[вернуться к содержанию сайта]
Семиков С.
КРИЗИС КЛАССИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ НАЧАЛА XX ВЕКА:
БЫЛА ЛИ НЕКЛАССИЧЕСКАЯ ФИЗИКА ВЫХОДОМ ИЗ НЕГО?
(Реферат по истории и философии науки)
План реферата:
1. Введение
2. Корни теории относительности и альтернативные концепции
3. Корни квантовой физики и альтернативные концепции
4. Исторические предпосылки признания неклассической физики
5. Заключение и выводы
Литература
1. Введение
Как известно, великий кризис классической физики разразился на рубеже XIX и XX вв. и длился до 1920-х гг. Он был обусловлен неспособностью прежних физических концепций объяснить ряд экспериментально открытых феноменов, а также внутренними логическими противоречиями классической картины мира. Так, классическая электродинамика Максвелла оказалась несовместима с классической механикой. Уже сам Максвелл отказался в своём "Трактате об электричестве и магнетизме" [1] от концепции механического эфира, обладавшего противоречивыми свойствами и порождавшего массу трудностей при анализе электродинамики движущихся тел. Опыты Майкельсона, Троутона-Нобла, Кауфмана лишь подчеркнули противоречия между классической механикой и классической электродинамикой [2-4]. Этот кризис был преодолён усилиями Г. Лоренца, А. Пуанкаре, А. Эйнштейна и Г. Минковского, заложивших основы новой неклассической механики в виде Специальной Теории Относительности (СТО), которая оказалась совместима с электродинамикой Максвелла, но отвергала классическую механику. Последняя получила с тех пор статус предельного случая релятивистской механики,– случая скоростей, много меньших скорости света.
В это же время делает большие успехи атомная физика: открыт электрон, доказана реальность атомов, эмпирически открыты законы излучения атомами сплошного и дискретного спектров, открыт фотоэффект, Э. Резерфорд открыл атомное ядро и построил классическую планетарную модель атома. И снова эксперименты оказались в противоречии с прогнозами классической механики и электродинамики Максвелла, которые предсказывали совсем иной вид теплового спектра, говорили о неустойчивости планетарного атома и вели к другим противоречиям [5]. Лорд Кельвин охарактеризовал эти противоречия как маленькие облачка на чистом горизонте классической физики, в целом совершенной и правильной. Однако в итоге именно эти противоречия заставили учёных отказаться от классической физики и принять новую квантовую физику и механику, которые вместе с теорией относительности устраняли противоречия и верно предсказывали результаты наблюдений.
Тем самым выход из великого кризиса физики, казалось бы, был найден. И всё же до сих пор остаётся сомнение, была ли неклассическая физика единственно возможным выходом из кризиса. Более того, в настоящее время в квантовой физике и в теории относительности выявляется всё больше проблем и противоречий, таких как индетерминизм в явлениях природы, расходимости и бесконечности при анализе структуры электрона и теплового спектра, обнаружение сверхсветовых скоростей, нераскрытая и противоречивая структура ядер и элементарных частиц [6-10]. Поэтому складывается впечатление, что неклассическая физика не устранила кризис, но лишь отсрочила его, посредством формальных согласующих приёмов, устранивших противоречия лишь поверхностно, внешне, но сохранив их в латентной форме. А сами корни противоречий, приведших к кризису, не были вскрыты. Поэтому, дабы выявить причины давнего кризиса, изучим взгляды физиков того времени и предложенные ими "антикризисные меры". Это позволит понять, действительно ли неклассическая физика была выходом, и выявить альтернативные, менее радикальные пути выхода из кризиса, которые могут оказаться актуальными и в наше время.
2. Корни теории относительности и альтернативные концепции
Рассмотрим сначала предпосылки создания и признания теории относительности научным сообществом. Давно отмечено, что теория относительности появилась в ходе кризиса концепции мирового эфира – сплошной идеальной среды, которая по воззрениям учёных XIX века должна была переносить электромагнитные воздействия, в частности свет, подобно тому, как воздух передаёт звук, звуковые волны [2]. Ещё задолго до постановки эксперимента Майкельсона учёные стали осознавать парадоксальность эфира. Эфир, с одной стороны, должен обладать огромной жёсткостью, а с другой – крайней разреженностью и легко, без сопротивления, проникать сквозь любые тела. Эта эфемерная субстанция должна быть абсолютно неподвижной, и в то же время легко возмущаться движением зарядов. При этом эфир совершенно лишён вязкости: лишь так можно объяснить, что свет далёких звёзд приходит к нам практически без ослабления. Когда же был поставлен опыт Майкельсона, то уже окончательно выяснилась несостоятельность концепции эфира: распространение света и электромагнитных воздействий носит не абсолютный, а относительный характер. То есть не существует никакой абсолютно неподвижной среды типа эфира, в которой свет сохранял бы свою скорость неизменной.
Однако сам Максвелл исходно основывал свою теорию электромагнетизма именно на концепции эфира, рассматривая его натяжения и сжатия, потоки и завихрения. Вот почему математический аппарат электродинамики Максвелла во многом сходен с математическим аппаратом физики сплошной среды, в качестве которой и рассматривался эфир. Видя противоречия эфира, Максвелл в более поздних работах отказался от упоминаний о нём, и сохранил лишь уравнения, выведенные с помощью эфирной концепции. Как говорили в то время, Максвелл построил величественное здание электродинамики, но в конце постройки убрал строительные леса, то есть вспомогательные конструкции в виде эфира, помогавшего при постройке. Выходит, именно концепции эфира теория Максвелла обязана своим рождением. Поэтому многие физики продолжали верить в реальность эфира, несмотря на его многочисленные противоречия.
А когда в 1887 г. в эксперименте Майкельсона-Морли выяснилось, что никакого эфира нет, это было настоящим кризисом и больно ударило по сторонникам электродинамики Максвелла. Ведь Максвелл, даже перестав упоминать эфир, по сути, сохранил его в своих уравнениях. Более того, в своём трактате об электричестве и магнетизме, он сам предлагал провести эксперимент типа эксперимента Майкельсона, чтобы проверить свою концепцию и выявить движение Земли по отношению к абсолютной системе отсчёта, связанной с эфиром [3]. Таким образом, отрицательный результат эксперимента Майкельсона ставил под сомнение не только концепцию эфира, но и всю электродинамику Максвелла, уже основательно проверенную к тому времени и получившую широкое признание и практическое применение. Предпринимались многочисленные попытки спасти концепцию эфира, например посредством контракционной гипотезы Лоренца-Фицджеральда, которые предположили, что при движении сквозь эфир все тела сокращаются, причём сокращение в точности компенсирует изменение скорости света от движения Земли, что и мешает выявить это движение по отношению к эфиру [11]. Но все эти попытки спасти эфир наталкивались на непреодолимые трудности при объяснении других опытов, например опыта Троутона-Нобла.
Таким образом, от концепции эфира пришлось отказаться. Но, даже отвергнув эфир, физики не желали отказываться от основанной на нём электродинамики Максвелла, которая тоже противоречила опыту Майкельсона. Поэтому А. Пуанкаре и А. Эйнштейн предложили другой, чисто формальный путь выхода из кризиса. Дабы совместить электродинамику Максвелла с результатом опыта Майкельсона, они предложили видоизменить саму механику так, чтобы, во-первых, все явления выглядели одинаково во всех инерциальных системах, обладая лишь относительным, а не абсолютным характером (1-й постулат СТО), а во-вторых, чтобы скорость света всегда была равная константе c и не зависела бы от движения источника или приёмника (2-й постулат СТО). Эти два утверждения-постулата и стали основой новой неклассической механики теории относительности. С одной стороны, они объясняли отрицательный результат опыта Майкельсона, посредством обобщения принципа относительности Галилея на электромагнитные и оптические явления. А с другой стороны, они упраздняли расхождение этого принципа классической механики с электродинамикой Максвелла. То есть классическая механика заменялась релятивистской механикой СТО, которая уже не противоречила теории Максвелла.
Эта релятивистская механика просуществовала с начала XX века до сего дня, на её основе делают расчёты мощных ускорителей и других высокоэнергичных агрегатов. Так что, казалось бы, неклассическая механика СТО и впрямь была выходом из кризиса. И всё же до сих пор остаются сомнения, что этот выход правильный. Это следует как из экспериментальных соображений, например, из открытия сверхсветовых движений, невозможных по СТО, так и из логических, общефизических и философских соображений. Дело в том, что теория относительности, устранив эфир, лишила электромагнитные воздействия механического носителя, ничего не предложив взамен. Электромагнитное поле осталось такой же абстрактной субстанцией, каким было до Максвелла. Более того, оно стало ещё более идеализированным, абстрактным и противоречивым, чем эфир. Введённое Эйнштейном представление о фотонах как переносчиках электромагнитных воздействий только запутало ситуацию, поскольку создавало ещё больше противоречий, чем было в концепции эфира: фотон не имел массы и обладал сразу корпускулярными и волновыми свойствами. Таким образом, можно утверждать, что теория относительности не устранила противоречия классической электродинамики, но лишь скрыла, замаскировала их посредством формальной согласующей и, в общем-то, ничем не обоснованной процедуры. Ведь ни из каких опытов или из интуитивных соображений не следовал второй постулат о независимости скорости света от движения источника и приёмника. Поэтому с точки зрения принципа Оккама [12], этот постулат, несводимый к опытному или интуитивному знанию следовало бы устранить из науки.
И действительно, теория относительности была не единственным, и даже не самым естественным выходом из кризиса. Так, в начале XX века ряд физиков, включая Дж. Томсона и В. Ритца, предложили менее радикальный и более простой выход из кризиса [13, 14]. Они рассуждали так: раз классическая механика и электродинамика Максвелла несовместимы, и раз эксперимент Майкельсона показал ошибочность концепции эфира с основанной на нём электродинамикой Максвелла, то не будет ли более логичным отказаться не от механики, а именно от электродинамики Максвелла, по крайней мере, от её прежнего варианта [15]. Ведь эта теория не только противоречила опыту, но и была гораздо хуже обоснована и проверена, чем классическая механика. Классическая механика, основанная Галилеем и Ньютоном, к 1887 году существовала и всесторонне проверялась уже на протяжении более чем двух веков. Тогда как электродинамика Максвелла была опубликована автором лишь в 1860–1865 гг. и сразу столкнулась с сильной критикой и неприятием. Лишь в 1888 году электродинамика Максвелла была признана благодаря опытам Герца, который обнаружил предсказанные Максвеллом электромагнитные волны. Таким образом, момент признания теории Максвелла, благодаря опытам Герца, практически совпал с проведением опыта Майкельсона. А потому не было никакого резона предпочесть столь сырую, малоисследованную теорию как максвеллова, проверенной веками классической механике.
Именно поэтому Вальтер Ритц, Джозеф Томсон, а также некоторые другие физики предположили, что корень кризиса кроется именно в электродинамике Максвелла, противоречившей классической механике и принципу относительности. А выход из кризиса надо искать в предположении, что электромагнитные воздействия и свет подчиняются классической механике, то есть их движение является относительным, а не абсолютным. Согласно Ритцу, свет имеет постоянную скорость c лишь относительно источника, который в случае движения сообщает свою скорость электромагнитным воздействиям и свету [15]. То есть Ритц обобщил принцип относительности Галилея из классической механики на световые, электромагнитные явления. Это сразу позволяло объяснить опыт Майкельсона, где источник света двигался вместе с Землёй, а потому обнаружить изменение скорости света было невозможно [14]. В этой части выводы Ритца и Эйнштейна совпадают. Но дальше, если Эйнштейн своим вторым постулатом отвергает классическую механику для сохранения электродинамики Максвелла, то Ритц в этом не нуждается, поскольку не ставит целью сохранить, во что бы то ни стало, максвеллову электродинамику, обнаружившую свою несостоятельность.
Точка зрения Ритца и физически, и логически более последовательна, поскольку, приняв принцип относительности классической механики, он и далее продолжает следовать ему. Так, сочтя все явления и движения относительными, он и движение света рассматривает как относительное, то есть считает, что скорость света зависит от взаимного движения источника и наблюдателя. Тогда как Эйнштейн впадает в противоречие, с одной стороны принимая относительность всех движений (первый постулат), а с другой,– отвергая относительный характер движения света, который независимо от движения источника и наблюдателя летит всегда с одной и той же скоростью (второй постулат) [16].
Применение к свету принципа относительности Галилея из классической механики было более естественным, логичным ещё и по следующей причине. Уже Галилей в своих "Беседах" [17] и Ньютон в своей "Оптике" [18] пришли к выводу, что свет может представлять собой поток мельчайших частиц-корпускул, источаемых светящимися телами. Поэтому Галилей и Ньютон считали возможным применить к свету, образованному механическими частицами, принципы галилеевской механики и кинематики. Благодаря этому движущийся источник как раз должен был сообщать свою скорость выброшенным световым корпускулам и несомому ими свету, подобно тому, как движущееся орудие сообщает добавочно свою скорость выстрелянным снарядам. Этот классический баллистический принцип Ритц и положил в основу своей теории. Таким образом, Ритц, в отличие от Эйнштейна, не выдумывал новых умозрительных радикальных теорий, а объяснял опыт Майкельсона классической корпускулярной теорией. Если 2-й постулат Эйнштейна был "взят с потолка", и не только противоречил здравому смыслу, интуиции, но и не был ничем обоснован, то баллистический принцип Ритца не только естественен и давно известен, но и обоснован экспериментально. Задолго до эксперимента Майкельсона, баллистический принцип подтверждало явление звёздной аберрации, то есть смещение видимого положения звёзд на небе за счёт орбитального движения Земли. Это явление, открытое Брадлеем в XVIII веке, было объяснено им как раз на основе баллистического принципа, то есть приложения классической кинематики (правила сложения скоростей) к свету и переносящим его корпускулам [3].
Таким образом, путь выхода из кризиса, предложенный Ритцем, Томсоном и сохраняющий классическую механику, был более логичным, чем путь Эйнштейна, поскольку оптика и механика Ньютона уже содержала готовый рецепт выхода из кризиса, порождённого опытом Майкельсона. Но это касалось лишь оптики, а с точки зрения сохранения законов электродинамики Максвелла, казалось бы, более естественным был путь Эйнштейна. Однако Ритц показал, что нет никакого резона сохранять любой ценой электродинамику Максвелла, которая не только противоречила опытам (опыт Майкельсона, опыт Кауфмана), была слабо обоснованной, но и строилась изначально совершенно произвольно, как набор искусственно подобранных формальных правил. Это была чисто феноменологическая теория, то есть теория, уравнения которой не строго выводились на основании точно установленных причин, а искусственно подбирались, чтобы дать чисто внешнее описание явлений. То есть феноменологическая электродинамика Максвелла была точной аналогией феноменологической термодинамики и аэродинамики, принципы которых не были строго обоснованы и обладали ограниченной применимостью. И лишь молекулярно-кинетическая теория позволила построить строгую микроскопическую теорию термодинамических и аэродинамических явлений, из которой выводы феноменологической теории получались уже как прямые следствия, причём лишь в качестве первого приближения при малых скоростях. В случае околозвуковых скоростей, а тем более сверхзвуковых скоростей, принципы феноменологической термодинамики и аэродинамики, построенных для случая малых скоростей, оказывались уже неприменимы, и лишь использование микроскопической теории, изучавшей поведение отдельных атомов и молекул, позволило получить верные результаты. То же обнаружилось и в феноменологической электродинамике Максвелла, где были выявлены ошибки в виде малых отклонений порядка V2/c2 (в случае опыта Майкельсона), или больших отклонений (опыт Кауфмана, где реализовались большие, околосветовые скорости [4]).
Поэтому Ритц сделал вывод, что корень кризиса крылся именно в электродинамике Максвелла, построенной чисто формально, феноменологически, а потому имеющей применимость, ограниченную теми рамками, в которых эта теория строилась (случай малых скоростей). Четыре уравнения Максвелла, каждое из которых следует рассматривать как отдельную гипотезу, были не строго выведены из неких начальных строго установленных и всесторонне доказанных принципов, но искусственно подобраны, дабы наилучшим образом описывать явления. И вероятность того, что все они были угаданы правильно, причём так, чтобы быть справедливыми на любых скоростях, очень мала. Вот поэтому Ритц и предложил построить на основе классической механики строгую микроскопическую теорию электродинамических явлений, которая была бы справедлива при любых скоростях движений, и которая вскрывала бы смысл электрического и магнитного полей, так же как молекулярно-кинетическая теория вскрыла истинный смысл давлений и температур как характеристик движения больших ансамблей микрочастиц.
Необходимость построения микроскопической теории электродинамических явлений проистекала уже из ньютоновского представления света в виде потока частиц, своего рода атомов света [18]. Кроме того, по замечанию Ритца, необходимость создания микроскопической теории диктовалась тем, что феноменологическая электродинамика Максвелла, в основу которой положены дифференциальные уравнения, давала бесконечно много решений, большая часть которых не имела физического смысла [15]. И для нахождения верного решения часто было недостаточно даже известных начальных и граничных условий, приходилось принимать специально придуманные искусственные граничные условия (составляющие ещё одну гипотезу), например, условие излучения Зоммерфельда. Согласно Ритцу, фундаментальные законы физики должны иметь интегральную, а не дифференциальную форму, так чтобы давать единственное решение и не допускать лишних, физически невозможных решений, исключаемых чисто произвольно. Таким образом, Ритц предлагал вместо континуалистской феноменологической максвелловой электродинамики сплошных сред построить атомистическую электродинамику, законы которой строго выводились из законов классической механики.
Необходимость такого микроскопического атомистического описания явлений электродинамики вытекала также из того, что после упразднения эфира, стало непонятно, чем же переносятся электромагнитные воздействия. То есть, в электродинамике Максвелла, вместо близкодействия, снова возник призрак дальнодействия. Эта проблема тоже легко решалась, если предположить по Ньютону и Ритцу, что электромагнитные воздействия переносят мельчайшие частицы-корпускулы, разлетающиеся от их источника со световой скоростью. Именно это утверждение Ритц положил в основу своей эмиссионной электродинамики: каждый заряд постоянно испускает во всех направлениях стандартные микрочастицы (реоны), разлетающиеся от заряда со стандартной скоростью света c. Удары этих частиц о другой заряд и создают кулоновское отталкивание. То есть электрическое поле, электрическое воздействие объяснялось так же, как давление в молекулярно-кинетической теории,– ударами микрочастиц. Если заряд неподвижен, он создаёт стационарный поток частиц и оказывает постоянное электрическое воздействие, а если он колеблется, то поток оказывается модулированным по плотности и скоростям частиц: возникает периодически меняющееся электрическое воздействие, которое распространяется в виде электромагнитных волн, скорость которых задана скоростью модулированного потока частиц, то есть световой скоростью их испускания c.
Таким образом, основное преимущество электродинамики Максвелла, предсказавшей существование электромагнитных волн, сводилось на нет, поскольку эти волны удавалось объяснить и предсказать в рамках корпускулярной теории света Ньютона, сверх того объяснявшей микроструктуру и природу этих волн и электрических воздействий, чего теория Максвелла сделать не смогла. Также именно корпускулярная теория объясняла, чем задан стандарт скорости электромагнитных волн и света,– именно скоростью испускания микрочастиц (ядерная физика действительно располагает рядом примеров, когда частицы испускаются другими частицами или ядрами со стандартной околосветовой скоростью). Зато максвеллова теория, после упразднения эфира (распространение упругих возмущений которого и задавало прежде скорость света), уже не могла объяснить стандарт скорости света. Теория же относительности объясняла этот стандарт тем, что просто ничто не может двигаться со скоростью большей c, а потому свет, как самый быстрый процесс, должен лететь именно с такой скоростью.
В 1914 г. учёный и философ И. Орлов [16, 19] ясно показал, что выход из кризиса, предложенный Ритцем, не только более естественен, чем выход Эйнштейна, но и разрешает, в отличие от релятивистской теории, давнюю проблему ньютоновской механики, которая была, по сути, механикой дальнодействия: воздействия, например гравитационные, мгновенно распространялись на любые расстояния безо всякого посредника, а значит и без запаздывания. Уже тогда, в XVII веке было ясно, что это идеализация, поскольку воздействия должны переноситься неким агентом, имеющим, хоть и большую, но всё же ограниченную скорость. Это следовало, как минимум, из того, что частицы-переносчики воздействий, обладая конечной массой, могли бы, под действием конечной по величине силы, получать лишь ограниченную скорость. Однако конечным временем распространения воздействий пренебрегали вплоть до XX века. Механикой Ньютона продолжали пользоваться так, словно воздействия переносятся мгновенно. Это и привело в конце XIX века к ряду противоречий.
Теория относительности, как замечает Орлов не упразднила, а сохранила, замаскировала эти противоречия, просто за бесконечно большую скорость распространения воздействий, которой не может достигнуть ни одно тело, искусственно приняли скорость света c. Благодаря этому по теории относительности силы взаимодействия между телами, так же как в механике дальнодействия Ньютона, не зависели от движения этих тел. Так, центральная сила (скажем, сила тяготения) всегда была направлена вдоль линии, соединяющей тела, и всегда имела одну и ту же величину, независимо от того, покоились ли тела или двигались с огромной скоростью. А в случае запаздывания воздействий из-за конечной их скорости, сила должна была зависеть от относительной скорости взаимодействующих тел. И если Эйнштейн так и не исправил идеализации мгновенного дальнодействия ньютоновской механики, то Ритц, усмотрев глубокие корни кризиса, как раз учёл конечную скорость воздействий и изменение сил за счёт этого, построив уточнённую теорию электромагнетизма и гравитации.
Собственно говоря, именно по такому пути и шла электродинамика и теория гравитация до появления полевой теории Максвелла. Уже в трудах Ампера, Вебера, Гаусса и Римана была построена электродинамика, в которой электрическое кулоновское взаимодействие зарядов зависело от их взаимного движения – от их относительной скорости и ускорения [1, 20, 21]. В итоге сразу получали качественное и количественное объяснение магнитные и индукционные силы, которые, как известно, создаются именно движением зарядов. Напомним, что максвеллова электродинамика никак не объясняла, почему при движении зарядов их электрическое воздействие порождает магнитное и индукционное. Максвелл лишь констатировал в своих уравнениях существование этих сил, представив математические выражения для них. А Вебер и Гаусс выяснили их природу: магнитные и индукционные силы – это малые изменения электрической силы взаимодействия, вызванные конечной скоростью распространения электрических воздействий, то есть их запаздыванием. Причём уже тогда было замечено, что константа, стоящая в формуле Вебера для электромагнитной силы, очень близка к скорости света c [20]. То есть, уже в формуле Вебера, задолго до Максвелла, можно было прочесть, что электрические воздействия переносятся со скоростью света, откуда один шаг до идеи электромагнитных волн и электромагнитной природы света. Ритц показал строго, что именно конечная световая скорость c выброса частиц, переносящих воздействия, и создаёт магнитные, индукционные эффекты и определяет скорость электромагнитных волн. Тогда как в электродинамике Максвелла всё с точностью наоборот: скорость преобразования электрического возмущения в магнитное определяет скорость распространения электромагнитных волн. И опять же, нет никакого указания на то, чем задана эта скорость преобразования электрических возмущений в магнитные и обратно.
Таким образом, не было никакого резона предпочесть электродинамику Максвелла прежней электродинамике Вебера-Гаусса. Вот почему поначалу теория Максвелла была отвергнута научным сообществом и долгое время не признавалась. И только открытие электромагнитных волн Герцем принесло ей признание в 1888 г. Однако, электромагнитные волны, как показал Ритц, получались и в прежней электродинамике Вебера-Гаусса. Таким образом, противоречие теории Максвелла опыту Майкельсона и другим опытам следовало бы истолковать как подтверждение прежней электродинамики Вебера-Гаусса, где работал галилеевский принцип относительности, и где уточнялись принципы ньютоновской механики, пренебрегавшей скоростью распространения воздействий. Именно об этом и говорил Ритц в начале XX века, когда наука стояла на перепутье.
Но вместо того, чтобы пойти этой классической дорогой, научное сообщество выбрало рискованный путь Эйнштейна, который предлагал, вопреки логике, сохранить максвеллову электродинамику, отвергнув классическую механику. Рассмотрим, для примера, как по теории относительности объясняли опыт Кауфмана. В этом опыте было обнаружено, что быстрые электроны ведут себя совсем не так, как им предписывала электродинамика Максвелла. Двигаясь в электрическом поле, электроны отклоняются на угол, меньший расчётного [4]. Поскольку отклоняющее действие электродов характеризуется ускорением a=F/m, которое сообщает электрону массы m электрическая сила F, то Эйнштейн истолковал это не так, что ошибочна электродинамика Максвелла, которая предсказывает одну и ту же величину силы, независимо от скорости, а так, словно ошибочна классическая механика, в которой масса m – постоянна. Несовпадение отклонения и пропорционального ему ускорения a=F/m с расчётным вызвано, по Эйнштейну, увеличением массы электрона при росте его скорости. Хотя, как легко понять, нет никаких причин к такому увеличению массы. Более того, это противоречит всему нашему опыту и определению массы как количества материи, которое должно сохраняться по закону, открытому Лавуазье и Ломоносовым. Даже сами физики-ядерщики уже осознают противоречивость понятия растущей массы: по теории относительности масса тела зависит не только от скорости, но и от её направления по отношению к силе [10]. То есть, даже при заданной скорости массу нельзя считать однозначно определённой величиной: возникает индетерминизм. Ритц предложил более простое объяснение: отличие отклонения или ускорения a=F/m от расчётного вызвано изменением силы F, действующей на движущийся электрон, при его неизменной массе m. Такое изменение силы не только вполне естественно (например, сила Лоренца и аэродинамические силы зависят от скорости), но и ожидаемо, поскольку учёт конечной скорости распространения воздействий, имеющих световую скорость, как показал Ритц, как раз должен вести к изменению силы и ускорения именно на ту величину, какая была зафиксирована в опыте Кауфмана [15]. То есть опыт Кауфмана ещё раз выявил некорректность максвелловой электродинамики и недопустимость пренебрежения конечной скоростью распространения воздействий.
Как показал Ритц, не менее важно учитывать конечную скорость и для гравитационных воздействий, запаздывание которых также должно менять гравитационные силы. И действительно, хотя на протяжении двух веков учёные спокойно пользовались механикой Ньютона и его законом всемирного тяготения, с огромной точностью предсказывая положения планет и даже "открывая на кончике пера" новые планеты из наблюдаемых возмущений, к концу XIX века стало понятно, что эти законы не вполне точны. При исследовании движения Меркурия было выяснено, что его орбита поворачивается (перигелий смещается) чуть быстрее, чем следует из расчётов [22]. Ритц ещё в 1908 г. показал, что это связано как раз с неучтённой скоростью распространения гравитационных воздействий, причём если принять эту скорость равной скорости света, то вызванное запаздыванием изменение силы как раз приведёт к наблюдаемым пертурбациям в движении Меркурия. Так же Ритц предсказал на основе этой гипотезы смещение перигелиев других планет – Венеры и Земли, в дальнейшем подтверждённые [22].
Однако и здесь учёное сообщество двинулось не по такому естественному пути, который следовал из неизбежного уточнения ньютоновской механики, а по пути Эйнштейна, который, опять же без всяких оснований, стал формулировать новые постулаты. Из них следовало искривление пространства массивными телами, что приводило к изменению темпа течения времени и добавочным возмущениям в движении планет. Из этой Общей Теории Относительности Эйнштейн получил в 1915 г., через семь лет после Ритца, тот же вывод для смещения перигелия Меркурия. Таким образом, и здесь не было никакого резона предпочесть путь неклассической механики исторически обусловленному классическому пути. Противоречия и неточности классической механики, приведшие к кризису, не изучались как положено, со всей тщательностью, а чисто формально устранялись, нейтрализовались искусственными постулатами. Новыми ошибками стремились скомпенсировать старые, вместо того, чтобы их исправить. Вот почему есть все основания утверждать, что теория относительности не была выходом из кризиса, а выход следовало искать на пути, открытом Ритцем, глубоко изучившим давно обнаруженные проблемы механики Ньютона и просто уточнившим её, отбросив идеализацию мгновенного дальнодействия, соответственно преобразив электродинамику и теорию гравитации.
Итак, Ритц не ограничился, как Максвелл или Эйнштейн, внешним описанием электродинамических и гравитационных явлений, а попытался вникнуть в их суть, установить их микроскопические, атомистические причины. Предположив существование материального посредника в виде частиц, испускаемых зарядами, Ритц не только проложил путь будущим физикам (по его задумке Дирак, Уилер и Фейнман разработали обменные модели взаимодействия: заряды взаимодействуют посредством обмена виртуальными частицами), но и связал физику с прошлым, с глубокими взглядами древних философов-атомистов. Ещё в Древней Индии философ-атомист Кбнада учил, что свет переносят мельчайшие частицы, испускаемые телами [23, 24]. Эту же точку зрения отстаивали в Древней Греции Эмпедокл, Левкипп, Демокрит, Эпикур, причём они полагали, что и электрические, магнитные и гравитационные воздействия оказывает в действительности поток частиц, вылетающих из тел [20, 21], как это подробнее показано в поэме "О природе вещей" древнеримского популяризатора их учений Лукреция [25]. Кроме того, похоже, той же точки зрения придерживались и такие выдающиеся мыслители древности как Фалес и Пифагор. Именно Фалесу приписывают первые исследования и описания электричества и магнетизма [21]. Причём он объяснял эти воздействия исходящей из магнитов и натёртого янтаря "душой". Если учесть, что под душой древние часто подразумевали тонкие субстанции, испарения тел, состоящие из мелких частиц, то эта точка зрения Фалеса тоже вполне соответствует более поздним и более обоснованным воззрениям Ритца и Томсона. И в дальнейшем многие физики-классики, заложившие фундамент оптики, учения об электричестве, магнетизме и гравитации (Альхазен, У. Гильберт, П. Гассенди, Г. Галилей, И. Кеплер, И. Ньютон, Г. Лесаж [20–22]), придерживались именно такой точки зрения на природу света, электромагнитных и гравитационных воздействий. Таким образом, путь выхода из кризиса, предложенный Ритцем, был исторически и научно обоснован, он был продолжением линии развития классической физики по пути атомизма.
А главное, в рамках такой гипотезы об общем переносчике всех типов воздействий (световых, электромагнитных и гравитационных) в виде элементарных частиц, разлетающихся со скоростью света, открывался простой и естественный путь к построению единой теории поля, которую тщетно пытался построить Эйнштейн, и которая до сих пор не завершена. Проблемы, открывшиеся при создании такой единой теории, связаны именно с неадекватным, внешним, описательным представлением о природе. Тогда как Ритц уже в своей работе 1908 г. свёл воедино электрическое, магнитное и гравитационное воздействие [15]. А на основе его модели строения атомов и ядер удаётся свести к электромагнитному и ядерное сильное, а также слабое взаимодействие, что уже отчасти было сделано в работах Ритца [9]. Таким образом, сложности, возникшие в неклассической физике при построении единой теории поля, также можно считать подтверждением того, что она не была настоящим выходом из кризиса, и решение следовало искать на пути классических атомистических теорий, как предлагали Ритц и Томсон.
3. Корни квантовой физики и альтернативные концепции
В начале XX века кризис затронул не только электродинамику и оптику, но и термодинамику, а также учение о строении атома. Для разрешения этого кризиса учёным пришлось ещё сильней пересмотреть основы классической механики, но уже не в области больших скоростей и энергий, а в области малых скоростей, энергий и масштабов. Зародился этот кризис опять же в оптике, при анализе спектра излучения абсолютно чёрного тела. Дело в том, что предсказанный на основе классической механики, термодинамики и электродинамики спектр абсолютно чёрного тела не соответствовал реально измеренному. Согласно расчётам, спектр следовало описывать формулой Релея-Джинса, по которой интенсивность излучения увеличивалась с ростом частоты [5]. Эта формула хорошо работала в области низких частот, но противоречила наблюдениям в области высоких частот. А при бесконечном увеличении частоты мощность излучения должна была бесконечно нарастать, так что тела светились бы безмерно ярко в ультрафиолетовой части спектра, и мгновенно бы остывали за счёт этого излучения. Эта проблема, получившая название ультрафиолетовой катастрофы, ещё больше усилила кризис физики.
Выход из этого кризиса был найден в 1900 г. Максом Планком, который предложил гипотезу квантов, по которой энергии E осцилляторов – колеблющихся электронов не могут иметь произвольных значений, а жёстко связаны с частотой f их колебаний по формуле E=hf, где h – фундаментальная константа, названная постоянной Планка. Эта простая гипотеза позволяла не только устранить ультрафиолетовую к
Если учесть, что именно так и стали представлять атом спустя десяток лет в планетарной модели Э. Резерфорда (электроны крутятся по круговым орбитам возле ядра под действием его кулоновского притяжения), то такая связь E и f была бы только естественна. То, что эта связь в модели Резерфорда получалась бы иной, чем E=hf, не столь принципиально и говорит лишь о том, что модель нуждается в исправлении, а сама связь E и f, в принципе, может возникнуть в рамках классической механики, надо лишь найти подходящую модель атома. То, что планетарная модель атома Резерфорда ошибочна, следовало также из того, что она не могла объяснить стабильность атома: крутящиеся по орбитам электроны, теряя при излучении энергию, постепенно сужали бы витки орбиты и падали б на ядро. Это противоречит и формуле Планка E=hf, из которой видно, что с уменьшением энергии обращения электрона, частота его обращения f должна уменьшаться, а не расти, как в планетарной модели атома.
Нестабильность атома Резерфорда ещё больше обострила кризис физики. Выход из кризиса был найден А. Эйнштейном и Н. Бором. Эйнштейн по-своему интерпретировал зависимость E=hf, предположив, что она означает не просто пропорциональность энергии осциллятора его частоте, но что вся эта энергия излучается сразу, в виде целой порции E=hf, да и поглощается эта энергия сразу такой неделимой порцией-квантом: именно так Эйнштейн объяснил фотоэффект. А Бор развил этот вывод Эйнштейна, применив его к модели Резерфорда: раз электроны не могут излучать непрерывно, а излучают энергию лишь порциями, то они уже не станут постепенно падать на ядро, а должны двигаться по стационарным орбитам без излучения. Лишь в момент излучения электрон скачком меняет орбиту, излучая соответствующую порцию энергии. При этом, поскольку энергия электронов квантована, их стационарные орбиты могут иметь лишь определённые радиусы. Этим же были объяснены дискретные линейчатые спектры атомов: каждой линии, каждой частоте в спектре отвечал определённый переход электрона с одной стационарной орбиты на другую, с излучением определённой энергии, жёстко связанной с частотой излучения. Тем самым, казалось бы, была решена ещё одна проблема классической физики, для которой дискретный характер атомных спектров долгое время представлялся загадочным. Таким образом, выход из этого кризиса физики, на первый взгляд, тоже был найден, хотя и дорогой ценой: ценой отказа от принципов классической механики и электродинамики, где энергия меняется и излучается непрерывно.
Но и этот выход, если задуматься, не был реальным выходом, поскольку шёл вразрез с логикой научного развития. Ведь проблемы и кризис были связаны именно с планетарной моделью атома, только-только созданной и потому непроверенной. Её проверка, по сути, сразу показала ошибочность этой модели. Но, так же как в случае с электродинамикой Максвелла, учёные пошли не по пути отказа от дискредитированной новоиспечённой теории, а по пути отклонения проверенной веками и ничем не провинившейся классической механики. Стремление сохранить, вопреки всем фактам, ошибочную электродинамику Максвелла привело к появлению формального согласующего звена в виде теории относительности и релятивистской механики, утверждающей ошибочность классической механики в области больших скоростей. А стремление сохранить ошибочную планетарную модель атома привело, в конечном счёте, к созданию квантовой физики и квантовой механики, утверждающей ошибочность классической механики в случае малых скоростей и масштабов.
Такое стремление Нильса Бора спасти, во что бы то ни стало, планетарную модель Резерфорда, бывшего его учителем, вполне понятно. Но вот как с этим выходом могло согласиться научное сообщество, не вполне ясно. Тем более что от планетарной модели наука всё равно в итоге отказалась, хотя возникшая из-за неё квантовая физика сохранилась. По сути, квантовая физика, так же как релятивистская механика, не устраняла противоречия, приведшие к кризису, а лишь скрывала их посредством формального приёма, позволявшего какое-то время получать согласные с опытом результаты. Когда снова начинали возникать расхождения с опытом, физики выдумывали новые постулаты, вводили новые, логически, физически и интуитивно ничем не подкреплённые гипотезы для устранения противоречий. В итоге квантовая физика прошла несколько этапов таких искусственных "усовершенствований" [5]. Во многом это напоминает построение Птолемеевской геоцентрической теории движения планет, где постепенно и без всяких оснований произвольно добавлялись всё новые эпициклы, дабы получить согласное с опытом внешнее описание видимого движения планет по небосводу. Так же и в квантовой механике вводились всё новые гипотезы, квантовые числа, словно эпициклы характеризующие движение электронов вокруг ядра, принимались правила запрета Бора. И вплоть до наших дней всё множится ворох ничем не подкреплённых гипотез, например о кварках. Однако количество противоречий у квантовой модели мира не убывает, а множится ещё быстрее. И теперь уже сами физики не скрывают того, что они не могут понять, как реально устроены элементарные частицы и даже ядра атомов. Таким образом, квантовая физика, так же как теория относительности, не решала проблем, приведших к кризису, а лишь формально их обходила, отложив их решение на позднее время. В итоге проблемы лишь разрастались.
А правильный и логичный выход из кризиса, диктуемый всей историей развития физики, состоял в установлении корня противоречий, в изучении реального строения атома и построении такой его модели, которая могла бы объяснить все открытые закономерности в рамках существующих теорий, в том числе, в рамках классической механики и электродинамики. Именно по такому пути и пошёл изначально Планк, который долгое время, вплоть до 1920-х годов, просил физиков очень осторожно обращаться с гипотезой квантов, напоминал, что кванты нельзя понимать как порции энергии, которые могут по отдельности перемещаться в пространстве. Планк всегда считал, что гипотеза квантов вполне совместима с классической физикой. И действительно, связь частоты колебаний электрона с его энергией может быть реализована в классической модели атома [9]. Более того, такая классическая связь легко объясняет фотоэффект. Если свет частоты f падает на металл, то, благодаря резонансу, свет эффективно действует лишь на электроны, колеблющиеся на той же частоте f, и, раскачивая их, заставляет вылетать из атома и металла с сохранением кинетической энергии E=hf. Таким образом, по утверждению Планка, энергия фотоэлектронов заключена вовсе не в свете, а в самом металле, в его атомах, тогда как действие света лишь инициирует вылет электронов, подобно искре, взрывающей бочонок с порохом [26]. Это сразу классически объясняло безынерционность фотоэффекта и другие его загадочные свойства, которые, на первый взгляд, противоречили классической физике.
Итак, при изучении законов, связанных с поведением таких малоисследованных объектов как атомы, гораздо естественней было не менять и формально приспосабливать классическую механику к наблюдаемым законам, но изучать сами атомы, их структуру. Именно по такому классическому пути пошли многие физики, такие как М. Планк, Дж. Томсон, И. Штарк, Ф. Ленард, В. Ритц. Так, Томсон показал, что атом должен представлять собой не динамическую, а статическую систему, благодаря чему атом получался стабильным в рамках классической механики. И действительно, Томсон привёл конкретные примеры, в которых системы многих зарядов или магнитов образовывали стабильные системы со стандартной структурой и размерами [21]. Так, Томсон ссылался на опыты А. Майера, в которых набор одинаковых магнитных поплавков образовывал устойчивые конфигурации возле центрального магнита (аналога атомного ядра). Причём магниты располагались концентрическими кольцами. Именно это навело Томсона на мысль, что и электроны могут располагаться в атоме отдельными оболочками, и последовательное их заполнение объясняет структуру таблицы Менделеева, где каждый период связан с заполнением электронами определённой оболочки. Так что эта мысль об электронных оболочках атома впервые естественно возникла именно в классической модели атома. Тогда как в квантовой, боровской модели атома оболочки получались произвольно, искусственным введением квантовых чисел, посредством ничем не обоснованных гипотез и формальных приёмов. Таким образом, если классическая теория атома строилась обоснованно, в стремлении познать структуру атома, то квантовая физика предлагала множество ничем не подкреплённых и даже противоречащих здравому смыслу гипотез, исключительно для того, чтобы дать внешнее, поверхностное, формальное описание свойств атома.
Ещё менее известна классическая модель атома, впервые объяснившая спектр водорода, щелочных металлов и даже предсказавшая новые спектральные линии, впоследствии открытые. Эта модель была предложена Вальтером Ритцем, который, так же как Томсон, считал, что атом содержит некое ядро, составленное из упорядоченно расположенных частиц, образующих своего рода цепи и кристаллы [9, 15]. Электроны могут располагаться в узлах этой кристаллической решётки, а при колебаниях в её магнитном поле генерируют именно те частоты, которые соответствуют частотам в спектре водорода и других атомов. Таким образом, не Бор, а именно Ритц построил впервые модель атома, которая объясняла дискретные спектры атомов [27], причём эта модель была классической (Бор и не скрывал, что положил в основу своей теории формулу Ритца, полученную в рамках классической модели атома [5]). Выходит, дискретный характер атомных процессов и атомных спектров подтверждал не дискретную структуру энергии, а дискретную структуру материи, атома, образованного из многих упорядоченно расположенных частиц. А Бор лишь переложил уже открытые Томсоном и Ритцем закономерности на квантовый язык, хотя в этом и не было уже никакой надобности, раз они легко получались в рамках привычной классической физики, без каких-либо радикальных, ничем не подкреплённых и противоречащих здравому смыслу гипотез.
Как показал Ритц, а после него и Штарк, такая классическая модель атома легко могла объяснить эффекты Зеемана и Штарка, то есть изменения спектров атомов в магнитном и электрическом поле. Происходило лишь смещение электронов от положений равновесия в этих полях и изменение частоты колебаний под действием наложенного поля, искажающего внутриатомное поле, в котором колебались электроны. Но и этот классический вывод переиначили позднее на квантовый лад с помощью теории возмущений.
Таким образом, многочисленные успехи неклассической науки и конкретно квантовой физики реально принадлежали физикам-классикам, получившим соответствующие закономерности в рамках классической модели атома и классической физики. Иногда при анализе кризиса физики начала XX века упоминают ещё одно явление: снижение молярной теплоёмкости твёрдых тел и газов при охлаждении [5]. Этот экспериментально открытый результат, казалось, противоречил классической термодинамике, где на основе молекулярно-кинетической теории получалось, что теплоёмкость при постоянном объёме не должна зависеть от температуры, как утверждал закон Дюлонга-Пти. Это противоречие с опытом устранила квантовая теория, в которой учли, что энергия колеблющихся атомов квантуется, то есть, принимает дискретный ряд значений и не может быть ниже некого предельного значения. Поэтому при снижении температуры, когда энергия тепловых колебаний атомов становится ниже этого предельного значения, они перестают колебаться и уже не дают вклада в теплоёмкость, отчего она снижается. Однако и здесь никак нельзя согласиться с подобным выходом из кризиса. Дело в том, что вывод о постоянстве теплоёмкости был получен в классической теории с учётом ряда упрощений, идеализаций, в рамках которых этот вывод был справедлив. Поэтому устранять противоречия следовало не по пути коренного пересмотра положений классической механики, а по пути уточнения классической теории, где пришлось бы учесть взаимодействия между атомами, а также их конечные размеры [9].
Примерно так в конце XIX века выяснилось, что уравнение Клапейрона-Менделеева для описания состояния идеального газа имеет лишь ограниченную применимость и перестаёт выполняться при определённых условиях, например, при низких температурах. Но ситуация была легко исправлена без коренной ломки представлений, а лишь путём уточнения грубой модели идеального газа. После того, как учли конечный размер молекул и их взаимодействия, было получено уже много лучшее соответствие теории наблюдениям в рамках закона Ван-дер-Ваальса. Заметим, что уже этот простой закон предсказывает отклонение теплоёмкости от классического значения, причём теплоёмкость тоже зависит от температуры. Таким образом, и в других случаях при анализе теплоёмкости адекватный результат может быть получен в рамках классической теории, если отказаться от идеализаций и уточнить теорию. В то же время квантовая теория пошла по пути чисто формального устранения проблем. То же самое можно сказать о квантовой теории электропроводности и о других проблемах классической физики, приведших к мощному кризису. Во всех таких случаях решения и выходы из кризиса, предложенные квантовой механикой, нельзя считать логично обоснованными и строгими. Вот почему в XX веке проблемы физики со временем не уменьшались, а лишь множились. И в настоящее время уже в квантовой физике накопилось столько противоречий, что их число многократно превышает число противоречий прежней классической физики. Поэтому выход из кризиса следует искать на пути уточнения прежних классических моделей, на пути вскрытия реальных причин кризиса и определения реального устройства атома, а не на пути формального описания наблюдений, посредством всё множимых противоречивых гипотез. То есть, и квантовую физику нельзя считать настоящим выходом из кризиса начала XX века.
4. Исторические предпосылки признания неклассической физики
Выше было показано, что неклассическая физика, включающая теорию относительности и квантовую физику, не была реальным выходом из кризиса, не решала проблем, породивших этот кризис, а лишь формально устраняла, обходила их. Возникает вопрос, почему же, несмотря на всё это, научное сообщество пошло именно по такому противоестественному пути выхода из кризиса? Кроме того, на первый взгляд, совершенно непонятно, почему неклассическая физика всё же работает до сих пор, почему ярко не обнаружилась её противоречивость, как в случае с классической физикой?
На последний вопрос ответить легко. С самого начала неклассическая физика строилась так, что вводились противоестественные, ни на чём не основанные гипотезы для согласования теоретических предсказаний с опытом. Когда снова возникало расхождение с теорией, её не отвергали, а придумывали дополнительные, ещё более абсурдные гипотезы, формально устраняющие противоречие. Понятно, что, вводя достаточное число гипотез, к тому же, если нет никакого ограничения в их выборе, можно объяснить любую совокупность явлений. Поэтому не могло возникнуть такого противоречия, которое бы заставило отказаться от теории: едва оно возникало, придумывали новые гипотезы (аналогично введению новых эпициклов в геоцентрической системе). В этом смысле классическая физика имела меньше степеней свободы: физики-классики сильно ограничивали себя, считая возможным принимать лишь ограниченное число гипотез, причём естественных, интуитивно понятных и очевидных, а также опытно обоснованных. В классической физике противоречия нельзя было устранять формальным приёмом, проблему всегда требовалось решить строго. Поэтому в классической физике кризис был очень острым.
В то же время в неклассической науке острый кризис в принципе не может развиться, поскольку он был бы сразу устранён при помощи новых гипотез. То, что такие гипотезы, и впрямь, регулярно добавлялись, ещё раз доказывает, что неклассическая физика не вскрывает глубинное устройство мира, и представляет собой не микроскопическую, а лишь феноменологическую теорию, дающую только внешнее, формальное описание явлений, без понимания их причин и сути. Это объясняет, почему большинство явлений, открытых в XX веке, не были предсказаны ни теорией относительности, ни квантовой физикой, которые, предлагая лишь внешнее описание, не имели предсказательной силы в плане открытия новых феноменов, и лишь задним числом объясняли их, путём привлечением новых гипотез. Именно так, без помощи неклассической физики были открыты сверхпроводимость, сверхтекучесть гелия, свойства синхротронного излучения, весь набор элементарных частиц и космических объектов. Так же и многие приборы, о которых говорят, будто они были созданы лишь благодаря применению неклассической физики, реально были построены без её помощи и даже вопреки её догматам и прогнозам. Достаточно привести в пример историю Н.Г. Басова, который при создании мазера обращался ко многим видным специалистам по квантовой теории, и все они в один голос заявляли, что мазер не должен работать по квантовой теории [28]. Так же и Т. Мейман построил первый лазер, по его словам, не благодаря, а, скорее, вопреки идеям и принципам учёных, занимавшихся квантовой теорией. Однако, после того как мазер и лазер были созданы, их объявили триумфом квантовой теории и назвали квантовыми генераторами, хотя исходно они создавались и работали по классическим законам и вопреки квантовой теории. То же самое можно сказать об ускорителях, об атомных станциях. У истоков их создания, у истоков открытия ядерных реакций стояли физики-классики, в том числе Э. Резерфорд и Ф. Содди, которые скептически относились к теории относительности. Поэтому утверждение о том, что современные приборы и феномены подтверждают неклассическую физику, не вполне правомерно.
Предсказательная сила у всех неклассических феноменологических теорий есть лишь в тех рамках, в которых они были разработаны. Так же, как теория Птолемея, они объясняли только то, для чего их придумали, и не могли предсказать ничего нового. Удачность же предсказаний внутри ограниченного круга явлений, под который эти теории подгонялись, объясняется тем, что их формальный аппарат содержал верные соотношения между наблюдаемыми величинами, причём эти соотношения могли быть получены и в других теориях, в том числе в классических. Разница заключалась лишь в том, какие величины считали фиксированными, а какие переменными. Так, в теории относительности для интерпретации опыта Кауфмана считали фиксированной силу F, а переменной массу m, а в классической, наоборот, сила F менялась, а масса m была фиксирована, однако соотношение их a=F/m, которое собственно и измерялось в опыте, оказывалось одинаковым в обеих теориях. Примерно так и теория Птолемея предсказывала почти те же относительные положения планет на небосводе, что и теория Коперника, но если геоцентрическая теория фиксировала положение Земли и считала переменным положение Солнца, то гелиоцентрическая теория Коперника, наоборот, фиксировала координаты Солнца, а Землю полагала движущейся вокруг него. Таким образом, работоспособность неклассических теорий связана исключительно с тем, что в них используются те же математические соотношения, что и в классической теории, хотя понимаются эти соотношения совершенно иначе. И характерно, что ряд таких соотношений был получен впервые именно в классической физике, а потом уже заимствован квантовой и релятивистской физикой. Именно так неклассическая физика заимствовала у физиков-классиков спектральную формулу водорода и комбинационный принцип Ритца, соотношение Планка E=hf и соотношение E=mc2, полученное впервые Томсоном, Лоренцем и Хевисайдом в рамках классических теорий и имеющее совсем иной смысл, чем в теории относительности.
Остаётся вопрос о том, почему же физики пошли по пути неклассической физики и отказа от физики классической, хотя, как было показано выше, такой путь не был ни самым простым, ни самым естественным. Дело в том, что расцвет и признание неклассической физики пришлись на эпоху смутного времени 1910–1920 гг., когда мир переживал серьёзные потрясения в виде Мировой войны, голода, кризиса и Октябрьской революции в России. Это было в буквальном смысле смутное время, время безвластия не только в мире, но и в науке. В связи с войной наука пребывала в упадочном состоянии, она плохо финансировалась, научные школы распадались, учёные были разрознены и растеряны. И в это смутное время прийти к власти теоретически могла любая теория. Вот почему без особых усилий и без достаточных оснований была признана неклассическая физика в виде теории относительности и квантовой физики. Они не встретили должного сопротивления и критики со стороны физиков-классиков, хотя отдельные голоса протеста и раздавались. К тому же многие воспринимали эти революционные концепции как историческую необходимость, как свежие веяния, сметающие вместе с устоявшимся мировым строем и патриархальную классическую концепцию. Многие физики рассматривали эти неклассические теории как временные, в надежде, что постепенно всё прояснится, и эти теории либо обретут классическую интерпретацию, либо им будет найдена замена на основе строгих классических взглядов. Но проходило время и противоречия, расхождения новых теорий с классической физикой только углублялись. Когда же ситуация в мире более-менее стабилизировалась, и физики в 1920-х годах спохватились, начав указывать на необоснованность принятия неклассических концепций, было уже поздно. Неклассические концепции, принятые лишь как временные, прочно закрепились в науке, так что их критика стала восприниматься чуть ли не как ретроградство, как признак отсталости и неспособности воспринять новые физические концепции. Так что подобная критика часто не допускалась на страницы научных журналов.
Преобразовалось и само научное сообщество: ведущие физики-классики либо умерли, либо отошли от дел, многих физиков наука потеряла в ходе мировых войн и потрясений. Так российская интеллигенция была в значительной части физически уничтожена в годы Революции, эмигрировала или умерла голодной смертью. В итоге, на смену физикам-классикам пришло новое поколение физиков с искажёнными представлениями о мире, воспитанными на идеях неклассической физики. Как сказал Планк: "Обычно новые научные истины побеждают не так, что их противников убеждают и они признают свою неправоту, а большей частью так, что противники эти постепенно вымирают, а подрастающее поколение усваивает истину сразу". А те немногие физики-классики, кто выжил, старались вообще не подавать голоса и не высказывать своих взглядов. Они лишь сожалели, что не ушли из жизни раньше. Вот как сказал о новой физике Г. Лоренц в 1924 г.: "Где же истина, если о ней можно делать взаимно исключающие друг друга утверждения? Способны ли мы вообще узнать истину и имеет ли смысл вообще заниматься наукой? Я потерял уверенность, что моя научная работа вела к объективной истине, и я не знаю, зачем жил; жалею только, что не умер пять лет назад, когда мне всё ещё представлялось ясным... Взамен ясных и светлых образов возникает стремление к каким-то таинственным схемам, не подлежащим отчётливому представлению".
И действительно, современную неклассическую физику отличает, прежде всего, эклектичность её взглядов. Например, как было показано выше, первый и второй постулаты теории относительности, по сути, противоречат друг другу, откуда и проистекают все парадоксы СТО [6, 7, 9]. Ещё более противоречив корпускулярно-волновой дуализм квантовой механики, по которой частицу можно одновременно рассматривать как волну. В неклассической физике отвергаются такие фундаментальные понятия как детерминизм явлений природы и принцип причинности. Причём такой эклектизм, как замечал В.И. Ленин [12], часто выдаётся за диалектику, посредством подмены понятий. Квантовая механика якобы создаёт более общую целостную картину мира, хотя на деле она просто смешивает противоречащие друг другу понятия. Ленин же отмечал, что в неклассической физике сильна тенденция подменять физику математикой: "материя исчезает, остаются лишь уравнения" [29, 30]. То есть уже при зарождении неклассической физики были хорошо видны её идеалистические тенденции, чуждые духу материалистической науки. Эти тенденции ещё ярче проявились в дальнейшем – в космологии, в теории Большого взрыва (придуманной священником Ж. Леметром и, по сути, возвратившей науку к библейским байкам о сотворении мира), в физике элементарных частиц. Причём многие физики, основатели неклассической физики уже тогда не скрывали своих идеалистических взглядов, как отмечает С.И. Вавилов [30]. Таким образом, несмотря на то, что восторжествовала неклассическая физика, её победа не была обусловлена ни физическими, ни логическими, ни философскими причинами, но лишь исторической ситуацией, цепью случайностей и ошибок.
5. Заключение и выводы
Итак, в заключение можно сказать, что кризис физики начала XX века и впрямь имел серьёзные теоретические и экспериментальные причины и был связан с несовершенством классической картины мира. Однако эти проблемы объяснялись не ошибочностью классической картины мира, а её неполнотой, её идеализациями и упрощениями, бытовавшими в физике ещё со времён Ньютона (когда они были естественны и необходимы), а также несовершенством представлений о структуре материи, атома, о структуре и природе электромагнитного и гравитационного полей. Поэтому наиболее естественный выход из кризиса состоял бы в устранении идеализаций и более глубокой проработке картины мира. Ведь вся история развития физики показывает, что учёные строят сначала приближённую модель явлений, дают упрощённое описание в рамках некоторых идеализаций (модель планет в виде материальных точек, модель идеально твёрдого тела, модель идеального газа и т.д.), получая решение лишь в виде первого приближения. А затем физики постепенно уточняют это решение, отказываясь от идеализаций и грубых, упрощённых моделей, учитывают большее число факторов. Однако при разрешении кризиса XX века физики пошли не по этому закономерному и естественному пути отказа от идеализаций, а по пути полного отказа от хорошо зарекомендовавшей себя классической физики, с нагромождением вместо неё вороха противоречивых и ничем не обоснованных постулатов и гипотез. Научное сообщество пыталось преодолеть кризис с помощью неклассической науки, путём формального устранения противоречий и абстрактного, феноменологического, поверхностного описания явлений. Учёные абстрагировались от реальной структуры атомов, электрического и гравитационного полей, условившись описывать их как "чёрные ящики", через внешние характеристики с помощью формальных процедур и правил. Вот почему такой формальный путь, неточный и ограниченный, нельзя считать реальным выходом из кризиса.
Более того, этот путь оказался на поверку и не самым логичным, поскольку, во-первых, существовали более простые и последовательные классические теории, направленные на устранение давно известных слабостей и неточностей классической физики, а во-вторых, научное сообщество приняло неклассическую физику во многом ради сохранения того, что в итоге всё равно пришлось отвергнуть. Так, кризис свидетельствовал о ложности концепции эфира, от которой физики не желали отказываться и на которой изначально была основана теория Максвелла. И многие видели именно в теории относительности путь спасения эфира, даже сам Эйнштейн не отрицал эфир и, по сути, как Максвелл, сохранял его в своих уравнениях [13]. Однако в итоге от концепции эфира всё равно отказались, что ставит под сомнение и целесообразность принятия теории относительности. Так же и квантовую физику приняли для того, чтобы спасти планетарную модель атома, чтобы избавиться от бесконечностей и расходимостей, к которым приводила классическая модель. Однако в ходе развития квантовой физики всё равно отказались от планетарной модели атома: сейчас уже нельзя говорить, что электроны движутся по орбитам вокруг ядра. А, следовательно, не было смысла и в принятии квантовой теории. Вдобавок она привела к ещё большему числу расходимостей и бесконечностей, хотя бы в тепловом спектре, где, как в классической физике, получается, что на бесконечной частоте электроны имеют бесконечно большую энергию нулевых колебаний. То есть неклассическая физика не выполнила возложенных на неё функций, ради которых её и приняло научное сообщество. Однако к тому моменту она уже прочно закрепилась в науке и об этих исторических предпосылках неклассической физики забыли.
В целом, принятие неклассических представлений, ломающих прежнюю, прочно устоявшуюся классическую картину мира, во многом напоминает процесс Октябрьской Революции (имевшей с научной революцией общие исторические корни и предпосылки), победившей в эпоху безвластия и в отсутствие серьёзного противостояния, когда были в значительной степени истреблены или ослаблены носители классических традиций, дворянство и интеллигенция. Так же и в физике восторжествовала не сильнейшая, а самая скандальная, радикальная концепция, напрочь отвергавшая классические устои, принципы и тенденции развития физики. Многие отмечали нервную, неспокойную атмосферу того времени, своего рода массовый психоз общества, когда целые народы, сообщества людей и научные круги легко попадали под гипноз новых, революционных идей, начисто лишённых здравого смысла. Этому способствовали и открытые в 1910–1920 гг. некоторые экспериментальные факты, например, искривление световых лучей возле Солнца, а также соответствие измеренного смещения перигелия Меркурия с расчётом общей теории относительности. Однако эти же факты находили простое объяснение и в классической теории Ритца [9, 15, 22]. Но, по иронии судьбы, именно в это время физики отказались от теории Ритца в связи с анализом двойных звёзд, проведённым Де Ситтером. На поверку аргумент Де Ситтера оказался некорректным, и двойные звёзды, как показали уже тогда Э. Фрейндлих и П. Гутник, как раз подтверждали теорию Ритца [8, 13]. Но их аргументы не приняли во внимание, а сам Ритц к тому времени уже умер и не мог ответить на критику. Поэтому все факты с тех пор стали интерпретировать односторонне, лишь с точки зрения теории относительности. А развитие всех альтернативных классических теорий было приостановлено вместе с публикациями по ним, что и позволило физикам нового поколения утверждать, будто лишь неклассическая физика способна объяснить известные явления.
Так и до сих пор все экспериментально установленные факты учёные интерпретируют лишь с позиций квантовой физики и теории относительности, даже если эти факты исходно не вписывались в рамки этих теорий, не могли быть ими предсказаны и даже противоречили им. Как верно замечает Т. Кун, в рамках сложившейся парадигмы уже не факты судят теорию и определяют верна она или нет, а учёные судят факты, рассматривая их сквозь призму своей теории, и определяют, могут ли эти факты войти в осмысленный опыт, интерпретируют их с точки зрения теории, или отвергают как противоречащие теории [31]. И действительно, на данный момент накопилось огромное число фактов, противоречащих неклассической картине мира, но сравнительно легко объяснимых в рамках классических концепций, включая баллистическую теорию Ритца и классическую модель атома [6–9]. Это ещё раз доказывает, что неклассическая физика не устранила кризис, но лишь отсрочила его на неопределённое время. Если провести аналогию, то кризис физики можно сравнить с трещиной в стене, которую, вместо того, чтобы ликвидировать, устранив причину разрастания трещины, просто замазали, закрасили по поверхности тонким слоем шпаклёвки и краски. И если из-за кризиса здание физики нуждалось в капитальном ремонте, то неклассическая физика, предложив формальное поверхностное устранение проблем, была, по сути, лишь косметическим евроремонтом, при котором дефекты не устраняли, а закрывали от глаз накладными стенными панелями, натяжными потолками и наливными полами, в форме искусственных постулатов и дополнительных согласующих гипотез. Поэтому в ближайшее время можно ожидать, что здание физики снова затрещит, и кризис разразится с ещё большей силой, а разрешить его можно будет лишь в рамках классической физики, через вскрытие глубоко скрытых противоречий, которые и привели к кризису начала XX века.
Литература:
1. Максвелл Дж.К. Избранные сочинения по теории электромагнитного поля. М.: Техтеоригиз, 1952.
2. Эренфест П. Относительность, кванты, статистика. М.: Наука, 1972.
3. Филонович С.Р. Самая большая скорость. М.: Наука, 1983.
4. Завельский Ф.С. Масса и её измерение. М.: Атомиздат, 1974.
5. Франкфурт У.И., Френк А.М. У истоков квантовой теории. М.: Наука, 1975.
6. Дёмин В.Н., Селезнёв В.П. К звёздам быстрее света. Русский космизм вчера, сегодня, завтра. М., 1993.
7. Дёмин В.Н., Селезнёв В.П. Мироздание постигая… М., Молодая Гвардия, 1989.
8. Fox J.G. Evidence Against Emission Theories // American Journal of Physics, V. 33, №1, 1965, p.1. (см. перевод на www.ritz-btr.narod.ru)
9. Семиков С.А. Баллистическая теория Ритца и картина мироздания. Н. Новгород: Стимул-СТ, 2010.
10. Окунь Л.Б. Понятие массы // Успехи физических наук, 1989, Т. 158, вып. 3.
11. Франкфурт У.И., Френк А.М. Оптика движущихся тел. М.: Наука, 1972.
12. Философский энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1989.
13. Martнnez A. Ritz, Einstein, and the Emission Hypothesis // Physics in Perspective, 2004, №6, с. 4–28. (см. перевод на www.ritz-btr.narod.ru)
14. Паули В. Теория относительности. М.: Наука, 1991.
15. Ritz W. Œuvres. Paris, 1911. (см. перевод на www.ritz-btr.narod.ru)
16. Орлов И. Основные формулы принципа относительности с точки зрения классической механики // Журнал Русского Физико-Химического Общества Т. XLVI (физ. отдел), вып. 4, стр. 163, 1914 г.
17. Галилей Г. Избранные труды. Т.2, М.: Наука, 1964.
18. Ньютон И. Оптика или трактат об отражениях, преломлениях, изгибаниях и цветах света. М.: Техтеоргиз, 1954.
19. Новая философская энциклопедия в 4-х томах. М.: Мысль, 2001.
20. Розенбергер Ф. История физики. М.-Л.: ОНТИ, 1936.
21. Льоцци М. История физики. М.: Мир, 1970.
22. Роузвер Н.Т. Перигелий Меркурия от Леверье до Эйнштейна. М.: Мир, 1985.
23. Мюллер М. Шесть систем индийской философии. М.: Искусство, 1995.
24. Бэшем А. Чудо, которым была Индия. М., 2000.
25. Тит Лукреций Кар. О природе вещей. М.: Художественная литература, 1983.
26. Мороз О.П. Свет озарений. М.: Знание, 1980.
27. Пуанкаре А. О науке. М.: Наука, 1983.
28. Крюков П.Г. Фемтосекундные импульсы. М.: Физматлит, 2008.
29. Ленин В.И. Материализм и эмпириокритицизм. М.: Политгиз, 1965.
30. Вавилов С.И. Ленин и физика. М.: АН СССР, 1960.
31. Кун Т. Структура научных революций. М.: Прогресс, 1977.
Дата установки: 04.06.2011
[вернуться к содержанию сайта]
17