Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
Экзамен на «Homo Sapiens – II». От концепций естествознания ХХ века – к естествопониманию
Поляков В. И.,
4.4.1. Физика о квантах энергии
Лауреат Нобелевской премии Р. Фейнман, как и другие строители здания научной квантовой электродинамики, заблуждался. Свет - это не частицы. Это не материальные образования. Приняв этот тезис, мы сможем легко объяснить все свойства электромагнитного излучения. Чтобы представить вид принципиально невидимого кванта, его волнообразную природу проследим за колебаниями научной мысли о нём.
Ньютон считал свет частицами, Гельмгольц, Френель, Д. Томсон и ещё десятки учёных XIX века - волной в «эфире», Эйнштейн - волной в координатном пространстве. Квантовая электродинамика доказывает, что свет и электромагнитное излучение других диапазонов длин волн имеют двойственную природу, проявляя себя во взаимодействии с веществом или как волна, или как частица. Интерференция и дифракция света не могут быть объяснены движением частиц, но фотоумножители и счётчики регистрируют их как частицы - импульсами.
Ещё ранее, в конце XIX века физики столкнулись с ещё одним необъяснимым фактом при изучении спектрального состава излучения (распределения волн по их длине или по частоте) в зависимости от температуры. Считалось, что излучающее тело случайным образом выбирает частоту излучения. Тогда вероятность излучения в бесконечном спектре высокой частоты должна быть значительно больше, чем низкой. Д. Рэлей (1842-1919) обнаружил, что количество энергии, излучаемой в определённом диапазоне частот, изменяется пропорционально четвёртой степени частоты. Тогда свет фиолетовой волны, имеющей в два раза большую частоту, чем красный свет, должен излучать в 16 раз больше энергии. Оказалось что уравнение Рэлея справедливо только в диапазоне очень низких частот, а вероятность излучения высоких частот падает. Это доказал В. Вин (1864-1928).
Объяснение этим противоречиям было найдено в 1899 г. Максом Планком (1858-1947). Планк постулировал, что свет переносит свою энергию в определённых количествах - «квантах». Поэтому энергия волны всегда должна быть равна одному, двум или любому целому числу «квантов». Энергия каждого кванта света определённой длины волны определяется частотой и пропорциональна частоте света. Это же правило распространяется и на все виды электромагнитного излучения:
E = hν ( E - энергия, h- постоянная Планка, ν - частота).
Когда атом испускает излучение с определённой частотой, то образуется один или больше число квантов, но никогда - доля кванта. Физика фактически вернулась к представлениям И. Ньютона, считавшего, что свет распространяется как частицы, «корпускулы». Постулат Планка противоречил уже доказанной волновой природе света, и он был с осторожность воспринят научной общественностью. Таким же он казался и самому автору. Позднее это предположение нашло множество экспериментальных подтверждений, и было воспринято физикой как огромная победа науки. Эйнштейн, изучая фотоэффект, подтвердил двойственность природы света, представив их аналогичными «атому энергии» или «частице энергии», за что и получил Нобелевскую премию.
При этом осталось без объяснения несомненный и также подтверждённый экспериментами факт, что свет представляет электромагнитные волны. Физика признала это не противоречием, а природным фактом - дуализмом. Физика не даёт ответа, как можно представить этот двуликий квант. Попытаемся разобраться с этими проблемами.