Сергей Струговец.

Естественная механика природы



скачать книгу бесплатно

Из представлений о простоте и рациональности окружающего нас Мира логично следует, что и описание его не должно быть сложным. Соответственно, не знаю, насколько это удалось, но я старался изложить свои мысли в максимально простой и доступной форме. Основной упор был сделан на физико-философское, смысловое содержание, на наглядные и простые примеры, на наиболее известные и проверенные факты. То же самое касается терминологии и математического аппарата. В книге приведено всего около восьмидесяти математических формул. Практически все они – это простейшие алгебраические уравнения и неравенства, из которых около половины либо входят в школьный курс, то есть широко известны, либо имеют вспомогательное назначение. Лишь одно уравнение относится к комбинаторике, и в ряде мест, при необходимости, используются дифференциалы. К каждой формуле дано пояснение. Может быть, кому-то эти пояснения покажутся излишне подробными, но я посчитал, что в данном случае «перебор» лучше, чем «недобор». Такой подход был выбран не только для того, чтобы облегчить читателю восприятие книги, но и с целью подчеркнуть её главную мысль, уверенность в том, что самые фундаментальные количественные закономерности в природе очень просты, поэтому для их объяснения и понимания необходимо и достаточно применять лишь самый простейший и общедоступный математический аппарат.

Разумеется, я не мог и обойтись в этой книге без серьёзной критики методологии и других правил современной науки. Да, критиковать общепризнанное – труд тяжёлый, неприятный и, как показывает история, даже опасный. Я бы с радостью его избежал, если бы этого не требовалось для объяснения причин того, почему в истории науки всё случилось так, как случилось. Ведь не объяснив этих причин, трудно даже гипотетически представить себе, что многое из того, что мы считаем сегодня окончательно обоснованным наукой, что лежит в её фундаменте, на самом деле есть всего лишь следствие целой цепи накопившихся за века заблуждений, в конце концов, приведших теоретическую физику к отказу от механистических воззрений на природу, тогда как получается, что, в действительности, в основе мироздания лежат совершенно естественные законы механики и ничего кроме них. Впрочем, абсолютно безошибочной наука быть не может. Пожалуй, нет ничего, что так отдаляло бы нас от реальности, как уверенность в абсолютном и вечном соответствии ей нашего собственного мнения. Только в постоянных сомнениях и спорах, чередуя выдающиеся открытия с величайшими заблуждениями, совершая ошибки, находя, признавая и исправляя их, мы способны шаг за шагом объяснять себе окружающий нас Мир, приближаясь к объективному его пониманию лишь асимптотически. Другого нам не дано. Наша история многократно нам это доказывала. Понимая это, невозможно раскрашивать научное наследие учёных прошлого (в том числе и далёкого прошлого) в тёмные тона и не признать их выдающихся заслуг, что определило один из основных лейтмотивов книги.

Отдавая дань уважения учёным прошлого, я искренне желаю успеха своим современникам и людям будущего, которым, как я надеюсь, эта книга окажется полезна.

Кроме того, я столь же искренне, заранее благодарю всех, кто дополнит эту книгу своими мыслями, а, обнаружив в ней неизбежные в любом новом деле ошибки и недочёты, исправит их, даже если это будет означать полное опровержение моих взглядов (обоснованное фактами, конечно). Будучи твёрдо уверенным в соответствии изложенной ниже мировоззренческой концепции объективной реальности, в том, что наш Мир, в тех пределах, где мы уже успели накопить эмпирические знания о нём, принципиально устроен именно так и не может быть устроен иначе, я столь же твёрдо знаю и то, что любой человек может ошибаться.

Нельзя не согласиться, что «факты являются той архимедовой точкой опоры, при помощи которой сдвигаются с места даже самые солидные теории». Но позвольте мне продолжить эту фразу Планка, завершив её словами: «… и рычагом Архимеда здесь служит человеческий разум». Ему, разуму людей, я посвящаю и с поклоном отдаю на суд эту книгу.

Вводная часть. Неужели Мир так сверхъестественно сложен?

Наши знания теперь шире и глубже, чем знания физика девятнадцатого столетия, но таковы же и наши сомнения и трудности.

А. Эйнштейн

Давайте, вслед за Эйнштейном, посмотрим на мироздание глазами жителя Земли конца девятнадцатого века, даже не профессионального ученого, а просто образованного человека. Мир логичен и понятен. Наука шаг за шагом объясняет его устройство, используя для этого предельно ясные механические аналоги. Во всех явлениях природы проявляется удивительное единообразие и взаимосвязь, что подтверждают уже сформулированные законы сохранения. Многообразие форм материи сведено к ограниченному количеству составляющих её атомов, свойства которых, в свою очередь, упорядочены недавно открытой периодической системой Менделеева. Взаимосвязь атомов описывается с помощью всего лишь двух полей (гравитационного и электромагнитного), которые представляются, как проявление свойств особой формы материи – эфира, заполняющего всё пространство Вселенной. Теория эфира увязывает волновую сущность света и других излучений с корпускулярно-полевой моделью строения материи. Правда, эфир представляется почти как однородный газ (иначе, казалось бы, как объяснить, что вещество в нём движется?), а уже известно, что в газе возникают лишь продольные волны, тогда как свет проявляет свойства поперечных волн, характерные для твёрдых тел. Но это кажется лишь временным затруднением.

На стыке девятнадцатого и двадцатого веков Томсон открывает электрон, а к Планку приходит мысль о дискретности (квантовой сущности) такой физической величины, как энергия излучения.

Примечание. Предположение, что свет распространяется потоками дискретных корпускул, сделал ещё Ньютон. Но то что, дискретные кванты излучения возникают и поглощаются веществом мгновенно – это идея Планка.

Появляется уверенность, что ещё немного и после окончательной «расшифровки» состава атомов будет найден тот, скорее всего, единственный кирпичик, из множества которых состоит материя-вещество, а свойства эфира и распространение в нём электромагнитного излучения, в том числе взаимосвязь корпускулярных и волновых свойств последнего, тоже получат, наконец, точное механистическое объяснение. Эти открытия должны были привести к следующему этапу упрощения представлений о фундаментальных основах мироздания. Теперь уже почти до предела.

Но процесс развития физического мировоззрения вдруг резко меняет курс на прямо противоположный. Наши представления о мироздании начинают усложняться всё более и более. Эта тенденция сохраняется до сих пор. Мы, пожалуй, сейчас действительно чувствуем себя менее уверенными в своём мировоззрении, чем люди девятнадцатого века, хотя знаем намного больше, чем они. Эйнштейн здесь совершенно прав. Более того, в современной теоретической физике, по-моему, сложилась ситуация, когда она уже вообще не может логично совместить результаты новых наблюдений. Знания стремительно накапливаются, но это не приводит к лучшему пониманию мироздания, скорее наоборот. Чтобы сохранить возможность хоть что-то объяснять, наука приносит в жертву все три фундаментальные физические величины, взятые за основу системы единиц механики и не только механики: массу, длину, время. Теперь они относительны и абсолютны одновременно, причем не в наблюдениях, а реально (пример – парадокс близнецов). Место этих физических величин, отражающих непосредственные измерения, занимают искусственные производные от них, такие как энергия, энтропия, волновая функция и так далее. Именно с их помощью математически формулируются новые фундаментальные законы физики, именно они начинают восприниматься, как нечто реально существующее, а не введённые нами абстрактные научные понятия, объясняющие количественные закономерности в наблюдаемых природных явлениях. В результате масса стала единой даже не в двух (что уже противоречило логике), а в трёх лицах – инертная, тяжёлая и аналог энергии.

Примечание. Введение в физику дуализма, а затем триединства массы противоречит логическому закону тождества, сформулированному ещё Аристотелем. Смысл этого закона в том, что «понятие в ходе рассуждений должно употребляться в одном и том же значении» [5] (статья «Аристотель»). С этим трудно не согласиться.

После официального признания наукой теории относительности неизбежным становится фактический отказ от законов сохранения. Но и это помогает лишь временно. Следует очередная жертва – отказ от философской логики и механистического (наглядного) принципа объяснения всех физических явлений. Всё это заменяется почти исключительно математикой. Снова не помогает. Математический аппарат, применяющийся для установления взаимосвязи параметров физических явлений, усложняется неимоверно. Теперь уже и речи быть не может об их образном восприятии. Если бы это касалось лишь надстроечных явлений, которые, безусловно, очень сложны и которых в нашем Мире великое многообразие, то это было бы понятно. Но нет. Сложность математического аппарата растет как раз в описании фундаментальных основ мироздания.

Одним из главных претендентов на роль обобщающей теории фундаментального устройства Вселенной является сегодня теория струн и её модификации. Эта основанная на сложных математических уравнениях теория в различных своих вариантах использует для описания пространства-времени и материи Вселенной 10 или 11 измерений, а одна из её модификаций (бозонная) даже 26 (двадцать шесть!!!) [5] (статья «Теория струн»). По существу, современная теоретическая физика вообще не ограничивает количество измерений. Отсюда следует вывод, что наш Мир намного сложнее, чем тот и без того уже сверхсложный Мир, представления о котором сформировались до появления этой теории. Обратите внимание, что дополнительные (к четырём наблюдаемым) измерения пространства-времени в теории струн не определены экспериментально, вообще не даны нам в ощущениях, а лишь выведены математически.

То же самое происходит и в космологии, традиционной основе формирования нашего мировоззрения. Здесь наиболее ярким примером являются тёмная материя и тёмная энергия. Их существование, опять же, не доказано экспериментально, а лишь предсказано на основе вычислений, устраняющих противоречия между наблюдаемыми явлениями и их математическим описанием в рамках официально признанных наукой теорий. Учитывая, что эти вычисления показывают подавляющее количественное превосходство тёмной (ненаблюдаемой) материи и энергии над наблюдаемыми объектами природы, остается только признать, что большая часть мироздания настолько сложна, что вообще не поддаётся пока наблюдению и осмыслению.

Ну, а микромир, где, как мы считаем, успехи теоретической физики сегодня наиболее значительны, и где наиболее вероятно скрываются основные тайны мироздания? Может быть, там дело обстоит проще и понятнее? Нет. Для описания сотен открытых микрочастиц (их количество уже превзошло количество элементов в системе Менделеева, включая полученные искусственно) и их свойств не хватает терминов, а для их обозначения символов. Применяются такие термины, как «красота», «аромат», «очарование», «цветность», «странность». Как минимум, 24 «фундаментальные частицы» (вместе с античастицами) [5] (статья «Фундаментальная частица») мы считаем конечными (неделимыми) элементами мироздания. Плюс калибровочные бозоны и нейтрино. Даже совершенно фантастические представления о превращении вещества (массы) в «чистую» энергию, и наоборот, не поколебали нашей уверенности в этом. Таким образом, процесс изучения микрочастиц явно идёт лишь вширь, укрепляя нашу и без того уже утвердившуюся веру в практически непостижимую сложность окружающего нас мира. Хорошо, пусть мы экспериментально обнаружили бозон Хиггса (или посчитали, что обнаружили). Это намного увеличило наше понимание природы и упростило наше мировоззрение? Вряд ли. Ведь в «Стандартной модели физики элементарных частиц», предсказывающей существование этой частицы, не учтена гравитация – явная основа мироздания. Как может математическая модель, не учитывающая гравитацию, точно предсказать существование частицы, определяющей величину массы любого вещества? Ведь даже если такая частица и даст нам понимание того, как формируется инертная масса вещества, то это ничуть не приблизит нас к разгадке тайн гравитона и эквивалентности тяжелой и инертной массы. Таким образом, из-за практически полного отказа теоретической физики от попыток объяснить что-либо иначе, чем с помощью математических формул, наука и в области элементарных частиц вынуждена приносить в жертву логику и физический смысл. Многовековой научный диспут между сторонниками корпускулярной и волновой природы света и других излучений закончился вничью. Была официально принята математическая концепция корпускулярно-волнового дуализма: сначала для излучения, затем для всех элементарных частиц, а впоследствии и для вещества и энергии в целом. Корпускулярно-волновой дуализм дополнил заложенный в основу квантовой механики принцип неопределённости (вероятности) всех наблюдаемых событий. Дадим слово Эйнштейну: «…заменив поле в смысле первоначальной теории поля на поле распределения вероятности, мы получим метод, который… приводит к наиболее полезной теории весомой материи. За необычайный успех этой теории пришлось платить двойной ценой: отказаться от требования причинности (ее никак нельзя проверить в атомной области) и оставить попытки описания реальных физических объектов в пространстве и времени (выделено и подчеркнуто мной, – С.С). Вместо этого используется косвенное описание, с помощью которого можно вычислить вероятность результатов любого доступного нам измерения» [Альберт Эйнштейн. Собрание научных трудов. Т. IV. М.: Наука, 1967. – С 316 – 321]. Добавило ли это понимания в наше мироощущение? Скорее наоборот, наука здесь уже вплотную приблизилась почти к средневековой мистике и вере в сверхъестественное.

Примечание. Слово «мистика» приобрело сегодня достаточно много значений, зачастую связанных с противопоставлением науки и религии, но в данной книге оно употребляется только в одном. Мистика – это то, что, не имея собственного наглядно представимого образа, воспринимается, как нечто реально существующее и влияющее на наглядно представимую материю, а также, соответственно, мнения и теории, «исходящие из того, что подлинная реальность недоступна разуму» [2] (статья «Мистицизм»).

При такой сложности представлений о природе и их фактической монополии в науке неизбежны противоречия во взглядах на наш Мир людей, не желающих смириться с тем, что их разум уже не в состоянии воспринимать современные им официальные научные объяснения. Доказательством этому является возникновение множества альтернативных официальной науке теорий, которые чаще всего ею просто игнорируются или, в лучшем случае, принимаются во внимание без каких-либо серьёзных попыток учесть их. Правда, зачастую эти альтернативные теории чрезвычайно экзотичны, и связать их со всей совокупностью наших знаний о природе практически невозможно. Сюда же следует отнести и «паранормальные явления». Введя этот термин, официальная наука, по сути, дала себе возможность произвольно выбирать, какие из объективно наблюдаемых в природе явлений она должна объяснять, а какие может не учитывать. Таким образом, теоретическая физика распалась на официальную, альтернативную (которая в качестве равноправной официальной не рассматривается) и паранормальную части. Более того, сама официальная теоретическая физика уже фактически разделилась на несколько не связанных между собой фрагментов. В [7] приведена цитата из высказываний Макса фон Лауэ, ученика Планка: «…в течение многих лет Планк стремился уничтожить пропасть между классической и квантовой физикой или хотя бы перебросить мост между ними. Он потерпел неудачу, но его усилия не были напрасными, так как доказали невозможность успеха таких попыток». Вот так – ни больше, ни меньше. Оба указанных направления в физике при этом не опровергают друг друга, оба считаются применимыми в науке. А моста между ними нет и, по мнению фон Лауэ, даже быть не может. И это мнение профессионального физика, Нобелевского лауреата, который в нём не одинок. Такого же мнения придерживался, например, и Нильс Бор.

А ведь Макс Планк был основоположником квантовой теории. И, судя по тому, что мне довелось про него узнать в [5] (статья «Планк») и в [7], даже судьба собственной идеи, сделавшей ему имя в науке, не могла заставить его пожертвовать единством физики, и вообще тем, что в философском и общечеловеческом плане он считал правильным. Совсем не случайно, именно слова Планка я выбрал в качестве эпиграфов к большинству глав этой книги. Честность этого человека, его бесстрашная готовность во имя торжества истины пожертвовать многим, в том числе и своим научным авторитетом, точность, с какой он формулировал свои мысли, не может не вызывать уважения и желания следовать его примеру. Этим качествам Планка не раз отдавал должное в своих высказываниях и Эйнштейн. По-моему, Планк доказал не то, что написал фон Лауэ, делая ему комплимент с оттенком высокомерия ученика (судя по всему, действительно хорошего ученика), уверенного в том, что он превзошёл своего учителя, а как раз обратное:

– что любая новая теория, так или иначе, базируется на уже накопленных наукой и человечеством в целом знаниях и представлениях;

– что, изменяя наше восприятие реальности, новая теория должна дать взамен только ещё более логичные, ясные и лучшим образом взаимосвязанные между собой и с другими теориями всех без исключения наук понятия;

– что, даже полностью отвергая прежние научные взгляды, новая теория обязана объяснить причины их появления в прошлом и признать их как предпосылки своего создания, позволившие уменьшить количество возможных вариантов восприятия реальности, то есть, как неоспоримый вклад в науку;

– что поиск истины и научная честь должны быть для учёного выше любых личных и корпоративных интересов.

По-моему, Планк стремился именно к этому. Никто из нас, людей, никогда не достигает всего, чего он хочет, и никогда не бывает во всём прав. Но Планк показал и доказал необходимость такого стремления. Браво, господин Планк!

Сделав это небольшое отступление, вернёмся к основной теме. Напрашиваются вопросы. Почему же именно в двадцатом веке, именно теоретическая физика, неимоверно усложнив наши представления о Мире, одновременно обеспечила и невиданный в истории человечества технический прогресс? Разве это не является доказательством того, что эта наука на правильном пути?

Для ответа давайте разберёмся, как способствуют техническому прогрессу понимание (теория) и знание (опыт, практика). В первую очередь, речь далее пойдет о теоретической базе естественных наук, но, учитывая явную взаимосвязь всех научных теорий, это касается и гуманитарных наук, а через них и всей нашей цивилизации.

Хорошо отражающая объективную реальность теория, конечно, делает прогресс более целенаправленным и, в силу этого, экономным. Кроме того, такая теория предотвращает развитие ситуаций, когда наши желания и цели выходят за рамки наших возможностей. С недавних пор очень большое значение понимание реальности имеет и в плане обеспечения техногенной безопасности. Ведь даже сегодняшние наши технические достижения уже позволяют нам уничтожить себя и всё живое вокруг. Поэтому идти «на ощупь» по пути прогресса в таких отраслях, как, например, ядерная энергетика – это большой риск. То есть без правильного научного понимания природы, технический прогресс ограничен и опасен, как недопустимым перенапряжением всей нашей экономики (отсюда общественные кризисы и катаклизмы), так и увеличением вероятности глобальной техногенной катастрофы. Впрочем, теория, неверно отражающая реальность, здесь даже опаснее, чем её полное отсутствие. Но до этих критических пределов, переступить которые даёт возможность, по-моему, только правильная теория, технический прогресс вполне способен к самостоятельному развитию даже и без развития фундаментальной науки вообще. В промежутках между указанными кризисами, практически применимые результаты технического прогресса обеспечивают, в основном, прикладные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы (НИОКР), а также развитие технологий, то есть средств и методов производства. Здесь на первом месте по значимости опыт, эксперимент и изобретательская деятельность (в том числе и по организации производства). Эксперименты, проводящиеся в целях теоретической физики и других наук, не раз приводили к полезным изобретениям и открытию побочных эффектов, которые не имели большого значения для фундаментальной науки, но обладали практической ценностью. Техническое обеспечение научных экспериментов способствует прогрессу едва ли не больше, чем НИОКР в области вооружений. А ведь кризисы теории в науке, как правило, приводят к активизации экспериментальных исследований.

Можно привести и исторический пример, показывающий отсутствие прямой зависимости (а, по сути, даже обратную зависимость) между развитием фундаментальной науки и техническим прогрессом. Применение в Европе пороха началось в четырнадцатом веке. Этот величайший технический прорыв совпал во времени с периодом полного упадка естественных наук (в современном понимании) и безраздельного господства мистических представлений в естествознании. Именно основанная на мистике, но не только на мистике, а ещё и на экспериментах, алхимия во многом способствовала (за счёт ясного понимания алхимиками влияния количественного соотношения и дисперсности различных веществ в смеси на её свойства) развитию технологии производства и совершенствованию пороха, этой атомной бомбы средневековья, перед которой не устояли ни панцири рыцарей, ни казавшиеся прежде неприступными стены их замков. Мистика здесь, конечно, не при чём – она на такое не способна, а вот эксперименты, пусть даже спланированные на основе мистических представлений, как видите, способны вполне.



скачать книгу бесплатно

страницы: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12