Методологические пояснения.
Для того, что бы четче уяснить для себя предмет обсуждаемых проблем в фундаментальной физической науке, необходимо хотя бы на несколько упрощенном уровне разобраться – что понимает современная наука под такими основополагающими вещами, как «пространство» и «физическое поле».
«Пространство» (как физическое явление) – это умственная модель некого глобального вместилища, в котором находится физическая матеря и где каждой мельчайшей частичке этой материи (условно определенной как «физическая точка») дано какое-то место, позволяющее отличить ее положение от положения всех других физических точек. Это как бы маленький «номер» в колоссальной «Вселенской гостинице», оказавшись в котором каждая самая маленькая частичка материи получает свою «прописку». При этом, если мгновенное положение физической точки не зависит от положения, свойств и движения других точек, то речь идет об «абсолютном пространстве».
Математически представлять такую модель можно по разному. К примеру, закрепили в этом пространстве три ортогональных оси, сходящихся в некоторой точке (начало координат) и для каждой материальной точки в пределах этого пространства определяем три числовых параметра – проекции на каждую из осей. Оси – прямые линии. Ортогональность означает, что любая точка на определенной оси имеет нулевую проекцию на двух других. Это называется «прямоугольная система координат». А можно брать так называемый «радиус-вектор» – кратчайшее расстояние до нулевой «точки отсчета» (начала координат) и пары углов – от некой исходной плоскости и выбранного направления («сферическая система координат»). Есть и другие способы представления, но мы пока не будем вдаваться в детали.
Простейшее представление об «абсолютном» пространстве не лишено явного недостатка – где выбирать точку отсчета этой «глобальной» системы и куда направлять оси? Но если поверить в то, что это пространство существует на самом деле, то мы можем поступить иначе. Выбираем любое удобное для нас «тело отсчета» и закрепляем на нем наши оси. Очевидно желание выбрать в качестве такого тела Землю. И сама Земля, и закрепленные на ней оси имеют вполне определенное положение и значение относительно абстрактной «абсолютной», «глобальной» системы координат (не имеет значение – где ее искать). А далее пользуемся алгоритмом пересчета значений одной системы координат в другую. Для инерциальных систем это называется «принцип относительности Галилея».
Разумеется, современная наука значительно расширила и усложнила понятие «физического пространства». Абсолютную «глобальную» систему координат отбросили вообще. А переход из одной системы координат в другую не является строго линейным и независимым от параметров той физической материи, что наполняет пространство (от массы, скорости, характера движения и взаимного расположения объектов).
Но основная суть пространства осталась неизменной – это глобальное хранилище параметров о взаимном положении каждой физической точки в пределах того, что в принципе доступно наблюдению. Своего рода глобальная память о том, где и как расположен каждый элемент физического пространства. Каждая точка как бы знает обо всем своем окружении (не зависимо от расстояния). В «абсолютной» классической системе ее положение и параметры движения не зависят от окружения (в каждый отдельный момент времени). А вот уже в модели пространства в «общей теории относительности» все не столь однозначно. Например, положение любой физической точки может быть несогласованным в разных системах отсчета. Если они движутся друг по отношению к другу равномерно и прямолинейно – это одно. Тут все однозначно и согласованно. Процесс перехода из одной системы в другую – строго по Галилею. А вот если они движутся с ускорением (замедлением), то тут уже ни какого линейного соответствия не получишь. Нарушают эту простоту (линейность) и наличие массы у материальных объектов. Но это – особенности математического представления пространства. А основная суть та же – это именно «глобальная память». Причем – абсолютно неограниченная в своем объеме.
Теперь постараюсь выразить в доступной форме понятие о «физических полях».
Любое «поле» базируется на пространстве. Если последнее определяет геометрическое положение всех его материальных точек, то поле – характер и направление сил, действующих в каждой точке. Согласно современным понятиям (имеющим наибольшее распространение в научной среде) существует четыре основных силовых взаимодействия – гравитационное, электромагнитное, «слабое» и «сильное». Можно условно сказать, что каждая материальная точка находится как бы в «поле» определенного физического взаимодействия со стороны всех других материальных точек (понимая под последними наименьшую часть любого объекта).
В классической механике до появления Максвелловой теории электромагнитного поля само понятие «поле» было чисто условно. Взаимодействия считались «дальнодействующими», то есть каждая точка сразу «чувствовала» любую другую точку вне зависимости от расстояния. По пространству ничего не нужно было передавать. Поэтому формальная картина распределения силового взаимодействия данного рода чисто условно называлась соответствующим полем. Знали гравитационное, магнитное и электрическое поля. Но когда Максвелл в своей теоретической схеме показал конечность распространения электромагнитного взаимодействия (а так же тот факт, что и магнитное, и электрическое поля – разные стороны одного и того же «электромагнитного» поля), от концепции «дальнодействия» начали отказываться. То есть, взаимодействие между материальными точками идет от точки к точке через пустое пространство. В дальнейшем и все другие взаимодействия стали считать распространяющимися с ограниченной скоростью по пространству.
Но ведь при распространении взаимодействия у нас в какой-то момент времени энергия и импульс в одном месте заимствованы, а в другом еще не приняты. Следовательно, сама «пустая» среда должна брать на себя и энергию, и импульс (даже иногда и момент импульса). А если учесть теорию относительности и связь энергии с массой, то среда и массу должна иметь. Но совершенно пустая среда ничего этого не может иметь. Следовательно, все эти функции переносчика должны нести на себе «поля» соответствующих взаимодействий.
Еще более экзотические качества полям привнесла квантовая механика. Квантовый дуализм вначале был приписан только фотонам – квантам электромагнитных излучений. Но потом с легкой руки Луи де Бройля корпускулярно-волновой дуализм приписали всем основным частицам. Дескать, общность должна быть полной. Но если силовое поле несет в себе и энергию, и импульс, и массу, то почему оно должно быть исключением? Поэтому вполне закономерно появилась «квантовая теория поля». Для полноты картины и гравитационное поле должно нести в себе волновую составляющую. Отсюда и пошли так называемые «гравитационные волны», которые так упорно ищут.
Я ничего не уточняю, не проясняю и не оспариваю. Логика эволюции представлений вполне обозрима, закономерна и законна. Модели физической картины мира меняются, развиваются, уточняются, усложняются, обобщаются. Но всегда ли все эти модели хорошо и, главное, честно проверяются на опыте?
Квантово-механическая картина мира и ее неувязки.
В свете сказанного предлагаю внимательно присмотреться к знаменитой ныне квантовой механике. Я не говорю о том – сложна она или нет. Но она весьма экзотична (что, кстати, не является недостатком). Одной из основных задач квантовой механики является изучение закономерностей поведения «элементарных» частиц, из которых, как принято наукой, состоят атомы и молекулы (кстати, весьма хорошие и продуктивные модели). Классическая механика в своих построениях оперировала моделями макрообъектов (то есть, физических объектов, доступных наблюдению). Но при этом претендовала на то, что законы, установленные для макрообъектов, годятся и для описания самых малых частиц.
У квантовой механики представления о поведении элементарных частиц меняется радикальным образом. Если параметры частицы (координаты, скорость, импульс, энергия) по законам классической механики в каждый момент времени имеют строго определенное значение, то в квантовой механике дело обстоит иначе. Теория говорит, что элементарная частица, находящаяся в поле взаимодействия с другими частицами, в принципе не может иметь в данный момент времени строго определенного (говорят – детерминированного) значения параметра. Есть набор вероятностных значений этих параметров. Самое экзотическое в этом деле – параметры, характеризующие положение частицы в пространстве. То есть, мы никогда не можем точно определить положение частицы, если она в данный момент не имеет проявленного (доступного регистрации) взаимодействия. Но это не значит, что она как-то «размазана» в пространстве. Просто именно так устроена природа (согласно данной теоретической схеме). В момент взаимодействия данной частицы с другими элементами внешней среды (обычно – с атомами), происходит точная локализация ее параметров (прежде всего – пространственных). Это, по моему, называется «схлопыванием» вероятности (по научному – редукция волновой функции измеряемого параметра). То есть, если мы зарегистрировали частицу (а это возможно лишь во время ее взаимодействия с атомными системами), то можно реально говорить о ее конкретном положении.
Сильной стороной квантовой теории является то, что данные вероятностные модели хорошо математически формализованы и в определенных практических случаях вполне корректно просчитываются. Следовательно, можно проверять свои расчетные схемы по результатам косвенных измерений. И в большинстве случаев, так или иначе, но всегда удается свести концы с концами. Правда, чаще всего приходиться подгонять всякие коэффициенты и корректировать начальные условия уже по результатам экспериментов (то есть – постфактум). Экзотика экзотикою, но так или иначе, а теория работает.
И все-таки, когда речь идет о теоретических схемах процессов, практически всегда связанных с весьма косвенными измерениями (а как иначе, ведь это микромир, который наши рецепторы прямо воспринимать не могут), очень важны твердые доказательства основных положений теории. Ведь если они ошибочны (то есть вообще не согласуются c опытом) – при дальнейшем развитии будут плодить все более иллюзорные представления. Вам каждый раз придется искать подтверждения на основе косвенных измерений и вычислений, а последние основаны на ошибочных парадигмах, принятых за основу.
Квантовая механика ввела такой экзотический параметр как «спин» элементарной частицы. В классической механике спин можно соотнести с моментом количества движения. Возьмем, к примеру, электрон. Если пытаться действовать по аналогии с макротелами, то нам нужно представить очень маленькое тело (в поперечнике примерно десять в минус шестнадцатой метра), в котором равномерно распределен отрицательный заряд. Кулоновские силы внутри этого образования получаются гигантские. Увы, и энергия при этом получается гигантская. А она ведь, весьма конечна. Можно вообще допустить, что электрон – точечное образование. Но тогда о спине говорить вообще не уместно. Так что пусть будет тело и забудем о силах, модель выдержит. Квантовая теория дает вполне определенное значение спина электрону. Если воспользоваться формулами классической физики, то такое вращение выглядит весьма странно. Скорость движения точки на поверхности электрона (условной, конечно) намного превышает скорость света. Неувязочка! Но в новой модели мы не обязаны руководствоваться критериями классической механики. Формально определяя модель, мы вправе придать ей и такие противоречивые свойства. Почитаем размышления на этот счет А.А. Гришаева.
…в официальной физике считается, что ещё одно характеристическое свойство у электрона есть – это его собственный магнитный момент, или спин. И это – при том, что до сих пор отсутствует вразумительная модель, которая поясняла бы: чем же, физически, магнитный момент электрона обусловлен.
Исторически, Паули формально, без предложения какой-либо физической модели, ввёл дополнительное квантовое число, характеризующее состояния атомарных электронов – чтобы описать расщепление спектральных линий атомов на мультиплеты. Прочитав статью Паули, Гаудсмит и Уленбек вспомнили про результат Штерна и Герлаха, которые пропускали пучок атомов серебра (с одним внешним электроном) через область с неоднородным магнитным полем – и пучок там расщеплялся на два. Поскольку атомы электрически нейтральны, то казалось ясным, что расщепление пучка было обусловлено воздействием на магнитные моменты атомов. Правда, для этого магнитные моменты атомов должны были иметь лишь две ориентации: либо по магнитному полю, либо против. Эту «пространственную селекцию» магнитных моментов никто не мог объяснить. Так вот, Гаудсмит и Уленбек решили, что всё становится гораздо понятнее, если вести речь не о магнитных моментах атомов, а о собственных магнитных моментах атомарных электронов. Чем же обусловлен магнитный момент у электрона? Гаудсмит и Уленбек полагали, что электрон имеет ненулевой размер, и что электрический заряд распределён по объёму электрона. Значит, чтобы у электрона был магнитный момент, электрон должен, мол, вращаться вокруг своей оси. Такое вращение называется в английском языке словом «спин». Сами авторы идеи о спине электрона сразу получили, что, для обеспечения требуемой величины магнитного момента, угловая скорость вращения электрона должна быть столь высока, что линейная скорость вращения на «экваторе» электрона во много раз превысила бы скорость света. А у Лорентца, которого попросили прокомментировать идею о спине электрона, всё получилось ещё хлеще: магнитная энергия вращающегося электрона должна быть столь велика, что эквивалентная ей масса превысила бы массу протона, а, при обычной массе электрона, его радиус должен превышать радиус атома!
Но теоретикам так понравилась идея о магнитном моменте электрона, что они нашли беспрецедентное оправдание своему бессилию построить здесь разумную физическую модель. «Наши традиционные представления, - заявили они, - никуда не годные! Природа устроена гораздо интереснее, чем мы думали!» Это по поводу спина электрона Ландау выдал своё знаменитое изречение: «Сегодня мы можем постигать даже то, чего не можем вообразить!» Идеология была такая: не нужно пытаться представить себе наглядно, что такое спин – а нужно просто использовать это красивое понятие, чтобы оно работало в теориях! На спин навесили ответственность не только за спектральные дублеты атомов, но и за намагниченность ферромагнетиков, за сверхпроводимость, сверхтекучесть, и за много чего ещё. Это называется так: то, что понимали плохо, объясняли на основе того, чего не понимали вовсе. И этим чрезвычайно обогатили официальную физическую картину мира, ибо триумф концепции спина электрона был полный.
Но, как ни ликовали по этому поводу теоретики, никому не удалось на опыте доказать, что свободный электрон спином действительно обладает. Например, никому не удалось, в том же неоднородном магнитном поле, расщепить надвое пучок электронов. Пучок атомов расщепить получается, а пучок электронов – нет. Не странно ли: действия неоднородного магнитного поля на спины электронов недостаточно, чтобы растащить эти электроны, но зато достаточно, чтобы растащить атомы, массы которых на четыре порядка больше!
А теперь немного из истории открытия такой важной для современной науки (да и практики) частицы как «нейтрон».
«Резерфорд предложил в 1920 г. идею, что ядра могут содержать электрически нейтральные частицы, которые позднее он назвал нейтронами, образованные соединением электрона и протона. Противоположная точка зрения состояла в том, что атомы содержат электроны как вне, так и внутри ядра и что отрицательный заряд ядерных электронов просто нейтрализует часть заряда протонов. Тогда протоны ядра давали бы полный вклад в общую массу атома, а их суммарный заряд был бы как раз такой, чтобы нейтрализовать заряд окружающих ядро электронов. Хотя к предположению Резерфорда о том, что существует нейтральная частица, отнеслись с уважением, но все же не было экспериментального подтверждения этой идеи.
… В 1930 г. немецкие физики Вальтер Боте и Ханс Беккер обнаружили, что при бомбардировке некоторых легких элементов альфа-частицами возникает излучение, обладающее особой проникающей силой, которое они приняли за гамма-лучи…
…Чедвик. также подтвердил гипотезу Резерфорда, что масса нейтрона должна быть равна массе протона, анализируя обмен энергией между нейтронами и протонами, выбитыми из вещества, как если бы речь шла о соударении бильярдных шаров. Энергообмен особенно эффективен, поскольку их массы почти одинаковы. Он также проанализировал треки атомов азота, подвергшихся соударению с нейтронами, в конденсационной камере – приборе, изобретенном Ч.Т.Р. Вильсоном. Пар в конденсационной камере конденсируется вдоль наэлектризованной дорожки, которую оставляет ионизирующая частица при взаимодействии с молекулами пара. Дорожка видна, хотя сама частица и невидима. Поскольку нейтрон не оказывает непосредственно ионизирующего воздействия, его след не виден. Чедвику пришлось устанавливать свойства нейтрона по треку, оставляемому после соударения с атомом азота. Оказалось, что масса нейтрона на 1,1% превышает массу протона.
Эксперименты и расчеты, проделанные другими физиками, подтвердили выводы Чедвика, и существование нейтрона было быстро признано. Вскоре после этого Вернер Гейзенберг показал, что нейтрон не может быть смесью протона и электрона, а представляет собой незаряженную ядерную частицу – третью субатомную, или элементарную, частицу из тех, что были открыты. Предложенное Чедвика доказательство существования нейтрона в 1932 г. в корне изменило картину атома и проложило путь для дальнейших открытий в физике.»
Итак, что же имеем реально? Косвенно была открыта нейтральная частица с массой, почти равной массе протона. Давайте рассуждать объективно. Вы можете гарантированно что-то сказать о скорости частицы, которую непосредственно регистрировать нельзя? Не можете. А есть разница между случаями, когда по ядру атома азота бьет медленная частица и быстрая? Разумеется есть. Тогда как же отличить вклад более тяжелой, но менее подвижной нейтральной частицы от менее тяжелой, но более быстрой?
Ну, допустим (чисто логически), мы все же достаточно точно определили массу нейтрона. Поскольку масса вполне конкретно связана с энергией, то где гарантия, что отличия по массе в составной системе из двух частиц не обусловлены энергиями составляющих в момент образования системы?
Решающую роль в «узаконивании» «стабильной частицы» под названием «нейтрон» сыграл именно Гейзенберг с его экзотической (я извиняюсь) матричной механикой. Поскольку в ней одно из «царственных мест» занял «спин» элементарной частицы, то именно он и позволил «показать», что нейтрон не может состоять из протона и электрона. Да и вообще – непозволительно электрону «обитать» внутри ядра.
То есть, что у нас получается? Вначале на основе определенных «идейных» представлений приписали электрону и всем основным частицам наличие «спина», хотя подобную модель можно смело считать чисто «виртуальной» (в силу неочевидности и непредставимости). Опыты с определением массы ядер химических элементов показали, что их масса была примерно кратна массе протона. То есть, любое ядро можно было бы получить из набора протонов, если бы не учитывался заряд. Но заряд был, как правило, меньше. И это легко можно было бы объяснить наличием «внутренних» электронов в ядре (ведь заряд то же кратен элементарному). То есть численно все получалось. Но «спин» ядра легко рассчитывался из «спинов» составляющих его нуклонов, а электрон в эту картину не вписывался и нарушал нужные спиновые параметры ядра.
А ведь специфика поведения внутренних элементов ядра атома – большая загадка. Мы в принципе не можем туда заглянуть. Одно дело частицы сами по себе и другое – в очень тесном соседстве. Ядро атома – своего рода кибернетический «черный ящик». Туда попали какие-то частицы и там образовали очень своеобразную систему. Это не какие-то мечущиеся туда-сюда шарики. Тут, по большому счету, теория ничего точно рассчитать не может. В столь малой области возникает масса неопределенностей. Но теоретическая фантазия, как говориться, не имеет пределов. Захотели новую частицу внутри ядра – получите!
Основополагающей концепцией квантовой механики является так называемый «корпускулярно-волновой дуализм». Вначале его приписывали мельчайшим порциям света (фотонам), а затем расширили на все частицы и даже поля (для полноты картины). Поскольку это основополагающая идея – нужно было надежно подтвердить опытом наличие корпускулярных и волновых свойств у частиц и у фотонов.
Волновые свойства у фотонов установили давно и весьма надежно. А вот показать, что они обладают еще и корпускулярными свойствами, оказалось не так легко. Речь пойдет о т. н. «эффекте Комптона». Квантовая теория вряд ли согласится с представлением о фотоне, как о маленьком твердом шарике. Но, тем не менее, дуализм требует возможности эффекта соударения такого «виртуального мячика», олицетворяющего одну из ипостасей фотона, с электроном. Рассчитать эффект соударения упругих шариков на основании законов классической механики достаточно просто. Виртуальный «фотон-шарик» имеет условный вес, определяемый его энергией. В рентгеновском диапазоне этот «вес» невелик. Если он ударится об электрон, сравнительно медленный и тяжелый, то он немного потеряет свою энергию (передав часть ее электрону в виде импульса отдачи) и его частота уменьшится. Эта потеря (и соответствующий сдвиг по частоте) будет зависеть еще и от угла соударения. Это были рассуждения Комптона и их нужно было подтвердить опытом. Вот выдержка об этих опытах из монографии А.А. Гришаева.
… Считается, что первым таким доказательством стал эффект Комптона. Этот эффект заключается в рассеянии веществом рентгеновского излучения – с характерным увеличением его длины волны. Классическая теория рассеяния света не смогла объяснить этот феномен, и было принято объяснение Комптона [К1], основанное на подходе квантовой теории.
Согласно этому объяснению, рентгеновский фотон неупруго соударяется со слабо связанным атомарным электроном. При этом, как следует из законов сохранения энергии и импульса, часть своей энергии (и импульса) фотон передаёт электрону, выбивая его из атома и превращая в «электрон отдачи». В результате, как следует из законов сохранения энергии-импульса, длина волны фотона увеличивается. Такой подход согласуется с главными свойствами комптоновского сдвига длины волны: во-первых, с его независимостью от атомного номера вещества рассеивателя и, во-вторых, с его зависимостью лишь от угла, на который происходит рассеяние.
Однако, ради торжества подхода Комптона был проигнорирован ряд особенностей, с которыми этот подход не согласуется. Следует иметь в виду, что комптоновский сдвиг длины волны потому и заметен с помощью спектрометров, что в рассеянном на любой угол излучении присутствует также несмещённая компонента – с той же самой длиной волны, что и у падающего излучения. Если законы сохранения энергии-импульса дают, при рассеянии фотона на ненулевой угол, ненулевой комптоновский сдвиг длины волны, то неужели несмещённая компонента порождается с нарушением этих законов? Теоретики пытаются убедить нас в том, что несмещённая компонента порождается при таком соударении фотона с атомарным электроном, при котором электрон не выбивается из атома, т.е. фотон соударяется, фактически, не с электроном, а с атомом – а поскольку масса атома гораздо больше массы электрона, то импульс отдачи у атома оказывается ничтожен. Тогда теоретикам следовало бы объяснить, отчего фотон с энергией, которая на 3 порядка больше энергии связи атомарного электрона, в одних случаях выбивает электрон из атома, а в других случаях не выбивает – рассеиваясь при этом на один и тот же угол. Увы, разумного объяснения этому нет. Далее, не удаётся наблюдать комптоновское рассеяние на атомах сверхлёгких (в частности, водорода) и тяжёлых элементов – хотя свойства слабо связанных электронов у всех элементов ничем принципиально не различаются. Наконец, уничтожающим доводом против подхода Комптона является тот малоизвестный факт, что в рассеянном на любой угол излучении присутствует, помимо комптоновской и несмещённой компонент, ещё и компонента анти-комптоновская – длина волны которой уменьшена на величину комптоновского сдвига [С6]. В теорию Комптона совершенно не укладывалось наличие анти-комптоновской компоненты, поэтому он в известных нам публикациях даже не упоминал про неё
Еще немного из статьи.
… был проведён целый ряд экспериментов [Ш3,Х1,К2], призванных подкрепить шаткие представления Комптона и проиллюстрировать разлёт продуктов комптоновского рассеяния – при котором рассеянный квант и «электрон отдачи» вылетают из атома одновременно и разлетаются под «правильными» углами. В работе [Г5] дан критический обзор подобных экспериментов, и показана их полная бездоказательность. Их общим недостатком было отсутствие доказательств того, что исследовалось именно комптоновское рассеяние – измерением комптоновских сдвигов здесь никто себя не утруждал. Впрочем, в некоторых «подтверждающих» опытах использовали в качестве первичного излучения гамма-кванты [Х1,К2], у которых измерять комптоновские сдвиги было просто нечем [Г5]. Так, Крэйн, Гартнер и Турин [К2] поместили мишень-рассеиватель в центре камеры Вильсона – для проверки того, что направления вылета электрона отдачи и рассеянного фотона находятся в согласии с законами сохранения энергии-импульса. В качестве первичного излучения использовались жёсткие гамма-лучи – что делало весьма сомнительной саму возможность комптоновского рассеяния. Электроны, которые, судя по их трекам, вылетали из мишени вперёд, считались электронами отдачи – хотя они могли быть электронами внутренней конверсии или фотоэлектронами, выбиваемыми вторичными гамма-квантами. Поскольку гамма-квант не оставляет трека в камере Вильсона, то, для подтверждения «правильного» направления полёта рассеянного гамма-кванта, требовалось получить «правильные» фотографии. А именно: на них, помимо трека «электрона отдачи», требовалось зафиксировать, в «правильном» сегменте камеры, трек ещё одного электрона – якобы, выбитого рассеянным гамма-квантом. Мы говорим «якобы», поскольку никаких гарантий того, что второй электрон выбивался гамма-квантом, вылетавшим из мишени в центре камеры, быть не могло. При таком положении дел, «правильная» пара треков могла получаться лишь в результате маловероятного стечения случайных обстоятельств, на ничтожном проценте фотографий – как это и было в действительности. Обработав только эти «удачные» фотографии, авторы сделали неизбежный, при подобном высоконаучном подходе, вывод о том, что «наблюдаемый угол полёта рассеянного фотона совпадает с вычисленным» [Ш1].
Ссылки:
С6. Дж.Дж.Странатан. «Частицы» в современной физике. «Гос. изд-во технико-теоретической литературы», М.-Л., 1949.
К1. A.H.Compton. A quantum theory of the scattering of X-rays by light elements. Phys.Rev., 21, 5 (1923) 483.
К2. Crane, Gaerttner, Turin. Phys.Rev., 50 (1936) 302.
Ш1. Э.В.Шпольский. Атомная физика. Т.1. «Наука», М., 1974.
Х1. R.Hofstadter, J.A.McIntyre. Phys.Rev., 78, 1 (1950) 24.
Г5. А.А.Гришаев. Рассеяние рентгеновских лучей: о чём свидетельствует анти-комптоновская компонента.
Можно сколько угодно спорить: правильны или неправильны, законны или незаконны, были те теоретические посылки, которые закладывались в качестве основания опытов Комптона. Но совершенно четко прослеживается один факт. Корпускулярно-волновой дуализм природы световых волн, принятый теоретиками в качестве определенного догмата, требовал экспериментального подтверждения. И как только такие опыты появились, за них ухватились как за спасительный круг. При этом одни факты, которые подтверждали наличие корпускулярных свойств у фотона, выпячивались и на них был сделан явный акцент. А все то, что не соответствовало теоретическим посылкам и даже противоречило им – попросту игнорировалось и замалчивалось.
А теперь поговорим о проверке гипотезы волновой природы элементарных частиц (в частности – электрона). Корпускулярные свойства электрона – достаточно очевидны и подтверждаются слишком уж большим числом опытов. А вот волновые свойства – увы!
Не буду голословным. У А.А. Гришаева есть достаточно аргументированная статья (с необходимыми ссылками) о ненадежности опытов по проверке «волновых» свойств электрона. Но мое изложение не предполагает каких-то сложных формул и расчетов. Поэтому приведу более популярное изложение этой темы. Речь идет о попытке экспериментально подтвердить наличие волновых свойств у электрона.
.. Это ответственное задание, если верить историкам, было выполнено вполне успешно: качественно и в срок. Первыми частицами, у которых усмотрели волновые свойства, стали электроны. В «Фейнмановских лекциях» описан потрясающий опыт с прохождением электронов сквозь две щели. Мол, если не мешать им пролетать им сквозь две щели, то на сцинтилляционном экране за щелями получаются интерференционные полосы. Перекроешь одну щель – полосы пропадают. Попытаешься проследить, через какую щель пролетает электрон – полосы тоже пропадают… Очень это всё впечатляет читателей; одна беда – никто никогда таких опытов не делал. У электрона дебройлевская длина волны, понимаете, маленькая. Щелью для неё является зазор между атомами. Ну, прикиньте: как, для электронов, можно сделать экран всего с двумя щелями? Как можно перекрывать одну из них? Нанотехнологи, одно слово!
Дэвиссон и Джермер делали совсем другое – вполне возможное. Они направляли низковольтный пучок электронов ортогонально на полированный срез монокристалла никеля (с никелем у них особенно здорово получилось), и исследовали угловое распределение электронов, рассеиваемых кристаллом в обратную полусферу – за вычетом центрального створа, затенённого электронной пушкой. Обнаружились пики рассеяния, соответствовавшие брэгговской дифракции, т.е. резонансному отражению волн от параллельных атомных плоскостей, наклонённых к поверхности среза – причём, эти пики получались при подходящих энергиях пучка, т.е., теоретически, при подходящих резонансных длинах волн. Казалось бы – вот они, волновые свойства электронов, во всей своей красе! Но, прежде чем прыгать от восторга, давайте-ка посмотрим: а, может, и здесь о чём-то умолчали? Не в первый раз же! Смотрим… и видим… ну, полная жуть. Во-первых, авторы сказали не про все пики рассеяния, которые наблюдались. Самым сильным был широкий пик зеркального рассеяния, который наблюдался всегда – при любых энергиях пучка – и, значит, он не мог быть порождением брэгговской дифракции. Да и под другими углами были «лишние» пики рассеяния, которые никак не вписывались в концепцию этой дифракции. Далее: при уменьшении скорости падающих электронов, казалось бы, должна уменьшаться глубина их проникновения в кристалл, и, значит, должен уменьшаться эффективный рассеивающий объём кристалла, т.е. должна уменьшаться резкость дифракционных пучков. В действительности, всё происходит… наоборот! Ну, знаете, это уже совсем не похоже на брэгговскую дифракцию! Терпение, осталось чуть-чуть: если нанести на рассеивающую поверхность плёнку другого металла толщиной всего в два атомных слоя, то прежняя картина рассеяния практически исчезает, заменяясь картиной для этого другого металла. Какие же могут быть наклонные атомные плоскости при толщине в два атомных слоя? Совершенно ясно, что Дэвиссон и Джермер имели дело с поверхностным эффектом – и, конечно, не с брэгговской дифракцией, которая является эффектом объёмным. Что же это за поверхностный эффект? Да вроде как вторичная электронная эмиссия. При таком допущении здесь всё встаёт на свои места. Правда, никакими волновыми свойствами электронов тут и не пахнет…
Но кто там кого спрашивал – пахнет тут волновыми свойствами, или нет? Волновые свойства были востребованы – вот их и изобразили….
И вновь-таки, подчеркиваю, что в данном случае я не хочу ни оспорить основные предпосылки квантовой механики, ни их защитить. Акцентирую внимание только на одном. Как только появляется определенная парадигма в официальной науке, с которой согласилось большинство уважаемых и титулованных специалистов, любые эксперименты непременно должны подтверждать эту парадигму. Ее можно несколько расширить, немного модифицировать, но опровергать нельзя ни в коем случае! Так оно фактически получается.
Получается даже хуже. Застолбили «догмат» о том, что есть релятивистский импульс и утяжеление частицы при субсветовых скоростях – не смейте спорить и опыты принимаем только подтверждающие. Застолбили наличие «спинов» у частиц – принимайте к сведению и всегда имейте в виду в ваших опытах для их правильной интерпретации. Застолбили «догмат» о корпускулярно-волновом дуализме – ищите эти корпускулярные свойства в волновых процессах и не спорьте. И так далее, и тому подобное.
А оно чем дальше, тем больше и сложнее. Одно сомнительное допущение, принятое за факт, плодит другое сомнительное допущение, которое тоже принимается за факт. И так далее. В результате, после того как наплодили огромное количество диссертаций и всяких стипендиатов, положение стало практически безнадежным. Истину уже никто не ищет. Ищут мифические частицы, мифические «черные дыры», мифические «бозоны Хиггса», мифические «магнитные монополи», мифические «гравитационные волны» и многое другое.
Конечно, практичные прикладники (те, кто непосредственно что-то внедряет) умудряются находить для себя полезные вещи и доводить их до реальных разработок. Тут спасает не теория, а интуиция и прикладные расчеты «по месту». От теоретических концепций у ученых практиков пробуждается собственное воображение и они пробуют делать то, что раньше и в голову прийти не смогло бы. Возникают разные эффекты, в том числе – весьма необычные. Под все это путем подгонок создается некая теоретическая база, удобная модель для расчетов. А дальше еще большие прикладники, инженеры, создают какие-то приборы, оборудование и создают нечто вещественное, что можно применять на практике.
Что же касается теоретиков «высшего эшелона», то коэффициент полезного действия их научных изысканий все меньше и меньше. Всякие «виртуальные» научные модели живут своей жизнью, их адепты профанов к себе не пускают, критику принимают в штыки, а сомнительные результаты опытов выдают за большие победы и доказательства «правильности» своих концепций.
- Код ссылки на тему, для размещения на персональном сайте | Показать
