История квантовой физики началась с Планка, — учёного, бывшего сторонником классических взглядов и не ожидавшего, что его идеи приведут к отказу от классической физики и станут фундаментом для абсурдной квантовой механики. К идее световых квантов Планк пришёл, исследуя механизм излучения нагретых тел. Планк сначала эмпирически подобрал формулу для описания спектра излучения абсолютно чёрного тела, которая хорошо согласовалась с экспериментально измеренной зависимостью спектральной интенсивности от частоты света. Пытаясь дать физическую интерпретацию этому закону, Планк пришёл к мысли о квантовой структуре света. Однако, закон Планка легко объяснить и классически, — в рамках волновых представлений о свете, если верно интерпретировать процесс теплового излучения.

Действительно, исходная идея Планка не противоречила классической физике. Планк просто показал, что открытый им закон теплового излучения легко получается, если допустить, что энергии Eатомных осцилляторов (электронов, колеблющихся в атомах) принимают не все возможные значения, а жёстко связаны с частотой fколебаний электрона, испускающего, как любой вибрирующий заряд, свет той же частоты f. Эта связь выражается известной формулой E=hf, где величина h, именуемая постоянной Планка, и была названа элементарным квантом действия. Прежде казалось, что в рамках классической физики нельзя получить такую связь, ибо энергия осциллятора, скажем, — груза на пружинке, как известно, может принимать самые разные значения при одной и той же частоте колебаний груза. Потому, и была выдвинута квантовая гипотеза, согласно которой свет излучается порциями, в виде квантов энергии E=hf. Но, в действительности, такую связь частоты и энергии, как видели (§ 3.3), легко получить и в рамках классической физики, если принять магнитную модель атома Ритца. В магнитном поле бипирамидального атомного остова электрон, крутящийся с частотой f, как раз имеет энергию E=hf, где величина h, на основании данных о радиусе и магнитном моменте электрона, получается в точности равна постоянной Планка. А, потому, планковский закон излучения естественно возникает и в классической физике, раз уж он прямо следует из соотношения E=hf. Разберём подробней механизм теплового излучения и закон Планка.

Тепловое излучение, как выяснили, возникает при поглощении атомами электронов. Когда атом металла или газа захватывает электрон, тот начинает вращаться в атоме, излучая на частоте своего вращения f=E/h, где E— энергия поглощённого атомом электрона.

Электроны, как любые другие частицы при температуре T, подчиняются распределению Максвелла. То есть, доля, концентрация электронов со скоростью Vесть

n~Ee ^—E/kT,

где E=MV ²/2, а M— масса электрона. Спектральная плотность энергии u(энергия, излучаемая на данной частоте f) пропорциональна NE, где N —частота захвата атомами электронов энергии E=hf. Для быстрых, высокоэнергичных электронов частота столкновений и захватов определяется их концентрацией nи скоростью V, много большей скорости атомов: N~nE. В итоге, энергия, излучаемая атомом на частоте f, будет

u~E ³ e ^—E/kT=( hf) ³ e ^—hf/kT,

что совпадает с законом излучения Вина и с формулой Планка для высоких частот. Низкие частоты возникают от ударов медленных электронов, имеющих малую энергию. Скорости этих электронов меньше средней скорости атомов, и частота их столкновений, захватов зависит уже не от энергии E, а определяется скоростью, энергией атомов N~nkT. Поэтому, энергия, излучаемая атомом на низких частотах, есть

u~E ² kTe ^—E/kT=( hf) ² kTe ^—hf/kT

или

u~( hf) ² kT,

если учесть близость e ^—hf/kTк единице. Но это — формула Релея-Джинса или формула Планка для низких частот (Рис. 144)!

Так что, формула Планка имеет классическое объяснение в обоих предельных случаях. Критерий перехода между ними даёт соотношение тепловой энергии атомов и электронов, — соотношение энергии kTи E=hf. При kT>>hfполучаем формулу Джинса, а при kT<<hf— формулу Вина. Можно рассчитать и промежуточный случай, и он даст близкое, но неточное совпадение с формулой Планка. Но, ведь, и она не вполне точна, давая порой заметные расхождения с опытом, хотя это и объясняют тем, что в природе нет абсолютно чёрных тел.

Итак, спектр излучения чёрного тела легко объясним в рамках классической теории Ритца. А, значит, фундамент квантовой физики подорван. Ведь квантовую физику выдумали как раз потому, что классическая не смогла объяснить спектр излучения чёрного тела и привела к ультрафиолетовой катастрофе, — излучению на высоких частотах бесконечной энергии. От ультрафиолетовой катастрофы физику спас закон Планка и его квантовая трактовка. Но после оказалось, что квантовая физика и электродинамика рождают ещё больше расходимостей и бесконечностей: "за что боролись — на то и напоролись"! А, смешнее всего, что энергия излучения чёрного тела на высоких частотах выходила бесконечной и в квантовой механике. Следуя ей, к излучению на каждой из частот надо добавить энергию нулевых колебаний hf/2, стремящуюся к бесконечности, с ростом частоты f. Так вернулись к ультрафиолетовой катастрофе классического закона Релея-Джинса.

Всё это не вредит формуле Планка, но говорит о ложности нынешней квантовой трактовки этой формулы. Не зря, Планк призывал к осторожному обращению с квантами, которые он ввёл как формальный приём, веря, что открытый им закон излучения удастся объяснить и в рамках классической физики. О том же говорил в своём споре с Эйнштейном и Ритц (см. эпиграф § 4.1). Он связывал ультрафиолетовую катастрофу с неверным описанием процесса излучения и порочностью максвелловской электродинамики. Словно предчувствуя грядущие квантовомеханические потрясения, Ритц указал, что главная проблема теории излучения чёрного тела состоит в неверном описании движения электронов в металле и атомах, в его неопределённости. Уравнения Максвелла и теория Лоренца слишком неоднозначны, то есть, — допускают большое число физически невозможных решений. Если наложить соответствующие ограничения, в том числе условие запаздывающих потенциалов (по сути, классический принцип причинности, детерминизма) и предложенную Планком связь частоты колебаний и энергии электрона, то планковский закон излучения получится сам собой в рамках классического подхода. Этому вопросу посвящена серия из четырёх статей, в том числе, — предсмертная статья Ритца, где он вступил в схватку с самим Эйнштейном (Рис. 23), вставшим горой за электродинамику Максвелла и термодинамическую необратимость [6, 146, 161].

И, точно, как показано выше, закон Планка вполне объясним классически и связан с детерминированной частотой обращения электрона, с дискретностью, прерывистостью, но не света, а самого вещества и излучения, состоящего из отдельных актов. Ведь в тепловом излучении каждый акт излучения и поглощения света сопряжён с движением по орбите отдельного электрона, захваченного атомом или вылетающего из него. Примечательно, что ещё в начале XX в. Ритц отмечал, что именно теория Максвелла противоречит классической механике и принципу причинности, детерминизма в физике. И, потому, не механика Ньютона, а теория Максвелла ответственна за кризис науки начала XX века, в связи с проблемой опыта Майкельсона и закона излучения чёрного тела. Как верно заметил Ритц, именно теория Максвелла, противоречащая классической механике и лишающая поле с веществом чёткой корпускулярной структуры, ответственна за появление теории относительности и квантовой физики. Эти абсурдные теории — неизбежное следствие столь же абсурдной теории Максвелла.