Многие знают, что такое квант света. Но у меня появилось сомнение в физической интерпретации этого революционного открытия Макса Планка.
Если бы атомы излучали непрерывные волны разной частоты, то наступила бы "ультрафиолетовая катастрофа", потому что с увеличением частоты увеличивается энергия световых волн. Планк предположил, что атомные резонаторы излучают порции или кванты света разной частоты. Историки науки обратили внимание, что Планк получил формулу зависимости энергии излучения от частоты путём подбора и даже произвольных допущений. Так появилась постоянная Планка, которую Луи де Бройль назвал "таинственной постоянной". Тем не менее, успешность гипотезы Планка не вызывает сомнений, подтверждается экспериментально и объясняет спектр излучения, например, Солнца.
Постоянная Планка - основная константа квантовой теории, связывающая величину энергии кванта эл. магн. излучения с его частотой. Энергия излучения может изменяться только на величину, кратную энергии кванта. Планк не смог обосновать физическую сущность этой постоянной. До настоящего времени пытаются понять физическую сущность постоянной Планка. Успешность гипотезы Планка наводит на мысль, что законы классической физики не приемлемы в физике микромира. Так ли это? А конкретнее, можно ли ультрафиолетовую катастрофу предотвратить с поиощью классических резонаторов?
Итак, атомные резонаторы излучают свет порциями и не только потому, что так захотел Планк, а потому, что резонаторы, независимо от их физической природы после возбуждения их ударом или скачком постоянного электрического тока излучают затухающие во времени колебания. Это и есть модель излучения кванта света атомными резонаторами. Длительность затухающих во времени колебаний зависит от добротности резонаторов. Возникает вопрос: атомные резонаторы разной частоты имеют одинаковую или разную добротность?
Удивительно, но этот вопрос в квантовой теории даже не обсуждается, хотя добротность - это основная характеристика любого резонатора. Обратная величина добротности - это относительная ширина спектральной характеристики резонатора. Например, Вихман Э. в книге "Квантовая физика", 1974 г. утверждает, что относительная ширина спектральных линий разной частоты, примерно, одинаковая и составляет 10 в минус 7-ой степени. Это означает, что кванты света состоят из 10-ти миллионов периодов колебаний. И главное, кванты света разной частоты состоят из одинакового числа периодов колебаний. Значит добротность атомных резонаторов разной частоты одинаковая и, соответственно, длительность квантов света во времени для разных частот разная, но число периодов колебаний у квантов света одинаковое. Таким образом, кванты света синего, а тем более ультрафиолетового цвета короче во времени, чем кванты света красного цвета. Может это и есть решение ультрафиолетовой катастрофы по законам классической физики без таинственной постоянной Планка? Кванты света - это самоподобные затухающие колебания. Кванты света - это яркий пример проявления фрактальности и самоподобия в Природе.
Тем не менее, в 1900 г. Планк получил формулу закона излучения абсолютно чёрного тела и предотвратил катастрофу. А что произошло дальше? В 1905 г. гипотезу световых квантов усугубил Альберт Эйнштейн для объяснения фотоэффекта. Эйнштейн стал рассматривать световой квант как элементарную неделимую частицу, подчиняющуюся тем же кинематическим законам, что и частицы вещества. Происходит столкновение фотонов с электронами металла, электрон получает всю энергию фотона мгновенно и вылетает из металла.
Интересно, как Эйнштейн представлял эту частицу, состоящую из миллионов периодов колебаний? Видимо, это иглообразные частицы, которые не подчиняются закону сферического расхождения и не затухают по амплитуде с увеличением расстояния от источника. Но световые волны затухают с расстоянием. Если кванты света состоят из миллионов периодов колебаний, то как электрон получает кинетическую энергию мгновенно? В Природе нет ничего мгновенного. И тем не менее, Эйнштейн получил формулы для объяснения фотоэффектов.
Получается, что даже игнорируя законы физики можно математически правильно объяснить законы фотоэффекта. С этим фактом можно было бы согласиться, но венгерский физик Пала Зелени экспериментально доказал Эйнштейну, что атом излучает обычные сферически расходящиеся эл. магн. волны и Эйнштейн, "почесав репу", был вынужден с этим согласиться. На склоне лет Эйнштейн даже признался, что за полвека раздумий не продвинулся в понимании вопроса о природе фотона ни на шаг. Но об этих фактах популяризаторы научных достижений Эйнштейна помалкивают.
Ключ к пониманию фотоэффекта на основе волновых представлений был предложен немецким физиком Паулем Друде. Электроны в металле обладают собственным периодом колебаний. Существует явление резонанса - это резкое возрастание амплитуды колебаний при частоте вынуждающей силы, равной или близкой к собственной частоте резонансной системы. Поэтому прцесс "выталкивания" электронов из металла можно объяснить следствием резонанса и электрон приобретает кинетическую энергию постепенно, а не мгновенно. Явление резонанса является причиной фотоэффекта.
Квант света - это не шарик, квант света - это не лучик. Квант света - это обычный эл. магн. волновой импульс, распространяющийся по законам волнового движения энергии. Атомные резонаторы - это классические резонаторы. Фотоэффект - это эффект резонанса.
Но представление Эйнштейна, что фотоны - это рой каких-то частиц, которые распространяются без геометрического расхождения и "вышибают" электроны из металла мгновенно, оказалось более простым и удобным для математического оформления.