2020-04-20
216
А.Л. Шаляпин
В.И. Стукалов
ВВЕДЕНИЕ В
КЛАССИЧЕСКУЮ
ЭЛЕКТРОДИНАМИКУ И АТОМНУЮ ФИЗИКУ
ЕКАТЕРИНБУРГ – 1999
УДК 530
ББК 22.313; 22/36
В 18
Рецензент: кафедра физики УрГАПС
доц., канд. физ.-мат. наук. В.П. Суетин
Авторы: ст.н.с. канд. физ.-мат. наук А.Л. Шаляпин
доц., канд. физ.-мат. наук. В.И. Стукалов
В 18 Введение в классическую электродинамику и атомную физику/А.Л. Шаляпин, В.И.Стукалов. Екатеринбург: Изд-во УГТУ, 1999. 193 с.
ISBN 5-230-06539-7
Излагается классическая теория электромагнитных явлений в оригинальном изложении с привлечением модельных представлений для раскрытия механизмов формирования электромагнитных полей. Рассматривается новый подход к решению проблемы заряда частиц с использованием волновых процессов в эфире.
Дается полный вывод уравнений Максвелла и других уравнений электродинамики без привлечения специальной теории относительности. На конкретных примерах демонстрируется эффективность применения классической электродинамики для решения ряда ключевых задач атомной физики. Это - электромагнитная устойчивость планетарного атома, дифракция микрочастиц на монокристаллах, спектр излучения абсолютно черного тела, законы фотоэффекта и др.
|
|
|
Книга предназначена для студентов и преподавателей технических вузов, а также научных сотрудников и инженеров, интересующихся фундаментальной физикой.
Библиогр.: 101 назв. Рис. 9. Прил. 4.
ISBN 5-230-06539-7 Ó Уральский государственный
технический университет, 1999
УВАЖАЕМЫЙ ЧИТАТЕЛЬ!
Ваши отзывы и замечания о содержании книги просим направлять по адресам:
620219, Екатеринбург ГСП-594, ул. Софьи Ковалевской, 20А, Институт промышленной экологии УрО РАН, Шаляпин А.Л.
тел. 49-32-91
620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19, Уральский государственный технический университет, кафедра высшей математики,
Стукалов В.И., тел. (3432) 662-176.
Email: shalyapinal@mailcity.com
Истина – это вовсе не то, что можно
убедительно доказать, это то, что
делает все проще и понятнее.
Антуан де Сент-Экзюпери
Новый метод (квантовый) оставляет чувство
легкой разочарованности. Вопросы: почему
и как происходят явления природы, остаются
|
|
|
для нас скрытыми; можно математически
определить лишь что и сколько. Является
ли эта разочаровывающая теория
окончательной?
А. Зоммерфельд. Пути познания в физике. М.: Наука, 1973. С. 28.
Современное состояние квантовой электродинамики оценивается как неудовлетворительное. Преодоление трудностей – в радикальной ревизии
ее основных идей.
Е. Кондон. 50 лет квантовой физике.
РЖ Физика, 1956, Т3. N 6102.
СОДЕРЖАНИЕ Стр.
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА………………………………………. 6
ПРЕДИСЛОВИЕ………………………………………………………. 14
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………….. 20
1. ВОЛНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЭФИРЕ……………………………… 32
2. ЗАКОН КУЛОНА…………………………………………………… 38
3. СИЛОВЫЕ ЗАПАЗДЫВАЮЩИЕ ПОТЕНЦИАЛЫ……………… 48
4. ФИЗИЧЕСКИЙ СМЫСЛ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ ЛОРЕНЦА И ЧЕТЫРЕХВЕКТОРЫ……………………………………………….. 59
5. СУПЕРПОЗИЦИЯ СИЛОВЫХ ПОЛЕЙ ДЛЯ ОБЛАКА ЧАСТИЦ В ЭЛЕКТРОСТАТИКЕ……………………………….. 66
6. УРАВНЕНИЕ НЕПРЕРЫВНОСТИ ДЛЯ ОБЛАКА ДВИЖУЩИХСЯ ЧАСТИЦ……………………………………. 69
7. НАПРЯЖЕННОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ ДЛЯ ДВИЖУЩИХСЯ ЧАСТИЦ……………………………………. 71
8. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕЖДУ ДВИЖУЩИМИСЯ ЧАСТИЦАМИ. СИЛА ЛОРЕНЦА……………………………… 73
9. ИЗЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН…………………… 78
10. УРАВНЕНИЯ МАКСВЕЛЛА ДЛЯ РОТОРОВ НАПРЯЖЕННОСТЕЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ…… 83
11. ЭФФЕКТИВНАЯ МАССА И ЭФФЕКТИВНЫЙ ИМПУЛЬС ЧАСТИЦ В ЭФИРЕ……………………………………………… 85
12. УПРУГИЕ СВОЙСТВА И СВЕРХТЕКУЧЕСТЬ ЭФИРА……….. 92
13. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ВОЛНОВЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ В КЛАССИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОДИНАМИКЕ……………………. 95
14. ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………….. 109
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1. КЛАССИЧЕСКИЙ ПЛАНЕТАРНЫЙ АТОМ 1.1. Электромагнитная устойчивость атомов…………………… 124
1.2. Статистический характер движения электронов в атомах… 130
Приложение 2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ МЕХАНИЗМ ДИФРАКЦИИ МИКРОЧАСТИЦ НА МОНОКРИСТАЛЛАХ
2.1. Вводные замечания ……………………………………………135
2.2. Функции распределения электронной плотности …………..139
2.3. Стационарное уравнение Шредингера……………………….141
2.4. Функции распределения электронов по импульсам в периодических структурах………………………………………………148
Приложение 3. ОПТИКА
3.1.Связь энергии с частотой. Динамическое уравнение Шредингера………………………………………………………………151
3.2. Поглощение и излучение электромагнитной энергии атомами…………………………………………………………………...154
3.3. Связь объемной плотности энергии излучения абсолютно черного тела со средней энергией колебаний дипольного излучателя…………………………………………………..159
3.4. Спектр излучения абсолютно черного тела. Формула Планка………………………………………………………….163
3.5. Закономерности фотоэффекта с классической точки зрения………………………………………………………………170
Приложение 4. КОСМОЛОГИЯ………………………………………...184
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………187
П Р Е Д И С Л О В И Е Р Е Д А К Т О Р А
Развитие теоретической физики в ХХ веке шло под флагом зарождения, развития и становления квантовой механики, а также специальной теории относительности (СТО). Принципы и постулаты квантовой механики и СТО, предложенные вначале как чисто методологический прием с целью упорядочения экспериментальных данных, превратились позднее в фундамент не только нового направления в развитии теоретической физики, но и целого философского мировоззрения.
|
|
|
Классическая физика попала в странное положение. С одной стороны, квантовая механика была не в состоянии справляться с экспериментальными данными без помощи фундаментальных законов классической физики, с другой стороны, квантовая механика "командовала" классической физикой, как наездник лошадью: здесь - можно применять законы классической физики, а тут - нельзя. Командовала, но при этом сама не являлась достаточно совершенной.
Многие физики не могли смириться с этим положением и всю жизнь пытались примирить экспериментальные данные с принципами и законами классической физики. В их числе такие видные исследователи, стоящие у истоков квантовой механики, как М. Планк, А. Эйнштейн, Э. Шредингер, А. Ланде.
Предлагаемая читателю работа является очередной и, как мне представляется, плодотворной попыткой примирения экспериментальных данных с законами классической физики.
Интересно проследить основные этапы становления квантовой механики, а также причины и обстоятельства отказа от классической физики. Наиболее полно эти вопросы изложены в книге М. Джеммера [1]. Считается, что начало отказа от классических понятий при осмыслении экспериментальных данных положил в 1900 г. М. Планк. Активный сторонник классической физики, оказавшись не в состоянии объяснить спектральный состав излучения черного тела на базе представлений классической физики, он делает шаг в сторону от своих убеждений. Как "акт отчаяния", предпринятый, исходя из необходимости найти "теоретическое объяснение... любой ценой, сколь высокой она ни была бы" [2], Планк делает допущение, что энергия осцилляторов не непрерывна, как этого требуют законы классической электродинамики, а дискретна. При этом минимальная порция энергии осциллятора зависит от частоты по закону Е = hn. Так, в обиходе физиков появилось понятие о новой универсальной постоянной h с размерностью эрг´с. Эта величина стала интерпретироваться как элементарный квант действия, определяющий дискретную структуру энергетических уровней осцилляторов. Всю свою дальнейшую жизнь Планк пытался примирить появление величины h с классической физикой, но... безуспешно...
|
|
|
Введение М. Планком величины h долгое время рассматривалось физиками как чисто методический прием, так же, как и введение А. Эйнштейном в 1905 г. понятия дискретного распределения самой энергии излучения, т.е. понятия о квантах света, получивших впоследствии (1926 г.) название фотонов. Так, в характеристике Эйнштейна, подписанной в 1913 г. рядом видных ученых, в том числе Планком, читаем такие слова: "То, что он в своих умозаключительных построениях иногда, возможно, заходит слишком далеко, как, например, в своей гипотезе световых квантов, вряд ли заслуживает серьезного упрека: не отваживаясь когда-то на риск, даже в самых точных науках о природе, невозможно добиться ничего подлинно нового" [2].
Но вот в 1916 году Р. Милликен получил неопровержимое доказательство прямой пропорциональности между кинетической энергией фотоэлектронов и частотой падающего света с коэффициентом пропорциональности, действительно равном h. В свете представлений, бытующих в умах физиков того времени, имеющихся сведений о свойствах света оказалось достаточно, чтобы после этих опытов "квант действия стал физической реальностью,... а догадка Эйнштейна о квантах света приобрела физический смысл.."[1].
Следующий этап в развитии теоретической физики в ХХ веке связан с именем Н. Бора - этого неуемного бунтаря против классики, беспокойного искателя новых путей развития физики, человека, наглядно продемонстрировавшего, как философские взгляды ученого могут определять выбор путей решения научных проблем, даже в такой точной естественной науке, как физика.
В 1913 г. Н. Бор для объяснения дискретного характера спектров атомов, следуя М. Планку, применил положение о дискретных устойчивых состояниях осцилляторов к атомным системам, введя постулаты, которые в современном изложении выглядят приблизительно так:
1. Атомы могут длительное время находиться в дискретных устойчивых энергетических состояниях Е1,Е2,....,Еn, не излучая и не поглощая энергии, несмотря на происходящие в них движения заряженных частиц по орбитам.
2. При переходе из одного состояния в другое атомы испускают или поглощают монохроматическое излучение, частота которого n определяется соотношением: hn = Em - En.
Постулаты явились результатом обобщения известных к тому времени экспериментальных данных и послужили основой для развития планетарной модели атомов.
Как показано авторами, они допускают и чисто классическую интерпретацию. Для этого требуется лишь более корректная постановка задачи и более полный учет всех действующих в природе факторов. Однако Н. Бор, не доверяя старой механике и " избегая этого по мере возможности" [1], предпочел идти по пути построения новой механики - квантовой.
Можно думать, что с работ Н. Бора начался резкий поворот в сторону противопоставления квантовой механики классической физике и здравому смыслу вообще. Это связано, прежде всего, с философскими взглядами Н. Бора, почерпнутыми из работ С. Кьеркегора, Х. Гёффдинга, В. Джемса. Как утверждается в работе [1], философские направления, развивавшиеся на рубеже веков, такие как "контингентализм, экзистенциализм, прагматизм, логический эмпиризм, объединенные отходом от причинности,... взрыхлили философскую почву для современной квантовой механики", "внесли вклад в создание такого философского климата, который способствовал отказу от классических понятий", вклад, опирающийся на такие, например, положения, как "нам не дано создать исчерпывающую концепцию реальности", поэтому "мы должны создать (любой ценой) такую теорию, которая будет работать", т.е. объяснять физические явления, не взирая ни на что.
Существенно отметить, что в последующих постулатах Н. Бор вводит понятие о квантовании момента импульса электрона, указав, что его минимальная величина равна: h/2p = ћ. На полмесяца раньше подобный подход к использованию величины h для квантования момента импульса был выдвинут П. Эренфестом [1]. Идеи витают в воздухе!
Размерность эрг´с - это, действительно, не только размерность некоего действия, но и размерность такой хорошо известной величины, как момента количества движения. Но по иронии судьбы развитие теоретической атомной физики пошло по пути, определяемом взглядом на h как на некий непонятный, но эффективный символ кванта действия, а не как на символ момента количества движения. Долгое время никого не смущал тот факт, что универсальная постоянная, какой оказалась величина h, обусловлена каким-то мифическим явлением, называемым действием, т.е. таким явлением, для которого даже закона сохранения не существует.
Этот взгляд на величину h оказался роковым для теоретической физики. Так, Н. Бор, получив связь величины h с квантованием момента импульса - момента количества движения, - над этой зависимостью даже не задумался, а расценил это соотношение как совпадение, как просто интерпретацию физических явлений на языке "символов, взятых из обычной классической механики" [1].
Третий, завершающий этап становления квантовой механики связан с именами Л. де Бройля, Э. Шредингера, М. Борна, В. Гейзенберга и их сотрудников. В 1923 г. де Бройль предложил чисто методологический прием описания движения частиц с помощью волновой механики [1].
"Быть может, каждое движущееся тело сопровождается волной, и что невозможно разделить движение тела и распространение волн". Не рассматривая физическую сущность понятия волны, де Бройль предложил описывать движение тела с помощью так называемой присоединенной фиктивной волны. Основным постулатом динамики свободной частицы по де Бройлю стало утверждение, что в каждой точке своей траектории частица следует по лучу ее фазовой волны со скоростью, в точности равной групповой скорости фазовых волн. Кроме этого, де Бройль предложил рассматривать частицу как средоточение некоего внутреннего периодического движения, частота которого в случае частиц с массой покоя Мo равна: n = Mоc2/h.
Рассматривая поглощение или рассеяние квантов света атомами, или прохождение их через диафрагму, де Бройль вводит гипотезу о том, что вероятность рассматриваемых процессов определяется геометрической результирующей вектора фазовых волн, проходящих через атом как через отверстие в диафрагме. Эта гипотеза согласно де Бройлю аналогична той, что принимается электромагнитной теорией, когда она связывает интенсивность наблюдаемого света с интенсивностью результирующего электрического вектора. Иначе говоря, волновая механика рассматривалась де Бройлем просто как статистический способ описания явлений.
Законы волновой механики по де Бройлю должны выполняться и в случае электронов: "пучок электронов, проходящий сквозь достаточно узкое отверстие, также должен испытывать дифракцию" [1].
Заканчивая рассмотрение подобных явлений, де Бройль заключает: "Тем самым пролит свет на фундаментальную связь, объединяющую два великих принципа - геометрической оптики и динамики частиц", а "гипотеза световых квантов согласуется с явлениями интерференции и дифракции".
Математическое оформление идей де Бройля нашло свое воплощение в уравнении Э. Шредингера в 1926 г. В том же году появилась по аналогии с гипотезой де Бройля вероятностная интерпретация волновой функции, выдвинутая Борном, и постулат дополнительности Н. Бора, развитый позднее В. Паули.
В 1927 г. идеи де Бройля по дифракции электронов получили экспериментальное подтверждение. Началось триумфальное шествие квантовой механики.
Существенно отметить, что "для физики конца ХIХ века пространственное распределение энергии было либо дискретным, как в корпускулярно-кинетической теории ньютоновской механики, либо непрерывным, как в максвелловской электромагнитной теории, но никогда не было и дискретным и непрерывным для одного и того же класса физических явлений" [1]. Например, А. Эйнштейн, вводя понятие кванта света, не отрицал классической волновой природы света, а рассматривал ее результаты как данные, описывающие только средние по времени величины, в то время как представление о квантах света использовалось для рассмотрения "мгновенных значений величин, или когда в рассмотрение включается взаимодействие вещества и излучения как в процессах испускания и поглощения света".
Но не так думали физики во главе с Н. Бором, объединенные в Копенгагенскую школу. После работ Н. Бора и его последователей физическая интерпретация экспериментальных данных стала пропитываться туманом необъяснимых понятий, порой не согласующихся как со здравым смыслом, так и с элементарной логикой. Чего, например, стоит постулат дополнительности Бора - Паули. Согласно этому постулату материальное тело может быть и волной и частицей одновременно. А вот мотивация этого подхода к физическим явлениям, данная Бором [1]: "Необходимость прибегнуть к дополнительному, или взаимному, способу описания, видимо, известна нам по психологическим проблемам". "В частности, видимое противоречие между непрерывным уходящим вдаль потоком ассоциативного мышления и сохранением индивидуальности личности обнаруживает наводящую на размышление аналогию с соотношением между волновым описанием материальных частиц, подчиняющихся принципу суперпозиции и сохраняющейся индивидуальности частиц". И, наконец, "идея дополнительности подходит для того, чтобы охарактеризовать ситуацию, имеющую глубокую аналогию с общей трудностью формирования представлений у человека, пытающегося разграничить субъект и объект".
В этом последнем изречении, как мне представляется, заключается вся идеологическая и даже психологическая суть квантовой механики. Согласно П. Фейерабенду, одной из причин "живучести вероучения о дополнительности перед лицом решительных возражений следует считать расплывчатость основных принципов этого вероучения", а Грёневольд указывал, что "недоговоренность этого понятия является, вероятно, одной из причин его плодотворности". В этом случае можно было бы сказать, что характерный принцип философии Кьеркегора-Гёффдинга - невозможность познания реальности, под влиянием которой... находился Бор, оправдал себя [1].
На взгляд физиков начала ХХ века явления, происходящие в атомах, были так необычны и таинственны, так трудно вписывались в привычные представления, что ученым пришлось ограничиться их формальным математическим описанием, а при интерпретации физической сущности полученных формул идти на отказ от привычных представлений, даже таких, как принцип причинности и фундаментальные законы классической физики, или вообще отказаться от понимания самой сути явлений (правило наблюдаемых величин Гейзенберга).
Наиболее наглядно это видно на примере такого понятия, как спин. В. Паули, развивая взгляд Стокера, выдвигает идею, что при рассмотрении заполнения электронных оболочек атомов каждому состоянию следует приписать не три, а четыре квантовых числа.
Изучая статью В. Паули, С. Гаудсмит и Дж. Уленбек попытались четвертую степень свободы объяснить неточечностью электрона и вращением его сферической оболочки вокруг собственной оси. Энтузиазм их угас, когда они обнаружили, что для этого требуются скорости вращения, большие скорости света. Но П. Эренфест, плененный красотой идеи ("теория любой ценой"), не дожидаясь расчетов Г. Лоренца, отправил их заметку в печать, заявляя: "вы оба достаточно молоды, чтобы позволить себе сделать одну глупость". Но если в 1925 г. это была всего лишь глупость, то в последующем ее приняли как одеяние в сказке "О голом короле". А сколько в квантовой механике существует других аналогичных нелепостей, не поддающихся объяснению, но позволяющих создать видимость реальности!
Квантовая механика, являющаяся фактически статистической механикой микрочастиц, т.е. одним из разделов физики, начинает приниматься за новое направление развития самого фундамента теоретической физики. "Мы утверждаем", - заявили Н. Борн и В. Гейзенберг в 1927 г., - "что квантовая механика является полной теорией, а ее основные физические и математические гипотезы более не нуждаются в модификации".
О возможности такой пагубной для развития физики подмены понятий предупреждал еще в 1904 г. А. Пуанкаре, вероятно, последний великий теоретик классической физики. "Физический закон приобретет... новый аспект, это уже не будет дифференциальное уравнение, он примет характер статистического закона" [3]. На базе этой подмены целого частью и мистицизма постулатов квантовой механики развивается целый ряд философских школ, не менее мистических по своей идеологической направленности.
Неудивительно, что после знакомства с постулатами квантовой механики А. Эддингтон в своей книге "Природа физического мира" утверждает, что "...доводы современной науки дают, быть может, возможность сделать заключение, что религия стала приемлемой для здравого научного ума, начиная с 1927 г."
Надеюсь, что в свете вышесказанного читатель, взявший в руки предлагаемую книгу, постарается подойти к ее материалу непредвзято и попытаться трезво оценить обстановку, сложившуюся в настоящее время в теоретической атомной физике. В книге изложены идеи, которые могут показаться абсурдными человеку, воспитанному на догмах официальной науки, и воспринимающему университетский курс физики как некую абсолютную истину в последней инстанции: утверждал же Лавуазье в конце ХVIII века, что "камни с неба (метеориты по-современному) падать не могут - это противоречит законам физики". Но камни с неба падают, Земля вертится, а человеческая мысль непрерывно развивается.
Как тут не вспомнить положение диалектики, что любая достигнутая нами истина всегда относительна и, следовательно, "не отваживаясь когда-то на риск, даже в самых точных науках о природе, невозможно добиться ничего подлинно нового".
14 марта 1995 г. Б.Л. Двинянинов
ПРЕДИСЛОВИЕ
Развитие электродинамики в ХХ веке происходило в основном в рамках специальной теории относительности (СТО) и квантовой механики. Признавая определенные успехи данных теорий в систематизации наших знаний в области электромагнетизма и атомных явлений, следует обратить внимание и на их некоторую ограниченность в смысле единого понимания природы и построения фундамента физики. Для этой теории является характерным не обобщение и логическая проработка всех известных опытных данных, а опора главным образом на постулаты, следствия из которых помогают в интерпретации лишь отдельных опытных данных, но без достаточно полного их объяснения.
Для более полного объяснения физического явления бывает недостаточно описать его в терминах математики, опираясь на общеизвестные принципы, а желательно раскрыть его внутренний механизм, проследить причинно-следственные и временные взаимоотношения тех или иных физических величин как в пределах отдельного рассматриваемого явления, так и между смежными, тесно связанными явлениями. Одним из ярких примеров таких связанных явлений выступают электричество и магнетизм. До сих пор отсутствует полная ясность в понимании роли эфира в электромагнитных процессах.
Большие трудности, возникшие на протяжении многих столетий у естествоиспытателей при попытке понять и как-то смоделировать эфир, а также отрицательные результаты опытов Майкельсона - Морли и многих других последователей по обнаружению эфира, точнее, по измерению абсолютной скорости Земли в эфире, отпугнули большую часть физиков от занятия данной проблемой. Подавляющее большинство из них пошло по пути наименьшего сопротивления: поскольку эфир не обнаруживается до сих пор, значит, его вообще не дано ученым обнаружить, а вероятнее всего его и вовсе нет. Таким образом, пришли к заключению, что есть пустота, населенная различными объектами, в том числе и электромагнитными волнами.
Однако, по определению, волна - это есть возмущение, распространяющееся в некоторой среде с постоянной (в случае малых возмущений) скоростью, определяемой характеристиками данной среды: ее упругостью и массовой плотностью [4,5]. В работе же [6] мы находим общепринятый взгляд на данную проблему: «Казалось, что для существования волны всегда нужна среда, в которой бы распространялась эта волна, отсюда и возникла гипотеза эфира. Но тогда в природе существовала бы некая выделенная система отсчета, связанная с эфиром, что противоречило бы принципу относительности в механике, т.е. равноправности всех инерциальных систем отсчета... Точка зрения Эйнштейна была радикальной: принцип относительности должен быть справедлив и для электродинамики, поэтому входящая в уравнения Максвелла скорость света с = 3 108 м/с должна быть одинаковой для любого инерциального наблюдателя»!
В физике возникла странная ситуация. Принцип, провозглашенный одним ученым, пусть даже и достаточно известным, становится путеводной звездой в построении теоретической физики вопреки установившимся традициям и методам развития классической науки при решении сложнейших задач. А что произойдет со всей этой теорией, построенной на вере в один принцип, если он когда-нибудь вдруг нарушится? Тогда все здание, построенное без достаточно надежного фундамента, в один прекрасный день начнет разрушаться прямо на глазах. Подобную ситуацию предсказывал Фейнман, анализируя состояние современной физики, [7]: «И все же, если еще раз задержаться на минуту и посмотреть на фасад этого удивительного сооружения, имевшего столь громадный успех в объяснении столь многих явлений, то можно обнаружить, что оно вот-вот завалится и рассыплется на куски. Если вы поглубже вгрызетесь почти в любую из наших физических теорий, то обнаружите, что в конце концов попадаете в какую-нибудь неприятную историю».
Отказаться от среды как переносчика взаимодействий и носителя энергии означает признать возможность существования движения без материи и сохранение энергии в пространстве без материального носителя в момент, когда эта энергия, например, в электромагнитной форме, покинула одно тело и не достигла второго [8] (пример, использованный Максвеллом). Привлечение же на помощь фотонов в роли переносчиков энергии и импульса поля в квантовой электродинамике полностью не спасает положения, поскольку гипотеза фотонов вступает в противоречие с теорией Максвелла, многократно подтвержденной на опыте. С помощью фотонов невозможно убедительно объяснить электростатику и магнитостатику, где энергия никуда не улетает, а все время присутствует стационарно вблизи электронных устройств. При этом виртуальные фотоны становятся нисколько не лучше фотонов якобы реальных, которые все же могут быть зарегистрированы приборами, однако их существование опровергается прецизионными экспериментами по многолучевой интерференции света. Трудно себе представить, чтобы один фотон как неделимая элементарная частица полетел одновременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях (например, в интерферометре Майкельсона) и при отражении от двух зеркал и совмещении лучей на экране проинтерферировал сам с собой.
При детальном ознакомлении с современной квантовой электродинамикой авторы пришли к заключению, что данная теория не лишена внутренних противоречий и парадоксов, что для нее характерно в целом ряде случаев отсутствие причинно- следственных и логических связей. Об этом же пишет в своей работе Фейнман [9]: «Квантовая электродинамика дает совершенно абсурдное с точки зрения здравого смысла описание Природы. И оно полностью соответствует эксперименту. Так что я надеюсь, что вы сможете принять Природу такой, как Она есть - абсурдной».
До 80-х годов ХХ века в электромагнитной теории отсутствовал последовательный вывод из какой-либо модели уравнений Максвелла, что вынудило ученых признать невозможность такого вывода и принять эти уравнения за основу физики в качестве очередного постулата.
Однако в последнее время появился целый ряд работ, заслуживающих пристального внимания. В работах Стефана Маринова [10,11], а также Торра и Колена [12] было установлено, что при измерении однонаправленной скорости света, т.е. в экспериментах, где измеряется линейный эффект по отношению к величине v /c (v - скорость Земли относительно эфира), принцип относительности совершенно не выполняется и вопреки всем остальным принципам (СТО) надежно измеряется величина и направление абсолютной скорости Земли в мировом пространстве.
О нарушении принципа относительности сообщают ленинградские авторы А.А.Ефимов и А.А.Шпитальная в работе [13]. Ими был проведен анализ расположения 3543 наиболее ярких солнечных вспышек из числа наблюдаемых за последние 40 лет, 2700 групп солнечных пятен из гринвических каталогов и «Солнечных данных» за последние 100 лет (Англия). После вычисления галактических декартовых координат изображений вспышек и пятен Солнца удалось выявить наличие трех главных осей эллипсоида анизотропии, из которых одна направлена на центр Галактики, вторая - на созвездие Льва, а третья совпадает с осью вращения Земли.
Обнаруженная анизотропия позволяет выделить направление, совпадающее с направлением движения солнечной системы относительно фонового микроволнового радиоизлучения Вселенной (реликтового фона). Авторы рассматривают полученные результаты как доказательство существования абсолютной системы отсчета, связанной с реликтовым излучением Вселенной.
К этому можно добавить и тот факт, что СТО точно так же, как и квантовая теория, не опирается на принцип причинности, а базируется лишь на постулатах и математических построениях, которые можно назвать не более чем эмпирические. При этом очень часто отсутствуют указания на какие-либо механизмы наблюдаемых явлений, например: по какой причине существенно увеличиваются массы частиц при больших скоростях, или: в которой из двух летящих произвольным образом ракет часы идут медленнее и по какой причине.
Ни современная электродинамика, ни квантовая механика не могут ответить на целый ряд вопросов и среди них такие, как: какова физическая природа электрического заряда, напрямую связанного с силовыми взаимодействиями между отдельными микрочастицами и макроскопическими телами; до сих пор не выяснена природа массы, т.е. инерции всех наблюдаемых в природе объектов. А ведь сила, масса и ускорение - неотъемлемые понятия механики Ньютона со своими законами сохранения, на которых базируется вся современная физика.
В 1931 г. Эйнштейном была прочитана лекция на тему: «Современное состояние теории относительности», где он признает свою полную неудачу в попытках найти единые законы материи [14]: «Кладбище погребенных надежд...» - таков результат этих поисков. В 1936 г. Эйнштейн высказывает также серьезные сомнения в отношении квантовой теории в качестве единого фундамента современной физики и вообще правильного пути поиска этого фундамента [15]. Это были отнюдь не первые и далеко не последние сигналы о том, что в современной теоретической физике не все обстоит благополучно.
Авторы настоящей работы предложили пути решения некоторых ключевых задач, на которых споткнулась современная физика. С учетом волновых процессов, происходящих в эфире, рассматривается новый подход к раскрытию природы электрического заряда. При этом эфир выступает в роли переносчика силовых взаимодействий.
С использованием волновых процессов в эфире естественным путем получен вывод уравнений Максвелла и других уравнений электродинамики (калибровка Лоренца, сила Лоренца, запаздывающие потенциалы и др.), многие из которых считались до последнего времени невыводимыми и просто постулировались, исходя из опыта.
Предложен один из возможных вариантов структуры эфира, способный объяснить такие его свойства, как сверхтекучесть и высокая упругость, определяющая величину скорости света с.
На конкретных примерах показано, как хорошо проработанная классическая электродинамика может справиться с задачами, считавшимися неразрешимыми в рамках классической физики. Это - электромагнитная устойчивость планетарного атома, дифракция микрочастиц на монокристаллах, законы фотоэффекта, уравнение Шредингера, спектр излучения абсолютно черного тела и др.
Данная работа явилась плодом многолетних размышлений о проблемах электродинамики и атомной физики, анализа большого экспериментального материала, расчетов, острых дискуссий на кафедре теоретической физики, кафедре экспериментальной физики и многочисленных семинаров на физико-техническом факультете УГТУ-УПИ, в Институте высокотемпературной электрохимии, Институте химии твердого тела, Институте промышленной экологии УрО РАН, на кафедре теоретической физики УрГУ и в других организациях.
Книга может быть рекомендована широкому кругу читателей: преподавателям, аспирантам и студентам физических факультетов университетов, инженерно-физических и педагогических вузов, преподавателям старших классов средних школ, научным работникам и инженерам, желающим лучше понять фундаментальную физику. Авторы надеются, что эта работа позволит им более глубоко заглянуть в тайны микромира и избавиться от целого ряда предрассудков, связанных с представлениями СТО и квантовой механики.
БЛАГОДАРНОСТИ
Авторы выражают искреннюю благодарность коллективу Института промышленной экологии УрО РАН за понимание и содействие при подготовке материала книги, редакторам Б.Л. Двинянинову, А.В. Печатниковой и Н.П. Кубыщенко за большую помощь и ценные замечания при корректировке текста, О.А. Брюховских за помощь в компьютерной верстке, С.М. Овчинникову, Л.М. Мартюшеву и В.Б. Давыдову за содействие в компьютерной печати, Р.С. Протасу, А.И. Филатову и Л.М. Мартюшеву за очень интересную предоставляемую информацию по проблемам современной физики, а также всем коллегам в институте, с которыми обсуждалась данная работа. Выражаем особую признательность директору института В.Н. Чуканову за полезные обсуждения и ценные замечания по тексту книги, а также за созданную им творческую научную атмосферу в институте, которая помогла успешному обсуждению книги на семинарах с участием преподавателей вузов и научных сотрудников. Это позволило сделать необходимую корректировку в изложении основного материала работы.
Считаем приятным долгом поблагодарить академика А.Н. Барабошкина, академика А.А. Фотиева, члена-корреспондента РАТН Б.В. Шульгина за интерес к работе и полезные обсуждения, профессора, доктора физ. - мат. наук Ф.Ф. Гаврилова, поднявшего на обсуждение наиболее острые вопросы современной физики в программе кафедрального семинара "Философские проблемы физики", специалистов в области теоретической физики профессора, доктора физ.-мат. наук А.С. Москвина, Л.В. Курбатова, С.П. Довгопола, Р.Ф. Егорова, А.И. Филатова, Л.Д. Будрина за многократное участие в жарких и очень часто непримиримых дискуссиях о проблемах микромира, за ценные замечания по методике вывода дифференциальных уравнений и, в частности, уравнения Шредингера.
Авторы признательны профессору И.А. Дмитриеву за помощь в организации обсуждений по отдельным вопросам физики микромира. Выражаем благодарность А.А. Пузанову, Г.Д. Ведьманову, В.Э. Клюкину, А.П. Оконечникову, В.С. Андрееву, К.А. Калиеву, А.Л. Самгину, Е.Г. Голикову, Г.М. Васнину, всем сотрудникам кафедры экспериментальной физики физико-технического факультета УГТУ-УПИ, разделившим бремя финансовых расходов в процессе подготовки к печати экспериментального и теоретического материала.
Выражаем признательность нашим коллегам Н.Х. Валееву, В.И. Коберу, М.Г. Зуеву, А.А. Лукичеву, В.И. Радченко, В.Н. Махову, которые первыми поддержали идею попытаться разгадать электромагнитные механизмы атомных явлений, А.Г. Замятину, Г.И. Пилипенко, А.Б. Соболеву, Ю.А. Ковязину, В.П. Путырскому, М.И. Солину, Ю.М. Белякову, В.А. Больщикову, А.А. Живодерову, Л.Г. Горбичу, Л.М. Мартюшеву, М.В. Жуковскому, Р.С. Протасу, И.Л. Манжурову, И.Е. Кузнецовой, В.Б. Давыдову, О.И. Тютюннику, Е.В. Полякову, А.Е. Мордовину, В.Г. Чухланцеву, В.А. Безденежных, С.В. Вакарину, М.М. Соловьеву, Г.А. Елькину, Л.А. Благининой, Л.Н. Фоминой, В.С. Кийко, Р.Д. Мухамедьярову, К.Н. Гиниятулину, Б.С. Новисову, В.С. Бязырову, А.Г. Быкову, В.Н. Волкову, С.В. Грищенко, П.П. Зольникову, В.Г. Иванченко, Д.Л. Заворохину, С.Н. Шабунину, Б.В. Семенову, И.В. Хмелеву, В.Г. Юферову, Л.Н. Федорову, В.П. Быкову, В.Е. Иванову, C.И. Сартакову, Д.Х. Даянову, А.И. Сюрдо, З.А. Истоминой, В.Е. Щукину, А.Б. Грамолину, Ю.М. Плишкину и многим-многим другим за полезные обсуждения атомных проблем, О.А. Шаляпиной за техническую помощь в подготовке рукописи, М.Л. Плишкиной, Г.Л. Шаляпину и В.Л. Шаляпину, а также их семьям, разделившим бремя забот во время подготовки материала.
ВВЕДЕНИЕ
Начало электродинамики как науки чаще всего соотносится с фундаментальными исследованиями У. Гильберта (1544-1603), который в 1600 г. издал трактат “О магните, магнитных телах и о большом магните Земли”, содержавшем описание более 600 опытов, осуществленных при его непосредственном участии. Объем работ был столь велик, а эксперименты были выполнены столь безукоризненно, что потребовалось еще почти сто лет после Гильберта, чтобы получить существенно новые результаты.
Безусловно, наиболее заметной фигурой, относящейся к началу “эпохи становления физики как науки”, является французский философ, математик и физик Р. Декарт (1596-1650). Выход в свет знаменитого труда Декарта “Диоптрика”, в котором излагаются идеи эфира как переносчика света, предлагаются теоретические, т.е. математические, доказательства закона преломления и обоснование теории радуги, датируется 1637 г. Интересно, что тем же годом датируется и издание “Геометрии”, положившей начало аналитической геометрии. На счету Декарта немало эвристических идей - это и закон сохранения количества движения, и закон инерции, и первые теории магнетизма, и введение понятия переменной величины и функции, и метод декартовых координат, и многое другое.
За “эпохой Декарта” последовала “эпоха Ньютона и Гюйгенса”. Относительно вклада И. Ньютона (1643-1727) в науку вполне приемлем следующий стереотип: “...Английский физик и математик, создавший теоретические основы механики и астрономии, открывший закон всемирного тяготения, разработавший (наряду с Г. Лейбницем) дифференциальное и интегральное исчисление, изобретатель зеркального телескопа и автор важнейших экспериментальных работ по оптике...”. С именем Ньютона обычно связывается и идея дальнодействия - мгновенной передачи действия от одного тела к другому на расстояние через абсолютно пустое пространство без помощи материи.
Весьма разнообразными интересами следовало бы охарактеризовать исследовательскую деятельность голландского физика, математика и астронома Х. Гюйгенса (1629-1695). Однако особое место, вне всякого сомнения, занимает его волновая теория света, изложенная в основном в “Трактате о свете” (1650 г.). Ключевые идеи - световые возбуждения являются упругими импульсами в эфире1, имеет место явление поляризации света, открытое им же, направление распространения волн подчиняется принципу построения огибающей волны – принципу Гюйгенса. Знаменитый принцип сформулирован был следующим образом: “При испускании световых волн следует иметь в виду, что каждая частичка материи, в которой распространяется волна, не должна сообщать свое движение только ближайшей частичке, находящейся на одной прямой с первой частичкой и источником света; она также должна сообщать его всем частичкам, которые соприкасаются с ней и препятствуют ее движению. Таким образом, необходимо, чтобы вокруг каждой частички зарождалась волна, центр которой был бы в этой частичке”.
На дальнейшее формирование научного мировоззрения оказывает влияние, которое трудно переоценить, Л. Эйлер (1707-1783), обладавший выдающимися способностями в математике и механике. Нет возможности представить даже краткий перечень идей Эйлера, поскольку общее количество его научных трудов составило около 850, можно отметить лишь два момента, имеющие непосредственное отношение к электродинамике и волновым теориям. Л. Эйлер полагал, что все оптические, электрические, магнитные и другие явления - это результат взаимодействия “грубой'' материи и более “тонкого” вещества (менее плотного, но более упругого) – эфира. Естественно, что Эйлер пытался объяснять наиболее известные в его время световые явления колебаниями эфира. Наконец, существует основательная убежденность, что именно Эйлер впервые записал уравнение плоской гармонической волны.
Следующий заметный шаг в физике электрических и магнитных явлений связывается с установлением Ш. Кулоном основного закона электрического взаимодействия (1785 г.), однако, справедливости ради, следует отметить, что этот закон открывался до этого, по крайней мере, трижды - Л. Бернулли (1760 г.), Дж. Пристли (1766 г.), Г. Кавендиш (1771 г.).
Период с 1800 г. по 1815 г. интересен разнообразными пионерскими работами по интерференции света, по поляризации, по лучепреломлению, по измерению длин волн, по спектральному поглощению, связанными с такими именами, как Т. Юнг, Э. Малюс,
Ж. Био, Л. Брюстер, Д. Араго, Ж. Берар, Й. Фраунгофер, О. Френель. Т. Юнг и О. Френель высказали предположение о поперечности световых волн-лучей. Кроме того, работами, выполненными к 1818 г., О. Френель положил начало оптике движущихся тел и в общих чертах построил теорию дифракции света.
_____
1Изначально термин “эфир” был предложен еще в античные времена Аристотелем (384-322 до н.э.) для обозначения материи, из которой состоит небо и все, что на небе (от греч. ainhr -лучезарный). Возможно, в такой подмене терминов и понятий кроется чисто психологическое неприятие термина “эфир”. Дискуссионным тогда остается вопрос: чем же лучше – физический вакуум, поле или материальная среда?
Прорыв в области волновой оптики в 1820 г. сменяется не менее впечатляющим каскадом открытий в области электричества и магнетизма. Далее целесообразно отметить только очень фрагментарно ключевые моменты. Х. Эрстед открывает магнитное действие тока; А. Ампер - взаимодействие электрических токов; Ж. Био и Ф. Савар - закон, определяющий напряженность магнитного поля; Т. Зеебек - термоэлектричество. К этому же времени относится начало целой серии работ М. Фарадея (1791-1867), одно лишь только формальное перечисление которых способно составить объемный каталог, поэтому следует выделить наиболее значительное в этих исследованиях. Прежде всего, открытие явления электромагнитной индукции, во-вторых, явление вращения плоскости поляризации света в магнитном поле - первое экспериментальное доказательство связи между светом и магнетизмом, в-третьих, введение понятия “ силового поля ”. А. Эйнштейн по этому поводу отмечал: “Идея поля была самой оригинальной идеей Фарадея, самым важным открытием со времен Ньютона. Надо иметь могучий дар научного предвидения, чтобы распознать, что в описании электрических явлений не заряды и не частицы описывают суть явлений, а скорее пространство между зарядами и частицами”.
Примерно с середины Х1Х в. резко усиливаются теоретические изыскания, направленные на создание более или менее всеобъемлющей физико-математической концепции в области электромагнитных явлений. Существенными достижениями в этом отношении отличается творческая деятельность представителей немецкой школы физиков-теоретиков - Ф.Э. Неймана (1798-1895) и В.Э. Вебера (1804 -1891). Помимо успехов в создании первых теорий классической электродинамики следовало бы заметить, что, по-видимому, именно Вебером впервые была высказана гипотеза о прерывности электрического заряда и о существовании сверхлегкой заряженной частицы (за пятьдесят лет до открытия электрона Дж.Дж. Томсоном в 1897 г.).
Наряду с успехами физических наук Х1Х в. может быть отмечен не меньшими (если не большими) достижениями в области математических наук. В частности, к середине прошлого века в достаточно совершенном виде (по крайней мере, для целей новой
теоретической физики) сформировались такие разделы математики, как векторное исчисление (хотя сама терминология - “векторный анализ”- была введена Дж. Гиббсом позже, в 1881 г.), вариационное исчисление, математическая физика. В этой связи нельзя не отметить влияние на формирование научного мировоззрения П.С. Лапласа (1749-1827), Ж.Б.Ж. Фурье (1768-1830), К.Ф. Гаусса (1777-1855), С.М. Пуассона (1781-1840), М.В. Остроградского (1801-1861), У.Р. Гамильтона (1805-1865), Ж. Лиувилля (1809-1882).
Таким образом, складывалась благоприятная ситуация для создания теоретической электродинамики, как принято говорить в таких случаях - “идеи витали в воздухе”. Черту подвел Д.К. Максвелл, который в период с 1860 г. по 1865 г. обобщил всю сумму экспериментальных данных и предложил в виде системы уравнений теорию электромагнитного поля, выражающую все основные закономерности электромагнитных явлений. Элементами новизны в этой теории были введенное им понятие тока смещения, а также предсказание ряда эффектов - существование в свободном пространстве электромагнитного излучения (волн), распространение электромагнитных волн в пространстве со скоростью света. Справедливости ради стоит отметить, что Л.В. Лоренц, не имея информации о работах Максвелла, чуть позже, в 1867 г., во многом повторил результаты последнего. Существенным достижением обоих исследователей является неопровержимое установление электромагнитной природы света, т.е. логическое завершение связи между оптическими и электромагнитными явлениями.
К настоящему времени не установлено ни единого экспериментального факта, который позволил бы усомниться в справедливости электромагнитной теории Д.К. Максвелла. Однако не существует до сих пор и строгого вывода основных соотношений этой теории. Поскольку электрон был открыт значительно позже (Дж.Дж. Томсоном в 1897 г.), а дискретность же электрического заряда и его величина были установлены позднее (Р.Э. Милликеном в 1910-1914 гг.), то в основе теории Максвелла лежали представления о “заряде-жидкости”, т.е. теория Максвелла – это, прежде всего, макроскопическая электродинамика.
Существенным шагом вперед в области электродинамики представляются работы Х.А. Лоренца (1853-1928), которого по праву считают создателем классической электронной теории. Достижения Лоренца заключаются, прежде всего, в том, что он успешно ввел в учение об электричестве атомистику. Электромагнитная теория Лоренца (уравнения Лоренца - Максвелла) базируется на анализе движений дискретных электрических зарядов. Круг интересов, а соответственно и работ Х.А. Лоренца, весьма обширен, и, в частности, известны под его
именем формулы Лоренца-Лоренца (зависимость показателя преломления от плотности вещества), сила Лоренца (сила, действующая на движущийся в электромагнитном поле заряд), соотношения, устанавливающие взаимосвязь теплопроводности и электропроводности. Нобелевская премия была вручена ему за предсказание и разработку теории расщепления спектральных линий в сильном магнитном поле (эффект Зеемана).
Особый интерес в рамках электродинамики представляет собой гипотеза Лоренца о сокращении размеров тел в направлении их движения, обусловленном деформацией электрических полей (так называемое сокращение Лоренца - Фитцджеральда). Уже к 1904 г. Лоренцем были выведены основные формулы и соотношения электродинамики движущихся тел для преобразования координат, времени, массы. Официально считается, что именно Х.А. Лоренц подготовил переход от классической физики к теории относительности и квантовой механике. Справедливости ради надо отметить, что в это же время Ж.А. Пуанкаре (1854-1912), известный более как математик, обогативший математическую науку работами первостепенной важности, формулирует принцип относительности в качестве всеобщего и строгого положения. В 1904-1905 гг. он вводит в обиход терминологию - “преобразования Лоренца”, “группа Лоренца”; показывает, что исходя из представлений об эфире и уравнений Максвелла-Лоренца, невозможно обнаружить абсолютное движение. Следует обратить внимание на то, что еще до А. Эйнштейна Пуанкаре закладывает основы специальной теории относительности и первый вариант релятивистской теории гравитации.
Результаты опытов А.А. Майкельсона (совместно с Морли) по обнаружению так называемого “эфирного ветра”, как известно, оказались отрицательными, и именно это обстоятельство сыграло существенную роль в дальнейшем развитии физики. Не будет преувеличением сказать, что данные результаты были возведены в ранг некоей истины в последней инстанции, поэтому и оценка их должна проводиться, по возможности, наиболее объективно.
После этих экспериментов развитие электродинамики пошло по пути отрицания эфира как материальной среды и одним из следствий этого отрицания явилось дальнейшее развитие принципа относительности и создание СТО. С принятием физиками на вооружение постулатов теории относительности как опытного факта без достаточного их теоретического обоснования решение Проблемы эфира было отодвинуто на неопределенное время.
С возникновением СТО была создана видимость успешного развития электродинамики, но загадка физического вакуума, т.е. эфира, так и осталась тайной за семью печатями. Более того, возникали все новые проблемы и различные парадоксы, трудно объяснимые с точки зрения здравого мышления, что привело к явному расколу в рядах физиков-теоретиков.
Развитие электродинамики могло пойти и по другому пути, а именно: отказ от поспешных выводов после первого же неудачного опыта и тщательное взвешивание всех аргументов “за” и “против” признания эфира, а также анализ результатов всех последующих экспериментов с учетом накопленного опыта.
С позиций сегодняшних знаний можно утверждать, что детальное исследование проблемы эфира было бы вполне естественным ходом развития фундаментальной физики, тем более, что сам Эйнштейн примерно десять лет спустя после создания СТО возвратился обратно к эфиру, не введя соответствующих поправок в СТО, чего требовала логика развития теории. Возможно это произошло из-за того, что электродинамика тогда вернулась бы вновь к варианту Лоренца – Пуанкаре с неподвижным эфиром, а принцип относительности, рассмотренный впервые ими, приобрел бы значение частного случая, справедливого лишь для стационарных процессов и не выполняющегося в общем случае.
Известно, что Майкельсон, подводя итог своей жизни, все-таки высказал сомнение в справедливости написанных им уравнений. По его собственному признанию: “...отрицательный результат обусловлен тем, что в самой теории заключена какая-то неполнота и неясность”. Действительно, расчет движения электромагнитной волны в направлении движения Земли проводился таким образом, что деформация полей и волн, обусловленная динамикой, в этой ситуации не учитывалась. По меньшей мере, это удивительно, поскольку к середине Х1Х в. накопилось немало экспериментальных данных по допплеровским эффектам в акустике и оптике; теоретическое обоснование принципа Допплера датируется 1842 г. Очевидно, Х.А. Лоренц просто делает следующий вполне логичный шаг, когда обращает внимание на то, что все элементы установки Майкельсона - Морли имеют сложное материальное строение, в основу которого естественным образом заложены силовые поля, т.е. те же самые, в конечном счете, электромагнитные взаимодействия.
В данном контексте невозможно пройти мимо чисто психологического феномена, а именно: весьма часто преобразования Лоренца ассоциируются со специальной теорией относительности
(СТО). Как известно, в основе СТО лежит идея полного отказа от эфира как от материальной среды. Складывается труднообъяснимая ситуация, когда с непонятной настойчивостью, как бы само собой, навязывается логический стереотип: если преобразования Лоренца имеют место, следовательно, имеет место и СТО, а эфир тем самым из природы исключается категорически, чуть ли ни как анахронизм, как настолько несовременная гипотеза, что она уже не подлежит ни рассмотрению, ни
обсуждению.*
Однако еще раз стоит подчеркнуть, что именно Лоренцем были предложены теория и преобразования, призванные скорее узаконить эфир, а не отменить его. Пока же дело зашло настолько далеко от изначальных целей и истин, что современные исследователи весьма часто, намереваясь подвергнуть критике те или иные положения СТО, начинают с попыток отменить преобразования Лоренца [16-18]. Вследствие этого может быть получен обратный эффект - невольное упрочнение концепции СТО, вплоть до канонизации. По-видимому, самым разумным и взвешенным подходом к проблеме эфира является комплексный анализ всей совокупности обширнейшего экспериментального материала с позиций современных знаний.
В противном случае приходится иметь дело и с такими крайними точками зрения, что “...проведение опытов, подобных эксперименту Майкельсона - Морли, не имеет ни малейшего смысла, т.к. единственное, что они подтверждают, - так это волновую природу света. Можно сказать, что если источник и приемник волн имеют жесткую связь, то при любой их скорости субстанциальный эффект полностью скомпенсирован субстантивным, т.е. оптическая система в таких опытах таутохронна” [19].
Здесь автором используются не совсем привычные термины, которые означают следующее: субстанциальный эффект вызван движением источника излучения и связан с изменением длины волны в среде (поля как субстанции); субстантивный эффект вызван движением приемника излучения и не связан с изменением длины волны. Система называется таутохронной, если она не вносит никаких изменений в характер интерференционной картины.
Такие резкие утверждения малообоснованы, т.к. аргументация, приводимая в работе [19], содержит элементарные ошибки. В то же время в качестве позитивного вклада следует признать то, что в
данной работе достаточно убедительно на обширном экспериментальном материале демонстрируется некорректность экспериментов типа классического опыта А. Физо. Как оказалось, оптическая плотность жидкости (воды) существенным образом зависит от давления, которым обеспечивается движение жидкости (динамическое давление). Характерным явилось то, что, не устранив перепад динамического давления, вызывающий сдвиг интерференционной картины, делать выводы о прецизионных измерениях по сложению скорости воды со скоростью света вряд ли
_____
*Все чаще в научной литературе встречается термин “преобразования Лоренца - Эйнштейна”, а иногда и более краткое - “преобразования Эйнштейна”.
возможно. Вообще говоря, такой результат заслуживает внимания, поскольку является сильным аргументом против укоренившегося мнения, будто именно в опытах Физо релятивистская формула сложения скоростей находит неопровержимое подтверждение. Тем более, что если придерживаться исторической точности, опыты Физо сыграли важную роль в утверждении волновой теории света, а также при формировании и проверке основных уравнений электродинамики движущихся сред Максвелла - Лоренца.
Уже значительно позже, то ли с некоторой долей оптимизма, присущего эпохе великих открытий в физике, то ли с непреодолимым желанием внедрения релятивизма, и в первую очередь Эйнштейном, культивировалось мнение: “...Специальная теория относительности выкристаллизовалась из теории Максвелла-Лоренца электромагнитных явлений. Тем самым, все опытные данные, подтверждающие эту теорию электромагнитных явлений, подтверждают и теорию относительности... Экспериментальные аргументы в пользу теории Максвелла-Лоренца, являющиеся вместе с тем и аргументами в пользу теории относительности, слишком многочисленны, чтобы излагать их здесь... Прежде всего, замечу, что, насколько мне известно, сегодня вряд ли можно найти ученого, из тех, кто внес заметный вклад в теоретическую физику, не признающего, что теория относительности является логически вполне замкнутой и что она согласуется со всеми твердо установленными данными опыта...” [14]. Подобного рода сентенции имеют скорее отношение к публицистике, чем к теоретической физике.
В любом случае, эксперименты по обнаружению движения относительно абсолютной системы координат (иными словами - относительно абсолютного пространства или относительно эфира) должны бы иметь принципиально иное, в отличие от опыта Майкельсона - Морли, решение. Например: признать, что это либо однонаправленные эксперименты по измерению скорости света в одном направлении, либо эксперименты неволнового характера, либо
космологические наблюдения анизотропии мирового пространства. В данном аспекте наибольший интерес представляют, пожалуй, работы, краткое резюме которых представлено ниже.
В 1980-е годы Д.Г. Торр и П. Колен осуществили серию экспериментов по измерению относительных вариаций скорости света при однократном прохождении трассы [12]. В этих экспериментах сравнивалась фаза двух рубидиевых стандартов частоты, разнесенных на расстояние 500 м, с целью обнаружения возможной анизотропии скорости распространения света при однократном прохождении трассы. При реализации экспериментов обнаружены большие суточные вариации скорости света, порядка 10-3-10-2 для разнесенных часов, тогда как при сближении часов подобных вариаций не наблюдалось. На основе анализа точности показано, что предлагаемые эксперименты могут надежно обнаружить движение Солнечной системы в плоскости Галактики при достаточно длительном накоплении данных. Результаты экспериментов Торра - Колена свидетельствуют о нарушении принципа относительности, согласно которому невозможно обнаружение абсолютного движения Земли в абсолютном пространстве (эфире).
В течение длительного времени, в 1970-1980-х годах, Стефаном Мариновым была осуществлена целая серия различных экспериментов по измерению однонаправленной скорости света [10,11,20-23] по методикам, принципиально отличающимся от идеи эксперимента Майкельсона - Морли. Результаты экспериментов С. Маринова с вращающимися дисками свидетельствуют в пользу факта движения Земли в абсолютном пространстве (т.е. относительно неподвижного эфира) со скоростью порядка 300 км/с.
Более или менее подробное описание техники этого эксперимента приводится, в частности, в работе [11]. Авторское наименование эксперимента - “coupled mirrors” experiment (эксперимент со связанными зеркалами). Следует признать, что в техническом отношении эксперимент весьма сложен и требует тщательной настройки как механических, так и оптических систем аппаратуры. Основная идея заключается в регистрации изменения скорости прохождения луча света заданного расстояния между двумя синхронно вращающимися зеркалами. При этом С. Мариновым с коллегами было установлено, что скорость света, измеренная вдоль выбранного направления на земной поверхности, различна в разное время суток (а значит, - при разной ориентации относительно абсолютного пространства).
По мнению С. Маринова, “в последнее время, точнее - десятилетия, постулат Эйнштейна о постоянстве скорости света вдоль
всех направлений в любых инерциальных системах отсчета приобрел столь устойчивую популярность, что для большей части физиков эта проблема оказалась закрытой, как, скажем, проблема вечного двигателя. Тем не менее, до настоящего времени экспериментального доказательства этого эйнштейновского постулата в пределах первого порядка точности в отношении v /c нет. Исторический эксперимент Майкельсона - Морли, обеспечивающий неприкосновенность догмы о постоянстве скорости света, дает, как известно, точность второго порядка в v /с, но эффекты первого порядка, на самом деле, при этом не отмечаются. Таким образом, отрицательные результаты опыта Майкельсона - Морли не могут трактоваться как решающее доказательство в пользу концепции постоянства скорости света”.
Признанию результатов экспериментов С. Маринова (а также Д.Г. Торра и П. Колена), которые более всего согласуются с теорией абсолютного пространства-времени Лоренца и свидетельствуют о нарушении эйнштейновского принципа относительности, широкой научной общественностью мешает, скорее всего, определенный психологический барьер “ужаса абсолютного пространства”[21].
Наконец, в работе [24] приведены результаты эксперимента “Реликт”, проведенного в 1983-1984 гг. с помощью спутника “Прогноз-9”. Измерение интенсивности реликтового излучения проводилось на длине волны 8 мм (37000 МГц). При вычете эффекта абсолютного движения Солнечной системы и Земли относительно мирового пространства (эфира) анизотропия реликтового излучения не превысила 0,005%. Таким образом, в пределах чувствительности используемых приборов в абсолютной системе координат, связанной с мировым пространством, т.е. эфиром, не было обнаружено анизотропии реликтового излучения. Проведенные измерения позволили установить абсолютное движение Земли в мировом пространстве со скоростью около 295 км/с.
Как уже отмечалось выше, предлагается, как само собой разумеющееся, мнение, что специальная теория относительности (СТО) в том виде, в котором ее предложил А. Эйнштейн, имеет чуть ли ни неисчислимые эмпирические подтверждения. Это весьма далеко от реального положения дел. Основные релятивистские эффекты - зависимость эффективной массы частицы от ее скорости, дефект масс атомов, формула Е=mс2, которые постулированы в СТО и якобы подтверждают теорию Эйнштейна, на самом деле требуют более детальной проработки таких понятий, как “масса”, “время”. Эти эффекты, как показано в работах [25,26], имеют электромагнитную природу и могут быть, с одной стороны, объяснены в рамках
классической электродинамики Максвелла - Лоренца, а с другой - в лучшем случае свидетельствовать о справедливости преобразований Лоренца.
Что касается эксперимента Эддингтона, который трактуется как наиболее весомый аргумент в пользу теории относительности Эйнштейна, следует более тщательно учесть различные факторы, которые повлияли на отклонение луча света при прохождении его вблизи Солнца. При обработке результатов измерений отклонений света массой Солнца не учитывались, как мы полагаем, некоторые существенные факторы: рефракция в солнечной атмосфере, формирующейся в результате выбросов раскаленного газа в виде протуберанцев, хорошо наблюдаемых при солнечных затмениях, и учет солнечного ветра, состоящего из потока газа и заряженных ионов, которые при достижении Земли вызывают магнитные бури и полярные сияния; ненормальная рефракция в земной атмосфере благодаря холодному воздуху внутри теневого конуса Луны; искажения положений звезд в оптической части аппаратуры, нарушения, связанные с засветкой пластины короной Солнца. К тому же экстраполяция данных по гиперболическому закону в область, в которой вообще не было никаких измерений, также требует своего обоснования, поскольку от этого существенно зависит результат [16].
Прежде чем подвести окончательную черту в данном введении-обзоре и перейти к основному материалу, целесообразно все-таки сделать несколько предварительных замечаний, которые помогут осознать тот факт, что проблематика эфира, разработка
