Бритва Оккама и дилемма: частица или волна?

Размещено на http://www.allbest.ru/

Бритва Оккама и дилемма: частица или волна?

Пожалуй, нет более странного утверждения квантовой механики, чем гипотеза де Бройля, по которой всякую частицу надо одновременно рассматривать как волну, а волну - как частицу. Но учёные приняли сей парадоксальный тезис, нарушающий столь почитаемый ими принцип Оккама, по которому свет незачем рассматривать как частицу, раз 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. Но, как было показано [1-4], эти опыты можно объяснить и классически - считая электрон просто частицей, а свет - простой волной. Эти объяснения не были найдены потому, что физики, ослеплённые успехами квантовой механики, и не пытались их найти. Так есть ли доказательства корпускулярно-волнового дуализма?

Первым опытом, "подтвердившим" волновую природу электрона, был опыт Дэвисона и Джермера, которые облучали кристалл никеля высокоэнергичными электронами [5]. 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. 1). Поэтому сочли, что электроны подобны волне, рассеиваемой поверхностью кристалла, атомы которого играют ту же роль, что штрихи отражательной дифракционной решётки. Казалось, это подтверждали и численные оценки длин волн электронов по их энергиям.

Однако физики не учли, что электроны при ударе о металл всегда генерируют электромагнитные волны. И наоборот, электромагнитные волны, свет, попав в металл, вырывают из него электроны (фотоэффект, рис. 2). Поэтому не исключено, что реально на кристалле никеля дифрагируют не сами электроны, а созданное ими ещё в электронной пушке электромагнитное рентгеновское излучение. Не зря сравнивают дифракцию на кристалле электронов и рентгеновских лучей. И детектор, призванный регистрировать электроны, обнаруживает именно рентгеновские лучи. Ведь фотоплёнку, часто применяемую для регистрации дифракционной картины, способны засвечивать как электронные пучки, так и рентгеновские лучи.

Если же в качестве детектора использован гальванометр, меряющий величину тока, заряда, приносимого электронами, то и его показания могут быть вызваны рентгеновскими лучами. Лучи могут наводить ток, 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 минимумы, там фототок мал, и считают, что в эти области электроны почти не попадают (рис. 3).

Кроме качественного, имеется и количественное согласие. Длина волны де Бройля

л=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, с ростом энергии электрона длина волны именно так и убывает. То же даёт и классическая картина явления. На кристалле дифрагируют не электроны, а вызванные ими рентгеновские лучи, длина волны л которых по законам фотоэффекта связана с энергией электрона

E=hf=hc/л, или л=hc/E.

То есть и в классике длина волны дифрагирующего излучения падает с ростом энергии электронов. Поскольку в опытах исследуют быстрые электроны со скоростями порядка скорости света c, их импульс

p=MV

выражают через энергию формулой

E=pc=MVc.

Отсюда найдём

л=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: л= 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 даёт расхождение с квантовой теорией. По СТО формула

E=pc

справедлива лишь для очень быстрых электронов. И чем медленней электроны, тем сильней отклонение в сторону классической формулы

E=MV²/2.

Поэтому для медленных электронов по классической теории должны наблюдаться заметные несоответствия формуле де Бройля. И они действительно возникают, приводя в недоумение физиков [5, 6]. Те, правда, пытаются спасти теорию, полагая, что в металле за счёт работы выхода длина волны электрона меняется [5, 7]. Но все эти отчаянные попытки не выдерживают критики. Так, находимые из опытов Джермера значения работы выхода никак 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 авторы, поняв, что дифракционную картину могут создать и рентгеновские лучи, пытались исключить этот эффект, наложив магнитное поле в пространстве за экраном [7]. Если дело в рентгеновских лучах, картина 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, пройдя экран, 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 дифракционная картина всё же возникнет, то причина - в рентгеновских лучах.

Так же трактуются опыты по "дифракции электронов" на краю экрана или на щели в экране. Считают, что электронная волна, дифрагируя на перегородке подобно свету, создаёт дифракционную картину на люминесцентном покрытии. Но и в этом случае, очевидно, дифрагируют не сами электроны, а рождённые ими в металле электромагнитные волны, которые воздействуют на люминофор экрана так же, как электроны, вызывающие его свечение.

Именно это позволяет решить великую загадку дифракции электронов. Если электроны пускать редко, дабы те следовали по одному, то дифракционная картина всё же возникает. Это значит, что каждый электрон проходит сразу через обе щели, иначе бы дифракции не было. 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 [8]. Учёных гнетёт это противоречие, и потому они 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. 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 их попадания, а участки, где энергия излучения достаточна для возбуждения атомов детектора, для засветки кристаллов.

Известны и опыты по дифракции электронов на атомах инертных газов. В них по достижении энергией электронов некоторого значения, когда длина волны получалась порядка размеров атома, рассеяние электронов резко возрастало. Электроны, прежде не замечавшие атомов, как волна не замечает мелких препятствий, с уменьшением длины волны начинали их замечать и интенсивно рассеивались. Но, как было показано [1], истинная причина в том, что при малых энергиях соударения электронов с атомами упругие - электроны не теряют энергию при ударах, и с ростом энергии рассеяние монотонно падает. Но едва энергия электронов сравняется с резонансным потенциалом или с энергией ионизации, соударения становятся неупругими: электроны теряют энергию, отдав её атому, и сильно рассеиваются газом.

Последнее "проявление" волновых свойств электрона - туннельный эффект, - тоже трактуется классически [4]. Электроны образуют в металле электронный газ, не имеющий резких границ, и потому частично выходящий за пределы металла. Так электроны и "туннелируют" сквозь границу без помощи волновых свойств. Всё это касалось электронов, но есть опыты, в которых якобы проявляют волновые свойства и другие частицы: атомы, молекулы, нейтроны. И эти опыты имеют простое классическое объяснение, которого просто не искали.

Рассмотрим дифракцию молекулярных пучков на поверхности кристалла. Прибор селектор, представляющий собой два вращающихся диска с прорезями [5], выделяет из пучка частицы, имеющие заданную скорость и соответствующую длину волны де Бройля (рис. 4). Этот пучок падает на кристалл и отражается (ср. рис. 1). При этом кроме пучка, отражённого под углом падения ц, возникают два побочных пучка, максимума, как в дифракции (рис. 5). 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 и он 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 несколько оборотов.

Теперь рассмотрим частицу, падающую на поверхность кристалла. Атом отскакивает не от самих атомов кристалла, а от взаимодействия с их полем. Поле атомной плоскости имеет волнистые эквипотенциальные поверхности, горбы которых расположены напротив атомов, а впадины - между ними. При этом, чем дальше от поверхности кристалла, тем ближе эти поверхности к плоским. Атомы и молекулы газа отскакивают, отражаются именно от этих эквипотенциальных поверхностей. Чем выше энергия частиц газа, тем от более глубокой поверхности они отразятся как от жёсткой - под углом равным углу падения. Если сечение поверхности изобразить синусоидой с предельной крутизной б, то видно, что атомы будут отражаться под любыми углами, заключёнными в пределах от ц-2б до ц+2б. Интенсивней всего идёт отражение под этими крайними углами: каждый пучок создаст по два максимума (рис. 6). У медленных частиц они отстоят мало, поскольку частицы отражаются внешними эквипотенциальными слоями, почти плоскими - с малым б. Эти медленные молекулы, которых в газе больше всего, и создают высокий главный пик возле угла ц - максимумы слиты в один (рис. 5). Зато быстрые молекулы доходят до более глубоких слоёв с большей волнистостью и крутизной б. Именно они создают возле главного два побочных максимума.

Чем выше скорости быстрейших молекул, пропущенных селектором, тем глубже лежат отражающие их эквипотенциальные поверхности, имеющие большую крутизну б. И тем дальше отстоят побочные максимумы от главного. Впрочем, с углублением угол б 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.

Последний убедительный, по мнению физиков, довод в пользу волновых свойств частиц - это дифракция нейтронов. Поток нейтронов, как и поток электронов, при падении на кристалл рождает дифракционные картины. Однако причина их вряд ли в дифракции нейтронов. Скорее дело в том, что нейтроны тоже создают при попадании в вещество электромагнитные волны рентгеновского и гамма-диапазона. Нейтроны, сталкиваясь с ядром, переводят его в возбуждённое состояние, играя ту же роль, что и электроны, возбуждающие атом. Ядро, поглотившее нейтрон, возбуждается и начинает излучать электромагнитные волны, энергия которых связана с энергией падающего нейтрона. И наоборот, излучение способно выбить из ядра нейтрон. Это явление - ещё один пример родства свойств атома и ядра.

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 сильнее, из ядер вылетают нейтроны, 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. Итак, ни к чему считать частицы ещё и волнами. Все их так называемые "волновые" свойства - это иллюзия. Принцип Оккама снова оправдал себя!

То же и в отношении волн - световую волну ни к чему считать ещё и частицей, фотоном, ибо нет у света того, что нельзя было б объяснить световой волной. Так, без помощи квантов света легко объясним фотоэффект и комптон-эффект, если верно понято строение атома [2, 3]. Что не световые кванты, а само вещество придаёт фотоэлектронам их энергию, подтверждается явлением усталости фотоэффекта (снижением фототока при постоянном освещении), температурной зависимостью фототока (фототок растёт с повышением температуры) и отсутствием фото- и комптон-эффекта у свободных электронов. Сам Столетов, который первым исследовал фотоэффект, был против идеи корпускулярно-волнового дуализма, что и повлекло его смерть [8]. Нелинейные эффекты в оптике сейчас тоже часто сводят 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. Никто не наблюдал такого сложения фотонов в свободном пространстве - для него всегда нужно вещество, среда, а значит не в фотонах дело. То же касается двух- и многофотонного поглощения, нелинейного фотоэффекта - в них идёт не захват многих фотонов, а поглощение излучения кратной частоты, сгенерированного средой под действием лазерного излучения.

Из всех явлений о квантовой, корпускулярной природе света может свидетельствовать разве что планковский закон излучения абсолютно чёрного тела. Этот закон и привёл некогда к мысли о квантовой структуре света. Но и его легко понять с классических позиций и волновых представлений о свете, если верно интерпретировать процесс теплового излучения. Как было показано ранее [3], тепловое излучение возникает в результате поглощения атомами электронов. Когда атом металла, газа захватывает электрон, тот начинает вращаться в атоме, излучая на частоте своего вращения

f=E/h,

где E - энергия поглощённого электрона.

Электроны, как и 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. 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. Ну а низкие частоты возникают от ударов медленных электронов, имеющих малую энергию. Скорости этих электронов уже 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 есть в точности формула Релея-Джинса или формула Планка для низких частот (рис. 7).

Выходит, 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.

Так что световую волну ни к чему считать фотоном, частицей. Не существует опытов, для объяснения которых нужны частицы света. Введение фотонов, когда все свойства света легко объяснить классическими волнами, - это то самое преумножение сущностей, против которого предостерегал Оккам. Впрочем, есть всё же одно опытно найденное (скажем в опытах с радиолокацией) свойство света, которое трудно объяснить, считая его волной. Это сложение скорости света со скоростью источника, аналогичное сложению скорости испускания частиц (скажем радиоактивным изотопом) со скоростью их источника. Считали, что это невозможно для волн, скорость которых определяется не источником, а исключительно средой.

Тем не менее, как показал Вальтер Ритц ещё век назад, в 1908 г, свет - это всё же волна, но волна особая. Эта волна не расходится в неподвижной среде, а движется вместе со средой - с потоком частиц-реонов, испущенных колеблющимися зарядами источника и потому заимствующих скорость источника. Поток частиц имеет волновое распределение в пространстве, смещающееся вместе с потоком. Этот экзотический вид волн, сопровождаемых переносом среды, встречается ещё в плазме, в клистронах. Да и пресловутые волны де Бройля, как считают, движутся вместе с материей, частицами. Выходит, квантовая механика в чём-то повторила ритцеву модель света, но лишь эта последняя дала свойствам света наглядное рациональное объяснение. Только Ритц сумел при объяснении свойств света пройти по лезвию бритвы, ни на йоту не уклонившись ни в сторону частиц, ни в сторону волн, оставаясь на высоте здравого смысла. Все другие кренились в стороны и падали в бездну мистики и обскурантизма. Так возникли сотни НИИ ЧАВО (ЧАстиц-ВОлн), занятых вместо науки мистикой.

Итак, частицы всегда остаются частицами, а волны - волнами. Поэтому бессмысленно вести двойную бухгалтерию волн-частиц. 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.

Источники

волна частица гипотеза оккама

1. Электрон - волна ли? // "Инженер", 2005, №6.

2. Свет - частица ли? // "Инженер", 2006, №6.

3. Революция в учении о свете // "Инженер", 2006, №12.

4. Тайное сопротивление // "Инженер", 2007, №11.

5. Сивухин Д.В. Атомная и ядерная физика. Ч.1, М.: Наука, 1986.

6. Займан Дж. Принципы теории твёрдого тела. М.: Мир, 1974.

7. Матвеев А.Н. Атомная физика. - М.: Высшая школа, 1989.

8. Барашенков В.С. Вселенная в электроне. - М., 1988.

Размещено на Allbest.ru