Тайна Макса Планка

   Темы нахождения числового значения постоянной Планка я касался уже дважды за недолгое время. И вот пришлось снова. Хочется сделать некоторые пояснения. 
   Появлению постоянной Планка предшествовала долгая история. Обычно начинают рассказывать о парадоксе классической физики на примере спектра излучения абсолютно чёрного тела. Но лучше сделать проще, на примере нагревания сантиметрового кубика железа. Если кубик железа нагревать паяльной лампой с кислородным поддувом, то металл скоро начнёт краснеть. Нет, не от стыда, а от того, что частицы атомов железа начнут испускать фотоны видимого спектра. Видимый спектр начинается с красного цвета, как самого длинноволнового. Если нагрев продолжится и усилится, то металл начнёт испускать фотоны жёлтого цвета, потом – зелёного, синего, фиолетового. Но увидеть последние три цвета будет нельзя, т. к. все они смешаются в один белый цвет. Белый цвет металла означает, что атомы железа испускают весь видимый спектр фотонов, включая даже часть ультрафиолетового спектра. Продолжая нагревать кубик, максимальная плотность излучения атомов железа, по законам классической физики, должна переходить в ультрафиолетовую область спектра. Кубик должен становится невидимым, как бы исчезать! Но этого не происходит, кубик продолжает сиять белым цветом. В конце концов, кубик начинает плавиться и течь, становясь жидкостью. Кристаллическая решётка металла разрушена, атомы железа больше не связаны, как прежде. Постоянная Планка и объяснила – почему при сильном и постоянном нагреве металла, энергия и частота испускаемых фотонов не растут бесконечно, а имеют предел. Энергия не может излучаться частицами атомов сплошным потоком, а испускается порциями, квантами.            
   Удивительный факт, но вы нигде не найдёте в научном обиходе материала о получении числового значения постоянной Планка, постоянной, которая произвела революцию в физике! Все известные числовые значения постоянных, констант, были кем-то и когда-то получены, пусть и не совсем точные. Всё это хорошо известно и имеются убедительные доказательства. Однако мне пришлось пересмотреть, перечитать множество материалов, а вот выяснить правдивую историю нахождения числового значения постоянной Планка так и не довелось. Эта величина с размерность произведения энергии на время возникла как будто из ничего, из ниоткуда!   
   И лишь недавно я узнал, что сам Макс Планк к нахождению числового значения своей постоянной имел лишь опосредованное отношение. Числовое значение постоянной Планка нашли физики-экспериментаторы, опытным путём! Но и здесь – клин! Как физики-экспериментаторы, каким путём, какими опытами вышли на числовое значение постоянной Планка?! Совершенно непонятно! Мне не оставалось ничего другого, как включить интуицию, логику, предположение!   
   И судя по первой размерности постоянной Планка – энергия, делённая на частоту, – внимание пало на опыты А. Г. Столетова по фотоэффекту (1888-1889 гг.). Именно опыты Столетова стали отправной точкой нахождения числового значения постоянной Планка. А. Г. Столетов умер в 1896 году. О своём открытии новой постоянной Планк известил научный мир в 1900 году. Понятно, что опыты по фотоэффекту по примеру Столетова проводились уже в Германии, другими учёными и на более совершенном оборудовании. Здесь более точно измерялась энергия вылетевших электронов, точнее находились величины энергии работы выхода электронов из разных металлов при различных частотах облучения металлов, с учётом угла падения излучения на поверхность металла. Открывающие и запирающие напряжения разности потенциалов указывали точные приборы. Т. е. имелись возможности много лучшие, чем в пору работы Столетова в России.   
   Конечно, когда Планк посещал лаборатории физиков в Берлинском университете, он вёл с ними разговоры о том – что именно ему нужно узнать, и каким образом. Речь была об опытах по примеру Столетова. Планку нужны были точные значения энергии вылетающих электронов, энергии работы выхода, открывающие и запирающие напряжения разности потенциалов и прочее. Планк хорошо знал, что есть прямая зависимость между энергией и импульсом электромагнитных волн, которыми облучали металлы, и энергией и импульсом вылетавших электронов. Энергия вылетавших электронов зависела не от интенсивности светового потока, а от частоты излучения: чем  больше частота излучения – тем больше энергия электронов. Планк предлагал физикам опыты проводить с различными металлами. У разных металлов энергия работы выхода была разной. Вот так постепенно копились результаты опытов. И когда материалов набралось достаточно, то физики-экспериментаторы произвели подсчёты по алгоритму, который им предложил Планк, а именно: полную энергию падающей на металл волны поделить на частоту этой волны. Шаг был на удивление простой и гениальный! Это напоминало гения, который первым поделил длину окружности на диаметр этой окружности и получил великую константу Пи! Все подсчёты давали примерно одну и ту же величину: 6,55;10 ^-34 Дж/Гц (Дж*сек). Исчезающе малую, но имеющую решающее значение для преодоления кризиса в теории излучения, который позже назовут «ультрафиолетовой катастрофой». Каждый период колебания волны любого излучения связан с этой сверх малой величиной. Макс Планк назвал эту величину буквой h (аш малое). Она стала коэффициентом, связывающим энергию волны излучения с её частотой. Планк ввёл свою новую константу в формулу для спектральной плотности излучения, и формула хорошо согласовывалась с опытными данными. И стало понятно – почему излучение сильно разогреваемого куска металла не переходит целиком в ультрафиолетовую область спектра, где кусок металла перестаёт быть видимым. Максимум плотности излучения резко падает с ростом частоты излучения. Электроны атома железа не могут излучать энергию вращений (колебаний) больше, чем им дано здесь по природе! Тепловой нагрев атомов в любом случае не может привести к появлению больших частот и больших энергий жёсткого ультрафиолета, к рентгену и гамма-излучению. Здесь земная термодинамика обнаруживает свой предел возможностей.   
   Надо сказать, что сам Макс Планк считал этот трюк с определением новой постоянной лишь временной гипотезой, спекулятивным математическим приёмом, от которого можно будет со временем избавиться, найдя позднее подлинную причину порционности энергии излучения и поглощения. Планк не мог до конца поверить в то, что волновое излучение испускается в виде порций. Ведь когда мы бросаем в неподвижную воду пруда камешек, волна распространяется непрерывно, пока колеблется вверх-вниз жидкость в месте падения камешка. Атом ведёт себя иначе. Чтобы его возбудить – нужна достаточная энергия, которая переведёт валентную частицу атома с неспаренным спином на более высокий уровень энергии. Вскоре частица вернётся на энергетический уровень основного состояния, испустив фотон с энергией равной разности этих уровней. Удивительно, но закон сохранения энергии и импульса здесь работает невероятно точно!    
   И каково было удивление Макса Планка, когда в 1905 году появляется в журнале «Анналы физики» статья А. Эйнштейна, молодого сотрудника Патентного бюро в Берне, с названием «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света» (март 1905 г.)! Здесь Эйнштейн заявил, что свет не только излучается и поглощается квантами, но и распространяется в виде квантов, а не в виде непрерывных, расходящихся волн. Основываясь на трудах М. Планка, В. Вина, Дж. Стокса, Ф. Ленарда и других, Эйнштейн смело проводит мысль, что поток монохроматического света подобен атомарному газу, для которого законы термодинамика также справедливы, с её энтропией, статистикой, вероятностью. И таким подходом колет, как орехи, прежде не объяснимые явления взаимодействия света с атомарным веществом. В частности, решаются явления и проблемы фотолюминесценции, фотоэффекта, теплоёмкости твёрдых тел при низких температурах, структуры излучения. Проблемы эти взаимодействия излучения с веществом копились годами, но решения так и не было. И лишь идея Макса Планка о кванте действия, о порционности излучения и поглощения света – дали шанс на решение. И до Эйнштейна были учёные, у которых, после работы Планка, появились мысли о перенесении дискретности атомарной материи на излучение, на свет. И такие идеи публиковались, проговаривались на собраниях учёных. 
   Западные учёные, тогда и ныне, говоря об изучении фотоэффекта, совершенно обходят вниманием фигуру русского учёного А. Г. Столетова. Поминаются Герц, Ленард и другие, но о Столетове – ни слова! Но когда М. Планк в 1905 году прочёл статью Эйнштейна «Об одной эвристической точке зрения…», он сразу увидел, в параграфе о фотоэффекте, то, чем занимался сам в 1899 и 1900 годах, ища числовое значение новой постоянной из деления полной энергии излучения на её частоту в фотоэффекте, на опытах по примеру Столетова! Тут были и кинетическая энергия вылетающих электронов, и энергия работы выхода электронов из металла, открывающие и запирающие напряжения источников тока, и углы падения излучения и прочее, что и в опытах пятью годами ранее! Знал ли Эйнштейн о поисках таким вот образом новой постоянной Планка? Вероятно, не знал, хотя, ручаться до конца нельзя. Похоже, Планк, читая статью Эйнштейна, улыбался себе в усы…      
   Один из комментаторов так высказался о роли Планка и Эйнштейна в деле раскрытия природы фотоэффекта: «Макс Планк дал точную и полную формулировку самого механизма обмена энергией: взаимодействие света с веществом при испускании и поглощении происходит конечными порциями. Это его идея и его математическая модель. Эйнштейн взял эту уже готовую идею Планка и применил её к конкретному частному случаю – фотоэффекту. Он просто сказал: если уж излучение и поглощение –  квантованные по Планку, то давайте посмотрим, как это объяснит выбивание электронов. Принципиально нового в описании акта взаимодействия с веществом Эйнштейн не добавил, он использовал аппарат, созданный Планком. Так что формулировка «поглощается и излучается квантами» – это полностью заслуга Планка». Да, с таким комментарием можно согласиться. Но заслуга Эйнштейна всё же есть, и Нобелевскую премию он получил не зря. Эйнштейн, будучи молодым и не подверженным планковской осторожности, смело приложил идею Планка о дискретности энергии излучения к конкретным физическим эффектам, которые можно проверить на опыте.   
   Проникнем в тему глубже. По моему твёрдому убеждению, главный секрет планковской энергетической квантовости заключается в том, что дискретна по природе не только атомарная материя, дискретно не только излучение, но дискретна сама среда физ. вакуума, представляющая собой систему связанных осцилляторов с квазикристаллической структурой! Скорости взаимодействия осцилляторов системы в колебательной динамике и скорости распространения импульсов по системе равны скорости света. То, что Эйнштейн объявил пустотой в 1905 году, оказалось на деле самым важным и определяющим в материальном мире, где всё находится в движении, в динамике, во взаимодействии! Отсюда – энергии и силы! Нет никакого покоя! Покой для материи – небытие, смерть!   
   1905 год называют в науке «годом чудес». У меня создаётся такое впечатление, что в год создания четырёх статей фундаментального уровня, рядом с А. Эйнштейном присутствовал некто, кто направлял, подсказывал, помогал ему в его поиске. Возможно, это был даже не один человек. Но алгоритм действий был очень похожим, и как в случае с первой статьи по фотоэффекту, и как в случае с третье статьёй по специальной теории относительности. Вторая статья касалась броуновского движения. Четвёртая – эквивалентность массы и энергии. В сущности, Эйнштейн исходил из уже известных феноменов, и лишь творчески развивал их, обобщая, унифицируя.         
   Третья статья А. Эйнштейна («К электродинамике движущихся тел») по существу объединила наработки Г. А. Лоренца и А. Пуанкаре. Математический аппарат СТО – это творение Лоренца и Пуанкаре. Принцип относительности Г. Галилея касался только механических движений тел и относительности их скоростей. Эйнштейн ввёл в принцип Галилея и электромагнитные явления, и узаконил неизменность скорости света. Этого хватило, чтобы создать новую, релятивистскую кинематику, где условные единицы измерения пространства и времени перестают быть неизменными величинами, и нет, и не может быть состояния абсолютного покоя. А обозначенная Эйнштейном в начале статьи «К электродинамике движущихся тел» асимметрия – относительное движения магнита и проводника, – решалась выбором точек зрения: то, что в одной системе отсчёта выглядит как электрическое поле, в другой системе – предстаёт как магнитное поле, и наоборот. Ключевая причина подобного – единство электромагнитного поля; а то, как мы «разделяем» это единое поле на электрическое и магнитное, зависит от системы отсчёта наблюдателя.      
   Вот эту откровенную фантазию автора специальной теории относительности рушит простое утверждение: в данном случае мы имеем дело с принудительным поперечным вращением дипольного магнита с дипольным вихревым полем, которое приводит во вращение дипольные магнитные частицы замкнутого проводника. Элементарное взаимодействие магнитных полей магнита и частиц проводника при принудительном вращении одного из тел! Рождение электромагнитных волн, в частности, света, есть результат спровоцированного поперечного вращения магнитных диполей частиц, атомов, молекул и прочего. Все поля в среде физ. вакуума распространяются со скоростью света, и движение тел с относительно небольшими скоростями, никак не сказывается на скорости распространения и характеристиках этих полей. В сущности, нам нужно пересмотреть саму теорию электромагнетизма Дж. К. Максвелла, внести необходимые изменения. И важной иллюстративной деталью обновлённых взглядов на электромагнетизм может служить образ кольцевой стрелки на прозрачном стекле или образ этой же стрелки в трёхмерном пространстве. Вот как раз направление вращения кольцевой стрелки зависит от того, где находится наблюдатель. Для одного наблюдателя – кольцевая стрелка вращается в правую сторону, для другого наблюдателя эта же стрелка вращается – в левую, для третьего наблюдателя стрелка вращается вниз, для четвёртого наблюдателя стрелка вращается вверх. Ну чем не теория относительности?!    
   И ещё хотелось бы помянуть четвёртую работу А. Эйнштейна 1905 года. Работа носит название «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нём энергии?». В ней автор и выводит известное уравнение эквивалентности массы и энергии через квадрат скорости света. Он показал, что при излучении света тело теряет массу, а свет, унося энергию, переносит с собой и инерционные свойства. Таким образом, инерция (масса) не является неизменным свойством тела – она может передаваться от одного тела к другому через пустое пространство посредством излучения.
   Как видите, и здесь пустое пространство! Но речь вот о чём. Ещё в 1900 году Анри Пуанкаре в работе «Теория Лоренца и принцип реакции» первым вывел уравнение эквивалентности массы и  энергии на основе импульса световой волны. Импульс световой волны по Пуанкаре (аналог с импульсом в механике: P = mv): P = mc; импульс световой волны по Пойнтингу: P = E/c. Пуанкаре приравнял эти импульсы: mc = E/c. Отсюда масса световой волны равняется: m = E/c^2. Отсюда можно вывести величину энергии не только световой волны, но и тела: E = mc^2. Анри Пуанкаре предполагал, что масса у световой волны всё же есть, и он был прав! Фотон переносит энергию и импульс, а значит и массу, но массу непокоя! Но фотон может существовать только в движении, в движении в материальной среде физ. вакуума, имеющей массу! В сущности, Эйнштейн повторил путь Пуанкаре, но на пять лет позже. Не исключено, что какие-то сведения об этой работе Пуанкаре до Эйнштейна всё же дошли. 
   В заключение хотелось бы привести текст рекомендательного письма Анри Пуанкаре, о котором попросила администрация Цюрихского политехникума, собираясь пригласить А. Эйнштейна на должность профессора. Письмо было написано в 1911 году. Анри Пуанкаре сказал об Эйнштейне следующее: «Г-н Эйнштейн – один из самых оригинальных умов, которые я знал; несмотря на свою молодость, он уже занял весьма почётное место среди виднейших учёных своего времени. Больше всего восхищает в нём лёгкость, с которой он приспосабливается к новым концепциям и умеет извлечь из них все следствия. Он не держится за классические принципы и, когда перед ним физическая проблема, готов рассмотреть любые возможности. Благодаря этому его ум предвидит новые явления, которые со временем могут быть экспериментально проверены. Я не хочу сказать, что все эти предвидения выдержат опытную проверку в тот день, когда это станет возможно; наоборот, поскольку он ищет во всех направлениях, следует ожидать, что большинство путей, на которые он вступает, окажутся тупиками; но в то же время надо надеяться, что одно из    указанных им направлений окажется правильным, и этого достаточно. Именно так и надо поступать. Роль математической физики – правильно ставить вопросы; решить их может только опыт. Будущее покажет более определённо, каково значение г-на Эйнштейна, а университет, который сумеет привязать к себе молодого мэтра, извлечёт из этого много почестей».