Несостоятельность классической физики

Октябрь 19, 2017

Планирую сделать серию роликов с элементарным введением в квантовую механику. Вот первый из них. Очень кратко рассмотрены: проблема стабильности атомов, проблема интерпретации спектров атомов, ультрафиолетовая катастрофа.

 

Квантовая механика настолько кардинально изменила научное мировоззрение, что сейчас все физические теории делятся на два типа: классические и квантовые. Квантовая механика является фундаментом всех современных теорий элементарных частиц и их взаимодействий.

Примерами могут служить:

— Квантовая электродинамика, которая описывает электромагнитные взаимодействия. Например, поведение электронов в атомах.

— Квантовая хромодинамика, изучающая взаимодействия кварков из которых состоят протоны, нейтроны и множество других экзотических частиц.

Перспективные теории вроде теории струн также основаны на квантовой механике.

И многие другие модели и теории опираются на квантовую механику. Альтернативы квантовой механике на данный момент нет. Ее предсказания проверены с беспрецедентной точностью. На данный момент не существует ни одного наблюдения, противоречащего квантовой теории.

 Что же заставило ученых в начале 20 века искать новую теорию? Ведь к тому времени уже существовала Ньютоновская механика и классическая электродинамика Максвелла, которые объясняли практически все наблюдаемые явления. В отличие от сегодняшней ситуации, в то время наблюдались противоречия между предсказаниями теории и фактическими наблюдениями.

Проблема стабильности атомов является примером такого противоречия. К началу 20 века из ряда экспериментов было известно, что атомы состоят из положительно заряженных частиц – протонов и отрицательно заряженных частиц — электронов.  Наиболее популярной являлась планетарная модель атомов, в которой электроны вращаются вокруг ядра по аналогии с планетами, вращающимися вокруг Солнца. Однако было показано, что такая система нестабильна. Согласно уравнениям классической электродинамики Максвелла если зараженная частица движется по кругу, то она должна излучать электромагнитные волны. Но поскольку волны несут с собой энергию, то согласно закону сохранения, она должна браться за счет кинетической энергии электрона. То есть он должен был бы постепенно терять скорость и в конечном счете упасть на ядро. Было подсчитано, что это должно случиться в течение ничтожных долей секунды. Будь это верным, наш мир перестал бы существовать в мгновение ока.

Если нагреть какое-нибудь вещество и пропустить исходящий от него свет через призму, то мы увидим спектр излучения данного материала. Подобные эксперименты были распространены в 19 веке и показали, что атомы могут испускать и поглощать электромагнитные волны только строго определенных частот. Скажем атом данного вещества может испустить фотон с частотой ν1 (ню) или ν2 или ν3, но не может с какой-то другой промежуточной частотой, например больше ν1, но меньше ν2. Спектр каждого химического элемента уникален как отпечатки пальцев. Именно таким образом удается узнать состав звезд, удаленных от нас на миллиарды световых лет. Их свет несет в себе всю необходимую информацию.

Было эмпирически установлено, что для каждого атома можно построить так называемый график энергетических уровней. Тогда частоты испускаемых и поглощаемых фотонов можно найти как  разность энергий каких-либо двух уровней. Однако до появления квантовой механики оставалась загадкой причина существования этих дискретных энергетических уровней (сейчас говорят квантованных). Также имеющиеся теории не позволяли вычислить численные значения этих уровней.

Еще одно расхождение теории с результатами наблюдений известно как ультрафиолетовая катастрофа. Колебание атомов в кристаллической решетке материалов приводит к излучению электромагнитных волн, называемого тепловым излучением.  При комнатной температуре излучение происходит в невидимом человеческим глазом инфракрасном диапазоне, но которое можно увидеть  тепловизорами и приборами ночного видения.

Если отложить на графике зависимость интенсивности этого излучения от  частоты, то получим функцию, имеющую определенный максимум. Вид этой функции зависит от температуры. Если скажем металлическую пластину нагреть до больших температур, то излучение будет уже преимущественно в видимом красном диапазоне («раскалилась докрасна»). То есть при нагревании максимум функции сдвигается в область бóльших частот. При дальнейшем увеличении температуры он переместится в   ультрафиолетовую область спектра («раскалилась добела»). Классическая физика, однако, предсказывает, что интенсивность излучения должна неограниченно расти с частотой. Ясно, что такое предсказание противоречит элементарным наблюдениям. Оно показывает всю несостоятельность классической физики что и отражается в названии парадокса – «ультрафиолетовая катастрофа».

Исторически рождение квантовой механики принято отсчитывать именно с момента решения данной проблемы. Максу Планку удалось вывести формулу, корректно описывающую тепловое излучение. Но для этого ему пришлось предположить, что энергия излучается только дискретными порциями – квантами. Квант электромагнитного поля был назван фотоном. Энергия фотона пропорциональна его частоте. Коэффициентом пропорциональности как раз служит постоянная Планка.

Сейчас она наравне со скоростью света считается одной из самых фундаментальных постоянных Природы.

Несостоятельность классической физики: 5 комментариев

  1. Северина

    На самом же деле такое объяснение не было проблемой никогда, и вывод не был верным. Вопрос возник в 1911 году, когда Резерфорд открыл атомное ядро и впервые предложил свою модель атома, в которой электроны вращались вокруг ядра. Ответ уже был очевиден для специалистов того времени, нужные для этого задачи математической физики тоже были решены. Сегодня этот вопрос можно предлагать студентам на зачетах по курсу технической электродинамики или теоретических основ электротехники. Ответ на него таков.

    1. LightCone Автор записи

      Да, исторический ход событий не соблюден с целью упрощения материала. Но не соглашусь, что в 1911 специалистам все было уже очевидно и понятно. Квантовая механика в ее полноценной форме была сформулирована в 1920-1930-е года.

  2. Владана

    Научная революция разорвала тесную ранее связь между передовой фундаментальной физикой и инженерной практикой. Основным и часто единственным инструментом множества инженерных профессий, фундаментальной научной базой просвещения, технологий, технических наук осталась классическая физика, давно отброшенная от фундаментальных исследований и отставшая на 80 лет.

  3. Росина

    Классические модели можно изучать, проигрывая их математические описания на компьютере. Поскольку элементы микромира еще никак не были описаны с позиций классической физики, математические модели можно строить на основе одних лишь уравнений Максвелла, полагая поля нелинейными. Нелинейность же для первого случая можно просто выдумать, исходя из элементарных соображений.

  4. Малика

    Всё, что Вы читали и слышали о научной несостоятельности классической физики, о тупиках на ее пути, о ее неспособности работать в микромире, не соответствует фактам и не выдерживает проверки. Такая проверка Вам здесь и предлагается. Есть ряд простых и ясно видимых ошибок. Сама же проверка и избранная автором позиция вызваны следующими причинами.

Добавить комментарий