Философия и теория «Единого поля Вселенной»

Уверовав в планетарную теорию Резерфорда, Н. Бор обнаружил в модели недостаток: заданная конфигурация электронов не обеспечивала устойчивое равновесие электродинамических сил, действующих в системе атома. Не замечая глубинных противоречий в самой идее, датский ученый внес коррективы в гипотезу и опубликовал в 1913 г. статью «О строении атомов и молекул». Используя «постоянную Планка» и сделав упор на квантовые представления, Бор обосновал линейчатые спектры излучения атома водорода. Для того чтобы гипотеза была жизнеспособной, он сформулировал постулаты. Наиболее спекулятивные из них следующие [57]:

1. Испускание (поглощение) энергии происходит не непрерывно, а только при переходе системы из одного «стационарного» состояния в другое.

2. При переходе системы из одного стационарного состояния в другое испускается монохроматическое излучение. Соотношение между частотой ν и общим количеством излученной энергии Е дается равенством (2.3).

Согласно теоретическим взглядам Бора, законы природы не являются причинными. Поэтому атом из состояния А может самопроизвольно перейти в состояние В с испусканием света. То, что рациональная наука может существовать и после отказа от строгой причинности, удивляло Эйнштейна. Более того, отказ приводит к важным следствиям в области теоретической физики. Эйнштейн говорит: «Однако я должен признаться, что мой научный инстинкт восстает против подобного отказа от строгой причинности. Все-таки приходится признать, что сегодня мы далеки от понимания требований строгой причинности, которые казались такими самоочевидными нашим предшественникам» [58].

Постулаты Бора находятся в противоречии с классической механикой и электродинамикой. Датский ученый утверждает: при расчетах движения электронов обычная механика справедлива только для средних значений; допущение напрашивается само собой. Бор признал, что второе допущение находится в явном противоречии с общепринятым пониманием электродинамики, но оно ему представляется «необходимым» для объяснения экспериментально установленных фактов [59]. Согласно мнению ученого, единичный электрон под действием сил притяжения ядра, в отличие от планет, может двигаться по целому ряду устойчивых орбит. Бор исходит из того, что до взаимодействия с ядром электрон находился далеко от него и не обладал заметной скоростью. Заряженная частичка вначале приближается к ядру. Силы Кулона действуют между противоположными зарядами подобно притяжению магнитов. Вместо объединения, электрон начинает преодолевать силы электростатического притяжения и уходить (по невыясненной причине) от ядра на достаточно удаленную в масштабах микромира стационарную орбиту. Положительный заряд притягивает отрицательно заряженные частицы. Бор не приводит доказательств того, что позволяет электронам не приближаться к частицам ядра до полного контакта. Слабость аргументов Бора можно объяснить несоответствием содержания внутреннему устройству атома. Предполагая отсутствие поступления энергии в систему атома, автор теории не решил главные вопросы: какие силы принуждает электроны переходить на орбиты разных уровней энергий и излучать энергию; вращаться в присутствии электрических зарядов других атомов; занимать те точки на сфере вокруг ядра, которые соответствуют минимальной потенциальной энергии системы. Согласно теории, ядро – сложная система сильно взаимодействующих, расположенных близко друг к другу большого числа частиц (десятки – сотни нуклонов). Рассматривая ядерную модель как систему, в которой выполняются законы небесной механики, невозможно объяснить стабильность атома. Хроническая слабость планетарной модели атома – трудность обоснования длительной устойчивости электронов на стационарной орбите. При движении с центростремительным ускорением электрон должен излучать электромагнитные волны. Все электроны в атоме должны были постепенно сближаться с ядром и за короткое время упасть на него, растратив свою энергию.

Бор принял специальные допущения: различным стационарным состояниям соответствует испускание различного числа квантов энергии; частота излучения, испускаемого при переходе системы из состояния, в котором энергия еще не излучалась, в одно из стационарных состояний, равно половине частоты обращения электрона в последнем состоянии [57]. По теории Бора, монохроматическое излучение возникает в момент перехода электрона с орбиты на орбиту и должно непременно испускаться с частотой (ν), равной половине частоты обращения (ω) по своей последней орбите. В расчетах Бора задавалась частота обращения электрона ω = 6,2 ⋅ 1015 сек—1 [60]. В атоме водорода радиус орбиты электрона (боровский радиус) rБ = 0,52917 ⋅ 10—10 м [1, с. 74]. Используя известные данные, вычислим линейную скорость электрона

v = 2πrω = π ⋅ 1,1 ⋅ 10—10 ⋅ 6,21015 = 2,14 ⋅ 106 м/с. (1.5)

Рассмотрим движение электрона в материальном теле. Известно, что заряд электрона е ≈ 1,602 ⋅ 10—19 Кл [33, с. 910]. Число молекул, находящихся в 1 см3 идеального газа при нормальных условиях равно 2,687 ⋅ 1019 молекул/см3 [33, с. 151]. При нормальных условиях грамм-молекулы всех идеальных газов занимают объем Vμ = 22,414 л. Зная количество электронов на орбите атома, можно установить их общее число в одном грамм-моле любого вещества. Согласно постулату Бора, при нормальных условиях в одном кубическом сантиметре газа водорода одновременно вращается 2,687 ⋅ 1019 электронов.

Плотность тока при упорядоченном движении зарядов определяется выражением [33, с. 378]:

j = n0еvс, (2.5)

где n0 – число электронов проводимости в единице объема; е – абсолютная величина заряда электрона; vс – средняя скорость упорядоченного движения электронов.

Теория Бора допускает вращение электронов вокруг ядра атома с огромной линейной скоростью. Подставляя в выражение (2.5) числовые значения, получим суммарную силу токов, циркулирующих в 1 см3 газа водорода:

I = (2,687 ⋅ 1019) (1,602 ⋅ 10—19) (2,14 ⋅ 106) = 9,21 ⋅ 106 А. (3.5)

Тепловая энергия, выделяемая на электрическом сопротивлении проводящей среды, пропорционально квадрату тока. Не имеет смысла считать количество теплоты, выделяемое одним кубическим сантиметром газа водорода при стационарных условиях, т. к. она будет гигантской. Если бы все электроны вращались в атомах с расчетной скоростью, то вероятней всего не существовало бы веществ в состоянии кристаллов.

Гипотезу об устройстве атома изложил Резерфорд. Бор подхватил его идею, как установленный факт. Согласно закону электростатики, однотипно заряженные частицы в ядре должны отталкиваться друг от друга тем сильней, чем меньше расстояние между ними. Прежде, чем выдвигать алогичную гипотезу, Резерфорду и Бору следовало бы объяснить, какие силы удерживают положительные заряды в плотном ядре. Понимая, что внутри вещества не существует сил, которые могут заставить электроны вращаться, Бор придумал особые условия. По выражению будущего лауреата Нобелевской премии, допущение, «представляется необходимым для объяснения экспериментально установленных фактов» [57]. Аргумент так себе. Новизна экзотической теории и магия авторитета в науке, вероятно, гипнотизирует большинство ученых. Они соглашаются с утверждением, что электроны вращаются в веществе, не получая при этом энергию из внешнего пространства. Нет оснований принимать, как некий установленный факт, существование сил, которые приводят электроны в организованное движение вокруг ядра. Ученые не желают замечать динамического эффекта, возникающего при движении зарядов в материи. Движение электронов вызвало бы в телах такой нагрев, что на планете давно бы испарилась вода и исчезла жизнь. Для теории Бора трудным является ответ на следующий вопрос: что позволяет электронам занимать нужный уровень и вращаться вокруг ядра, когда прекращается действие сил поля на заряды атома? Адекватность законов квантовой механики, если и доказывается Бором, то с помощью принятия постулатов конфликтующих с фундаментальными законами физики. Теоретик продвигает бесконечную продолжительность вращения электронов в веществе, обладающего электрическим и механическим сопротивлением движению частиц. Очевидно, объективной реальности не соответствует концепция вращения электронов вокруг положительных зарядов ядра и постулаты, принятые Бором. Оппоненты указывали Бору на слабости его гипотезы. Он соглашался с тем, что соблюдение постулата о переходе с одной стационарный орбиты на другую противоречит общепринятым законам электродинамики, но поражения не признал.

Сторонникам модели планетарного строения атома для начала следовало бы предложить рациональную модель совместного сосуществования положительных зарядов ядра и отрицательных электронов на орбитах (сферах) вокруг него; доказать устойчивость конфигураций зарядов в атоме; указать возможные пути беспрепятственного движения электронов в веществе с линейной скоростью сотни километров в секунду. Физики не называют те силы, которые могли сплотить положительно заряженные частицы в ядре. Рассчитанные Бором частоты излучений в действительности отличались от орбитальных частот электронов и высших гармоник этих частот [61]. Эксперименты показали, что теория полна противоречий. В 1913 году, после выхода в свет гипотезы Бора, в одной из частных бесед О. Штерн заявил своему другу В. Гейзенбергу: «Если эта бессмыслица, которую опубликовал Бор, верна, то я не хочу быть физиком» [62]. Гейзенберг говорит, что ни разу не удалось увидеть обращение электрона с определенной частотой; кроме того существует неувязка с вырождением, поскольку неизбежно противоречие с квантовыми условиями Зоммерфельда (магнитным квантовым числом). Тот факт, что предполагаемая частота обращения электронов вокруг ядра не соответствовала частотам испускаемого излучения «Бор воспринимал как почти невыносимое противоречие, которое он кое-как пытался сам преодолеть с помощью своего принципа соответствия» [63]. В приватном разговоре с Бором, Гейзенбергу показалось, что тот не так твердо верит, как Зоммерфельд, в применимость классической механики к орбитальному движению электронов. Обращение электрона и связь с требуемой частотой испускаемого излучения, приняты Бором бездоказательно. Предложенный вариант неприемлем для теории. Для реализации подобной задачи, электрон должен выполнять функцию персонального микрокомпьютера, одновременно решая две задачи: определять место будущей стационарной орбиты и заблаговременно (до начала перехода) рассчитывать частоту излучения, соответствующую, будущему положению. Осознавая зыбкость своих теоретических построений, Бор направил пригласительное письмо Шредингеру, чтобы обсудить при встрече с ним спорные детали квантовой и волновой механики, а по возможности склонить на свою сторону. Шредингер принял предложение и приехал в сентябре 1926 г. в Копенгаген. В ходе обмена мнениями, были вскрыты ключевые вопросы квантовой теории, по которым взгляды ученых расходились. Гейзенберг, присутствовавший при обсуждении, описал их спор [64]:

– Шредингер: «Вы должны все-таки понять, Бор, что вся ваша идея квантовых скачков неизбежно ведет к бессмыслице. Вы вот утверждаете, что в стационарном состоянии атома электрон сначала периодически вращается, по какой-то орбите, не излучая. Не дается никакого объяснения, почему он не должен ничего излучать, притом, что согласно теории Максвелла, излучение быть должно. Потом электрон отчего-то перескакивает с одной орбиты на другую, и происходит излучение. Что это за переход, постепенный или внезапный? Если он постепенный, то электрон должен постепенно же изменять частоту своего вращения и свою энергию. Непонятно, откуда тогда берутся четкие частоты спектральных линий. А если переход происходит внезапно, так сказать, скачком, то хотя и можно, применяя эйнштейновские представления о световых квантах, прийти к правильному числу световых колебаний, однако надо же еще и спросить, как движется электрон во время скачка? Почему при этом не испускается непрерывный спектр, как того требовала бы теория электромагнитных явлений? И какими законами определяется его движение при скачке? Словом, все это представление о квантовых скачках по необходимости оказывается просто чепухой».

– Бор: «Да, во всем, что Вы говорите, Вы совершенно правы. Но это еще не доказательство, что квантовых скачков не существует. Это доказывает только, что мы не можем их себе представить, т. е. что наглядные понятия, с помощью которых мы описываем события повседневной жизни и эксперименты прежней физики, недостаточны для изображения процессов квантового перехода».

– Шредингер: «Я не хотел бы с Вами вдаваться в философский спор относительно образования понятий, это уж мы лучше оставим для философов, но мне просто хотелось бы знать, что происходит в атоме. … Если в атоме есть электроны, т. е. частицы, как мы их до сих пор себе представляли, то они должны и как-то двигаться… как они ведут себя в стационарном состоянии или при переходе из одного состояния в другое. А математический формализм волновой или квантовой механики выглядит так, будто на эти вопросы не существует никакого разумного ответа».

– Бор: «Ведь не хотите же Вы всерьез поставить под вопрос все основные положения квантовой теории?».

– Шредингер: «Я не утверждаю, разумеется, будто все эти моменты уже полностью понятны. Но ведь и Вы тоже не обладаете никаким удовлетворительным физическим истолкованием квантовой механики».

– Бор: «Нет, на это надеяться нельзя. … Мы видим, что вспышка света на экране появляется внезапно, и электрон пролетает через камеру Вильсона внезапно. Ведь не можете же Вы просто отстраниться от этих скачкообразных процессов и делать вид, будто их вовсе не существует?».

– Шредингер: «Если нельзя избавиться от этих проклятых квантовых скачков, то я жалею, что вообще связался с квантовой теорией».

Диалог высветил недостатки в теории устройства атома. Дискуссии продолжались часами, днем и ночью, но согласие между ними достигнуто не было. Бор не нашел достаточных аргументов в защиту своей теории в полемике с оппонентом. Шредингер не согласился с доводами уважаемого ученого. Австрийский физик недвусмысленно поставил вопрос об объективности квантовой механики. В осознанном не согласии видна полная уверенность в своей правоте. Ученый продемонстрировал незаурядное мужество и отсутствие боязни быть затравленным коллегами по цеху. Будущим поколениям молодых ученых – это пример, достойный подражания. Эрвин Шредингер не только великий физик—теоретик, но и незаурядный философ. Принципиальный ученый, неподвластный сиюминутной конъюнктуре, предвидит тупиковый путь развития квантовой механики. Он поставил диагноз гипотезе Бора – недееспособная теория. Шредингер верил, что исторический путь зависит от тех, кто будет продолжать развитие науки. Поэтому призывает сопротивляться негативной тенденции: «От нас самих всецело зависит, перестанем ли мы рассуждать, станем ли действовать в соответствии с разумом, наступит ли закат или за этим кризисом последует взлет» [8]. Чтобы не стать соучастником лживого шоу, Шредингер наотрез отказался примкнуть к теоретикам группы Н. Бора.

Отвергнуть существование электронных орбит в атоме позволяет краткий анализ. Теоретические построения Бора базируется на постулате, что атомы могут испускать или поглощать лучистую энергию с частотой ν только ограниченными количествами, равными hν. Вопреки теории Лоренца, Бор исключил нормальное ускорение и излучение при орбитальном движении электрона. Постулаты Бора выходят за границы общеизвестных истин, что подчеркивает дефекты, заложенные в модель атома. По воспоминаниям П. Капицы, Бор был уверенным физиком, но уступал своим коллегам во владении математическим аппаратом.

Действие магнитного поля движущихся электронов на магнитную стрелку было А. Ф. Иоффе установлено экспериментально [65] и опубликовано в 1911 году. Учитывая дату публикации, электромагнитное излучение, возникающее в процессе движения электрона в поле ядра, было известно Бору. Здравомыслящий человек не воспринимает серьезно гипотезу, в которой не установлена связь частоты излучения с частотой обращения электрона. Орбитальное движение электронов в атоме, как физический процесс, проблематичен. Почему при многочисленных недостатках гипотезу не отвергли – это загадка. Перечислим требования, которым должна была отвечать гипотеза:

а) атом является устойчивой системой;

b) при определенных внешних условиях атом излучает энергию;

c) излучение атома водорода имеет линейчатый спектр, связанный со строением и свойствами его оболочки.

В первых статьях о конфигурации и движении электронов исходили из предположения, что электроны в каждой группе расположены относительно центра (в ядре) круговой орбиты на равных угловых расстояниях. Датский физик-теоретик не смог ответить на вопрос: почему конфигурация электронов в атоме, временно нарушенная внешними факторами, затем восстанавливается. Вновь проанализировав модель устройства атома, Бор пришел к выводу: электроны в атоме расположены отдельными группами. Ученый согласился с тем, что нельзя считать атом состоящим из определенного числа точно очерченных сферических оболочек электронов, движущихся в строго ограниченных областях. Спустя несколько лет после публикации гипотезы, Бор скажет, что у нас нет законченной теории, которая позволила бы описать во всех деталях механизмы испускания и поглощения излучения атомными системами. Принцип соответствия, как и все другие понятия квантовой теории, носят формальный характер [26]. Под давлением критиков Бор признал недостатки в устройстве атома: «Фундаментальной трудностью всех этих теорий была неспособность объяснить фактическое появление этой симметрии в процессе образования атома путем связывания электронов ядром».

В феврале 1914 г. Резерфорд заявил, что на основании данных радиоактивных распадов он и Бор сделали определенный вывод. Им кажется обоснованным предположение, что β-частицы большой скорости возникают в ядре, и β-превращения есть следствие выброса отрицательного электрона из ядра [55]. В феврале 1929 г. Лондонским королевским обществом под председательством Э. Резерфорда была организована дискуссия о строении атомного ядра. Доклад Резерфорда показал, что его взгляд на внутреннее устройство атома эволюционировал. Он высказал предположение, что ядра легких элементов состоят из комбинации α-частиц, протонов и электронов, причем отдельные части ядра сильно притягивают друг другу [66]. Не отказавшись полностью от прежних представлений, Резерфорд изложил новую идею: ядро имеет очень плотную структуру, причем плотность постепенно убывает с удалением от центра; эта система окружена силовым барьером, обычно мешающим вылету α-частиц. Один из участников дискуссии (Д. Гартри) указал на неопределенность теории, предложенной Резерфордом: плотная середина и менее плотные края ядра. Резерфорд признал, что у него пока нет объяснения неоднородности.

С альтернативных позиций выступил английский физик Дж. Чедвик. Вывод о причинах рассеивания, содержащийся в его докладе, отрицал гипотезу об отклонении α-частиц положительным ядром: «При бомбардировке некоторых элементов α-частицами, из них выбиваются ядра водорода, или протоны, которые можно обнаружить по сцинтилляции, вызываемой ими на экране из сернистого цинка. Эти протоны появляются вследствие искусственного разложения ядер этих элементов. Мы полагаем, что разрушение ядра происходит когда α-частица ударяет по атому и задерживается там, в результате чего вылетает протон» [66].

Эйнштейн воспринимал постулаты Бора скептически. В одной из встреч с Гейзенбергом Эйнштейном задал ему вопрос: «Почему Вы, собственно, так упрямо верите в Вашу теорию, когда многие основополагающие вопросы еще совершенно неясны?» [65]. Отношение к вероятности физических явлений природы, являющихся результатом случая, Эйнштейн выразил словами: «Господь Бог не играет в кости» [67]. Однажды Гейзенберг, при общении с Эйнштейном, описывал ему переход электрона из одного стационарного состояния в другое. Ученый прервал его словами: «Очень может быть, что Вы и я знаем о природе что-то свое. Но кого это может интересовать? Поэтому, если Ваша теория верна, Вы должны рано или поздно суметь рассказать мне, как ведет себя атом, когда он, излучая, переходит из одного стационарного состояния в другое» [64]. Мэтр физики предложил подумать о том, как ведет себя природа, а не навязывать ей свои впечатления. Теория, которая при выявлении новых свойств нуждается в дополнительных пояснениях, вызывает сомнение в заложенной первоначально концепции. Ее создатели, слагая каждый раз новые «дополнения», не прибавляют убедительности к физической картине происходящего.

Резерфорду пришла мысль о планетарном устройстве атома, которая оказалась не эффективной. Трудности в построениях атома на основе «ядерной» модели заметил Н. Бор и показал, что устойчивые положения внешних электронов не могут быть выведены из классической механики. Датский физик ввел некоторые понятия, связанные с квантом Планка, и подкорректировал модель устройства атома. Резерфорд замечает шероховатости теории, но указывает на них обтекаемо: «… можно придерживаться различных мнений относительно справедливости и физического смысла допущений Бора» [55]. Не отрицая важности теории Бора, английский ученый подчеркнул ее неполноту: теория представляет интерес и значение для физики, как первая попытка построить простые атомы и объяснить их спектры. По данному поводу высказался Р. Фейнман: «Все попытки объяснить вращение электронов вокруг ядра законами механики – теми же, при помощи которых Ньютон вычислял движение Земли вокруг Солнца, – оказались неудачными. Ни одно предсказание не подтвердилось» [68, с. 8].

Теория устройства атома Бора производит впечатление искусственной конструкции, построенной без учета физических законов. С позиций датского ученого, сопротивление движению электронов вокруг ядра либо не существует, либо оно должно быть равным нулю. Физические явления Н. Бор трактует вольно и с подменой понятий: что он допускает – противоречит здравому смыслу; что отрицает – реально существует. Приватизировав ложную идею Резерфорда, Бор занимается доработкой иррациональной модели и множит ошибки. Сформулированные постулаты, не отвечали положениям классической физики. С помощью математических манипуляций и придуманных закономерностей, Бор создает иллюзию закономерности вращения электронов. Таким образом, он дал импульс развитию ошибочного представления о существовании стационарных орбит электронов, излучающих энергию квантами во время перехода с одной орбиты на другую. Взаимодействие электромагнитного поля с атомами лежит в основе теории спектров излучения и поглощения света атомными системами. Проблема орбит и квантовых переходов связана с устройством атома. Объяснение механизма возникновения линий в спектре водорода, данное в 1913 году, перенесли на другие атомы. Теория, не понимающая причин излучения, во всех эпизодах выходит далеко за пределы наблюдаемых фактов. Действия ученых, «продвигающих» несуразные идеи для удовлетворения своих амбиций, охарактеризовал Аристотель: «… не ища теорий и объяснений, сообразных с наблюдаемыми фактами, а притягивая за уши наблюдаемые факты и пытаясь их подогнать под какие-то свои теории и воззрения» [44, 293а].

Создавая информационный шум вокруг новой теории, Бор привлек к своей работе молодых и талантливых ученых. Борзые и напористые ученые поспешили в Копенгаген – Мекку новейшей физики, где «открытия» достигались легко. Вундеркинды от математики сочиняли уравнения для физических закономерностей и сами же диктовали пути для их проверки. Они создавали продукт, который хорошо оплачивали. Желание исказить выявленные физические закономерности согласуется с сознательной подгонкой опытных данных под гипотезу. Настаивая на своих идеях, они вводили в заблуждение окружающих. Наивно полагать, что грамотные специалисты защищали в «интересах» науки теории с нулевым эвристическим эффектом, случайно отбрасывали аргументы оппонентов и «душили» не согласных. Противникам не представляли возможности вести с ними честную, конкурентную борьбу. И сегодня академическая наука упорно держится за парадоксальную модель устройства атома. Теория Бора сохранила за собой право определять спектральные частоты линий, как следствие квантовых переходов электронов с одной орбиты на другую. Научное сообщество имело неосторожность и расширило границы квантового излучения до многоуровневых электронных оболочек химических элементов. Сложилась типичная для науки картина: «Верую, ибо нелепо».

В 1977 году, вспоминая о событиях, которые происходили около 50 лет назад, П.А. М. Дирак говорит, что это был период большого оживления в физике. В отношении квантовой электродинамики (КЭД) он ощущал неудовлетворенность результатами ее достижений, т. к. эти успехи в основном обусловлены случайностью. КЭД хорошо работала в случае некоторых одноэлектронных задач, несмотря на то, что концепции теории Н. Бора были в основе неверными [31]. Автор заканчивает статью словами: «Я, действительно, провел всю свою жизнь в попытках найти лучшие уравнения квантовой электродинамики и до сих пор безуспешно». Уверенности взглядам, что энергия света распределяется по пространству дискретно, придавала позиция Эйнштейна, касающаяся «излучения черного тела», фотолюминесценции и других явлений, связанных с возникновением и превращением света [69]. Доказательство сводилось к двойственной природе света – принципу дуализму, согласно которому частицы имеют также волновую природу. Для Бора применение идей непрерывности и причинности немыслимо: «Две точки зрения на природу света являются скорее двумя различными попытками интерпретации экспериментального материала, в которых ограниченность классических понятий находит взаимно дополняющее выражение» [70].