Текст книги "Этюды о свете"

Автор книги: Фридэн Королькевич

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 6 страниц)

Ф. Королькевич
ЭТЮДЫ О СВЕТЕ

ОТ ИЗДАТЕЛЯ

Процесс появления книг на свет не поддается математическому описанию. История рождения каждой книги уникальна.

Эта книга родилась из газетной публикации.

В июне 2000 года в Принстоне группа ученых готовила статью с описанием проведенного ими опыта по ускорению света. Некоторые первичные выводы, сделанные физиками из результатов опыта, стали известны журналистам.

Лондонская «Таймс» вышла с сенсацией: американские физики увеличили скорость света в 300 раз! Новость моментально облетела мир, ее подхватили агентства новостей и другие солидные издания. Выводы журналистов сыпались как из рога изобилия. «Теория относительности Альберта Эйнштейна требует пересмотра!», «Принцип причинности физических явлений поколеблен!», «Рухнули основы физики!» – так реагировала пресса.

Ученый мир ждал публикации в журнале «Нейчур».

Газета «Время МН», где я был тогда главным редактором, также опубликовала, со ссылкой на «Таймс», это фантастическое сообщение. А вскоре в редакцию пришел отклик на публикацию.

Автор письма, любитель физики и автор нескольких книг и научных статей о природе света, Фридэн Игнатьевич Королькевич, весьма убедительно и просто показывал, что сенсация – результат заблуждения. Чего причина этого заблуждения кроется в неверном понимании сущности света. То есть физики не просто ошиблись. Они были, можно сказать, запрограммированы на ошибку. И это тоже выглядело сенсацией.

Со школьной скамьи известно, что свет представляет собой электромагнитные волны, сами собой распространяющиеся в пространстве. Автор письма, приглашенный в редакцию, утверждал: такое понимание природы света оставляет столь много неясностей и противоречий, что признать его истинным совершенно невозможно.

Газета опубликовала мнение «еретика», посягнувшего на одну из «священных коров» современной физики – электромагнитную теорию света.

Через пару месяцев оказалось, что автор письма в редакцию прав. Экспериментаторы из Принстона ошиблись. Однако причина этой ошибки, на которую указал в газете Королькевич, таила в себе истинную сенсацию: существующая электромагнитная теория света требует пересмотра.

Редакция заказала Королькевичу популярную статью на эту тему к столетию квантовой теории. По причинам, не зависящим от автора, статья так и не была опубликована. Однако, можно сказать, развитие этой статьи привело к созданию «Этюдов о свете». Так родилась эта книга, которая может быть интересна не только физикам, но и всем тем, кто интересуется историей науки и вопросами мироздания.

Дмитрий Мурзин,

издатель.

ОТ АВТОРА

В работе над этой книгой была поставлена простая задача – показать возможность существования в природе первичных элементов света, своего рода атомов излучений. Введение их в теорию позволяет уточнить физическую картину мира и решить ряд проблем.

Еще Демокрит предполагал, что светящиеся тела испускают мелкие атомы, которые воздействуют на плаза.

В начале двадцатого века выдающиеся ученые – Пуанкаре, Эренфест, Иоффе и Планк – рассматривали величину константы Планка в качестве мельчайшей частицы энергии излучений. Поскольку она неделима и неизменна, то Пуанкаре и Иоффе назвали ее атомом энергии и атомом света. К этому вела неясность физического смысла постоянной Планка, одной из основ квантовой теории.

Неясности окружают и нынешнюю теорию света. Академик Тамм, например, вспоминал, что Альберт Эйнштейн как-то спросил Нильса Бора:

«– Скажите, что же такое свет?

– Обратитесь к немецкому правительству, – ответил Бор. – И пусть оно либо издаст постановление, что свет – это волна, и запретит пользоваться фотоэлементами, либо пусть скажет, что свет – это корпускулы, и тогда запретит пользоваться дифракционными решетками».

В 1951 году автор гипотезы световых квантов Эйнштейн писал своему другу Мишелю Бессо, что полвека сознательного поиска ничуть не приблизили его к ответу на вопрос, что же такое кванты света. Каждый думает, что знает ответ, но он ошибается.

Сегодня известны десятки представлений о квантах.

Квант света как структура нейтрино-антинейтрино, возбужденная электронно-позитронная пара, вихревое образование эфира, осциллирующее поле дираковского вакуума, тороид, неделимый пакет волновой энергии, электромагнитные волны и поля, частицы и пр. Но все это плохо согласуется с фактами и логикой их связи. Нынешние теории света – квантовая и волновая – вводят в заблуждение и сдерживают развитие науки и техники.

Открытие квантового характера излучений и постоянной Планка по сути было одновременно открытием энергоатомарной природы света. Результаты опытов и математический аппарат, приводимые в книге, подтверждают это. Они дополняют ранее опубликованные автором работы о свете и структуре материи[1]1
  • Субкванты. М.: Компас интернешнл, 1992.
  • Путь к новой энергетике. Журнал русской физической мысли, № 1–6, 1993, с.217.
  • Свет и структура материи. М.: Компас интернешнл, 1993.
  • Вторая квантовая гипотеза Планка и ее следствия. // Физ. – мат. ж. Тос-Маатиан, США, № 4, 1995, с. 581.
  • Начала субквантовой физики. М.: Ариэл-ЛЕБ, 1996.


[Закрыть]. Некоторые выводы из этих работ, математические соотношения и ссылки на литературу прилагаются.

Автор выражает глубокую признательность участникам семинара Ученого совета Академии нового мышления и Московского общества испытателей природы, его секции общей физики за полезные обсуждения.

― ♦ ―

Свет обнаруживает и самого себя, и окружающую тьму.

Спиноза. Этика, ч. II., теор.43

УРОКИ КОПЕРНИКА

Давно и хорошо известно, что свет – лучший помощник человека в познании мира. Тысячи лет он показывает его исследователю: смотри, думай, понимай. Но наблюдатель не всегда видел и понимал этот мир таким, какой он есть. Обычно это зависело от человека. Однако и свет зачастую вводил его в заблуждение, выдавая за сущее лишь видимость.

Много веков люди думали, что живут в центре мира, что Солнце, Луна и звезды вращаются вокруг Земли. В этом их убеждало видимое движение по небосводу всех светил. На таком представлении была построена геоцентрическая система мира Клавдия Птолемея, самого знаменитого астронома античности. Она позволяла точно рассчитать положение небесных тел и считалась совершенно верной полтора тысячелетия.

Но вот явился Николай Коперник. Он доказал, что движение относительно, что люди заблуждаются, принимая видимое за истинное, что вращается Земля, а перемещение небесного свода – лишь результат ее вращения вокруг своей оси и Солнца.

Коперник подготовил сцену для важнейших физических открытий Галилея и Ньютона, помог бросить вызов устоявшимся понятиям, которые принимались за научную и философскую истину, но были далеки от нее.

Следуя Копернику, естествознание стремится за видимыми явлениями обнаружить их истинную сущность, их глубокие причины и общие закономерности.

Сегодня мы вновь, как во времена античности, оказались в центре мироздания. Почти общепринятая и наиболее развитая теория происхождения Вселенной утверждает: примерно 20 миллиардов лет назад, в результате исполинского взрыва сгустка бесконечно плотной материи, во все стороны от нас стали стремительно удаляться звезды и галактики. Об этом свидетельствует красное смещение спектра их излучений, что по эффекту Доплера присуще возрастающей скорости движения источников света. Поскольку теория опирается на достоверный факт изменения частоты света и на строгие математические доказательства, она считается совершенно верной.

Но так ли уж она верна? Ведь, подобно системе Птолемея, эта теория построена на основе видимого явления – изменения спектра излучений небесных светил. Однако причины его бывают разные. В нелинейной оптике, например, спектр изменяется и без движения источника света. А математически, как известно, были в свое время строго доказаны и невозможность полетов на аппаратах тяжелее воздуха, и полная абсурдность идеи полета на Луну.

История неоднократно свидетельствовала: люди тяжело воспринимают новые, непривычные представления и отвергают их тем упорнее, чем больше эти представления выходят за пределы сферы чувств.

17 февраля 1600 года инквизиторы сожгли Джордано Бруно. Восемь лет уговоров и угроз, тюрьмы и пыток не заставили его отказаться от убеждения в верности теории Коперника и в бескрайности Вселенной. Он оказался прав – теперь это знают все. Но тогда такая мысль противоречила интересам Церкви. И костер на римской Кампо де Фиори – Площади Цветов – должен был уничтожить эту мысль, оборвать ее. Но оборвал лишь славную жизнь мыслителя. И показал, что за атакой на негодные кому-то мысли всегда стоят интересы определенных людей, не заинтересованных в правде.

Теория Коперника давно уже не имеет противников. Но она повсеместно восторжествовала в ходе мучительной борьбы идей, пристрастий и суеверий. Сегодня, конечно, нет костров инквизиции, но гонения за инакомыслие в науке по-прежнему отнюдь не редкость. Современной формой аутодафе стало игнорирование фактов и результатов исследований, их замалчивание и принижение. Особенно это заметно при малейшем покушении непредвзятого ума на привычные, но сомнительные основы физических теорий.

Уроки Коперника призывают исследователей учитывать вывод Луи де Бройля: «История наук показывает, что прогресс науки постоянно тормозился тираническим влиянием определенных концепций, которые стали в конце концов рассматриваться как догмы. По этой причине необходимо периодически подвергать весьма глубокому исследованию принципы, которые в конечном счете стали применяться без обсуждения».

Сегодня такими принципами, привычными и необсуждаемыми, стали основные положения электромагнитной теории света, которой исполнилось 135 лет.

ВМЕСТО ТАЙНЫ – ЗАГАДКА

Планк был сторонником электромагнитной теории света и во избежание потрясения ее основ предлагал даже исключить из теории гипотезу световых квантов. Он глубоко понимал и признавал, что открытая им константа – квант действия – совершенно чужда уравнениям Максвелла. Парадоксально, но факт: оберегая электродинамику Максвелла, пытаясь сохранить ее в строю действующих теорий, Планк показал несостоятельность всех электродинамических теорий излучения, их полную несовместимость с квантовыми представлениями, а также с опытом.

Профессор Нью-Йоркского университета Морис Клайн с изрядной долей сарказма указывает на то, что, как и гравитация, электромагнитные волны обладают одной замечательной особенностью: мы не имеем ни малейшего понятия о том, какова их физическая природа. Сведение света к частному случаю электромагнитных колебаний не решает вопрос о его сущности, это всего лишь замена одной проблемы другой – так считают известные физики Майкельсон, Шустер, Вавилов и Борн.

Вместо раскрытия тайны света – загадка электромагнетизма.

Профессор Клайн подчеркивает также, что электромагнитная теория света создана на основе математических рассуждений. То есть на примере теории Максвелла мы сталкиваемся с поразительным фактом: одно из величайших достижений физики оказывается почти целиком математическим рассуждением. При этом электрические и магнитные поля – не более чем названия переменных в формулах, где электрический заряд всего лишь носитель символа.

Это обстоятельство позволяет записывать уравнения Максвелла в интегральной форме таким образом, что содержащийся в них коэффициент, называемый электрической постоянной, физического смысла не имеет. А уравнения в симметричном виде Хевисайда – Герца можно свести к двум компактным с комплексным вектором, где нет ничего электромагнитного.

Всего лишь к одному уравнению в алгебраической записи сводятся все уравнения Максвелла в векторных обозначениях. В 1838 году, задолго до Максвелла, аналогичные уравнения создал английский физик Мак-Куллах. Дело, однако, значительно серьезнее вопроса установления первенства. Великие уравнения Максвелла являют собой красоту и мощь математического описания света. Но они далеки от квантовых представлений, достоверность которых подтверждена опытом. Следовательно, принципы электромагнитной теории излучений не соответствуют реальности. Они держатся лишь на привычной вере в их обоснованность, восходящей к открытым Фарадеем взаимодействиям электрических и магнитных полей.

Главные выводы Максвелла таковы: переменное магнитное поле создает электрическое поле, которое в свою очередь возбуждает магнитное поле, и т. д. Электрические и магнитные поля, взаимно порождая друг друга, образуют единое переменное электромагнитное поле – электромагнитную волну, которая сама себя распространяет в пространстве со скоростью света. Максвелл утверждал, что волны света имеют ту же природу, что и волны, возникающие вокруг провода с переменным электрическим током.

Известно, однако, что взаимная индукция, то есть взаимопорождение электрических и магнитных полей, довольно быстро иссякает без подпитки даже в лабораторных условиях. А свет галактики GRB 971214, например, идет к нам 12 миллиардов лет. Какая уж тут индукция? Или она – самое долгоживущее явление из всех известных, включая стабильные протоны?

Утверждается также, что свет – это синусоидальные волны. Однако в 1976 году Чэпмен показал, что генераторы испускают в основном вовсе не синусоидальные волны. Установка Генриха Герца, которая якобы экспериментально доказала тождество света и электромагнитных волн, на самом деле производила и производит то, что теперь называют «окрашенным шумом».

Электромагнитная теория света порождает вопрос за вопросом. Почему она чужда постоянной Планка? Почему уравнения Максвелла, вопреки опыту, сводят магнетизм к электричеству? Почему даже мощные магнитные поля порядка 200 кЭ не влияют на скорость света? Почему уравнения Максвелла вполне применимы в далеких от электромагнетизма областях – в теории теплопроводности и термодинамике? И почему описание одного явления – света – поделено между двумя разнородными теориями – квантовой и волновой, ни одна из которых, по Планку, не может одержать окончательную победу?

Появление этих вопросов следствие неполноты знания, и ответы на них – дело времени, либо же они вызваны недостаточной обоснованностью теории, и ответы на них едва ли могут быть бесспорными.

Свет не имеет ни заряда, ни магнитности. Но он имеет энергию. Это открывает возможность более глубокого и близкого к реальности его изучения.

САМАЯ МАЛЕНЬКАЯ «МАТРЕШКА» ФИЗИКИ

Недавно в программе подготовки Америки к новому тысячелетию в Белом доме выступил профессор ньютоновской кафедры Кембриджского университета Стивен Хокинг. Он сказал, что, как и у русских матрешек, в физике существует предел открытия все меньших и меньших структур. В конце концов выявляется самая маленькая из них, разобрать которую уже нельзя. Такой самой маленькой «матрешкой» в физике является сегодня постоянная Планка.

Впервые о возможности существования такой «матрешки» Макс Планк доложил Берлинскому физическому обществу 18 мая 1899 года. За два года до этого, как бы в предчувствии ее реальности, он писал, что энергия материальной системы всегда может быть разложена на элементы. Это согласовывалось с картиной атомистического устройства мира. Но исходной посылкой гипотезы Планка послужила атомистическая по сути молекулярно-кинетическая теория и статистика Больцмана. Последний убедил Планка в том, что верная теория излучения никогда не может быть построена без введения в нее элемента дискретности.

Классическая теория излучения считала его непрерывным. Однако опыты не отвечали этому представлению, а формулы приводили к бесконечно большой энергии света высокой частоты, что было абсурдно.

Теоретическая мысль зашла в тупик. Выход из него открыл Планк, включив в теорию излучения элементы дискретности.

19 октября 1900 года Планк представил немецкому физическому обществу принципиально новую формулу излучения, которая отвечала опыту. Еще через два месяца, 14 декабря, он доложил обществу о введении в физику понятия кванта энергии и новой фундаментальной константы, впоследствии названной его именем – кванта действия.

Началась эра квантовой теории.

Главная идея Планка сводилась к тому, что излучение дискретно, оно испускается отдельными порциями – квантами, энергия которых кратна величине новой константы.

При вручении Планку Нобелевской премии член Шведской Королевской академии наук Экстранд заявил, что пройдет еще немало времени, прежде чем иссякнут сокровища, добытые его гением. Но уже в 1911 году на I Сольвеевском конгрессе Планк сказал, что поиск законов излучения нельзя признать полностью удовлетворительным и что решение проблемы возможно лишь путем введения новой гипотезы, которая прямо противоречит основным представлениям. В нобелевской речи он заявил, что введение кванта действия еще не создает истинной теории квантов. А в 1943 году писал: возникла важнейшая проблема – «этой странной константе придать физический смысл».

Казалось бы, этот смысл уже найден. В учебной и научной литературе постоянная Планка характеризуется как квант действия, фундаментальная физическая константа, определяющая широкий круг явлений, для которых существенна дискретность величин с размерностью действия. Называют ее и масштабом делимости энергии кванта, коэффициентом пропорциональности. Наиболее точное значение величины константы получил нобелевский лауреат английский физик Брайан Джозефсон на основе эффекта протекания сверхпроводящего тока через тонкий слой изоляторов – эффекта, названного впоследствии его именем. Эта величина – 6,626176(36)·10⁻²⁷ эрг·с.

Однако этого было явно недостаточно, чтобы ответить хотя бы на простые вопросы Ореста Хвольсона, автора всемирно известного курса физики: почему константа Планка так важна? Почему она вторгается, чтобы не сказать – суется, во все возможные физические явления? Что такое постоянная Планка?

«Неизвестно и непонятно!» – восклицал Хвольсон.

И мы можем лишь вторить ему.

Сам Планк называл открытую им постоянную таинственным вестником из реального мира. Таинственной называл ее и де Бройль, сетуя, что современная квантовая механика не стремится истолковать смысл константы.

Так, например, по-прежнему неизвестно, какой объект природы характеризует собой величина постоянной Планка. Получается нечто вроде улыбки Чеширского Кота из сказки Льюиса Кэрролла об Алисе в Стране чудес: величина чего-то есть, она установлена с точностью до восьмого знака после запятой, а самого «чего-то» как бы и нет. Оказывается, такое случается не только в сказке, но и в физике.

Приходится признать, что современная квантовая теория, несмотря на все ее достижения, зиждется не на капитальном фундаменте, а на двух весьма знаменитых, но чрезвычайно запутанных понятиях: кванта неизвестного содержания и константа, которой еще надо придать физический смысл.

И вот теперь, после всех этих блужданий в теоретических туманах, читатель, вероятно, будет сильно удивлен, если ему сообщить невероятный, но вполне достоверный факт: еще в начале прошлого века были даны объяснения и физическому смыслу постоянной Планка, и материальному ее носителю.

В 1905 году Эренфест показал, что величина постоянной Планка – это величина мельчайших частиц энергии, составляющих излучения. В 1911 году на Сольвеевском конгрессе Пуанкаре говорил, что величину постоянной Планка можно понять как атом энергии, поскольку она сохраняется неизменной. А Иоффе называл такие мельчайшие частицы энергии атомами света. Да и сам Планк в 1910 году предложил новую гипотезу, по которой излучения испускаются дискретными квантами с величиной константы. В 1924 году он предложил также принять, что энергия одного отдельного колебания источника света равна одному кванту.

Оставался лишь один шаг до великого открытия, равного открытию рентгеновских лучей, электрона и радиоактивности. Надо было просто признать существование в природе атома энергии, выраженного в полном соответствии с опытом величиной постоянной Планка.

Тогда этот шаг сделан не был.

В своем докладе на Сольвеевском конгрессе Планк отказывался от кванта энергии и говорил о постоянной с размерностью действия. Он неоднократно подчеркивал, что квантовая гипотеза является гипотезой не об энергии, а о действии, что она должна основываться не на элементах энергии, а на элементах действия. И хотя Пуанкаре и Лоренц возражали ему, сомневаясь в возможности сохранения действия, которое связано со временем, идея кванта действия все же возобладала над идеей атома энергии. Факт сохранения энергии, присущий понятию атома энергии, не стал доминирующим в характеристике константы, имеющей численное значение величины этой самой энергии.

Постоянная Планка в качестве самой маленькой «матрешки» современной физики остается таинственным вестником из реального мира.

В октябре 1871 года в лекции по экспериментальной физике Максвелл говорил: «Может быть, мы ошибаемся. Никто еще не видел отдельной молекулы и не имел с ней дела. Однако идея о существовании бесчисленного множества отдельных частиц, неизменных и подобных друг другу, проникнув в человеческое сознание, не может оставаться бесплодной».

Это замечательное рассуждение в равной степени может быть отнесено и к идее атома энергии света.