Классическая электронная теория

Введение. Великие теории, делающие понимание нашего мира универсальным, к концу XIX века привели к разделению физики на два глобальных раздела, которые условно можно назвать как: физика материи и физика эфира, или точнее, физика излучения.

Материя и излучение в прежние времена казались совершенно не связанными сущностями. Действительно, материя, может существовать, ничего не излучая, а излучение в виде электромагнитных волн может распространяться в среде, где и следы материи обнаружить сложно, например, в космическом вакууме. Но исследования, о которых речь пойдёт далее, привели к новой концепции: всё, что мы наблюдаем и даже само наблюдение являются не материей и не излучением, а совокупностью того и другого.

Задача взаимодействия материи и излучения была самой насущной в конце прошлого века. Было очевидно, что если даже предположить, что эти две категории существуют независимо друг от друга, то всё многообразие физических явлений происходит от их взаимодействия.

В сущности, для решения этой задачи, требовалось установить механизм, по которому материя способна излучать и поглощать энергию. Электромагнитная теория Максвелла установила взаимосвязь между электрическими и магнитными полями с одной стороны, и зарядами и токами с другой стороны. Эти уравнения добротно трудились при описании макроскопических экспериментов.

Рис. 3.37. Хендрик Антон Лоренц

С появлением методов и средств спектроскопии, стало ясно, что излучение связано с протеканием процессов на микро уровне: на уровне молекул, атомов, и даже ядер. Уравнения Максвелла оказались непригодны для микро уровня, их необходимо было изменить, исходя из особенностей внутриатомных явлений.

Первым, кто задумался о корректировке электродинамики Максвелла, был великий нидерландский физик Xендрик Антон Лоренц (1853 - 1928 гг.), профессор Лейденского университета. Лоренц выдвинул идею ввести в уравнения Максвелла дискретную структуру электричества. С одной стороны он принимал существование универсального диэлектрического и неподвижного эфира, а с другой стороны полагал, наличие вещества, состоящего из дискретной структуры электричества, т.е. электронов.

Если электрон движется с постоянной скоростью, то он, по Лоренцу, несёт с собой своё поле; а если движение ускоренное, то электрон излучает электромагнитные волны. Потеря энергии электроном в каждый момент времени пропорциональна квадрату его ускорения. Наложение всех микрополей в совокупности и даёт максвелловское поле, наблюдаемое в макро масштабе.

Исходя из таких предпосылок, Лоренц записал пять основных уравнений, из которых вытекали все остальные известные законы электромагнетизма. Электродинамика Лоренца была принята современниками без особых восторгов, несмотря на то, что явилась вершиной классической теории электромагнетизма.

Уравнения Лоренца были не инвариантны (неизменность с переходом от одной системы отсчёта к другой) при галилеевских преобразованиях, впрочем, как и уравнения Максвелла.

В 1904 году Лоренц обнаружил, что его уравнения инвариантны при других преобразованиях, где время при переходе от системы к системе меняется. Напомним, что Галилей полагал для равномерно движущихся систем отсчёта время неизменным. По предложению Пуанкаре эти преобразования были названы лорен- цевыми преобразования.

Теорию Лоренца вполне можно было привлечь для установления взаимосвязи излучения и материи, но физики конца прошлого века предпочли двигаться в традиционном направлении под знамёнами классической термодинамики.

В конце всё того же Х1Х века закончились два столетия борьбы корпускулярной и волновой теории света, как казалось, убедительной победой последней.

Правда, имели место два маленьких тёмных пятнышка - задача о тепловом излучении и обескураживающие результаты опыта Майкельсона. Казалось, что стоит разобраться с этими мелочами, и физика, в глобальном плане, будет представляться наукой законченной и ясной во всех отношениях.

Но, как это часто случается в жизни, казавшиеся ранее мелочами, перерастает в нечто грандиозное. Вот и в физике, из одной «маленькой» трудности родилась совершенно новая отрасль знаний - квантовая физика.

Механика Галилея - Ньютона прекрасно описывала и предсказывала практически все события, когда материальные объекты двигались со скоростями, существенно меньшими скорости света (с ф 3-10 м/с). Другими словами, уравнения классической механики прекрасно работали на уровне макромира. В микромире, где массы движущихся объектов были чрезвычайно малы (m*; ф 1-10 - 30 кг) и скорости движения приближались к скорости света, классические представления требовалось корректировать. Один из возможных вариантов коррекции был предложен квантовой механикой.

Следует подчеркнуть , что квантовая механика никак не опровергает основных представлений классической механики, а только уточняет некоторые закономерности движения микроскопических материальных объектов с присущими им высокими скоростями

Вполне резонно, приступая к рассмотрению современных представлений о строении вещества и его взаимодействий с окружающим пространством остановиться на основных достижениях классической физики и возникших трудностях.