Вопрос о том, почему электрический ток есть, а теории тока нет, возник у меня недавно. Ранее я был уверен, что такая теория есть.
Разумеется, каждый школьник знает, что электрический ток – это направленное, упорядоченное движение заряженных частиц. Что электрический ток в металлах обусловлен свободными электронами, движущимися между узлами кристаллической решетки под действием внешнего поля. Простая и понятная модель. Вот только в школе не говорят, что эта модель никак не объясняет свойства электрического тока.
Но школьный учебник и не предназначен для объяснения законов природы. Любой специалист доходчиво объяснит, что с физическими теориями необходимо знакомиться не только по школьным учебникам. Необходимо изучать специальную литературу, классику теоретической физики.
Поэтому для знакомства с теорией электрического тока следует обратиться к учебнику признанных классиков физики твердого тела:
Н.Ашкрофт, Н.Мермин «Физика твердого тела».
Предлагаю познакомиться с некоторыми положениями, приведенными в этом учебнике.
Металлы занимают особое место в физике твердого тела. Поэтому учебник начинается с рассмотрения теорий металлов Друде (глава 1) и Зоммерфельда (глава 2).
Конечно, сложно требовать точного описания явлений в металлах от такой простой модели. Тем не менее, в рамках этой модели были получены формулы, хорошо описывающие некоторые электрические и тепловые свойства ряда металлов. Однако оказалось, что этот успех связан, прежде всего, с ошибочными допущениями и предположениями. Это более напоминает подгонку под известный результат, нежели чем глубокое теоретическое исследование.
Для устранения недостатков тории металлов Друде была предложена теория металлов Зоммерфельда, которая включила в себя некоторые положения квантовой механики.
Однако и эта теория не смогла описать многие свойства металлов. Авторы учебника приводят десяток примеров, где рассмотренные теории оказались бессильны объяснить экспериментальные данные. В некоторых случаях предсказания теории расходятся на порядки с экспериментальными данными, в некоторых случаях имеют вообще противоположный знак. Предлагаю познакомиться с выводами авторов, приведенными в главе 3.
В конечном итоге авторы заключают, что от предположений о свободных и независимых электронах «необходимо отказаться, если мы хотим построить точную модель твердого тела».
И вот тут возникают вопросы.
Если исходные положения рассматриваемых теорий оказываются ошибочны, то почему бы не признать и сами теории ошибочными? Если модели, основанные на предположении о свободных электронах, не способны объяснить свойства металлов, природу электрического тока, то почему же они преподносятся как научные теории? Почему физика не откажется от них?
Авторы говорят о том, что во многих случаях полезно иметь простую и понятную модель. «Существует удивительно широкий класс задач, в которых использование приближения независимых электронов почти не снижает ценности получаемых результатов».
Но это оправдание выглядит очень странно. Мне кажется, что проблема гораздо глубже.
Физика твердого тела подобна лоскутному одеялу. Для описания свойств конкретного вещества или соединения приходится рассматривать несколько различных подходов и моделей, справедливых только для этого соединения. В конечном итоге для описания свойств вещества принимаются полуэмпирические формулы с экспериментально подобранными коэффициентами. Справедливость полученных формул определяется хорошим совпадением с экспериментальными данными. На этом основании делается вывод о справедливости выбранных подходов и моделей.
Если начинать отбрасывать теории, в основе которых лежат ошибочные предположения, то в результате никаких теорий не останется совсем.
Есть ещё один аспект в вопросе о том, почему нет теории электрического тока. Физика является прикладной наукой. В её задачу входит описание физических явлений, а не объяснение этих явлений. С практической точки зрения человеку необходимо знать законы и закономерности, описывающие электрический ток. А вопросы о причинах и природе этих явлений не имеют практического значения.
Поэтому, теории нет, потому что она не нужна!
