Подробнее - Научная монография-учебник по Фундаментальной физике - http://s6767.narod.ru - Решение основных Ключевых задач физики ХХ века в рамках Классической физики (впервые), вывод всех основных уравнений Классической электродинамики на основе анализа очень простых волновых процессов в эфире (по Умову) (впервые) и Квантовой механики в рамках Классической Статистической физики (впервые). Шаляпин А.Л., Стукалов В.И. Введение в Классическую электродинамику и Атомную физику, Екатеринбург, 2006, 490 с.
РЕЗЮМЕ:
1. На протяжении XX века эволюция физической науки сопровождается безудержной математизацией и компьютеризацией теории в ущерб развитию ясных физических модельных представлений. Фактически два века усилий, XIX и XX столетия, так и не приводят к существенным подвижкам в понимании ключевых объектов и феноменов атомной физики и электродинамики. Можно смело утверждать – квазисовременная физика не в состоянии должным образом интерпретировать природу электрического заряда, природу электрических, магнитных и гравитационных полей, процессы распространения, излучения и поглощения электромагнитных волн.
2. Из физики насильно (директивно) изымается эфир и все модельные механизмы, связанные с эфирной природой физического пространства. Доминантой физической мысли, в дополнение к квантовой механике, становятся также СТО и ОТО, причем преподносимых, как правило, в ортодоксальной форме. «Вековой» вопрос – гравитацию объяснять кривизной пространства или кривизну пространства гравитацией [тайну объяснить с помощью загадки или загадку с помощью тайны? Это – разве физика? – Авт.].
3. Безграничное, некритическое внедрение концепций квантовой механики во все разделы физики – от квантовых кристаллов до квантовых рождений частиц в черных дырах (эффект Хокинга). Как результат – электрон подменяется и вытесняется волнами (де Бройля) непонятного физического происхождения, а световые волны – корпускулами (квантами, фотонами), при этом в случае экспериментальных проблем последние немедленно объявляются виртуальными (опыт есть: нейтрино ненаблюдаемы из-за ничтожного сечения взаимодействия, кварки – из-за прочной связанности их состояний).
4. Совершенно не решена проблема силовых полей. Не решена и в категорической (чуть ли не агрессивной) форме не решается. Поле – это либо пространство, наделенное физическими свойствами и математическими функциями [как это возможно? – Авт.], либо физический вакуум, населенный несметным количеством виртуальных частиц любых типов и свойств на все случаи жизни.
5. Заряд, прежде всего электростатический заряд электрона, становится тем самым «оселком», на котором пробуются на качество все современные теории поля, электромагнетизма и атомной физики. До сих пор не решена проблема устойчивости электрона. Не найдены источники энергии, подпитывающие мощнейшие электростатические поля. Совершенно не ясны (да и не рассматриваются) физические принципы формирования магнитных полей и электромагнитных волн. Современная физика пошла по легкому пути: вместо попытки проникновения в тайны свойств электрона и атома предлагается наделять последние соответствующими квантовыми числами. И все! Ни шагу назад! А может быть ни шагу вперед?
6. Грубейшим промахом квазисовременной физики следует признать поспешное избавление от концепции эфира на том лишь основании, что данная физическая субстанция: а) ненаблюдаема; б) математически «невстраиваема» в квазисовременные физические теории. Интересно, что ненаблюдаемость виртуальных фотонов, глюонов, кварков (да и по большому счету – нейтрино) совершенно не смущает многих физиков, так что этот факт и не является неким ограничивающим фактором в смысле их применения в физических теориях. Математическая целесообразность тоже, в данном случае, не самый сильный аргумент, так как, в частности, геометрическая оптика, являя собой пример безупречной математики, тем не менее, никогда не стояла на пути физической оптики. Только эфирные представления могут быть положены в фундамент моделирования физических процессов электродинамики. Это интуитивно чувствуют лишь некоторые исследователи, вынужденные наделять «физическое поле» или «физический вакуум» новыми и новыми свойствами. Более радикальный шаг мешает сделать «ужас абсолютного пространства». Приходится подчас «делать хорошую мину при плохой игре».
7. Классическая физика далеко еще не исчерпала себя. Незавершенность решений физических задач в рамках классической физики в области электродинамики, микромира и физики твердого тела компенсируется в современной физике введением формальных математических моделей, что и преподносится как новые законы природы. Это не самый лучший выбор на пути познания. Возможно, это даже путь никуда.
8. К концу XX века, в связи с экспериментами по обнаружению реликтового фона и экспериментами С. Маринова, уже можно было бы говорить об эмпирическом обнаружении эфира. В таком случае построение концепций альтернативной эфирной механики становится актуальным как никогда.
9. Необходимо рассмотреть качественно предварительные вопросы по материальному составу и структуре физического вакуума как среды-носителя всех силовых полей, не связывая, однако, эти вопросы с излишней деталировкой, способной вновь увести исследователей в дебри квантовой фразеологии типа хромодинамики и суперструн.
10. Произвести новую интерпретацию понятия “заряд” частицы и воспринимать это явление не как “внутреннее квантовое свойство” частицы, а рассматривать его через призму волновых процессов в среде физического вакуума, то есть в эфире.
11. Окончательная модернизация и интерпретация классической электромагнитной теории Максвелла-Лоренца возможны лишь в том случае, когда центр тяжести таковых усилий перенесен на развитие электродинамики и акустики физического вакуума.
12. Раскрыть электромагнитную природу массы элементарных частиц как результат взаимодействия этих частиц со случайными волнами физического вакуума.
13. Рассмотреть проблему аннигиляции (точнее рекомбинации) электронов и позитронов в рамках классической электродинамики, а также участие этих частиц во внутриядерных взаимодействиях.
14. Исследовать электромагнитную природу гравитации как следствие волновых явлений в физическом вакууме.
В классической электродинамике допущен целый ряд серьёзных ошибок и упущений, что очень затрудняет понимание природы силовых полей, а также переводит данный раздел физики из области фундаментальной науки в область лишь прикладной инженерной физики.
Введение тока смещения в вакууме вместо напряженности электрического поля не улучшает понимание классической электродинамики, а также не способствует пониманию физических процессов, происходящих в физическом вакууме.
Использование такого неопределенного понятия как "электрический заряд" вместо рассмотрения волновых процессов в физическом вакууме-эфире переводит классическую электродинамику в абстрактную математическую форму взамен физики реальных процессов.
Получается так, что некий неведомый "волшебный" заряд на электроне отвечает за целый ряд силовых взаимодействий в природе, если только, вообще, не за все силовые взаимодействия в природе.
Почти во всех учебниках по электромагнетизму не рассматриваются продольные электрические волны как основа силовых взаимодействий, хотя в отдельной специальной литературе мы находим упоминание об этих силовых волнах.
Продольные электрические волны работают лишь в ближней зоне и не могут передавать информацию, т.е. модулированные волны на большие расстояния. Поэтому они, как правило, выпадают из поля зрения при изучении электромагнитных явлений.
Достаточно убедительный пример наличия чистых продольных электрических волн без присутствия магнитного поля приведен в лекциях Фейнмана (вып. 6, с. 81) для проводящей сферы как сферического конденсатора, который заряжается сферически симметричным током [1]. В этом случае вокруг сферического конденсатора распространяются сферические продольные электрические волны.
Очень многие полагают, что из уравнений Максвелла получаются непременно поперечные электромагнитные волны. А на самом деле, при выводе волнового уравнения из уравнений Максвелла совершенно ничего не говорится о поперечности этих волн.
Таким образом, из теории Максвелла следует, что электромагнитные волны могут быть и продольные, и поперечные. Из вычислений электромагнитных полей хорошо видно, что поперечные волны выделяются лишь в дальней (волновой) зоне и могут уходить на бесконечность из-за их очень медленного затухания. В ближней же зоне излучателей преобладают продольные электрические волны.
Во многих учебниках по электромагнетизму приводится не совсем правильное использование вектора Умова-Пойнтинга, а именно, очень часто его применяют для постоянных электрических и магнитных полей. В результате этого очень часто получаются весьма курьезные выводы.
Так, например, в работах [Фейнмановские лекции по физике, вып. 6. с.298, Калашников. Электричество. С. 524, Савельев. Курс физики. ] утверждается, что электромагнитная энергия в резистор попадает не по подводящему проводу, а через боковую поверхность, куда эту энергию никто не заводил, что является явным абсурдом.
А, между тем, очень хорошо известно, что данный вектор был введен для характеристики потока энергии в случае поперечных электромагнитных волн как частный случай более общего вектора Умова, характеризующего потоки любого вида энергии в средах.
После исправления этих ошибок классическая электродинамика может вполне стать составной частью фундаментальной физики.
По поводу электронов в атомной физике сложено немало легенд, а ведь главным и, пожалуй, их единственным свойством является способность электронов рассеивать силовые волны физического вакуума-эфира.
Таким образом, электроны ведут себя в отношении электромагнитной энергии, т.е. Электромагнитных волн по аналогии с любой пассивной электромагнитной цепью (резистор, индуктивность, конденсатор и т.д.). Электроны не могут излучить волны сами по себе или за счет своих внутренних ресурсов - они могут эти волны лишь рассеять. И начинается это первичное рассеяние волн с рассеяния "нулевых" (квазиупругих) колебаний физического вакуума-эфира.
Что же касается целого ряда статистических закономерностей, проявляющихся в электронных системах, то эти закономерности в такой же степени присущи и всем другим частицам в микромире.
Задачей классической электродинамики является возвращение физиков с безоблачных высот на землю и позволить увидеть им не вымышленные, а вполне реальные волновые процессы, происходящие с электронами и их силовыми полями.
Не совсем верно во многих учебниках объясняется возникновение переменных электрических и магнитных полей.
А теперь начнем все по порядку и в качестве образца возьмем типичный учебник И.В. Савельева «Курс общей физики», т. 2 [1], который отличается достаточно упорядоченным изложением материала.
За редким исключением, материал по электромагнетизму изложен примерно так же и в других учебниках для вузов. Поэтому сделанные здесь замечания совершенно не относятся лично к автору данного учебника, а скорее всего, касаются уровня понимания электромагнитных явлений современными физиками. И так, читаем (стр. 302).
«В главе IХ мы выяснили, что переменное электрическое поле порождает магнитное, которое, вообще говоря, тоже оказывается переменным. Это переменное магнитное поле порождает электрическое и т.д. Таким образом, если возбудить с помощью колеблющихся зарядов переменное электромагнитное поле, то в окружающем заряды пространстве возникнет последовательность взаимных превращений электрического и магнитного полей, распространяющихся от точки. Этот процесс будет периодическим во времени и в пространстве и, следовательно, представляет собой волну».
Получается так, что, еще совершенно не зная механизмов формирования силовых полей, уже утверждается, что переменное электрическое поле может породить магнитное поле (при этом обязательно – переменное) и наоборот.
А вот, в лекциях у Фейнмана (Фейнмановские лекции по физике, вып.6.)[2] такого взаимного превращения полей вообще не просматривается.
В лекциях Фейнмана (вып. 6) достаточно последовательно показано, что причиной возникновения переменного электрического и магнитного полей является движущийся и ускоряющийся «точечный» заряд, т.е. самый обычный электрон. И данные силовые поля зарождаются одновременно, синфазно и синхронно с ускорением электрона, разумеется, с учетом запаздывания рассеянных движущимся электроном волн вакуума.
При этом, совсем не обязательно будут формироваться синусоидальные силовые поля. Могут рождаться импульсные силовые поля или любой другой формы вплоть до постоянных полей.
Далее в учебнике [1] ( И.В. САВЕЛЬЕВ) на основе уравнений Максвелла, полученных первоначально, как известно, из опытных данных, выводятся волновые уравнения для силовых полей. Однако здесь могут быть волны любого типа – как продольные, так и поперечные.
Так, на странице 90 [1] мы читаем.
Предположим, что магнитное поле исчезло бы. Тогда появилось бы меняющееся магнитное поле, которое создавало бы электрическое поле. Если бы это электрическое поле попыталось исчезнуть, то изменяющееся электрическое поле создало бы магнитное поле снова. Следовательно, за счет непрерывного взаимодействия - перекачивания туда и обратно от одного поля к другому - они должны сохраняться вечно.
В действительности же, из вычислений электромагнитных полей с использованием запаздывающих силовых потенциалов мы хорошо видим, что причиной возникновения переменных электрических и магнитных полей является движение электронов.
При этом переменное электрическое и магнитное поля возникают одновременно и распространяются от электронов в виде сферических волн.
1. Савельев И.В. Курс общей физики. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. М.: Наука, 1982. T.2.
2. Фейнман Р., Лэйтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. Электродинамика. М.: Мир, 1977. Вып. 6.
"В качестве следующего примера давайте посмотрим, что происходит с кусочком провода (с ненулевым сопротивлением), по которому течет ток. Поскольку провод обладает каким-то сопротивлением, то вдоль него действует электрическое поле, которое порождает ток, а в результате падения потенциала вдоль провода существует также параллельное его поверхности электрическое поле вне провода (рис). Кроме того, наличие тока порождает также магнитное поле, направленное по окружности вокруг провода..."
Далее Фейнман приходит к абсурдному выводу, что энергия в проводник поступает через боковую поверхность с помощью вектора Умова-Пойнтинга.
"Таким образом, наша "сумасшедшая" теория говорит, что электроны получают свою энергию, растрачиваемую ими на создание теплоты в проводнике, извне от потока энергии внешнего поля внутрь провода (через боковую поверхность) . Интуиция нам подсказывает, что электроны в проводнике пополняют свою энергию за счет «давления», которое толкает их вдоль провода, так что энергия как будто должна течь вниз (или вверх) по проводу".
Здесь мы имеем тот самый случай, когда элементарный здравый смысл находится гораздо ближе к истине, чем абстрактная математическая теория. Далее Фейнман продолжает. "Наконец, чтобы окончательно убедить вас в том, что это явно ненормальная теория, возьмем еще один пример, когда электрический заряд и магнит покоятся - сидят себе рядышком и не шевелятся... Итак, в такой, казалось бы, статической ситуации есть поток энергии. Выглядит, прямо скажем, абсурдно".
Тем не менее, Фейнман не предпринимает никаких усилий для обнаружения грубых ошибок, которые имеются в данных примерах. Прежде всего, ошибкой является использование вектора Умова-Пойнтинга для постоянных электрических и магнитных полей. И кроме этого, случайное совпадение численных расчетов еще отнюдь не является гарантией справедливости выбранной модели потока энергии, тем более, если налицо имеется явное расхождение со здравым смыслом. И с подобными ситуациями можно неоднократно столкнуться в рамках существующих официальных физических теорий.
Однако, возвращаемся снова в учебник, где Фейнман всячески старается успокоить себя и уговорить мало посвященных в классической электродинамике.
"А может быть, это все-таки не так уж удивительно, если вспомнить, что так называемый «статический» магнит представляет на самом деле непрерывно циркулирующий ток. Внутри постоянного магнита электроны все время крутятся (хотя квантовая механика это напрочь отрицает). Так что, может быть, циркуляция энергии не так уж удивительна.
У вас, без сомнения, начинает создаваться впечатление, что теория Пойнтинга (точнее - Умова-Пойнтинга), по крайней мере частично опровергает вашу интуицию относительно того, где находится энергия электромагнитного поля. Вам может показаться, что необходимо заняться «починкой» своей интуиции, отработкой ее на множестве примеров...
Не думаю, чтобы вы оказались в большом затруднении, забыв на время, что энергия втекает внутрь провода извне (т.е. сбоку), а не течет вдоль него. Не так уж важно, используя идею сохранения энергии, указать во всех деталях, какой путь избирает энергия. Циркуляция энергии вокруг магнита и заряда в большинстве случаев, по-видимому, совершенно несущественна. Хотя это и не так уж важно, однако ясно, что повседневная интуиция нас обманывает".
Надеемся, что студентов и преподавателей уговорить удалось полностью. Однако, как же быть с пониманием в физике, с принципом причинности и со здравым смыслом, вообще. Как тут быть с законом Джоуля-Ленца, согласно которому механическую работу над электронами в проводнике совершает именно электрическое поле, а не боковые волны сомнительного происхождения.
Как тут не вспомнить пророческие слова Фейнмана (с305): "Если вы поглубже вгрызетесь почти в любую из наших физических теорий, то обнаружите, что в конце концов попадаете в какую-нибудь неприятную историю". Далеко не каждый преподаватель способен на столь смелые высказывания.
Первые серьезные научные работы в области электричества были выполнены Бенджамином Франклином (1706 – 1790).
В 1746-54 гг. он осуществил ряд экспериментальных исследований, принесших ему широкую известность [1]. Франклин объяснил действие лейденской банки, построил первый плоский конденсатор, состоящий из двух параллельных металлических пластин, разделенных стеклянной прослойкой, изобрел в 1750 г. молниеотвод, доказал в 1753 г. электрическую природу молнии (опыт с воздушным змеем) и тождественность земного и атмосферного электричества. В 1750 г. он разработал теорию электрических явлений – так называемую “унитарную теорию”, согласно которой электричество представляет особую тонкую жидкость, пронизывающую все тела. В каждом незаряженном теле, по представлениям Франклина, всегда содержится определенное количество “электрической жидкости”. Если по каким-либо причинам в теле появляется ее излишек, то тело заряжается положительно, когда ее недостает – отрицательно.
Здесь мы видим, что Франклин подходит к явлению электричества с макроскопической точки зрения, т.е. эмпирически и под “электрической жидкостью” с точностью до знака следует понимать просто электроны. Такое название возникло по той причине, что количество этой “таинственной жидкости” в телах можно было плавно изменять: убавлять или прибавлять.
В этой теории Франклина впервые было введено понятие положительного и отрицательного электричества. Исходя из своей теории, он объяснял наблюдаемые им явления. В унитарной теории Франклина содержался закон сохранения “электрической жидкости” или электрического заряда в современном представлении.
Это были первые макроскопические, опытные представления об электрических полях. Впоследствии эти макроскопические представления были перенесены на микрочастицы. По аналогии с макроскопическими телами физики стали представлять себе микрочастицы не иначе как заряженные некоторой “электрической жидкостью”, которая до последнего времени оставалась загадкой.
Таким образом, мы видим, что исторически понятие “электрический заряд” было введено в то время, когда носители электрических явлений – электроны, позитроны и другие элементарные частицы еще не были известны. При этом заряд воспринимался макроскопически как некоторая непрерывная субстанция вроде жидкости, которую можно добавлять или убавлять на поверхности диэлектриков, т.е. как бы “заряжать” или “разряжать” поверхность стекла, янтаря и т.д. Аналогами понятия “электрический заряд” можно назвать “теплород” или “флогистон”, которые были в употреблении в то время, когда физики весьма смутно представляли себе тепловые явления в веществах. Сюда же можно отнести и самую обычную влагу, которую можно также наносить на поверхность твердых тел.
Поскольку электрические и магнитные явления до последнего времени до конца не поняты, то и в настоящее время понятие “электрический заряд” воспринимается макроскопически, т.е. этой “жидкостью” физики “заряжают” даже элементарные частицы. Рассматривать электрический заряд на электроне, позитроне или внутри протона и нейтрона – столь же нелепое занятие, как и поиск влаги внутри молекулы воды Н2О.
Достаточно вспомнить историю в средних веках с теплородом, чтобы понять, насколько это абсурдно. Ведь когда мы говорим об электромагнитных явлениях, то речь идет на самом деле не о каких-то «волшебных» зарядах, а о силовых взаимодействиях между частицами, которые осуществляются через посредника, которым является физический вакуум или более привычно – эфир. В этом случае снимаются какие-либо условности, и мы непосредственно переходим к реальным механизмам взаимодействий. Остается только с логической последовательностью проанализировать различные возможные варианты подобных взаимодействий.
Термин “заряженная частица” был введен Г. Лоренцем в отношении электрона. Получалось так, что электрон, как и другие макроскопические тела, тоже был “заряжен” этой таинственной макроскопической “электрической жидкостью”, т.е. опять же электронами, поскольку под “электрической жидкостью” понимались в дальнейшем именно электроны - электронная жидкость. Все это – не более чем школьное или инженерное понятие типа заряженного металлического или диэлектрического шарика.
Нетрудно заметить, что при введении терминов “электрическая жидкость” и “заряд” в отношении электрона и других микрочастиц появляется явное как логическое, так и семантическое противоречие, поскольку макроскопическое свойство многих тел, а именно, способность “заряжаться” были перенесены на отдельный электрон. При этом “заряд” приобрел некую реальность вне зависимости от материальных объектов. Получается так, что любое тело, а в равной степени и электрон можно зарядить “зарядом”. Здесь явно просматривается неверное использование русского языка, поскольку зарядить материальный объект можно чем угодно, но только не зарядом. Слово “заряд” при этом очень часто используется как обычный инженерный жаргон в том случае, когда всем хорошо понятно, что под этим подразумевается.
Чтобы лучше понять это логическое несоответствие, приведем в качестве аналога для “электрической жидкости” обыкновенную влагу, как макроскопическое свойство тел. Древним аналогом “электричества” можно назвать “теплород” как очень удобное понятие в области теплоты. Избыток влаги делает тела влажными и даже мокрыми, недостаток же ее делает тела сухими. По аналогии с “электрической жидкостью” элементарным носителем влаги является молекула воды. По аналогии с понятием “заряженная частица” можно рассматривать понятие “влажная молекула” как носитель влаги. Здесь мы хорошо видим явный парадокс и логическое противоречие, поскольку некоторое макроскопическое свойство тел перенесено на отдельную молекулу.
В случае же электрона вопрос с его “зарядом” оказался более завуалированным, поскольку в области электричества и электромагнитных явлений до сих пор существует масса неясностей. Более естественным, на наш взгляд, был бы следующий подход. Следует обратить внимание не на таинственные “заряды” частиц, а на силовые поля, которые возникают вокруг электронов и других частиц. Полезно также обратить внимание на причину возникновения силового поля и на его материальный носитель - эфир или по-современному - физический вакуум. В этом случае пришлось бы рассматривать не “светоносный эфир”, а эфир как формирователь силового поля, и это могло бы привести к более раннему, на наш взгляд, пониманию эфира как переносчика силовых взаимодействий между частицами.
В энциклопедическом словаре [2] понятие “электрический заряд” рассматривается как “внутренняя характеристика” элементарной частицы, что явно не соответствует действительности. Реально же наблюдаются как раз только внешние проявления электромагнитных явлений в пространстве вокруг частиц, а у таких частиц как электроны и позитроны мы никогда не имеем дело с их внутренними свойствами, а имеем дело с силовыми полями, окружающими эти частицы. В отношении же протонов, нейтронов, мезонов и других более сложных частиц разговор следует вести отдельно, поскольку они обладают вполне ощутимыми размерами и, по всей вероятности, сложной структурой.
Когда мы проводим эксперименты с электронами или ионами, у которых недостает одного или несколько электронов до полного атома, то мы имеем дело не с таинственными зарядами, а с непосредственными механическими силами, действующими между частицами, которые могут порой достигать огромной величины. Эти силы в физике стали характеризоваться и описываться электрическими и магнитными полями, однако это мало что меняет в понимании природы данных сил. Слово “сила” заменяется словом “поле”, а что вызывает такую силу, остается пока скрытым. Поэтому продолжим наши исследования.
Из самых общих соображений понятно, что для реализации силы, действующей на расстоянии между двумя объектами, требуется определенный посредник. Рассмотрим различные варианты такого взаимодействия. Например, частицы могут обстреливать друг друга какими-нибудь маленькими снарядами, стараясь тем самым оттолкнуть соседа. Однако это не может продолжаться вечно, поскольку рано или поздно запас этих снарядов все равно иссякнет. Кроме снарядов, частицы могут “озвучивать” друг друга, т.е. облучать какими-нибудь волнами, что может привести к похожему эффекту. Но и на это требуются определенные затраты энергии, запасы которой у маленьких частиц не могут быть безграничными. Следует также заметить, что при помощи испущенных снарядов или волн они смогут только оттолкнуть друг друга, но при этом никогда не будут притягиваться. Опыт же показывает, что электроны всегда между собой отталкиваются, а между электронами и ядрами в атомах или между электронами и позитронами всегда действуют силы притяжения. Следовательно, предложенные нами версии для объяснения этих сил явно не подходят. Поэтому следует рассмотреть и другие варианты.
Сами частицы могут быть вообще пассивными участниками событий, т.е. ничего не генерировать изнутри, а просто подвергаться внешнему облучению. Это могут быть: либо рой, состоящий из более мелких частиц, которые непрерывно “обстреливают” электроны, протоны, нейтроны, позитроны и т.д., либо это может быть океан некоторой непрерывной среды, насыщенной энергией в виде упругих волн. Тогда пассивные наблюдаемые частицы стали бы играть роль поплавков или буйков в бушующем океане волн.
Первый из этих вариантов был предложен в 1784 г. швейцарским физиком Ж.Л. Лесажем (1724-1803), однако он не принес заметного успеха автору этой гипотезы. Второй вариант, а именно с волнами, которые непрерывно омывают частицы, был рассмотрен норвежскими физиками К.А. Бьёркнесом (1825-1903) и В.Ф. Бьёркнесом (1862-1951), а также русским физиком А.Л. Шаляпиным [3-5]. Он является наиболее интересным, поскольку приводит к многочисленным эффектам, которые как раз и наблюдаются в природе.
В случае волн в некоторой среде вся роль частиц будет сводиться, в основном, просто к рассеянию этих волн.
Электричество и магнетизм, а также все сопутствующие им эффекты, являются одними из наиболее необычных и сложных явлений природы. Они гораздо труднее поддаются пониманию и изучению студентами и школьниками по сравнению с простыми механическими явлениями. Так с чего же лучше всего начать?
В квазисовременной абстрактной физике принято считать, что электрические и магнитные явления имеют не механическую природу, поэтому в рамках квантовой теории электромагнитные явления стали интерпретироваться на языке квантов и фотонов. Однако отказаться от механической природы силовых электромагнитных полей равносильно тому, как если бы понятие силы во втором законе Ньютона мы отнесли к категории не механического происхождения. Таким образом, в «квазисовременной» абстрактной физике все перемешалось. Так, где же находится истина? Попытаемся все вместе постепенно в этом как можно лучше разобраться.
Если вы полагаете, что знакомство с электричеством следует начинать с зарядов, как это обычно принято в учебниках в разделе “электростатика”, то это будет, по всей вероятности, не совсем оптимальный вариант, поскольку о самих зарядах у нас складываются также весьма туманные представления, как и в целом об электричестве. Ведь рассматривать одну только электростатику в отрыве от других явлений равносильно тому, как если бы мы рассматривали всего лишь мгновенный фотоснимок какого-нибудь сложного процесса, пытаясь угадать: а что там будет дальше? Поэтому лучше всего пройти в экспериментальную лабораторию и начать знакомство с этими явлениями при помощи непосредственных наблюдений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Храмов Ю.А. Физики. Библиографический справочник. – М.: Наука, 1983.
2. Физика. Большой энциклопедический словарь / Гл. ред. А.М. Прохоров. – 4-е изд. – М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. – 944 с. С. 864.
3. Шаляпин А.Л., Стукалов В.И. Введение в классическую электродинамику и атомную физику. Второе издание, переработанное и дополненное. Екатеринбург, Изд-во Учебно-метод. Центр УПИ, 2006, 490 с.
4. Шаляпин А.Л. О динамике частиц и механизме формирования электромагнитных полей / Урал. политехн. ин-т. Свердловск, 1989. Деп. в ВИНИТИ, 1989. N 118 - В89.
5. Шаляпин А.Л. О природе дефекта масс связанных частиц и релятивистском движении / Урал. политехн. ин-т. Свердловск, 1986. Деп. в ВИНИТИ, 1986, N 8246.
ОТСУТСТВИЕ В КВАЗИСОВРЕМЕННОЙ АБСТРАКТНОЙ ФИЗИКЕ НАДЕЖНОГО ФУНДАМЕНТА
Развитие электродинамики в XX веке происходило в основном в рамках специальной теории относительности (СТО) и квантовой механики (КМ). Признавая определенные успехи данных теорий в систематизации наших знаний в области электромагнетизма и атомных явлений, следует обратить внимание и на их некоторую ограниченность в смысле единого понимания природы и построения фундамента физики.
Для этих теорий является характерным не обобщение и логическая проработка всех известных опытных данных, а опора, главным образом, на постулаты, следствия из которых помогают в интерпретации лишь отдельных опытных данных, но без достаточно полного их объяснения. Данные теории во многих случаях не позволяют также логически связать различные явления природы в одно целое. Фактически это означает отсутствие в современной физике единого фундамента.
Для более полного объяснения физического явления бывает недостаточно описать его в терминах математики или в виде абстрактных моделей, опираясь на общеизвестные принципы. Следует раскрыть его внутренний механизм, проследить причинно-следственные и временные взаимоотношения тех или иных физических характеристик, как в пределах отдельного рассматриваемого явления, так и между смежными, тесно связанными явлениями. Одним из ярких примеров таких связанных явлений выступают электричество и магнетизм. До сих пор отсутствует полная ясность в понимании роли физического вакуума-эфира в электромагнитных процессах.
При детальном ознакомлении с современной квантовой электродинамикой авторы пришли к заключению, что данная теория не лишена внутренних противоречий и парадоксов, что для нее характерно в целом ряде случаев отсутствие причинно-следственных и логических связей. Об этом же пишет в своей работе Фейнман [1]: «Квантовая электродинамика дает совершенно абсурдное с точки зрения здравого смысла описание Природы… Так что я надеюсь, что вы сможете принять Природу такой, как Она есть - абсурдной».
До 80-х годов ХХ века в электромагнитной теории отсутствовал последовательный вывод из какой-либо простой механической модели уравнений Максвелла, что вынудило ученых признать невозможность такого вывода и принять эти уравнения за основу физики в качестве очередного постулата.
1. Фейнман Р. КЭД – странная теория света и вещества. – М.: Наука, 1988. С. 13.
ПРОБЛЕМЫ СО СТАТИСТИЧЕСКОЙ ФИЗИКОЙ В КВАЗИСОВРЕМЕННОЙ АБСТРАКТНОЙ ФИЗИКЕ
Статистический подход к явлениям микромира, независимо от классического или квантового характера, изначально не рассматривает физику процессов, но это совсем не означает, что сложных физических феноменов или «внутренних» механизмов не существует, или их не дано понять кому-либо в принципе. В подходе, продиктованном квантовой теорией, при анализе явлений микромира совершенно необоснованно утверждается агностицизм, т.е. непознаваемость физических механизмов тех явлений, которые характерны для атомных и молекулярных систем, которые проявляются при взаимодействии частиц с излучением и другими силовыми полями.
Именно в статистической физике микромира обнаруживается наибольшая степень непонимания тех многочисленных эффектов, которые чаще всего интерпретируются как чисто квантовые явления в физике элементарных частиц. До сих пор не поняты до конца границы применимости и концептуально-идейная сущность квантовой механики, и, как результат, на протяжении 70 лет приходиться иметь дело с тем, что продолжаются разгадывания ее тайн и переинтерпретация очередных достижений.
На этом фоне особенно заметно заклинание о невозможности интерпретации, а уж тем более хоть какого-то мало-мальски разумного вывода, уравнения Шредингера с классических позиций. В некотором смысле даже просматривается определенная гордость основоположников квантовой механики относительно «чистоты» и «кастовости» данного догмата. Иногда, правда, приходится задумываться – уж не боязнь ли это типа – а вдруг и в классической механике что-то подобное да «отыщется»?
Ввиду необычайной сложности возникших в XX столетии задач физики микромира, которые на протяжении длительного времени не поддавались решению в рамках классических представлений, у многих (если не у большинства) ученых создалась иллюзия, а у кого-то откровенно твердое убеждение, что иного пути, кроме квантово-механического описания процессов и явлений, не существует. Происходила всеобщая ломка традиций, устоявшихся физических понятий и представлений о природе, даже философии естествознания, в которой до того главенствовали идеи причинности и детерминизма.
Таким образом, «новая и непонятная» физика сразу поставила вне рамок заинтересованности и должного уровня теоретического развития физику «старую и испытанную», классическую, которая закономерно и неминуемо скатилась к состоянию, которое иначе как глубокий кризис и не обозначишь. Однако дело было, конечно же, не в классической физике. Очевидно те сложные задачи первостепенной важности, которые предложил новый научный век, век триумфа исследований и открытий в области атомной физики, превышали возможности физиков-теоретиков. Ученые еще не научились решать такие сложные задачи, а когда задача не решается, физик готов на любой «акт отчаяния», готов даже подвергать сомнению уже все без исключения.
Складывалась такая ситуация, когда стройное здание классической физики, возводимое на протяжении многих и многих поколений усилиями ученых самых различных научных школ, представляющих мировую интеллектуальную элиту, готово было в любую минуту рухнуть.
Центральной же концепцией, составившей стержень всей квантовой механики, безусловно становится уравнение Шредингера и волновая функция, Y-функция, для описания состояния микрообъектов. Потребуется некоторое время для того, чтобы определиться с физическим смыслом Y-функции.
Шредингер поначалу предполагал заменять электрон волновым пакетом, де Бройль – «волнами материи», наконец М. Борн определяют ½Y½2 как плотность вероятности пребывания электрона в данном объеме.
Если говорить откровенно, то последняя интерпретация Борна была явным намеком на обычную для статистической физики функцию распределения по координатам, введенную Больцманом еще в XIX веке.
Весь драматизм ситуации заключался в том, что Шредингер, воспитанный на традициях классической физики, основанной на полном детерминизме, до конца своей активной творческой деятельности исследователя так и не принял квантовую механику как завершенную теорию. В дискуссии с Бором Шредингер высказывает-таки свое знаменитое сожаление: «Если мы собираемся сохранить эти проклятые квантовые скачки, то я вообще жалею, что имел дело с атомной теорией!»
Однако вернемся все же к функциям распределения физических величин, которые основательно вошли в статистическую физику с XIX века и связываются, прежде всего, с такими корифеями статистического анализа как Дж. К. Максвелл, Л. Больцман, Д. Гиббс. Из многочисленных же интерпретаций физического или математического смысла Y-функции явно просматривается (в частности, можно посмотреть у Д. И. Блохинцева [1]), что |Y|2 – это все-таки функция распределения электронной плотности в атомах, молекулах и иных любых системах, например, в кристаллах.
В этом смысле мы снова как бы возвращаемся к истокам классической статистической физики. Круг замкнулся. Вместе с тем квантовой механике усилиями многих физиков, причем ведущих физиков, усомнившихся под влиянием романтического девиза о «революции в науке», передаются всеобъемлющие полномочия. Квантовая механика – это уже не только новая статистическая физика, но это уже фундамент всей физики. Если бы удалось освободиться от психологического давления мифологии и соответствующих заклинаний (по Эйнштейну – «…эта религия чертовски слабо действует на меня…»), как бы тогда можно было ответить на простой вопрос – что же представляет собой квантовая физика с точки зрения физика-теоретика начала XXI века?
Безусловно, это – хорошо отлаженный математический аппарат для вычисления усредненных характеристик атомных систем в рамках статистической механики микромира. При этом характер траекторий частиц, механизмы образования силовых полей и вообще механизмы физических явлений в квантовой теории не принимаются во внимание. Решение практически любой задачи ограничивается формальными математическими построениями, которые призваны, с одной стороны, значительно упростить рассматриваемый процесс, а с другой стороны, выполнить необходимый объем вычислений.
Далеко не каждый исследователь согласится с тем, что построенная таким образом физика может претендовать на роль фундаментальной теоретической основы естествознания, поскольку все-таки достаточно много положений и законов в таком случае приходится постулировать, опираясь на экспериментальные данные. При таком формальном подходе к реальному физическому явлению трудно разграничить отдельные физические эффекты между собой или же выявить причинные связи между ними. Решение же большинства задач заканчивается, как правило, на стадии получения некоторых количественных характеристик рассматриваемых сложных систем, но не на глубоком анализе происходящих процессов.
1. Блохинцев Д.И. Основы квантовой механики. – М.: Высшая школа, 1963. - 620 с.
Много ли можно отыскать сомнений или альтернативных суждений в конспектах и учебниках современных маститых физиков, профессоров? Чуть ли не единичные эпизоды.
Вот честный и неугомонный, безусловно, смелый и ищущий Ричард Фейнман: «Мы не знаем, как с учетом квантовой механики построить самосогласованную теорию… Так эта проблема и осталась нерешенной… Ведь в один прекрасный день явится кто-нибудь и объяснит, насколько мы глупы. Мы не догадаемся, в каком месте мы совершаем глупость, покуда не вырастем над собой». Он же: «Я смело могу сказать, что квантовой механики никто не понимает!..» Да дело разве только в квантовой механике?
Опять апеллируем к авторитету Р. Фейнмана: «Свободное движение не имеет никакой видимой причины. Почему предметы способны вечно лететь по прямой линии, мы не знаем. Происхождение закона инерции до сих пор остается загадкой… До сих пор у нас нет иной модели для теории гравитации, кроме математической… До сих пор никому не удалось представить тяготение и электричество как два разных проявления одной и той же сущности. Сегодня наши физические теории, законы физики – множество разрозненных частей и обрывков, плохо сочетающихся друг с другом. Физика еще не превратилась в единую конструкцию, где каждая часть – на своем месте» [1]. И это – «один из самых ярких физиков нашего времени», «выдающийся педагог и исследователь, равные которому вырастают не часто». Сомнения, вопросы, разочарования, догадки…
Обратимся же теперь, например, к серии учебников, задачников, книг, подготовленных и выпущенных нашими маститыми, пожалуй, лучшими, методистами – И.В. Савельевым, И.Е. Иродовым. Ни малейшего намека на дискуссию. Полная ясность. Конец главы под названием «Физика». Но все-таки?..
Все-таки стоит лишний раз поразмыслить и над тем, как это «каждой частице ставится в соответствие некоторая комплексная пси-функция», или каким таким образом «пучок электронов обладает волновыми свойствами», или почему «можно ожидать, даже не зная механизма отражения этих волн, что отражение от кристалла будет иметь интерференционный характер».
Вот тут-то как раз и появляются сомнения вроде того, что «не ладно что-то в датском королевстве». Итак, предварительно обсуждаем проблему дифракции микрочастиц.
Почему бы не привлечь в помощь стандартную классическую аналогию – физико-математический эксперимент, известный нам как «стрельба по плоской мишени», когда результаты эксперимента естественным образом описываются гауссовой кривой (нормальное распределение):
f (x) = 1/s(2p)1/2 ex(x 2/2s 2) ?
Возможны два пути (третий вариант, когда «Бог играет в кости», а мы всего лишь наблюдатели в этой игре, пока оставим до лучших времен). Первый (в согласии с идеологами квантовой механики): пуля, летящая в мишень, «тащит» вместе с собой (или содержит в себе, или «знает») кривую Гаусса f (x), подлетает к мишени, «спрашивает» у кривой куда ей лечь – туда и ложится.
Кстати, кривую можно, используя стандартные методы гармонического анализа, разложить на Фурье-компоненты (насколько нам известно, в докомпьютерную эру существовали даже такие сравнительно простенькие аналоговые приборы), так что можно было бы утверждать, что с мишенью провзаимодействовала волновая Фурье-компонента функции плотности f (x).
Однако функция плотности – это математическая фикция, она не обладает физической реальностью и, по той же причине, по которой, скажем, синус (угла падения) не может провзаимодействовать с кристаллом и стать причиной преломления световых лучей, так и функция плотности f (x) не в состоянии «нащупать» мишень.
Второй: математическая фикция под названием «нормальное распределение» описывает (со стороны, абстрактно, умозрительно, апостериорно) статистические случайные процессы, в основу которых заложены все-таки законы механики. Обращает на себя внимание также тот факт, что задолго до постулата неопределенности Гейзенберга становится ясным, что дисперсию s 2 обратить в нуль не удается.
Риторический вопрос: так «несет» электрон в себе (может быть, на себе) Y-волну, которая должна бы провзаимодействовать на предмет дифракции с кристаллом, или нет? Пока что физических Y-полей никто не наблюдал, Y-зарядов не обнаружено. До Y-квантов вроде бы человеческий гений еще не додумался. Против того, что Y-функция – это математический субъект, математический образ, математическая фикция никто не возражает.
Тогда в какой же момент электрон (реальная физическая микрочастица) успевает стать математической фикцией? А если электрон вовсе и не волна (вопреки заявлениям идеологов квантовой механики), тогда надо начинать все с самого начала. Надо разбираться в физике процесса, приводящего к дифракции электрона, уподобляющего электрон якобы волне. Но то, что Y-функция не взаимодействует с кристаллом, поскольку не являясь физической реальностью, а являясь описательной математической фикцией (как, кстати, и любая функция распределения), можно констатировать совершенно точно. Тут можно, видимо, сойти с ума. Или остаться на позициях математического формализма квантовой физики, совершенно не понимая, что здесь происходит.
Тогда быстро складывается ситуация, которую достаточно метко обозначил академик О.Д. Хвольсон: «…в этом новом учении, увы, главенствующую (!) роль играет математика, так что никакой физики и не осталось. Притом это не та высшая математика, что обычно преподается в университетах и которой пользуются физики. Нет, тут на первом плане оказываются такие отделы математики, о которых ни один физик никогда ничего не слыхал. И число этих отделов все растет, так что лишь немногие физики могут следить за этой математической вакханалией».
В такой обстановке полемика быстро подавляется, т.к. всегда найдутся «посвященные», прошедшие обряд «инициации» с помощью специальной математической подготовки, и те, кому по иерархии полагаются низшие ступени. А когда критерии истины подменяются авторитетом иерархии, тогда в ход, прежде всего, идут аргументы такого рода: «…предпочтение отдается концептуальному анализу соответствия между экспериментальными данными и математическими величинами в формализме теории перед наивными наглядными представлениями» (В. Паули).
И далее примерно в том же плане: «Мы стоим здесь перед крушением обычных физических наглядных представлений… О возвращении к способу описания, совместному с принципом причинности, не могло быть и речи… Эти новые черты потребовали еще большего отказа от объяснения явлений на основе наглядных модельных представлений…
1. Фейнман Р. Характер физических законов: Пер. с англ. – 2-е изд., испр. – М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987. – 160 с.
ВОТ, ПРОДОЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ И ГОНЯТ ЭЛЕКТРОНЫ - НЕ САМИ ЖЕ ПО СЕБЕ ОНИ БЕГУТ.
ПОЗИЦИЯ АКАДЕМИКА И.Е. ТАММА В ОТНОШЕНИИ КВАЗИСОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ
Много ли можно отыскать сомнений или альтернативных суждений в конспектах и учебниках современных маститых физиков, профессоров? Чуть ли не единичные эпизоды.
Приведем оценки классиков «квантовой немеханики» (термин принадлежит Д. Бому) еще более поздних времен, отстоящих от нас совсем недалеко. Академик И.Е. Тамм в 1967 г. писал: «В последнее время у физиков становится все более явным ощущение, что мы находимся накануне фундаментальной революции в теории, которая приведет к не менее серьезному пересмотру представлений и понятий, чем это было сделано теорией относительности и квантовой теорией.
Такое убеждение основывается на двух обстоятельствах. Прежде всего современное состояние релятивистской квантовой теории явно неудовлетворительно. В этом она резко отличается от нерелятивистской квантовой теории, в которой речь идет о не очень больших скоростях и энергиях. Нерелятивистская квантовая теория – абсолютно прозрачная, последовательная, законченная теория, которая так же незыблема в своей области применимости, как для макроскопических явлений, не связанных с большими скоростями, незыблема теория Ньютона. Но, когда мы переходим к большим энергиям, к очень малым пространственным масштабам, оказывается, что современной теории уже недостаточно, что она внутренне непоследовательна.
Приведу пример. При вычислении в соответствии с релятивистской квантовой теорией любой конкретной величины, например, длины волны излучения или массы частицы, получается бесконечность, то есть абсурд. Правда, мы имеем весьма остроумный рецепт, как из бесконечности вычесть другую бесконечность, чтобы оставшаяся конечная разность их точно соответствовала эксперименту. И в ряде случаев действительно получается согласие с измерениями – с точностью до пяти знаков. Но, во-первых, это не универсальный способ: есть случаи, когда такие методы неприменимы, а во-вторых, в теорию приходится вводить принципиально ненаблюдаемые величины, и притом так, чтобы они не входили в конечный результат. Совершенно необходимо построение новой, последовательной теории, свободной от этих недостатков…
Вопрос о построении новой теории крайне актуален. В каком направлении пойдет ее развитие – пока совершенно неизвестно, поскольку выдвигается и исследуется очень много различных идей…
Мы не знаем, когда это произойдет, но, повторяю, необходимость в создании такой теории назрела» [1].
1. Тамм И.Е. На пороге новой теории. – Наука и жизнь, 1967, №1, с. 7-15.
2. Под напором экспериментальных исследований, требующих сиюминутного решения теоретических проблем, классическая физика «выбрасывает белый флаг».
3. В качестве доминанты теоретической физической мысли утверждается квантовая механика.
4. Квантовая механика как метафизическая доктрина неуязвима для критики внутри себя, так как представляет собой внутренне непротиворечивую, внутренне самосогласованную и самодостаточную теорию.
5. Впервые в истории естественных наук открыто провозглашаются в лице квантовой механики принципы формальной (математической) описательности и отказ от физического моделирования объектов и явлений.
6. Краеугольным камнем квантовой механики утверждается идея об интерференции состояний (амплитуд вероятностей) в пику аддитивности вероятностей для классических распределений.
7. Материализм (и атеизм) в физике подвергнут сомнению до такой степени, что всерьез рассматриваются полный отказ от материализма (П. Иордан), отказ от причинности (Н. Бор), возврат к религиозному духу (М. Планк, В. Гейзенберг, В. Паули).
8. К «достижениям» квантовой механики следует причислить полное «размытие» понятия микрочастицы, почти полное нивелирование понятий частица и волна. Как результат: «частица» уже чаще рассматривается не иначе как «волна», а «волна» - это уже «квант, фотон, частица». Такая мешанина в осмыслении основных категорий – театр абсурда физических явлений и объектов, ad absurdum.
9. Ad absurdum – это когда в обоснование каждого проблемного явления можно предложить новый квантовый объект, существование которого либо вообще не подтверждается экспериментально, либо находит подтверждение в очень сомнительных формах, например, нейтрино, кварки, глюоны, виртуальные фотоны, тахионы, гравитоны, фридмоны, струны и суперструны. Где самодостаточным понятием заряда объявляется квантовое число, где самодостаточным понятием силового поля объявляется пространство, описываемое математическими числовыми функциями и «населенное» операторами рождения и уничтожения то ли псевдочастиц, то ли квазичастиц. Это когда из бесконечности вычитается бесконечность и в результате получается число с точностью до пятого знака после запятой. Это когда физический процесс находит «объяснение» в наборе «остроумных» терминов, достойных лучшего применения, типа «цвет, аромат, очарование» и т.д. Это когда набор постулатов и формул может быть объявлен «объяснением» или «истиной» в последней инстанции.
10. Квантовая механика – классический, характерный образец теории-вампира, длительное существование которой возможно лишь за счет угнетения и агрессивного уничтожения любой альтернативной идеи. При необходимости самозащиты на свет божий извлекаются фокусы-покусы из арсенала по «промывке мозгов» - обструкция, остракизм, академическая (считай, государственная) цензура и где-то даже административный ресурс. Так достигается всеобщее согласие или, по крайней мере, умолчание.
11. Квантовая теория практически не подвержена критике не только по причинам, отмеченным выше, но еще и потому, что разрослась до какой-то необозримой масштабности. Подобный прецедент в физхимии – это теория флогистона, которую предложил на рубеже XVII и XVIII веков Георг Эрнст Сталь. Новоявленная «заумь» никакой конструктивной критике не поддавалась. Почти столетие спустя Антуану Лавуазье, опираясь на свои научные открытия, удалось «похоронить» флогистон [1]. Возможно, что в настоящее время существует единственный путь – это построение совершенно независимой интерпретации атомной физики, основанной не на математическом формализме, а на физическом моделировании явлений. Время покажет.
1. Самин Д.К. Сто великих научных открытий. – М.: Вече, 2002. – 480 с. С. 35 – 39.
Уже на склоне лет [как бы подводя итоги?], в 1951 году, в письме своему другу на протяжении всей почти жизни Мишелю Бессо А. Эйнштейн оставляет нам (в документальном виде) вынужденное признание: «После 50 лет раздумий я так и не смог приблизиться к ответу на вопрос, что же такое световой квант» [1].
И, наконец, как любят физики (мрачно) шутить, “последний гвоздь” в понятие “световой квант” (или по-современному – “фотон”) вбивает Поль Адриен Морис Дирак [2].
«Разберем теперь, как описывает квантовая механика интерференцию фотонов. Для этого рассмотрим следующий опыт, демонстрирующий интерференцию: пусть пучок света пропущен через некоторый интерферометр, так что пучок расщепляется на две компоненты, которые затем интерферируют друг с другом. Как и в предыдущем параграфе, мы можем взять падающий пучок, состоящий из одного фотона, и спросить, что произойдет, когда он пройдет через прибор. Это поставит перед нами во всей остроте вопрос о трудностях, связанных с противоречием между волновой и корпускулярной теорией света.
Соответственно тому описанию, которое мы приняли в случае поляризации, мы должны теперь, описывая поведение фотона, считать, что он войдет частично в каждую из двух компонент, на которые расщепился пучок. Мы можем тогда сказать, что фотон находится в состоянии поступательного движения, которое представляет собой суперпозицию двух состояний, соответствующих двум компонентам. Таким образом, мы приходим к обобщению понятия «состояния поступательного движения» в применении к фотону. Фотон, который находится в определенном состоянии поступательного движения, не обязательно связан с одним пучком света, а может быть связан с двумя или несколькими пучками, на которые расщепился исходный пучок. В точной математической теории каждое состояние поступательного движения связывается с некоторой волновой функцией обычной волновой оптики, а эти волновые функции могут описывать как отдельный пучок, так и два и более пучков. Состояния поступательного движения могут, таким образом, налагаться одно на другое так же, как и волновые функции».
С одной стороны, все слова по отдельности вроде бы знакомы и понятны – «фотон», «несколько пучков», «волновая функция», «обычная волновая оптика», «точная математическая теория» и, конечно же [непременно мысленный – а как иначе?], «опыт, демонстрирующий интерференцию». Однако, с другой стороны, смысл сказанного до поры до времени прячется в словесных прениях и смысловом лавировании. Действительно, как представить себе – каким образом фотон как элементарная неделимая частица, находящийся в определенном состоянии, связан с несколькими пучками, которые к тому же могут быть разнесены в пространстве на очень большие расстояния. Или каков он, этот пучок, состоящий из одного фотона, или почему обычная волновая оптика призвана описывать пучки частиц (фотонов). Или, наконец, почему определенная игра слов дает право на безапелляционные заявления типа «мы должны теперь, описывая поведение фотона, считать…» Лиха беда начало, однако продолжим попытки вникнуть в сокровенный смысл ключевых категорий квантовой механики.
«Рассмотрим теперь, что произойдет, если мы определим энергию одной из компонент. Результатом такого определения может быть либо целый фотон, либо ничего. Таким образом, фотон должен внезапно оказаться целиком в одном из пучков и перестать находиться отчасти в одном, а отчасти в другом пучке. Такое внезапное изменение вызвано тем возмущением в состоянии движения фотона, которое неизбежно вносит наблюдение. Невозможно предсказать, в каком из двух пучков будет найден фотон. Можно рассчитывать лишь вероятность каждого из результатов, зная первоначальное распределение фотона между двумя пучками».
Не покидает ощущение, что приходится иметь дело с какими-то колдовскими сказками, мистика до озноба. Выше всякого понимания, как фотон может своей частью (?!) «почувствовать» измерение, «принять» решение и быстро-быстро (без промаха!), «найдя» свою «кровную половину», внезапно (т.е. мгновенно и с любого расстояния, что ли?) воссоединиться. А где в это время витает энергия? Куда бы приложить импульс?
Дирак продолжает свои фантазии: «Можно произвести измерение энергии, не уничтожая при этом составного пучка: например, можно отразить пучок от движущегося зеркала и измерить отдачу. Наше описание фотона позволяет сделать вывод, что после такого измерения энергии уже невозможно вызвать явления интерференции между обеими компонентами. [Да уж, в мысленных экспериментах чего уже только не возможно. – Авт.]. До тех пор, пока фотон находится частично в одном, частично в другом пучке, интерференция при наложении пучков может возникнуть, но эта возможность исчезает, как только фотон переведен посредством измерения целиком в один из пучков. В этом случае второй пучок перестает участвовать в описании фотона, и следует считать, что он целиком находится в первом пучке, с которым в свою очередь, как обычно, можно произвести любой опыт».
Может быть, наступил тот самый момент, когда нелишне было бы подступиться к «самому большому теоретику» (шутливое прозвище, данное Дираку его друзьями-коллегами в Кембридже, за его отменно высокий рост.) П. Дираку за буквальными разъяснениями по поводу «некоторой волновой функции обычной волновой оптики». Интуитивно, на уровне здравого смысла, можно представить себе световые волны Гюйгенса – Френеля, ассоциирующиеся с упругими волнами эфира, как это и было вплоть до XIX века включительно, можно, по-видимому, представить и электромагнитные волны Максвелла – Герца, однако фотон тогда еще не родился. И было бы чересчур оптимистично утверждать в качестве аксиомы: «Все виды частиц связаны с волнами и, обратно, всякое волновое движение связано с частицами». Это – в каком смысле? Это еще надо уточнять и уточнять.
Иногда ловишь себя на крамольной мысли – а уж не пошутил ли наш уважаемый «самый большой теоретик»? Вбросил пробный шар и лукаво наблюдает за нашей игрой в поддавки. Действительно, отдельные положения со здравым смыслом согласуются слабо.
Однако Дирак бодро продолжает: «Таким путем, квантовая механика способна примирить противоречия между корпускулярными и волновыми свойствами света. [Каким же ясным путем?! – Авт.]. Существенным является то, что каждое состояние движения фотона связывается с некоторой волновой функцией обычной волновой оптики. Сущность этой связи не может быть описана на основе классической механики и является чем-то совершенно новым. Было бы совершенно неверно считать, что фотон и связанная с ним волна взаимодействуют между собой так же, как взаимодействуют частицы и волны в классической механике. Это соответствие можно толковать только статистически: волновая функция дает сведения о вероятности того, что при измерении положения фотона мы найдем его в том или ином месте».
Таким образом речь идет опять-таки о математическом (вероятностном) объекте, П. Дирак недвусмысленно в понятие «волновая функция» вкладывает нефизическое содержание математической фикции, т. е. вроде бы волна есть, но с частицами, фотонами, она не взаимодействует, при этом, очевидно, «не забывая» взаимодействовать с зеркалами и дифракционными решетками. Что нас в таком случае удерживает от того, чтобы продолжить аналогию на случай других частиц, например, на случай электрона. И если Дирак запросто «раскидывает» фотон по разным пучкам (а в случае дифракционной решетки, надо полагать [и страшно подумать!] по всем щелям), то почему бы нам не «нашинковать» электрон на части (с чем Р. Фейнман категорически не согласен)?
Иногда можно прочитать у П. Дирака нечто такое, что-то вроде «подставы», напоминающее знаменитый курьезный эпизод из первого издания эйнштейновской «Эволюции физики»: «Еще за некоторое время до открытия квантовой механики физикам стало ясно, что связь между световыми волнами и фотонами должна иметь статистический характер [Фотоны, связь, статистический характер еще до открытия квантовой механики? Оригинально! А как же А. Эйнштейн, который и в 1951 г. взывает “что же такое фотон”? – Авт.].
Однако они еще не вполне понимали того, что волновая функция дает сведения о вероятности нахождения одного фотона в данном месте, а не о вероятном числе фотонов в этом месте. То, что это различие является важным, видно из следующего рассуждения. Пусть мы имеем пучок света, состоящий из большого числа фотонов, который расщепляется на две компоненты одинаковой интенсивности. Сделав предположение о том, что интенсивность пучка связана с вероятным числом фотонов, мы получили бы, что в каждую из компонент попала бы половина от общего числа фотонов. Если далее эти две компоненты будут интерферировать, то мы должны потребовать, чтобы фотон из одной компоненты мог интерферировать с фотоном в другой компоненте. Иногда эти два фотона уничтожались бы, иногда же они превращались бы в четыре фотона. Это противоречило бы закону сохранения энергии. Новая теория, которая связывает волновую функцию с вероятностями для одного фотона, преодолевает эту трудность, считая, что каждый фотон входит отчасти в каждую из двух компонент. Тогда каждый фотон интерферирует лишь с самим собой. Интерференции между двумя разными фотонами никогда не происходит.
Рассмотренная выше связь между частицами и волнами относится не только к свету, а имеет, согласно современной теории, универсальный характер. Все виды частиц связаны с волнами и, обратно, всякое волновое движение связано с частицами…
Читатель, возможно, будет неудовлетворен сделанной… попыткой согласовать существование фотонов с классической теорией света».
С последней фразой трудно не согласиться. Она заслуживает того, чтобы напротив нее на полях поставить жирный плюс.
Может сложиться устойчивое убеждение, что «большая» физика – это удел избранных и вотчина гениев, ограниченный круг имен которых нам уже давно начертан на скрижалях цивилизации. Оставшимся «за бортом» (по-видимому, подразумевается «мелким сошкам») предлагается «своих суждений не иметь», предлагается почтительно воспринимать и верить, верить даже вопреки здравому смыслу. Но не всегда так получается, система иногда дает «сбои» и появляются диссиденты от науки.
В частности, в предыдущем параграфе мы уже отмечали (см. стр. 121) приоритетные «отчаянные» попытки А.Л. Шаляпина в решении ключевых задач физики с классических позиций. И здесь мы, пожалуй, могли бы уточнить, что очередная его попытка наполнить электромагнитные поля материальным содержанием на основе квазиупругих процессов в физическом вакууме-эфире датируется 1989 годом. В принципе, проблема формулируется кратко – рассмотрение волновых процессов на основе акустики эфира. И при таком подходе выявилась масса интересных эффектов, которые полностью соответствуют реальной экспериментальной физике. Насколько продуктивным окажется этот путь – покажет будущее.
1. Пайс А. Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна: Пер. с англ./Под ред. акад. А. А. Логунова. – М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. – 598 с. С. 367.
2. Дирак П. А. М. Пути физики. – М.: Наука, 1983. С. 18 – 21.
Ответить с цитированием