Однако и здесь учёное сообщество двинулось не по такому естественному пути, который следовал из неизбежного уточнения ньютоновской механики, а по пути Эйнштейна, который, опять же без всяких оснований, стал формулировать новые постулаты. Из них следовало искривление пространства массивными телами, что приводило к изменению темпа течения времени и добавочным возмущениям в движении планет. Из этой Общей Теории Относительности Эйнштейн получил в 1915 г., через семь лет после Ритца, тот же вывод для смещения перигелия Меркурия. Таким образом, и здесь не было никакого резона предпочесть путь неклассической механики исторически обусловленному классическому пути. Противоречия и неточности классической механики, приведшие к кризису, не изучались как положено, со всей тщательностью, а чисто формально устранялись, нейтрализовались искусственными постулатами. Новыми ошибками стремились скомпенсировать старые, вместо того, чтобы их исправить. Вот почему есть все основания утверждать, что теория относительности не была выходом из кризиса, а выход следовало искать на пути, открытом Ритцем, глубоко изучившим давно обнаруженные проблемы механики Ньютона и просто уточнившим её, отбросив идеализацию мгновенного дальнодействия, соответственно преобразив электродинамику и теорию гравитации. относительность эйнштейн электромагнитный физика
Итак, Ритц не ограничился, как Максвелл или Эйнштейн, внешним описанием электродинамических и гравитационных явлений, а попытался вникнуть в их суть, установить их микроскопические, атомистические причины. Предположив существование материального посредника в виде частиц, испускаемых зарядами, Ритц не только проложил путь будущим физикам (по его задумке Дирак, Уилер и Фейнман разработали обменные модели взаимодействия: заряды взаимодействуют посредством обмена виртуальными частицами), но и связал физику с прошлым, с глубокими взглядами древних философов-атомистов. Ещё в Древней Индии философ-атомист Кбнада учил, что свет переносят мельчайшие частицы, испускаемые телами [23, 24]. Эту же точку зрения отстаивали в Древней Греции Эмпедокл, Левкипп, Демокрит, Эпикур, причём они полагали, что и электрические, магнитные и гравитационные воздействия оказывает в действительности поток частиц, вылетающих из тел [20, 21], как это подробнее показано в поэме "О природе вещей" древнеримского популяризатора их учений Лукреция [25]. Кроме того, похоже, той же точки зрения придерживались и такие выдающиеся мыслители древности как Фалес и Пифагор. Именно Фалесу приписывают первые исследования и описания электричества и магнетизма [21]. Причём он объяснял эти воздействия исходящей из магнитов и натёртого янтаря "душой". Если учесть, что под душой древние часто подразумевали тонкие субстанции, испарения тел, состоящие из мелких частиц, то эта точка зрения Фалеса тоже вполне соответствует более поздним и более обоснованным воззрениям Ритца и Томсона. И в дальнейшем многие физики-классики, заложившие фундамент оптики, учения об электричестве, магнетизме и гравитации (Альхазен, У. Гильберт, П. Гассенди, Г. Галилей, И. Кеплер, И. Ньютон, Г. Лесаж [20-22]), придерживались именно такой точки зрения на природу света, электромагнитных и гравитационных воздействий. Таким образом, путь выхода из кризиса, предложенный Ритцем, был исторически и научно обоснован, он был продолжением линии развития классической физики по пути атомизма.
А главное, в рамках такой гипотезы об общем переносчике всех типов воздействий (световых, электромагнитных и гравитационных) в виде элементарных частиц, разлетающихся со скоростью света, открывался простой и естественный путь к построению единой теории поля, которую тщетно пытался построить Эйнштейн, и которая до сих пор не завершена. Проблемы, открывшиеся при создании такой единой теории, связаны именно с неадекватным, внешним, описательным представлением о природе. Тогда как Ритц уже в своей работе 1908 г. свёл воедино электрическое, магнитное и гравитационное воздействие [15]. А на основе его модели строения атомов и ядер удаётся свести к электромагнитному и ядерное сильное, а также слабое взаимодействие, что уже отчасти было сделано в работах Ритца [9]. Таким образом, сложности, возникшие в неклассической физике при построении единой теории поля, также можно считать подтверждением того, что она не была настоящим выходом из кризиса, и решение следовало искать на пути классических атомистических теорий, как предлагали Ритц и Томсон.
2. Корни квантовой физики и альтернативные концепции
В начале XX века кризис затронул не только электродинамику и оптику, но и термодинамику, а также учение о строении атома. Для разрешения этого кризиса учёным пришлось ещё сильней пересмотреть основы классической механики, но уже не в области больших скоростей и энергий, а в области малых скоростей, энергий и масштабов. Зародился этот кризис опять же в оптике, при анализе спектра излучения абсолютно чёрного тела. Дело в том, что предсказанный на основе классической механики, термодинамики и электродинамики спектр абсолютно чёрного тела не соответствовал реально измеренному. Согласно расчётам, спектр следовало описывать формулой Релея-Джинса, по которой интенсивность излучения увеличивалась с ростом частоты [5]. Эта формула хорошо работала в области низких частот, но противоречила наблюдениям в области высоких частот. А при бесконечном увеличении частоты мощность излучения должна была бесконечно нарастать, так что тела светились бы безмерно ярко в ультрафиолетовой части спектра, и мгновенно бы остывали за счёт этого излучения. Эта проблема, получившая название ультрафиолетовой катастрофы, ещё больше усилила кризис физики.
Выход из этого кризиса был найден в 1900 г. Максом Планком, который предложил гипотезу квантов, по которой энергии E осцилляторов - колеблющихся электронов не могут иметь произвольных значений, а жёстко связаны с частотой f их колебаний по формуле E=hf, где h - фундаментальная константа, названная постоянной Планка. Эта простая гипотеза позволяла не только устранить ультрафиолетовую катастрофу, но и теоретически рассчитать вид теплового спектра, описываемый формулой Планка и точно соответствующий экспериментально измеренному. В самой гипотезе Планка, как он неоднократно отмечал, ещё не было ничего, что противоречило бы классической механике и электродинамике. В самом деле, поскольку излучающие электроны находятся в атоме, механизм которого пока ещё не был известен, вполне могло оказаться так, что энергии их колебаний определённым образом зависят от частоты их вращения или колебаний. Подобную зависимость мы наблюдаем у планет Солнечной системы, периоды обращения которых подчиняются 3-му закону Кеплера. То есть частота обращения планеты вокруг Солнца жёстко связана с радиусом орбиты, а значит и со скоростью, энергией обращения планеты.
Если учесть, что именно так и стали представлять атом спустя десяток лет в планетарной модели Э. Резерфорда (электроны крутятся по круговым орбитам возле ядра под действием его кулоновского притяжения), то такая связь E и f была бы только естественна. То, что эта связь в модели Резерфорда получалась бы иной, чем E=hf, не столь принципиально и говорит лишь о том, что модель нуждается в исправлении, а сама связь E и f, в принципе, может возникнуть в рамках классической механики, надо лишь найти подходящую модель атома. То, что планетарная модель атома Резерфорда ошибочна, следовало также из того, что она не могла объяснить стабильность атома: крутящиеся по орбитам электроны, теряя при излучении энергию, постепенно сужали бы витки орбиты и падали б на ядро. Это противоречит и формуле Планка E=hf, из которой видно, что с уменьшением энергии обращения электрона, частота его обращения f должна уменьшаться, а не расти, как в планетарной модели атома.
Нестабильность атома Резерфорда ещё больше обострила кризис физики. Выход из кризиса был найден А. Эйнштейном и Н. Бором. Эйнштейн по-своему интерпретировал зависимость E=hf, предположив, что она означает не просто пропорциональность энергии осциллятора его частоте, но что вся эта энергия излучается сразу, в виде целой порции E=hf, да и поглощается эта энергия сразу такой неделимой порцией-квантом: именно так Эйнштейн объяснил фотоэффект. А Бор развил этот вывод Эйнштейна, применив его к модели Резерфорда: раз электроны не могут излучать непрерывно, а излучают энергию лишь порциями, то они уже не станут постепенно падать на ядро, а должны двигаться по стационарным орбитам без излучения. Лишь в момент излучения электрон скачком меняет орбиту, излучая соответствующую порцию энергии. При этом, поскольку энергия электронов квантована, их стационарные орбиты могут иметь лишь определённые радиусы. Этим же были объяснены дискретные линейчатые спектры атомов: каждой линии, каждой частоте в спектре отвечал определённый переход электрона с одной стационарной орбиты на другую, с излучением определённой энергии, жёстко связанной с частотой излучения. Тем самым, казалось бы, была решена ещё одна проблема классической физики, для которой дискретный характер атомных спектров долгое время представлялся загадочным. Таким образом, выход из этого кризиса физики, на первый взгляд, тоже был найден, хотя и дорогой ценой: ценой отказа от принципов классической механики и электродинамики, где энергия меняется и излучается непрерывно.
Но и этот выход, если задуматься, не был реальным выходом, поскольку шёл вразрез с логикой научного развития. Ведь проблемы и кризис были связаны именно с планетарной моделью атома, только-только созданной и потому непроверенной. Её проверка, по сути, сразу показала ошибочность этой модели. Но, так же как в случае с электродинамикой Максвелла, учёные пошли не по пути отказа от дискредитированной новоиспечённой теории, а по пути отклонения проверенной веками и ничем не провинившейся классической механики. Стремление сохранить, вопреки всем фактам, ошибочную электродинамику Максвелла привело к появлению формального согласующего звена в виде теории относительности и релятивистской механики, утверждающей ошибочность классической механики в области больших скоростей. А стремление сохранить ошибочную планетарную модель атома привело, в конечном счёте, к созданию квантовой физики и квантовой механики, утверждающей ошибочность классической механики в случае малых скоростей и масштабов.
Такое стремление Нильса Бора спасти, во что бы то ни стало, планетарную модель Резерфорда, бывшего его учителем, вполне понятно. Но вот как с этим выходом могло согласиться научное сообщество, не вполне ясно. Тем более что от планетарной модели наука всё равно в итоге отказалась, хотя возникшая из-за неё квантовая физика сохранилась. По сути, квантовая физика, так же как релятивистская механика, не устраняла противоречия, приведшие к кризису, а лишь скрывала их посредством формального приёма, позволявшего какое-то время получать согласные с опытом результаты. Когда снова начинали возникать расхождения с опытом, физики выдумывали новые постулаты, вводили новые, логически, физически и интуитивно ничем не подкреплённые гипотезы для устранения противоречий. В итоге квантовая физика прошла несколько этапов таких искусственных "усовершенствований" [5]. Во многом это напоминает построение Птолемеевской геоцентрической теории движения планет, где постепенно и без всяких оснований произвольно добавлялись всё новые эпициклы, дабы получить согласное с опытом внешнее описание видимого движения планет по небосводу. Так же и в квантовой механике вводились всё новые гипотезы, квантовые числа, словно эпициклы характеризующие движение электронов вокруг ядра, принимались правила запрета Бора. И вплоть до наших дней всё множится ворох ничем не подкреплённых гипотез, например о кварках. Однако количество противоречий у квантовой модели мира не убывает, а множится ещё быстрее. И теперь уже сами физики не скрывают того, что они не могут понять, как реально устроены элементарные частицы и даже ядра атомов. Таким образом, квантовая физика, так же как теория относительности, не решала проблем, приведших к кризису, а лишь формально их обходила, отложив их решение на позднее время. В итоге проблемы лишь разрастались.
А правильный и логичный выход из кризиса, диктуемый всей историей развития физики, состоял в установлении корня противоречий, в изучении реального строения атома и построении такой его модели, которая могла бы объяснить все открытые закономерности в рамках существующих теорий, в том числе, в рамках классической механики и электродинамики. Именно по такому пути и пошёл изначально Планк, который долгое время, вплоть до 1920-х годов, просил физиков очень осторожно обращаться с гипотезой квантов, напоминал, что кванты нельзя понимать как порции энергии, которые могут по отдельности перемещаться в пространстве. Планк всегда считал, что гипотеза квантов вполне совместима с классической физикой. И действительно, связь частоты колебаний электрона с его энергией может быть реализована в классической модели атома [9]. Более того, такая классическая связь легко объясняет фотоэффект. Если свет частоты f падает на металл, то, благодаря резонансу, свет эффективно действует лишь на электроны, колеблющиеся на той же частоте f, и, раскачивая их, заставляет вылетать из атома и металла с сохранением кинетической энергии E=hf. Таким образом, по утверждению Планка, энергия фотоэлектронов заключена вовсе не в свете, а в самом металле, в его атомах, тогда как действие света лишь инициирует вылет электронов, подобно искре, взрывающей бочонок с порохом [26]. Это сразу классически объясняло безынерционность фотоэффекта и другие его загадочные свойства, которые, на первый взгляд, противоречили классической физике.
Итак, при изучении законов, связанных с поведением таких малоисследованных объектов как атомы, гораздо естественней было не менять и формально приспосабливать классическую механику к наблюдаемым законам, но изучать сами атомы, их структуру. Именно по такому классическому пути пошли многие физики, такие как М. Планк, Дж. Томсон, И. Штарк, Ф. Ленард, В. Ритц. Так, Томсон показал, что атом должен представлять собой не динамическую, а статическую систему, благодаря чему атом получался стабильным в рамках классической механики. И действительно, Томсон привёл конкретные примеры, в которых системы многих зарядов или магнитов образовывали стабильные системы со стандартной структурой и размерами [21]. Так, Томсон ссылался на опыты А. Майера, в которых набор одинаковых магнитных поплавков образовывал устойчивые конфигурации возле центрального магнита (аналога атомного ядра). Причём магниты располагались концентрическими кольцами. Именно это навело Томсона на мысль, что и электроны могут располагаться в атоме отдельными оболочками, и последовательное их заполнение объясняет структуру таблицы Менделеева, где каждый период связан с заполнением электронами определённой оболочки. Так что эта мысль об электронных оболочках атома впервые естественно возникла именно в классической модели атома. Тогда как в квантовой, боровской модели атома оболочки получались произвольно, искусственным введением квантовых чисел, посредством ничем не обоснованных гипотез и формальных приёмов. Таким образом, если классическая теория атома строилась обоснованно, в стремлении познать структуру атома, то квантовая физика предлагала множество ничем не подкреплённых и даже противоречащих здравому смыслу гипотез, исключительно для того, чтобы дать внешнее, поверхностное, формальное описание свойств атома.