Все эти несовместимые с классической наукой события вызвали среди ученых старшего поколения глубокое потрясение и растерянность. Рушились наиболее фундаментальные понятия, вытекающие из механики Ньютона и электродинамики Максвелла. Казавшаяся легко достижимой конечная цель научного познания и объяснения устройства Мира на глазах превращалась в непостижимый мираж. Появившиеся на научном небосклоне тучи предвещали грозу, способную превратиться в затяжной научный кризис.
б. История заблуждений теории относительности
Однако “гроза” продолжалась недолго. В том же 1900 году, когда Томсон прочитал свою знаменитую лекцию, М. Планк предложил весьма оригинальный способ разрешения проблем тепловой теории. Несмотря на свою стойкую приверженность идеалам классической науки, будучи по существу одним из ярчайших представителей старшего поколения ученых, 42-летний Планк в полном противоречии со сложившимися представлениями ввел в физику понятие кванта - неделимой порции энергии, которая может быть поглощена в процессе излучения. Революционность этой гениальной идеи состояла в том, что она впервые посягнула на принцип непрерывности физических событий, впервые указала на возможность существования предела дробления энергии (а поскольку энергия, как мы установили, является “врожденной силой материи”, то существование предела дробления энергии равносильно существованию аналогичного предела дробления материи). До этого считалось, что истинно-непрерывное - сплошное - делится как угодно. Так от непрерывной нити можно отрезать кусок любой длины, а из стакана отпить желаемую порцию воды. Это аксиоматическое, казалось бы не нуждавшееся в доказательствах и никем никогда не доказанное, естественное убеждение, приобрело силу натурфилософского принципа: “Природа не делает скачков”. По Планку же получалось, что для микропроцессов этот общепринятый для науки принцип не подходит. Непрерывность исчезала из картины обмена энергией между полем и веществом.
И надо сказать, что эта революционная и абсолютно верная идея могла бы оказаться спасительной не только для построения правильной теории теплового излучения и решения загадки зависимости теплоемкости от температуры, ради чего, собственно говоря, она и была высказана Планком. Нет, она могла бы, кроме того, избавить науку от нарождавшегося кризиса, направить ее течение в прежнее, проложенное трудами крупнейших физиков трех предшествующих веков классическое русло. Никакой антиклассичности, которой так опасались приверженцы ньютоновой механики, концепция квантования энергии в себе не содержала. Как раз наоборот, она была вполне естественным продолжением истории познания материи при переходе от макромира к микромиру. Естественным хотя бы потому, что еще Демокрит провозгласил существование неделимых частиц вещества. А коль скоро вещество является носителем энергии, то почему бы и ей не обладать порционностью? В этом по крайней мере есть определенная логика, под которую оставалось только подвести правильную теоретическую базу, детально переосмыслив все существующие факты. Однако этого, к глубокому сожалению, не произошло. Наука свернула с проторенного классического пути, чем ввергла себя в глубочайший и парадоксальнейший по своей сути кризис.
Главной причиной этого продолжавшегося целое столетие кризиса явилась сложившаяся к тому времени ошибочная трактовка природы света, также имевшая длительную драматическую предысторию, характеризовавшуюся напряженной борьбой двух научных направлений. Первое из них (а история науки имеет немало примеров того, когда именно первое впечатление является истинным), обоснованное еще великим Ньютоном, считало, что свет имеет корпускулярную природу, то есть состоит из отдельных дискретных частиц. Но практически одновременно с этим были высказаны соображения и о волновой природе света. В арсенале каждого из этих направлений имелись свои “веские“ аргументы. С одной стороны, гипотеза о корпускулах света делала естественными законы геометрической оптики (в лучевой оптике и поныне пренебрегают тем, что свет - это волна; при этом получается важный выигрыш – простота расчетов и наглядность образов). Упругие столкновения частиц света с гладкой поверхностью доходчиво объясняли явление отражения. Изменение скорости частиц в разных средах достаточно убедительно объясняло преломление света на границах сред. Но с другой стороны, целый ряд иных световых явлений, основными среди которых являются дифракция, интерференция и поляризация, были трудно объяснимы для дискретных частиц и очень характерны для волнового движения.
Заметный перевес в сторону волновой природы света четко обозначился в 19 веке. В его начале Юнг высказал предположение, что причиной целого ряда световых явлений служит интерференция света, схожая с интерференцией волн водной поверхности. И уже в первой половине того же века интерференция света была установлена на опыте. Примерно в это же время был подтвержден ряд других предсказаний волновой теории. Ну и, наконец, как известно, теория Максвелла выявила полное совпадение постоянной, связывающей электромагнитные процессы, с величиной скорости света, что поставило последнюю точку в этом двухвековом споре.
Казалось бы, гениальная идея Планка о квантах излучения должна была вернуть науку к первоначальному, ньютонову, представлению о корпускулах. Ведь свет является наиболее ярким представителем энергетических излучений; и не только в переносном, но и в прямом смысле. Однако этого не случилось. К тому времени наука слишком уж уверовала в то, что свет и электромагнитное излучение – одно и то же. Ну а в том, что электромагнитные волны действительно являются волнами, а не корпускулами, сомневаться не приходилось. Случилось совсем другое. В 1905 году молодой Эйнштейн (ему тогда стукнуло только 26 лет), создавая свою специальную теорию относительности, развил в работе, позже отмеченной Нобелевской премией, квантовую теорию Планка таким образом, что энергетический квант действия, присущий электромагнитному, а следовательно и световому излучению, объединяет свойства и волны, и частицы. Так фундаментальная наука об устройстве материи вступила на скользкий путь корпускулярно-волнового дуализма – двойственного представления о дискретных объектах микромира.
Но это было еще полбеды. Из этого положения под давлением нарастающего потока новых фактов о микрообъектах и микропроцессах с помощью эфирных представлений наука бы как-нибудь выкрутилась. Однако вместе с ложной посылкой о корпускулярно-волновой природе света Эйнштейн пришел к еще более ошибочному выводу о том, что материальный мир Вселенной вообще не нуждается ни в каком эфире, которого как такового в природе материи совсем не существует. При этом логика рассуждений Эйнштейна заключалась в том, что сформулированный еще Галилеем принцип относительности для механических явлений было бы вполне естественно распространить и на электромагнитные процессы. В качестве обоснования такого подхода в своей самой первой работе по специальной теории относительности Эйнштейн приводит такой пример: имеются проводник и магнит, которые двигаются относительно друг друга с постоянной скоростью. В системе отсчета, в которой магнит движется, а проводник покоится, согласно закону Максвелла возникает электрическое поле, порождающее в проводнике некоторый ток. Однако в другой системе отсчета, в которой движется уже проводник, а магнит покоится, никакого электрического поля вокруг магнита нет, но в проводнике возникает электродвижущая сила из-за сил Лоренца, действующих на движущиеся вместе с проводником свободные заряды. Получается довольно странная картина: происходит одно и то же событие, но при рассмотрении с разных позиций в нем участвуют совершенно разные действующие лица. В одном случае действует образующееся вокруг магнита электрическое поле, в другом – возникающая в проводнике ЭДС. Результат же в обоих случаях один и тот же: в проводнике текут одинаковые токи. Собственно говоря, даже не одинаковые токи, а один и тот же ток, так как событие-то происходит всего одно, да и случай на самом деле тоже всего один. Его раздвоение – всего лишь следствие дуалистического метода исследования. Но при этом делается однозначный вывод: принцип относительности справедлив не только для механических, но и для электромагнитных явлений.
Вот так, не разобравшись в физической сути явлений электричества и магнетизма, наука втянулась в длинный тупиковый тоннель, с одним лишь входом, но без выхода. А проблема, если в ней грамотно разобраться, не так уж и сложна. Как известно, электроны первоначально рисовались воображению физиков как некие крохотные комочки материи, этакие вращающиеся шарики, обладающие собственным моментом количества движения. И это было близко к истине, с тем лишь уточнением, что под “комочками материи” следует понимать микровихри непрерывного эфира. Ну а что такое вихри в непрерывной среде? На примере атмосферных торнадо мы прекрасно знаем, что в центре мощного вихря образуется сильно разреженная область, куда устремляется материя из окружающего пространства. Для электронного вихря такой материей является заполняющий все пространство Вселенной эфир. В результате электронный вихрь, имеющий размер 10-13 см, оказывается охваченным со всех сторон тороидальным магнитным вихрем (рис. 8).
Рис. 8. Схематичное изображение электрона
Рис. 9. Формирование общего электрического поля двумя электронами
В свою очередь суммарные электрические и магнитные поля образуются как результат сложения вихрей единичных зарядов. Так, например, на рис. 9 показано, как формируется общее электрическое поле двух зафиксированных в определенных позициях электронов. В зависимости от расстояния между такими электронами та или иная часть индивидуальных электронных вихрей не будет приходить в энергетическое соприкосновение друг с другом. Но на удалении, равном половине расстояния между центрами электронных вихрей, их “силовые линии” войдут в соприкосновение. Поскольку вихри одноименно заряженных частиц являются противоборствующими, то еще более удаленные от центров “силовые линии” будут вытесняться из индивидуальных вихрей и становиться общими “силовыми линиями” для обоих зарядов. Вот эта общая часть и будет являться суммарным электрическим полем системы частиц из двух электронов. Аналогичным образом создается общее электрическое поле системы из трех, четырех и так далее однозарядных частиц.
Таким образом, прежде чем делать какие-то выводы о правомерности принципа относительности применительно к электромагнитным явлениям, необходимо было разобраться в их физической природе. Поскольку Эйнштейну этого сделать не удалось, то, минуя язык физики и совершенно пренебрегая языком логики, он сразу же перешел на язык математики. Если бы классическая наука была верна и для макромеханики и для электродинамики, рассуждал Эйнштейн, то уравнение для второго закона Ньютона должно было бы соответствовать инвариантности уравнений Максвелла относительно преобразования Галилея. Но непосредственная математическая проверка показала, что это, увы, не так. Таким образом, возникла проблема выбора: либо отказаться от того, что принцип относительности справедлив не только для механических, но и для электромагнитных явлений, либо видоизменить теорию Максвелла, вводя какие-то дополнительные гипотезы о свойствах эфира, либо отказаться от справедливости преобразований Галилея. Так как во всех экспериментах, не связанных с попытками обнаружить абсолютное движение, то есть движение относительно эфира, уравнения Максвелла “работали” превосходно, а доказательство справедливости сформулированного им же самим принципа относительности стало навязчивой идеей, то Эйнштейн решил пожертвовать преобразованиями Галилея, а заодно и эфиром, который только вносил лишнюю путаницу в ход его рассуждений.
На самом же деле рассуждать следовало совсем иным образом. Во-первых, коль скоро теория Максвелла вполне заслуженно пользовалась столь высоким доверием, а сам Максвелл считал существование несомненно существующих электромагнитных волн без непрерывной эфирной среды практически невозможным, то прежде всего вопрос о наличии эфира необходимо было решать положительно. Во-вторых, коль скоро стал вопрос о необходимости придания эфиру каких-то новых свойств, а пассивный и безразличный ко всему эфир явно не годился для объяснения несомненно присутствующих во всем пространстве Вселенной гравитационных сил, то ему следовало придать единственно пригодные в данном случае активные самоуплотняющиеся свойства с соответствующей заменой не имеющего никакого физического источника тяготения на естественное стягивание дискретных объектов стремящимся к сжатию непрерывным эфиром. В-третьих, коль скоро экспериментами не подтверждалось наличие в пространстве неподвижного эфира, ему надлежало придать в действительности присущую ему подвижность. Ну и, наконец, в-четвертых, раз уж электромагнитные волны являются несомненными волнами (а волной, по определению, является возмущение, распространяющееся с конечной скоростью в пространстве и несущее с собой энергию без переноса вещества, но никак не перемещение корпускул), в то время как открытое Эйнштейном явление фотоэлемента с такой же несомненностью указывает корпускулярность световых фотонов (как, впрочем, и любых других фотонов), электромагнитное излучение следовало отделить от всех остальных излучений (инфракрасного, оптического, ультрафиолетового, рентгеновского и гаммалучевого) с соответствующим выяснением различий физического механизма излучения волн от испускания квантов эфира. Вот тогда бы науке не пришлось целый век продираться сквозь дебри непроходимого тупика вместо того, чтобы продолжать свое уверенное движение по уже освоенной магистрали.
Но принятые Эйнштейном совершенно противоположные истинным решения перевернули науку с ног на голову. Эфир из пространства Вселенной был насильственно устранен, отчего гравитационные силы вообще потеряли какой-либо физический смысл, природа движения объектов приобрела преимущественно геометрический характер, а совершенно несовместимые между собой понятия волны и частицы стали единым понятием. Поскольку физической логике в такой науке почти не оставалось места, она была практически полностью заменена логикой математики. Подвергнув сомнению справедливость преобразований Галилея, из которых со всей очевидностью следовали столь привычные представления об абсолютном пространстве и времени, Эйнштейн решил, что вопреки пресловутому “здравому смыслу” пересмотру должны быть подвержены и такие фундаментальные понятия классической науки, как одновременность событий и непосредственная связь между пространственными отрезками и временными интервалами в различных системах отсчета. При этом в качестве обоснования правомерности такого пересмотра он принял на вооружение два постулата, якобы основанных на всей совокупности имеющихся опытных данных:
1. Принцип относительности, утверждающий, что все физические явления протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета. И против этого трудно что-либо возразить, поскольку все явления протекают именно так, как они протекают: им нет совершенно никакого дела до того, что их кто-то там каким-то образом отсчитывает. Относительны наши восприятия происходящего, а не сами процессы. Но для Эйнштейна это почему-то означает, что говорить в таком случае об абсолютном движении и об эфире абсолютно бессмысленно, так как не существует эксперимента, с помощью которого можно определить движение наблюдателя относительно эфира.
Неполноценность такого подхода к объяснению устройства Мира в целом и одного из его составных элементов - нашей Вселенной - с учетом того, что нами уже было выяснено о действительном положении дел, становится очевидной. Прежде всего необходимо иметь ввиду, что таких вселенных как наша в составе Мира может быть несчетное множество, и каждая из них отделена от другой пустым пространством. Так что говоря об абсолютном движении, надо иметь ввиду движение не относительно эфира, а относительно пустого мирового пространства. Но даже если Вселенная всего лишь одна в мире, за ее пределами все равно простирается абсолютное пустое пространство. Конечно, как в том, так и в другом случае, говорить о возможности экспериментального обнаружения абсолютного движения в абсолютном мировом пространстве действительно совершенно бессмысленно, но не потому, что такого движения вообще не существует, а потому, что, во-первых, в пустом пространстве нет никаких материальных ориентиров, а во-вторых, даже если бы они каким-либо неестественным образом существовали, ориентироваться по ним в силу энергетической и информационной замкнутости нашей (как и любой другой) Вселенной мы все равно бы не могли. Единственная наша возможность - оценка относительных движений в ограниченных пределах Вселенной, и то только после того, как она (Вселенная), будет достаточно хорошо изучена.
Другой ошибкой, которую допустил в данном случае Эйнштейн, является то, что все его рассуждения основаны на неподвижном эфире Вселенной, в то время как вселенский эфир не только исключительно подвижен, но и чрезвычайно активен. Он - главная из энергетических сущностей вселенской материи, он - фундаментальная основа всего нашего мироздания, его движущая сила и надежный каркас. И потому отказ от эфира является не обычным, рядовым заблуждением, которых и прежде было немало и с которыми наука так или иначе в конце концов справлялась, а принципиальнейшим (гносеологическим) заблуждением, неизбежным следствием которого явился подрыв всей науки об устройстве материального мира в самой ее основе.
2. Принцип исключительности фотонов, полагающий, что скорость света не зависит от скорости движения его источника. В механике Ньютона все объекты строго подчинялись правилу сложения скоростей. В теории Эйнштейна тоже, но за одним исключением: фотоны этому всеобщему правилу не подчиняются.
...Пожалуй, нет смысла далее развивать это общеизвестное заблуждение теории относительности Эйнштейна и последовавшие вследствие него многочисленные нелепости и парадоксы. Об этом и так уже исписаны горы бумаги. Отметим только, что своему почти столетнему блужданию в тупике наука обязана главным образом именно этим эйнштейновским постулатам. Конечно, сегодня, оглядываясь назад, намного проще видеть, в чем суть совершенных наукой ошибок и как можно было избежать связанных с ними недоразумений. Не ошибается тот, кто ничего не делает; на ошибках учатся - все это верно. Но ошибка ошибке рознь. Порою цена ошибки столь велика, что если ее своевременно не поправить, она способна принести непоправимый урон, в том числе в глобальном масштабе. К разряду таких ошибок следует отнести и заблуждения теории относительности, так что от ее создания гораздо благоразумней было бы воздержаться. Тем более что предчувствие опасных последствий поспешных выводов накануне возникновения научного кризиса не покидало многих здравомыслящих ученых того времени. Наиболее резко это выразилось в предложении допускать в физику только то, что поддается экспериментальному исследованию; все мысленные построения, не поддающиеся экспериментальной проверке (а теория Эйнштейна создана именно таким образом), не должны приниматься в расчет.
Но молодости, как известно, от природы свойственны азарт и нетерпение, а понятие здравого смысла, к сожалению, не всеми понимается одинаково. Как заявил однажды Эйнштейн, возможно и стоит обратиться к здравому смыслу, когда б его могли положить на весы и обозначить точную меру, ибо “здравый смысл - это толща предрассудков, успевших отложиться в нашем сознании к 18 годам”. Однако в действительности здравый смысл - это не чье-либо частное мнение. Это общественное достояние, приобретенное в ходе исторического развития человеческого сознания. Это накапливавшийся тысячелетиями жизненный опыт многих поколений наших предков. Здравомыслие позволяет уберечь нас от повторения ошибок прошлого. То же, о чем говорил Эйнштейн, вовсе не здравомыслие, а еще не оформившееся мировоззрение неоперившегося юнца. С таким мировоззрением можно наломать дров не только в науке, но и в любой другой области человеческой деятельности.
Но наша главная цель все-таки история научных заблуждений и потому имеет смысл разобраться с тем, как дальше развивались события.
в. История заблуждений квантовой теории
Абсурдная по своей сути идея Эйнштейна о дискретности электромагнитного поля, представляющего собой несущийся со световой скоростью поток своего рода микрокентавров (получастиц - полуволн), получила продолжение в квантовой физике микромира. Началось все с того, что в 1911 году ученик Томсона Резерфорд на основе результатов опытов по рассеянию альфа-частиц предложил планетарную модель атома, созданную по аналогии с Солнечной системой (рис. 10). Согласно этой модели в центре атома находится положительно заряженное ядро диаметром порядка 10-13 см, масса которого почти равна массе всего атома. Вокруг ядра по круговым орбитам диаметром порядка 10-8 см обращаются электроны, число которых равно номеру соответствующего атома в периодической системе Менделеева.
Рис. 10. Строение атома углерода
Планетарная модель привлекала своей простотой и наглядностью, своей удивительной схожестью с устройством воочию наблюдаемого Солнечного дома. Но с механической точки зрения она приводила к резкому расхождению с научными фактами. Еще с 60-х годов 19 века было известно, что атомы вещества в газообразном состоянии излучают свет, спектр которого состоит из отдельных характерных только для данного химического элемента линий, соответствующих вполне определенным длинам волн. Но согласно модели Резерфорда вращающиеся вокруг ядра электроны должны были бы испускать сплошной непрерывный спектр, теряя энергию на излучение. При таких условиях атом не мог оставаться устойчивым - израсходовав энергию, его электроны должны были в миллиардные доли секунды упасть на ядро. В действительности же атомы многих элементов могут оставаться в устойчивом состоянии миллиарды лет. По этой причине поначалу атом Резерфорда настолько не принимали всерьез, что не удостаивали критики. И на то у сторонников старой научной школы имелись достаточно веские основания.
Дело в том, что по существу опыты Резерфорда отнюдь не указывали на наличие в составе атома орбитальных электронов, и даже вообще каких-либо электронов. Они свидетельствовали лишь о том, что в центре атома сосредоточены массивные носители положительных зарядов. Как талантливейшему экспериментатору (но не теоретику), в своей публикации о результатах опытах Резерфорду следовало ограничиться описанием экспериментальных данных - и все. Оценить научное значение этих фактов - дело специалистов другого рода. В свою очередь теоретики должны были бы обратить внимание на “странное поведение” электронов, которые почему-то вообще ничем не проявляли своего присутствия, хотя их существование в составе атома предполагалось еще первооткрывателем электронов Дж. Томсоном для того чтобы нейтрализовать несомненно присутствующие в атоме положительные заряды. Но если бы электроны находились в атоме, то в ходе длительных экспериментов альфа-частицы непременно сталкивались бы и с электронами, что не могло бы оставаться незамеченным.
Однако Резерфорд на сей раз пренебрег научной этикой, “планетарный джин” был выпущен из бутылки, а 26-летний Бор сразу же в него поверил и принялся за теоретическое обоснование. Спасти планетарную модель от нападок критики - значило объяснить устойчивость атомных размеров устойчивостью орбит полета электронов вокруг ядра. Законы классической физики вообще не давали никаких указаний на этот счет. Значит от них необходимо отказаться и создавать новые. И вот, опираясь на квантовые идеи Планка, в 1915 году Бор, как в свое время Эйнштейн, выдвигает свои знаменитые постулаты:
1. Атом может находиться только в дискретных устойчивых состояниях, характеризующихся определенными значениями энергии. В этих состояниях электроны движутся вокруг ядра по определенным “дозволенным” орбитам, радиусы которых соответствуют возможным значениям энергии атома. По каким-либо другим орбитам стационарное движение электронов невозможно.
2. При движении по дозволенным орбитам электрон, вопреки классической электродинамике, не излучает. Излучение может происходить только при переходе электрона с одной орбиты на другую.
3. Энергия излучаемых электроном фотонов прямо пропорциональна частоте и равна разности его энергий в начальном и конечном состоянии движения. При этом фотон света с данной частотой имеет строго определенную энергию, задаваемую формулой Е=hv, где h - постоянная Планка, характеризующая минимально возможный в отношениях между микрочастицами квант действия.
Таким образом, усовершенствованная Бором планетарная модель атома содержала скачущие по орбитам электроны-спутники, благодаря чему атомы и сохраняют свою завидную устойчивость.
Так вслед за страдающей отсутствием здравомыслия теорией относительности на свет появилась обладающая зачатками научного безумия квантовая теория микромира. Хотя и в данном случае у науки имелись достаточные основания, чтобы не попасться на удочку очередных ошибочных идей. Еще все в том же 1900 году все тот же У. Томсон все в той же лекции “Тучи 19 века...”, в частности, говорил: “Если не допускать, что атом может начать колебаться или вращаться благодаря столкновениям (наиболее неприемлемая гипотеза), то он должен иметь спутники, связанные с ним (или эфир сконденсированный в нем или около него)...” В этом высказывании, как легко видеть, предполагаются две возможности строения атома: