ЭЙНШТЕЙН. КВАНТМЕХ. ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА. {Исследование.}
Итак, Эйнштейн математик изобрел теорию относительности. Эта его заслуга была отмечена нобелевской премией за работу в области фотоэффекта. И как только Эйнштейн получил награду в 1921 году, он из математика превращается в физика. Ему становится интересным механизм, по которому свет ведет себя так, как он описал его в своей специальной теории относительности.
Основы квантовой механики еще не сформировались. Специальная и общая теории относительности успешно объясняли электромагнитные и гравитационные явления с помощью волновых уравнений. При этом фотоэффект однозначно показывал, что излучение и поглощение энергии происходит порциями. Дискретность излучения намекала на дискретность носителей электромагнитных и гравитационных взаимодействий. Поэтому Эйнштейн опять стал первым в рядах «революции» во взглядах на природу света.
«Он [Эйнштейн] выдвинул неопровержимые доводы в пользу того, что кванты света следует рассматривать как частицы, обладающие энергией и импульсом, — что-то наподобие пуль. Доводы эти действительно были столь неотразимы, что он смело заявил в своей статье: «…излучения в форме … волн не существует». В самом деле, схожесть поведения квантов света с пулями была в 1923 г. эффектно подтверждена экспериментально. Но и свидетельства в пользу световых волн оставались убедительными, так что в 1922 г. и Бор, и другие ученые все еще с большим недоверием относились к эйнштейновской идее о частицах света.» [1].
С одной стороны понятно, почему Эйнштейн первым заговорил о частицах света. Выводы о дискретной структуре этого явления природы он мог сделать из экспериментов с фотоэффектом. Но с другой стороны и специальная, и общая теория относительности хорошо описывались волновыми уравнениями. Опять эта двойственность…
Вернемся к проблеме источника этого поворота во взглядах Эйнштейна чуть позже. А сейчас поговорим о том, как убежденность нобелевского лауреата в существовании фотонов повлияла на дальнейшие исследования других ученых.
Напомню, что в то время во взглядах научного сообщества преобладала идея о волновой природе света и гравитации. Но все же… Луи де Бройль между 1922 и 1924 годами придумал новую теорию, в которой свет считался частицами, которые сопровождались и направлялись волнами. Причем волны должны были иметь скорость превосходящую скорость света [1].
Индийский физик Ш.Н. Бозе представлял свет в виде частиц, к которым успешно применял статистические методы газодинамики [1]. В свою очередь Эрвин Шредингер в 1926 году разработал оригинальную атомную теорию. Он сохранил уравнения Ньютона, но рассматривал материю, состоящую не из частиц, а из волн. Его теория, по сути, являлась математической абстракцией [1].
«Бор, Гейзенберг и Шредингер строили свои теории на фундаменте, заложенном Ньютоном, а Дирак на редкость удачно показал, что новая квантовая механика – это, по сути, механика Ньютона после «переливания квантов»» [1].
После долгих скитаний мы вернулись обратно – к механике Ньютона. Она и теперь, спустя века, хорошо описывает квантовые явления. Но и здесь имелась одна трудность. Принцип неопределенности Гейзенберга говорит о том, что невозможно одновременно определить положение и скорость движения электрона.
«Если в определенный момент времени мы не можем с точностью знать и координаты, и импульс частицы, то мы лишены информации, необходимой для предсказания местоположения этой частицы через какое-то время. Таким образом, будущее перестает быть детерминированным: причинность на квантовом уровне становится случайностью» [1].
Но проблема ведь не в том, что причинность на квантовом уровне отсутствует, а в том, что мы не имеем приборов, с помощью которых смогли бы заглянуть в микромир и увидеть местоположение, и замерить скорость электрона.
Так и Эйнштейн не принимал идею, которая утверждала, что все частицы ведут себя так или иначе благодаря воле случая с определенной вероятностью. Он считал, что их поведение должно быть строго определено [1].
В результате многолетних поисков Бор сделал вывод логичный с точки рения проведенной работы, но не с точки зрения здравого смысла. Он предложил идею о том, что корпускулярные и волновые свойства света это две разные стороны одного и того же явления [1]. Но это предположения не позволило раскрыть природу света, лишь описав ее внешнее проявление.
С тех самых пор двойственное поведение света было перефразировано в двойственность свойств света, что явилось подменой понятий. И теперь в современных учебниках свет имеет волновые и корпускулярные свойства:
«Волновые свойства света играют определяющую роль в закономерностях его распространения, интерференции, дифракции, поляризации, а корпускулярные – в процессах взаимодействия света с веществом» [2].
При всем этом прямолинейное распространение света и закономерности его отражения легко описываются механикой Ньютона на основе представлений о свете, как о потоке частиц. И не делается акцента на том, что интерференция, дифракция и поляризация света происходит только при взаимодействии света с веществом, в отличие от хорошо всем известных механических волн.
Как дискретная природа света может проявляться в виде волн? Очень просто. Приведу пример с разложением функций синуса и косинуса в ряд Тейлора.
А что же Эйнштейн думал об этом?
«12 декабря 1951 года, уже на склоне лет, Эйнштейн написал своему старинному другу М. Бессо (с которым он когда-то, еще работая в Бюро патентов, обсуждал возникающие у него идеи) следующие слова: «Все эти пятьдесят лет бесконечных размышлений ни на йоту не приблизили меня к ответу на вопрос: что же такое кванты света? В наши дни любой мальчишка воображает, что ему это известно. Но он глубоко ошибается»» [1].
Кто же тогда может знать, что такое кванты света? Если сам их создатель отказывает себе в этом знании? Как и обещано, возвращаемся в 1921 год. Что же повлияло на резкий поворот во взглядах Эйнштейна на природу света? Ответ надо искать, как ни странно еще глубже в прошлом.
Двадцать второго февраля 1878 года в Сьоне на свет появился Вальтер Ритц. Впоследствии малоизвестный швейцарский физик-теоретик и математик [3].
«Его работы по физике посвящены спектроскопии, теории теплового излучения, электродинамике. В 1908 открыл закон, согласно которому волновое число любой спектральной линии равно разности двух термов из множества термов, присущих данному элементу.
Формулу, описывающую любую спектральную линию элемента, дал в 1890 И.Ридберг. Отсюда и название «принцип Ридберга-Ритца», или «комбинационный принцип Ридберга-Ритца». В математике известен «метод Ритца» -- метод решения вариационных задач (1908)» [3].
«В Большой Советской Энциклопедии о Ритце упоминается кратко только в связи с разработкой математического метода Ритца-Галеркина» [3]. Вальтер Ритц умер седьмого июля 1909 года [3].
«Никто точно не может указать природу болезни Ритца и то, как он заболел, связывая почему-то его болезнь с несчастным случаем в горах Монпелье. Полагают также, что Ритца отравили, списав на болезнь его смерть. Возможно, Ритц и умирал, но ему помогли умереть, свидетельством чему могут служить обвинительные высказывания его друга Л.Нельсона» [3].
Что же общего между Ритцем и Эйнштейном? В 1897 году Ритц поступил в цюрихский политехнический университет, который благополучно окончил в 1900 году. Он учился в одной группе с Альбертом Эйнштейном [3].
В связи с этим последний знал основы баллистической теории, которую выдвинул Ритц. Они много спорили по этому поводу и написали в соавторстве статью, в которой каждый изложил свою точку зрения на природу света [3].
Поэтому странно, что «ни в одной из биографий Эйнштейна не сказано об учившимся с ним Ритце, хотя многократно упомянуты другие из числа восьми его согруппников. Лишь в книгу К. Зелига случайно затесалась сказанная совсем по другому поводу фраза Г. Минковского: «… В свое время Луи Коллрос казался мне, да пожалуй, и другим коллегам, самым одаренным в области математики из всех студентов своего курса, а это немало значит. Ибо именно этот немногочисленный курс факультета VI-А дал видных исследователей: Альберта Эйнштейна, Вальтера Ритца и Марселя Гроссмана».» [3].
Основой баллистической теории (можно сказать, что это развитие эмиссионной теории света, которую разрабатывал Ньютон) является представление об электромагнитных явлениях, в том числе и гравитации, как о потоке частиц. Частиц настолько мелких, что по отдельности их обнаружить очень сложно, а вот вместе они вызывают электромагнитные и гравитационные явления. Порядок размера частиц таков, что электрон состоит из примерно 1081 частиц. Эти частицы в баллистической теории получили название «реоны». Реоны постоянно излучаются и поглощаются всеми элементарными частицами. Создается реонный туман. Тот самый эфир, который мечтали найти Майкельсон и Морли. Но они его не нашли, потому что этот туман подчиняется не волновым, а корпускулярным свойствам. Поэтому полагаясь на принцип относительности Галилея, можно сказать, что Майкельсон и Морли пытались определить движутся они или покоятся, что в принципе невозможно в инерциальной системе отсчета. А их установка с учетом погрешностей измерения, как раз и находилась в такой системе.
Выходит, что Ритц с помощью механики Ньютона объяснил природу света, магнетизма и гравитации. «Ритц, конечно, не мог рассуждать о ядерной физике, строении элементарных частиц, о красном смещении, реликтовом излучении, квазарах, сверхновых и других загадках космоса – в его время все эти явления были не известны или не изучены» [3]. Но за него это могут делать современные ученые [4].
Может быть, высказывая убежденность в том, что свет состоит из частиц, в 1921 году Эйнштейн подразумевал, что признал свое поражение перед Ритцем в борьбе за поиск объяснения природы света, законов его распространения и взаимодействия? Может быть…
В любом случае, объяснение электромагнитных явлений и поведения элементарных частиц с точки зрения баллистической теории выглядит куда реалистичнее, чем в специальной теории относительности.
«Для того, чтобы частица непрерывно ускорялась в циклотроне, необходимо выполнение равенства периода обращения частицы в магнитном поле и периода колебаний электрического поля. Это условие нарушается при релятивистских скоростях движения частиц, соизмеримых со скоростью света в вакууме. При таких скоростях масса частиц возрастает с увеличением скорости и возрастает период обращения частиц» [2].
Но рассмотрим устройство ускорителя частиц. «Ускорение производится с помощью электрического поля, способного изменять энергию частиц, обладающих электрическим зарядом. Магнитное поле может лишь изменить направление движения заряженных частиц, не меняя величины их скорости, поэтому в ускорителях оно применяется для управления движением частиц» [5].
Рассмотрим схему слабофокусирующего синхротрона или синхрофазотрона. Заряженная частица вводится в ускоритель из инжектора 1 через систему ввода 2. Ускорение частицы в вакуумной кольцевой камере 3 осуществляется за счет ускоряющего устройства 6. Траектория движения частицы меняется секторами электромагнита 4. На участках 5 движение частицы прямолинейно, где на нее не действую электрические и магнитные силы [5].
Фокусировка движущихся заряженных частиц с целью изменения траектории их движения производится, например, с помощью магнитной квадрупольной линзы [5].
Релятивистский эффект – кажущееся изменение массы частицы при достижении ей околосветовой скорости, является реальностью. Но вот в специальной теории относительности это кажущееся изменение меры вещества считают реальностью. Более реалистичным выглядит объяснение этого эффекта баллистической теорией Ритца.
Ведь электрическое и магнитное поле представлено потоком частиц, которые, непосредственно воздействуя на заряженную частицу, ускоряют ее (по модулю или направлению). А так как скорость частиц поля относительно источника равна скорости света, то при приближении к ней скорости ускоряемой заряженной частицы передаваемая энергия поля падает. Потому что, во-первых, не все частицы поля могут догнать заряженную частицу, во-вторых, разность энергий частиц поля и заряженной частицы уменьшается, и для ее дальнейшего ускорения надо добавлять мощность, то есть увеличивать количество частиц.
В классической физике это означает следующее. Магнитное поле фокусировки заставляет вращаться частицу по траектории с периодом 
[2]. При достижении заряженной частицей скорости близкой к скорости света по представлениям специальной теории относительности масса частицы изменяется так, что изменяется период обращения. А в соответствии с баллистической теорией Ритца изменение ускорения и периода происходит из-за изменения воздействия со стороны магнитного поля на движущуюся частицу.
Эйнштейн. СТО и ОТО. Историческая справка
Эйнштейн. Квантмех. Историческая справка
Неизвестные следствия теорий Эйнштейна
1. Хофман Б. Альберт Эйнштейн. Творец и бунтарь: Пер. с англ./Под ред. и с предисл. Ю. А. Данилова, Б. Г. Кузнецова. — М.: Прогресс, 1983. — 216 с, ил.
2. Яворский Б.М. и Детлаф А.А. Справочник по физике. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1981.
3. Семиков С.А. Баллистическая теория Ритца и картина мироздания (Концепция материи и света, микромира и Космоса. Альтернатива теории относительности и квантовой физике. Революция в науке и технике). – Нижний Новгород, 2009, -- 612 с.
4. Сайт Сергея Семикова о Баллистической теории Ритца
5. Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. 1969—1978.
[15.05.2013]