Андрей Гришаев - Этот «цифровой» физический мир

И вот произошли два свершения. Второе из них: Резерфорд предложил планетарную модель атома. Основания для этой модели были, но, согласно ей, электроны в атоме осциллировали постоянно, поскольку они обращались вокруг ядра. А, значит, постоянно порождали световые волны. А, значит, постоянно теряли энергию. И, стремительно падая по спирали на ядро, успевали бы излучить широченный спектр – вместо отдельных линий, наблюдавшихся на опыте… А, несколько ранее этого свершения, Планку удалось соорудить математическое выражение, описывавшее спектр равновесного излучения, у которого максимум при комнатной температуре находится в инфракрасной области. Тут, правда, не обошлось без надувательства. Смотрите: выражение для электромагнитного спектра можно записать так, чтобы аргументом являлась частота – а можно так, чтобы аргументом являлась длина волны. Планк предложил оба эти варианта [П1,П2]. Казалось бы, это два выражения для одного и того же спектра. Но, поразительным образом, их максимумы сильно не совпадают. Чтобы в этом убедиться, следует взять производные от этих выражений и, приравняв их нулю, найти положения максимумов, а затем привести результаты к какой-нибудь одной физической величине – например, к энергии, удачно выражаемой в единицах kT , где k - постоянная Больцмана, а T - абсолютная температура. И окажется, что максимум длин-волнового выражения Планка соответствует энергии 4.97 kT , а максимум частотного выражения Планка – энергии 2.82 kT [Г1]. Не мы первые это обнаружили: вопрос обсуждался даже на академическом уровне [Г2,С1,Г3]. Авторы предлагали «промежуточный» вариант выражения для равновесного спектра – с однозначным максимумом. Но, увы, этот вариант не находился в согласии с опытом: на опыте блестяще подтверждалось длин-волновое выражение Планка [Б1,Л1]. А в чём же тогда было надувательство? А в том, что всю квантовую теорию, со всеми её далеко идущими следствиями, строили на частотном выражении Планка, которое на опыте не подтверждалось !

И вот, в этом выражении, не подтверждаемом на опыте, фигурировало произведение частоты на подгоночный множитель, которому впоследствии присвоили статус фундаментальной константы – постоянной Планка. Произведение конкретной частоты на эту постоянную давало конкретную порцию энергии. Вот же они, кванты света! Ух, как они пригодились, чтобы решить проблему с устойчивостью атомов, которая возникала в планетарной модели Резерфорда! Бор, не напрягаясь, всё разъяснил: у атомарного электрона, мол, есть набор стационарных орбит, по которым он обращается, не излучая. А излучение-поглощение – квантами! – происходит, мол, при переходах с одной стационарной орбиты на другую. Эти переходы, мол, и дают наблюдаемые линейчатые спектры! Всё хорошо, но почему электрон, обращаясь по стационарной орбите, не излучает? Да, получается, потому, что Бор так постулировал!

Знаете, зависимость энергии кванта света только от частоты – это поначалу людей с ума сводило. Ведь квант света представляли как отрезочек электромагнитной волны. Сколько же периодов колебаний укладывается на этом отрезочке? Казалось бы: вдвое больше число колебаний – вдвое больше и энергия. Ан нет, при одной и той же частоте, квант длиной в одно колебание и квант длиной в миллион колебаний должны иметь одинаковую энергию! И, если частота является единственным параметром, определяющим энергию кванта, то что колеблется с этой частотой в атоме, поглотившем этот квант? И сколько длится «акт испускания» кванта атомом, тот самый переход электрона с орбиты на орбиту? Отчаявшись найти разумные ответы на эти вопросы, физики на Первом Сольвеевском конгрессе приняли постановление о том, что квант излучается и поглощается мгновенно. Так оно, конечно, спокойнее – если забыть про то, что этот «отрезочек волны» движется со скоростью света, и что он должен иметь какую-никакую длину. Ведь этот вопрос – насчёт длины кванта – на редкость мутный. Вот, например, фемтосекундный лазер. Длина светового импульса длительностью 100 фемтосекунд – 30 микрон. А вот другой пример – узкополосный лазер на красителе фирмы «Coherent Radiation». При ширине его спектра всего в 15 кГц, эквивалентная длина когерентности составляет 3 км. Какова же длина кванта света, если она – то не более 30 микрон, то не менее 3 км? Кстати, если квант света имел бы длину 30 микрон, то как он мог бы лететь в прозрачном твёрдом теле от атома к атому, если расстояние между ними составляет несколько Ангстрем? Вы, дорогой читатель, представляете, как от атома к атому может лететь нечто, имеющее длину на пять порядков больше, чем расстояние между ними? Не получается? Ну, ладно, тогда про 3-километровый квант лучше и не вспоминать…