18
Глава 1.
Идеализация этого закона уже в 19 в. привела к появлению известного гравитационного космологического парадокса Ыеймана-Зелигера: распространение Закона всемирного тяготения Ньютона на всю бесконечную Вселенную приводит к бесконечно большому значению гравитационного потенциала от всех масс звезд в любой точке пространства, и притяжение тел друг к другу оказывается невозможным.
Положение было бы иным, если бы Ньютону удалось найти физическую основу тяготения, его внутренний механизм. Тогда с самого начала было бы понятно, что в основу математического выражения Закона тяготения заложена определенная физическая модель, которая, конечно, тоже ограничена, но все же дает более точное представление о сути явления и поэтому появляется больше возможностей для более точного его математического описания. К сожалению, недостаточный общий уровень науки того времени не позволил Ньютону это сделать.
Чем же можно было объяснить «отрицательны» результат первых экспериментов Майкельсона 1881 г. и Майкельсона и Морли 1887 г.? Прежде всего, полным непониманием свойств самого эфира, скорость которого относительно поверхности Земли они искали. Сама постановка задачи Максвеллом по обнаружению эфирного ветра исходила из абсолютной неподвижности эфира в пространстве (гипотеза Френеля-Лоренца) и его идеальности, т.е. не сжимаемости и не вязкости и его всепроникновения. Достаточно нарушения любого из этих свойств, чтобы эксперимент Майкельсона, проводившего его в подвале фундаментального здания, был бы обречен на неудачу, что и произошло. И только позже, когда часть из этих свойств реального эфира была интуитивно учтена, был получен положительный и весомый результат (Морли и Миллер, 1905; Миллер, 1921-1925; Майкельсон, Пис и Пирсон, 1929). При этом никакого отказа от классической физики не было, просто некоторые обстоятельства постановки эксперимента были изменены в соответствии с уточненными представлениями о свойствах эфира.
Нечто подобное произошло и с проблемой излучения черного тела: при рассмотрении этого сложного явления была первоначально использована чрезмерно упрощенная модель излучения.
Как отметил профессор Т.А.Лебедев [5], расчеты английских физиков Рэлея и Джинса, первых исследователей излучения черного
Структура и основные положения теоретической физики
19
тела, исходили из умозрительной схемы и поэтому вообще не имели никакого отношения к классической физике, хотя именно эти работы послужили началом сомнений в ее справедливости. Это видно из следующего:
авторы рассматривали некоторый объем, занятый излучением, фактически искали число собственных колебаний сплошной среды, изолированной от вещества;
авторы выделили электромагнитные колебания из всех взаимодействий, совершаемых в полости твердого тела. Это не могло по своей физической сути привести к правильным результатам. В данном случае рассматривалось всего лишь следствие (излучение), оторванное от своей причины (нагреваемого тела);
для подсчета энергии в сплошной среде Рэлей и Джинс неоправданно использовали «закон» равномерного распределения энергии по степеням свободы. Известно, однако, что этот «закон», давая более или менее приемлемые результаты для одноатомных газов, ни в каких других случаях себя не оправдывает. Таким образом, расчеты Рэлея и Джинса основываются на слишком грубой модели, не учитывающей существенных для рассматриваемого случая обстоятельств.
Следует отметить, что ничего необычного и, тем более, катастрофического не произошло: просто несовпадение результатов расчетов с опытными данными надо было трактовать не как кризис в физике, а всего лишь как неполноту принятой модели, как неполноту учета всех существенных факторов.
Более поздние расчеты излучения черного тела, выполненные в 1896 г. немецким физиком Вином, уже основывались на более близких данных, но и он сделал некоторые допущения, оказавшимися слишком грубыми: Вии считал частицы газа идеальными. Если бы им рассматривался реальный газ, то его расчет оказался бы ближе к реальной кривой излучения, поскольку в реальном газе должно возникать больше низкочастотных излучений по сравнению с идеальным газом, поэтому в области длинноволновых излучений кривая Вина стала бы ближе к реальной, чем это следовало из его расчетов.
Как известно, проблему излучения черного тела решил немецкий физик-теоретик М.Планк, который ввел дискретность действия, что, по мнению физиков, означало совершенно новый подход к проблеме. Однако это не совсем точно. И Планк, и Вин в своих расчетах
