Этюды о свете

Всего лишь к одному уравнению в алгебраической записи сводятся все уравнения Максвелла в векторных обозначениях. В 1838 году, задолго до Максвелла, аналогичные уравнения создал английский физик Мак-Куллах. Дело, однако, значительно серьезнее вопроса установления первенства. Великие уравнения Максвелла являют собой красоту и мощь математического описания света. Но они далеки от квантовых представлений, достоверность которых подтверждена опытом. Следовательно, принципы электромагнитной теории излучений не соответствуют реальности. Они держатся лишь на привычной вере в их обоснованность, восходящей к открытым Фарадеем взаимодействиям электрических и магнитных полей.

Главные выводы Максвелла таковы: переменное магнитное поле создает электрическое поле, которое в свою очередь возбуждает магнитное поле, и т. д. Электрические и магнитные поля, взаимно порождая друг друга, образуют единое переменное электромагнитное поле — электромагнитную волну, которая сама себя распространяет в пространстве со скоростью света. Максвелл утверждал, что волны света имеют ту же природу, что и волны, возникающие вокруг провода с переменным электрическим током.

Известно, однако, что взаимная индукция, то есть взаимопорождение электрических и магнитных полей, довольно быстро иссякает без подпитки даже в лабораторных условиях. А свет галактики GRB 971214, например, идет к нам 12 миллиардов лет. Какая уж тут индукция? Или она — самое долгоживущее явление из всех известных, включая стабильные протоны?

Утверждается также, что свет — это синусоидальные волны. Однако в 1976 году Чэпмен показал, что генераторы испускают в основном вовсе не синусоидальные волны. Установка Генриха Герца, которая якобы экспериментально доказала тождество света и электромагнитных волн, на самом деле производила и производит то, что теперь называют «окрашенным шумом».

Электромагнитная теория света порождает вопрос за вопросом. Почему она чужда постоянной Планка? Почему уравнения Максвелла, вопреки опыту, сводят магнетизм к электричеству? Почему даже мощные магнитные поля порядка 200 кЭ не влияют на скорость света? Почему уравнения Максвелла вполне применимы в далеких от электромагнетизма областях — в теории теплопроводности и термодинамике? И почему описание одного явления — света — поделено между двумя разнородными теориями — квантовой и волновой, ни одна из которых, по Планку, не может одержать окончательную победу?

Появление этих вопросов следствие неполноты знания, и ответы на них — дело времени, либо же они вызваны недостаточной обоснованностью теории, и ответы на них едва ли могут быть бесспорными.

Свет не имеет ни заряда, ни магнитности. Но он имеет энергию. Это открывает возможность более глубокого и близкого к реальности его изучения.

САМАЯ МАЛЕНЬКАЯ «МАТРЕШКА» ФИЗИКИ

Недавно в программе подготовки Америки к новому тысячелетию в Белом доме выступил профессор ньютоновской кафедры Кембриджского университета Стивен Хокинг. Он сказал, что, как и у русских матрешек, в физике существует предел открытия все меньших и меньших структур. В конце концов выявляется самая маленькая из них, разобрать которую уже нельзя. Такой самой маленькой «матрешкой» в физике является сегодня постоянная Планка.

Впервые о возможности существования такой «матрешки» Макс Планк доложил Берлинскому физическому обществу 18 мая 1899 года. За два года до этого, как бы в предчувствии ее реальности, он писал, что энергия материальной системы всегда может быть разложена на элементы. Это согласовывалось с картиной атомистического устройства мира. Но исходной посылкой гипотезы Планка послужила атомистическая по сути молекулярно-кинетическая теория и статистика Больцмана. Последний убедил Планка в том, что верная теория излучения никогда не может быть построена без введения в нее элемента дискретности.

Классическая теория излучения считала его непрерывным. Однако опыты не отвечали этому представлению, а формулы приводили к бесконечно большой энергии света высокой частоты, что было абсурдно.

Теоретическая мысль зашла в тупик. Выход из него открыл Планк, включив в теорию излучения элементы дискретности.

19 октября 1900 года Планк представил немецкому физическому обществу принципиально новую формулу излучения, которая отвечала опыту. Еще через два месяца, 14 декабря, он доложил обществу о введении в физику понятия кванта энергии и новой фундаментальной константы, впоследствии названной его именем — кванта действия.

Началась эра квантовой теории.

Главная идея Планка сводилась к тому, что излучение дискретно, оно испускается отдельными порциями — квантами, энергия которых кратна величине новой константы.