Неклаасическая картина мира

1.  Трудности   электромагнитной  теории  Максвелла  и  электронной  теории   Друде

 

В  опытах  со  светом  были  установлены  два  фундаментальных  факта:  световые  электромагнитные  колебания являются  не  продольными,  а поперечными,  и скорость  распространения  этих  колебаний  очень  велика.  А  из  механики  известно,  что  поперечные  колебания  возможны  только  в  твёрдых  телах  и  скорость  их  зависит  от  плотности  тела.  Если  принять гипотезу,  что свет  распространяется  в эфире,  то  плотность эфира должна  быть  во  много раз больше  плотности стали.  Но  тогда невозможно  движение  тел. 

В  связи  с  этими  фактами  корпускулярные  представления  о  материи  были  заменены  континуальными.  Конечный  предел  делимости материи  в  виде  неделимых  атомов  был  заменён  непрерывным бесконечным полем  с  силовыми  точечными  центрами – электрическими  зарядами  и  волновыми  движениями  в  нём.

Новая  электромагнитная  картина  мира,  математическое  описание  которой  дал  в  своих семи  уравнениях  Максвелл,  объяснило большой круг  явлений,  непонятных  с точки зрения  прежней механистической картины мира.

Но  и  в  теории  Максвелла  возникли  непреодолимые  трудности.  Заряд считался  точечным  центром,  а факты  свидетельствовали о конечной  протяжённости  частицы-заряда.  Майкельсон  пытался обнаружить  движение  тела  по  инерции при помощи  приборов,  находящихся на  этом  теле.  Теория  позволяла обнаружить  такое движение,  но  опыт  не  подтвердил этого. 

С  XIX  века  обнаруживалось  все больше  непримиримых  противоречий  между теорией и фактами.  Многие  из  них  не  согласовывались  с  континуальными  представлениями  о  материи:  трудности в объяснении  фотоэффекта,  линейчатый  спектр атомов,  теория  теплового излучениях[1;104].   

В 1900 году П.Друде разработал теорию электро- и теплопроводности металлов. В теории Друде валентные электроны металла рассматривались как классический «электронный» газ (идеальный газ из электронов). Применение к этой модели основных положений элементарной молекулярно-кинетической теории привело к поразительным результатам. На основе этих представлений оказалось возможным объяснить закон Видемана-Франца, объяснить эффект Холла, возникновение контактной разности потенциалов, явление термоэлектронной эмиссии. Для всех перечисленных явлений удалось получить количественные зависимости между величинами, определяющими то или иное явление.        

В теории Друде пренебрегают сильным  электрон-электронным и электрон-ионным взаимодействием, полагая, что внутри металлического тела отдельный электрон практически ведет себя как свободная частица. Это дает нам право считать электрон «нейтральной» частицей при расчете взаимодействия ее с остальными частицами, но способной переносить заряд при расчете параметров электрического тока.      

П.Друде полагал, что электроны  в своем движении сталкиваются с  атомами (ионами) кристаллической структуры  металла (столкновения электрон-электрон значительно менее вероятны). Картина  последовательных соударений электрона с атомами кристаллической решетки показана на рис. 1.

 

 

     

Рисунок 1

Но в теории Друде  возникли противоречивые трудности. Экспериментальные данные удельной теплоёмкости меньше теоретического значения. Средняя длина свободного пробега электрона оказывается на несколько порядков больше, чем шаг кристаллической решётки.

Это было объяснено в квантовой теории, где показывается, что в идеальном кристалле при нулевой температуре электрон не рассеивается вообще, но в реальном кристалле он рассеивается на примесях, дефектах и фононах.

 

2. Открытие фотоэффекта

 

Фотоэффектом  называется  вырывание  электронов  из  вещества  под  действием  света.  Фотоэффект  открыл Г.  Герц, а тщательно  исследовал  русский физик А.Г.  Столетов. 

В  опытах  было  обнаружено,  что кинетическая  энергия вырываемых  светом  электронов  не  зависит от  интенсивности света,  а возрастает  с  частотой  света.  Если  частота  света  меньше  определённой  для  данного  вещества  минимальной  частоты,  то  фотоэффект  не  происходит. 

Все  попытки  объяснить  явление  фотоэффекта  на  основе  законов электродинамики  Максвелла,  согласно  которым   свет – это  электромагнитная  волна,  непрерывно  распределяемая  в  пространстве,  оказались  безрезультатными.  Нельзя  было  понять,  почему  энергия фотоэлектронов  определяется  только  частотой  света и почему  лишь  при малой длине волны свет  вырывает  электроны[2;203].  

Объяснение  фотоэффекта  было  дано  в  1905  Эйнштейном.  В  экспериментальных  законах  фотоэффекта  Эйнштейн  увидел  убедительное  доказательство  того,  что  свет  имеет  прерывистую  структуру  и  поглощается  отдельными  порциями.  Энергия  каждой  порции  излучения  прямо пропорциональна чистоте излучения,  где коэффициентом пропорциональности  является  постоянная  планка.

Явление  фотоэффекта  показало,  что  свет  имеет  прерывистую  структуру,  то  есть  излучённая  порция  световой  энергии  сохраняет свою  индивидуальность  и  в  дальнейшем,  может  поглотиться  вся  порция  целиком.

Порция  света,  открытая  в  фотоэффекте,  оказалась  неожиданно  очень  похожей  на  то,  что  принято  называть  частицей.  Свойства  света,  обнаруживаемые  при излучении и поглощении,  называют  дискретными.  Сама  же  световая  частица  получила  название  фотона.

Фотон,  как и другие  частицы,  обладает  определённой  энергией  и импульсом при определённой  массе и скорости.  Но  фотон не  имеет массы покоя,  то есть  он  не  существует  в состоянии покоя,  и при рождении  сразу приобретает скорость  света.

На  первый  взгляд,  все  данные  теоретические  положения  вернули  физику  к  корпускулярной  теории  Ньютона.  Но  нельзя  забывать,  что  интерференция  и  дифракция  света  определённого  говорят  о  наличии  у  света  волновых  свойств.  Получается,  что  свет  обладает  своеобразным  дуализмом  свойств.  При  распространении  света проявляются его волновые  свойства,  а при взаимодействии  с веществом – корпускулярным. 

 

3. Ультрафиолетовая  катастрофа  и  гипотеза  Планка

 

Среди  различных  типов  излучений,  тепловое  излучение  занимает  особое  положение,  так  как оно может быть  равновесным.  Это значит,  что возможно  равновесие  между телом и созданным им  излучением.  Равновесное  излучение  можно  получить  внутри  полости  тела,  имеющего  постоянную  температуру.  При равновесии  электромагнитная  энергия,  излучаемая  телом  в  единицу  времени  внутрь  полости,  равна энергии,  поглощаемой из  полости за  это же  время.  Температура  тела  при  этом  остаётся  неизменной.  Равновесному  излучению  приписывается  определённая  температура,  именно  та,  которую  имеет  тело.

Отсюда  можно  сделать  некоторые  выводы:  например,  можно  быть  уверенным,  что  плотность  энергии  излучения  и  распределение  этой  энергии  по  частотам  не  зависит  от  свойств  вещества  стенок  полости.  Следовательно,  можно  выбрать  любую  простую  модель  строения  вещества  и  её  помощью  найти  зависимость  плотности  энергии  теплового  излучения  от  температуры  и  частоты.

Самую  простую  модель  вещества  предложил  Макс  Планк.  Если  стенки  полости  тела  состоят из  осцилляторов  всевозможными частотами колебаний,  то  она способна  поглощать и   испускать излучение  любой длины волны.   Излучаемая  осциллятором  в единицу времени электромагнитная  энергия пропорциональна средней  энергии  осциллятора.  Так  как  число  осцилляторов  со  всевозможными  значениями  частот  колебаний  должно  быть  бесконечно  велико,  то  излучаемая  ими  энергия  должна  быть  бесконечно  большой.  Но  данный  вывод  совершенно  бессмыслен,  так  как  он  отрицается  возможность  теплового  равновесия  между  веществом  и  излучением.  Так  как  общая  энергия  излучения  получается  бесконечно  большой  из-за  того,  что излучаются  все частоты вплоть  до  сколь угодно  высоких,  то  сложившаяся противоречивая  ситуация  получила  название  «ультрафиолетовой катастрофы».

Выход  из  данной  трудности  нашёл  Макс  Планк.  Он  выдвинул  гипотезу,  что  микроскопическая  система  не  может  принимать  любые  значения  энергии,  то  есть  система  излучает  энергию  на  определённых  дискретных  значениях.

Если  энергия  излучающей  системы  принимает  лишь  дискретное  значение,  то  можно  сделать  вывод,  что  осциллятор  излучает  энергию  не  непрерывно,  а  отдельными  порциями – квантами.  Это отображено  на  рисунке  2. 

 

Рисунок 2. Излучение  энергии микроскопическим осциллятором по гипотезе Планка

 

Планк нашёл выход  из трудностей «ультрафиолетовой катастрофы», но путём отказа от классических законов  континуальности и равновесности к микроскопическим системам.

 

4. Реализация  идеи дискретности в неклассической  картине природы

 

Луи де Бройль  обобщил  неклассические  эмпирические  закономерности  фотоэффекта  и излучение микроскопических  систем.  Он  распространил идею  о  двойственной  корпускулярно-волновой  природе  света  на  все материальные  объекты.  Все частицы,  обладающие  конечным  импульсом,  обладают  волновыми свойствами,  и их  движение  сопровождается  некоторым  волновым  процессом.

То  есть  материя  дуальна,  и  обладает  корпускулярно-волновыми  свойствами. Частицы  обладают  относительной  прерывностью  и  локализованностью  в  пространстве,  тогда как поля  непрерывно  распределены  в нём.  Но поля  также  не  являются  континуальными  средами,  так как взаимодействуют с частицами как дискретные  образования.  частицы вещества  нельзя  представлять  в виде  каких-то  микроскопических  шариков.  Частицы неотделимы  от  полей,  и не  существует  абсолютно резкой  границы,  где кончается  частица  и  начинается  её  внешнее  поле.

В  пограничной  области  существует  непрерывный  взаимопереход  полей  и  частиц[5;114].

Объекты  микромира  подчиняются  статистическим  законам,  которые  определяются  соотношением  неопределённости  Гейзенберга.  Из  этих  соотношений  видны  континуально-дискретные  свойства,  энергии,  частиц,  пространства  и времени.

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

В  классической  механике  Ньютона  господствовало  представление  о  мире,  состоящим  из  пустого пространства,  наполненного  материальными системами,  состоящими  из  «себе тождественных»  корпускул.

В  классической  электродинамике  пустое  пространство  было  заменено  континуальным  электромагнитным  полем. 

Во  всей  классической  физике  действовали  динамические  законы,  основанные  на  непрерывности,  детерминизме  и  принципиальной  обратимости. 

С  проникновением  вглубь  материи  (в  конце  ХIX начале  ХХ  веков)  физическая  картина мира  принципиально изменилась.  Материя стала рассматриваться  как  корпускулярно-континуальная,  в которой материя состоит из  вещества  из  частицы поля, которым свойственны вышеуказанные дуальные  свойства.  Причём,  отсутствует граница между полем и частицами,  между ними  присутствует  постоянный  взаимопереход.  Принципы  неопределённости,  которыми  характеризуется  поведение  микрообъектов,  позволяет  говорить  о  дуализме  континуальности  и  дискретности  частиц,  поля,  энергии,  пространства  и времени.

«Переход  от  классике  к  неклассике – нечто неизмеримо  большее,  нежели  включение в наукооборот постоянных  «с»  и  «h»,  разграничивающих  масштабы  природы  как прдметы освоения  предыдущего и последующего  знания.  Неклассику  от  классики  отделяет  пропасть,  мировоззренческий,  общекультурный  барьер,  несовместимость  качества  мысли»[3;104].