Безсилля від знання або чи може історія допомогти фізикам?

Науково - значить, опровергаема.

Математика - наука точна і незаперечна.

Історія розвитку фізики насичена гострими ситуаціями, в процесі вирішення яких стикаються людські долі, і при цьому виявляються велич духу одних, і дуже, часом, несимпатичні властивості інших вчених. З плином часу особисті трагедії і помилки забуваються, і безліч окремих, місцевих революцій сприймаються нащадками як плавне, еволюційний, поступальний рух процесу пізнання. У сучасних підручниках викладається вже логічна і миловидна, але не історія, а всього лише інформація про результати цієї еволюції.

Мені видається, що таке згладжування і вихолощення історії розвитку науки аж ніяк не сприяє залученню до наукової діяльності молоді. Справді, якщо науку дійсно робили лише непогрішні титани і лицарі без страху і докору, то потрібно мати неабияку мужність, щоб зробити спробу долучитися до цієї когорти. А разом з тим, знання помилок і помилок наших попередників часто може виявитися корисним не тільки при навчанні, але і надати неоціненну послугу при вирішенні досить гострих і цілком сучасних ситуацій.

Так, наприклад, як випливає з енциклопедії, "Своїми експериментами Герц підтвердив велику здогадку Максвелла про поширення електромагнітної енергії в вакуумі ..." Що можна витягти для себе з цієї фрази? Схиляння перед геніями може викликати в кращому випадку заздрість. Нехай і білу. Але ж насправді все було зовсім не так.

Не було у Герца наміри підтвердити здогад Максвелла. Але мало того, що не було і у Максвелла ніякої припущення з цього приводу.

Рівняння Максвелла виявилися набагато мудріше свого творця. Отримавши чисто математично, з міркувань симетрії рівнянь, необхідність існування струму, що протікає в діелектрику, Максвелл і сам цього здивувався, і забезпечив відповідний цьому струму член рівняння індексом як би в порядку свого вибачення. Мовляв, я і сам розумію, що струм через діелектрик текти не може, і, швидше за все, це якась математична абстракція.

Були спроби і за життя Максвелла з боку його прихильників (вельми нечисленних, до речі) подати цей момент як теоретичне передбачення. І треба сказати, що сам автор охолоджував запал своїх шанувальників нагадуванням того, що в теорію математика перетворюється тільки тоді, коли описує експериментально спостережуваний факт. В даному ж випадку побудова поки що є не теоретичним, а суто гіпотетичним.

Ось це вищий клас методологічної грамотності!

А що ж Герц?

Справа в тому, що німецький фізик Генріх Герц був глибоко переконаний, що скільки-небудь серйозне наукове відкриття може бути зроблено тільки німцями. І якщо з відкриттями англійця Фарадея він ще якось міг змиритися, тому що Фарадей, як відомо, був слабким математиком, і все його роботи були чисто експериментальними (а отже, як би другосортними), то вже шотландець Максвелл викликав у нього різке і неприховане роздратування. Справою свого життя Герц вважав експериментальне підтвердження помилки Максвелла, і сучасники не раз відзначали досить некоректні висловлення на адресу вже покійного вченого.

До честі Герца, слід сказати, що, отримавши замість спростування експериментальне підтвердження теорії Максвелла (бо з цього моменту побудова Максвелла вже було теорією), Герц публічно приніс свої вибачення. Але головне у всій цій історії те, що обидва її учасники однаково ставилися до математики, наполягаючи на тому, що у фізиці лише та математика важлива і незамінна, яка описує реально існуючі процеси. Тобто коли обидва висловлювання, винесені в якості епіграфів, співіснують діалектично.

Адже ніде правди діти, ця точка зору притаманна далеко не всім вченим. Часто-густо, трохи приодінуть думка в математичні одягу, і вже теорією називають. А то, що експериментатор - вчений другого сорту, це думка і сьогодні в науці дуже популярно.

Незважаючи на те, що всім нам неодноразово доводилося чути твердження про те, що і експеримент без математичного усвідомлення - теж не наука, дозволю собі з цим не погодитися. Наука, за визначенням Менделєєва, це пошук істини. Сама ж істина - вже не наука, а швидше, пам'ятник їй.

Фізика, за визначенням, є не що інше, як сукупність ефектів і явищ. Рівень розуміння різних ефектів дуже неоднаковий. І чим менше ефект усвідомлений, тим більший науковий процес він представляє. Абсолютно, досконально понятих і усвідомлених ефектів немає і бути не може в силу нескінченності пізнання. Ось тому-то у мене викликало деяку настороженість відому думку про те, що ціла галузь знання - теоретична акустика - завершила свій розвиток як розділ фізики. Справа в тому, що, як вважають, з допомогою хвильового рівняння (а це основний інструмент даної галузі знання) можна описати будь-які явища в акустиці. На підставі цього був зроблений висновок, що як теоретична акустика, так і її основна практична галузь - сейсморозвідка, як би перейшли до компетенції математики.

Але навіщо, здавалося б, мені, радиоинженеру, має достатній досвід роботи в схемотехніці, ця інформація? Однак Випадку було завгодно, щоб в 1973 році мені довелося замінити основного викладача шахтної геофізики, доцента Ленінградського гірничого інституту (ЛГМ), якого раптово відправили в Москву на 6 місяців, на підвищення кваліфікації.

Міркувати було ніколи, семестр вже починався, і після короткого інструктажу цього самого доцента я, обклавшись всієї існуючої літературою, кинувся в цей вир, з якого мені не судилося виринути.

Будь-яка геофізика, в тому числі, і шахтна - на 90% сейсморозвідка. Якщо відкрити будь-який геофізичний збірник або матеріали будь-якої конференції - все суцільно сейсморозвідка. Більш того, приблизно те ж співвідношення і в грошовому співвідношенні: всі країни, що дозволяють собі розкіш утримувати власну геофизику, витрачають на сейсморозвідку більше 90% всіх геофізичних грошей. Так що і мені довелося студіювати головним чином саме цю область знання.

Втім, ця область знання виявилася досить специфічною. Перш за все, відсутністю відповідних лабораторних робіт. Їх не було ні в спадщині, залишеному мені залишив нас штатним викладачем, ні, як не дивно, на кафедрі геофізики ЛГМ. Так що якщо по електророзвідці, магніторазведке, радіоактивним методам і т.д. ми на лекціях аналізували завдання, змодельовані в лабораторії, то по сейсморазведке все обмежувалося моїм говорінням і триповерховими формулами.

Це йшло врозріз з моїм радіотехнічним вихованням. Для радіофізиків адже існує тільки один авторитетний чоловік, та й той осцилограф. А якщо в слово геофізика друга і більша його складова потрапила не випадково, то кожне її твердження має наочно ілюструватися реально існуючим ефектом.

Ідея сейсморозвідки дійсно елементарно проста. Саме тому вона була описана Пуассоном на початку XIX століття, ще за 100 років до проведення перших практичних вимірювань. Хвильове рівняння, написане ним, дозволило вийти на опис різних типів пружних хвиль. Але ж для того, щоб мати відношення до фізики, математичне рівняння, яке б воно не було красиве, має містити аргументи, які можуть бути обумовлені в експерименті. В даному випадку, на жаль, це виявилося не так. Аргументами в хвильовому рівнянні, що описує поле пружних коливань, є параметри руху, хто вагається частинок і / або тиск в пружною хвилі. Ні те, ні інше визначити в експерименті навіть на сьогоднішній день не можна, так як в Палаті Мір і Терезів не існує еталонів і відповідних датчиків цих субстанцій. А отже, до поля пружних коливань як фізичної реалії хвильове рівняння просто не має відношення.

Взагалі кажучи, проблема датчика є у фізиці ключовий. Немає датчика - немає і наукової проблеми. Ми будемо ставитися з гумором до екстрасенсів до тих пір, поки не існує датчика біополя. Так що ж, акустика знаходиться на рівні науки про біополе? Не зовсім. Існуючі геофони, гідрофони, сейсмопріемнікі і т.д. дійсно не є датчиками яких би то ні було базисних параметрів поля пружних коливань, але вони є датчиками наявності або відсутності самого акустичного сигналу, а також джерелами інформації про спектр цього сигналу. Як побачимо далі, цього виявилося достатнім для розробки наукового підходу при вивченні поля пружних коливань.

Втім, як би там не було, заявити про неправомірність застосування хвильового рівняння, що використовується для опису поля пружних коливань, після 150 років його безперервного використання - крок непростий. Але давайте подивимося з іншого боку. Адже хвильове рівняння має незліченну кількість рішень, і вибрати необхідне можна лише поставивши відповідні граничні умови. Однак, не маючи відповідних датчиків, можна визначити і граничні умови. Таким чином, задаючи граничні умови умоглядно, не можна претендувати на реальність одержуваних при вирішенні рівняння результатів.

У електродинаміки хвильове рівняння також є основним інструментом. Однак там базисні параметри електромагнітного поля визначаються в експерименті на нормальному метрологічному рівні, і це, власне, і визначає правомірність використання хвильового рівняння, а також прогрес електродинаміки і рівень її практичного використання.

Але, врешті-решт, з огляду на ефективність сейсморозвідувальних методів, може бути, можна знизити вимоги до її теоретичного обгрунтування? Адже ми всі знаємо, що основні заслуги при пошуках нафти і газу належать сейсморазведке. Так, справді, сейсморозвідка не входить в компетенцію метрологів, але ж головне-то - практичні її результати.

Усвідомивши це, я направив свої зусилля на створення простих лабораторних установок, за допомогою яких можна було б моделювати принцип сейсморозвідки. Тобто, простіше кажучи, принцип акустичної локації. Однак і тут виникли абсолютно непередбачувані і ніде чомусь не описані складності.

Як виявилося, принцип звукової локації, легко модельований в повітрі і в рідинах, в твердих середовищах не працює. Винятком було дуже незначне число матеріалів, і зокрема, оргскло. У оргсклі легко спостерігати виникнення акустичного імпульсу при ударній дії, а також поширення цього імпульсу і відображення його від кордонів, яке дійсно відбувається за законами геометричної оптики.

Однак в переважній більшості матеріалів - склі, кераміці, металах і сплавах, а також в гірських породах - ні сам акустичний імпульс, ні його поширення, а тим більше, відображення, побачити не можна. При ударному впливі на об'єкти з переважної більшості твердих матеріалів виникає не окремий імпульс, а тривалий коливальний процес, і поширюється цей процес явно не за законами геометричної оптики. Ніяких слідів відбитого від кордонів сигналу при цьому також не видно.

В принципі, ми, не бажаючи того, одержали доказ того, що в більшості твердих середовищ (а головне, що в тому числі, в гірських породах) принцип звукової локації не працює. Але поширити цей висновок на всю сейсморозвідку ми не могли знову ж в силу її показності. Справді, не могла ж на порожньому методі виникнути величезна, затребувана в усьому Світі область знання.

Однак як би там не було, читати курс при відсутності впевненості в існуванні читаного об'єкта було не можна. Я було вже прийняв рішення відмовитися від читання цього курсу, поставивши собі діагноз "профнепридатність". Але раптом, в початку 1977 року я одержав пропозицію взяти участь в натурних сейсмоізмереній в умовах вугільних шахт. Для цього була підготовлена ​​вимірювальна апаратура, що дозволяє визначати частотний спектр сейсмосігнала.

Як відомо, сейсмосігнали, прийняті сейсмоприемниками при сейсмоізмереній, мають вигляд тривалого коливального процесу невиправдано великої амплітуди.Відповідно до твердження вчених-сейсморазведчіков, такого роду сигнали виникають в результаті інтерференції між безліччю елементарних відображень зондуючого імпульсу від залягають в земній товщі дрібних кордонів. Цей, так званий, паразитний дзвін є об'єктом, з яким бореться сейсморозвідка протягом всього часу свого існування.

У сейсморазведчіков є надія, що якби вдалося зменшити його амплітуду, то вдалося б, нарешті, побачити на сейсмограмах сам луна-сигнал. Так ось, як виявилося в результаті вже самого першого нашого шахтного вимірювання, що надія ця марна, але зате спектр цього самого "паразитного дзвону" однозначно пов'язаний з геологічною розрізом в зоні вимірювань. Справа в тому, що, як виявилося, сейсмосігнал, що виникає при ударній дії на гірський масив, має вигляд не якихось довільних за формою і спектру коливань, а являє собою одну або кілька загасаючих синусоїд. При цьому частота f _0i кожної з цих складових має величину, пов'язану з товщиною (або, як кажуть геологи, потужністю) h _i породного шару наступним виразом:

f _0i = 2500 / h _i [(м / с) / м = Гц] (1)

Який фізичної реалії відповідає чисельник виразу (1), що має розмірність швидкості, тоді було ще неясно, але, виявлене чисто емпірично, це співвідношення виконується з похибкою, що не перевищує 10% для всього спектру порід вугленосної товщі - від слабкого аргіліту і до міцного пісковика і вапняку при чисельному рівність чисельника 2500 м / с.

З цієї випадкової знахідки слід три висновки. Перший полягав у тому, що, використовуючи вираз (1), тобто, інакше кажучи, спектрально-сейсморозвідувальних підхід, можна без буріння отримувати інформацію про потужності порід, що залягають як в покрівлі, так і в грунті підземної виробки. Ця інформація має вкрай важливе для шахтарів значення, в зв'язку з чим негайно почалася розробка відповідної апаратури. Апаратура ця згодом отримала назву "Резонанс", і використовувалася для оцінки і прогнозування стійкості порід покрівлі у всіх вугільних регіонах СРСР.

Другий висновок полягав у тому, що коливальний процес, що виникає при ударній дії на гірський масив, не є заважає, оскільки містить інформацію про його геологічну будову. Цей висновок накладав певні вимоги на апаратуру, які полягають в тому, що вона не повинна ні в найменшій мірі спотворювати спектр сигналу. Вимога це ніколи раніше перед сейсмоаппаратурой не ставилося, і виконання його зажадало вельми нетривіальних рішень.

Третій висновок, найважливіший для долі нового, народженого при цьому напрямку, в подальшому отримав назву спектральної сейсморозвідки, полягав у тому, що породні шари проявляють властивості якихось нових, невідомих раніше коливальних систем.

Тут представляється необхідним дати деякі пояснення.

Справа в тому, що якщо реакція деякого пристрою (будемо говорити, "чорного ящика") на короткий (ударне) вплив має вигляд затухаючого синусоїдальної (гармонійного) процесу, значить, цей чорний ящик - не що інше як коливальна система. Іншого шляху, щоб імпульс перетворити в затухаючим синусоїду, просто не існує. Синусоїда - це один член ряду Фур'є, неподільний інформаційний цеглинка, який не можна отримати ніякої інтерференцією. Але в тому-то й річ, що єдиний мислимий в акустиці процес, освітлений минулими і теперішніми авторитетами, за допомогою якого передбачається можливим зміна форми сигналу - це інтерференція.

Справді, а що ще може бути? Сигнал поширюється, багаторазово відбивається, і всі ці елементарні відображення векторно складаються один з одним, тобто, интерферируют. А оскільки інші процеси, здатні перетворювати форму сигналу, невідомі, то всіляке згадка про виникнення гармонійних сигналів в акустиці і сейсміці просто заборонено.

Тим часом, наявність такого роду сигналів відомо всім. Більш того, від них просто діватися нікуди. Але називають їх квазігармоніческого, що саме по собі нічого не змінює ^1, але зате як би дає право наполягати на тому, що вони є результатом інтерференції.

Треба сказати, що тут ми зустрілися з дивним збігом. Ця історія практично повністю повторює ту, що відбувалася в XIX столітті при відкритті електричного коливального контуру.

Перший коливальний контур був випадково реалізований в 40-х роках XIX століття Джозефом Генрі (тим самим, іменем якого названа одиниця індуктивності). Сталося це під час дослідження процесів, що виникають при короткому замиканні конденсатора. Це був час, коли почалися дослідження нової субстанції - електричної рідини, що міститься в тільки що винайдених гальванічних елементах. Експеримент полягав в тому, що заряджався конденсатор (як тоді говорили, "лейденська банку") від гальванічного елемента, а для реєстрації процесу розряду Генрі використовував праобраз амперметра - магнітну стрілку, багаторазово оповиту проводом. Провід був досить товстим, щоб можна було не рахуватися з його опором. На цій підставі Дж. Генрі вважав, що розряд йшов накоротко.

До його превеликий подив, стрілка при розряді багаторазово змінювала напрямок свого відхилення. Витлумачено це було так, що електрична рідина при короткому замиканні лейденської банки не тільки випливає з неї, а й втікає назад.

Спочатку ця публікація викликала бурю обурення у всіх чинних на той час фізиків. Однак після того як виявилося, що описаний результат стійкий при повторенні експерименту, вчені знайшли йому пояснення. Багаторазове зміна напрямку струму через конденсатор при короткому замиканні було сприйнято як наслідок інтерференційних процесів, що виникають в "електричної рідини", що заповнює лейденську банку, в результаті її струшування, якому еквівалентно коротке замикання. У такому вигляді це явище і існувало в підручниках і наукових публікаціях ще років 30.

Друге відкриття коливального контуру було зроблено через 30 років після цього лордом Кельвіном. Він зацікавився формою сигналу, що виникає при розряді конденсатора і, щоб задовольнити свою цікавість, винайшов осцилограф. Побачивши ж, що висока напруга, яка через лейденську банку, має форму синусоїди, Кельвін зрозумів, що має справу з невідомої раніше колебательной системою.

І тільки ще через майже 10 років електричний LC контур був відкритий остаточно, коли Фергюсон усвідомив роль індуктивності ^2.

Проводячи паралель з історією відкриття електричного контуру, можна сказати, що, знайшовши залежність (1), я виконав лише першу частину - виявив наявність акустичної коливальної системи у вигляді плоскопараллельной структури (як окремий випадок). Однак при цьому залишився незрозумілий механізм перетворення імпульсу в гармонійний сигнал, а також був неясний фізичний сенс чисельника виразу (1).

Досить довгий час, вже використовуючи на практиці вираз (1) і апаратуру "Резонанс", я, тим не менш, міг без зусиль довести, що виявлений ефект існувати не може. Справді, за умови, що матеріал пластини однорідний по речовому складу і за акустичними властивостями, можна уявити собі лише один механізм - це прямолінійне поширення пружних коливань усередині пластини і відображення їх від кордонів. Результат багаторазового переотражения від поверхонь пластин короткого імпульсу - це аж ніяк не гармонійний процес. На відміну від гармонійного, такий процес має дуже широкий частотний спектр, і переплутати їх неможливо.

Але одного разу істину, викладену в попередньому абзаці, я сприйняв інакше. Реакція на імпульсний вплив має вигляд гармонійного сигналу, і це достовірно і однозначно доводиться засобами електровимірювань. Однорідність речового складу матеріалу пластини, мабуть, теж немає підстав ставити під сумнів. Отже, якщо вже перетворення удару в гармонійний процес все-таки відбувається, то повинна ж бути якась неоднорідність ... А що там у нас з однорідністю акустичних властивостей матеріалу пластини? А чи може виявитися швидкість поширення пружних хвиль неоднаковою в різних точках об'єкта з однорідного по речовому складу матеріалу?

На чуттєвому, інтуїтивному рівні це питання сприймається важко. Справді, впевненість в сталості швидкості звуку в однорідних по речовому складу середовищах, я думаю, народжується разом з нами. Так само точно, як і деякі інші аксіоми. Такі, як, скажімо, твердження про те, що паралельні лінії не перетинаються в просторі. Але, з іншого боку, немає такої аксіоми, яка не вимагала б перевірки. Адже, як сказав Лобачевський, аксіома - це не те, що не потребує доведення, а то, якого не довести (або не спростувати). Чим це скінчилося, я маю на увазі твердження про непересічних паралельних, відомо. Всього лише, створенням нового типу геометрії.

Тут я хотів би трохи відволіктися, щоб показати, що все, що сталося далі, нітрохи від мене не залежало. Справді, здавалося б, якщо вже я отримав інструмент для прогнозування стійкості покрівлі у вугільних шахтах, то так чи обов'язково було дошукуватися до механізму того ефекту, на якому цей інструмент працює? .. Я ж сам тільки що говорив, що фізичний ефект зовсім не обов'язково потрібно розуміти, щоб його використовувати ... Але дивіться самі, адже апаратура "Резонанс" була призначена для збереження людських життів у умовах шахт. Чи можливе використання в цих цілях приладу, який працює на ефекті, якого в принципі бути не може? А якщо все ті результати, які ми отримували до цього, були результатом якогось дивного збігу обставин, а в подальшому, коли використання приладу узакониться, таких обставин більше не буде (або, що ще гірше, вони не завжди будуть), то наші рекомендації сприятимуть загибелі людей, але ж?

Коли я це усвідомив, то прийняв для себе рішення апаратуру шахтарям не давати до тих пір, поки не розберуся в фізиці використовуваних ефектів. Моє рішення викликало таку бурю обурення, від шахтних геологів і до самого Мінвуглепрому, що про це потрібно розповідати окремо. Але тут важливо те, що тільки той стрес, в якому я опинився, допоміг мені пройти весь подальший шлях пошуків механізму ефекту перетворення ударної дії в гармонійний відгук. Не дарма у нас потім народився афоризм, що для того, щоб в голову прийшло щось пристойне, треба, щоб по ній вдарили. Ось гіпотеза про непостійність швидкості звуку в однорідних середовищах і виникла як результат удару по голові.

Спосіб перевірки факту сталості швидкості звуку в однорідних середовищах виявився напрочуд простим. Нагадаю тільки, що швидкість руху будь-якого об'єкта V прямому вимірюванню не підлягає. Вона обчислюється діленням відрізка шляху r на час t, протягом якого пройдений цей шлях. Тому що визначається в експерименті швидкість завжди є середньою, усередненої по відрізку шляху r.

Експеримент, спрямований на перевірку сталості швидкості звуку в однорідних по речовому складу середовищах, мав таку логіку. Якщо це сталість дійсно має місце, то при наскрізному прозвучу пластин величина визначається швидкістю поширення пружних хвиль V не повинна залежати від товщини пластини h. При всій прозорості цієї логіки, все ж, перший цикл вимірювань залежності V (h) був здійснений на пластинах з оргскла. Чому це було зроблено. Справа в тому, що вимірювання швидкості звуку в акустиці твердих середовищ є дуже серйозною проблемою. При всій очевидності і простоті питання, результати реальних вимірів в найпростіших умовах часом настільки незрозумілі, що теоретикам здалося простіше створити масу заборон, ніж розібратися в цих непорозуміннях. Так, якщо результати ваших вимірів не відповідають якимось існуючим уявним моделям, вам просто пояснять, що ви не мали права так вимірювати. Причому ці заборони настільки нечіткі, що в принципі, можна заборонити будь-які вимірювання. Однак якщо ми беремо два абсолютно ідентичних за своєю геометрії зразка з різних матеріалів, то якщо вас влаштують результати вимірювань на одному з них, то заборона точно таких же вимірювань на іншому вже не буде переконливим.

Графік залежності швидкості поширення пружних коливань від товщини прозвучіваемих пластин з оргскла, показаний на малюнку (графік 1), свідчить про те, що швидкість поширення пружних коливань в оргсклі дійсно однакова у всіх точках цього однорідного матеріалу.Потовщення лінії цього графіка при зменшенні товщини пластини відповідає збільшенню відносної похибки визначення швидкості зі зменшенням величини t. Отже, метрологічна коректність при проведенні цих вимірів може вважатися прийнятною.

При точно такому ж дослідженні пластин з будь-якого металу або сплаву, кераміки, скла або гірської породи залежність V (h), як виявилося, має вигляд, подібний графіку 2. Як витлумачити такий результат? ..

В принципі, подібна залежність мала б місце, якби ми таким же точно способом визначали швидкість руху автомобіля при зміні відстані між точками його початку руху і зупинки. Середня або крейсерська швидкість будь-якого засобу пересування зменшується при зменшенні довжини шляху за рахунок неминучого присутності ділянок, де швидкість спочатку плавно збільшується, а потім, перед зупинкою плавно зменшується.

Однак стосовно пружною хвилі, що розповсюджується в однорідному матеріалі пластини, подібна модель була непредставима. Чесно кажучи, цей експеримент готувався мною виключно для того, щоб раз і назавжди виключити навіть самі думки про можливість неоднаковості швидкості в різних точках всередині об'єктів з однорідного середовища.

От уже ніколи не думав, щоб рядове, в общем-то, вимір могло подіяти на мене настільки емоційно ... Настільки подіяло, що коли апаратура вже була готова для здійснення вимірювань, то я зрозумів, що я зробити ці дослідження не можу, і відклав їх на наступний день.

Більш того, результати цього експерименту найсильнішим і несподіваним чином подіяли на всіх оточуючих людей, так чи інакше причетних до наших робіт. Деякі найближчі колеги, за участю яких проводились перші вимірювання залежності V (h), раптом стали відмовлятися від свого в них участі, а рідна кафедра раптово повела курс на знищення лабораторії разом з тим курсом, який я читав.

Втім, я тоді нічого навколо не помічав, одержимий постановкою такого високоточного вимірювання, яке могло б закрити це вже точно помилкове, нікому не потрібне відкриття. Однак чим вишуканіше були дослідження, тим ясніше вимальовувалася картина. Так, дійсно, звукова хвиля, проникаючи в пластину з переважної більшості твердих середовищ, спочатку розганяла, а потім, при наближенні до другої кордоні плавно сповільнювалася. І ось тоді мені стало погано по-справжньому.

Якщо численні вболівальники мучили мене питанням, чому в оргсклі, на відміну від скла, цей ефект відсутній, то мене самого не відпускала інша, абсолютно містична проблема:

звідки пружна хвиля знає, що наближається межа,

і що пора почати уповільнення свого руху?

Ось де було божевілля! Це питання горів в моєму замутненому свідомості з наполегливістю маніяка, не відпускаючи ні на хвилину ... Ось уже понад 20 років минуло з тих пір, але цього стану безперервної і повної приголомшений забути не можна.

Ну, що тут скажеш, мимоволі почнеш вірити в Провидіння. Не знаю, чиєю волею, але в руках у мене опинилася книга про життя Ньютона, звідки я дізнався, що з ним відбувалася приблизно така ж історія. Під час обговорення закону всесвітнього тяжіння його опоненти, так і він сам були одержимі подібним же питанням: де та "мотузка", що змушує взаємодіяти між собою планети і інші об'єкти? Так само, як і мене, його ця мука не відпускала років зо два. Після чого його осінило, що закон повинен відповідати не на запитання "чому", а виключно на питання "як"! Зрештою, якщо при метрологічно коректному вимірі ефект повторюємо, значить, його потрібно враховувати, з ним потрібно рахуватися незалежно від нашого розуміння. Хіба мало ми використовуємо ефектів, не розуміючи їх фізики? Та хоч би той же закон всесвітнього тяжіння ...

І все, більше ніяких мук. Приймаємо як даність, що в переважній більшості твердих середовищ швидкість поширення фронту пружних коливань знижується при наближенні фронту до поверхні об'єкту. Тобто в переважній більшості твердих середовищ існує приповерхневих шар, товщина якого досягає 2 см, в якому швидкість поширення фронту пружних коливань має знижене значення за рахунок зменшення її з наближенням фронту до поверхні.

Ставлення до цього ефекту як до доведеного факту дозволило виявити ще деякі нові ефекти. До речі, один з них дозволив відповісти на той нещасливий питання, який я обвів рамочкою. Але найцікавішим мені здається ефект акустичного резонансного поглинання (АРП). Суть його в наступному.

Якщо при наскрізному прозвучу пластин з будь-яких матеріалів змінювати частоту генератора, збудливого електроакустичний перетворювач, то можна побачити на деяких частотах так званий ефект монохроматора, відомий в оптиці ще як ефект просвітлення. Ефект цей полягає в тому, що, в результаті інтерференційних (а в даному випадку, це дійсно так) процесів при багаторазовому перевідбиттів сигналу всередині шару на деяких частотах сигнал проходить через пластину цілком при абсолютній відсутності відбиття від неї. Умова ефекту монохроматора полягає в тому, що на товщині пластини h має укладатися ціле кількість напівхвиль поздовжніх коливань або, інакше кажучи,

, Де (2)

f _мх - частоти, на яких спостерігається ефект монохроматора,

n - будь-яке ціле число,

V _пр - швидкість поздовжніх хвиль.

На інших частотах зондує сигнал частково відбивається від пластини, і за рахунок цього зменшується рівень сигналу, який проходить крізь пластину. Ефект монохроматора можна спостерігати на пластинах з усіх твердих середовищ. Однак при дослідженні пластин не з оргскла, а з інших, перелічених вище матеріалів, виявився ще один ефект, за змістом діаметрально протилежний ефекту монохроматора. Як виявилося, на деяких частотах (f _АРП) відсутня не відображення, а проходження сигналу через пластину, але при цьому не збільшується відображення від неї. Природно постає запитання: а куди ж дівається та частина сигналу, яка і не проходить наскрізь, але і не йде на збільшення відображення?

І знову рік пошуків. В результаті яких виявилося, що шукана частина сигналу випромінюється пластиною через її ж власні торці. Цей ефект, за аналогією з феромагнітним, парамагнітним і іншими відомими в фізиці ефектами резонансного поглинання, був названий ефектом акустичного резонансного поглинання. Переорієнтація первинного акустичного потоку в ортогональному напрямку є наслідок того, що ефект АРП йде на поперечних хвилях.

Умова ефекту АРП наступне:

, Де (3)

m - будь-непарне число,

V _СДВ - швидкість поперечних (зсувних) хвиль.

Нижча частота, на якій спостерігається ефект АРП (при m = 1), виявилася рівною частоті f _0, яка виникає при ударному збудженні шару-резонатора. Звідси і назва ефекту, так як збіг власної частоти з збудливою - це і є резонанс. Таким чином, чисельник формули (1) є не що інше, як швидкість поперечних хвиль V _СДВ.

Будь-який новий фізичний ефект - це безодня інформації. Особливо коли це стосується такого фундаментального ефекту як АРП. Обмежуючись рамками справжнього оповідання, можемо відзначити, що:

Шари з більшості твердих середовищ є резонаторами, тобто при ударній дії вони відгукуються гармонійним загасаючим процесом на частоті, рівній f _0.

Власний коливальний процес йде на поперечних хвилях, і тому реалізація ефекту АРП може вважатися першим метрологічно коректним способом визначення швидкості поперечних хвиль.

Наявність приповерхневих зон, в яких швидкість поширення пружних хвиль не є постійною, а зменшується з наближенням до кордону, є умовою існування резонатора. Ми навчилися знищувати ці зони, і тоді скляні, металеві і т.п. пластини перестають бути резонаторами. Ми навчилися створювати ці зони, і тоді пластини з оргскла, рідинні і газові шари стають шарами-резонаторами.

Шар-резонатор - це окремий випадок. Резонатором є об'єкт будь-якої форми при наявності приповерхневих шарів з непостійною швидкістю звуку, але при цьому кількість власних частот коливального процесу, що виникає в цьому об'єктах, дорівнює кількості його розмірів. Наприклад, паралелепіпед має три розміри і, відповідно, три частоти його власного звучання.

Визначаючи за допомогою спектрально-акустичних вимірів спектр власного звучання, неважко визначити розміри об'єкта, а також виявити приховані кордону, зокрема, обумовлені дефектами матеріалу. І цей факт породив спектрально-акустичну дефектоскопію.

Межі, які виявляються при спектрально-акустичних вимірах, є поверхні, за якими можливе взаємне проковзування сусідніх середовищ. Це залежить від того, що формуються власні коливання на поперечних хвилях.

Зрозуміло, що до тих пір, поки не буде створено формально-математичний апарат для опису перетворення імпульсного впливу в гармонійний відгук на зразок того, як це було зроблено Кельвіном для електричного коливального контуру, відкриття акустичної коливальної системи не можна вважати завершеним. І, разом з тим, ми не тільки маємо право оголосити про народження нової, невідомої раніше коливальні системи, але, і зобов'язані це зробити, так як практичне значення цього факту просто величезна. На базі цього нового знання створена спектральна сейсморозвідка, на рахунку якої вже є кілька нових родовищ корисних копалин. Крім того, за допомогою спектральної сейсморозвідки виявилося можливим вперше, за всю історію будівельної науки оцінювати і прогнозувати надійність інженерних споруд. Метод спектрально-сейсморозвідувальних профілювання (ССП) дозволяє ще до початку будівництва будинку показати, де в майбутньому будинку почнуть розвиватися тріщини, і як пересунути будівельний майданчик, щоб цих тріщин не було. Я не ставлю своїм завданням перераховувати всі можливості цього методу, а хто зацікавився можна заглянути на сайт http://www.newgeophys.spb.ru/, де, крім прикладів використання методу ССП, опублікована книга з основ спектрально-акустичного напряму у фізиці. Зараз же, коли спектральна сейсморозвідка показала свою життєздатність, виникла необхідність знайти точки дотику нового методу з уже існуючими, традиційними сейсмометодамі.

При пошуках цих точок дотику мені необхідно було окреслити реальні можливості також і методів традиційної сейсморозвідки. Зізнаюся, що завдання виявилося дуже складною. Спеціально для цього спілкуючись з діючими сейсморазведчіков різних організацій, я шукав випадки, коли отримані сейсморазведчіков результати порівнювалися з результатами, отриманими при використанні інших методів, як геофізичних, так і розвідувального буріння. Треба сказати, що результати сейсморозвідки завжди підтверджують вже наявну геологічну інформацію, але щоб було навпаки, тобто, щоб сейсморозвідка виконувалася спочатку, а потім її результати перевірялися б іншими методами - такого мені зустріти не вдалося. І тоді я відправився до першоджерела повідомлень про те, що західносибірських нафта відкрита головним чином за рахунок застосування сейсморозвідки.

На жаль, розчарування було повним. Як показало розслідування, розвідка на тюменську нафту велася в такій послідовності. Спочатку робилася геологічна і геофізична (але не методами сейсморозвідки) зйомка, потім на виявлених аномаліях здійснювалося розвідувальне буріння, і тільки після цього, там, де зі свердловини йшла нафту, робили сейсморозвідку. Про мою розгубленості неважко здогадатися. На питання, в чому ж був сенс застосування сейсморозвідки, мені відповіли, що це найдорожчий метод, і його наявність зумовлює фінансування геофізиків. Природно, що в подальшому сейсморазведчікі це категорично заперечували. Але я з тих пір у всіх відповідних випадках в тій чи іншій формі пропоную сейсморазведчіков здійснити свої дослідження за умови повної відсутності апріорної інформації.

Результат такого опитування абсолютно стійкий.Жоден сейсморазведчік, ні в одній країні світу, ніколи не погодиться проводити дослідження при відсутності інформації про геологічну будову. Правда, як виявилося, і з цього можна сколотити науковий капітал. Так, геофізики СПб університету, коли я проводив там семінар, кваліфікували метод спектральної сейсморозвідки як антинауковий, оскільки для проведення його не потрібно ніякої апріорної інформації. Але це так, з області парадоксів.

Ось коло і замкнулося. Не може працювати метод, заснований на неіснуючих ефекти. А відмовитися від цього методу буває дуже важко, тому що, з одного боку, занадто дорого обійшовся, а з іншого, ну хто ж буде відмовлятися від джерела власного фінансування ...

І стало остаточно ясно, що перехід від загальноприйнятої, але абсолютно неінформативної сейсморозвідки до спектральної пов'язаний зі зміною парадигми акустики.

Зазвичай, при розгляді подібних ситуацій вважається, що стара парадигма повинна увійти в нову як складова частина, як окремий випадок. Як приклад зазвичай наводиться входження ньютонівської, класичної механіки в теорію відносності. Але необхідно уточнити. У нову парадигму можуть увійти тільки ті складові частини старої парадигми, які не є науковим помилкою. Так що в нову теоретичну акустику (я б її назвав комплексної акустикою, оскільки вона вивчає не тільки поширення звуку, але і перетворення спектра) увійде зовсім небагато від сучасної теоретичної акустики - лише закони поширення поля пружних коливань в газах, рідинах і твердих середовищах типу оргскла .

Для стороннього спостерігача, особисто не зацікавлений ні в одному, ні в іншому підході до опису поля пружних коливань, мені здається, я показав досить переконливо якщо не повну помилковість традиційного підходу в акустиці, то, по крайней мере, необхідність його перевірки. Однак це зовсім не означає, що в доступному для огляду майбутньому хтось із акустиков-теоретиків прислухається до зроблених мною висновків. Для того щоб пояснити, чому я так думаю, дозволю собі ще один відступ.

Під час мого бурхливого існування в ЛГМ, Доля звела мене з чудовим ученим, нині покійним, Львом Ароновічем Сеною. Він всесвітньо відомий роботами в галузі фізики плазми, і ефект Сени знають і використовують ще з 1947-го року. Ознайомившись з результатами деяких моїх досліджень, він найбільше отримав задоволення від того, що все до єдиного мої твердження можна підтвердити експериментально. Однак дати офіційно якийсь висновок про мої роботи або виступити на будь-якому форумі він відмовився категорично. Мотивування була дуже зрозумілою. "Адже якщо я висловлю свою думку з приводу акустики, - сказав він, - це буде свідчити лише про те, що мені пора на спочинок, і це ускладнить мені роботу навіть в моїй власній області знання." Здавалося б, причетність до фізики повинна якось об'єднувати вчених хоча б до такого рівня, щоб розуміти один одного. Однак існуючий етичний закон не дозволяє робити ніяких суджень по предмету, який виходить за рамки визнаної компетенції конкретного вченої ради.

Так що акустикам-теоретикам і геофізики-сейсморазведчіков можна просто не реагувати на будь-які докази їх помилок або просто обману. Нову акустичну парадигму можуть прийняти тільки акустики, однак оскільки їм це не потрібно, то в найближчому майбутньому і не відбудеться. До речі, відомий методолог і автор книги "Структура наукових революцій" Т.С. Кун на підставі аналізу подібних відомих ситуацій доводить, що зміна парадигми дійсно відбувається не швидше, ніж час зміни покоління.

Правда, ситуація була б м'якше, якби в геофізики дотримувалися законів, які свято виконуються всіма іншими фізиками. Я маю на увазі неухильно що виконується в усіх областях фізики вимога метрологічної коректності при проведенні досліджень. У геофізики такої вимоги не існує, і як результат - існують геофізичні методи, засновані на неіснуючих фізичних ефектах, і сейсморозвідка - це всього лише один приклад.

Однак подивимося на проблему тупикових напрямків в геофізики ще з одного боку. Адже якби викладання історії розвитку фізики, в тому числі, і історії великих помилок, приділялася більша увага, подібні випадки були б просто неможливі. Спробуйте студентам, які знають історію хоча б в обсязі даної статті, довести, що гармонійний сигнал виник в результаті інтерференції. Думаю, що нічого б не вийшло. Волею-неволею акустикам довелося б вже давним-давно почати пошуки коливальних акустичних систем.

Пізнання безмежно і нескінченно, і можливості для помилок будуть завжди, але, показавши історію вже відомих і подоланих помилок, думається, ми ці можливості трохи зменшили б.

1 Чисто гармонійних сигналів в принципі не буває. Ідеальна синусоїда - це абстракція, яка не містить ніякої інформації.

2 Зрозумівши, що має справу з коливальної системою, Кельвін ще не знав про роль індуктивності. Рівняння, написане ним, мало вигляд:

, Де С - статична, а A - динамічна ємності лейденської банки. Вражає геніальність цієї людини, який, не знаючи про роль індуктивності, зумів вивести рівняння контуру.