Текст книги "Этюды о свете"

Автор книги: Фридэн Королькевич

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 6 страниц)

«ТРИ КВАРКА ДЛЯ МИСТЕРА МАРКА!»

Так таинственно кричали чайки герою романа Джойса «Поминки по Финнегану» во время кошмарного бреда. В 1963 году американские физики Гелл-Манн и Джордж Цвейг предложили гипотезу о трех фундаментальных составляющих адронов – элементарных частиц, участвующих в сильных взаимодействиях, и назвали их кварками. Нечто неопределенное и мистическое стало характерным свойством кварков.

С годами их стало как минимум семь, появились и антикварки. Чтобы их различать, ввели «цвет», «очарование» и другие прелести. Но никто и никогда не смог выделить из частиц ни одного кварка. Считается, что это невозможно. Однако есть убедительные доводы в пользу существования такого, кваркового уровня строения материи. Установлено наличие в адронах важных структурных элементов на расстояниях меньше 10⁻¹⁶ сантиметра, а протон имеет радиус порядка 10⁻¹³ сантиметра. Кварковая модель является сегодня главным кандидатом на роль фундаментальной теории сильных взаимодействий в квантовой теории поля.

Но что такое кварки?

Известно, что взаимопревращение света и всего отряда элементарных частиц – надежно установленный опытом факт. Это вызывает простой вопрос: если кварки действительно существуют как основа адронов, то где они обитают до превращения фотонов в частицы и после превращения частиц в фотоны?

Ответа на этот вопрос пока нет. Известно, что в фотонах никаких кварков нет ни до, ни после их взаимопревращений в элементарные частицы.

Как писали Зельдович и Хлопов, в рамках кварковой гипотезы процесс образования адрона заключается в следующем. Электрон и позитрон аннигилируют и образуют квант света. Потом он уничтожается и рождается пара кварк-антикварк, которая как-то превращается в адрон. Полная вероятность аннигиляции электрона и позитрона в адрон определяется вероятностью рождения пары кварк-антикварк.

Фоторождение частиц в поле атомного ядра, например, правдоподобно выглядит как своего рода закрутка цепочки фотона в частицу по гиперболической спирали, а при рождении электронно-позитронной пары – по спирали Корню, или клотоиде. Если это так, то короткоживущие частицы, называемые резонансами, по сути могут быть несостоявшимися закрутками из фотонов. Время их жизни порядка 10⁻²¹–10⁻²⁴ секунды как раз соответствует времени процесса несостоявшегося фоторождения стабильной частицы.

Если представление частицы как места локализации первичных элементов света – атомов его энергии – не противоречит опыту и пока что согласуется с указаниями на сложную структуру частиц, с понятием спина и с наличием в частицах возбуждений вращательного типа, то кварки можно представить в качестве фракций в частицах вещества.

В этом случае становится понятным конфайнмент (по-английски – тюремное заключение) как невозможность свободных кварков. Но его призвание объяснить фантомность кварков становится также и излишним.

По-видимому, лауреат Нобелевской премии по физике Роберт Лафлин не без оснований восклицал в прошлом году в Стокгольме, что кварки могут возникать в частицах. Попутно заметим: известный американский физик Майкл Кройц сообщил, что по иронии судьбы при ближайшем рассмотрении одна из основных причин введения кварков теперь характеризуется лишь как случайная симметрия.

Все это не дает основания согласиться с утверждением современной теории элементарных частиц о том, что именно кварки являются истинно элементарными и бесструктурнымч частицами.

ПРОСТРАНСТВО

Столбовая дорога физики разветвляется при подходе к вопросу о физической сущности пространства, в котором распространяется свет. Исторически первым было представление пустоты, восходящее к античным мыслителям и ныне почти не применяемое. Вместе с ним на сцену вышло понятие эфира как верхнего лучезарного слоя воздуха – местопребывания богов. Древние философы рассматривали его наряду с огнем и водой как начальный материальный элемент всего сущего. В XVIII–XIX веках эфир стал мировым и светоносным – средой, заполняющей все пространство и промежутки между частицами вещества. Попытки обнаружить его опытом были сочтены неудачными. А саму идею эфира фактически упразднила специальная теория относительности Эйнштейна в 1905 году.

В результате объявления эфира несуществующим физика оказалась без материального носителя в виде среды. Вавилов писал, что представить себе притяжение и отталкивание без посредства промежуточной среды невозможно, а говорить о волнах в геометрической пустоте, это, по словам Эдсера, то же самое, что рассказывать о росте народонаселения на необитаемом острове.

Место эфира как тончайшей материальной среды по определению заняли разные вакуумы. Пошла череда дефиниций. Известно понятие вакуума в виде разреженного газа при давлении ниже атмосферного. Известно оно и как низшее энергетическое состояние поля, при котором среднее число частиц – квантов поля – равно нулю, а в переносном смысле – пустоте.

Новейшая теория физического вакуума Шипова, «основанная на всеобщем принципе относительности, предлагает реализацию программы Клиффорда – Римана – Эйнштейна – Пенроуза – Гейзенберга в рамках геометрии абсолютного параллелизма со спинорной структурой».

В 1920 году Эйнштейн говорил: «Согласно общей теории относительности, пространство немыслимо без эфира». Классики релятивизма – Лармор, Лоренц, Пуанкаре и Минковский – также не требовали отказа от эфира. Дирак предложил вернуться к эфиру в смысле введения в картину мира нового представления такой среды, которое соответствовало бы идеям квантовой теории. Восстановить эфир в качестве тончайшей материальной среды предложил и Юкава. В последние годы опубликованы десятки работ, доказывающих неправомерность, необоснованность отказа от эфира. И возвращение к нему вовсе не связано с пересмотром теории относительности Эйнштейна, как это полагают некоторые ученые.

«Как и во времена Ньютона, – писал Вавилов, – мы так же мало знаем, «что такое эфир», а пожалуй даже еще меньше, чем тогда». Примечательно, что еще Ломоносов и Эйлер считали распространение света в пространстве доказательством существования эфира. И хотя мы не знаем, ни что такое эфир, ни что такое гравитация, пространство насыщено проносящимися в нем фотонами, а яблоки продолжают падать с деревьев. Это факты, и они утверждают: пространство распространяет свет столь же реально, как реально и тяготение.

Эстафета субквантов, их передача участками тончайшей материальной среды, заполняющей пространство, по вектору излучения условно характеризуется как трансляция и ретрансляция. Это предположение исходит из фактов отсутствия у субквантов какой-либо внутренней причины их движения и наличия их движения в среде.

Чтобы переносить энергию субквантов, эфир должен и сам обладать энергией. Он ею обладает. Поэтому и не происходит диссипация света. А чтобы ретранслировать субкванты, он вовсе не должен быть упругой средой с приводимым в приложении коэффициентом. Эфир и не является такой средой. Мизерная плотность и вязкость эфира объясняет исчезающе малое его влияние на движение планет. Как сплошная среда, не имеющая репера, эфир никак не может служить системой отсчета. А опыт Майкельсона, при котором Земля вместе с интерферометром сдвигалась за время генерации каждого субкванта порядка 10⁻²¹ секунды на расстояние всего лишь 3·10⁻²⁷ сантиметра, никак не мог доказать отсутствие эфира. Ни один прибор не может пока фиксировать такое ничтожно малое смещение в пространстве.

Аргументом в пользу реальности эфира как переносчика света является формула Коши, которая хорошо передает нормальный ход дисперсии. В 1829–1835 годах он развил представление Френеля о зависимости скорости света от свойств эфира, изменяемых молекулами вещества. Ландсберг отметил очень большое историческое значение теории Коши, подтвержденной опытом. На такой же основе взаимодействия свойств эфира и вещества при переносе в нем света Зельмейер в 1871 году разработал теорию аномальной дисперсии, основы которой сохранились и в современных теориях. В этих представлениях, по-видимому, и содержится вся сущность явления дисперсии света.

Если эфир – в веществе или вне его – ретранслирует субкванты света с определенной только для данной среды скоростью, то допущение Эйнштейна в 1905 году о независимости скорости света от движения излучающего тела совершенно справедливо. Но по существу, однако, это означало его согласие с представлениями Максвелла и Лоренца о распространении света в эфире.

После генерации и отрыва от источника субкванты мгновенно приобретают скорость их переноса в данной среде и уже ничем не связаны с излучателем. Поэтому скорость света нисколько не зависит от скорости движения источника, всегда меньшей световой. За время испускания субкванта порядка 10⁻²¹ секунды любой источник проходит ничтожно малый и незаметный для субкванта путь. Попытки присовокупить к скорости света скорость движения источника подобны желанию увеличить скорость передачи письма адресату посредством подбегания к почтовому ящику. С какой бы скоростью ни опускать в него письмо, оно ни на секунду раньше не попадет в почтовый ящик получателя, чем это обусловлено работой почты – среды переноса писем.

Но сегодня ни одно определение физической сущности пространства не принято в качестве единственно достоверного. Все они сосуществуют в разных теориях разных авторов. Согласно Вихману, «мы говорим о вакууме, демонстрируя тем самым отсутствие интереса к среде, в которой происходит распространение волн. Мы ограничиваемся тем, что имеем волновое уравнение для этих волн».

У эвенков почти 50 слов обозначают снег. Полусотней слов называют рыбий хвост в Исландии. Слов много, а суть – одна. Физики же сегодня разными словами именуют и разную суть пространства. Тут и различные вакуумы, и разные оттенки эфира. Отсутствие интереса к среде, в которой происходит распространение волн, по Вихману, пользы не дает.

Так почему бы не восстановить понятие эфира как тончайшей материальной среды по определению? Один термин – один смысл. А вакуумы как были разными, так пусть ими и остаются.

СКОРОСТИ СВЕТА

Известно, что скорость света в разных средах и разных условиях различна. В воздухе – примерно 300 тысяч километров в секунду, в воде – 225, в стекле – 200. Выходя из стекла в воздух, например, свет сразу же обретает «воздушную» скорость – 300 тысяч км/с. Почему? И почему он сразу же замедляется на 100 тысяч километров в секунду, если вернется в стекло? Ведь нынешняя теория света утверждает постоянство его скорости во всех средах и при всех условиях.

Так, в общем курсе оптики академика Григория Ландсберга сообщается, что при распространении света в среде его фотоны всегда и неизменно сохраняют постоянную скорость, равную величине константы. Аналогичное утверждает и лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман: «Наблюдателю кажется, что свет распространяется через вещество со скоростью, деленной на показатель преломления вещества. Но на самом деле поле создается движением всех зарядов, все составные части поля, все его слагаемые распространяются с максимальной скоростью». Таким образом, утверждает Фейнман, «скорость света фактически не уменьшается, она лишь кажется меньшей».

Писатель-физик Даниил Данин в книге «Неизбежность странного мира» пишет: «Не надо думать, что ворвавшийся в вещество фотон замедляет свое движение, чтобы потом, вырвавшись из вещества, вновь «набрать» скорость света в пустоте».

Опыт показывает: именно так и надо думать. Фотон и замедляется, и набирает прежнюю скорость.

Данин пишет: «Такие замедления и ускорения для фотона невозможны».

Опыт ясно показывает: возможны.

Данин о фотоне: «Чем больше он будет стараться (догнать своих «братьев». – Ф. К.), тем больше будет становиться его масса, при скорости 260 тысяч километров в секунду она удвоится, а при скорости, в точности равной световой, должна будет возрасти в бесконечное число раз, иначе говоря – эта скорость станет для него недостижимой».

Опыт показывает: фотон не разгоняется, он сразу же, на границе выхода из вещества в воздух – или в «пустоту» – приобретает свою обычную скорость и никогда не увеличивает свою массу в бесконечное число раз.

Начиная с опыта Армана Физо 1849 года при определении скорости света применялись стеклянные пластины, линзы и лампы с источником света. Но ни разу не была зарегистрирована «стеклянная» скорость света в воздухе, а всегда – только соответствующая данной среде его распространения. Таковы измерения Корню, Майкельсона, Нъюкомба, Перротена, Миттельштедта. С высокой степенью точности в последние десятилетия это установили Эссен, Бол, Бергстранд, Рэнк, Величко, Васильев, Лозанов, а с лазером – Каролюс и Хельмбергер.

Следовательно, факт возрастания скорости света при выходе из диспергирующих сред и ее уменьшения в этих средах достоверен. Отрицать его значит отрицать реальность. Поэтому вполне логично представить скорость света как следствие взаимодействия света и среды его переноса. Поскольку скорость мгновенно изменяется на границе сред, то ответственность за изменение ее величины, видимо, несет прежде всего последующая среда, ее свойства.

Современная теория, утверждающая, что скорость света в веществе «лишь кажется меньшей», по существу сводит процесс переноса света в веществе к переизлучению фотонов элементами диспергирующих сред – атомами и молекулами, их электронами, к движению зарядов и поля в веществе, что весьма проблематично.

Опыты Вавилова показали, что молекулы поглощают кванты света целиком и отнюдь не обеспечивают их немедленное переизлучение по вектору движения фотонов. Отсюда следует, что математическое ожидание разных времен переизлучения в соответствии с методом Монте-Карло (моделирование случайных величин) придает переносу света преимущественно статистический и вероятностный характер, который, однако, не наблюдается при обычном проходе света.

Игнорирование этих фактов и следование нынешней теории света привело к конфузу. В июне прошлого года в газетах мелькнула сенсация: физики в Принстоне увеличили скорость света в 300 раз. Не уклонился от нее и крупнейший научный журнал «Нейчур». Появились заявления: теория относительности Эйнштейна разрушена, скорость света больше не предел, человечество на пороге создания машины времени и т. п.

И только одна газета, московская «Время МН», опубликовала мнение о том, что принстонский эксперимент неверно истолкован, что выводы из него – заблуждение, порожденное неверным пониманием сущности света. К ложной сенсации привела логическая ошибка, связанная с разделением скорости света на фазовую и групповую. А это, в свою очередь, прямо следует из электромагнитной теории излучения. Прав был академик Гинзбург, когда недавно констатировал, что после 75 лет бесчисленных применений квантовой теории ее по-настоящему еще не поняли.

Но если сенсация с превышением скорости света не состоялась, то замедление его скорости – опытный факт. В начале 80-х годов Дженнисон в Кентском университете замедлил прохождение фотонов через волновод до скорости порядка 2,5 километра в секунду. Физики Роулендского института и Гарвардского университета снизили скорость света в охлажденной натриевой среде до 60 километров в час – до скорости трамвая.

Новое тысячелетие началось с реальной сенсации. Группе физиков в США под руководством Рональда Уолсворта и выпускника Московского физтеха Михаила Лукина удалось то, о чем можно было читать только в фантастической литературе: они остановили свет. Этого достигла и группа исследователей в Кембридже во главе с Лене Хау. Во всех экспериментах по замедлению и остановке света решающую роль отводили среде прохождения света – газообразным и охлажденным натрию, рубидию.

В 1996 году Нобелевскую премию по физике получили Чу, Филлипс и Коэн-Таннутжи за «развитие методов охлаждения и улавливания атомов с помощью лазерного света», который в условиях вакуума и при температуре, близкой к абсолютному нулю, сам начинает действовать наподобие оптического желе.

Все великое множество видов механического движения в среде можно свести к двум принципиально различным видам: к движению, преодолевающему сопротивление среды, и к движению, производимому самой средой. Первое – на каждом шагу. А вот второе – менее известно, но не менее реально.

В теориях света и эфира перенос энергии излучателя мыслился путем смещения – сдвига, колебания, вращения или свободного полета – самих переносчиков этой энергии, ее носителей, будь то корпускулы, эфирные частички или волны. Отказ от эфира и корпускулярной теории света не изменил представления о способе распространения излучений.

В электростатической индукции проявляется иной принцип переноса энергии. В процессе зарядки конденсатора и перераспределения зарядов между его обкладками совершается движение «самой» энергии без смещения ее вещественных носителей. Дэвид Бом в книге «Специальная теория относительности» определил этот принцип переноса энергии как «внешнее движение» в том смысле, что оно обуславливает передачу энергии в пространстве без какого-либо смещения энергонесущих объектов. Но это отнюдь не ток смещения, приписываемый теорией электромагнитных волн свету в качестве. движителя фотонов в пространстве. Введенный Максвеллом из эстетических соображений, этот ток наличествует только в формулах, но никто еще не обнаружил его в натуре. Он как бы самодвигатель света, исправно действующий миллиарды лет его движения к нам из глубин Космоса.

Энергоатомарное представление сущности излучений предполагает, что пространство – не только арена распространения света, но и активный участник его переноса. Иными словами, предполагается, что субкванты не сами по себе движутся в равнодушном к ним пространстве, а что это пространство, как бы его ни называть – эфиром, физическим вакуумом или как иначе, – переносит, ретранслирует атомы энергии излучений по вектору их движения. В некоторой степени это созвучно идее регенерации способа движения электрона в физическом пространстве, высказанной в 1949 году Яковом Френкелем.

Присущее пространству свойство переносить энергию проявляется в различных областях – в гравитации, магнетизме и в переносе света.

Скорость света конечна. Это можно рассматривать как следствие соотношения определенной протяженности участка среды, на котором находится субквант, и времени его пребывания на этом участке. Сумма длин таких участков пространства и времен ретрансляции ими субквантов и результирует величину скорости света.

Независимо от того, имеет ли физическое пространство фиксированную зернистую структуру или же оно приобретает характер непрерывно-дискретной среды только при переносе субквантов, в первом приближении его можно рассматривать как клеточное пространство, элементы которого становятся подобными простейшим конечным автоматам – двухполюсникам, передающим импульс со входа на выход на определенное расстояние за определенное время.

Это соответствует известному понятию мгновенной скорости, которое является векторной величиной. Морис Клайн отметил важное значение такого представления скорости, которое может быть полезным при определении разной скорости в одно и то же время. А это обстоятельство связано с ретрансляционными свойствами среды, в которой распространяется свет.

Факты и логика их связи показывают, что скорости света различны в разных средах, что утверждение нынешней теории света о постоянстве его величины в вакууме не соответствует действительности, что скорости света определяются физическими характеристиками среды его переноса.

КОНСТАНТЫ

По Берклеевскому курсу квантовой физики Вихмана, разделение физических констант на фундаментальные константы и производные параметры весьма произвольно. Так, измерение скорости света сводится к сравнению частоты оранжевой линии криптона с цезиевой частотой. А такое измерение выражает произвольный стандарт длины через произвольный стандарт времени.

Как известно, замеры скорости света в вакууме в последние годы не однозначны. Даже с учетом погрешностей измерения ее величина колеблется с разбросом около 100–180 километров в секунду. Поэтому в работах ряда исследователей – Фрума, Эссена и других – величина скорости-света не связывается строго с константой и приводится как наиболее вероятная при данных условиях скорость в вакууме, не исключающая возможность ее изменения в других условиях.

Иное дело – число субквантов в фотонах. Излучение кванта изотопом криптона 86 происходит, согласно расчетам, при 4 948 864 колебаниях плюс-минус несколько. В противном случае он не обладал бы нужной стабильностью для того, чтобы служить базой определения оптического эталона метра. Видимо, только строго постоянное число – 9 192 631 770 периодов излучения атома цезия 113 – послужило базой определения секунды XIII Генеральной конференцией по мерам и весам в 1967 году. Поэтому не лишено оснований предположение, согласно которому число колебаний излучателя и, соответственно число субквантов по крайней мере некоторых фотонов строго постоянно в пределах лишь незначительного их различия.

Из этого следует существенная роль частоты и времени испускания фотона в формировании характеристик излучения, что в общем случае хорошо известно, и возможность постоянства присущего константе числа субквантов в фотонах. В этом случае произвольность определения константы, по-видимому, исключается.

В книге «Фундаментальные физические постоянные» Олег Спиридонов отметил, что они представляют собой одну из крупнейших нерешенных проблем современной науки, поскольку не имеют пока убедительной теоретической интерпретации.

Субквантовое представление сущности света никак не согласуется с застывшим определением скорости распространения излучения в вакууме как константы, вопреки экспериментальным данным о разбросе величин этой скорости в разных условиях. Весьма проблематичной представляется и привычка к применению постоянной Планка – надежно установленной и неизменной величины именно константы, – деленной на два числа «пи». Получается деление неделимого.