"законами" движения материи "от простого к сложному", в истмате теория
| Вид материала | Закон |
- Тема «Развитие общества и научных знаний», 740.46kb.
- Лекция Материя, виды материи, структурные уровни организации материи Слайд, 36.75kb.
- Муниципальное общеобразовательное учреждение, 122.64kb.
- Фатькина Светлана Егоровна Графика. От простого к сложному методическое пособие, 1125.48kb.
- Упражнения по стилистике русского языка, 4138.99kb.
- Решение проблемы диалектики движения, 1443.03kb.
- Е. А. Береснева автоматизация работы с документами: от простого к сложному, 266.63kb.
- Самоиндукция эфира, 67.92kb.
- Шаблон «Визитной карточки» проекта, 55.64kb.
- Тесты по педагогике Тесты по форме «С пропущенным словом», 64.46kb.
Не прав был Борн, когда связывал долгожитие классических корпускулярно-пустотных представлений ньютоновской механики с тем, что, по его словам, “гений Ньютона парализовал мыслителей на целое столетие”. Засилье концепции дальнодействия в физике домаксвелловского периода является мифом, созданным толкователями достижений физики этого периода, в основном оторванными от экспериментальной науки философами, которые подводили под физику философский базис. Волновая природа света требовала той самой гипотетической среды, на которую указывал в своем письме Бентелю Ньютон. Того же самого концептуально требовала и теория тяготения, хотя конечную величину скорости распространения гравитационного воздействия и его волновой характер (если они, разумеется, существуют в действительности) установить прямым экспериментом практически невозможно, в том числе и на существующей в настоящее время экспериментальной базе. На самом деле, картину домаксвелловских научных представлений о физическом мире можно в двух словах охарактеризовать следующим образом: все физические силы передаются либо при непосредственном контакте физических тел (их соударении) либо через непрерывную в пространстве деформируемую механическую среду, связывающую тела; а если такой среды не наблюдается в опыте (как в случае тяготения), все равно, есть что-то такое, странное и непонятное, заполняющее пустоту, что называется эфиром, который является переносчиком движения. На практике же, в численных расчетах небесной механики, считалось, что между небесными телами ничего нет, но это было лишь удобной математической абстракцией, что, кстати говоря, неоднократно подчеркивал сам Ньютон. Бернулли, чье имя носит выражение закона сохранения механической энергии в гидравлике, называл концепцию дальнодействия, т.е. идею передачи движения сквозь пустоту, “возмутительной”.
Резюмируя все вышесказанное по поводу механистических представлений домаксвелловской физики, надо закончить их рассмотрение тем, что в рамках этих представлений передача воздействия признавалась возможной только в результате непосредственного физического контакта (соприкосновения) сред и объектов. Так же, как это и происходит в нашей обыденной жизни, когда мы идем по улице, отталкиваясь непосредственно от земли своими ногами, или двигаем с помощью своих рук различные предметы. Все очень наглядно и совершенно просто объяснимо на непосредственном жизненном опыте. Там же, где этот непосредственный контакт на опыте не наблюдался, как в случае силы тяжести, в качестве математической абстракции принималась концепция дальнодействия, притом, что негласно все равно подразумевалась некая необнаруженная в ходе эксперимента субстанция-переносчик физической силы, которая отвечала за эту передачу – гипотетический эфир. Эта же или аналогичная субстанция-переносчик должна была бы отвечать и за перенос световых сигналов.
Ньютон указывал на альтернативу в выборе этого посредника: он мог быть материальным или идеальным. С точки зрения поздних традиций естествознания основанных на материалистической философии этот посредник должен быть материален, поэтому физики и искали всеми доступными им средствами тот самый гипотетический эфир, обладающий механическими свойствами, но не найдя его, они смирились с идеальным посредником – пустым пространством самим по себе, ибо предполагать наличие иного идеального посредника в виде каких-то сверхъестественных сил было бы уж совсем не в духе науки. То, что для объяснения волновых свойств света в этом пустом пространстве чисто конвенциально физика постулировала электромагнитное поле как новую форму существования материи, – скорее дань материалистической традиции, чем действительное решение парадокса волновой природы света. Вопрос же с передачей гравитации на данном этапе развития физики полностью оставался открытым, хотя чисто формально можно было ввести и гравитационное поле, как векторное поле ускорения свободного падения, но это не давало никакого практического выигрыша даже в сугубо утилитарном смысле обеспечения дополнительного удобства физических расчетов.
С приходом в физику концепции физического поля, которая заключается в том, что воздействие передается не от материальной частицы среды к материальной частице среды, а от точки пространства к точке пространства, началось триумфальное наступление пустоты. Существует достаточно распространенное мнение, что с приходом концепции физического поля, концепция дальнодействия, суть которой, как я уже упомянул чуть выше, в том, что движение может мгновенно передаваться от одного тела к другому через пустоту без посредника, и которая считалась слабым местом ньютоновской механики (точнее – ее философских оснований), была убрана из физики. О концепции физического поля в противовес старым корпускулярно-пустотным представлениям ньютоновской механики стали говорить как о концепции близкодействия, и это рассматривалось как существенное продвижение вперед в понимании Природы. На самом же деле по сравнению с бытовавшими ранее представлениями не изменилось ничего, кроме того, что передача движения сквозь пустоту стала не мгновенным, а постепенным процессом. Согласно представлениям ньютоновской теории тяготения сила тяжести мгновенно действует от одного тела к другому, согласно концепции физического поля это воздействие передается постепенно от одной точки пустого пространства другой точке пустого пространства.
В рамках представлений ньютоновской теории тяготения пространство само по себе никак не участвовало в переносе гравитационного воздействия, гравитационное воздействие действовало сквозь пространство или, что то же самое, помимо пространства, и не было необходимости наделять пустоту какими либо свойствами. В рамках концепции физического поля такой подход оказался уже невозможен, ибо, согласно этой концепции, сами точки пространства участвуют в передаче движения, за счет чего и удалось добиться псевдо-объяснения конечности скорости и волнового характера распространения света. В рамках этой концепции пустота оказалась не совсем пустотой. Оказалось, что она сама по себе обладает энергией, импульсом, потенциалами и даже абстрактными силовыми характеристиками, такими как напряженность электрического и магнитного поля. Но поскольку в пустоте нет объектов приложения сил, силовые характеристики в рамках полевой физики стали отходить на второй план, а на первый план стали выдвигаться потенциалы, ранее игравшие вспомогательную роль. Энергия и импульс, ранее вводимые в механику косвенно, как первые интегралы уравнений движения, постепенно стали приобретать в рамках полевых теорий черты первичных и основных величин, единственно имеющих физический смысл некоего скрытого и законсервированного в самом пространстве воздействия, проявляющего свою силу только тогда, когда в соответствующей точке оказывается реальная материальная частица. Тогда как прекрасно знакомое любому ребенку наглядное и просто осознаваемое понятие физической силы, имеющей свой конкретный источник, постепенно стало становиться условностью.
Все физики-современники Максвелла, который собственноручно забил первый гвоздь в крышку гроба идеи эфира, в том числе и сам Максвелл, не могли поверить в эту пустоту. Максвелл, возможно, так до конца жизни и не понял собственного творения – системы уравнений, из которой следовала возможность распространения колебаний в отсутствии среды-переносчика этих самых колебаний. Я так думаю, потому что понимать-то в общем-то нечего, в физическом смысле… В смысле математики, разумеется, все совершенно ясно – обычная система дифуров в частных производных, дающая в отсутствии источников поля, т.е. для случая абсолютного вакуума, классическое волновое решение. Но вот в смысле физики… В смысле физики нет материального носителя, которому можно было бы сопоставить это решение, чтобы оно имело физический смысл. И Максвелл, и Лоренц, и Пуанкаре, и Эйнштейн, и Шредингер, и вообще все крупные ученые, кто стоял у истоков современной релятивистской и квантовой физики, не верили в эту пустоту. Даже Эйнштейн, сведший концепцию силы практически на нет, отождествивший гравитацию с кривизной пустого пространственно-временного континуума, и окончательно возведший энергию в ранг основной физической величины, однозначно определяемой как масса тела, умноженная на квадрат скорости света в вакууме, так и не смог до конца отказаться от идеи материальной среды-переносчика электромагнитных колебаний и гравитационного взаимодействия. Но все экспериментальные попытки обнаружить эфир, предпринятые в конце ХIX – начале ХХ века, закончились провалом в том смысле, что из них был сделан вывод о том, что он не существует. Классическим примером подобного эксперимента является известный всем со школьной скамьи (но, как я полагаю, успешно забытый теми, кто впоследствии не занимался физикой) опыт Майкельсона-Морли, целью которого было обнаружение эфирного ветра. Опыт дал отрицательный результат, подтвердив тем самым независимость скорости света от системы отсчета и правильность релятивистских оснований Специальной Теории Относительности. Правда мало кто сейчас помнит о том, что опыт Майкельсона-Морли доказал не отсутствие эфира как такового, а лишь опроверг предположение о его неподвижности. Но это не суть важно, ибо в начале ХХ века создавались и модели, предполагающие полное увлечение эфира движущемся телом, но все они не согласовывались ни с экспериментом, ни с классической электродинамикой, которая, несмотря на свою внутреннюю пустотность в смысле физического содержания, прекрасно работала на практике.
Остался один единственный выход – объявить электромагнитное поле новой формой существования материи, обладающей совершенно уникальными, а точнее – невозможными с точки зрения наглядных механистических представлений свойствами. Так вся материя была разделена на две принципиально различные части – поле и вещество. И как только это было сделано, наступил глобальный кризис классической физики конца ХIХ – начала ХХ века, хорошо известный всем, кто интересовался когда-либо историей науки. “Овеществление” пустоты породило проблемы устойчивости заряженной частицы конечных размеров, самодействия заряда, бесконечной массы точечного заряда и “ультрафиолетовой катастрофы”. Ну и, наконец, самое парадоксальное: в опытах Эйнштейна по изучению фотоэффекта, подтвердивших эмпирическую квантовую гипотезу Планка, разрешающую парадокс “ультрафиолетовой катастрофы”, столь же революционную, сколь бредовую для своего времени, было установлено, что свет все-таки ни что иное, как поток частиц – фотонов, квантов электромагнитного излучения. Причем, эти частицы сами по себе являются носителями импульса световой волны, следовательно, можно говорить, что они распространяются именно вдоль светового луча, как и предлагал в своих ранних корпускулярных моделях света Ньютон. Фотоны – не частицы проводящего свет эфира, которые должны были бы колебаться поперек светового луча, фотоны – именно кванты света в первоначальном ньютоновском понимании. Оказалось, что свет – поток частиц, подчиняющихся волновым законам движения полевой физики. Но, мало того, оказалось, что все частицы обладают аналогичными абсурдными с классической точки зрения свойствами, которые получили название квантово-волнового дуализма.
Помимо всего, указанного выше, кризис классической физики дополнялся необходимостью коренного пересмотра представлений ньютоновской механики о пространстве и времени. Уравнения Максвелла, описывающие классическое электромагнитное поле, правильность которых (в смысле безупречности в совпадениях расчетных величин с наблюдаемыми фактами макромира) была многократно подтверждена экспериментально, оказались неинвариантны относительно преобразований Галилея классической механики. В частности, скорость света оказалось абсолютной величиной, не зависящей от выбора системы отсчета. В рамках механики Ньютона такой абсолютной величиной была сила, но с учетом экспериментальных данных, демонстрирующих абсолютность скорости света, силу пришлось рассматривать как относительную величину, зависящую от относительной скорости собственной системы отсчета тела. Это привело к необходимости введения релятивистских поправок к инертной массе тела, которая перестала рассматриваться как абсолютная характеристика тела, и так же стала зависимой от скорости его относительного движения величиной. Чтобы увязать все эти поправки в единое целое, Эйнштейн, следуя мысли впервые высказанной Пуанкаре, предложил считать, что релятивистские поправки следует относить не к свойствам тел (в частности – их геометрическим размерам), а к самим пространству и времени, которые были объединены им в единое целое – пространственно-временной континуум. Это объединение стало необходимым в силу того, что преобразования координат Лоренца – релятивистский аналог преобразований координат Галилея – затрагивают как пространственные, так и временные масштабы одновременно. Эйнштейн обосновывал свой новый взгляд на пространство и время тем, что раз уж физика оперирует непосредственно измеряемыми величинами, и, согласно эксперименту, свет, в силу универсальности своей скорости, оказался универсальным измерителем как расстояний, так и временных промежутков, релятивистские поправки следует относить непосредственно к самим измеряемым интервалам, а не к тому, что в них находится. Далее, дополнив принцип абсолютности скорости света, которая в рамках СТО была объявлена максимально допустимой скоростью переноса сигнала, принципом эквивалентности инертной и гравитационной масс, Эйнштейн обобщил концепцию СТО и на гравитацию, отождествив силу инерции, соответствующую равноускоренному движению, с силой Всемирного Тяготения. Так появилась на свет Общая Теория Относительности (ОТО). “Правовой базой” для подобного отождествления являлась все та же предпосылка о необходимости оперирования только непосредственно измеряемыми величинами. Природа силы тяжести такова, что ускорение свободного падения не зависит от массы тела, иными словами, инертная масса тела, как коэффициент пропорциональности во втором законе Ньютона, по величине в точности равна гравитационной массе тела, как его характеристики в гравитационном взаимодействии. Именно этот факт равенства обеих масс позволяет нам определять инертные характеристики тела взвешиванием на весах. Этот же факт лежит в основе явления невесомости, а именно, находясь внутри объекта, свободно падающего под действием силы тяжести (классический пример – свободно падающий лифт), вы не сможете обнаружить ни силы тяжести (собственного веса), ни силы инерции, и все процессы внутри объекта будут происходить так, как будто объект является инерциальной системой отсчета, хотя с точки зрения наблюдателя, смотрящего на него с земли, он движется равноускоренно. Факт равенства инертной и гравитационной масс (в том смысле, в котором они определяются в классической механике) проверен с высокой степенью точности, и Эйнштейн на основании этого факта предложил считать и ту, и другую массу просто одной и той же характеристикой тела, а движение под действием силы тяжести при рассмотрении в плоской геометрии – движением по инерции вдоль геодезической линии искривленного пространства-времени. Таким образом, оказалось, что пустота ко всему прочему имеет еще и неевклидову геометрию. Математическим аппаратом ОТО также является тензорная алгебра, но в отличие от классической электродинамики уравнения ОТО нелинейные, и в сильных гравитационных полях принцип суперпозиции не работает (если верить теории Эйнштейна, разумеется).
Возникли две системы характеристик пустоты. Первая система характеристик – те, которые фигурируют в электродинамике: векторы напряженности электрического и магнитного полей, 4-х вектор электромагнитного потенциала, вектор объемной плотности импульса электромагнитного поля (вектор Умова-Пойтинга) и объемная плотность энергии электромагнитного поля. Да! Чуть было не забыл! Помимо всего этого, приписываемого электромагнитному полю как особой форме существования материи, есть еще две характеристики, которые просто оказываются подвешенными в воздухе, т.к. вообще ни к чему не относятся: электрическая и магнитная проницаемости вакуума. Так как по определению электромагнитное поле это особая форма существования материи, которая существует в пространстве-времени и способна распространяться в вакууме, эти две величины просто невозможно приписать самому полю. Эти две величины характеризуют влияние конкретной среды, в которой распространяется электромагнитное поле, на характер его распространения, и в общем виде так же являются тензорными величинами. И если все силовые и энергетические величины, характеризующие электромагнетизм, можно концептуально приписать свойствам новой гипотетической формы существования материи, то с этими двумя величинами такого проделать невозможно. А коли это так, в электродинамике негласно подразумевается (хотя об этом и не принято упоминать) некая среда, обладающая изотропными электрическими и магнитными свойствами, в которой распространяется электромагнитная волна, когда она распространяется в абсолютном вакууме, т.е. в пустоте. И эта среда – пустое пространство само по себе. Можно согласится с тем, что полевые характеристики являются характеристиками поля как формы существования материи, хотя это довольно трудно в силу отсутствия наглядных представлений о том, что такое физическое поле. Эта концепция довольно долго пробивала себе дорогу в умах ученых XIX века, пока в конце концов не стала приниматься просто как неоспоримая данность, за неимением чего-нибудь более подходящего. По крайней мере, эта концепция ввела новую форму материи. Но как быть с магнитными и электрическими свойствами пустоты совершенно неясно. Для пустоты, например, можно точно так же ввести вектор поляризации, как и для обычной среды. Но возникает вопрос: поляризации ЧЕГО? Кстати, вектор напряженности магнитного поля по своему смыслу является магнитным аналогом вектора электрической поляризации и имеет физический смысл силы тока, наведенного в замкнутом проводнике магнитным потоком (по закону Фарадея), отнесенной к длине этого проводника. Но когда мы говорим о пустоте, возникает вопрос: где этот ток и где проводник, в котором он течет? Физическая размерность вектора поляризации (его еще называют вектором электрического смещения или электрической индукции) – “Кулон на метр квадратный [Кл/м2]”, а физическая размерность вектора напряженности магнитного поля – “Ампер на метр [А/м]”, но поскольку в пустоте нет ни “Кулонов” (электрических зарядов), ни “Амперов” (электрического тока), эти характеристики, имеющие, кстати говоря, наглядный динамический смысл, принято считать второстепенными. А основными характеристиками считают векторы напряженности электрического поля и магнитной индукции – абстрактные характеристики, получаемые как отношение вектора поляризации к электрической проницаемости среды и произведение вектора напряженности магнитного поля и магнитной проницаемости среды. В случае, если бы пустота не была бы пустотой, а была бы чем-то заполненной, они бы, я уверен, и рассматривались бы физиками как удобные абстрактные характеристики, не зависящие от конкретных свойств среды, но поскольку пустота все-таки есть пустота, и никуда от нее не денешься, приходится жертвовать наглядностью ради сохранения основной концепции.
Вернемся от этого небольшого лирического отступления к основной теме. Итак, первый набор характеристик пустоты – ее электромагнитные характеристики, причем электрические и магнитные силовые характеристики (пресловутые электрическую напряженность и магнитную индукцию) можно объединить в одну характеристику – тензор электромагнитного поля, а энергию и импульс – в тензор энергии-импульса. Второй набор ее характеристик – метрический тензор кривизны пространства-времени. В дополнение к этому есть еще магнитная и электрическая проницаемости пустоты, являющиеся скалярами в рамках представлений об изотропных электромагнитных свойствах пустоты. Сходство математического аппарата ОТО и классической электродинамики породило идею дальнейшего развития теоретической физики в направлении объединения гравитации и электромагнетизма на базе математического аппарата тензорной алгебры, и сведения всех видов движений к движениям по инерции вдоль геодезических линий искривленного пространства-времени. В рамках четырехмерной модели такое объединение по ряду причин оказалось невозможным, но оказалось, что в пятимерном пространственно-временном континууме (четыре пространственных и одно временное измерение) это объединение может быть осуществлено, но только в случае отсутствия в пространстве заряженных частиц. Заряженные частицы испортили все дело. Они мешали пустоте. Если бы их не было, и гравитацию, и электромагнетизм можно было бы рассматривать просто как кривизну пустого пятимерного пространственно-временного континуума, содержащего только электрически нейтральные массы, отвечающие за четырехмерную составляющую этой кривизны. Но если бы заряженных частиц не было, не было бы и никакого электромагнетизма, ибо именно эти частицы отвечают за излучение и поглощение света. Тем не менее, попытки такого объединения, начавшиеся почти сразу же после создания ОТО, продолжаются и по сей день. Более того, грандиозность этой затеи оказалась настолько заразительной, что предпринимались и предпринимаются попытки не только все физические взаимодействия, – гравитационное, электромагнитное и открытые к середине ХХ века слабое и ядерное, свести к колебаниям и деформации многомерной пустоты, но и сами источники этих взаимодействий – частицы, обладающие зарядами, массами, и рядом характеристик, отвечающих за участие в слабом и ядерном взаимодействии, представить как особые нарушения топологии или симметрий этой многомерной пустоты. Все эти попытки (насколько мне известно, а я слежу за происходящим в этом направлении) не увенчались успехом. И, как я полагаю по некоторым причинам, которые, как я надеюсь, станут ясны читателю, если он дочитает эту работу до конца, не увенчаются.
Следует так же отметить тот интересный факт, что неудача попытки объединения электромагнетизма и гравитации в рамках пятимерного пространства-времени имеет и обратную сторону. В рамках этой попытки было показано, что объединение невозможно, если есть и массы, и заряды, но возможно если есть массы и нет зарядов. Верно и обратное: объединение возможно, если есть заряды но нет масс. В приближении слабой гравитации, в котором искривленное пространство-время становится плоским и описывается геометрией Минковского, электродинамика прекрасно существует вместе со всеми своими зарядами и токами, а так же неразрешимыми в ее рамках парадоксами. Оно и понятно: ведь сама идея пространства-времени родилась именно из электродинамики. Она родилась из электродинамики, впитала в себя тяготение, но вернуться к электродинамике оказалась неспособна. Блудный сын, а вернее – дочь, – релятивистская физика, ушедшая от своего папочки, – классического электромагнетизма, – блуждает вдали от него по сей день.