Полевое описание вещества как сплошной среды сформулировано классической физикой в рамках гидродинамики (механики жидкости и газа) и теории упругости. Отдельным разделом классической физики является акустика — наука о распространении волн в веществе.

Математическая модель поля. Ею служат дифференциальные уравнения с частными производными второго порядка по времени и пространственным координатам относительно полевых переменных.

1.1.5. Сосуществование вещества и поля

Поле и вещество взаимодействуют друг с другом. Поле вызывает движение вещества. Движение вещества вызывает (создаёт, генерирует) поле. Вместе с тем вещество и поле ни при каких условиях не подвержены взаимным превращениям.

1.1.6. Экспериментальные факты, противоречащие классической физике

Описанная картина мира представлялась стройной, незыблемой и безусловно правильно отражающей реальную действительность. Однако на рубеже XIX и XX веков она испытала ряд потрясений, и здание классической физики начало катастрофически рушиться. Эксперименты обнаружили ряд фактов, которые вступали в явное

21

противоречие с описанной картиной и не находили объяснения в рамках классической физики.

1. Известная из оптических измерений зависимость

спектральной интенсивности излучения абсолютно чёрного тела

Iν (ν,T ) [т.е. мощности электромагнитного поля, излучаемого единицей поверхности АЧТ в единичном интервале частот,

Вт/(м2с–1)] от частоты ν излучения [или длины волны — см. (1.1)] при постоянной температуре T обращается в нуль как при малых, так и при больших частотах и имеет максимум при некоторой частоте νm (T ).

Попытка вывести эту зависимость теоретически, используя классические механику и электродинамику, приводит к формуле Релея и Джинса

Формула (1.1.5) правильно описывает зависимость наблюдаемой спектральной интенсивности электромагнитного излучения АЧТ Iν (ν,T ) при малых частотах, но при больших частотах выражение

(1.1.5) обращается в бесконечность. В результате интегральная интенсивность излучения АЧТ

22

классическому представлению о том, что любые физические величины зависят от «параметров состояния» физических систем непрерывно: «природа не знает скачков».

3.В соответствии с классической статистической механикой теплоёмкость любых твёрдых кристаллических веществ должна быть постоянной и равной 3R в расчёте на моль, где R — универсальная газовая постоянная (закон Дюлонга и Пти). Этот теоретический результат подтверждается экспериментальными данными для различных веществ при комнатных и повышенных температурах. Однако в опытах по исследованию теплоёмкости твёрдых тел при низких температурах (Нернст) было установлено,

что при снижении температуры вблизи абсолютного нуля теплоёмкость любых твёрдых кристаллических веществ уменьшается и стремится к нулю. Этот экспериментальный факт находится в неразрешимом противоречии с классической физикой.

4.Классическая статистическая механика утверждает, что мольная изохорная теплоёмкость любых двухатомных идеальных газов постоянна и равна 3,5R. Экспериментальные данные для разреженных водорода, азота, кислорода при комнатных температурах показывают, что в действительности эта величина равна 2,5R. Куда «девалась» ещё одна R, классическая физика объяснить не в состоянии.

5.Экспериментальное исследование фотоэффекта (Герц, Столетов), т.е. эмиссии электронов с поверхности металлов под действием ультрафиолетового излучения, показало, что кинетическая энергия «вырываемых» светом из металла электронов

24

линейно зависит от частоты ν или обратной длины волны света 1/λ (1.1.1). При этом для возникновения эффекта необходимо, чтобы частота превосходила некоторое пороговое значение, индивидуальное для каждого металла. Количество электронов, вылетающих с единицы поверхности металла за единицу времени, оказывается пропорциональным интенсивности света.

Наблюдаемая картина находится в разительном противоречии с теорией фотоэффекта, основанной на классических механике и электродинамике. В соответствии с ней кинетическая энергия электронов должна быть пропорциональна интенсивности освещения, а частота или длина волны света на энергию электронов вообще не влияет.

6. Точно так же с классических позиций необъясним эффект Комптона, обнаруженный при экспериментальном изучении рассеяния рентгеновских лучей на металлических экранах. В соответствии с экспериментом в спектре рассеянного излучения присутствуют две линии: с частотой падающего излучения ν и с меньшей частотойν – ν, причём сдвиг ν не зависит от свойств рассеивающего вещества. Классическая же теория утверждает, что частота рассеянного излучения должна быть строго той же, что и падающего.

7. Согласно экспериментам Э. Резерфорда атом представляет собой тяжёлое положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются лёгкие отрицательно заряженные электроны (как планеты вокруг Солнца). Однако в соответствии с классической электродинамикой ускоренное движение заряженных частиц

25

сопровождается излучением электромагнитного поля и потерей кинетической энергии. Отсюда следует, что в течение ничтожного времени электроны, двигаясь с центробежным ускорением вокруг ядер, должны были бы упасть на ядра, а материя, состоящая из атомов и молекул — исчезнуть. Иначе говоря, с точки зрения классической физики, материя абсолютно неустойчива. Этот вывод, разумеется, находится в вопиющем противоречии с действительностью.

8.Уже в первой трети ХХ века были поставлены опыты по прохождению пучков электронов через тонкие пластины кристаллов (К. Дэвиссон, Л. Джермер, 1927). Было обнаружено, что «на выходе» получается картина пространственного распределения электронов, аналогичная тому, что наблюдается при прохождении пучка света через дифракционную решётку. Иначе говоря, оказалось, что электроны дифрагируют на кристаллической решётке. Поскольку совершенно очевидно, что электроны — это частицы вещества, «корпускулы», то наблюдаемая картина дифракции электронов, которая является чисто волновой, представляется с классической точки зрения совершенно абсурдной

идикой.

9.В дальнейшем такую же дифракционную картину удалось наблюдать, пропуская через кристаллическую пластинку не пучок электронов, а последовательность одиночных электронов, проходящих путь от решётки до детектора не вместе, а строго по очереди (Л.М. Биберман, Н.Г. Сушкин, В.А. Фабрикант, 1949). Хотя каждый из электронов, пройдя «щель» решётки, попадал в

26