Постоянная Планка

   Если длину окружности поделить на диаметр этой окружности, то получим всегда величину Пи. Если энергию фотона поделить на частоту этого фотона, то получим всегда величину постоянной Планка. Разница между этими постоянными только в том, что величина Пи не имеет размерности, а постоянная Планка – имеет: энергия, делённая на частоту, или энергия в секунду (квант действия). Если постоянную Планка поделить на 2Пи – получим так называемую приведённую постоянную Планка (аш с чёрточкой). 2Пи здесь означает полный период колебания или полный период вращения. Приведённой постоянной Планка удобно пользоваться в вычислениях, и упрощает вид формул, где постоянно фигурирует величина 2Пи и кратные ей величины. Для полного набора простых формул заметим, что скорость распространения фотонов вне атомарных сред (скорость света) равна произведению длины волны фотона на частоту фотона.      
 
  Вспомним ещё одну формулу, где имеется постоянная Планка. Это формула де Бройля, которая связывает длину волны с постоянной Планка и импульсом частицы или тела: длина волны равна частному от деления постоянной Планка на импульс тела (импульс – это произведение масса тела на скорость тела). Из этой формулы можно получить величину постоянной Планка, перемножив длину волны и импульс тела. 

   В Древней Греции натурфилософы полагали, что пространство, как и время, может дробиться до бесконечности. Сначала также думали и о материи, но потом поняли, что без некоторого предела дробимости – материи не было бы вообще. Пришли к идее «атома», что в переводе означает – неделимый. С дробимостью до бесконечности пространства и времени история вышла запутанней, сложней. Апории, парадоксы Зенона стали предметом глубокого изучения: почему быстроногий бегун не сможет догнать черепаху?! На представлении о бесконечной дробимости времени и пространства – апории Зенона неразрешимы. Гордиев узел был разрублен тем, что пространству и времени пришлось приписать свои жесткие интервалы, условные промежутки, которые со временем стали метрами и секундами. А когда появились условные интервалы пространства и времени – родилось представление о скорости, об отношении интервала пространства к интервалу времени. Это был революционный шаг!       

   Если взять сантиметровый кубик обычного льда и такой же кубик железа, и разогревать их паяльной лампой, то лёд скоро расплавится и превратится в пар. А кубик железа станет сначала краснеть от нагрева, потом – желтеть, а потом – белеть. Красный цвет означает, что связанные в кристалле атомы железа испускают сначала фотоны максимальной длины видимого спектра. Когда металл разогреется ещё больше, то цвет его станет белым; а белый цвет раскалённого металла означает, что атомы излучают все фотоны видимого спектра. Если добавить энергии паяльной лампе, то кубик металла  можно расплавить и даже испарить, как кубик льда. При подводе тепловой энергии, кубик металла испарился. Когда металл был в раскалённом до предела состоянии, излучаемая энергия находилась в видимой и ультрафиолетовой области спектра. Но ведь за ультрафиолетовой областью спектра идёт ещё область рентгеновского и гамма-излучения! Почему нагрев не привёл в эти области спектра?! А кубик металла испарился, перестал существовать! Вот почему тепловая энергия «заклинила» на ультрафиолете, и не достигла рентгена и гамма-излучения! Даже если взять кусок металла много больше по массе и размеру, и также нагревать его, –  рентгеновское излучение и гамма-излучение всё равно не появятся! Тепловой энергии хватает на то, чтобы разорвать связи атомов кристаллической решетки металла, и металл перевести в парообразное состояние. Но атомы здесь всегда останутся атомами, будь то атомы молекулы воды или атомы металла. Молекулу можно разрушить, но атомы разрушить очень непросто! Энергии связи атомных и ядерных частиц значительно больше, чем энергии связи частиц в молекуле, и тепловой энергией их не возьмёшь! Каждая атомная частица в невозбуждённом атоме есть устойчивое динамическое образование с дипольным магнитным моментом (спином, собственным моментом вращения), готовое стать осциллятором, источником переменных магнитных волн. И частицы становятся осцилляторами, когда к ним подводится дополнительная энергия извне (например, паяльная лампа), но лишь до ультрафиолетового спектра.   

   В физике есть такое понятие – «ультрафиолетовая катастрофа». Эта катастрофа стала одним из главных кошмаров физики 19-го века. А появилось подобное название как раз с опытов по нагреву металлов. С классической точки зрения, если нагревать непрерывно металл, то плотность энергии спектра излучения металла должна меняться вместе с частотой (длиной волны) непрерывно и постепенно. Об этом говорит закон смещения Вина. Однако подобный закон хорошо работал для малых частот (больших длин волн) спектра излучения. Но, согласно закону Рэлея-Джинса, спектральная плотность энергии излучения должна расти по мере сокращения длины волны (роста частоты). По теории, при непрерывном нагреве металла, плотность энергии ультрафиолетового излучения становилась бесконечно большой! Но опыт показывает, что этого не происходит, никаких бесконечных значений плотности энергии в ультрафиолете нет! Да, металл испаряется, перестаёт существовать в кристаллической структуре! По логике, чтобы ультрафиолетовая катастрофа была невозможна, спектр излучения при нагреве металла должен переходить в спектр рентгена и гамма-излучения! Но рентгена и гамма-излучения не наблюдается! Казалось, выхода не было. И тогда немецкий физик Макс Планк сделал отчаянный шаг – он отказался от идеи плавности и непрерывности излучения энергии. Планк ввёл гипотезу о том, что «разогретый» атом (осциллятор) излучает энергию не сплошным спектром, а порциями. Порции и называются квантами. И из опытов Планк вывел численную величину кванта с размерностью – энергия в секунду (квант действия). По-видимому, Планк получил численное значение кванта, просто деля энергию излучения на частоту излучения. До 1900 года учёные уже точно научились определять относительную энергию, частоты и длины волн излучения видимого спектра. Планк проделал эти процедуры с разными длинами волн и разными энергиями – и всегда получал примерно одинаковый числовой результат. Величина получалась исчезающе малой – 6,548 на 10 в минус 34 степени с размерностью Дж/Гц или Дж в сек. Эту величину Планк назвал h (аш малое). Планк предположил, что атомы излучают и поглощают энергию квантами, порциями, и величина кванта энергии связана с частотой по простой формуле: Е = hv, где h – постоянная Планка, а v – частота.   
 
  Энергии тепла паяльной лампы при нагревании металла не хватило, чтобы спектр излучения металла перешел в рентгеновскую область и далее. Почему же излучение при непрерывном нагревании металла «застряло» на ультрафиолете? Планк говорит об атомных частицах как осцилляторах. Да, атомы и атомные частицы действительно осцилляторы, даже в невозбуждённом состоянии. Они не излучают переменные магнитные волны, которые мы называем электромагнитными. Атомы и атомные частицы начинают излучать переменные магнитные волны, когда есть сторонняя энергия, и её достаточно. Каждая частица в отдельности является по природе своей магнитным диполем. Но диполями являются в кристаллической структуре вещества и атом в целом, и молекула. Принудительное поперечное вращение магнитных диполей при нагревании и приводит к рождению волн. Но энергия тепла может разорвать межатомные и межмолекулярные связи частиц, но разорвать внутриатомные и внутриядерные связи частиц – теплу не по силам! А именно здесь и кроются энергии, соответствующие рентгеновскому и гамма-излучению! Энергии тепла хватает только для рождения ультрафиолета, и то в ограниченном спектре. В многочастичном атоме частицы-диполи связаны друг с другом гораздо более сильными обменными взаимодействиями, и разорвать их может только соответствующая внешняя энергия! Возбуждение атома внешней, достаточно большой, энергией приводит в поперечное вращение не единичные диполи атомных частиц, а связанные системы дипольных частиц. Это под силу только рентгеновскому и гамма-излучению.       

   Рентгеновское и гамма-излучение были открыты в самом конце 19-го века (1895  г., 1900 г.). Как оказалось позднее, рентгеновское излучение связано с изменением в электронной структуре атома, а гамма-излучение – с изменением в структуре атомного ядра. Совсем иной масштаб материи и энергий! Когда учёные стали изучать дальний космос, то обнаружилось большое количество различных источников рентгеновского и гамма-излучения, и большинство из них так или иначе связаны с сильными магнитными полями. Как не покажется странным, но путь к «приручению» рентгеновского и гамма-излучения у нас на Земле связан именно с магнетизмом! Магнетизм оказался в этом смысле более могущественной силой, чем тепловой нагрев, потому что сами частицы, как сказано выше, есть магнитные дипольные образования, и только сильные магнитные поля могут с ними совладать! Все современные ускорители, приборы, медицинское электронное оборудование, томографы и прочее – работают с использованием сильных магнитных полей. Магнитное поле Земли спасает всё живое от потока энергичных солнечных частиц. Красота северных сияний напрямую связана с взаимодействием магнитного поля Земли с этими частицами солнечного ветра.    

   Здесь надо сказать вот о каком важном обстоятельстве. До сих пор в физике живо поветрие – смотреть на пространство Вселенной как пустоту, ничто! Хотя наука в 20-м веке совершенно определённо доказала, что никакой пустоты пространства нет и быть не может. Пространство, иначе, физический вакуум, – безбрежный океан огромной энергии! Пространство Вселенной – материальная среда, а всевозможные частицы и поля – лишь различные формы динамик этой среды! Частица протон – основа атомарного вещества – особая устойчивая форма колебательной динамики элементов среды физ. вакуума. Все частицы и поля, включая волновые магнитные и гравитационные излучения, есть различные формы колебательных динамик  дискретных элементов среды физ. вакуума. Квант энергии постоянной Планка касается не только энергий излучений и поглощений атомов, но всех колебательных динамик элементов среды физ. вакуума. Математики и физики со времён Л. Эйлера привыкли взирать на континуум физического пространства (эфира, поля), как на непрерывность (бесконечную делимость вглубь). Отсюда вытекала идея возможности существования бесконечных величин частот и энергий! Но опыт показал, что это невозможно, есть предел частот и энергий! Откуда, из чего взялся этот предел? А из неизбежности понимания того, что континуум физического пространства на самом деле – прерывен, дискретен! Этот континуум состоит из взаимодействующих элементов, как в системе связанных осцилляторов. И сам континуум пространства имеет квазикристаллическую структуру! Именно эта дискретность структуры пространства кладёт предел величинам частот и энергий! Элементы пространства не могут колебаться во взаимодействии между собой в бесконечном спектре частот и энергий! Квант действия Планка – это минимальная энергия в секунду, связанная с инерционностью взаимодействий элементов в колебательной или вращательной динамике. Пространство может быть средоточием и носителем энергии только тогда, когда оно дискретно в своей структуре, когда есть взаимодействие, динамика её элементов. В случае же с Планком, опыт и смелость мысли обнаружили этот естественный параметр энергии кванта действия в колебательной динамике дискретной структуры физ. пространства. Т. е. дискретный параметр энергии кванта не пришлось придумывать человеку, как секунды и метры, он обнаружился сам, в опыте!       

   В сети Интернета мне попался материал, где автор рассматривает причины постоянства скорости света, и заявляет: «Странно, что этот вопрос никто не задал Эйнштейну!». Мне, как и многим другим, совершенно очевидно, что постоянство величины скорости света обусловлено наличием среды распространения!  Причём среды структурной, дискретной. Но дискретность среды не исключает и элементы непрерывности этой среды. Т. е. дуализм «прерывность-непрерывность» имеется уже в самой среде физ. вакуума, в её структуре! А отсюда выходим на дуализм корпускулярно-волновой! Т. к. устойчивая во времени и энергии частица протон есть лишь колебательная динамика элементов среды физ. вакуума, динамика «дыхания вакуума». Здесь же корни квантовости энергии, корни постоянной Планка, исчезающе малой величины кванта действия. Размерность кванта действия совпадает с размерностью момента количества любого циклического движения, будь то колебательного или вращательного. А так как среда физ. вакуума у нас одна, то даже во вращательной динамике присутствуют неизбежно колебательная динамика элементов среды. Так что постоянная Планка – наименьшая энергия момента количества движения в колебательной динамике элементов среды физ. вакуума. Отсюда – квантованность, порционность энергии свойственна не только энергии фотонов, но и энергии частиц, квазичастиц, энергии всех полей, в том числе – энергии гравитационного поля. Как сказал выше, среда физ. вакуума наделена от природы колоссальной энергией давления и имеет огромную плотность. Но так как частицы атомарной материи сами по себе есть колебания этой среды, то ни колоссальная энергия этой среды, ни огромная плотность не являются препятствием для движения частиц и тел в среде физ. вакуума! Но всякое движение частиц и тел в среде физ. вакуума вызывает волновой процесс в среде с длиной волны по формуле де Бройля: длина волны равна частному от деления постоянной Планка на импульс частицы или тела. Т. е. постоянная Планка, как минимальная энергия кванта действия, момента количества движения, содержится в каждой точке пространства Вселенной, точнее, среды физ. вакуума!      

   Главный вывод, который можно сделать касательно постоянной Планка и среды физ. вакуума, заключается в признании дискретности структур в малом и в большом, как основы физического мира. Но дискретность эта – не абсолютная: мол, есть дискретные элементы среды, между которыми – пустота. Имеет место дискретность в сочетании с непрерывностью, как система связанных осцилляторов. Это, как я   думаю, – единственно возможный  образ, физически вполне состоятельный и реальный! О дискретности структуры физ. вакуума (физ. пространства, поля) можно встретить высказывания немалого количества авторов. Например, Вадим Иванов: «Дело не столько в пространственно-временной структуре физического вакуума, сколько в присущем этому, более низкому уровню организации материи, – внутреннего движения, имеющего адиабатический инвариант действия, равный постоянной планка h! Это не энергия, а именно действие, т. е. произведение энергии на время её действия! Наличие неких осцилляторов в физическом  вакууме объясняет все квантовые флуктуации, а равно как и саму дискретность взаимодействия между телами нашего физического мира, которые взаимодействуют между собой, обмениваясь квантом действия с физическим вакуумом и при посредстве его (близкодействие)!». По-моему, замечательное и верное толкование!

   Или интересное и дельное высказывание Сергея Заикина: «Постоянная Планка – величина размерная, поэтому она не может быть простым коэффициентом, как это сделали в квантовой теории поля. К тому же в КТП её приравняли к единице, что вообще сделало эту величину лишенной физического смысла. В моей теории эфира постоянная Планка описывает один элемент субстанции дискретного электромагнитного эфира. Все элементы вращаются, что, собственно, и делает их раздельными, тем самым, квантовыми объектами. Физический смысл величин удобнее всего определять по их размерностям. Постоянная Планка имеет ту же размерность, что и количество вращательного движения – Дж/Гц, что для электромагнитных безмассовых величин соответствует единице измерения энергии, только вместо Дж логичнее использовать электрон-Вольт: эВ/Гц = Кл;В/Гц =Кл;Вб = произведению электрического и магнитного потока. Понимание постоянной Планка как энергия/частоту выявляет её физический смысл – как энергии вращения за один оборот. Существует величина постоянной Планка в расчете на один радиан, ћ = h/2; = 1,05;10^-34 эВ/Гц. Наличие постоянной Планка в виде радианной меры ћ дополнительно свидетельствует о вращательном характере этой величины. Последствий у такого понимания постоянной Планка – множество».

   И в заключение. Уже давно есть общее понимание физического смысла постоянной Планка: минимально возможная порция момента количества движения, вращательного или колебательного. Высказываются и более оригинальные идеи, как, например, у К. П. Харченко: «Изначально квантуется не энергия, а период времени, в течение которого излучается энергия. Получается тот же квант, но другой подход с важными следствиями». Замечание тоже верное и справедливое. Чрезвычайно малое время испускания фотона атомом и делает его подобием «корпускулы», частицы!      

   И последняя реплика от автора по имени Бэйлофф. Это высказывание как бы напрямую не касается темы постоянной Планка, но на самом деле тут задет самый нерв проблемы новой физики: «Меня всегда смущает вид «теоретиков», которые так вольно распоряжаются дефиницией «энергия», как будто их «физические часы» застопорились на середине XIX века! ЭНЕРГИЯ была в скалярном поле, из которой возникла Вселенная! В данном случае мы имеем дело с фазово-конденсированными материальными феноменами,   которые характеризуются в других терминах, конкретно для нашего случая – это величина элементарной РАБОТЫ, которую минимально кратно способен совершить один фотон! Из-за такого косноязычия, подавляющее большинство школьников и студентов не овладевает необходимыми знаниями в квантовой механике!». Надо заметить автору, что энергия, на самом деле, никуда не делась! Просто в этом безбрежном океане энергии, с появлением сверхмассивных тел (фазово-конденсированных материальных феноменов), появились градиенты, разности энергии и плотностей среды физ. вакуума! А значит – и силы!