Баллистическая


Существуют ли фотоны - кванты света?



жүктеу 8.2 Mb.
бет64/99
Дата04.03.2018
өлшемі8.2 Mb.
1   ...   60   61   62   63   64   65   66   67   ...   99

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 волновых свойствах света обсуждался ранее (§ 1.12.). Теперь пришла пора обсудить корпускулярные свойства 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 в 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 Лоренц и непревзойдённый мастер создания моделей Вальтер Ритц, как было показано выше (§ 3.1.). Некоторые из предложенных им атомных механизмов позволили не только объяснить прерывистый характер излучения атома, но и найти весь ряд генерируемых атомом частот. В этих моделях не было фотонов: свет создавался только колебаниями электронов.

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, или квант действия. 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 в его взаимодействии с веществом, говорил, что дело лишь 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 меж тем связь энергии и частоты колебаний электрона в атоме, а значит, и спектральный закон Планка, прямо следует из магнитной модели атома Ритца (§ 4.1.).

Сам Планк отнюдь не считал, что в процессе излучения и поглощения атомами квантов энергии возникают и исчезают какие-то частицы, зёрна света, фотоны. Он лишь говорил, что атомы выдают электромагнитную энергию дозировано, стандартными порциями. А конкретнее он утверждал, что энергия E электрона в атоме пропорциональна частота 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.

И 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 свет волной и обнаруживает дискретность лишь при испускании и поглощении света [73, 83]. То есть, планковский закон излучения вызван не дискретной структурой света, а дискретностью процесса излучения – излучение состоит из элементарных актов, связанных с изменением состояния электрона в отдельных атомах. Это отличие планковских квантов и фотонной гипотезы Эйнштейна было проиллюстрировано им 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 пучки света, что после адаптации глаза к темноте поток света 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, а то бы и это могли 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 слухового порога и напряжения внимания. Так и глаз – это прибор с порогом чувствительности: глаз либо видит слабый источник, либо нет. Всё дело в дискретности восприятия, а не света. Пытаться с помощью наших грубых приборов обнаружить дискретность света (фотоны) так же глупо, как пытаться заметить дискретность массы (атомы) цифровыми весами – при малой массе показания весов скачут вплоть до нуля, меняясь на дискретное пороговое значение массы, но ведь это не значит, что они регистрируют отдельные атомы.

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 металла 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. Прибор в принципе не может различать малые интенсивности света – он либо регистрирует 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 редко, на фотопластинке снова возникает 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. 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 (за счёт дифракции на тепловых неоднородностях воздуха) энергия переносимой ими волны оказывается выше пороговой. Тогда и возникают редкие импульсы фотодетекторов, а на фотопластинке – редкие тёмные точки. Процесс регистрации оказывается вероятностным, случайным.

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 так же и дрожанием лазера и экрана. 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. Отметим, что сторонники фотонных теорий хотели и это явление истолковать как свидетельство дискретной структуры света: будто свет звёзд столь слаб и фотоны следуют так редко, что мы видим отдельные кванты разных цветов – оттого и мерцание. Но, к счастью, связь мерцания звёзд с волнением атмосферы доказана настолько надёжно, что у фотонного объяснения нет шансов.

Следующий "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.

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 простая 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 физику вошло осмеянное Дж. Оруэллом в романе "1984" двоемыслие, скрытое в физике под серьёзным научным термином "корпускулярно-волновой дуализм". Согласно 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: "Не думай, а вбей себе в башку, что это так!". Так же и Ландау, когда ученике задавали ему такой вопрос, огрызался фразой "Заткнись и не возникай!". Это бессилие учёных в объяснении свойств света, их отчаяние лучше всего свидетельствует об ошибочности квантовой физики и электродинамики Максвелла. Вместо того, чтобы способствовать пониманию, размышлению, нас призывают 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 забыть.

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, первые им серьёзно задались Демокрит, Лукреций, и спустя сотни лет 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 источая частицы, вновь передающих его дальше.

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 Ньютон, Эйнштейн и Вавилов [83]. Правы были Демокрит, Лукреций и Ньютон, 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).

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 вводить новых сложных фундаментальных гипотез, 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.





    1. Достарыңызбен бөлісу:
1   ...   60   61   62   63   64   65   66   67   ...   99


©kzref.org 2019
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет