Текст книги "Этюды о свете"

Автор книги: Фридэн Королькевич

ПЕЧАЛЬ ДЛЯ ТЕОРЕТИКОВ

В завершение своей нобелевской речи Макс Планк сказал: «Есть в особенности один вопрос, от исчерпывающего ответа на который мы должны… ожидать значительных результатов. Что будет с энергией одного светового кванта после совершившегося полного испускания? Будет ли она, по волновой теории Гюйгенса, расширяться при дальнейшем распространении по всем направлениям, занимая все большее пространство и бесконечно утончаясь? Или, по ньютоновской теории истечения, она полетит, как брошенный снаряд, в одном направлении? В первом случае квант не был бы в состоянии сконцентрировать свою энергию в одном месте пространства настолько, чтобы он смог освободить электрон, связанный с атомом, но во втором – пришлось бы пожертвовать главнейшим триумфом теории Максвелла – непрерывностью между статическим и динамическим полем, а вместе с этим и вполне разработанной до тончайших подробностей теорией интерференционных явлений. И то и другое следствие одинаково печально для теперешних теоретиков».

Развитие теории света Томасом Юнгом, Огюстеном Френелем, Густавом Кирхгофом и их последователями не содержит ответа на вопрос Планка. Не ответили на него и современные теории света – квантовая и волновая. Стали привычными разрывы в логике, связанные с использованием квантовых представлений в описании ряда явлений волновой оптики. Энергоатомарная или субквантовая модель фотона без дополнительных характеристик, очевидно, не имеет достоинств волновой теории света при объяснении интерференции. Следовательно, ни принцип Гюйгенса, ни теория истечения Ньютона сами по себе не соответствуют реальности.

Но ведь в природе естественно сосуществуют в каждом фотоне волновые и корпускулярные качества. Космические кванты света после длинного пути к нам выбивают электроны из атомов вещества и интерферируют, сохраняют способность сложения интенсивностей излучения.

На вопрос Планка, по-видимому, можно ответить, сопоставив субквант и электрон, показывающий удивительную гармонию волновых и корпускулярных качеств.

А допустимо ли их сравнивать, пытаться найти в них нечто общее? Ведь у них совершенно разные параметры и характеристики. И все же их сопоставление обосновано и продуктивно.

В 1833 году Уильям Гамильтон в работе «Об общем методе выражения путей света и планет с помощью коэффициентов некоторой характеристической функции» сравнил вроде бы несравнимое – свет и планеты – и выявил общность между частицами и волнами. Следуя его примеру, вполне определенную общность можно заметить у электрона и субкванта.

Основы электронной оптики имеют много общего с основами световой, фотонной оптики. Обе они подразделяются на геометрическую и волновую, обе имеют дело с корпускулярными и волновыми свойствами электронов и фотонов, с дифракцией, интерференцией, с другими характеристиками – вплоть до полной их аналогии. Так, например, один из разделов первого тома «Основ электронной оптики» Питера Хокса и Эрвина Каспера в главе о гамильтоновой оптике так и озаглавлен: «Аналогия со световой оптикой». При обсуждении физического смысла характеристической функции электрона там сообщается, что «аналогия с геометрической световой оптикой является полной».

Обе оптики используют сходный или одинаковый математический формализм, сходные формулы, особенно при описании статистических явлений, а также колебательных и волновых процессов, процессов переноса электронов и фотонов.

Следовательно, субквантовый фотон не имеет противопоказаний быть реальным и со стороны таких явлений, как интерференция и дифракция.

Эйнштейн был сторонником представления кванта излучения в виде частицы, хотя и не употреблял этот термин. Он писал: «То, что наши теперешние основы теории излучения должны быть отброшены, я уже пытался показать ранее… Я считаю, что следующая фаза развития теоретической физики даст нам теорию света, которая будет в каком-то смысле слиянием волновой теории света с теорией истечения. Нельзя считать несовместимыми обе структуры, волновую и квантовую».

Субквантовое представление сущности излучений, вероятно, является шагом в этом направлении. Факты подобия электронов и субквантов, частиц и атомов энергии, участвующих в интерференции и дифракции (волновых явлениях), свидетельствуют в пользу такого предположения.

Микроскопическая электродинамика показала, что движение зарядов в электролитах не подчиняется уравнениям Максвелла. Выяснение этого обстоятельства привело к открытию электрона. Квантовая теория излучения показала, что электродинамические теории света совершенно чужды постоянной Планка. Сопоставление ее с опытом, расчетами и логикой связи фактов подтверждает обоснованность идеи атома энергии субкванта, который лежит в основе кванта энергии – фотона. Субквантовые представления и явления обобщаются квантовыми.

Зримым подтверждением этого послужил уникальный фотоснимок пикосекундного светового импульса в пигментирующей среде, полученный в 1973 году фирмой «Белл Телефон». Импульс явно не согласуется с волновой теорией Гюйгенса. Он гораздо ближе к представлению переноса субкванта в среде, возмущенной его движением, то есть сопровождаемый поперечными волнами.

Аналогичное описание фемтосекундных лазерных импульсов в линейных диспергирующих средах, их оптику можно найти в книге Сергея Ахманова, Виктора Выслоуха и Анатолия Чиркина.

Следовательно, для ответа на вопрос Планка надо лишь отойти от принципа Гюйгенса и электромагнитной теории света с ее непрерывностью между статическим и динамическим полем. Они противоречат опыту. Пусть с недоверием, с оглядками на привычную электромагнитную теорию и с перепроверкой каждого положения субквантового представления света, но согласиться с его обоснованностью.

Все это дает основание рассматривать перенос субквантов в пространстве в соответствии с принципом Ферма – Ньютона. Как известно, кинематический принцип Ферма утверждает, что возмущение от любой из точек среды распространяется к другой ее точке и к приемнику по лучу, являющемуся экстремалью функционала Ферма. В конечном счете это определяет кинематику геометрической оптики и может быть сформулировано в качестве динамического принципа. Теория истечения Ньютона в основе своей сходна с этим принципом Ферма.

3АТМЕНИЕ

7 ноября 1919 года лондонская «Таймс» вышла с заголовками «Революция в науке. Новая теория Вселенной. Идеи Ньютона опровергнуты». В Нью-Йорке добавили: «Лучи изогнуты, физики в смятении. Теория Эйнштейна торжествует». Сообщили также, что «Пространство разоблачили: оно кривое».

Так многие газеты встретили известие о притяжении света Солнцем, которое предсказал Эйнштейн. Этот факт установили экспедиции в Бразилии и на острове Принсипи при наблюдении солнечного затмения.

Люди устали от войны и очень хотели отвлечься от нее. Таинственная и уже этим привлекательная теория, по которой чудесным образом изгибаются лучи далеких звезд, сразу же стала сенсацией номер один.

Президент Лондонского Королевского общества Джозеф Томсон провозгласил ее высочайшим достижением человеческой мысли. В Цюрихе физики сочинили стихи:

 
Нет сомнений и в помине,
Свет, как знаем мы отныне,
По кривой в пространстве мчит
И Эйнштейна имя чтит.
 

Но были не только восторги. Философ и математик Альфред Уайтхед заметил, что нет никаких оснований предполагать у теории Эйнштейна более определенный характер, чем у «Начал» Ньютона. С ее представлением гравитации не силой воздействия одного тела на другое, а свойством пространства-времени не согласились Альберт Майкельсон, Оливер Хевисайд, Анри Пуанкаре, Эрнст Мах, Туллио Леви-Чивита и ряд других ученых.

Обильная, но малодоказательная критика общей теории относительности – новой теории гравитации – не помешала считать ее одной из основ современной физики и космологии. Изгиб лучей света и изменение его спектра близ Солнца были признаны доказательством верности теории.

Эйнштейн говорил, что наука – это драма, драма идей.

В статье о наблюдении затмения Дайсон, Эддингтон и Дэвидсон привели три альтернативы, из которых им предстояло сделать выбор:

1. Гравитационное поле не оказывает влияния на траекторию луча света.

2. Гравитационное поле действует на энергию или массу света так же, как и на обычное вещество по закону строго ньютоновского характера.

3. Ход луча света согласуется с общей теорией относительности Эйнштейна, причем и в этом случае гравитационное поле действует на свет точно так же, как и на обычное вещество.

Да, фотоны звездных лучей имеют массу, в среднем равную 4,4·10⁻³³ грамма. Поэтому они могли быть притянуты к Солнцу. Но по какому закону – Ньютона или Эйнштейна?

Директор Парижской обсерватории Экслангон в 1924 году писал, что наблюдения солнечных затмений не подтверждают и не опровергают закон отклонения Эйнштейна. Они лишь указывают, если отбросить всякие предположения о систематических ошибках, на существование отклонений около Солнца, но без определения закона и без точной величины отклонения у солнечного края. В 1955 году член-корреспондент Академии наук СССР Михайлов в докладе о наблюдении эффекта Эйнштейна отметил, что эти слова остаются справедливыми и поныне, несмотря на последующие наблюдения.

Вопрос о возможности проверки отклонения лучей света под влиянием гравитирующих масс остается нерешенным. Наблюдение эффекта Эйнштейна у края Юпитера почти невозможно, ибо потенциал на его поверхности в 106 раз меньше солнечного.

Барри Паркер в изданной год назад книге «Мечта Эйнштейна» показал возможность совпадения результатов наблюдений 1919 года с расчетами в силу счастливой случайности, поскольку условия проведения измерений были отнюдь не идеальными. В ходе некоторых последующих экспедиций получались значительно различающиеся результаты – от 1,8 до 2,24 дуговых секунды. Это не означает, что предсказания теории неверны, просто точные измерения столь малых величин затруднены. Теперь, не ожидая затмений Солнца, наблюдаются отклонения близ него излучений всего спектра.

Эддингтон и его коллеги заключили: «Не вызывает сомнения, что найденный здесь эффект обусловлен гравитационным полем Солнца, а не, например, рефракцией в веществе солнечной короны. Чтобы получить наблюдаемый эффект за счет рефракции, необходимо, чтобы Солнце было окружено веществом с показателем преломления, равным 1+0,00000414/r, где r – расстояние от центра в единицах солнечного радиуса».

Тогда, в 1919 году, они сочли, что такого показателя преломления в окружающем солнечный диск веществе не может быть. Так ли это?

В книге Григора Гурзадяна «Звездные хромосферы» изложены результаты многолетних наблюдений звезд разных типов, и Солнца в их числе, проведенных во внеатмосферных условиях. Солнечные орбитальные обсерватории, станции «Салют», «Скайлэб» и другие помогли установить, что наша звезда окружена газообразным веществом сложной структуры и динамики, достигающим высоты нескольких солнечных радиусов. Характеристики убывающего по плотности окружения Солнца дают основание предположить и наличие у него показателя преломления, обусловившего наблюдаемый эффект изгиба траектории лучей. Это подтверждают также данные, приведенные, например, в «Курсе общей астрофизики» Дмитрия Мартынова.

Следовательно, есть достаточно веские основания объяснить смещение звезд на фотоснимках сравнительно с их положением на ночном небе обычной рефракцией в веществе солнечного окружения. Шестнадцать снимков из пригодных за 302 секунды полного затмения 1919 года документально зафиксировали также довольно существенные расхождения расчетных и фактических точек смещения лучей звезд. Возникает вполне обоснованный вопрос: чему можно и нужно верить – расчетам или фактам? Последние говорят, помимо прочего, о том, что на расстоянии двух-трех солнечных дисков, то есть вне окружающего Солнце газообразного вещества, лучи звезд не претерпевают изменения их траекторий, хотя гравитационное поле остается мощным и пространство – по Эйнштейну – искривлено. Это установлено при наблюдении солнечных затмений 1922, 1929, 1947 и 1952 годов.

В беседе с Луи де Бройлем Эйнштейн как-то сказал, что если не принимать во внимание привлекаемую математику, все физические теории должны быть достаточно просты, чтобы их мог в общих чертах понять ребенок. Резерфорд также считал, что если теория верна, то ее поймет и буфетчица. Однако применительно к теории гравитации все обстоит согласно заявлению Джозефа Томсона: «Возможно, Эйнштейну принадлежит самое большое достижение в истории человеческой мысли, но никто пока не преуспел в том, чтобы на ясном и понятном языке изложить, что же в действительности представляет собой теория Эйнштейна». И следует прямо сказать: веру в ее непогрешимость не укрепляет систематическое расхождение расчетов и фактов при наблюдениях солнечных затмений. Нужны новые исследования.

Не исключено, что в явлениях изгиба световых лучей участвуют более глубокие связи физической сущности излучений и среды их переноса, выходящие за рамки воздействия на них гравитации – по Ньютону или по Эйнштейну.

УБЕГАЮТ ЛИ ОТ НАС ГАЛАКТИКИ?

Председатель Американской ассоциации развития науки Болдинг полагает, что космология не имеет под собой прочного основания, ибо изучает Вселенную на примере небольшой ее части, исследования которой не могут дать объективной картины реальности. Никто не доказал обратное. Это, правда, не мешает появлению своих «священных коров» в науке о Вселенной. Такой «коровой» стала в свое время теория Большого Взрыва, достоверность основ которой также никто не доказал.

Теория гласит, что Вселенная возникла из точки с нулевым объемом и бесконечно высокой плотностью и температурой. Это состояние называется сингулярностью. Она-то и преподнесла недавно сюрприз теоретикам. Оказалось, что сингулярность принципиально не поддается математическому описанию. То есть теория, полностью основанная на математике, самой математикой и опровергается. Так что профессор математики Хокинг из Кембриджа и его коллега профессор Эллис из Кейптауна имели все основания заявить: «На наш взгляд, вполне оправданно считать физическую теорию, которая предсказывает сингулярность, несостоявшейся». Их авторитетное заключение, изложенное в монографии «Крупномасштабная структура пространства – времени», стало главным препятствием в попытках описать исходное состояние Вселенной. Но оно либо замалчивается, либо упоминается вскользь.

Академик Валерий Рубаков в интервью «Независимой газете» справедливо заметил, что сегодня более или менее ясно: «Таковой точки не было, а вот что было вместо этого – это вопрос открытый». У Вселенной не было начального взрыва, который, по Эйнштейну, привел к ее расширению, – утверждает академик Анатолий Логунов. Так считают и астрофизики из Кембриджа, и австралийские астрономы, и группа ученых из Лос-Аламоса во праве с лауреатом Нобелевской премии Айвеном, и многие другие исследователи.

Однако теория взорвавшейся от 12 до 20 миллиардов лет назад точки с бесконечно высокой плотностью продолжает развиваться. Ее следствиями и вместе с тем основаниями принято считать два надежно установленных факта: красное смещение в спектре излучения галактик и наличие реликтового излучения.

Субквантовое представление о сущности света ставит под сомнение выводы из этих наблюдаемых фактов, то есть заставляет сомневаться в том, что они свидетельствуют о разбегании галактик в некогда горячей Вселенной после Большого Взрыва.

В 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл заметил, что чем дальше от нас звезды галактик, тем краснее их свет. А это может означать то, что галактики разбегаются от нас со все возрастающей скоростью. Еще в 1842 году австрийский ученый Кристиан Доплер открыл эффект увеличения длины волны света при ускорении движения его источника от наблюдателя. Хаббл определил и величину скорости разбегания галактик. Она достигала 240 тысяч километров в секунду. Казалось бы, все точно.

Но в 1936 году Хаббл, открывший закон красного смещения спектра галактик, сопоставил видимую яркость и число галактик. Оказалось, что «покраснение» их спектра никак не связано с эффектом Доплера. Ведь при удалении источника света он слабеет, меркнет, а то и совсем не виден. Но свет галактик, вопреки расчетам и теории, не слабел. Он лишь краснел. Тем самым Хаббл фактически дезавуировал свой вывод из открытого им смещения спектра галактик.

Тогда же пулковский астроном Эйгенсон тоже указал на то, что яркость галактик не согласуется с гипотезой расширения Вселенной, с разлетом галактик.

В 1947 году Хаббл говорил о возможностях крупнейшего тогда 200-дюймового телескопа на Маунт Паломар: «Он ответит нам, следует ли красное смещение считать свидетельством в пользу быстро расширяющейся Вселенной или оно обязано некоему новому принципу природы». Телескоп не ответил на этот вопрос, но подтвердил: свет галактик не меркнет.

В 1994 году Нижегородский НИИ радиофизики опубликовал препринт, в котором его сотрудник Владислав Троицкий подвел итог сорокалетних наблюдений 12 тысяч галактик и 4 тысяч квазаров. Вывод таков: их светимость не связана с красным смещением, стандартная космология несостоятельна. То есть галактические звезды и квазары никуда от нас не убегают.

Недавно журнал «Сайенс» назвал прорывом в понимании развития Вселенной исследования ученых из Сиэтла и Беркли, согласно которым она не сожмется вновь в точку, как это предрекает нынешняя теория. Следовательно, Вселенная будет жить всегда. Возможно, так и было. Всегда.

Последние годы были урожайными на открытие самых удаленных от нас галактик. 12 миллиардов лет шел к нам свет галактики GRB 971214. Исследователи Аризонского университета получили снимки и еще более удаленных звездных скоплений. «Мы увидели окраину нашей Вселенной», – заявил их руководитель Роджер Томпсон. Недавно ее увидели и в обсерватории «Апаче Пойнт». И отнюдь не исключено, что будут открыты также другие дали.

Спрашивается: а могли ли эти галактики достичь окраин Вселенной и успеть прислать нам обратно свой свет за 20 миллиардов лет, то есть за максимальное время после гипотетического Большого Взрыва? Даже если бы галактики разлетались от нас со световой скоростью, а не со скоростью всего лишь в 240 тысяч километров в секунду, как это следует из закона Хаббла, то и тогда этого не произошло бы. Значит, проблема не в разбегании галактик. Его просто нет. Проблема в том, чтобы правильно объяснить причину красного смещения в их спектрах.

Она проста. Субквантовая структура света предполагает возможность выбивания из фотонов составляющих элементов – субквантов, что «прореживает» кванты, увеличивает расстояние между их звеньями, то есть увеличивает длину волны. А это сдвигает спектр излучений в красную сторону.

Даже очень малое сечение взаимодействия субквантов допускает вероятность и реальность их столкновения с различными помехами на пути луча к нам за многие-многие годы. При этом статистически усредненном процессе выбивания субквантов из фотонов величина красного смещения линейно. связана с расстоянием от источников излучений – то есть от звезд. Такое объяснение причины красного смещения хорошо согласуется с известной формулой, данной в приложении.

Возможна и экспериментальная проверка такого предположения. В зеркальный внутри ящик запускается свет точно известной частоты. Через довольно продолжительное время из него выходят фотоны с увеличенной длиной волны, покрасневшие. И не эта ли причина, кроме других, обеспечивает красный свет заката, а иногда и восхода Солнца, при прохождении его лучей по касательной сквозь гущу помех в атмосфере Земли?

Вполне логично предположить также, что такие прореживания фотонов за миллиарды лет их странствий по Вселенной превратили некогда мощные излучения в слабые их остатки.

В 1957 году молодой пулковский исследователь Шманов обнаружил на длине волны 3 сантиметра однородное фоновое излучение с температурой 2÷8 градусов Кельвина. Статья об этом открытии была опубликована в техническом журнале и осталась малоизвестной. В 1964 году Дорошкевич и Новиков опубликовали статью с обоснованием возможности регистрации фонового излучения в радиодиапазоне. Но и это сообщение почти забыто.

В 1965 году американские радиоинженеры Пендиас и Вильсон налаживали аппаратуру для связи и установили, что на длине волны 7,35 сантиметра нашу планету со всех сторон окружает постоянный радиошум. Температура его оказалась равной 3,1 градуса Кельвина, что совпадало с расчетами теории горячей Вселенной. Космологи получили поддержку своей теории, а авторы открытия – Нобелевскую премию. Впыледствии это излучение, удачно названное нашим ученым Иосифом Шкловским «реликтовым», было обнаружено и на других волнах – 8,2 миллиметра, 20,7 сантиметра, а также 49 сантиметров и 73,5 сантиметра.

Открытие реликтового излучения показало, что межгалактическое пространство заполнено квантами низкой частоты, малой энергии. На одну ядерную частицу приходится миллиард таких квантов. В 1977 году станция «Салют-6» обнаружила субмиллиметровое излучение многих объектов, подтвердившее открытие их американскими исследователями Нейгебауэром и Лейтоном. Вселенная наша насыщена светом. Он – суть ее. И потому вполне оправданно гимном свету звучат слова Иоланты, когда искусством лекаря к ней возвращается зрение:

 
Чудный дар природы вечной,
Дар бесценный и святой,
В нем источник бесконечный
Наслажденья красотой.
Солнце, небо, звезд сиянье,
Море в блеске голубом,
Всю природу и созданья
Мы лишь в свете познаем.