О. Деревенский - Фокусы-покусы квантовой теории

• Название: Фокусы-покусы квантовой теории
• Автор: О. Деревенский
• Жанр: Физика

Квантовая теория приводит в трепет даже многих физиков. Ох, как они горды тем, что всякие там доморощенные опровергатели основ суются со своими умничаниями в самые разные области – и в классическую механику, и в электродинамику, и, в особенности, в теорию относительности – но никто не покушается на квантовую теорию! «Даже этим олухам ясно, - веселятся академики, - что без квантовой теории люди бы до сих пор жили в пещерах и бегали с каменными топорами!» Без квантовой теории, мол, не было бы лазеров – а без лазеров, девочки и мальчики, не было бы у вас таких балдёжных дискотек! Без квантовой теории, мол, не было бы понимания того, как движутся электроны в металлах и полупроводниках – а без этого понимания, девочки и мальчики, не было бы у вас ни компьютеров, ни мобильных телефончиков!

 Откуда девочкам и мальчикам знать, что всё это – шутки? Лазеры, компьютеры, мобильные телефончики – своим появлением они вовсе не обязаны квантовой теории. Эти и целый ряд других примечательных технических устройств были созданы исключительно на основе экспериментальных и технологических прорывов. А то, что называется квантовой теорией – это просто пачка изысканных математических процедур, с помощью которых задним числом описывали эмпирические факты из жизни микромира.

---

Впрочем, для квантовой теории подобные закидоны про давление света были – что называется, сбоку припёка. А хотелось ей гораздо большего: свидетельств о том, что импульс переносится отдельным квантом. Добыть такое свидетельство – это вам не то, что подшипники у вертушки смазывать, и не то, что подглядывать, как кометы хвостами машут. Квант нельзя было ни увидеть, ни потрогать. Поэтому нужные свидетельства были получены силой великих мыслей. А точнее – силой великих домыслов.

Взять хотя бы историю Комптона – у него получилось, в некотором роде, эффектно. Была такая странность при рассеянии рентгеновских лучей на мишенях из лёгких элементов: длина волны сдвигалась, причём этот сдвиг зависел лишь от угла рассеяния. Но это было странно с позиций классической, т.е. волновой, теории. А Комптон попробовал применить квантовый подход, в котором рентгеновскому кванту приписан импульс. Предполагалось, что квант, со своим приписанным импульсом, соударяется со «слабо связанным» атомарным электроном и выбивает его из атома, превращая его в «электрон отдачи». Тогда из законов сохранения энергии-импульса следовало уменьшение энергии рассеянного кванта – в соответствии с наблюдавшимся увеличением длины волны! Ну, Комптон и обтяпал это дело так, что ахнули почти все – кроме, разве что, специалистов по рассеянию рентгеновских лучей. Они-то знали, что этот ловкач соловьём заливался лишь про компоненту с увеличенной длиной волны, но помалкивал про компоненту с настолько же уменьшенной длиной волны. Ибо, если говорить всю правду, то пришлось бы делать грустные выводы. Либо законы сохранения энергии-импульса в половине случаев работают, а в половине – нет. Либо, что более разумно, приписанный кванту импульс – это полная туфта… «Ты, Комптон, главная штука, не тушуйся, - утешали друзья-экспериментаторы. – Мы твой эффект поддержим!» И кинулись поддерживать: доказывать на опыте, что рассеянный квант и «электрон отдачи» ведут себя правильно, т.е. вылетают одновременно и разлетаются именно под теми углами, какие требуют законы сохранения. Об этих поддерживающих опытах в учебниках пишут очень скупо, без подробностей. Это понятно. Если студенты узнали бы подробности, они оценили бы «доказательную силу» этих опытов: хохот грянул бы гомерический.

Таким вышел первый блин на кухне, где стряпали доказательства переноса импульса отдельным квантом. Но вот, из этой кухни опять запахло чем-то свеженьким. На этот раз дело касалось гамма-квантов, которые капризничали, не желая резонансно поглощаться, хотя у ядер-поглотителей имелся такой же квантовый переход, как и у ядер-излучателей. «Это всё из-за того, - втолковывали теоретики, - что гамма-квант сообщает импульс отдачи как излучающему его ядру, так и поглощающему – отчего их изначально совпадавшие спектральные линии разъезжаются, из-за эффекта Допплера, на величину, превышающую их ширины». Ну, ну. Вообще-то, спектральная линия излучателя испытывает допплеровский сдвиг тогда, когда соответствующая скорость у излучателя уже имеется. В рассматриваемом же случае, ядро-излучатель приобретает отдачу в результате излучения кванта. Значит, на момент излучения, никакого сдвига линии ещё нет. Мы говорим «на момент», поскольку Первый Сольвеевский конгресс чётко постановил: квант излучается мгновенно. (Правда, тогда ядро, приобретая импульс отдачи, должно двигаться с бесконечным ускорением. Ну, мало ли… открытий чудных. Умом которых не понять!) Само собой, поглощается квант тоже мгновенно. Значит, и здесь – тот же номер: сначала должно произойти поглощение, и лишь потом появился бы результирующий сдвиг линии. Когда процесс, на который этот сдвиг, якобы, влияет, уже закончился! Не работает толкование про разъезжание спектральных линий из-за эффекта отдачи! А ведь как красиво выходило: когда Мёссбауэр обнаружил, что резонансное поглощение получается, если ядра-излучатели и ядра-поглотители встроены в кристаллические структуры, находящиеся при достаточно низкой температуре – был сделан логичный вывод о том, что здесь отдача воспринимается не единичным ядром, а всем кристаллом, становясь при этом, практически, нулевой. Тут же разродились славненькой теорией, согласно которой мёссбауэровский режим наступает, когда температура кристалла становится ниже т.н. дебаевской температуры. Ну, и опять промашечка вышла. Вон, у железа наблюдается мёссбауэровское поглощение для перехода 14.4 кэВ при температурах вплоть до 1046оК, хотя дебаевская температура у железа равна 467оК. Чихало железо – и не только оно! – на вашу славненькую теорию. Ибо для каждой длины волны гамма-излучения – своя температура перехода в мёссбауэровский режим! А, знаете, почему? Да вроде как потому, что в обычных условиях резонансному поглощению мешает вовсе не эффект отдачи, а допплеровские сдвиги из-за тепловых колебаний ядер. При понижении температуры, размах этих колебаний уменьшается, и, наконец, он становится меньше, чем рабочая длина волны гамма-излучения. А известно, что если размер области, в которой движется излучатель или поглотитель, меньше длины волны излучения, то линейного эффекта Допплера нету. Ну, вот и наступает мёссбауэровский режим. Причём, в этом режиме, когда допплеровские сдвиги из-за тепловых колебаний ядер пропадают, кристалл превращается в великолепный интерференционный фильтр: сверхузкие мёссбауэровские линии говорят не о свойствах квантовых переходов в ядрах, а о свойствах структуры кристалла! Не верите? Так это легко проверить: если здесь дело в свойствах структуры кристалла, то для монокристалла должна наблюдаться… анизотропия эффекта Мёссбауэра! Проверено: так и есть. Тихий ужас какой-то! Если кто-то до сих пор верит в «эффект отдачи» из-за гамма-кванта, пусть-ка объяснит эту самую анизотропию. Причём, пусть исходит из того, что в мёссбауэровском режиме у кристалла подразумевается абсолютная жёсткость, при которой «отдача» воспринимается «всем кристаллом» одинаково во всех направлениях! Ну, кто? Куда же вы попрятались, сладкоголосые?

Может, вы оскорбились в своих лучших чувствах? Понимаем… Вам же, небось, в детстве рассказывали сказки про фотонные ракеты – вот уж где отдача, так отдача! Но кто же виноват в том, что с возрастом вы так и не поняли, что это были сказки?

В этом месте верующие в то, что кванты света переносят импульс, выкладывают последний аргумент – на их взгляд, совершенно убойный. В 1960 г. на околоземной орбите заработал американский спутник «Эхо-1» - 30-метровый сферический надувной баллон с металлизирующим покрытием. Отношение массы к площади поверхности у него было ничтожным. И вот, его орбита стала сильно эволюционировать – как будто солнечный свет и впрямь на него давил. Казалось бы, случай чистый. Ан нет! Вредное ультрафиолетовое излучение Солнца должно было вырывать электроны из поверхности спутника, заряжая его положительно. Компенсирующий приток электронов из окружающего пространства происходил бы не симметрично: из-за магнитного действия фотоэлектронов, летевших, в основном, в сторону Солнца, притекавшие электроны формировали бы область избыточной концентрации отрицательного заряда с противосолнечной стороны от баллона. Этот избыточный отрицательный заряд притягивал бы положительно заряженный баллон – вот вам и сила, тянувшая баллон в направлении «от Солнца». Оценки величин показывают: этот механизм совершенно реалистичен. Тогда доказывает ли случай со спутником «Эхо-1», что свет производит давление? Угадайте! Теоретикам угадать будет сложно – уж больно крепка их вера. «Веруем – что в звёздах-гигантах свет, идущий из недр, сдерживает гравитационное сжатие! Веруем, что в эпицентре ядерного взрыва давление света так велико, что ударная волна им и порождается! Кто не верит – сунь туда пальчик, проверь!»

Но вернёмся в бурное начало ХХ века, когда теоретикам пришлось туго из-за простого вопроса: если свет – это полноценные частицы, то откуда же у света берутся волновые свойства? Взять хотя бы явление интерференции, когда свет падает на систему из множества параллельных щелей. То, что происходит дальше, волновая теория объясняет, ничуть не напрягаясь. Волновой фронт, проходя сквозь эти щели, дробится на множество участочков, которые становятся источниками вторичных волн. Складываясь, эти вторичные волны либо усиливают друг друга, либо, наоборот, гасят – в соответствии с разностью фаз, которая зависит от направления распространения света за щелями. Отчего на экране и получается интерференционная картинка: чередующиеся светлые и тёмные полосы. Прекрасно, но как объяснить происхождение этой картинки с квантовых позиций? По этой картинке, кстати, и судят о длине волны света. Что такое длина волны у волны – это понятно. А что такое длина волны у кванта? И если квант – полноценная частица, то он должен пролетать сквозь какую-то одну щель, а не сквозь несколько щелей сразу. Откуда же тогда взяться интерференционной картинке? Причём: чем больше щелей, тем эта картинка резче. Что же получается: квант пролетает сквозь одну щель, но каким-то образом чувствует все остальные?