Виталий Тихоплав.

Новая Физика Веры

(страница 3 из 32)

скачать книгу бесплатно

Фарадей открыл явление электромагнитной индукции (1831), установил законы электролиза, доказал взаимосвязь электрических и магнитных явлений с оптическими, открыл поляризацию диэлектриков, явления парамагнетизма. Но самое поразительное в том, что Фарадей первым шагнул за пределы физики Ньютона, введя в рассмотрение электрическое и магнитное поля как реальные объекты. Вместо вывода о том, что два противоположных заряда притягиваются точно так же, как две «точки массы» в ньютоновской механике, Фарадей счел более приемлемым утверждать, что каждый заряд создает вокруг себя особое «возбуждение», или «состояние», благодаря которому противоположный заряд, находящийся поблизости, испытывает притяжение. Состояние, способное порождать силу, и было названо полем. Причем поле создается каждым зарядом независимо от присутствия противоположного заряда, способного испытать его воздействие.

При этом Фарадей исходил из концепции близкодействия, отрицая распространенную в то время концепцию дальнодействия, согласно которой тела действуют друг на друга через пустоту.

Близкодействие – представление, согласно которому взаимодействие между удаленными друг от друга телами осуществляется с помощью промежуточных звеньев (или среды), передающих взаимодействие от точки к точке с конечной скоростью. Дальнодействие – представление, согласно которому действие тел друг на друга передается мгновенно через пустоту на сколь угодно большие расстояния (5).

Фарадей ввел также понятие о силовых линиях как механических натяжениях в эфире. Вот где особая упругая среда казалась незаменимой для последовательного преобразования электрических и магнитных полей одно в другое.

Во второй половине XIX века электродинамика получила свое развитие и завершение в трудах Дж. Максвелла. Опираясь на эмпирические законы электромагнитных явлений и введя гипотезу о порождении магнитного поля переменным электрическим током, Максвелл сформулировал фундаментальные уравнения классической электродинамики, названные его именем, создал теорию электромагнитного поля. Правда, уравнения Максвелла полезны тогда, когда нам необходимо узнать интенсивность электромагнитных полей или величины сил в какой-либо точке, но они не объясняют ни сути электромагнетизма, ни почему так происходит.

Из уравнений Максвелла вытекало важное следствие: существование электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света. Вершиной теории Максвелла, получившей название электродинамики, было, пожалуй, осознание того, что свет есть не что иное, как переменное электромагнитное поле высокой частоты, движущееся в пространстве в форме волн. Позднее уравнения Максвелла легли в основу электромагнитной теории света (6). При этом Максвелл, подобно Фарадею, объяснял результаты своих исследований с механистической точки зрения, считая поле напряженным состоянием эфира – очень легкой среды, заполняющей все пространство, а электромагнитные волны – колебаниями эфира. Это было вполне естественно, так как в волнах обычно видели колебание какой-либо среды: воды, воздуха и т. д.

Искусный теоретик электромагнитных волн, Д. Максвелл в своих построениях словно воочию видел возникающие при этом натяжения эфира. Что-то вроде упругих сил, действующих в деформированном растянутом или сжатом куске резины.

После экспериментов немецкого физика Г. Герца (1889), обнаружившего существование электромагнитных волн, теория Максвелла получила решающее подтверждение. Сегодня мы знаем, что и радиоволны, и волны видимого света, и рентгеновские лучи не что иное, как колеблющиеся электромагнитные поля, различающиеся только частотой колебаний, и что свет есть лишь незначительная часть электромагнитного спектра.

Итак, по мнению Фарадея и Максвелла, электромагнитную волну и электромагнитное поле следует понимать как деформацию эфира, сотканного из электрических зарядов.

Открытие электромагнитных волн существенно изменило представление о физической реальности. Ньютон считал, что силы тесно связаны с телами, между которыми они действуют. Теперь же место понятия «сила» заняло более сложное понятие «поле», соотносившееся с определенными явлениями природы и не имевшее соответствия в мире механики.

Желая найти общую основу для всей физики, Эйнштейн решил объединить две самостоятельные теории классической физики – электродинамику и механику. Первый его шаг к этой цели привел к созданию теории относительности.

О теории относительности

В нашей книге «Физика Веры» рассмотрены специальная и общая теории относительности Эйнштейна (2). Однако в связи с тем, что при рассмотрении физики ХХ века невозможно оставить в стороне основные положения теории относительности, кратко напомним их читателям.

В 1905 году молодой Эйнштейн опубликовал ряд работ, которые содержали три радикально новые идеи. Первая полностью отвергала существование эфира; вторая стала основой специальной теории относительности; третья заставила по-новому взглянуть на электромагнитное излучение и легла в основу теории атома – квантовой теории, которая в окончательном виде сформировалась через двадцать лет благодаря совместным усилиям целой группы физиков. Однако теорию относительности практически полностью разработал сам Эйнштейн.

Об эфире. Следует отметить, что во второй половине XIX века эфир был «притчей во языцех». Любые явления природы и любые процессы (физические, химические, биологические) ученые пытались объяснить с помощью эфира, наделяя его необходимыми для этого свойствами. Он должен был обеспечивать действие закона всемирного тяготения, а после открытия электромагнитных полей эфир оказался средой, по которой идут световые волны; на эфир была возложена ответственность за все проявления электромагнитных свойств (2).

Бурное развитие волновой теории света заставило наделять эфир просто фантастическими свойствами, причем зачастую свойства, приписываемые эфиру для объяснения одних явлений, противоречили свойствам, требующимся для объяснения других явлений. И в то же время не было экспериментов, которые позволили бы отрицать эфир. Постепенно, однако, объяснения световых явлений на основе эфирной гипотезы стали выглядеть все более искусственными. Стало складываться убеждение о несовершенстве основ классической физики. С целью выхода из кризиса был взят курс на разработку специальной физики – физики больших скоростей, близких к скорости света (релятивистская физика).

Проверка действенности основных положений классической физики при световых и околосветовых скоростях привела к обоснованным сомнениям в существовании эфира. Особенно к печальным последствиям привел науку опыт Майкельсона, проведенный в 1881 году (2). В начале ХХ века Альберт Эйнштейн, основываясь на результатах экспериментов Физо и Майкельсона, вынес смертельный приговор эфиру, предложив «забыть об эфире и постараться никогда больше не упоминать о нем» (7).

Предложение Эйнштейна охотно подхватило большинство физиков, поскольку безуспешность многочисленных попыток примирить между собой противоречивые свойства эфира и разработать приемлемую его теорию была просто удручающей. А так… как говорится: «Нет объекта, нет проблемы».

Самое поразительно, что сам Майкельсон, лауреат Нобелевской премии по физике 1907 года, несмотря на нулевые результаты опыта, проведенного в 1881 году, не сомневался в существовании эфира и постоянно искал возможности опытного подтверждения его существования.

Исчерпав все возможности обнаружить эфирный ветер при орбитальном движении Земли, Майкельсон сформулировал исходные предпосылки нового, так называемого ротационного опыта, который осуществил Саньяк в 1911 году (8). Маленький интерферограф Саньяка был собран на вращающемся диске так, что два когерентных световых луча при помощи светоделительной пластины и трех зеркал описывали замкнутые ломаные кривые по периметру диска во взаимно противоположных направлениях и сводились в зрительную трубу для получения интерференционной картины. Предполагалось, что у поверхности Земли эфир неподвижен и вращение в нем диска обусловит встречный эфирный ветер для одного луча и попутный для другого.

Результаты опыта Саньяка превзошли все ожидания: они с поразительной точностью совпали с теоретическими расчетами. Эфир был зарегистрирован однозначно, и возникло неразрешимое противоречие с нулевыми результатами опыта Майкельсона 1881 года.

Известный советский специалист по физической оптике академик и президент АН СССР С. И. Вавилов по этому поводу сказал: «Если бы явление Саньяка было открыто раньше, чем выяснились нулевые результаты опытов Майкельсона, оно, конечно, рассматривалось бы как блестящее экспериментальное доказательство наличия эфира. Но в ситуации, создавшейся в теоретической физике после опытов Майкельсона, опыт Саньяка разъяснял немногое» (8).

Дело в том, что к моменту обнаружения эфира в опыте Саньяка в науке уже были сформулированы и заняли прочные позиции «безэфирные» физические теории. Поэтому предпочтение было отдано результатам опыта Майкельсона, а результаты опыта Саньяка были проигнорированы на основании того, что «они непонятны и ничего не объясняют».

В 1925 году неугомонный Майкельсон осуществил свой ротационный опыт, в котором в качестве платформы (диска) использовался земной шар в его суточном вращении. Интерферометр представлял собой прямоугольник, выполненный из металлических труб, внутри которых располагались полупрозрачные пластины и зеркала. Две стороны интерферометра длиной по 613 м были уложены точно вдоль земных широт, а две другие длиной по 339,5 м – вдоль земных меридианов. Результаты опыта убедительно свидетельствовали о существовании эфира. Майкельсон заявил: «По всей вероятности, эта среда не только находится везде, где существует обыкновенная материя, но и проникает во все формы материи» (8).

Однако, как и в предыдущем случае, новые результаты также были проигнорированы и снова лишь потому, что противоречили полученным в 1881 году нулевым результатам опыта Майкельсона. Проникновение в физику принципа «кто раньше успел» достойно сожаления. Если бы наука вовремя признала существование эфира, то ее развитие могло бы, по-видимому, пойти в другом направлении.

Специальная теория относительности. Эйнштейн был твердо уверен в том, что природе изначально присуща гармония, и его научной деятельностью руководило желание найти общую основу для всей физики. Первым его шагом к этой цели было объединение двух самостоятельных теорий классической физики – электродинамики и механики – под эгидой специальной теории относительности (СТО). Она объединила и дополнила построения классической физики и одновременно потребовала решительного пересмотра традиционных представлений о времени и пространстве, подорвав одно из оснований ньютоновского мировоззрения.

Согласно специальной теории относительности, пространство само по себе, как и время само по себе, есть противоречивые, неопределенные сущности и только их объединение представляет независимую, непротиворечивую сущность, известную в науке как четырехмерное пространство Минковского. Эйнштейн объединил пространство и время в единый четырехмерный «пространственно-временной континуум». Все измерения в пространстве и времени, которые становятся относительными, теряют свой абсолютный характер.

Понятия времени и пространства настолько основополагающи, что их изменение влечет за собой изменение общего подхода к описанию явлений природы. Мы еще вернемся к этим изменениям, а пока отметим одно из важных последствий этого изменения: осознание того, что масса – одна из форм энергии. Даже неподвижный объект наделен энергией, заключенной в его массе, и их соотношение выражается знаменитым уравнением Е = mС2, в котором С– скорость света в вакууме, С = 300 000 км/с. Для описания физических явлений, при которых действуют скорости, близкие к скорости света, всегда следует пользоваться теорией относительности. Это касается и всех электромагнитных явлений, одним из которых является свет. Явления, описываемые теорией относительности, называются релятивистскими (лат. relativus – относительный).

Следуя своей философской концепции о том, что теория должна вытекать из опыта, Эйнштейн, опираясь на эксперимент Майкельсона 1881 года, ставит свет в особое положение. Скорость света, по Эйнштейну, является предельной скоростью передачи любых взаимодействий и сигналов из одной точки пространства в другую, постоянной в любых инерциальных системах отсчета (ИСО) (4).

Второй постулат СТО гласит: «Скорость света в вакууме одинакова по всем направлениям в любой области данной инерциальной системы отсчета (ИСО) и одинакова во всех ИСО» (9).

Однако еще до Эйнштейна на основании глубокого анализа теории электромагнетизма Г. Лоренц и независимо от него Д. Ламор установили вид преобразований координат, которыми нужно заменить преобразования Галилея, чтобы обеспечить применимость теории Фарадея – Максвелла к движущимся системам. Эти преобразования получили название преобразований Лоренца. Именно Лоренц доказал постоянство скорости света в вакууме в любых ИСО, причем преобразования были получены им из теории электромагнетизма без использования принципа относительности. Сам Эйнштейн указывает, что «специальная теория относительности (СТО) происходит из факта постоянства скорости света в вакууме, установленного Лоренцем в соответствии с электродинамикой Максвелла» (9). В наши дни это положение уже не является следствием теоретических выкладок и тем более постулатом, это экспериментально проверенный факт, достоверность которого подтверждена всей практикой технической физики. В частности, на основе этого положения ведутся расчеты ускорителей заряженных частиц, в том числе гигантских.

Устранение эфира поставило перед Эйнштейном вопрос: что же такое поле? По мнению Фарадея и Максвелла, электромагнитное поле, в частности, следовало понимать как деформацию эфира. Отказавшись от переносчика взаимодействия (от эфира), Эйнштейн оказался в тяжелом положении и вынужден был выдвинуть гипотезу: «…силовое поле является самостоятельной физической реальностью, не нуждающейся в субстрате» (9). Иначе просто невозможно объяснить существование силовых полей в волновой зоне, вдали от вещества. А чтобы объяснить механизм распространения света появилась гипотеза световых квантов, согласно которой «электромагнитное излучение представляет собой поток отдельных квантов (фотонов), обладающих противоречивыми свойствами частицы и волны, не требующей носителя» (9).

Ничего не поделаешь: гении совершают гениальные ошибки! А авторитет гения довлеет над подавляющим большинством ученых. Наука начала интенсивно развиваться в направлении «безэфирной физики».

Стоит отдать должное великому ученому, который позднее пересмотрел ранее сделанные выводы и публично признал свою ошибку. Он пришел к выводу, что существование эфира все-таки следует признать, ибо, по его мнению, в любой теории, в том числе квантовой, эфир необходим для обеспечения непрерывности физических полей и устранения дальнодействия.

Эйнштейн писал:

Согласно общей теории относительности пространство немыслимо без эфира… Мы не можем в теоретической физике обойтись без эфира, то есть континуума, наделенного физическими свойствами… В пространстве без эфира не только было бы невозможно распространение света, но не могли бы существовать масштабы и часы и не было бы никаких пространственно-временных расстояний в физическом смысле (10).

К сожалению, основы «безэфирной физики» не были пересмотрены, ибо к тому времени ее развитие зашло уже достаточно далеко. Следует отметить, что сегодня существование эфира признано наукой, но под термином «физический вакуум».

Академик А. Е. Акимов говорит: «Для нас сейчас физический вакуум – это то, что остается в пространстве, когда из него удаляют весь воздух и все до последней элементарные частицы. В результате получается не пустота, а своеобразная материя – Прародитель всего во Вселенной, рождающий элементарные частицы, из которых потом формируются атомы и молекулы» (2).

Общая теория относительности. Необычен подход Эйнштейна к интерпретации геометрического знания. До конца XIX века на западноевропейскую философию и науку оказывала огромное влияние греческая геометрия. Считалось, что евклидова геометрия отражает истинную сущность пространства, поэтому она чаще всего интерпретировалась как универсальная, присущая самой природе система законов. Теория относительности в значительной степени изменила это понимание.

А все началось с того, что Эйнштейн обратил внимание на связь между гравитационными полями и геометрией пространства. В 1915 году он выдвинул общую теорию относительности (ОТО), в которой осуществил еще одно объединение. Геометрические свойства пространства были объединены с чисто физической сущностью гравитации. Оказалось, что богатые свойствами геометрические структуры, такие как псевдориманово пространство, в состоянии абсорбировать в себе всю физическую сущность даже такой фундаментальной природной силы, как гравитация. Гениальность Эйнштейна проявилась в том, что он сумел на языке свойств геометрического пространства описать физическую реальность.

Согласно ОТО, гравитация способна «искривлять» время и пространство. Это означает, что в искривленном пространстве законы евклидовой геометрии не действуют, так же как двухмерная плоскостная геометрия не может быть применена на поверхности сферы. Теория Эйнштейна утверждает, что трехмерное пространство действительно искривлено под воздействием гравитационного поля тел с большой массой.

Массивное тело не может существовать, не создавая гравитационного поля, проявляющего себя в искривлении окружающего это тело пространства. Не следует считать, что поле «наполняет» пространство и тем самым искривляет его. Поле само по себе является искривленным пространством! В общей теории относительности гравитационное поле и структура, или геометрия, пространства воспринимается как одно и то же понятие. В уравнениях поля Эйнштейна им соответствует одна и та же математическая величина. Следовательно, в теории Эйнштейна вещество не мыслится вне этого гравитационного поля, а гравитационное поле не мыслится без искривленного пространства. Таким образом, вещество и пространство воспринимаются как непрерывно связанные понятия, даже более того – как взаимосвязанные частицы единого целого.

Пространство вокруг таких тел – планет, звезд и т. д. – искривлено, и степень искривления зависит от массы тела. А поскольку в теории относительности время не может быть отделено от пространства, присутствие вещества оказывает воздействие и на время, вследствие чего в разных частях Вселенной время течет с разной скоростью. В то время как классическая физика рассматривает движение твердых тел в пустом пространстве, в ОТО сама структура пространства – времени зависит от распределения вещества во Вселенной и понятие «пустого пространства» вообще теряет смысл (2). Более того, если раньше полагали, что с исчезновением материи остается пустое пространство, то теория относительности утверждает, что с исчезновением материи исчезнет и пространство.

Что касается понятия твердого тела, то оно было поставлено под сомнение атомной физикой – наукой о бесконечно малом. Одновременное появление теории относительности и теории атома поставило под сомнение представление ньютоновской механики об абсолютном характере времени и пространства, о твердых элементарных частицах, о строгой причинной обусловленности всех физических явлений и о возможности объективного описания природы. Старые понятия не находили применения в новых областях науки.

Первые шаги в мир бесконечно малого

Началом атомной физики явились два открытия конца XIX века, необъяснимые с позиций классической физики. Первое свидетельство в пользу того, что атомы обладают какой-то структурой, появилось в 1895 году с открытием немецким физиком В. Рентгеном рентгеновских лучей – нового вида излучения, быстро нашедшего свое применение в медицине. При помощи рентгеновских лучей Макс фон Лауэ исследовал атомную структуру кристалла. Однако рентгеновские лучи были не единственным видом излучения, испускаемого атомами. Вскоре после их открытия французский физик А. Беккерель в 1896 году обнаружил другой вид излучений, испускаемых так называемыми «радиоактивными элементами». Это излучение стали называть радиоактивным. «Радиоактивностью называется превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы другого элемента, сопровождающееся испусканием некоторых частиц» (4).

Явление радиоактивности подтверждало, что атомы таких элементов не только испускают различные излучения, но и превращаются при этом в атомы совершенно других элементов, что говорит о сложности строения атома.

Планетарная модель атома. Английский физик Эрнест Резерфорд обнаружил, что так называемые альфа-частицы, исходящие от радиоактивных веществ, можно использовать в качестве высокоскоростных снарядов субатомного размера для исследования внутреннего строения атома. Он подвергал атом обстрелу альфа-частицами и по их траекториям после столкновения определял, как устроен атом.

В результате бомбардировки атомов потоками альфа-частиц Резерфорд получил сенсационные и совершенно неожиданные результаты. Вместо описанных древними твердых и цельных частиц перед ученым предстали невероятно мелкие частицы-электроны, движущиеся вокруг ядра на достаточно большом расстоянии. Электроны, казалось, были прикованы к ядрам некими силами.



скачать книгу бесплатно

страницы: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

Поделиться ссылкой на выделенное