Изменение с температурой теплоёмкости а) двухатомного газа (водорода), б) твёрдого тела (медь).

Такое уменьшение теплоёмкости двухатомных газов, при понижении температуры, считалось противоречащим классической молекулярно-кинетической теории и нашло объяснение в квантовой теории, предложенной В. Нернстом, который и открыл феномен. Долгое время казалось, что классическая физика не совместима с этим феноменом. И, всё же, ему можно найти простое истолкование в традициях классики, стоит лишь принять модель атома Ритца. Тогда, при высоких температурах, атомы в полужёстких молекулах действительно колеблются, и C=7R/2. При снижении температуры, энергии атомов уже не хватает для разрыва части связей и колебаний, — молекула становится "жёсткой". Например, атом водорода устроен таким образом, что в первом электронном слое (Рис. 104, Рис. 105), где всего два места, электрон занимает лишь одно (Рис. 170). Поэтому, электрон второго атома водорода попадает в вакантное место, образуя химическую связь. А пустующее место в слое второго атома — заполняется электроном первого. Так возникает молекула водорода H: H, где атомы H связаны ковалентной связью — из пары электронов, обозначенных по Ленгмюру точками (Рис. 174). При высоких температурах T, у большинства молекул водорода одна связь порвана, и молекула H·H получается полужёсткой: её атомы могут вращаться, колебаться вокруг единственной точки связи, в виде электрона. При спаде температуры, энергии не хватает для разрыва связей, атомы полностью стыкуются, образуя двойную связь и жёсткую молекулу H: H, атомы которой уже не способны колебаться. Оттого и C=5R/2 при такой не слишком высокой температуре.

Рис. 174. При высоких T атомы водорода разделены (а). При снижении T один электрон обобщается, образуя полужёсткую молекулу H·H (б). При низких температурах в жёсткой молекуле H: H обобщены оба электрона (в).

В водороде одновременно присутствуют полужёсткие молекулы с одной связью H·H и жёсткие, с атомами, скованными воедино двойной связью H: H. С понижением температуры, теплоёмкость плавно убывает от C=7R/2 до C=5R/2, поскольку плавно меняется соотношение числа молекул H·H и H: H (Рис. 173.а). Как выяснили, охлаждение ведёт к снижению процента полужёстких молекул H·H, отчего плавно спадает и теплоёмкость. В то же время, теоретически, газы из этих двух типов молекул можно разделить, ведь, за счёт разного строения, они должны различаться физико-химическими свойствами и спектрами (§ 3.4). И такое разделение водорода на два компонента с разными свойствами и спектрами, действительно, осуществлено в лабораториях [19, 134]. Из водорода удалось выделить два газа — ортоводород и параводород, обладающие разными свойствами и теплоёмкостями. Поскольку, при низких температурах водород почти полностью состоит из более устойчивого параводорода, то он, очевидно, образован частицами с парой связей H: H. Соответственно, ортоводород, возникающий при сильном нагреве, состоит из частиц H·H, где одна из связей порвана.

Тот факт, что ортоводород можно преобразовать в параводород и — обратно, посредством химических методик (нагрев-охлаждение, катализаторы [134, с. 333]), доказывает, что различие меж ними вызвано не разной ориентацией спинов ядер, не ядерными свойствами [82], а — химическими, — разной структурой химических связей. Не случайно параводород H: H удаётся преобразовать в ортоводород H·H, разорвав одну из связей, с помощью электрического разряда, применяемого обычно, как раз, — для ионизации молекул и разрыва в них атомных связей. Отметим, что в чистом состоянии параводород, а, тем более, ортоводород, получить сложно, а потому всегда имеют дело с их смесями, обогащёнными тем или другим компонентом. При этом, с течением времени, газ постепенно приходит в состояние с равновесной концентрацией орто- и параводорода [134]. И это — естественно, поскольку лишь при низких температурах атомы, пребывая в энергетически более выгодном состоянии, остаются прочно связаны в молекуле H: H. А, при высоких температурах, за счёт столкновений, связи постоянно то рвутся, то восстанавливаются: имеет место динамическое равновесие между молекулами орто- и параводорода, попеременно обращающихся друг в друга. Итак, при падении температуры именно рост концентрации параводорода H: H (C=5R/2), с параллельным падением процента ортоводорода H·H (C=7R/2), ведёт к снижению теплоёмкости их смеси в водороде (Рис. 173.а).

С дальнейшим охлаждением вымерзает и вращательная степень свободы: двухатомные молекулы перестают вращаться, что тоже вполне объяснимо. Молекулы получают вращение от косых, боковых соударений, когда часть кинетической энергии в ходе удара переходит в энергию вращения. Но, с понижением температуры, молекулы всё чаще испытывают прямые, лобовые соударения, и уже не закручиваются. Ведь, при малой температуре частицы движутся медленно, отчего, в процессе сближения, электрические дипольные моменты молекул (созданные взаимной поляризацией) успевают сориентировать их перед ударом — вдоль линии сближения. Вдоль неё они и отскакивают, не получив вращения (Рис. 175). Именно так, двухатомный газ, при стремлении температуры к абсолютному нулю, и теряет вращательные степени свободы, ведя себя как одноатомный, — с теплоёмкостью C=3R/2. При низких температурах имеет место классическое упорядочение, но, если у большинства газов упорядочиваются положения молекул от слияния их в кристаллы, то у водорода, остающегося газом вплоть до температуры в 14 K, упорядочивается само тепловое движение молекул.

Рис. 175. Быстрое сближение молекул (а) ведёт к боковому удару и их закрутке, а при медленном они ориентируются (б) вдоль оси удара, не получив вращения (в).

Отсюда легко получить теоретические графики зависимости теплоёмкости газа от температуры, соответствующие экспериментальным данным (Рис. 173.а). Очевидно, что характерная температура, при которой идёт изменение теплоёмкости двухатомного газа — с 5R/2 на 3R/2, зависит от момента инерции молекулы. Чем массивней, инертней двухатомная молекула, тем медленней она поворачивается от дипольного электрического взаимодействия молекул. Поэтому, требуются меньшие скорости сближения и большее охлаждение для осуществления точной ориентации и прямого удара молекул, вместо косого. И, действительно, если у водорода снижение теплоёмкости становится заметно уже при 200 K, то у других газов, обладающих бoльшими молекулярными массами и моментами инерции, — при гораздо меньших температурах [19]. Также, температурный ход теплоёмкости различен для выделенных отдельно пара- и ортоводорода. Связано это, по-видимому, не только с разницей их молекул, но и с тем, что рост температуры ведёт к распаду молекул параводорода до ортоводорода. А дополнительная теплота (аналогичная теплоте плавления § 4.20), которую необходимо сообщать для нагрева параводороду, воспринимается как его увеличенная теплоёмкость C, превосходящая даже типичное для средних температур значение C=5R/2 [19, с. 185]. Как видим, все квантовые эффекты имеют классическую молекулярно-кинетическую трактовку.

Интересно, что уже М.В. Ломоносов, построивший первый вариант молекулярно-кинетической теории теплоты, газов, жидкостей, растворов и твёрдых тел, чётко различал все три вида возможного теплового движения частиц тела. Огромную роль Ломоносов отводил именно вращательному движению молекул, которое замедляется с уменьшением температуры и сопровождается соответствующим уменьшением теплотворных свойств вещества. Таким образом, Ломоносов, даже без помощи математического аппарата, открыл, за век до Гельмгольца, Джоуля, Кельвина, Максвелла и других, — молекулярно-кинетическую теорию тепла и существование абсолютного нуля температуры ("последней степени холода, состоящей в полном прекращении движения частиц"). Кроме того, Ломоносов приблизился к пониманию роли вращательного движения частиц в образовании теплоёмкости тел, с его остановкой, при стремлении температуры к абсолютному нулю. Тем самым, Ломоносов проявил себя как стойкий сторонник атомизма Демокрита, в отличие о В. Нернста, который, открыв явление уменьшения теплоёмкости газа, при стремлении его температуры к абсолютному нулю, поспешил объяснять этот феномен с помощью гипотезы квантования вращательного движения молекул [156]. И это не удивительно, ведь Нернст, будучи учеником Оствальда, этого ярого сторонника энергетизма, воспринял его взгляды, близкие к кванторелятивистским (§ 5.14).

В действительности, как видим, явление не содержит ничего сверхъестественного и обретает наглядную классическую трактовку. Поэтому, обнаружив отклонения от классических законов, следует уточнять классическую модель, учтя неидеальность модели и приблизив её к реальности, а не отвергать сходу. Именно так Ван-дер-Ваальс, для объяснения отклонений от молекулярно-кинетической теории (МКТ), проявляющихся, опять же, и в изменении теплоёмкости, — предложил учесть в законе идеального газа конечный размер молекул и их взаимодействие, тем самым открыв точный закон [19, 45]. А физики нового поколения, такие как В. Нернст, наверняка предпочли бы отвергнуть классическую модель и вывести уравнение Ван-дер-Ваальса из квантовых законов. Итак, правильный путь развития физики пролегает через уточнение классических моделей и отход от идеализаций, работающих в узких рамках. Следуя путём Ван-дер-Ваальса, учтя взаимодействие атомов, их размеры, ограничивающие колебания, вращение, мы классически объяснили поведение теплоёмкости. Физики, начиная с А. Эйнштейна и В. Нернста, игнорировали рациональный путь Ван-дер-Ваальса и сгоряча (по недомыслию или по злому умыслу) отвергали классические модели, нагромождая квантовых.

Во многом такая смена методологических установок связана с тем, что один из основных защитников МКТ, Больцман, доказавший эффективность классико-механического подхода, трагически умер в 1906 г., в ходе травли со стороны последователей Аристотеля, этих современных противников атомистического учения и кинетической теории Демокрита [156]. Именно эти извечные враги атомизма, сторонники так называемого "энергетизма", — составляют правящую верхушку современной шайки кванторелятивистов. Поняв, что атомы реальны, и от этого никуда не деться, они решили отказать атомам в материальности, считая их абстрактными размытыми сгустками энергии, — оттого такое представление ныне и господствует в науке. Именно от этих извечных противников материализма и атомизма Демокрита — пошло представление о массе не как о материи, а как о мере энергии тела. От них же и представления о квантах, уровнях энергии в атоме, да и сами атомы, электроны, частицы, они предлагают теперь считать, так же, как и электромагнитное поле, не материальными телами, а абстрактными размытыми волнами, энергетическими возбуждениями пространства. Как раз в период 1906–1909 гг., когда погибли активные защитники классики и атомизма (Кюри, Друде, Больцман, Менделеев, Томсон, Ритц), пошло быстрое развитие неклассической физики в направлении энергетизма. Как сказал К.А. Тимирязев о столь же трагичной судьбе Лавуазье и Ю. Майера, вслед за Ломоносовым открывших механический эквивалент теплоты с законом сохранения энергии и массы: "Словно какой-то злой рок тормозил развитие занимающего нас вопроса, удаляя с научной сцены именно тех, кто всех более мог способствовать движению науки в этом направлении".

§ 4.16 Неквантовая теория теплоёмкости

Первоначала вещей сначала движутся сами,
Следом за ними тела из малейшего их сочетанья,
Близкие, как бы сказать, по силам к началам первичным,
Скрыто от них получая толчки, начинают стремиться
Сами к движенью затем понуждая тела покрупнее…
Те, у которых тесней их взаимная сплоченность, мало
И на ничтожные лишь расстояния прядая порознь,
Сложностью самых фигур своих спутаны будучи цепко,
Мощные корни камней и тела образуют железа
Стойкого, так же, как всё подобного рода.
Прочие, в малом числе в пустоте необъятной витая,
Прядают прочь далеко и далёко назад отбегают.

(Тит Лукреций Кар, "О природе вещей", I в. до н. э. [77])

Явление, очень похожее на вымерзание степеней свободы у газа, обнаружилось и в твёрдых телах, кристаллах. Согласно МКТ и закону Дюлонга-Пти, теплоёмкость твёрдых тел должна равняться 3R, поскольку каждый атом в твёрдом теле должен иметь энергию 3kT. Половина её приходится на энергию движения атома — вдоль трёх осей, а половина — на энергию колебаний атома — вдоль тех же трёх осей (Рис. 172). Опыт показал справедливость закона Дюлонга-Пти в широком интервале температур. Однако, с приближением температуры к абсолютному нулю, теплоёмкость твёрдых тел снижается вплоть нулевой, как от вымерзания степеней свободы (Рис. 173.б). В рамках классической физики и МКТ это не удавалось понять. Лишь квантовая теория дала объяснение феномену. Оно было предложено А. Эйнштейном и уточнено П. Дебаем. Теория эта — сложная, формальная и надуманная. Так, вместо классического максвелловского распределения молекул и атомов по скоростям, вводятся распределения Ферми-Дирака, Бозе-Эйнштейна, привлекаются гипотетические фононы, — возбуждения кристаллической решётки. Впрочем, классически истолковать этот эффект, как полагали, вообще невозможно. И, всё же, предложим простое объяснение феномена.

Реально повторяется ситуация с вымерзанием степеней свободы молекул газа, только в твёрдом теле: при снижении температуры, сковка атомов происходит в огромных масштабах. Всё больше атомов жёстко соединяются друг с другом, обретая новые связи и теряя свободу движений. При охлаждении в теле возникают всё более крупные жёсткие конгломераты из атомов, — как бы гигантские жёсткие молекулы. С понижением T их становится всё меньше, за счёт нарастания и слияния с другими. А, раз на каждую частицу, жёсткую молекулу, — приходится энергия 3kT, то, с уменьшением их числа, внутренняя энергия U твёрдого тела и теплоёмкость C=dU/dT — падают. Наконец, при абсолютном нуле, когда всякое движение замирает, остаётся одна гигантская жёсткая молекула, включающая весь кристалл и имеющая энергию 3kT. Поэтому, внутренняя энергия тела U уже не 3kTN_a, а 3kT (N_a=6·10²³ — число атомов тела молярного объёма). Поскольку k=1,38·10^-23 Дж/К, то эта энергия U=3kT ничтожно мала. Оттого и получаем C=dU/dT=3k?0, вместо обычной теплоёмкости C=3kNa=3R, поскольку k/R=1/N_a<<1. Это классически объясняет спад теплоёмкости до нуля, при низких температурах вещества (Рис. 173.б). Хотя, логичней было бы говорить об изменении самого вещества, у которого с учётом укрупнения молекул пересчёт молярной теплоёмкости дал бы прежнее значение C=3R.

Стоит отметить, что такое объединение атомов внутри кристалла — в гигантские жёсткие конгломераты, кластеры, аналогичные жёстким молекулам, имеет очень важное значение для эффекта Мёссбауэра (§ 3.7), в котором тепловое движение атомов, обладающих даже в твёрдом теле огромными скоростями, нарушало бы стабильность частоты гамма-излучения, за счёт эффекта Доплера. Но были обнаружены кристаллы, в которых при охлаждении атомы жёстко соединялись, порой образуя единый комплекс, включающий в себя весь кристалл [74]. Весь такой комплекс обладает кинетической энергией MV²/2 порядка 3kT, а, потому, если учесть его гигантскую массу M, скорость V его, при той же температуре T, окажется много меньше тепловой скорости одиночных атомов, колеблющихся в узлах решётки обычных, нежёстких кристаллов и твёрдых тел (§ 3.7). Это практически исключало доплеровский сдвиг от движений атомов и давало совпадение частоты излучения и поглощения в эффекте Мёссбауэра, то есть, — эффект обращения спектра. Причём, как подтвердили эксперименты [135], это совпадение тем лучше, чем выше твёрдость, жёсткость кристалла и его характерная температура перехода в сверхсвязанное состояние (называемая температурой Дебая, см. ниже).

Таким образом, кристаллы, оказывается, тоже характеризуются разной степенью упорядоченности: есть абсолютно жёсткие кристаллы, в которых атомы, словно детальки конструктора, прочно связаны своими формами. К ним относятся наиболее твёрдые и плотные тела, типа алмаза, сапфира, как отмечал ещё Лукреций (§ 4.14). А есть полужёсткие, в которых атомы, хоть и расположены упорядоченно, но оказываются одиночными, связанными нежёстко, подвижно, то разрывая, то образуя связи, а, потому, и двигаясь много быстрей, с большей амплитудой колебаний, как догадался тот же Лукреций, изложивший идеи Демокрита о молекулярной природе теплоты и броуновского движения пылинок (§ 4.16). Такие полужёсткие кристаллы напоминают уже не крепко связанные детали конструктора, а, скорее, — кубик Рубика, который легко деформируется от смещения формирующих его кубиков-атомов. Или же этот кристалл подобен собранному паззлу, который, будучи поднят за край со стола, легко гнётся, поскольку детали в нём, не имея достаточно жёстких связей, вихляются. Существование кристаллических тел с жёстко и нежёстко связанными частицами подтверждается, как раз, поведением их теплоёмкости при изменении температуры. Так, у свинца, образованного слабо связанными атомами и, потому, легко режущегося даже ножом, теплоёмкость остаётся на уровне 3R — даже при опускании температуры до 50 K, подтверждая тем самым, что его атомы не образуют жёстко связанных комплексов. Зато, у алмаза и бериллия (материалов известных своей твёрдостью и прочностью, за счёт жёсткой связи атомов, образующих монолитный кристалл) уже при комнатных температурах теплоёмкость гораздо ниже 3R [45, Т. 1, с. 596]. И, лишь при нагреве до 1000 К их теплоёмкость начинает приближаться к уровню 3R, за счёт теплового разрушения жёстких связей в крупных атомных комплексах.

Эту характерную температуру, ниже которой твёрдые тела "перестают подчиняться классическим законам" и становятся заметны отклонения от C=3R из закона Дюлонга-Пти, называют "температурой Дебая" ?_D=E/k, которую вводят через минимально допустимую по квантовым законам температуру и энергию E колебаний атомов в кристалле. На деле же, как видели, эту температуру легко определить классическим образом, как температуру, при которой средняя кинетическая энергия атомов ~kT становится сопоставима с удельной энергией E_S полностью насыщенной связи атомов. То есть, характерная температура T_S=E_S/k. Отсюда, в отличие от формулы Дебая, сразу видно, что прочные, твёрдые тела, с очень большой энергией связи E_S (бор, алмаз, кремний), обладают высокой характерной температурой T_S, тогда как мягкий свинец и щелочные металлы — очень низкой. Зато при охлаждении того же свинца ниже этой температуры, его атомы сцепляются так прочно, что по твёрдости, упругости он сравнивается с лучшей рессорной сталью [90]. По той же причине, температура T_S (классический аналог температуры ?_D Дебая) связана со скоростью звука, коэффициентами упругости и проводимости металлов (§ 4.17). Все эти характеристики напрямую зависят от жёсткости, твёрдости металла, — от энергии связи в нём атомов, электронов, от степени насыщения этой связи.

Сказанное в общих чертах верно и для теплоёмкости жидкостей, молекулярные связи в которых возникают и рвутся беспорядочно (§ 4.14). Но и здесь молекулы при соединении могут образовывать сравнительно жёсткие кластеры, "мерцающие", "пульсирующие" микрокристаллы, обнаруженные с помощью рентгенографии, например, — в воде [138]. С повышением температуры процент таких кристаллов уменьшается от разрыва жёстких связей, отчего, по примеру твёрдых тел, теплоёмкость почти всех жидкостей растёт при нагревании, за счёт роста числа независимых частиц и приходящихся на их долю степеней свободы.

Итак, видим, что классическая молекулярно-кинетическая теория объясняет все особенности поведения твёрдых тел, жидкостей и газов, молекул, атомов и ядер. И, более того, классика открывает гораздо более тонкие градации между агрегатными состояниями вещества. Слишком легко уступили учёные давлению модного квантового течения, даже не попробовав истолковать эффекты в рамках классической физики. Кризис физики начала XX в. возник не от классической картины явлений, а от неудачных, неточных моделей, особенно, — моделей атомов и молекул. Большей частью эти модели страдали идеализацией, грубым упрощением. Они описывали предельные случаи и не учитывали ряд атомных свойств и взаимодействий, важных при низких температурах. Если учесть все эти скрытые механизмы, то любые явления удаётся истолковать, применяя классические модели. И самая удачная из них — бипирамидально-сеточная кристалломагнитная модель атома Ритца.

§ 4.17 Неквантовая теория проводимости

Этот тончайший огонь из огней существующих в мире,
Сделан природою весь из мельчайших и самых подвижных
Тел, для которых ничто не в силах поставить преграды.
Даже сквозь стены домов проникают могучие молньи…
Внутрь проникает она и проходит по пористым ходам,
Без промедленья скользя и немного встречая препятствий…
Не причиняя вреда, она много предметов пронзает,
Ибо текучим огнём без ущерба сквозь поры проходит.
Много и рушит она, коль столкнётся своими телами
Прямо с телами вещей, где тела эти связь образуют.
Далее, молния медь распускает и золото сразу
Плавит легко потому, что сама из до крайности мелких
Тел основных состоит да и гладких притом элементов.

(Тит Лукреций Кар, "О природе вещей", I в. до н. э. [77])

Это кажется невероятным, но, ещё за две тысячи лет до нас, люди догадались не только об атомах материи и света (реонах), но и об атомах электричества (электронах), стремительным движением которых, как поняли античные учёные-атомисты, вызван разряд молнии. Осознав, что любые тела не являются сплошными, а представляют собой соединения атомов, между которыми достаточно пустого пространства, пор, эти учёные построили и первую теорию проводимости, указав, что мельчайшие частицы молнии (электроны) легко проходят сквозь эти поры металлов, создавая электрический ток и ведя к нагреву металла — от столкновений электронов с атомами. Лукреций догадался, что те же частицы-электроны, что создают ток, образуют и связи атомов (§ 4.14). Это была первая механическая классическая теория проводимости. И, всё же, этот, сильно опередивший время, прогрессивный взгляд на вещи, выработанный ещё Демокритом, Эпикуром и Лукрецием, ныне предан забвению вместе с классической теорией проводимости Друде, поскольку пока общепринята квантовая теория проводимости.

В настоящее время считают, что только квантовыми законами можно объяснить электрическую проводимость металлов. А, между тем, впервые именно классическая теория проводимости Друде позволила объяснить природу электропроводности, электросопротивления и многие их особенности. Казалось бы, уж что проще и классичней электрического сопротивления? Закон Ома, резисторы, электрические потери в проводах и выделение тепла нагревательными приборами, — со всем этим мы знакомы с детства. Однако теоретики нагнали столько тумана в это интуитивно всем ясное явление сопротивления, что и его природа стала тайной за семью печатями. Случилось это, когда сопротивление отнесли к квантовым явлениям, которые уже нельзя представить наглядно, а можно лишь описать формулами, отрёкшись от здравого смысла и приняв на веру догматы квантовой механики. Однако, наглядный классический подход отнюдь не исчерпал себя, а, зачастую, — даже лучше объясняет загадки сопротивления, чем квантовая механика и зонная квантовая теория металлов Зоммерфельда.

Рис. 176. Подобие силы тока I и расхода газа Q через фильтр, а также электрического R и гидродинамического X сопротивлений.

Электрический ток в металлах представляет собой направленное движение электронов, — течение своего рода электронного газа, в котором роль атомов играют электроны. Подобно тому, как обычные газы испытывают сопротивление от движения по трубопроводу, так и электронный газ, протекая по проводнику, тормозится им. То есть, возникает электросопротивление, микроскопическая картина которого подобна той, что существует в газе. Атомы газа, сталкиваясь друг с другом и с атомами стенок трубопровода, усиливают их колебания, расходуя на это часть своей кинетической энергии. Это и вызывает сопротивление току газа и соответствующий нагрев трубопровода, ибо рост колебаний атомов означает рост температуры. Вполне естественно, что долгое время так же объясняли и электросопротивление с нагревом проводов.

Рис. 177. Вязкость газа при снижении температуры T падает до нуля, равно как сопротивление металла, пропорциональное вязкости электронного газа.

Электроны, набрав в электрическом поле скорость, то и дело теряют часть её в столкновениях с ионами металла, усиливая их колебания. Так создаётся электросопротивление и выделяется джоулево тепло от идущего тока (§ 4.17). Не зря, электроток в проводнике издавна сравнивали с потоком газа, текущего через трубку-фильтр, отсюда и сами термины: "электрический ток", "напряжение", "источник тока" (Рис. 176). Ещё Франклин сравнивал металл с пористой губкой, сквозь которую просачивается электрическая материя, частицы которой (электроны) учёный сравнивал с атомами воздуха. Расход газа через такой трубопровод подчиняется в точности тем же законам, что и ток в проводнике, — он пропорционален напору, то есть, — разности давлений p₁-p₂ (разности потенциалов ?₁-?₂, равной напряжению U), площади сечения S фильтра-провода и обратно пропорционален его длине L. Удельное же сопротивление такой трубы, как у металла, растёт с повышением температуры (Рис. 177). Соединяя трубы, можно моделировать и разветвлённые электросети (Рис. 178).

Рис. 178. Общее сопротивление двух резисторов можно найти так же, как сопротивление двух параллельных фильтров. Потоки разделяются и замедляются в соответствии с сопротивлениями, а затем вновь соединяются.

Но современные учёные отвергают это простое и наглядное объяснение сопротивления проводников. По их мнению, сопротивление связано с рассеянием электронов на фононах — вымышленных квантовых возбуждениях кристаллической решётки металла [32]. После абсурдных фотонов, — квантов света, такие физики как И.Е. Тамм, выдумали фононы, — кванты звука, квазичастицы упругих колебаний. Учёные сочли, что упорядоченная кристаллическая решётка металлов в идеале вообще не оказывает сопротивления движению электронов. Однако, атомы примесей, дефекты и тепловые колебания кристаллической решётки нарушают её идеальность. И, чем сильней искажена решётка металла, тем хуже он проводит ток. Именно этим в квантовой физике объясняют температурный рост сопротивления металлов и его заметную прибавку при введении даже ничтожной примеси. Полагали, что такое объяснение сопротивления — много лучше классического. На самом же деле, как раз квантовое объяснение не выдерживает критики.

Ведь, по квантовой теории расплавленные металлы, у которых полностью разрушена кристаллическая решётка, вообще не могли бы проводить ток. А, между тем, они пропускают электроток почти так же хорошо, как твёрдые, кристаллические. Скажем, жидкая ртуть, которую мы обычно наблюдаем при температуре на 60 градусов выше точки её плавления, была бы, по квантовой теории, изолятором. Однако, удельной электропроводностью она не слишком уступает другим металлам (например, свинцу — лишь в 5 раз), а, такие металлы как висмут, — даже превосходит. Да и меняется при нагреве сопротивление жидкой ртути совсем как у твёрдых металлов: монотонно нарастает.

Даже сами учёные считают, что, если жидкий металл проводит ток, то, по квантовой теории, механизм проводимости был бы совсем иным, а проводимость получалась бы гораздо ниже. А, между тем, тот факт, что проводимость сохраняет в расплаве такой же порядок величины, как в кристаллическом состоянии, — доказывает, что механизм проводимости в жидком металле тот же, что и в твёрдом. В том же ключе интересно рассмотреть проводимость растворов и расплавов электролитов, скажем, — обычной поваренной соли. В этом случае, переносчиками заряда окажутся уже не электроны, а — ионы хлора и натрия. При этом, для объяснения проводимости электролитов и выделения в них тепла, учёные пользуются классическим законом и объяснением, хотя, казалось бы, всё, что изменилось, — это только тип носителя заряда. Проводимость электролита определяется его вязкостью и подвижностью ионов. Поэтому, выполняется всё тот же закон: электросопротивление пропорционально расстоянию между электродами и обратно пропорционально площади сечения трубки, наполненной электролитом. Однако, в противоположность электронному газу, вязкость электролитов, как у любой жидкости, падает с ростом температуры [64]. Соответственно, и сопротивление электролитов при нагреве не увеличивается, как у металлов, а падает. Используя для одинаковых, по своей сути, явлений проводимости металлов и электролитов разные теории, учёные ведут двойную игру. Уже отсюда должно быть ясно, что применение квантового подхода — не обязательно и, даже, вредно. Но вернёмся к расплавам металлов.

Большинство металлов в момент плавления увеличивают сопротивление всего в полтора-два раза [147], сохраняя и чисто металлическую способность наращивать сопротивление при дальнейшем нагревании. Уже одного этого достаточно, чтоб отвергнуть как ошибочную квантовую трактовку сопротивления. Ведь, если, по квантовой теории, даже ничтожные искажения кристаллической решётки, вносимые фононами и примесными атомами, заметно наращивают сопротивление, то в расплаве, где порядок кристаллической решётки предельно нарушен, сопротивление росло бы безмерно. Но, самое смешное, что некоторые проводники при плавлении не только не увеличивают сопротивления, но, даже, — напротив, уменьшают его, опять же, в полтора-два раза. Таковы металлы висмут, сурьма, галлий, а также полупроводники германий и теллур [147, с. 126].

Столь странное поведение проводников, с точки зрения квантовой теории, совершенно загадочно. Но мы легко решим эту проблему, если заметим, что все эти материалы — висмут, сурьму, галлий, германий и теллур — объединяет другое аномальное свойство. Если все прочие металлы и полупроводники при плавлении расширяются, то эти пятеро сжимаются, уменьшая свой объём на несколько процентов. Это убедительно доказывает, что кристаллическая решётка и её дефекты сами по себе не влияют на сопротивление: основную роль здесь играет плотность размещения атомов вещества. И рост сопротивления металлов при плавлении связан лишь с их расширением, — отдалением атомов. Зато, металлы, уменьшающие объём при расплавке, уменьшают и удельное сопротивление. По той же причине взаимосвязаны скорость звука в металле и его проводимость: и то и другое растёт вместе с твёрдостью вещества, насыщенностью его межатомных связей, то есть с температурой Дебая, а точнее T_S (§ 4.16). Так, ртуть и свинец, атомы которых слабо связаны, имеют максимальные значения сопротивления и T_S, но минимальную скорость звука среди чистых металлов.

Классически это легко объяснить. Известно, что проводимость пропорциональна числу носителей заряда, — свободных электронов. Вот почему при нагревании, освещении (внутренний фотоэффект) сопротивление диэлектриков и полупроводников падает: связанные в их атомах электроны обретают скорости, достаточные для отрыва от атомов, и начинают участвовать в переносе заряда. К тому же ведёт и рост плотности металла: его атомы сближаются, их электрические поля всё больше перекрываются, и электронам требуется всё меньше энергии для отрыва от атомов и участия в переносе заряда (Рис. 179). При сближении атомов происходит обобществление их электронов, формирующих новые атомные связи и заполняющих вакансии, которые прежде могли удерживать свободные электроны (Рис. 170). В итоге всё больше становится избыточных, свободных электронов, которые отрываются от атомов и начинают участвовать в переносе заряда. К тому же, от "закрытия вакансий", свободные электроны всё меньше взаимодействуют с атомами, что наращивает ширину "пор" металла (областей потенциала, доступных для движения электронов), сквозь которые сочится электронный газ. Потому-то рост плотности металла и снижает сопротивление.

Рис. 179. Чем ближе атомы в кристаллической решётке, тем шире область перекрытия их электронных оболочек (заштрихована), тем легче электроны уходят от атомов и текут потоком по расширенным каналам, порам.

И, точно, давно замечено, что металлы, наращивая под давлением плотность, — уменьшают сопротивление. Так, сопротивление хрома и других металлов под давлением p (измеренным в атмосферах) снижается примерно на 10^–6p от своей начальной величины. Более того, при сжатии под огромным давлением становятся проводниками даже диэлектрики, к примеру, — водород, сера. А некоторые материалы, скажем, кремний, германий, — переходят под большим давлением в сверхпроводящее состояние. Не исключено, поэтому, что температурный рост сопротивления вызван отчасти температурным расширением тел. А у металлов с отрицательным термическим коэффициентом расширения возможен даже минусовой термический коэффициент сопротивления. Поэтому, интересно было б узнать, как меняется сопротивление веществ, сжимающихся при нагреве: магнитных сплавов, германия возле -243 °C, плутония выше 400 °C, а также хрома в районе 37 °C — температуры, возле которой хром вдруг перестаёт менять объём. Впрочем, сопротивление должно меняться и в зависимости от состояния электронного газа. Ведь скорость течения газа через фильтр зависит как от размеров и формы пор фильтра, так и от свойств газа.

Прежде считали, что классическая теория проводимости Друде не может объяснить, почему введение даже малой примеси в чистый металл — заметно меняет его сопротивление. Так, введение в медь всего 1 % марганца увеличивает её сопротивление в три раза. Ясно, что столь сильное влияние связано с нарушением примесными атомами правильной кристаллической решётки меди. Поэтому, в квантовой теории проводимости сочли, что именно строгая периодичность решётки обеспечивает проводимость. Но, на деле, дефекты решётки просто меняют плотность металла и связывают электроны. Все знают, что уложенные правильными рядами предметы занимают меньший объём, чем беспорядочно сваленные. Вот и дефекты, — примесные атомы, нарушая порядок, распирают металл и увеличивают его сопротивление. Так что, и здесь важна не сама кристаллическая решётка, а лишь её средние межатомные расстояния.

По той же причине, заметно разнятся удельные сопротивления разных кристаллических модификаций одного и того же металла. Каждой упаковке атомов отвечает своя плотность и свои межатомные расстояния. Важную роль играет и пространственное их расположение. Недаром, сопротивление металлического кристалла зависит от направления, в котором идёт ток (Рис. 180). Так, у ранее упомянутого металла галлия удельные сопротивления вдоль разных осей кристалла отличаются в семь раз [100]. Связь такой рекордной разницы сопротивлений с разной плотностью атомов в атомных плоскостях кристаллического галлия (аналогично связи гидросопротивления с густотой волокон на разных срезах фильтра) подтверждается тем, что у него вдоль разных осей сильно разнятся и термические коэффициенты расширения (их связь с сопротивлением показана выше). Также сопротивление металла во многом зависит от его механической и термической обработки, меняющей структуру и плотность металла, за счёт изменения величины зёрен, кристаллической модификации, числа дефектов. В классической теории проводимости учитывалось лишь состояние электронного газа и почти не уделялось внимания материалу (фильтру), по которому он тёк. Но, вместо того, чтобы учесть влияние материала, физики совсем отказавшись от наглядной картины проводимости, заменив классическую теорию — квантовой. И, хоть классический подход пока не везде достаточно развит количественно, зато квантовая теория, даже качественно, — не способна правильно описать многих явлений.

Рис. 180. Различие удельных сопротивлений вдоль разных осей кристалла, словно для тока газа вдоль и поперёк волокон фильтра.

Итак, движение электронов в веществе подчиняется законам классической механики, а поведение электронного газа — законам классической аэрогидродинамики и термодинамики. Классическая теория металлов П. Друде была неточной — не по вине классического подхода, а от неучтённой роли проводящей среды и межэлектронного взаимодействия. Перспективы применения классической механики в материаловедении и физике твёрдого тела — грандиозны, но малоизученны. Слишком долго наука шла по тупиковому пути квантовой механики, с чем и связаны её нынешние проблемы и застой. Мало того, что оказались ненадёжны опытные основы квантовой физики (фотоэлектрический, комптоновский и туннельный эффекты), квантовая механика, как выяснилось, вообще не способна объяснить ряд явлений. Поэтому, только классическая физика позволит, наконец, решить проблему высокотемпературной сверхпроводимости и создать новые материалы с уникальными свойствами, не говоря уже о том, чтобы сделать в проблеме сопротивления всё тайное — явным и наглядным.

Наконец, скажем несколько заключительных слов по истории вопроса. П. Друде создал свою электронную теорию проводимости металла, представив ток — потоком электронного газа, в 1900 г. Эта теория, во-первых, объяснила все особенности проводимости и поведения сопротивления металлов, при изменении условий, во-вторых, предложила простое истолкование закона Видемана-Франца, — пропорциональности проводимости и теплопроводности металла, относящихся всегда в одной и той же пропорции, независимо от рода металла. Ведь теплопроводность металла, так же как и его электропроводность определяется потоком электронного газа, который переносит заряд (проводимость) и тепло, кинетическую энергию электронов (теплопроводность). Кажется странным, что учёные так легко отказались от столь простой и изящной теории. Но всё прояснится, если вспомнить, что П. Друде трагически погиб в 1906 г. в результате самоубийства, не дожив до 43-х лет. Это и позволило учёным отказаться от его классической теории — в пользу квантовой.

Период 1906–1909 гг., вообще, как говорилось, очень насыщен многочисленными и странными смертями ключевых учёных-классиков — тут и смерть от несчастного случая Кюри (1906 г.), и самоубийства Больцмана и Друде (1906 г.), и уход из жизни защитников кинетической теории, У. Кельвина и Д. Менделеева (1907 г.), гибель в больнице В. Ритца (1909 г.). Здесь в полной мере оправдалось высказывание М. Планка о том, что новые теории признаются не путём переубеждения учёных, а лишь в процессе умирания всех несогласных, по принципу "нет человека — нет проблемы". Кончина Друде служит ярким тому подтверждением. Его самоубийство не только позволило отвергнуть предложенную им классическую теорию металлов, но и привело к установлению господства вообще всей неклассической физики. Дело в том, что П. Друде был редактором одного из ведущих научных журналов того времени, — "Анналы физики", и стоял на страже классических взглядов. Однако, после его смерти в 1906 г. журнал возглавил М. Планк и В. Вин. Они сыграли крайне негативную роль, поскольку без ограничений допускали публикации по теории относительности и квантовой теории, всячески препятствуя публикациям их критики и альтернатив [161]. Кстати, на Вине же лежит и вина за допуск к публикации первых статей Эйнштейна в 1905 г. Вот так: внезапно и странно произошёл переворот, приведший к замене классической физики — на квантовую. История эта ещё ждёт тщательного расследования.

§ 4.18 Фазовые переходы 1-го и 2-го рода

Я полагаю, что следует ввести в физику понятия симметрии, столь привычные для кристаллографов.
(П. Кюри, "О симметрии физических явлений", 1894 г.)

Эти исследования, если бы они были продолжены П. Кюри, могли бы, вероятно, иметь для развития естествознания в целом немногим меньшее значение, чем работы по радиоактивности для развития физики и химии.
(А.В. Шубников [164])

В качестве одного из свидетельств в пользу квантовой физики, приводят, порой, экзотические фазовые переходы второго рода. Напомним, что "фазовыми переходами первого рода" называют агрегатные превращения вещества, идущие с выделением или поглощением энергии. В них скачком меняется в точке перехода плотность, теплоёмкость и другие параметры физического тела. Другое дело, — фазовые переходы второго рода — они происходят без выделения скрытой теплоты, а характеристики вещества в точке перехода меняются плавно, непрерывно. К фазовым переходам второго рода относят переходы ферромагнетик-парамагнетик, проводник-сверхпроводник, нормальный-сверхтекучий гелий и другие, кажущиеся сверхъестественными, с позиций классической физики, превращения. Поэтому, и объяснить их якобы можно — лишь с позиций квантовой физики. Но, на самом деле, как покажем далее, фазовые переходы второго рода не отличаются особо от первого и объясняются целиком в рамках классической физики и представляют собой лишь более сложные превращения вещества, которые, в действительности, — тоже сопровождаются выделением и поглощением тепла.

Более того, выделение и поглощение тепла в этих переходах — обязательно. Совершенно так же, как для переходов первого рода, такое тепловыделение следует из законов термодинамики. Ведь любой фазовый переход подразумевает перестройку атомов вещества. При понижении температуры вещество переходит в энергетически более выгодное состояние, уменьшает свою внутреннюю энергию. Вот почему, эта избыточная энергия выделяется и её необходимо отводить, чтобы перевести вещество из одного состояния в другое. Так, при кристаллизации, атомы выстраиваются в правильном порядке, что уменьшает энтропию соединения и потенциальную энергию взаимодействия атомов. Эта энергия и выделяется в форме скрытой теплоты кристаллизации. То же самое происходит, в действительности, и в фазовых переходах второго рода, скажем, — при переходе парамагнетик-ферромагнетик. Там переход происходит без перестройки взаимного положения частиц, именно поэтому фазовые переходы второго рода не сопровождаются изменением плотности и объёма. Однако, этот переход сопровождается глубокими внутренними перестройками структуры вещества.

Так, при образовании ферромагнетика магнитные моменты электронов выстраиваются параллельно друг другу. То есть, происходит упорядочивание, но не положений частиц, а их ориентаций в пространстве. А упорядочение неизбежно сопровождается снижением энтропии, энергии взаимодействия, тоже выделяемой в форме тепла (при обратном переходе тепло поглощается, на чём основан принцип магнитного охлаждения). И, хотя считают, что фазовые переходы происходят без отдачи теплоты, и что этим они существенно отличаются от фазовых переходов первого рода, реально они, как покажем далее, выделяют скрытое тепло ничуть не хуже. Тем самым, устраняется принципиальное различие между фазовыми переходами первого и второго родов, а, значит, рушатся все представления об исключительности переходов 2-го рода, и становится бессмысленной и ненужной вся их феноменологическая теория, построенная Л. Ландау и В. Гинзбургом, во многом, — на базе квантового подхода. В действительности, фазовые переходы первого и второго рода — совершенно симметричны, подобны, имея одинаковую классическую природу. Разница у них не принципиальная, а количественная, и заключается она в ширине температурного интервала, в пределах которого происходит фазовый переход.

Правильную теорию фазовых переходов второго рода и их связи со степенью симметрии начал развивать ещё Пьер Кюри, как специалист по физической химии, основательно изучивший кристаллы и переход парамагнетик-ферромагнетик. Однако ранняя трагическая смерть помешала Кюри закончить эту грандиозную классическую работу, важную роль которой отмечал наш выдающийся кристаллограф А.В. Шубников [156]. Примечательно, что его однофамилец и современник Л.В. Шубников (по вине Ландау погибший ещё более рано и трагично, чем Кюри) был пионером советской физики низких температур и основателем передовой отечественной криогенной лаборатории, исследователем сверхпроводимости, магнетизма, фазовых переходов второго рода, кристаллов и процесса кристаллизации, что ещё раз отражает их тесную связь. Далее рассмотрим подробнее некоторые из переходов второго рода.

§ 4.19 Магнетизм и ферромагнетизм

Мне остаётся сказать, по какому закону природы
Может железо к себе притягивать камень, который
Греки "магнитом" зовут по названию месторожденья…
Прежде всего из магнита должны семена выделяться
Множеством или же ток истекать, разбивая толчками
Воздух, который везде между камнем лежит и железом.
Только что станет пустым пространство меж ними, и много
Места очистится там, как тотчас же, общею кучей,
Первоначала туда стремглав устремятся железа…
Дело ведь в том, что к тому побуждают извне их удары…
Будто бы сзади толкает кольцо и уносит, и гонит.
Ведь ударяет всегда окружающий воздух предметы.

(Тит Лукреций Кар, "О природе вещей", I в. до н. э. [77])

Природа магнетизма уже была раскрыта ранее (§ 1.7, § 3.19). По гипотезе Ампера, магниты и ферромагнитные материалы притягиваются, за счёт существующих в них элементарных круговых молекулярных токов. Взаимодействие электрических токов, переносимое потоками реонов и ареонов, источаемых магнитами, и вызывает их притяжение (или отталкивание). Что самое удивительное, такую гипотезу магнитного взаимодействия ещё две тысячи лет назад выдвигали Демокрит и Лукреций, говорившие, что его осуществляют элементарные частицы магнитов и железа, посредством источаемых ими токов, пронизывающих ткань магнита и железа. По их гипотезе, те же мельчайшие семена, частицы (реоны), что постоянно источаются телами и переносят свет, оказывают и магнитное воздействие, имеющее электрическое происхождение, в полном согласии с гипотезой Ритца. Казалось бы, эти истечения способны лишь отталкивать предметы. Но Лукреций удивительным образом смог объяснить притяжение тем, что атомы железа, постоянно ударяемые частицами окружающего воздуха, при поднесении магнита испытывают больше таких ударов с внешней стороны, поскольку частицы, источаемые магнитом, расчищают своими ударами пространство до железного тела. Именно так, по реонной гипотезе, осуществляется притяжение: ареоны, выбрасываемые позитроном, расчищают пространство до электрона, и, потому, удары внешнего, сходящегося реонного потока подталкивают электрон навстречу позитрону (§ 3.20). Небольшое преобладание этого притяжения зарядов над отталкиванием и порождает силу притяжения магнитов. Лукреций первым произвёл и классификацию тел по магнитным свойствам, аналогичную современному разделению на диа-, пара- и ферромагнетики. Этот античный исследователь и популяризатор атомистического учения Демокрита догадался, что нет принципиальной разницы между магнитными и немагнитными телами: просто одни реагируют на магнитные токи в большей степени, а другие — в меньшей, — тела обладают разной магнитной восприимчивостью и проницаемостью [77]. Удивительное прозрение!

С чем же связано наличие магнитных свойств у одних тел и отсутствие у других? В настоящее время магнетизм и ферромагнетизм причисляют к квантовым явлениям, хотя, в действительности, — это рядовые, классические феномены. Не зря, первое объяснение ферромагнетизма было дано ещё век назад Пьером Кюри — целиком в рамках классической науки. Он объяснил ферромагнетизм спонтанной намагниченностью. Магнитные моменты атомов, взаимно влияя друг на друга, одинаково выстраиваются вдоль одного направления. В итоге, их магнитные моменты складываются, тем самым создавая заметные магнитные поля вещества. С увеличением температуры, от беспорядочного движения атомов, магнитные моменты рассогласуются и спонтанная намагниченность выше некоторой температуры (точки Кюри) исчезает. Имеет место переход ферромагнетик-парамагнетик. Этот фазовый переход не содержит ничего сверхъестественного и его ни к чему считать переходом второго рода, — этой лишней сущности, введённой Эренфестом и Ландау, вопреки принципу Оккама. Реально, в процессе перехода парамагнетик-ферромагнетик выделяется тепло, как во всех переходах первого рода. Однако, этот переход происходит не резко, а растянут в некотором температурном интервале, поэтому выделение и поглощение тепла воспринимается как рост теплоёмкости ферромагнетика. Теплоёмкость стремится к бесконечности с приближением к точке перехода (точке Кюри). Поэтому, скрытую теплоту таких переходов можно найти, как площадь, заключённую под кривой теплоёмкости. Этот вопрос будет подробней рассмотрен в следующем разделе (§ 4.20).

В таком переходе тепло не может не выделяться, поскольку образование ферромагнетика связано с большей степенью упорядоченности: атомы и электроны в них расположены упорядоченно не только по своим координатам, но и по направлениям, образуя кристалл более высокой степени симметрии — "сверхкристалл". Раздельно с упорядочением по координатам и по направлениям частиц (их моментов) мы встречаемся в обычных и в жидких кристаллах, а у ферромагнетиков эти свойства совмещены в форме сверхкристаллического состояния высшего порядка. Именно это упорядочение неизбежно ведёт к снижению энтропии, с выделением соответствующей энергии в некотором температурном интервале. И, лишь из-за того, что это тепловыделение растянуто, его интерпретируют как рост теплоёмкости. Для охлаждения на один градус необходимо не только отнимать тепло, связанное с кинетической энергией беспорядочного движения атомов, но и внутреннее тепло, постепенно выделяющееся в переходе. Существование скрытой теплоты перехода подтверждает и магнитокалорический эффект, — выделение тепла при намагничивании ферромагнетика, словно при кристаллизации.

В том, что ферромагнетизм не имеет отношения к квантовой теории, а объясняется чисто механически, с помощью классических теорий, следует уже из существования пьезомагнитного и обратного пьезомагнитного эффекта, то есть, — намагничивания ферромагнитных материалов под действием давления, деформации. Именно за счёт этого эффекта намагничиваются, со временем, острия ножниц, отвёртки, ножи мясорубок. Связано это с тем, что пластическая деформация приводит к перестройке внутренней структуры металла и чисто механическому упорядочиванию в расположении его атомов и зёрен, что хорошо заметно на протравленных срезах металла. Механическое упорядочивание в расположении атомов и приводит к сонаправленному расположению их магнитных моментов, прежде ориентированных случайным образом. Пластические деформации вызывают постоянные перестройки атомной структуры — в энергетически более выгодную, снижающую энергию взаимодействия, что достигается при сонаправленном расположении магнитных моментов атомов. Не составит большого труда объяснить с классических позиций и все другие особенности ферромагнетизма, в том числе, — кривую намагничивания, а также явления пара-, диа- и антиферромагнетизма.

Стоит отметить, что классическая теория переходов ферромагнетик-парамагнетик была построена Пьером Вейссом и Пьером Кюри [50], чему предшествовало создание Кюри теории кристаллов и кристаллизации (фазового перехода первого рода), а, также, — важной для этих процессов теории симметрии [156, 164]. Однако, Кюри умер в 1906 г. и теперь теорию такого рода фазовых переходов, основанную на теории симметрии, чаще связывают с именем Л.Д. Ландау, по сути укравшего и извратившего на кванторелятивистской основе идеи Кюри. Подобное не раз происходило и с идеями Ритца. Сейчас можно только пожалеть о ранней кончине В. Ритца и П. Кюри. Оба исследовали с разных сторон один и тот же вопрос и были близки к разгадке тайн строения вещества. Если Ритц построил магнитокристаллическую модель атома, то Кюри установил связь кристаллов и магнетизма. Проживи они оба чуть подольше и объедини свои усилия, люди ещё сто лет назад могли бы получить в руки адекватную теорию атома и ядра, а, вместе с ними, и полностью классическую картину мироздания. Итак, магнетизм, в целом, и ферромагнетизм, в частности, — вполне объяснимы в рамках классических законов. Более того, именно классическая теория атома, основанная на модели Ритца, позволяет понять, почему одни материалы и элементы обладают свойствами ферромагнетиков и антиферромагнетиков, а другие — нет (§ 3.3, § 3.19).

§ 4.2 °Cверхтекучесть

Эта жидкость кажется невесомой, почти несуществующей. А может, и нет её вовсе — жидкости?
(Г. Камерлинг-Оннес о сверхтекучем гелии [61])

Ещё одно необычное и до сих пор не объяснённое свойство вещества — это сверхтекучесть, наблюдавшаяся пока только у гелия. Символично, что это чудо физики низких температур открыто в нашей стране, славной своими морозами. Ещё символичней, что открыл его в 1938 г. не физик-теоретик, а физик-экспериментатор, практик, инженер — Пётр Леонидович Капица, выпускник политеха Санкт-Петербурга [62]. Ведь квантовая теория не то что предсказать, но, даже, объяснить толком сверхтекучесть так и не смогла, равно как и сверхпроводимость. В этом основная причина ограниченного применения того и другого в жизни и технике. Всеми успехами по открытию сверхтекучести, сверхпроводимости, созданию всё более высокотемпературных сверхпроводников мы обязаны только экспериментаторам, интуитивно, случайно, вслепую нащупывающим соединения и сплавы с нужными свойствами. Роль теории в этих поисках ничтожна и сведена к объяснению (формально подогнанному) уже открытого. Поэтому, как многие отмечают, квантовая теория сверхтекучести и сверхпроводимости не оправдала себя. И жизненно необходима принципиально новая теория этих явлений, отличная от квантовой.

Итак, гелий. Как известно, этот инертный газ — самый упрямый из всех газов. Его атомы ни в какую не хотят сцепляться ни друг с другом, ни с атомами других элементов. Упорное нежелание атомов гелия взаимодействовать объясняет, почему этот газ последним сдал свои позиции и поддался сжижению (гелий обладает самой низкой критической температурой T_К=5,25 К). Но и в жидком состоянии он сохранил своё упрямство, став единственным веществом, которое даже при абсолютном нуле не затвердевает (лишь под давлением в 25 атмосфер удаётся получить твёрдый гелий). Именно в этом запредельном состоянии, — ниже температуры Т=2,17 К, гелий обретает удивительное свойство сверхтекучести, иначе говоря, теряет вязкость и, даже сквозь тончайшие капилляры, течёт практически без трения.

Сверхтекучесть часто сравнивают со сверхпроводимостью, тоже наступающей возле точки абсолютного нуля [71, 134]. Ведь рождающие ток электроны снуют внутри металла, словно атомы газа. Потому и стали говорить о токе, течении "электронного газа". Его вязким трением, когда тот "сочится" сквозь поры кристалла, и объясняли прежде сопротивление проводников (§ 4.17). Ещё Ом ввёл наглядную гидродинамическую аналогию тока: проводник — это трубопровод; сила тока — расход жидкости (газа); разность потенциалов — разница давлений; сопротивление проводника — сопротивление трубопровода; выделение джоулева тепла — нагрев от вязкости жидкости (или газа) и т. д. А в сверхпроводнике вязкое трение электронного газа, как у гелия, исчезает, и он протекает по проводнику без сопротивления и потерь энергии.

Плодотворность классической модели тока делает её полезной и в настоящее время. Именно она вскрывает связь явлений сверхпроводимости и сверхтекучести, а, значит, — их природу. Правда, в проводнике говорят об электронном газе, тогда как сверхтекучий гелий считают жидкостью. Но вот с этим-то можно поспорить. Всё свидетельствует о том, что сверхтекучий гелий — это, в действительности, тоже газ, и аналогия с электронным газом полная.

Начать с того, что у всех газов с падением температуры T вязкость ?, в отличие от жидкостей, не растёт, а убывает по закону ?~T^1/2. Именно с этим когда-то связывали температурный рост сопротивления металлов: с повышением температуры росла вязкость электронного газа (Рис. 177). Как легко видеть, эта теория предсказывала и полное исчезновение сопротивления возле точки абсолютного нуля, при T=0 К. Поэтому, естественно допустить, что и гелий при охлаждении ниже критической температуры 2,17 К переходит в сверхтекучее состояние, за счёт превращения в газ, обладающий в таких условиях почти нулевой вязкостью ?. И точно, опыт Э.Н. Андроникашвили показал, что при падении температуры вязкость сверхтекучего гелия снижается по закону ?~T^1/2, вплоть до нуля при T=0 К [134]. Но этот опыт почему-то истолковали как подтверждение абсурдной двухжидкостной модели Гинзбурга-Ландау, по которой гелий состоит из нормальной и сверхтекучей компонент: доля последней нарастает при охлаждении, достигая 100 % при абсолютном нуле, что якобы и объясняет нулевую вязкость. На деле же наблюдалось лишь классическое и давно предсказанное падение вязкости газообразного гелия.

Казалось бы, с чего бы это жидкому гелию, полученному при охлаждении газообразного, вновь становиться газом при дальнейшем остывании? Но, зная упрямство гелия, его нежелание пребывать в жидком состоянии, мы можем ожидать от него любого фокуса. Так, на фазовой диаграмме (Рис. 181), показывающей состояние гелия, в зависимости от давления и температуры, видно, что линия AC перехода нормального гелия (He I) в сверхтекучий (He II) — начинается в той же точке А, откуда выходит и линия AB перехода жидкость-газ. Это доказывает тесную связь сверхтекучего и газообразного гелия. Тогда С будет тройной точкой, в которой сходятся твёрдое, жидкое и газообразное состояние вещества, и которой, как полагали физики, нет у одного только гелия.

Рис. 181. Фазовая диаграмма гелия показывает связь сверхтекучего He II с твёрдым гелием и газом.

Физики привыкли твердить, что переход гелия в сверхтекучее состояние принципиально отличен от простых фазовых превращений жидкость-газ (кипение), жидкость-твёрдое тело (кристаллизация) и т. д., сопровождаемых поглощением или выделением определённого тепла и называемых "фазовыми переходами первого рода". А переход He I — He II, не выделяющий тепла, называют уже "фазовым переходом второго рода" (§ 4.18). Но это ошибка: переход гелия в сверхтекучее состояние требует отнятия у него некоторого стандартного количества тепла и столько же тепла надо вернуть, чтобы перевести гелий назад в нормальное состояние. Проморгали физики эту поистине скрытую теплоту перехода, так как привыкли иметь дело с фазовыми переходами, где всё скрытое тепло передаётся при постоянной фиксированной температуре. Так, температура плавящегося льда не тронется с 0 ?C, пока он не поглотит всю теплоту плавления. И, строя кривую теплоёмкости воды, в точке плавления следовало бы изобразить, кроме скачка теплоёмкости, ещё и очень острый пик (так называемую дельта-функцию), соответствующий бесконечной теплоёмкости, ибо в точке плавления подвод тепла не наращивает температуры. Ведь теплоёмкость единицы массы тела — это и есть, по определению, отношение подводимой теплоты к повышению температуры тела.

У гелия теплоёмкость в точке перехода (Рис. 182) тоже устремляется в бесконечность, создавая обычный для фазовых переходов пик [134]. Однако, пик этот уже слегка размыт, что говорит о растянутости самого фазового перехода, но перехода первого рода, сопровождаемого передачей теплоты! Её количество q равно площади S, заключённой под графиком теплоёмкости — в пределах узкой полосы температур в точке перехода (Рис. 182). Такие "размытые" фазовые переходы действительно существуют, особенно, — в сложных двухфазных, двухкомпонентных системах.

Рис. 182. Пик на графике теплоёмкости воды и гелия соответствует фазовому переходу, а его площадь S — скрытой теплоте q этого фазового перехода.

Так, в качестве возможной причины аномального поведения плотности воды возле точки плавления тоже называлось растянутое в широком температурном интервале плавление кристаллов льда (содержащего тяжёлые изотопы), взвешенных в воде [120]. Тем же, видно, обусловлена и другая аномалия воды. Её теплоёмкость с увеличением температуры не растёт, как у всех жидкостей, а падает, достигая минимума при 40 ?C, и лишь при дальнейшем нагреве начинает нарастать (считают, что это и задаёт стандарт температуры тела человека и всех теплокровных [138]). Аномально высокую теплоёмкость воды и её спад в диапазоне от 0 до 40 ?C тоже можно связать с плавлением кристаллов тяжёлого льда, для чего нужен подвод дополнительной теплоты плавления льда (80 кал/г). Причём, это избыточное количество теплоты 0,14 кал/г, находимое как площадь сегмента под левой ветвью кривой теплоёмкости (Рис. 183), в точности равно теплоте плавления заключённого в воде тяжелоизотопного льда. Содержащиеся в 1 г воды 0,0018 г тяжёлого льда H₂¹⁸O, поглощают, по мере плавления, как раз 0,14 кал = (80 кал/г)?(0,0018 г). Выходит, у воды без тяжёлых изотопов нормальный ход имела бы и кривая плотности, и кривая теплоёмкости.

Рис. 183. Пик теплоёмкости С воды от плавления тяжёлого льда.

Интересно, что воду со сверхтекучим гелием роднит как раз очень редкое свойство уменьшать объём при нагревании. Заметим, что природный гелий тоже содержит изотоп, но, в отличие от воды, не тяжёлый, а лёгкий — ³He в количестве от 10^–4 до 10^–8 %.

Итак, переход гелия в сверхтекучее состояние вполне может быть простым фазовым переходом с отнятием тепла. Вероятно, одноатомный гелий при низкой температуре образует двух- и многоатомные молекулы He₂ и He_n. Причём, это состояние многоатомного газа ниже Т=2,17 К оказывается энергетически более выгодным, чем одноатомной жидкости, и, потому, гелий снова становится газом. Вот почему, превращаясь из жидкости в газ, гелий не поглощает, а выделяет тепло, которое надо отводить. И, точно, одиночка гелий иногда всё же образует двухатомные молекулы. Так, в разрядах удалось выявить ионы He₂⁺. Да и переход ³He в сверхтекучее состояние, как считают, возможен лишь при слиянии его атомов в пары, словно электронов в сверхпроводнике [134].

Но, скорее, атомы гелия соединяются даже не в пары, а образуют гигантские комплексы, насчитывающие тысячи и десятки тысяч атомов. Это, по сути, уже не молекулы, а микрокристаллы, не имеющие постоянного числа атомов и движущиеся подобно броуновским частицам, коллектив которых ведёт себя как газ большой молекулярной массы. Размер таких кристаллов должен составлять порядка десяти поперечников атома гелия, т. е. — около 10 A или 1 нм. Значит, гелий, всё же, переходит в твёрдое состояние (с чем и связан выход тепла), но ведёт себя при этом — как газ, поскольку тепловое движение и слабая связь инертных атомов гелия мешают нарастанию кристаллов и их агломерации. В итоге получается нечто среднее между газом и кристаллом — "газолёд", аэрозоль из кристаллов, снежная пыль, ледяной пар. По сути, это новое агрегатное состояние вещества. Вот в чём причина сходства свойств гелия и воды, содержащей микрокристаллы льда [120, 138]. Подобные же промежуточные состояния вещества, в форме жёстко связанных кристаллических комплексов, уже были рассмотрены для случая твёрдых тел и водорода (§ 4.15, § 4.16).

Кристаллы зарождаются уже в жидком гелии, причём их число и размеры нарастают с падением температуры. Именно с кристаллизацией связан размытый пик теплоёмкости гелия. Да и эксперименты показали, что в жидком гелии (как в воде) плавают кристаллики, насчитывающие сотни атомов, — "снежки" и "льдинки" [12, 138]. Как любые кристаллы, они нарастают вокруг ядер кристаллизации: ионов и электронов. Рост кристаллов в жидком гелии, как показал физик Аткинс, имеет чисто классические причины [12]. По мере укрупнения кристаллов расстояния между ними растут и, при определённой температуре (2,17 К), они оказываются столь велики, что жидкость переходит в газ (Рис. 184), причём, в силу плавности перехода, — не меняя плотности, словно в критической точке, где свойства жидкости и пара совпадают.

Рис. 184. В зависимости от давления и температуры микрокристаллы, вырастающие в жидком гелии, либо отдаляются, образуя "газовую" фазу, либо смерзаются в единую "снежную" массу гелия.

Но разве могли бы физики спутать газ и жидкость? В случае гелия это вполне возможно. Просто обычно газы не удаётся наблюдать в условиях, когда газ должен напоминать жидкость. Из-за низкой температуры его молекулы будут иметь ничтожную скорость, недостаточную даже для того, чтобы, преодолев силу тяжести, вылететь из сосуда. Такой газ уже не обладает основным свойством газов — заполнять весь предоставленный объём, а скапливается, подобно жидкости, на дне сосуда. В больших масштабах это происходит с земной атмосферой, которая не может покинуть Землю и разливается по ней воздушным океаном. Вот и газ He II возле абсолютного нуля выглядит как жидкость: его можно переливать из стакана в стакан, он течёт, словно жидкость, и, даже, обладает, за счёт заметного коэффициента преломления (плотность 146 кг/м³), — призрачной, едва видимой и волнующейся "поверхностью раздела" (Рис. 185). Примерно так же, уже при комнатных температурах можно "переливать", словно жидкость, из стакана в стакан углекислый газ или зеленовато-жёлтый газ хлор, а также наблюдать, как от костра "фонтаном струй" взлетает разогретый воздух (имеющий чуть иной показатель преломления), или, — как стелится, течёт по земле туман, пар из охлаждённого воздуха.

Рис. 185. Газ из частиц гелия не способных покинуть сосуд.

В то же время, сам жидкий гелий He I сильно смахивает на газ. Он столь прозрачен и лёгок (плотность в десять раз меньше, чем у воды), что усомнишься, — не газ ли это? Как сказано в книге Карцева [61], такое сомнение охватило и Камерлинг-Оннеса, открывшего жидкий гелий: "…и вот уже сосуд наполнен чуть ли не до краёв кипящей жидкостью, настолько прозрачной, что увидеть её почти невозможно. Эта жидкость кажется невесомой, почти несуществующей. А может и нет её — жидкости…?". То же сомнение берёт и в отношении сверхтекучего гелия. Хотя внешне сверхтекучий гелий He II, как нечто среднее между газом и твёрдым телом (Рис. 181), и впрямь должен напоминать жидкость. Вот почему, наблюдая гелий возле абсолютного нуля, газ легко спутать с жидкостью, тем более если эту субстанцию нельзя "пощупать", изучить непосредственно.

В том, что сверхтекучий гелий — это именно газ, а не жидкость, убеждает хотя бы неспособность его кипеть, пузыриться, на что способна любая жидкость. Это можно объяснить только тем, что данная субстанция — многоатомный газ, которому и не надо кипеть для перехода в обычный одноатомный гелий и который просто не может образовать пузырей, не обладая поверхностным натяжением. Однако, неспособность сверхтекучего гелия кипеть, физики объясняют его огромной теплопроводностью. А, ведь, они имеют прямое доказательство превращения жидкого гелия в газ при переходе в сверхтекучее состояние. Так, если при T< 2,17 К снизить давление над жидким гелием, то в нём возникнет бурное кипение, заканчивающееся лишь с переходом в сверхтекучее состояние [134]. Ну разве это не доказывает, что сверхтекучий гелий — газ? Ведь точно так же, при снижении давления, кипит, образуя пары, вода и все другие жидкости. Но физики, имея перед носом столь явное свидетельство, даже не удивятся: с чего бы это вдруг жидкому гелию вскипать пузырьками газа при охлаждении, тем более, раз он всё равно переходит в жидкость (пусть и сверхтекучую), и раз, по их мнению, при температурах ниже 2,17 К гелий в форме газа и газовых пузырьков вообще не существует?

К сожалению, здесь, как во многих других "неклассических" явлениях, теоретики стали всё усложнять, выдумав кучу абсурдных объектов (фононы, ротоны, квантовую жидкость), искусственных гипотез (скажем, формальное деление гелия на сверхтекучую и нормальную компоненты). И всё это — вместо того, чтобы как следует разобраться, провести опыты и найти простое, наглядное, а, потому, и наиболее вероятное объяснение. Впрочем, выводы квантовой физики и теории относительности всегда были скоропалительны и непоследовательны. Любое же классическое объяснение сторонники этих абсурдных теорий отвергали лишь по причине его классичности, даже если оно было проще, точней и естественней их собственного.

Если сверхтекучий гелий — газ, то все его "странности" найдут простое и естественное объяснение. Так, известно, что при погружении пробирки со сверхтекучим гелием в сосуд разница уровней гелия постепенно выравнивается. Обычно это объясняют образованием на поверхности пробирки тонкой плёнки гелия, в которой гелий течёт по принципу сифона. Но и без этого гелий может легко переходить из пробирки в окружающую жидкость и обратно, поскольку стекло пробирки не идеально, оно всегда имеет массу дефектов и микротрещин, из-за своей тонкости служащих непреодолимой преградой для всех жидкостей и газов, кроме сверхтекучего гелия. Сквозь такие поры, трещины стекла, гелий и вытекает (Рис. 186). Поэтому скорость вытекания гелия зависит, как показали опыты, не от длины пути мнимой плёнки, а от числа дефектов стекла — трещин и царапин. Точно так же обнаружили, что сверхтекучий гелий, за счёт ничтожной вязкости, легко проходит сквозь стенки закрытого керамического сосуда, сочась через его тончайшие поры. Даже при комнатной температуре газообразный гелий легко проходит через малейшие трещины и поры герметичных сосудов [90], а при нулевой температуре и вязкости этот газ ещё более пронырлив.

Рис. 186. Выравнивание уровней сверхтекучего гелия, сочащегося сквозь стенки и стекающего по ним в виде иллюзорной плёнки.

Интересен механотермический эффект: если два сосуда, до разной высоты заполненных сверхтекучим гелием, соединить трубкой с наждачным порошком, то, при выравнивании уровней, температура в сосуде, откуда гелий уходит, растёт, а куда притекает — падает. Обычно это объясняют тем, что через трубку протекает лишь сверхтекучий компонент гелия, не несущий тепла [134]. Этим теоретики противоречат сами себе, так как огромную теплопроводность гелия связывают именно со сверхтекучей компонентой, производящей сверхбыстрый перенос тепла. Такая противоречивость характерна для всей квантовой физики. На деле, природа механотермического эффекта тривиальна. Как было сказано, вязкость газа растёт с температурой, — с увеличением скорости молекул. Поэтому, в щели между крупицами наждачного порошка легче проходят молекулы гелия с наименьшими скоростями, образующие гелий с малой вязкостью. Быстрые же молекулы, несущие вязкий гелий, с трудом проходят в поры, "застревают" в них (недаром сверхтекучесть заметна лишь в тонких капиллярах, куда нет доступа быстрым частицам). Поэтому, сосуд, откуда идёт утечка гелия, нагревается: там растёт процент быстрых молекул (Рис. 187.а). А в сосуде, где гелия прибывает, растёт доля медленных молекул, и он остывает. Тонкопористый фильтр, по сути, производит сепарацию молекул по скоростям. Похожее явление мы наблюдаем при испарении жидкости. Так, если капнуть на руку спиртом, то, за счёт ухода с поверхности более энергичных молекул, жидкость быстро охлаждается: её энергия уходит, и преобладать начинают медленные молекулы.

Рис. 187. а) Утечка медленных, "холодных" молекул гелия через тонкопористый фильтр создаёт разницу температур; б) Нагрев ампул ведёт к притоку в них сверхтекучего гелия и выбросу его через сопло.

Существует и термомеханический эффект. В нём, наоборот, нагрев одного из двух сосудов, соединённых фильтром, ведёт к притоку сверхтекучего гелия в нагретый сосуд (Рис. 187.б). Это происходит оттого, что нагретый гелий, имея большую вязкость, практически не проходит через фильтр, в то время как гелий из холодного сосуда, за счёт малой вязкости, легко проходит сквозь капилляры в нагретый сосуд, повышая в нём уровень гелия. При сильном нагреве сосуда приток в него сверхтекучего гелия столь силён, что струя фонтаном бьёт через сопло.

Аналогично объясняется интересный опыт Капицы, где струя из нагретого сосуда, погруженного в сверхтекучий гелий, отклоняла лёгкое крылышко. Через поры и трещины стекла сверхтекучий гелий поступал внутрь нагретого сосуда, одновременно вытекая через сопло (поэтому уровень сверхтекучего гелия в сосуде не менялся), как в случае фонтанирования. Струя из сопла и отталкивала крылышко. Как видим, для трактовки этих и других аномалий сверхтекучего гелия вполне достаточно классической физики. Так что мы имеем дело, хоть и с редким, необычным, но — классическим явлением, понять которое можно без сложного представления сверхтекучего гелия квантовой жидкостью из двух бессвязных компонент. А, вскоре, классическая трактовка свойств гелия найдёт и точное количественное обоснование.

Кроме того, что явление сверхтекучести может стать ключом к разгадке сверхпроводимости, оно представляет и самостоятельный интерес, может иметь важные практические применения. Однако, так же, как в случае сверхпроводимости, для этого надо добиться увеличения температуры перехода в "сверхсостояние". А, значит, надо искать новые вещества и условия, рождающие сверхтекучесть. Гелий — вряд ли исключение. Причина его сверхтекучести — лишь в способности гелия пребывать в жидком и даже газообразном состоянии возле точки абсолютного нуля, на что не способны другие вещества. Но теперь физики, пусть и с большим трудом, научились сохранять в виде газа и атомарный водород вплоть до T=0,08 K [134]. А, потому, есть надежда обнаружить сверхтекучесть и у него. К тому же, водород — это второй после гелия газ с наинизшей температурой перехода в жидкое и твёрдое состояние (Таблица 12).

Удалось перевести в сверхтекучее состояние и изотоп гелия ³He, хотя у него сверхтекучесть наступала лишь при температурах ниже 0,0027 К. Столь низкая температура перехода связана, видно, с меньшей на 25 % массой атомов изотопа. Соответственно, скорость движения атомов 3He, при той же температуре, — больше, чем у простого ⁴He. Недаром газообразный ³He переходит в жидкость лишь при температурах ниже 3,35 К. По той же причине, атомы ³He с большим трудом сливаются вместе, рождая "гелевый лёд" и сверхтекучее состояние. У сверхтекучего гелия есть сходство и с потоками реонов, тоже летящими сквозь поры тел без сопротивления, за счёт инертности, отсутствия взаимодействий. Эта аналогия электродинамической среды со сверхтекучим гелием, предложенная Сотиной и Болдыревой [22], восходит к идеям ещё одного исследователя низких температур и критических, переходных состояний вещества, — Д.И. Менделеева, который сравнивал частицы-переносчики света и гравитации, без трения пронизывающие тела, — с атомами гелия и прочих инертных газов (§ 1.5, § 3.21). Выходит, классик Менделеев, в отличие от кванторелятивистов, смог предсказать в своих работах и феномен сверхтекучести этих экстравагантных элементов.

Так что, есть смысл поискать сверхтекучесть и у других инертных газов, скажем, у неона, стоящего на третьем месте (после гелия и водорода) — по малости температур кипения, плавления и всё чаще применяемого как хладагент. Загадочна причина сверхмалой вязкости жидкого кислорода, тоже обладающего одной из самых низких температур кипения, плавления и необычными магнитными свойствами. Так что, обнаружение новых и, даже, высокотемпературных сверхтекучих газов — вполне возможно. Многих поражает, как за век, почти истёкший с момента, когда Камерлинг-Оннес, — такой же трудяга-экспериментатор, как Менделеев и Капица, — открыл сверхпроводимость и осуществил сжижение гелия, эти два явления так и не произвели революции в технике. Видно, лишь отказ от созданных Ландау и Гинзбургом квантовых теорий сверхпроводимости и сверхтекучести, откроет новые пути применения и исследований сверхсостояний, чуть не на век закрытых и замороженных квантмехом.

§ 4.21 Сверхпроводимость

Эренфест и его товарищ Вальтер Ритц совершили совместную поездку в Лейден. Надо сказать, что Лейден того времени славился не только Лоренцем, но и Камерлинг-Оннесом, директором криогенной лаборатории, в которой велись захватывающе интересные исследования низкотемпературных свойств твёрдых тел. И вот вместе с Ритцем Эренфест придумал остроумный метод выбора тем для диссертационных работ: они брали учебник физики и обращались к предметному указателю. Один зачитывал собранные там термины, а другой добавлял сакраментальное: "при низких температурах".
(В.Я. Френкель [171])

Во многом напоминает явление сверхтекучести и магнетизма феномен сверхпроводимости [71], открытый, подобно жидкому гелию, Камерлинг-Оннесом. Как многие отмечали, квантовая теория сверхпроводимости в корне ошибочна, с чем и связано крайне ограниченное применение сверхпроводников, которые, по идее, должны бы уже давно произвести революцию в технике. Поэтому, большие надежды в последнее время возлагают на классическую теорию сверхпроводимости. Любой газ, в том числе электронный, постепенно теряет вязкость с падением температуры (Рис. 177). То есть, согласно классической теории, при абсолютном нуле сопротивление должно стать нулевым, тогда металл и перейдёт в сверхпроводящее состояние. Но реально сверхпроводящее состояние наступает, даже, — немного не доходя до абсолютного нуля. Электроны, образующие электронный газ, подобно атомам обычных газов, обладают разными скоростями, подчиняющимися максвелловскому распределению (Рис. 188). Поэтому, в металле всегда есть электроны с почти нулевой скоростью. При комнатной температуре их ничтожно мало. Однако, возле абсолютного нуля процент таких электронов уже заметен, и они способны создавать токи достаточной величины.

Конечно, быстрых электронов больше, но, образуя электронный газ высокой вязкости, они фильтруются "микропорами" металла (§ 4.17), создавая лишь слабые токи, в сравнении с токами медленных электронов, так что вносимое ими сопротивление — ничтожно. Сепарация газа медленных электронов, рождающих ток сверхпроводимости, идёт тем эффективней, чем тоньше "поры" металла, через которые сочится электронный газ (так же отделяются в порах фильтра быстрые и медленные молекулы сверхтекучего гелия § 4.20). Поэтому в сверхпроводящее состояние легко переходят сплавы и металлы типа олова, ртути, свинца, тантала, ниобия, обычно обладающие высоким сопротивлением (так и сверхтекучесть проявляется лишь в тонкопористых фильтрах, оказывающих повышенное сопротивление току нормальных жидкостей), тогда как у металлов низкого удельного сопротивления (серебро, медь, золото) переход в сверхпроводящее состояние затруднён. Наличие токов медленных и быстрых электронов — аналогично протеканию тока через два параллельных резистора, первый с малым сопротивлением R₁, второй — с большим R₂: почти весь ток, выбирая путь наименьшего сопротивления, пойдёт по резистору R₁, а сопротивление второго почти не повлияет на величину тока, если R₂>>R₁ (Рис. 178). Впрочем, именно быстрые электроны могут порождать ничтожно малое, но ощутимое сопротивление сверхпроводника. Не исключено, что их ток и задаёт величину критических токов и магнитных полей, разрушающих сверхпроводимость. С ними же, видимо, связана и низкая (в сравнении с нормальным состоянием) остаточная теплопроводность сверхпроводника [90], поскольку основной ток медленных, низкоэнергичных электронов почти не переносит тепла.

Рис. 188. Распределение частиц электронного газа по скоростям.

Настоящей загвоздкой для квантовой теории стало открытие сверхпроводников, которые в нормальном состоянии, при высоких температурах, являются диэлектриками. Зато, по классической теории, при низких температурах диэлектрик вполне может стать сверхпроводником. Диэлектрик лишь потому не проводит ток, что в нём почти нет свободных электронов: все электроны связаны с атомами. Считалось, что, по классической теории, диэлектрики вообще не проводят ток [32, с. 22]. На деле же, и в классике, из-за разброса скоростей (Рис. 188) в диэлектрике всегда есть электроны со скоростью, достаточной для отрыва от атомов. С ростом температуры и скорости электронов, всё большая их часть отделяется от атомов и переносит заряд, с чем и связан рост проводимости диэлектриков при нагреве. Но у диэлектриков с высокой степенью теплового расширения возможен заметный рост проводимости и при охлаждении. Ведь охлаждаемый диэлектрик, уменьшаясь в объёме, сближает атомы, их поля всё больше перекрываются, высвобождая много электронов (§ 4.17). Для этих диэлектриков сжатие охлаждением — аналогично сжатию давлением, превращающим их в проводники (за счёт обобществления части электронов и высвобождения оставшихся), как, например, в случае серы. Так что у диэлектриков при низких температурах вполне могут открыться металлические и сверхпроводящие свойства, поскольку, как нашли выше, сверхпроводниками легче становятся вещества, обладающие обычно повышенным сопротивлением. И диэлектрик, в обычном состоянии представляющий для тока такое же серьёзное препятствие, как микропористый фильтр — для газа, благодаря "узким порам" может стать сверхпроводником даже при меньшей степени охлаждения, чем металл. От разной ширины межатомных "пор" разнятся и температуры перехода в сверхпроводящее состояние у разных кристаллических модификаций одного металла, имеющих разные плотности (§ 4.17).

Итак, поведение электронов в веществе вполне соответствует законам классической механики и термодинамики. А квантовая механика не только "безумна", но и часто даёт ложные предсказания, хоть теоретики и привыкли твердить, что квантовый подход — лучше классического. Кванторелятивисты пытаются убедить всех, что современная полупроводниковая электроника создана по квантовой теории и разработанной в её рамках зонной теории твёрдого тела. Но это — такая же наглая ложь, как байка о ключевой роли теории относительности в создании ядерной энергетики (§ 3.13), или как утверждение о роли квантовой теории в постройке лазеров (§ 4.9). На деле все эти изобретения XX в. строились не благодаря, а — вопреки квантовой физике и теории относительности, при серьёзных помехах со стороны их апологетов. Так, полупроводниковое радио на кристадине ещё в 1922 г. создал в нижегородской радиолаборатории О.В. Лосев. Примерно тогда же он построил первый транзистор (основу современной электроники), изучив физический механизм его работы, а также открыл явление электролюминесценции в полупроводниках (построил и исследовал первые светодиоды, без которых немыслима современная техника).

А главное, вполне адекватные объяснения работы всех этих приборов Лосев давал на основе классической физики и своих опытов (см. сборник "Опередивший время". Н.Новгород: ННГУ, 2006). Но именно эта независимость, оригинальность и самобытность Лосева, игнорирующего сложный квантовый подход, привела к тому, что внедрение его изобретений в практику задержалось на десятки лет. И виноваты в этом были как раз сторонники квантовой теории во главе с А. Иоффе. Если причастность Иоффе к трагической судьбе Ритца ещё под вопросом (§ 1.1), то про Лосева однозначно можно сказать, что задержка внедрения его изобретений в практику и гибель в блокадном Ленинграде целиком лежат на совести Иоффе, стоявшего во главе советской электроники и насаждавшего в стране бред кванторелятивистских теорий, а, потому, оказавшего негативное воздействие на развитие отечественной науки и полупроводниковой электроники, которая к середине XX века из передовой превратилась в отсталую.

В целом, заключая Часть 4, можно сказать, что различные свойства веществ, даже самые экзотические, любые "квантовые" эффекты, включая связанные с излучением вещества и волновыми свойствами частиц, — вполне понятны в рамках классической механики и физики. Причина её прежних мнимых несоответствий состояла не в декларируемой апологетами квантмеха "ошибочности" классической науки, а — в отсутствии адекватной теории, модели явлений, — от незнания устройства атома и механизмов различных процессов, а, нередко, из-за намеренного игнорирования, сокрытия и забвения таких удачных классических моделей. Так же, и все остальные явления, которые ещё будут когда-нибудь открыты, удастся легко объяснить классически. Зачастую, квантовое объяснение заметно уступает классическому, позволяющему понять и предсказать гораздо больше эффектов. Всё это означает, что классический подход далеко не исчерпал себя в термодинамике, теории излучения, физике твёрдого тела и теории строения вещества. Если его глубоко развить должным образом, это позволит предсказать новые свойства тел, создать новые вещества с требуемыми характеристиками. Квантовая теория такой возможности лишена, более того, — её "предсказания" часто — ошибочны и вредны, поскольку могут вести к авариям. А потому до сих пор приходилось подыскивать вещества слепым гаданием, "методом научного тыка", пользуясь разве что эмпирическими правилами. Однако и эти достижения "задним числом" выдавали за "триумфы" квантовой теории. Именно это привело к длительному застою в наиболее перспективных направлениях развития науки. Поэтому, думается, лишь классический подход, развитый Ритцем, Столетовым, Друде, Кюри и другими, позволит выйти из этого кризиса, застоя, замороженного состояния науки.

ОСНОВНЫЕ ИДЕИ ЧАСТИ 4

1. Магнитная модель атома Ритца позволяет легко и естественно объяснить спектр чёрного тела и закон Планка на базе классических законов излучения колеблющихся в атоме электронов, отвергнув квантовую трактовку.

2. Фотоэффект, эффект Комптона, опыт Франка-Герца и другие феномены, якобы доказавшие реальность фотонов, квантование энергии света и атома, находят в магнитной модели Ритца простое классическое объяснение. Квантовая трактовка этих опытов оказывается ненужной и, даже, ошибочной, т. к. не объясняет ряд их особенностей (селективный, нелинейный фотоэффект и т. д.).

3. Лазеры, мазеры, солнечные батареи и полупроводниковые приборы созданы физиками-классиками и работают исключительно на классических принципах, в согласии с моделью атома Ритца. Квантовая физика не помогала, а мешала их созданию, давая неверные предсказания и объяснения принципа их работы.

4. Электрон и другие элементарные частицы обладают лишь корпускулярными свойствами, а опыты, "доказывающие" их волновые свойства, были неверно истолкованы. Подробный анализ позволяет дать опытам простое классическое объяснение и выявить ряд особенностей, отвергающих их волновую трактовку.

5. Туннельный эффект и ряд других феноменов, якобы подтвердивших принцип неопределённости Гейзенберга, допускает простую классическую интерпретацию: процессы в микромире детерминированы, закономерны и, если содержат элементы вероятности, то лишь классической, статистической природы, скажем, от дрожания электрона под ударами реонов, наподобие броуновской частицы — под ударами атомов.

6. Классическая теория атома на единой основе описывает строение вещества и механизм связи его частиц — атомов, нуклонов, электронов и позитронов за счёт электромагнитных сил. Это открывает связь масштабов расстояний в микромире с масштабом энерговыделения в химических и ядерных процессах.

7. Классическая модель атома и строения вещества выявляет реальные механизмы изменения электропроводности и теплоёмкости тел, не привлекая квантовую теорию и вскрывая её несоответствия опыту.

8. Классическая модель атома вскрывает единый механизм фазовых переходов первого и второго рода, выявляя ряд важных особенностей сверхтекучести и сверхпроводимости, противоречащих квантовой теории, но легко объяснимых в классической теории, которая открывает новые возможности их применения.

Оглавление

Главная | Контакты | Нашёл ошибку | Прислать материал | Добавить в избранное

Все материалы представлены для ознакомления и принадлежат их авторам.

Часть 4 ЭЛЕКТРОНИКА И ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ В БТР