Текст книги "Этюды о свете"

Автор книги: Фридэн Королькевич

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 6 страниц)

ЧУДЕСНЫЙ ДАР ПРИРОДЫ

Уравнения Ньютона описывают тяготение и движение, не вдаваясь в объяснение природы их сил. Если последовать этому примеру, то свет в наиболее общем виде можно рассматривать просто как лучистую энергию.

В статье «О природе света» Планк писал: «Конечно, природа электромагнитных явлений нисколько не яснее, чем природа оптических явлений. Но тот, кто считал бы недостатком электромагнитной теории, что она ставит одну загадку на место другой, обнаружил бы непонимание смысла этой теории. Значение ее заключается в том, что она объединяет в одно целое две области физики, которые приходилось раньше рассматривать отдельно друг от друга… Оптика не могла быть включена в механику, но вместо этого она целиком слилась с электродинамикой. Это – предпоследний шаг на пути к единству физической картины мира. Когда и как будет сделан последний шаг – слияние механики с электродинамикой – в настоящее время еще не вполне ясно».

Быть может, этим шагом станет рассмотрение света как лучистой энергии с опорой на физические основы механики, которая отвлекается от вопросов происхождения сил? Новая область науки – физическая механика – объединяет общие проблемы использования микропроцессов при объяснении макросвойств изучаемых явлений и сред.

Правомерность такого подхода подтверждает описание света как лучистой энергии в трудах Умова и Бора, в теории ее переноса Чандрасекара. Рассмотрение объектов в наиболее общем виде применяет и математика.

Но поскольку математического аппарата для описания элементов глубинных структур материального мира пока нет, а принцип непрерывности, как заметил фон Нейман, возникает в прерывном по существу мире лишь в процессе усреднения, то допустимо в первом приближении ограничиться соотношениями типа А=Б, к которым в конечном счете сводятся все уравнения и их словесные формулировки.

Все излучения, будь то радиоволны, видимый свет или жесткие гамма-кванты, представляют собой элементарные продукты колебаний излучателя – электрона, атома вещества или молекулы. Каждое их колебание генерирует одну мельчайшую дозу лучистой энергии. Сколько произведено за время испускания кванта света колебаний – столько же появилось и таких доз энергии. После отрыва от источника они представляют собой пунктирную цепочку, подобную пулеметной очереди. Только вместо пуль – атомы энергии. Это, по всей вероятности, и есть квант света – фотон.

Знаменитая и широко известная формула кванта энергии подтверждает достоверность такого предположения физической сущности фотона. Она показывает в полном согласии с опытом, что в кванте света содержится столько же величин постоянной Планка, сколько раз колебался источник света, какова была его частота. Отсюда с необходимостью следует, что величина кванта энергии есть произведение величины постоянной Планка на частоту света, то есть на число колебаний источника за время испускания фотона.

Параметры определяются просто: длина фотона – умножением скорости света на время излучения кванта, число атомов энергии в нем – умножением этого времени на частоту колебаний излучателя, на частоту света.

Так, например, фотон оранжевого света имеет длину почти три метра и состоит – округляя – из пяти миллионов атомов энергии. Из такого фотона и был «вырезан» оптический эталон метра, принятый в 1960 году Генеральной конференцией по мерам и весам. В нем – 1650763,73 длины волны изотопа криптона 86.

Поскольку число атомов энергии в таком фотоне равно числу волн в нем, а расстояние между атомами совпадает с величиной волны в нынешней теории света – 6058 ангстрем, то вполне естественно отождествить их. Ведь волны – это периодические движения любых объектов, будь то волны морского прибоя, звуки музыки или элементы света. Поэтому все они могут быть описаны обычными волновыми уравнениями.

Если в соответствии с опытом принять также, что перенос атомов излучений в пространстве сопровождается возмущением среды – поперечными волнами, то энергоатомарное представление сущности света вполне согласуется с описанием оптических явлений в нынешней теории света. За исключением, разумеется, попытки раскрыть тайну света с помощью загадки электромагнетизма, зачисления фотона в отряд элементарных частиц и приписывания свету корпускулярно-волнового дуализма.

Трехметровый фотон оранжевого света никак не вяжется с представлениями о частицах. К тому же он сам состоит из миллионов частиц – частиц энергии. Признание факта их существования в природе объясняет причину заблуждений с дуализмом.

Главу о свете украинского трехтомника физики заключают слова: «Несмотря на многочисленные попытки, никому еще не удалось дать наглядную интерпретацию двойственной корпускулярно-волновой природы фотонов».

Корпускулярные свойства света, как известно, начинаются с красной границы фотоэффекта. Один и тот же приемник излучений, не обнаружив у низкочастотных радиоволн и дофиолетового света никакой корпускулярности, при переходе им определенной частоты – разной для разных приемников – испытывает воздействие фотонов, сравнимое с ударом частицы вещества. Следовательно, граничная частота как бы делит излучения на волновые и корпускулярные лишь в момент их воздействия на приемник света.

Принято думать, что энергетическое воздействие света определяется его частотой: чем она выше, тем выше и энергия фотонов. И наоборот. Но это не согласуется с фактами различного воздействия одних и тех же фотонов на разные приемники. Так, например, у меди полное безразличие к фотонам, выбивающим электроны из цезия. Энергичные для калия и натрия, точно такие же по частоте фотоны незаметны для вольфрама, золота и платины.

Следовательно, определяющие разное воздействие света факторы не ограничиваются лишь сведением их к частоте фотонов. Такие факторы обнаруживаются и у самих приемников излучений. Что это такое?

Многие объекты природы обладают разного рода памятью о событиях, памятью о воздействии на них. У полупроводников, например, это время релаксации. У приемников света это может быть своего рода памятью об атомах энергии, ее импульсах. Ведь движущиеся со скоростью света мельчайшие и дискретные сгусточки энергии обретают размерность количества движения, то есть. импульсов, равных по величине постоянной Планка. Ее размерность действия ограничена моментом генерации атома энергии и трансформируется в импульс на все время движения в пространстве.

Если память приемника света, составляющих его электронов, атомов вещества и молекул короче времени приема двух последовательных импульсов в фотоне, то он успевает освободиться от воздействия предыдущего и как бы позабыть о нем. Никакой «корпускулярности» света в этом случае нет и в помине. Но если память приемника больше интервала времени между поступлением к нему атомов энергии, то они как настигающие друг друга импульсы наращивают воздействие, вплоть до похожего на удар частицы вещества, что толкуется как корпускулярность света.

Добрая половина изотопов 105 химических элементов не проявляет себя в качестве излучателей корпускул, ибо не обладает достаточно высокой частотой генерации импульсов, имея в виду красную границу фотоэффекта. К тому же, например, у цинка часть изотопов имеет такую границу в 290 нм, а часть – ниже ее. Таковы и некоторые другие элементы – ртуть, барий, сурьма.

Следовательно, энергоатомарное представление сущности света вполне непротиворечиво. Оно в согласии с опытом раскрывает и причину дуалистического толкования света, и его излишне широкое распространение на свойства света, который лишь при определенном сочетании частоты и величины памяти приемника проявляет себя как некоторое подобие воздействия частиц вещества.

Вместе с тем, этот пример иллюстрирует – пусть схематично и упрощенно – плодотворность идеи первичного элемента излучений, их атома. Подтверждается справедливость высказывания первооткрывателя электрона Джозефа Томсона: «Из всех услуг, которые могут быть оказаны науке, введение новых идеи – самая важная».

Идея атома света, подкрепленная опытом, показала способность помогать в решении проблемы так называемого дуализма излучений. Вообще-то такого рода двойственность явления обусловлена и стечением обстоятельств, то есть частоты света, и памяти приемника фотонов. Но именно атом энергии, его характеристики проявили себя в качестве важнейшего условия возникновения корпускулярного свойства света. А раз так, то не исключена и польза идеи атома энергии в решении других, не менее важных проблем.

Поэтому, видимо, может быть полезным дальнейшее знакомство с этим таинственным вестником из реального мира, как его представил Планк.

СУБКВАНТ

Кванты света состоят из атомов энергии. Их можно представить как подкванты или, лучше – субкванты. Термин субквант – рабочий. Но он отражает физический смысл атома энергии как носителя величины постоянной Планка. В момент излучения он имеет размерность действия, которую преобразует в размерность импульса при его движении в пространстве со скоростью света. В ранее опубликованных работах этот термин обозначал дискретную составную часть кванта света, равную величине постоянной Планка[2]2
  См., например: Королькевич Ф. Начала субквантовой физики. М.: Ариэль-ЛЕБ, 1996 г.


[Закрыть].

Будучи мельчайшим сгустком лучистой энергии, субквант обладает некоторым размером и соответственной величиной эффективного сечения с размерностью площади. Там, где в данный момент находится субквант, в тот же момент возникает характеристика дискретности энергии и среды, их своего рода клетка. Попытка примерного определения ее величины показала вероятность приближения размера субкванта к длине гравитационного взаимодействия, или планковской длине около 10⁻³³ сантиметра, которой соответствует время около 10⁻⁴³ секунды. Известно, что сейчас она рассматривается как кандидат на роль фундаментальной длины – кванта пространства.

Возникает вопрос: что это – случайное сближение величин или реально существующая исходная метрика в соответствии с предположением Римана о внутренней причине возникновения метрических отношений?

Физика, имеющая дело с объектами такого рода, условно может называться субквантовой. Ее основы связаны с субатомной физикой и с зарождающейся физикой ультрамалых энергий, в области которых, по-видимому, предстоит узнать много удивительного и полезного. В том числе о субкванте, части кванта света, – конечном «кирпичике» мироздания, к которому с полным основанием можно отнести строфу Микеланджело:

 
Кто создал все, тот сотворил и части,
И после выбрал лучшую из них,
Чтоб здесь явить нам чудо дел своих,
Достойное его высокой власти.
 

Если во Вселенной рождаются и умирают, превращаясь в фотоны и субкванты, мириады атомов вещества, если на каждый атом приходится более сотни миллионов фотонов, если по ее просторам бродят толпы субквантов, выбитых из фотонов и частиц, то едва ли будет преувеличением сказать, что окружающий нас мир – это мир субквантов.

И вполне естественно предположить, что этот мир существенным образом влияет на все. И что это влияние можно заметить и с пользой применить в теории и на практике.

Так, например, неисчислимые толпы субквантов и все самостоятельные «бродяги» наряду с нейтрино образуют собой и скрытую массу Вселенной, и так называемую энергию нулевых колебаний вакуума. Их трудно объяснить иначе, а присущие им бесконечности сводят на нет достоинства теории квантованных полей. Этот энергетический «бульон», видимо, питает и набирающих, по Вавилову, полный квант энергии спонтанных излучателей фотонов.

ЕЩЕ ОДНА ПОЛЬЗА СВЕТА

Каждое «ведро пространства», согласно Фреду Хойлу, пронизывают миллиарды квантов космических излучений: Только самое слабое из них, реликтовое, содержит около 400 фотонов в кубическом сантиметре. Космос непрерывно и со всех сторон шлет даровую, вечную, чистую и безопасную энергию. Можно ли ее использовать – вот в чем вопрос.

О лучистой энергетике обычно говорят: этого не может быть. Но точно также говорили и об использовании пара, электричества и атома. Сам Резерфорд, открывший атомное ядро, решительно отвергал возможность получения атомной энергии.

Разумеется, у отдельного фотона энергии мало. Но ее мало и у отдельного атома. Однако на каждый атом вещества приходится больше ста миллионов фотонов. А тех, что летят к нам из Космоса ежесекундно, не счесть. При этом фотоны обладают способностью наращивать воздействие на приемные устройства при увеличении их памяти о субквантах. Тогда рассеянные и вроде бы не сильные лучи далеких звезд могут обретать мощь жаркого и обильного солнечного света на экваторе в полдень при безоблачном небе. Природа показывает нам пример рационального использования лучистой энергии в растительном и животном мире. Теоретическое обоснование возможности лучистой энергетики было неоднократно опубликовано с 1992 года у нас и в 1995 году – в США[3]3
  См. Основы субквантовой физики.


[Закрыть].

Норберт Винер говорил, что каждая профессия имеет свои особенности. Когда горит дом, люди бегут от огня, а пожарный бежит в огонь, в горящий дом. Если он бежит от огня, то теряет честь и звание пожарного. А как быть с честью и званием ученого, если он избегает решения проблем? Если он перестал быть исследователем? Ландау как-то справедливо заметил: ученым может быть и кот, но он – не исследователь.

Фотоны при определенном сочетании частоты их излучения и времени памяти приемников проявляют себя подобно частицам вещества, бомбардирующим приемник. А это значит, что субкванты света обладают кинетической энергией. Но она может не только бомбардировать приемник, но и нагревать его, а также трансформироваться в другие виды энергии электрическую, химическую и механическую, связанную с движением приемника. Ведь энергия воздействия фотонов аддитивна, она суммирует энергию субквантов. Каждый из них имеет в соответствии с величиной постоянной Планка 6,6261·10⁻²⁷ эрг=4,1355·10⁻¹⁵ электронвольт=4,4398·10⁻²⁴ атомной единицы массы.

Память цинка, например, с учетом его красной границы фотоэффекта имеет величину 1,2·10⁻¹⁴ секунды. При частоте света больше 4,5·10¹⁴ герц цинк получает плотную «очередь» субквантов, сравнимую с ударом частицы вещества. Но при меньшей памяти приемника удара фотона такой же частоты уже не будет. И наоборот: при низкой частоте света, но при увеличенном времени памяти приемного устройства можно получать нужный уровень воздействия – удар, нагрев, трансформацию вида энергии.

В этом – вся соль.

Если поучиться у природы и привлечь теорию, то собранные уловителями лучистой энергии кванты далеких звезд и других излучателей могут стать очень и очень полезными.

Использовать лучистую энергию Космоса в конце XIX века призывал еще первый русский физик-теоретик, профессор Московского университета Николай Умов. А постановка задачи, как известно, – первый шаг к ее решению. Но только недавно немецкие исследователи создали материал, который вместо стекла в окне не только пропускает свет, но и обогревает помещение. Изобретатель компьютерной дискеты Иосиро Накамацу объявил в 2001 году об использовании энергии космических излучений. Главный ученый секретарь Российской академии наук Николай Платэ сообщил в конце того же года в газете «Труд» о создании новых материалов, обладающих памятью и эффективно преобразующих виды энергии.

Недавно в Кремле на заседании Всемирного информационного форума было сказано: «Не нужно больше никакого топлива. Найден новый универсальный источник энергии – свет». «Общая газета» иронизировала в своем сообщении по поводу этого заявления, но уподобилась тем самым герою рассказа А. П. Чехова «Письмо к ученому соседу».

Во-первых, лучистая энергетика уже миллионы лет действует в мире растений и животных, впитывающих живительные лучи Солнца, и не только его.

Во-вторых, существует и успешно развивается гелиоэнергетика – как на земных станциях, так и на космических аппаратах, где она является частью штатной технологии жизнеобеспечения экипажа.

В-третьих, в последние десятилетия объединяются теоретические и технологические разработки в области фотоэлектрического и фототермического преобразования лучистой энергии.

Преобразования лучистой энергии различны. В фотоэнергетике растений – это поглощение и консервация энергии фотонов не только в хлоропластах, как это представлялось в рамках классической теории фотосинтеза, но и в биомембранах. В гелиоэнергетике – высокотемпературный нагрев рабочей среды или получение электроэнергии на глубоких внутриатомных и межатомных уровнях полупроводниковых элементов.

Пока что фантастическим, но теоретически возможным способом преобразования энергии является и аннигиляция частиц с полным освобождением заключенной в них энергии субквантов. Если существует в природе фоторождение частиц, то почему бы не существовать и обратному процессу, свойственному явлениям природы?

Косвенно о такой возможности свидетельствует невообразимо сильное излучение галактик Мессье 87 и Лебедь А, где поток энергии исчисляется величинами в 10⁴⁴ эрг в секунду, что объяснимо пока только теоретически возможным механизмом аннигиляции, не противопоказанной космическим объектам.

Делокализация субквантов частиц при их аннигиляции дает 90 процентов заключенной в них энергии массы покоя. Оставшиеся – у нейтрино.

Субквантовая энергетика отнюдь не стоит перед гамлетовской дилеммой: быть ей или не быть? Она уже есть. Вопрос в другом: как производительно использовать энергию мириадов космических фотонов, щедро дарованных нам природой.

ОСНОВА АТОМИСТИКИ

Двадцать пять веков назад Фалес Милетский задал вопрос: из чего создан наш мир? Похоже, что нынешняя атомистическая теория отвечает на него так: из всего. Из частиц, полей, физического вакуума – из всего. Но это не очень хорошо разъясняет, из чего созданы, например, частицы? А свет?

Атомистика – это учение о прерывистом, «зернистом», по Демокриту, дискретном строении материи. Ее исходным понятием послужила идея атома – неделимого создания природы. Однако по мере экспериментального доказательства различия форм материи – в виде уже делимого атома, молекул, частиц, полей и физического вакуума – атомистика отошла от своего изначального смысла. Постепенно она превратилась в учение обо всех зернистых и незернистых формах и видах материи. Современная атомистика считает материю прерывной и непрерывной, она отрицает существование конечных «кирпичиков» мироздания, действительно неделимых, первичных его элементов.

Но если даже реальность дискретных и непрерывных форм материи доказана опытом, это еще не доказывает невозможность существования исходных элементов ее структур. Отрицание первичных элементов есть использование недоказательства их реальности как доказательства их нереальности.

В «Диалектике природы» Энгельс заметил, что если все различия и изменения качества сводятся к количественным различиям и изменениям, то мы с необходимостью приходим к тезису, что вся материя состоит из тождественных мельчайших частиц. Но до этого мы еще не дошли. До этого еще не дошла и физика высоких энергий, имеющая дело с наиболее глубоко скрытыми деталями строения вещества и в этом смысле логически развивающая гипотезы античных философов.

Взаимопревращения частиц заставляют предполагать наличие некоего общего элемента, служащего для них как бы строительным материалом. Фоторождение частиц и их превращение в свет убеждает в возможности существования единой для них детали, инвариантной относительно форм, видов и состояний частиц вещества и излучений. Эта общая для них деталь в частицах перекрывается их характеристиками. Остается искать ее в свете, в фотонах.

Ньютон считал, что изучение света – ключ к познанию тайн материи. Действительно, изучение света не раз приводило к фундаментальным результатам. Один из них – создание квантовой теории. Но и в ней, как известно, еще нет ответов на вопросы о физической сущности квантов света и постоянной Планка. А Лобачевский сетовал, что трудность понятий увеличивается по мере их приближения к начальным истинам в природе. Это относится и к атому энергии излучений – субкванту.

Свет, фотоны показывают: да, в природе существует исходный, начальный элемент материальных структур, инвариантный относительно вещества и излучения. Он неделим, имеет точное численное значение величины энергии, размер, участвует в создании всех частиц вещества и вновь обретает свой первоначальный вид при их распаде и аннигиляции. В частицах он может группироваться в своего рода фракции, которые определяются в качестве кварков, партонов и им подобных образований.

Идея субкванта, вероятно, отвечает на вопрос Фалеса из Милета: мир наш, вещество и свет, образован из субквантов. Они обладают всеми качествами и параметрами, необходимыми для того, чтобы признать их непреходящей основой современной атомистики.