Постоянная Планка. Часть 2

   Известно, что работы русского учёного Александра Григорьевича Столетова (1839-1896 гг.) по изучению фотоэффекта сыграли ключевую роль в формировании квантовой гипотезы Макса Планка (1858-1946 гг.), которая позволила по-новому подойти к пониманию энергии излучения и поглощения света. К сожалению, Столетов не дожил до рождения гипотезы Планка, не дожил даже до открытия электрона, которое произойдёт в 1897 году. Столетов говорил об отрицательных зарядах в своих опытах, которые выбивает с поверхности металлов свет определённых частот, но кто или что были носителями зарядов – Столетов ещё не знал. Кинетическая энергия выбиваемых светом зарядов и энергия работы выхода стали решающими моментами во всей этой истории!

   Именно с опытными результатами по фотоэффекту работал Планк, пытаясь разрешить проблему излучения, проблему ультрафиолетовой катастрофы. Планку важно было получить точную величину энергии излучения в джоулях для данной конкретной частоты излучения. Получив эту точную величину энергии в джоулях для разных частот, можно было вывести некую константу, деля энергию излучения на этой частоте на саму эту частоту излучения, подобно тому, как длину окружности делят на диаметр этой окружности и получают величину Пи, или, как перемножая длину волны и частоту излучения, получают величину скорости света. Идея такого простого получения важных констант – Планка невероятно подкупала, ибо Планк был поклонник абсолютов, незыблемых величин!..

   Один из результатов опытов Столетова говорил о том, что рост кинетической энергии выбиваемых с поверхности металла зарядов был прямо пропорционален частоте излучения, чем больше – тем больше! Планк, как учёный с хорошей интуицией, сосредоточился именно на этой зависимости, и не прогадал. Когда был открыт электрон, и продолжились в Европе работы по теме фотоэффекта, учёные стали довольно точно определять кинетическую энергию вылетевших из металла электронов, переводя по размерности эту энергию в джоули. Планк понимал, что приравнять кинетическую энергию вылетевшего электрона к энергии самого излучения, выбившего электрон, – было не достаточно. Нужна была вторая половинка энергии, и тоже в джоулях! Несомненно, что излучение несёт кинетическую энергию. Но полная энергия динамической системы – это сумма кинетической и потенциальной энергии. Планк и стал искать вторую половинку энергии в области «потенциальной» энергии излучения. А где искать?! Правильно, в более глубоком изучении явления фотоэффекта по методам Столетова, тем более что был уже открыт электрон, носитель заряда, а приборы для измерений и регулировки стали совершенней и точней, особенно в Германии.         

   Александр Столетов начал заниматься темой взаимодействия излучения и зарядов в 1888 году, с подачи немецкого физика Генриха Герца. Именно Герц первым заметил, что излучение в ультрафиолете влияет на поведение зарядов на поверхности металла. Заряженный металл под лучами ультрафиолета быстро разряжается, и ультрафиолет позволяет увеличивать промежуток для искры между разрядниками. Столетов занимался опытами по фотоэффекту почти два года. Учёный обнаружил три фундаментальных закономерности: 1. Чем больше света падает на металл – тем больше зарядов он испускает. 2. Максимальная кинетическая энергия вылетающих зарядов не зависит от интенсивности падающего излучения, а линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения. 3. Для каждого металла существует минимальная частота (красная граница фотоэффекта), ниже которой фотоэффект не наблюдается, какой бы ни была интенсивность излучения. Столетов также открыл безынерционность фотоэффекта, т. е. для того, чтобы заряды при освещении металла начали испускаться – не требуется времени ожидания, заряды испускаются сразу же; и наоборот, заряды прекращают испускаться металлом, как только прекратится освещение металла.

   Если первая закономерность, найденная Столетовым, никак не противоречила взглядам классической электродинамики, то две другие были в явном противоречии с теорией Максвелла. Безынерционность фотоэффекта тоже не вписывалась в рамки классической теории. Классическая теория говорила о том, что энергии излучения недостаточно, чтобы она мгновенно производила работу выхода; энергия для этого надо накопиться, собраться в достаточном количестве. Но опыт Столетова говорил об обратном – у излучения с большой частотой энергии для работы выхода вполне хватает! К сожалению, учёный не имел возможности определить точные величины максимальной кинетической энергии вылетающих зарядов. Открытие электрона было ещё впереди, как и создание электронно-лучевых трубок. Как говорил выше, электрон будет открыт через год после смерти Столетова. Только тогда удастся в опытах установить массу и величину заряда электрона, а также вычислять кинетическую энергию движения частицы, переводя размерность энергии в джоули. До 1900 года это как раз и было сделано, к тому переломному моменту, когда Макс Планк пошел на решительный штурм проблемы излучения, пытаясь понять неклассический характер двух законов Столетова и удивительную безынерционность фотоэффекта.               

   В конце 19-го века идея порционности энергии излучения и поглощения уже витала в воздухе. Классическая электромагнитная теория Максвелла для больших частот не подтверждалась опытом. Логика размышлений Макса Планка была проста. Исходя из второго и третьего закона Столетова, исходя из безынерционности фотоэффекта, а также из закона сохранения энергии, Планк понял, что полная энергия порции излучения должна быть равной максимальной кинетической энергии вылетевшего из металла электрона плюс энергии работы выхода, т. е. энергии, заставившей атом отдать электрон вопреки энергии удерживающей связи (энергия работы порции излучения против силы удержания). Когда эти энергии складываются – получается полная энергия порции излучения (Епол. = Aвых. + mV*2/2). К 1900 году для фотоэффекта примерные величины кинетической энергии вылетающих с поверхности металла электронов и энергии работы выхода – были известны. Немецкие физики-экспериментаторы работали хорошо, если не сказать – отлично. Опытных данных вполне хватало для различных частот излучения и поглощения, а также для различных металлов, от которых зависела энергия работы выхода. Макс Планк пошел спекулятивным, но самым простым путём: он поделил полную энергию порции излучения известной частоты на саму эту частоту (х = Епол. / v). Планк проделал то же самое с другими порциями энергии и частотами, а также с другими металлами, испускающими при фотоэффекте электроны. Учёный получал в результате подсчётов примерно одну и ту же величину, исчезающее малую, где после запятой имелось 34 нуля, величина с размерностью Дж/Гц или Дж*сек. Планк назвал  эту новую постоянную – h (аш малое, x = h), элементарным квантом действия, определяющим наименьшую порцию энергии, которую может нести электромагнитное излучение. Всякая энергия излучения на любой частоте описывалась до удивления простой формулой: E = hv, где h – постоянная Планка и v – частота излучения. Планк ввёл новую постоянную h в формулу для теплового излучения абсолютно чёрного тела, и теория стала соответствовать результатам опыта. Хотя Планк потом ещё несколько лет считал свою гипотезу кванта лишь вынужденным математическим трюком, от которого можно будет со временем избавиться и вернуться на пути привычной классики. Но этого не случилось.            

   Когда Макс Планк в 1905 году в журнале «Анналы физики» прочёл статью Альберта Эйнштейна «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света», Планк усмехнулся себе в усы. Работа Эйнштейна как бы с новых позиций объясняла явление фотоэффекта. В статье Эйнштейна Планк увидел в основном уравнении то, чем был озабочен 5 лет назад, увидел и кинетическую энергию электронов, и энергию работы выхода: hv = Aвых. + mV*2/2. Именно за эту работу по фотоэффекту А. Эйнштейн получит Нобелевскую премию в 1921 году. Хотя, по правде сказать, эту премию подарил Эйнштейну именно Макс Планк. Планку, похоже, было свойственно раздаривать свои идеи, без всякой заботы о приоритете.    

   Хотя постоянная Планка (Дж/Гц) напрямую не связана с постоянной скорости света (м/сек), но именно постоянная Планка определяет величину и постоянство скорости света в среде физ. вакуума. Потому что среда физ. вакуума является структурной средой, энергия взаимодействия и динамика её элементов также носят колебательный, периодический характер. Поэтому постоянная Планка нашла прописку не только в квантовой электродинамике, в квантовой механике, но и в квантовой теории поля, в теории сильного взаимодействия. Основа динамики в физическом мире – колебание. А где есть энергии колебания – там есть и присутствие энергии кванта действия Планка! Кольцевая, вращательная динамика частиц и их полей – производная от колебательной динамики элементов среды физ. вакуума, поэтому энергия кванта действия Планка и в кольцевом вращении частиц и их полей играет ключевую роль. Так что ничего удивительного в том, что постоянную Планка, ещё в первые годы её существования, попытались связать с величиной 2Пи, с полным периодом синусоидального колебания или с полным периодом кольцевого вращения (в радианах). Ни Нильс Бор, ни В. Гейзенберг, ни Поль Дирак не были первыми, кто «изобрёл» приведённую постоянную Планка, поделив её на 2Пи (h/2Пи). Первым это сделал английский учёный Джон Уильям Николсон в 1912 году, ещё до модели атома Бора-Резерфорда. Все устойчивые динамики в нашем физическом мире имеют колебательную или вращательную форму, периодическую, циклическую. Всякая устойчивая колебательная или вращательная динамика – не только энергия действия, но энергия взаимодействия! Вот почему наименьшая энергия, связанная с постоянной Планка, называется квантом действия с размерностью – энергия в секунду.            

   Хочется ещё сказать вот о чём. Связь фотоэффекта с явлением резонанса известна давно. В опыте наблюдается явление, при котором, вблизи некоторых строго индивидуальных для каждого металла частот падающего света, – фототок заметно возрастает. Пик фототока напоминает резонансную кривую, что указывает на резонансный, волновой характер воздействия света. Вообще, эффективность всякого взаимодействия частиц и волн в квантовом мире определяется именно резонансом. Это как в магнетизме металлов. Магниты-ферромагнетики эффективно взаимодействуют только с материалами из железа и его аналогов. Потому что при взаимодействии куска магнита и куска железа есть явление резонанса при интерференции полей одного направления вихревой закрутки: сонаправленные спины валентных частиц атомов в куске магнита своими вихревыми полями одного направления производят то же самое в куске железа, ставят спины частиц сонаправленно. При сложении, интерференции полей происходит резонанс, усиление вращательной динамики полей, что приводит к изменению давления и плотности среды физ. вакуума в месте интерференции. А внешняя среда, с большей плотностью и давлением, – сдавливает магнит и железо, что мы называем притяжением, слипанием. Что бы там ни говорили, но частицы и квазичастицы, которыми и являются фотоны и электроны с позитронами, остаются периодическими динамиками, колебательными или вращательными.         
 
  У Валерия Ивановича Пивоварова (Молдова) есть гипотеза о том, что электрон является полуволной. На образе этой полуволны электрона, он построил довольно логичную Периодическую систему химических элементов. Полуволна электрона – фермион, имеет полуцелый спин. И всё же, мне  кажется, что образ электрона – как полуволны – не совсем верен. Быстрее, электрон – это квазичастица, это вихревое вращение магнитного поля одного направления (по часовой стрелке – левый спин). Противоположное направление вращения магнитного вихревого поля – антиэлектрон, позитрон (правый спин). В своё время я пришел к идее модели фотона, как связанном состоянии вихревых магнитных полей противоположной закрутки. Фотон – бозон, целый спин. Фотон – некое подобие связанного состояния электрона и позитрона, делающим его электронейтральным. Конечно, для фотона видимого света и даже ультрафиолета – энергии для связанного состояния электрона и позитрона – маловато! А вот для фотонов гамма-излучения – энергии для пары ЭП – вполне достаточно. Но почему же фотоны, не имея большой энергии, выбивают электроны из металла, совершают, казалось бы, невозможную работу?! Есть одно важное пояснение: один фотон может выбить с поверхности металла только один электрон. При фотоэффекте, на взаимодействие фотонов с частицами атомов металла, влияет поляризация фотонов, ориентация их связанных спинов, а это сугубо магнитный момент! Но  массовость фотонов в луче, падающем на металл с его массовостью атомов, говорит решающее слово. Каждая частица и квазичастица в атоме металла в своём кольцевом, спиновом вращении – есть магнитный диполь со своим дипольным вихревым магнитным полем. Взаимодействие высокочастотного фотона с частицей атома металла происходит посредством их магнитных полей, никак иначе. А энергия магнитных полей на квантовом уровне несравнимо больше энергии тепловых движений.               

   И в заключение. Иногда можно встретить такой интересный вопрос: если свет не имеет массы, то его скорость должна быть бесконечной. Почему же она ограничена? Мой ответ отчасти повторяет то, что сказал чуть выше, но - ничего. Именно квант действия Планка определяет конечность и величину скорости света! Да, среда физ. вакуума – структурна, наподобие трёхмерной системы связанных осцилляторов. Элементы-осцилляторы в колебательной динамике взаимодействуют друг с другом, и взаимодействие это происходит инерционно, и с конечной скоростью, пусть и ничтожно малой. Минимальная энергия кванта за один полный период колебания как раз и соответствует величине постоянной Планка. Фотоны не «летят в пустоте», а распространяются как вихревые связанные дипольные магнитные возмущения в среде. Так что масса и импульс фотонов – это масса и импульс колеблющихся элементов-осцилляторов среды физ. вакуума! В конечном счёте, масса у фотонов есть, но эта масса неразрывно связана со средой, в которой распространяются фотоны. У среды физ. вакуума, кроме её колоссального давления и плотности, имеется и масса – причём огромная!