|
[Повернутися до змісту сайту]
Семіков С.
КРИЗА КЛАСИЧНОЇ ФІЗИКИ ПОЧАТКУ XX СТОЛІТТЯ:
БУЛА некласичної ФІЗИКА ВИХОДОМ із скла?
(Реферат по історії і філософії науки)
План реферату:
1. Введення
2. Коріння теорії відносності і альтернативні концепції
3. Коріння квантової фізики і альтернативні концепції
4. Історичні передумови визнання некласичної фізики
5. Висновки
література
1. Введення
Як відомо, велику кризу класичної фізики вибухнув на рубежі XIX і XX ст. і тривав до 1920-х рр. Він був обумовлений нездатністю колишніх фізичних концепцій пояснити ряд експериментально відкритих феноменів, а також внутрішніми логічними суперечностями класичної картини світу. Так, класична електродинаміка Максвелла виявилася несумісна з класичною механікою. Уже сам Максвелл відмовився в своєму "Трактаті про електрику і магнетизм" [1] від концепції механічного ефіру, що володів суперечливими властивостями і породжував масу труднощів при аналізі електродинаміки рухомих тіл. Досліди Майкельсона, Троутона-Нобла, Кауфмана лише підкреслили протиріччя між класичною механікою і класичною електродинаміки [2-4]. Ця криза була подолана зусиллями Г. Лоренца, А. Пуанкаре, А. Ейнштейна та Г. Маньківського, що заклали основи нової некласичної механіки у вигляді Спеціальної теорії відносності (СТО), яка виявилася сумісна з електродинаміки Максвелла, але відкидала класичну механіку. Остання отримала з тих пір статус граничного випадку релятивістської механіки, - випадки швидкостей, багато менших швидкості світла.
В цей же час робить великі успіхи атомна фізика: відкритий електрон, доведена реальність атомів, емпірично відкриті закони випромінювання атомами суцільного і дискретного спектрів, відкритий фотоефект, Е. Резерфорд відкрив атомне ядро і побудував класичну планетарну модель атома. І знову експерименти виявилися в протиріччі з прогнозами класичної механіки та електродинаміки Максвелла, які передбачали зовсім інший вид теплового спектру, говорили про нестійкість планетарного атома і вели до інших суперечностей [5]. Лорд Кельвін охарактеризував ці протиріччя як маленькі хмарки на чистому обрії класичної фізики, в цілому досконалої і правильною. Однак в підсумку саме ці суперечності змусили вчених відмовитися від класичної фізики і прийняти нову квантову фізику і механіку, які разом з теорією відносності усували протиріччя і вірно передбачали результати спостережень.
Тим самим вихід з великого кризи фізики, здавалося б, був знайдений. І все ж до сих пір залишається сумнів, чи була некласична фізика єдино можливим виходом з кризи. Більш того, в даний час в квантовій фізиці і в теорії відносності виявляється все більше проблем і протиріч, таких як індетермінізм в явищах природи, розбіжність і нескінченності при аналізі структури електрона і теплового спектру, виявлення сверхсветових швидкостей, нерозкрита і суперечлива структура ядер і елементарних частинок [6-10]. Тому складається враження, що некласична фізика не усунула криза, але лише відстрочила його, за допомогою формальних узгоджувальних прийомів, усунули суперечності лише поверхово, зовні, але зберігши їх в латентній формі. А самі корені суперечностей, що призвели до кризи, не були розкриті. Тому, щоб виявити причини давнього кризи, вивчимо погляди фізиків того часу і запропоновані ними "антикризові заходи". Це дозволить зрозуміти, чи дійсно некласична фізика була виходом, і виявити альтернативні, менш радикальні шляхи виходу з кризи, які можуть виявитися актуальними і в наш час.
2. Коріння теорії відносності і альтернативні концепції
Розглянемо спочатку передумови створення і визнання теорії відносності науковим співтовариством. Давно відмічено, що теорія відносності з'явилася в ході кризи концепції світового ефіру - суцільний ідеального середовища, яка по поглядам вчених XIX століття мала переносити електромагнітні впливу, зокрема світло, подібно до того, як повітря передає звук, звукові хвилі [2]. Ще задовго до постановки експерименту Майкельсона вчені стали усвідомлювати парадоксальність ефіру. Ефір, з одного боку, повинен мати величезну жорсткістю, а з іншого - крайній розрідженістю і легко, без опору, проникати крізь будь-які тіла. Ця ефемерна субстанція повинна бути абсолютно нерухомою, і в той же час легко обурюватися рухом зарядів. При цьому ефір абсолютно позбавлений в'язкості: лише так можна пояснити, що світло далеких зірок приходить до нас практично без ослаблення. Коли ж був поставлений досвід Майкельсона, то вже остаточно з'ясувалася неспроможність концепції ефіру: поширення світла і електромагнітних впливів носить не абсолютний, а відносний характер. Тобто не існує ніякої абсолютно нерухомою середовища типу ефіру, в якій світло зберігав би свою швидкість незмінною.
Однак сам Максвелл початково засновував свою теорію електромагнетизму саме на концепції ефіру, розглядаючи його натягу і стиснення, потоки і завихрення. Ось чому математичний апарат електродинаміки Максвелла багато в чому схожий з математичним апаратом фізики суцільного середовища, в якості якої і розглядався ефір. Бачачи протиріччя ефіру, Максвелл в більш пізніх роботах відмовився від згадок про нього, і зберіг лише рівняння, виведені за допомогою ефірної концепції. Як говорили в той час, Максвелл побудував величну будівлю електродинаміки, але в кінці споруди прибрав будівельні ліси, тобто допоміжні конструкції у вигляді ефіру, який допомагав при будівництві. Виходить, саме концепції ефіру теорія Максвелла зобов'язана своїм народженням. Тому багато фізиків продовжували вірити в реальність ефіру, незважаючи на його численні суперечності.
А коли в 1887 р в експерименті Майкельсона-Морлі з'ясувалося, що ніякого ефіру немає, це було справжньою кризою і боляче вдарило по прихильниках електродинаміки Максвелла. Адже Максвелл, навіть переставши згадувати ефір, по суті, зберіг його в своїх рівняннях. Більш того, в своєму трактаті про електрику і магнетизм, він сам пропонував провести експеримент типу експерименту Майкельсона, щоб перевірити свою концепцію і виявити рух Землі по відношенню до абсолютної системі відліку, пов'язаної з ефіром [3]. Таким чином, негативний результат експерименту Майкельсона ставив під сумнів не тільки концепцію ефіру, а й всю електродинаміку Максвелла, вже грунтовно перевірену на той час і отримала широке визнання і практичне застосування. Робилися численні спроби врятувати концепцію ефіру, наприклад за допомогою контракційної гіпотези Лоренца-Фіцджеральда, які припустили, що при русі крізь ефір все тіла скорочуються, причому скорочення в точності компенсує зміна швидкості світла від руху Землі, що і заважає виявити це рух по відношенню до ефіру [ 11]. Але всі ці спроби врятувати ефір наштовхувалися на нездоланні труднощі при поясненні інших дослідів, наприклад досвіду Троутона-Нобл.
Таким чином, від концепції ефіру довелося відмовитися. Але, навіть відкинувши ефір, фізики не бажали відмовлятися від заснованої на ньому електродинаміки Максвелла, яка теж суперечила досвіду Майкельсона. Тому А. Пуанкаре і А. Ейнштейн запропонували інший, суто формальний шлях виходу з кризи. Щоб поєднати електродинаміку Максвелла з результатом досвіду Майкельсона, вони запропонували видозмінити саму механіку так, щоб, по-перше, все явища виглядали однаково в усіх інерційних системах, володіючи лише відносним, а не абсолютним характером (1-й постулат СТО), а по- друге, щоб швидкість світла завжди була рівна константі c і не залежала б від руху джерела або приймача (2-й постулат СТО). Ці два твердження-постулату і стали основою нової некласичної механіки теорії відносності. З одного боку, вони пояснювали негативний результат досвіду Майкельсона, за допомогою узагальнення принципу відносності Галілея на електромагнітні і оптичні явища. А з іншого боку, вони скасовували розбіжність цього принципу класичної механіки з електродинаміки Максвелла. Тобто класична механіка замінювалося релятивістської механікою СТО, яка вже не суперечила теорії Максвелла.
Ця релятивістська механіка проіснувала з початку XX століття до цього дня, на її основі роблять розрахунки потужних прискорювачів та інших високоенергічних агрегатів. Так що, здавалося б, некласична механіка СТО і справді була виходом з кризи. І все ж до сих пір залишаються сумніви, що цей вихід правильний. Це випливає як із експериментальних міркувань, наприклад, з відкриття сверхсветових рухів, неможливих по СТО, так і з логічних, загальнофізичної та філософських міркувань. Справа в тому, що теорія відносності, усунувши ефір, позбавила електромагнітні впливу механічного носія, нічого не запропонувавши натомість. Електромагнітне поле залишилося такої ж абстрактної субстанцією, яким було до Максвелла. Більш того, воно стало ще більш ідеалізованим, абстрактним і суперечливим, ніж ефір. Введене Ейнштейном уявлення про фотонах як переносчиках електромагнітних впливів тільки заплутало ситуацію, оскільки створювало ще більше суперечностей, ніж було в концепції ефіру: фотон не мав маси і мав відразу корпускулярним і хвильовими властивостями. Таким чином, можна стверджувати, що теорія відносності не усунула протиріччя класичної електродинаміки, але лише приховала, замаскував їх за допомогою формальної согласующей і, в общем-то, нічим не обгрунтованою процедури. Адже ні з яких дослідів або з інтуїтивних міркувань не дотримувався другий постулат про незалежність швидкості світла від руху джерела і приймача. Тому з точки зору принципу Оккама [12], цей постулат, що не зводиться до досвідченого або інтуїтивного знання слід було б усунути з науки.
І дійсно, теорія відносності була не єдиним, і навіть не самим природним виходом з кризи. Так, на початку XX століття ряд фізиків, включаючи Дж. Томсона і В. Рітца, запропонували менш радикальний і простіший вихід з кризи [13, 14]. Вони міркували так: раз класична механіка і електродинаміка Максвелла несумісні, і раз експеримент Майкельсона показав помилковість концепції ефіру з заснованої на ньому електродинаміки Максвелла, то чи не буде більш логічним відмовитися немає від механіки, а саме від електродинаміки Максвелла, по крайней мере, від її колишнього варіанта [15]. Адже ця теорія не тільки суперечила досвіду, а й була набагато гірше обгрунтована і перевірена, ніж класична механіка. Класична механіка, заснована Галілеєм і Ньютоном, До 1887 року існувала і всебічно перевірялася вже протягом більш ніж двох століть. Тоді як електродинаміка Максвелла була опублікована автором лише в 1860-1865 рр. і відразу зіткнулася з сильною критикою і неприйняттям. Лише в 1888 році електродинаміка Максвелла була визнана завдяки дослідам Герца, який виявив передбачені Максвеллом електромагнітні хвилі. Таким чином, момент визнання теорії Максвелла, завдяки дослідам Герца, практично збігся з проведенням досвіду Майкельсона. А тому не було ніякого резону віддати перевагу настільки сиру, малодосліджених теорію як максвеллова, перевіреної століттями класичній механіці.
Саме тому Вальтер Рітц, Джозеф Томсон, а також деякі інші фізики припустили, що корінь кризи криється саме в електродинаміки Максвелла, що суперечила класичній механіці і принципу відносності.А вихід з кризи треба шукати в припущенні, що електромагнітні впливу і світло підкоряються класичній механіці, тобто їх рух є відносним, а не абсолютним. Згідно Рітц, світло має постійну швидкість c лише щодо джерела, який в разі руху повідомляє свою швидкість електромагнітних впливів і світла [15]. Тобто Рітц узагальнив принцип відносності Галілея з класичної механіки на світлові, електромагнітні явища. Це відразу дозволяло пояснити досвід Майкельсона, де джерело світла рухався разом із Землею, а тому виявити зміна швидкості світла було неможливо [14]. У цій частині висновки Ритца і Ейнштейна збігаються. Але далі, якщо Ейнштейн своїм другим постулатом відкидає класичну механіку для збереження електродинаміки Максвелла, то Рітц в цьому не має потреби, оскільки не ставить за мету зберегти, у що б то не стало, максвеллову електродинаміку, яка виявила свою неспроможність.
Точка зору Ритца і фізично, і логічно більш послідовна, оскільки, прийнявши принцип відносності класичної механіки, він і далі продовжує слідувати йому. Так, визнавши всі явища і руху відносними, він і рух світла розглядає як відносне, тобто вважає, що швидкість світла залежить від взаємного руху джерела і спостерігача. Тоді як Ейнштейн впадає в протиріччя, з одного боку приймаючи відносність всіх рухів (перший постулат), а з іншого, - відкидаючи відносний характер руху світла, який незалежно від руху джерела і спостерігача летить завжди з однієї і тієї ж швидкістю (другий постулат) [ 16].
Застосування до світла принципу відносності Галілея з класичної механіки було більш природним, логічним ще й з наступних причин. Уже Галілей в своїх "Бесідах" [17] і Ньютон у своїй "Оптиці" [18] прийшли до висновку, що світло може являти собою потік дрібних частинок-корпускул, виливає світяться тілами. Тому Галілей і Ньютон вважали можливим застосувати до світла, освіченій механічними частинками, принципи галилеевской механіки і кінематики. Завдяки цьому рухається джерело якраз повинен був повідомляти свою швидкість викинутим світловим корпускула і несомую ними світла, подібно до того, як рухається знаряддя повідомляє додатково свою швидкість вистріляли снарядів. Цей класичний балістичний принцип Рітц і поклав в основу своєї теорії. Таким чином, Рітц, на відміну від Ейнштейна, не вигадував нових умоглядних радикальних теорій, а пояснював досвід Майкельсона класичної корпускулярної теорією. Якщо 2-й постулат Ейнштейна був "узятий зі стелі", і не тільки суперечив здоровому глузду, інтуїції, але і не був нічим обгрунтований, то балістичний принцип Рітца не тільки природний і давно відомий, але і обгрунтований експериментально. Задовго до експерименту Майкельсона, балістичний принцип підтверджувало явище зоряної аберації, тобто зміщення видимого положення зірок на небі за рахунок орбітального руху Землі. Це явище, відкрите Брадлеем в XVIII столітті, було пояснено їм якраз на основі балістичного принципу, тобто додатки класичної кінематики (правила складання швидкостей) до світла і переносять його корпускула [3].
Таким чином, шлях виходу з кризи, запропонований Рітцем, Томсоном і зберігає класичну механіку, був більш логічним, ніж шлях Ейнштейна, оскільки оптика і механіка Ньютона вже містила готовий рецепт виходу з кризи, породженого досвідом Майкельсона. Але це стосувалося лише оптики, а з точки зору збереження законів електродинаміки Максвелла, здавалося б, більш природним був шлях Ейнштейна. Однак Рітц показав, що немає ніякого резону зберігати будь-яку ціну електродинаміку Максвелла, яка не тільки суперечила дослідам (досвід Майкельсона, досвід Кауфмана), була слабо обгрунтованою, а й будувалася спочатку абсолютно довільно, як набір штучно підібраних формальних правил. Це була чисто феноменологічна теорія, тобто теорія, рівняння якої не строго виводилися на підставі точно встановлених причин, а штучно підбиралися, щоб дати чисто зовнішнє опис явищ. Тобто феноменологическая електродинаміка Максвелла була точною аналогією феноменологічної термодинаміки і аеродинаміки, принципи яких не були строго обгрунтовані і володіли обмеженою применимостью. І лише молекулярно-кінетична теорія дозволила побудувати строгу мікроскопічну теорію термодинамічних і аеродинамічних явищ, з якої висновки феноменологічної теорії виходили вже як прямі наслідки, причому лише в якості першого наближення при малих швидкостях. У разі навколозвукових швидкостей, а тим більше надзвукових швидкостей, принципи феноменологічної термодинаміки і аеродинаміки, побудованих для випадку малих швидкостей, виявлялися вже непридатні, і лише використання мікроскопічної теорії, яка вивчала поведінку окремих атомів і молекул, дозволило отримати вірні результати. Те ж виявилося і в феноменологічної електродинаміки Максвелла, де були виявлені помилки у вигляді малих відхилень порядку V 2 / c 2 (в разі досвіду Майкельсона), або великих відхилень (досвід Кауфмана, де реалізувалися великі, близькою до швидкості [4]).
Тому Рітц зробив висновок, що корінь кризи крився саме в електродинаміки Максвелла, побудованої чисто формально, феноменологічна, а тому має можливість застосування, обмежену тими рамками, в яких ця теорія будувалася (випадок малих швидкостей). Чотири рівняння Максвелла, кожне з яких слід розглядати як окрему гіпотезу, були не строго виведені з деяких початкових строго встановлених і всебічно доведених принципів, але штучно підібрані, щоб найкращим чином описувати явища. І ймовірність того, що всі вони були вгадані правильно, причому так, щоб бути справедливими на будь-яких швидкостях, дуже мала. Ось тому Рітц і запропонував побудувати на основі класичної механіки сувору мікроскопічну теорію електродинамічних явищ, яка була б справедлива при будь-яких швидкостях рухів, і яка розкривала б зміст електричного і магнітного полів, так само як молекулярно-кінетична теорія розкрила істинний сенс тисків і температур як характеристик руху великих ансамблів мікрочастинок.
Необхідність побудови мікроскопічної теорії електродинамічних явищ виникала вже з ньютоновского уявлення світла у вигляді потоку частинок, свого роду атомів світла [18]. Крім того, за зауваженням Ритца, необхідність створення мікроскопічної теорії диктувалася тим, що феноменологічна електродинаміка Максвелла, в основу якої покладено диференціальні рівняння, давала нескінченно багато рішень, більша частина яких не мала фізичного сенсу [15]. І для знаходження вірного рішення часто було недостатньо навіть відомих початкових і граничних умов, доводилося приймати спеціально придумані штучні граничні умови (складові ще одну гіпотезу), наприклад, умова випромінювання Зоммерфельда. Згідно Рітц, фундаментальні закони фізики повинні мати інтегральну, а не диференціальну форму, так щоб давати єдине рішення і не допускати зайвих, фізично неможливих рішень, які виключаються чисто довільно. Таким чином, Рітц пропонував замість контінуалістской феноменологічної максвелловой електродинаміки суцільних середовищ побудувати атомістичну електродинаміку, закони якої строго виводилися із законів класичної механіки.
Необхідність такого мікроскопічного атомистического описуявищ електродинаміки випливала також з того, що після скасування ефіру, стало незрозуміло, чому ж переносяться електромагнітні впливу. Тобто, в електродинаміки Максвелла, замість близкодействия, знову виникла примара дальнодействия. Ця проблема теж легко вирішувалася, якщо припустити по Ньютону і Рітц, що електромагнітні впливу переносять найдрібніші частинки-корпускули, що розлітаються від їх джерела зі світловою швидкістю. Саме це твердження Рітц поклав в основу своєї емісійної електродинаміки: кожен заряд постійно випускає в усіх напрямках стандартні мікрочастинки (Реон), що розлітаються від заряду зі стандартною швидкістю світла c. Удари цих частинок про інший заряд і створюють кулоновское відштовхування. Тобто електричне поле, електричний вплив пояснювалося так само, як тиск в молекулярно-кінетичної теорії, - ударами мікрочастинок. Якщо заряд нерухомий, він створює стаціонарний потік частинок і надає постійне електричне вплив, а якщо він коливається, то потік виявляється модульованим по щільності і швидкостям частинок: виникає періодично змінюється електричне вплив, яке поширюється у вигляді електромагнітних хвиль, швидкість яких задана швидкістю модульованого потоку частинок , тобто світловий швидкістю їх випускання c.
Таким чином, основна перевага електродинаміки Максвелла, передбачила існування електромагнітних хвиль, зводилося нанівець, оскільки ці хвилі вдавалося пояснити і передбачити в рамках нової теорії світла Ньютона, понад те пояснювала мікроструктуру і природу цих хвиль і електричних впливів, чого теорія Максвелла зробити не змогла. Також саме корпускулярна теорія пояснювала, ніж заданий стандарт швидкості електромагнітних хвиль і світла, - саме швидкістю випускання мікрочастинок (ядерна фізика дійсно має ряд прикладів, коли частки випускаються іншими частинками або ядрами зі стандартною швидкістю, близькою до). Зате максвеллова теорія, після скасування ефіру (поширення пружних збурень якого і задавало перш швидкість світла), вже не могла пояснити стандарт швидкості світла. Теорія ж відносності пояснювала цей стандарт тим, що просто ніщо не може рухатися зі швидкістю більшою c, а тому світло, як найшвидший процес, повинен летіти саме з такою швидкістю.
У 1914 р учений і філософ І. Орлов [16, 19] ясно показав, що вихід з кризи, запропонований Рітцем, не тільки більш природний, ніж вихід Ейнштейна, але і дозволяє, на відміну від релятивістської теорії, давню проблему ньютонівської механіки, яка була, по суті, механікою дальнодействия: впливу, наприклад гравітаційні, миттєво поширювалися на будь-які відстані без жодного посередника, а значить і без запізнення. Уже тоді, в XVII столітті було ясно, що це ідеалізація, оскільки впливу повинні переноситися якимось агентом, що має, хоч і невелику, але все ж обмежену швидкість. Це випливало, як мінімум, з того, що частинки-переносники впливів, володіючи кінцевої масою, могли б, під дією кінцевої за величиною сили, отримувати лише обмежену швидкість. Однак кінцевим часом поширення впливів нехтували аж до XX століття. Механікою Ньютона продовжували користуватися так, немов дії переносяться миттєво. Це і привело в кінці XIX століття до ряду протиріч.
Теорія відносності, як зауважує Орлов асимілювала, а зберегла, замаскував ці протиріччя, просто за нескінченно велику швидкість поширення впливів, якої не може досягти жодна тіло, штучно взяли швидкість світла c. Завдяки цьому з теорії відносності сили взаємодії між тілами, так само як в механіці дальнодействия Ньютона, що не залежали від руху цих тіл. Так, центральна сила (скажімо, сила тяжіння) завжди була спрямована уздовж лінії, що з'єднує тіла, і завжди мала одну і ту ж величину, незалежно від того, спочивали чи тіла або рухалися з величезною швидкістю. А в разі запізнення впливів через кінцевої їх швидкості, сила повинна була залежати від відносної швидкості взаємодіючих тіл. І якщо Ейнштейн так і не виправив ідеалізації миттєвого дальнодействия ньютонівської механіки, то Рітц, угледівши глибоке коріння кризи, якраз врахував кінцеву швидкість впливів і зміна сил за рахунок цього, побудувавши уточнену теорію електромагнетизму і гравітації.
Власне кажучи, саме таким шляхом і йшла електродинаміка і теорія гравітація до появи польової теорії Максвелла.Уже в працях Ампера, Вебера, Гаусса і Рімана була побудована електродинаміка, в якій електричне кулонівської взаємодії зарядів залежало від їх взаємного руху - від їх відносної швидкості і прискорення [1, 20, 21]. У підсумку відразу отримували якісне і кількісне пояснення магнітні та індукційні сили, які, як відомо, створюються саме рухом зарядів. Нагадаємо, що максвеллова електродинаміка ніяк не пояснювала, чому при русі зарядів їх електричне вплив породжує магнітне і індукційне. Максвелл лише констатував в своїх рівняннях існування цих сил, представивши математичні вирази для них. А Вебер і Гаусс з'ясували їх природу: магнітні і індукційні сили - це малі зміни електричної сили взаємодії, викликані кінцевою швидкістю поширення електричних впливів, тобто їх запізненням. Причому вже тоді було помічено, що константа, що стоїть у формулі Вебера для електромагнітної сили, дуже близька до швидкості світла c [20]. Тобто, вже у формулі Вебера, задовго до Максвелла, можна було прочитати, що електричні дії переносяться зі швидкістю світла, звідки один крок до ідеї електромагнітних хвиль і електромагнітної природи світла. Рітц показав строго, що саме кінцева світлова швидкість c викиду частинок, що переносять впливу, і створює магнітні, індукційні ефекти і визначає швидкість електромагнітних хвиль. Тоді як в електродинаміки Максвелла все з точністю навпаки: швидкість перетворення електричного обурення в магнітне визначає швидкість поширення електромагнітних хвиль. І знову ж таки, немає жодної вказівки на те, що задана ця швидкість перетворення електричних збурень в магнітні і назад.
Таким чином, не було ніякого резону віддати перевагу електродинаміку Максвелла колишньої електродинаміки Вебера-Гаусса. Ось чому спочатку теорія Максвелла була відкинута науковим співтовариством і довгий час не визнавалася. І тільки відкриття електромагнітних хвиль Герцем принесло їй визнання в 1888 р Однак, електромагнітні хвилі, як показав Рітц, виходили і в колишньої електродинаміки Вебера-Гаусса. Таким чином, протиріччя теорії Максвелла досвіду Майкельсона і іншим дослідам варто було б витлумачити як підтвердження колишньої електродинаміки Вебера-Гаусса, де працював галилеевский принцип відносності, і де уточнювалися принципи ньютонівської механіки, нехтувати швидкістю поширення впливів. Саме про це і говорив Рітц на початку XX століття, коли наука стояла на роздоріжжі.
Але замість того, щоб піти цієї класичної дорогою, наукове співтовариство вибрало ризикований шлях Ейнштейна, який пропонував, всупереч логіці, зберегти максвеллову електродинаміку, відкинувши класичну механіку. Розглянемо, для прикладу, як по теорії відносності пояснювали досвід Кауфмана. У цьому досвіді було виявлено, що швидкі електрони поводяться зовсім не так, як їм наказувала електродинаміка Максвелла. Рухаючись в електричному полі, електрони відхиляються на кут, менший розрахункового [4]. Оскільки відхиляє дію електродів характеризується прискоренням a = F / m, яке повідомляє електрону маси m електрична сила F, то Ейнштейн витлумачив це не так, що є хибною електродинаміка Максвелла, яка передбачає одну і ту ж величину сили, незалежно від швидкості, а так, немов помилкова класична механіка, в якій маса m - постійна. Розбіжність відхилення і пропорційного йому прискорення a = F / m з розрахунковим викликано, по Ейнштейну, збільшенням маси електрона при зростанні його швидкості. Хоча, як легко зрозуміти, немає ніяких причин до такого збільшення маси. Більш того, це суперечить всьому нашому досвіду і визначення маси як кількості матерії, яке повинно зберігатися за законом, відкритої Лавуазьє і Ломоносовим. Навіть самі фізики-ядерники вже усвідомлюють суперечливість поняття зростаючої маси: по теорії відносності маса тіла залежить не тільки від швидкості, але і від її напрямки по відношенню до сили [10]. Тобто, навіть при заданій швидкості масу не можна вважати однозначно певної величиною: виникає індетермінізм. Рітц запропонував більш просте пояснення: відміну відхилення або прискорення a = F / m від розрахункового викликано зміною сили F, що діє на електрон, що рухається, при його незмінній масі m. Така зміна сили не тільки цілком природно (наприклад, сила Лоренца і аеродинамічні сили залежать від швидкості), але і очікувано, оскільки облік кінцевої швидкості поширення впливів, що мають світлову швидкість, як показав Рітц, як раз повинен вести до зміни сили і прискорення саме на ту величину, яка була зафіксована в досвіді Кауфмана [15]. Тобто досвід Кауфмана ще раз виявив некоректність максвелловой електродинаміки і неприпустимість нехтування кінцевою швидкістю поширення впливів.
Як показав Рітц, не менш важливо враховувати кінцеву швидкість і для гравітаційних впливів, запізнювання яких також повинно змінювати гравітаційні сили. І дійсно, хоча на протязі двох століть вчені спокійно користувалися механікою Ньютона і його законом всесвітнього тяжіння, з величезною точністю пророкуючи положення планет і навіть "відкриваючи на кінчику пера" нові планети з спостережуваних збурень, до кінця XIX століття стало зрозуміло, що ці закони не цілком точні. При дослідженні руху Меркурія було з'ясовано, що його орбіта повертається (перигелій зміщується) трохи швидше, ніж випливає з розрахунків [22]. Рітц ще в 1908 р показав, що це пов'язано як раз з неврахованої швидкістю поширення гравітаційних впливів, причому якщо прийняти цю швидкість дорівнює швидкості світла, то викликане запізненням зміна сили якраз призведе до спостережуваних пертурбацій в русі Меркурія. Так само Рітц передбачив на основі цієї гіпотези зміщення перигелиев інших планет - Венери і Землі, в подальшому підтверджені [22].
Однак і тут вчене співтовариство рушило не по такому природному шляху, який слідував з неминучого уточнення ньютонівської механіки, а по шляху Ейнштейна, який, знову ж таки без всяких підстав, став формулювати нові постулати. З них випливало викривлення простору масивними тілами, що призводило до зміни темпу плину часу і додатковим збурень в русі планет. З цієї загальної теорії відносності Ейнштейн отримав в 1915 р, через сім років після Ритца, той же висновок для усунення перигелію Меркурія. Таким чином, і тут не було ніякого резону віддати перевагу шлях некласичної механіки історично зумовленого класичним шляхом. Суперечності і неточності класичної механіки, що призвели до кризи, не вивчалися як годиться, з усією ретельністю, а чисто формально усувалися, нейтралізувалися штучними постулатами. Новими помилками прагнули компенсувати старі, замість того, щоб їх виправити. Ось чому є всі підстави стверджувати, що теорія відносності була виходом із кризи, а вихід слід було шукати на шляху, відкритому Рітцем, глибоко вивчив давно виявлені проблеми механіки Ньютона і просто уточнити її, відкинувши ідеалізацію миттєвого дальнодействия, відповідно змінивши електродинаміку і теорію гравітації.
Отже, Рітц не обмежився, як Максвелл або Ейнштейн, зовнішнім описом електродинамічних і гравітаційних явищ, а спробував вникнути в їх суть, встановити їх мікроскопічні, атомистические причини. Припустивши існування матеріального посередника у вигляді частинок, що випускаються зарядами, Рітц не тільки проклав шлях майбутнім фізикам (за його задумом Дірак, Уілер і Фейнман розробили обмінні моделі взаємодії: заряди взаємодіють за допомогою обміну віртуальними частками), але і пов'язав фізику з минулим, з глибокими поглядами древніх філософів-атомистов. Ще в Стародавній Індії філософ-атомист Кáнада вчив, що світ переносять найдрібніші частинки, що випускаються тілами [23, 24]. Цю ж точку зору відстоювали в Стародавній Греції Емпедокл, Левкіпп, Демокріт, Епікур, причому вони вважали, що і електричні, магнітні і гравітаційні впливу надає насправді потік частинок, що вилітають з тіл [20, 21], як це докладніше показано в поемі " Про природу речей "давньоримського популяризатора їх навчань Лукреція [25]. Крім того, схоже, тієї ж точки зору дотримувалися і такі видатні мислителі давнини як Фалес і Піфагор. Саме Фалесу приписують перші дослідження і опису електрики і магнетизму [21]. Причому він пояснював ці дії виходить із магнітів і натертого бурштину "душею". Якщо врахувати, що під душею стародавні часто мали на увазі тонкі субстанції, випаровування тел, що складаються з дрібних частинок, то ця точка зору Фалеса теж цілком відповідає більш пізнім і більш обґрунтованим поглядам Ритца і Томсона. І в подальшому багато фізиків-класики, що заклали фундамент оптики, вчення про електрику, магнетизм і гравітації (Альхазен, У. Гільберт, П. Гассенді, Г. Галілей, І. Кеплер, І. Ньютон, Г. Лесаж [20-22] ), дотримувалися саме такої точки зору на природу світла, електромагнітних і гравітаційних впливів. Таким чином, шлях виходу з кризи, запропонований Рітцем, був історично і науково обгрунтований, він був продовженням лінії розвитку класичної фізики шляхом атомізму.
А головне, в рамках такої гіпотези про загальний переносника всіх типів впливів (світлових, електромагнітних і гравітаційних) у вигляді елементарних частинок, що розлітаються зі швидкістю світла, відкривався простий і природний шлях до побудови єдиної теорії поля, яку марно намагався побудувати Ейнштейн, і яка до досі не завершена. Проблеми, що відкрилися при створенні такої єдиної теорії, пов'язані саме з неадекватним, зовнішнім, описовим уявленням про природу. Тоді як Рітц вже в своїй роботі 1908 р звів воєдино електричне, магнітне і гравітаційне вплив [15]. А на основі його моделі будови атомів і ядер вдається звести до електромагнітного і ядерне сильне, а також слабка взаємодія, що вже частково було зроблено в роботах Ритца [9]. Таким чином, труднощі, які виникли в некласичної фізики при побудові єдиної теорії поля, також можна вважати підтвердженням того, що вона не була справжнім виходом з кризи, і рішення було шукати на шляху класичних атомистических теорій, як пропонували Рітц і Томсон.
3. Коріння квантової фізики і альтернативні концепції
На початку XX століття криза торкнулася не тільки електродинаміку і оптику, але і термодинаміку, а також вчення про будову атома. Для розв'язання цієї кризи вченим довелося ще сильніше переглянути основи класичної механіки, але вже не в області великих швидкостей і енергій, а в області малих швидкостей, енергій і масштабів. Зародився цей криза знову ж в оптиці, при аналізі спектра випромінювання абсолютно чорного тіла. Справа в тому, що передбачений на основі класичної механіки, термодинаміки і електродинаміки спектр абсолютно чорного тіла не відповідав реально виміряного. Згідно з розрахунками, спектр слід описувати формулою Релея-Джинса, по якій інтенсивність випромінювання збільшувалася із зростанням частоти [5]. Ця формула добре працювала в області низьких частот, але суперечила спостереженнями в області високих частот. А при нескінченному збільшенні частоти потужність випромінювання повинна була нескінченно наростати, так що тіла світилися б безмірно яскраво в ультрафіолетовій частині спектру, і миттєво б холоднішими за рахунок цього випромінювання. Ця проблема, що отримала назву ультрафіолетової катастрофи, ще більше посилила кризу фізики.
Вихід з цієї кризи був знайдений в 1900 р Максом Планком, який запропонував гіпотезу квантів, по якій енергії E осциляторів - тих, хто вагається електронів не можуть мати довільних значень, а жорстко пов'язані з частотою f їх коливань за формулою E = hf, де h - фундаментальна константа, названа постійної Планка. Ця проста гіпотеза дозволяла не тільки усунути ультрафіолетову катастрофу, а й теоретично розрахувати вид теплового спектру, описуваний формулою Планка і точно відповідний експериментально виміряним. У самій гіпотезі Планка, як він неодноразово наголошував, ще не було нічого, що суперечило б класичній механіці і електродинаміки. Справді, оскільки випромінюють електрони перебувають в атомі, механізм якого поки ще не був відомий, цілком могло виявитися так, що енергії їх коливань певним чином залежать від частоти їх обертання або коливань. Подібну залежність ми спостерігаємо у планет Сонячної системи, періоди обертання яких підпорядковуються 3-му закону Кеплера. Тобто частота обертання планети навколо Сонця жорстко пов'язана з радіусом орбіти, а значить і зі швидкістю, енергією обертання планети.
Якщо врахувати, що саме так і стали представляти атом через десяток років в планетарної моделі Е.Резерфорда (електрони крутяться по кругових орбітах біля ядра під дією його кулонівського тяжіння), то такий зв'язок E і f була б тільки природна. Те, що цей зв'язок в моделі Резерфорда виходила б іншою, ніж E = hf, не настільки принципово і говорить лише про те, що модель потребує виправлення, а сама зв'язок E і f, в принципі, може виникнути в рамках класичної механіки, треба лише знайти підходящу модель атома. Те, що планетарна модель атома Резерфорда помилкова, слід також з того, що вона не могла пояснити стабільність атома: крутяться по орбітах електрони, втрачаючи при випромінюванні енергію, поступово звужували б витки орбіти і падали б на ядро. Це суперечить і формулою Планка E = hf, з якої видно, що зі зменшенням енергії обертання електрона, частота його звернення f повинна зменшуватися, а не рости, як в планетарної моделі атома.
Нестабільність атома Резерфорда ще більше загострила кризу фізики. Вихід з кризи був знайдений А. Ейнштейном і М. Бором. Ейнштейн по-своєму інтерпретував залежність E = hf, припустивши, що вона означає не просто пропорційність енергії осцилятора його частоті, але що вся ця енергія випромінюється відразу, у вигляді цілої порції E = hf, та й поглинається ця енергія відразу такий неподільної порцією-квантом : саме так Ейнштейн пояснив фотоефект. А Бор розвинув цей висновок Ейнштейна, застосувавши його до моделі Резерфорда: раз електрони не можуть випромінювати безперервно, а випромінюють енергію лише порціями, то вони вже не стануть поступово падати на ядро, а повинні рухатися по стаціонарних орбітах без випромінювання. Лише в момент випромінювання електрон стрибком змінює орбіту, випромінюючи відповідну порцію енергії. При цьому, оскільки енергія електронів квантована, їх стаціонарні орбіти можуть мати лише певні радіуси. Цим же були пояснені дискретні лінійчатих спектри атомів: кожній лінії, кожній частоті в діапазоні відповідав певний перехід електрона з однієї стаціонарної орбіти на іншу, з випромінюванням певної енергії, жорстко пов'язаної з частотою випромінювання. Тим самим, здавалося б, була вирішена ще одна проблема класичної фізики, для якої дискретний характер атомних спектрів довгий час представлявся загадковим. Таким чином, вихід з цієї кризи фізики, на перший погляд, теж був знайдений, хоча й дорогою ціною: ціною відмови від принципів класичної механіки та електродинаміки, де енергія змінюється і випромінюється безперервно.
Але і цей вихід, якщо задуматися, чи не був реальним виходом, оскільки йшов врозріз з логікою наукового розвитку. Адже проблеми і криза були пов'язані саме з планетарної моделлю атома, тільки-тільки створеної і тому неперевіреною. Її перевірка, по суті, відразу показала помилковість цієї моделі. Але, так само як у випадку з електродинаміки Максвелла, вчені пішли не шляхом відмови від дискредитованої новоспеченої теорії, а по шляху відхилення перевіреної століттями і нічим не провинилася класичної механіки. Прагнення зберегти, всупереч всім фактам, помилкову електродинаміку Максвелла призвело до появи формального узгоджувального ланки у вигляді теорії відносності і релятивістської механіки, яка каже помилковість класичної механіки в області великих швидкостей. А прагнення зберегти помилкову планетарну модель атома привело, в кінцевому рахунку, до створення квантової фізики і квантової механіки, яка каже помилковість класичної механіки в разі малих швидкостей і масштабів.
Таке прагнення Нільса Бора врятувати, у що б то не стало, планетарну модель Резерфорда, колишнього його вчителем, цілком зрозуміло. Але ось як з цим виходом могло погодитися наукове співтовариство, не цілком ясно. Тим більше що від планетарної моделі наука все одно в підсумку відмовилася, хоча виникла через неї квантова фізика збереглася. По суті, квантова фізика, так само як релятивістська механіка, що не усувала протиріччя, що призвели до кризи, а лише приховувала їх за допомогою формального прийому, який дозволяв якийсь час отримувати згодні з досвідом результати. Коли знову починали виникати розбіжності з досвідом, фізики вигадували нові постулати, вводили нові, логічно, фізично і інтуїтивно нічим не підкріплені гіпотези для усунення протиріч. В результаті квантова фізика пройшла кілька етапів таких штучних "удосконалень" [5]. Багато в чому це нагадує побудова Птолемєєвськая геоцентрической теорії руху планет, де поступово і без всяких підстав довільно додавалися все нові епіцикли, щоб отримати згідне з досвідом зовнішнє опис видимого руху планет на небосхилі. Так само і в квантовій механіці вводилися все нові гіпотези, квантові числа, немов епіцикли характеризують рух електронів навколо ядра, приймалися правила заборони Бора. І аж до наших днів все множиться купу нічим не підкріплених гіпотез, наприклад про кварках. Однак кількість протиріч у квантовій моделі світу не убуває, а множиться ще швидше. І тепер уже самі фізики не приховують того, що вони не можуть зрозуміти, як реально влаштовані елементарні частинки і навіть ядра атомів. Таким чином, квантова фізика, так само як теорія відносності, не вирішувала проблем, що призвели до кризи, а лише формально їх обходила, відклавши їх рішення на пізніший час. В результаті проблеми лише розросталися.
А правильний і логічний вихід з кризи, що диктуються всією історією розвитку фізики, полягав у встановленні кореня протиріч, у вивченні реального будови атома і побудові такої його моделі, яка могла б пояснити все відкриті закономірності в рамках існуючих теорій, в тому числі, в рамках класичної механіки та електродинаміки. Саме таким шляхом і пішов спочатку Планк, який довгий час, аж до 1920-х років, просив фізиків дуже обережно поводитися з гіпотезою квантів, нагадував, що кванти не можна розуміти як порції енергії, які можуть окремо переміщатися в просторі. Планк завжди вважав, що гіпотеза квантів цілком сумісна з класичною фізикою. І дійсно, зв'язок частоти коливань електрона з його енергією може бути реалізована в класичній моделі атома [9]. Більш того, така класична зв'язок легко пояснює фотоефект. Якщо світло частоти f падає на метал, то, завдяки резонансу, світло ефективно діє лише на електрони, що коливаються на тій же частоті f, і, розгойдуючи їх, змушує вилітати з атома і металу зі збереженням кінетичної енергії E = hf. Таким чином, за твердженням Планка, енергія фотоелектронів укладена зовсім не в світлі, а в самому металі, в його атомах, тоді як дія світла лише ініціює виліт електронів, подібно іскрі, що підриває бочонок з порохом [26]. Це відразу класично пояснювало безінерційність фотоефекту і інші його загадкові властивості, які, на перший погляд, суперечили класичній фізиці.
Отже, при вивченні законів, пов'язаних з поведінкою таких малодосліджених об'єктів як атоми, набагато природніше було не міняти і формально пристосовувати класичну механіку до спостережуваних законам, але вивчати самі атоми, їх структуру. Саме за таким класичним шляхом пішли багато фізиків, такі як М. Планк, Дж. Томсон, І. Штарк, Ф. Ленард, В. Рітц. Так, Томсон показав, що атом має являти собою не динамічну, а статичну систему, завдяки чому атом виходив стабільним в рамках класичної механіки. І дійсно, Томсон привів конкретні приклади, в яких системи багатьох зарядів або магнітів утворювали стабільні системи зі стандартною структурою і розмірами [21]. Так, Томсон посилався на досліди А. Майера, в яких набір однакових магнітних поплавців утворював стійкі конфігурації біля центрального магніту (аналога атомного ядра). Причому магніти розташовувалися концентричними кільцями. Саме це наштовхнуло Томсона на думку, що і електрони можуть розташовуватися в атомі окремими оболонками, і послідовне їх заповнення пояснює структуру таблиці Менделєєва, де кожен період пов'язаний із заповненням електронами певної оболонки. Так що ця думка про електронні оболонках атома вперше природно виникла саме в класичній моделі атома. Тоді як у квантовій, боровськой моделі атома оболонки виходили довільно, штучним введенням квантових чисел, за допомогою нічим не обгрунтованих гіпотез і формальних прийомів. Таким чином, якщо класична теорія атома будувалася обгрунтовано, в прагненні пізнати структуру атома, то квантова фізика пропонувала безліч нічим не підкріплених і навіть суперечать здоровому глузду гіпотез, виключно для того, щоб дати зовнішнє, поверхневе, формальний опис властивостей атома.
Ще менш відома класична модель атома, вперше який пояснив спектр водню, лужних металів і навіть передбачила нові спектральні лінії, згодом відкриті. Ця модель була запропонована Вальтером Рітцем, який, так само як Томсон, вважав, що атом містить якесь ядро, складене з впорядковано розташованих частинок, що утворюють свого роду ланцюга і кристали [9, 15]. Електрони можуть розташовуватися у вузлах цієї кристалічної решітки, а при коливаннях в її магнітному полі генерують саме ті частоти, які відповідають частотам в спектрі водню і інших атомів. Таким чином, не Бор, а саме Рітц побудував вперше модель атома, яка пояснювала дискретні спектри атомів [27], причому ця модель була класичною (Бор і не приховував, що поклав в основу своєї теорії формулу Ритца, отриману в рамках класичної моделі атома [ 5]). Виходить, дискретний характер атомних процесів і атомних спектрів підтверджує не дискретну структуру енергії, а дискретну структуру матерії, атома, утвореного із багатьох впорядковано розташованих частинок. А Бор лише переклав вже відкриті Томсоном і Рітцем закономірності на квантовий мову, хоча в цьому й не було вже ніякої потреби, раз вони легко виходили в рамках звичної класичної фізики, без будь-яких радикальних, нічим не підкріплених і суперечать здоровому глузду гіпотез.
Як показав Рітц, а після нього і Штарк, така класична модель атома легко могла пояснити ефекти Зеемана і Штарка, тобто зміни спектрів атомів в магнітному і електричному полі. Відбувалося лише зміщення електронів від положень рівноваги в цих полях і зміна частоти коливань під дією накладеного поля, спотворює внутрішньоатомний поле, в якому коливалися електрони. Але і цей класичний висновок переінакшили пізніше на квантовий лад за допомогою теорії збурень.
Таким чином, численні успіхи некласичної науки і конкретно квантової фізики реально належали фізикам-класикам, який отримав відповідні закономірності в рамках класичної моделі атома і класичної фізики. Іноді при аналізі кризи фізики початку XX століття згадують ще одне явище: зниження молярної теплоємності твердих тіл і газів при охолодженні [5]. Цей експериментально відкритий результат, здавалося, суперечив класичної термодинаміки, де на основі молекулярно-кінетичної теорії виходило, що теплоємність при постійному об'ємі не повинна залежати від температури, як стверджував закон Дюлонга-Пті. Це протиріччя з досвідом усунула квантова теорія, в якій врахували, що енергія коливних атомів квантів, тобто, приймає дискретний ряд значень і не може бути нижче певного граничного значення. Тому при зниженні температури, коли енергія теплових коливань атомів стає нижче цього граничного значення, вони перестають коливатися і вже не дають вкладу в теплоємність, від чого вона знижується. Однак і тут ніяк не можна погодитися з подібним виходом з кризи. Справа в тому, що висновок про сталість теплоємності був отриманий в класичній теорії з урахуванням ряду спрощень, ідеалізацій, в рамках яких цей висновок був справедливий. Тому усувати протиріччя слід не по дорозі корінного перегляду положень класичної механіки, а по шляху уточнення класичної теорії, де довелося б врахувати взаємодії між атомами, а також їх кінцеві розміри [9].
Приблизно так в кінці XIX століття з'ясувалося, що рівняння Клапейрона-Менделєєва для опису стану ідеального газу має лише обмежену придатність і перестає виконуватися при певних умовах, наприклад, при низьких температурах.Але ситуація була легко виправлена без корінної ломки уявлень, а лише шляхом уточнення грубої моделі ідеального газу. Після того, як врахували кінцевий розмір молекул і їх взаємодії, було отримано вже багато кращу відповідність теорії спостереженнями в рамках закону Ван-дер-Ваальса. Зауважимо, що вже цей простий закон передбачає відхилення теплоємності від класичного значення, причому теплоємність теж залежить від температури. Таким чином, і в інших випадках при аналізі теплоємності адекватний результат може бути отриманий в рамках класичної теорії, якщо відмовитися від ідеалізації і уточнити теорію. У той же час квантова теорія пішла по шляху чисто формального усунення проблем. Те ж саме можна сказати про квантової теорії електропровідності і про інші проблеми класичної фізики, що призвели до потужного кризи. У всіх таких випадках рішення і виходи з кризи, запропоновані квантовою механікою, не можна вважати логічно обґрунтованими і строгими. Ось чому в XX столітті проблеми фізики з часом не зменшувалися, а лише множилися. І в даний час вже в квантовій фізиці накопичилося стільки протиріч, що їх число багаторазово перевищує число протиріч колишньої класичної фізики. Тому вихід з кризи слід шукати на шляху уточнення колишніх класичних моделей, на шляху розкриття реальних причин кризи та визначення реального пристрою атома, а не на шляху формального опису спостережень, за допомогою все множимо суперечливих гіпотез. Тобто, і квантову фізику не можна вважати справжнім виходом з кризи початку XX століття.
4. Історичні передумови визнання некласичної фізики
Вище було показано, що некласична фізика, що включає теорію відносності і квантову фізику, чи не була реальним виходом з кризи, не вирішувала проблем, які породили цю кризу, а лише формально усувала, обходила їх. Виникає питання, чому ж, незважаючи на все це, наукове співтовариство пішло саме за таким протиприродного шляхи виходу з кризи? Крім того, на перший погляд, абсолютно незрозуміло, чому некласична фізика все ж працює до цих пір, чому яскраво не виявилася її суперечливість, як у випадку з класичною фізикою?
На останнє запитання відповісти легко. З самого початку некласична фізика будувалася так, що вводилися протиприродні, ні на чому не засновані гіпотези для узгодження теоретичних передбачень з досвідом. Коли знову виникало розбіжність з теорією, її відхиляли, а вигадували додаткові, ще більш абсурдні гіпотези, формально усувають протиріччя. Зрозуміло, що, вводячи достатню кількість гіпотез, до того ж, якщо немає ніякого обмеження в їх виборі, можна пояснити будь-яку сукупність явищ. Тому не могло виникнути такого протиріччя, яке б змусило відмовитися від теорії: ледь воно виникало, придумували нові гіпотези (аналогічно введенню нових епіциклів в геоцентричної системі). У цьому сенсі класична фізика мала менше ступенів свободи: фізики-класики сильно обмежували себе, вважаючи за можливе приймати лише обмежену кількість гіпотез, причому природних, інтуїтивно зрозумілих і очевидних, а також дослідно обґрунтованих. У класичній фізиці протиріччя не можна було усувати формальним прийомом, проблему завжди потрібно вирішити строго. Тому в класичній фізиці криза була дуже гострим.
У той же час в некласичної науці гостру кризу в принципі не може розвинутися, оскільки він був би відразу усунутий за допомогою нових гіпотез. Те, що такі гіпотези, і справді, регулярно додавалися, ще раз доводить, що некласична фізика не розкриває глибинне пристрій світу, і являє собою не мікроскопічну, а лише феноменологічну теорію, що дає тільки зовнішнє, формальне опис явищ, без розуміння їх причин і суті . Це пояснює, чому більшість явищ, відкритих в XX столітті, що не були передбачені ні теорією відносності, ні квантовою фізикою, які, пропонуючи лише зовнішнє опис, не мали самий корінь сили в плані відкриття нових феноменів, і лише заднім числом пояснювали їх, шляхом залученням нових гіпотез. Саме так, без допомоги некласичної фізики були відкриті надпровідність, надтекучість гелію, властивості синхротронного випромінювання, весь набір елементарних частинок і космічних об'єктів. Так само і багато приладів, про які говорять, ніби вони були створені лише завдяки застосуванню некласичної фізики, реально були побудовані без її допомоги і навіть всупереч її догматам і прогнозами. Досить навести як приклад історію Н.Г. Басова, який при створенні мазера звертався до багатьох видатним фахівцям з квантової теорії, і всі вони в один голос заявляли, що мазер не повинен працювати з квантової теорії [28]. Так само і Т. Мейман побудував перший лазер, за його словами, не завдяки, а, швидше, всупереч ідеям і принципам вчених, що займалися квантової теорії. Однак, після того як мазер і лазер були створені, їх оголосили тріумфом квантової теорії і назвали квантовими генераторами, хоча початково вони створювалися і працювали за класичними законами і всупереч квантової теорії. Те ж саме можна сказати про прискорювачах, про атомні станції. Біля витоків їх створення, біля витоків відкриття ядерних реакцій стояли фізики-класики, в тому числі Е. Резерфорд і Ф. Содді, які скептично ставилися до теорії відносності. Тому твердження про те, що сучасні прилади і феномени підтверджують некласичну фізику, не цілком правомірно.
Передбачувальна сила у всіх некласичних феноменологических теорій є лише в тих рамках, в яких вони були розроблені. Так само, як теорія Птолемея, вони пояснювали тільки те, для чого їх придумали, і не могли передбачити нічого нового. Успішність же пророкувань всередині обмеженого кола явищ, під який ці теорії підганялися, пояснюється тим, що їх формальний апарат містив вірні співвідношення між що спостерігаються величинами, причому ці співвідношення могли бути отримані і в інших теоріях, в тому числі в класичних. Різниця полягала лише в тому, які величини вважали фіксованими, а які змінними. Так, в теорії відносності для інтерпретації досвіду Кауфмана вважали фіксованою силу F, а змінної масу m, а в класичній, навпаки, сила F змінювалася, а маса m була фіксована, проте співвідношення їх a = F / m, яке власне і вимірювалося в досвіді , виявлялося однаковим в обох теоріях. Приблизно так і теорія Птолемея передбачала майже ті ж відносні положення планет на небосхилі, що і теорія Коперника, але якщо геоцентрична теорія фіксувала положення Землі і вважала змінним положення Сонця, то геліоцентрична теорія Коперника, навпаки, фіксувала координати Сонця, а Землю вважала рухається навколо нього . Таким чином, працездатність некласичних теорій пов'язана виключно з тим, що в них використовуються ті ж математичні співвідношення, що і в класичній теорії, хоча розуміються ці співвідношення зовсім інакше. І характерно, що ряд таких співвідношень було отримано вперше саме в класичній фізиці, а потім вже запозичений квантової і релятивістської фізикою. Саме так некласична фізика запозичила у фізиків-класиків спектральную формулу водню і комбінаційний принцип Рітца, співвідношення Планка E = hf і співвідношення E = mc 2, отримане вперше Томсоном, Лоренцем і Хевісайдом в рамках класичних теорій і має зовсім інший зміст, ніж в теорії відносності .
Залишається питання про те, чому ж фізики пішли по шляху некласичної фізики і відмови від фізики класичної, хоча, як було показано вище, такий шлях не був ні найпростішим, ні самим природним. Справа в тому, що розквіт і визнання некласичної фізики припали на епоху смутного часу 1910-1920 рр., Коли світ переживав серйозні потрясіння у вигляді Світової війни, голоду, кризи і Жовтневої революції в Росії. Це було в буквальному сенсі смутний час, час безвладдя не тільки в світі, але і в науці. У зв'язку з війною наука перебувала в занедбаному стані, вона погано фінансувалася, наукові школи розпадалися, вчені були розрізнені і розгублені. І в цей смутний час прийти до влади теоретично могла будь-яка теорія. Ось чому без особливих зусиль і без достатніх підстав була визнана некласична фізика у вигляді теорії відносності і квантової фізики. Вони не зустріли належного опору і критики з боку фізиків-класиків, хоча окремі голоси протесту і лунали. До того ж багато хто сприймав ці революційні концепції як історичну необхідність, як свіжі віяння, змітають разом з усталеним світовим ладом і патріархальну класичну концепцію. Багато фізиків розглядали ці некласичні теорії як тимчасові, в надії, що поступово все проясниться, і ці теорії або знайдуть класичну інтерпретацію, або їм буде знайдена заміна на основі строгих класичних поглядів. Але минав час і протиріччя, розбіжності нових теорій з класичною фізикою тільки поглиблювалися. Коли ж ситуація в світі більш-менш стабілізувалася, і фізики в 1920-х роках схаменулися, почавши вказувати на необгрунтованість прийняття некласичних концепцій, було вже пізно. Некласичні концепції, прийняті лише як тимчасові, міцно закріпилися в науці, так що їх критика стала сприйматися мало не як ретроградство, як ознака відсталості і нездатності сприйняти нові фізичні концепції. Так що подібна критика часто не допускалася на сторінки наукових журналів.
Перетворилося і саме наукове співтовариство: провідні фізики-класики або померли, або відійшли від справ, багатьох фізиків наука втратила в ході світових воєн і потрясінь. Так російська інтелігенція була в значній частині фізично знищена в роки Революції, емігрувала або померла голодною смертю. У підсумку, на зміну фізикам-класикам прийшло нове покоління фізиків з перекрученими уявленнями про світ, вихованими на ідеях некласичної фізики. Як сказав Планк: "Зазвичай нові наукові істини перемагають не так, що їх противників переконують і вони визнають свою неправоту, а здебільшого так, що противники ці поступово вимирають, а підростаюче покоління засвоює істину відразу". А ті деякі фізики-класики, хто вижив, намагалися взагалі не подавати голосу і не висловлювати своїх поглядів. Вони лише жалкували, що не втекли з життя раніше. Ось як сказав про нову фізики Г. Лоренц в 1924 р .: "Де ж істина, якщо про неї можна робити взаємно виключають одна одну твердження? Чи здатні ми взагалі дізнатися істину і чи має сенс взагалі займатися наукою? Я втратив впевненість, що моя наукова робота вела до об'єктивної істини, і я не знаю, навіщо жив; шкодую тільки, що не помер п'ять років тому, коли мені все ще уявлялося ясним ... Натомість ясних і світлих образів виникає прагнення до якихось таємничих схемами, що не підлягає чітке уявлення ".
І дійсно, сучасну некласичну фізику відрізняє, перш за все, еклектичність її поглядів. Наприклад, як було показано вище, перший і другий постулати теорії відносності, по суті, суперечать один одному, звідки і виникають всі парадокси СТО [6, 7, 9]. Ще більш суперечливий корпускулярно-хвильовий дуалізм квантової механіки, по якій частку можна одночасно розглядати як хвилю. У некласичної фізики відкидаються такі фундаментальні поняття як детермінізм явищ природи і принцип причинності. Причому такий еклектизм, як зауважував В.І. Ленін [12], часто видається за діалектику, за допомогою підміни понять. Квантова механіка нібито створює більш загальну цілісну картину світу, хоча на ділі вона просто змішує суперечать один одному поняття. Ленін же відзначав, що в некласичної фізики сильна тенденція підміняти фізику математикою: "матерія зникає, залишаються лише рівняння" [29, 30]. Тобто вже при зародженні некласичної фізики були добре видно її ідеалістичні тенденції, чужі духу матеріалістичної науки. Ці тенденції ще яскравіше проявилися в подальшому - в космології, в теорії Великого вибуху (придуманої священиком Ж. Леметром і, по суті, повернула науку до біблійним байкам про створення світу), у фізиці елементарних частинок. Причому багато фізиків, засновники некласичної фізики вже тоді не приховували своїх ідеалістичних поглядів, як зазначає С.І. Вавилов [30]. Таким чином, незважаючи на те, що восторжествувала некласична фізика, її перемога не була обумовлена ні фізичними, ні логічними, ні філософськими причинами, але лише історичною ситуацією, ланцюгом випадковостей і помилок.
5.Висновки
Отже, на закінчення можна сказати, що криза фізики початку XX століття і справді мав серйозні теоретичні і експериментальні причини і був пов'язаний з недосконалістю класичної картини світу. Однак ці проблеми пояснювалися ошибочностью класичної картини світу, а її неповнотою, її ідеалізації і спрощеннями, ходили в фізиці ще з часів Ньютона (коли вони були природні і необхідні), а також недосконалістю уявлень про структуру матерії, атома, про структуру і природу електромагнітного і гравітаційного полів. Тому найбільш природний вихід з кризи полягав би в усуненні ідеалізацій і більш глибоке опрацювання картини світу. Адже вся історія розвитку фізики показує, що вчені будують спочатку наближену модель явищ, дають спрощене опис в рамках деяких ідеалізацій (модель планет у вигляді матеріальних точок, модель ідеально твердого тіла, модель ідеального газу і т.д.), отримуючи рішення лише у вигляді першого наближення. А потім фізики поступово уточнюють це рішення, відмовляючись від ідеалізацій і грубих, спрощених моделей, враховують більшу кількість факторів. Однак при розв'язанні кризи XX століття фізики пішли не з цього закономірного і природного шляху відмови від ідеалізації, а по шляху повної відмови від добре зарекомендувала себе класичної фізики, з нагромадженням замість неї купи суперечливих і нічим не обгрунтованих постулатів і гіпотез. Наукове співтовариство намагалося подолати кризу за допомогою некласичної науки, шляхом формального усунення протиріч і абстрактного, феноменологічного, поверхневого опису явищ. Вчені абстрагувалися від реальної структури атомів, електричного та гравітаційного полів, домовившись описувати їх як "чорні ящики", через зовнішні характеристики з допомогою формальних процедур і правил. Ось чому такий формальний шлях, неточний і обмежений, не можна вважати реальним виходом з кризи.
Більш того, цей шлях виявився на перевірку і не самим логічним, оскільки, по-перше, існували більш прості і послідовні класичні теорії, спрямовані на усунення давно відомих слабкостей і неточностей класичної фізики, а по-друге, наукове співтовариство прийняло некласичну фізику багато в чому заради збереження того, що в результаті все одно довелося відкинути. Так, криза свідчив про хибність концепції ефіру, від якої фізики не бажали відмовлятися і на якій спочатку була заснована теорія Максвелла. І багато хто бачив саме в теорії відносності шлях порятунку ефіру, навіть сам Ейнштейн не заперечив ефір і, по суті, як Максвелл, зберігав його в своїх рівняннях [13]. Однак в підсумку від концепції ефіру все одно відмовилися, що ставить під сумнів і доцільність прийняття теорії відносності. Так само і квантову фізику взяли для того, щоб врятувати планетарну модель атома, щоб позбутися від нескінченностей і расходимостей, до яких приводила класична модель. Однак в ході розвитку квантової фізики все одно відмовилися від планетарної моделі атома: зараз вже не можна говорити, що електрони рухаються по орбітах навколо ядра. А, отже, не було сенсу і в прийнятті квантової теорії. До того ж вона привела до ще більшого числа расходимостей і нескінченностей, хоча б в тепловому спектрі, де, як в класичній фізиці, виходить, що на нескінченній частоті електрони мають нескінченно велику енергію нульових коливань. Тобто некласична фізика не виконала покладених на неї функцій, заради яких її і прийняв наукове співтовариство. Проте на той момент вона вже міцно закріпилася в науці і про ці історичні передумови некласичної фізики забули.
В цілому, прийняття некласичних уявлень, які ламають колишню, міцно усталену класичну картину світу, багато в чому нагадує процес Жовтневої Революції (мала з науковою революцією спільні історичні корені і передумови), що перемогла в епоху безвладдя і під час відсутності серйозного протистояння, коли були в значній мірі винищені або ослаблені носії класичних традицій, дворянство і інтелігенція. Так само і в фізиці восторжествувала не сильно, а сама скандальна, радикальна концепція, геть відкидала класичні підвалини, принципи і тенденції розвитку фізики. Багато відзначали нервову, неспокійну атмосферу того часу, свого роду масовий психоз суспільства, коли цілі народи, спільноти людей і наукові кола легко потрапляли під гіпноз нових, революційних ідей, начисто позбавлених здорового глузду. Цьому сприяли і відкриті в 1910-1920 рр. деякі експериментальні факти, наприклад, викривлення світлових променів біля Сонця, а також відповідність виміряного зміщення перигелію Меркурія з розрахунком загальної теорії відносності. Однак ці ж факти знаходили просте пояснення і в класичній теорії Ритца [9, 15, 22]. Але, за іронією долі, саме в цей час фізики відмовились від теорії Ритца в зв'язку з аналізом подвійних зірок, проведеним Де сіттера. На перевірку аргумент Де Ситтера виявився некоректним, і подвійні зірки, як показали вже тоді Е. Фрейндліх і П. Гутник, як раз підтверджували теорію Ритца [8, 13]. Але їхні аргументи не взяли до уваги, а сам Рітц на той час уже помер і не міг відповісти на критику. Тому всі факти з тих пір стали інтерпретувати однобічно, лише з точки зору теорії відносності. А розвиток всіх альтернативних класичних теорій було призупинено разом з публікаціями по ним, що і дозволило фізикам нового покоління стверджувати, ніби лише некласична фізика здатна пояснити відомі явища.
Так і до сих пір все експериментально встановлені факти вчені інтерпретують лише з позицій квантової фізики і теорії відносності, навіть якщо ці факти початково не вписувалися в рамки цих теорій, не могли бути ними передбачені і навіть суперечили їм. Як вірно зауважує Т. Кун, в рамках сформованої парадигми вже не факти судять теорію і визначають вірна вона чи ні, а вчені судять факти, розглядаючи їх крізь призму своєї теорії, і визначають, чи можуть ці факти увійти в осмислений досвід, інтерпретують їх з точки зору теорії, або відкидають як такі, що суперечать теорії [31]. І дійсно, на даний момент накопичилася величезна кількість фактів, що суперечать некласичної картині світу, але порівняно легко з'ясовних в рамках класичних концепцій, включаючи балістичну теорію Ритца і класичну модель атома [6-9]. Це ще раз доводить, що некласична фізика не усунула криза, але лише відстрочила його на невизначений час. Якщо провести аналогію, то криза фізики можна порівняти з тріщиною в стіні, яку, замість того, щоб ліквідувати, усунувши причину розростання тріщини, просто замазали, зафарбували по поверхні тонким шаром шпаклівки і фарби. І якщо через кризу будівлю фізики потребувало капітального ремонту, то некласична фізика, запропонувавши формальне поверхневе усунення проблем, була, по суті, лише косметичним євроремонтом, при якому дефекти не усували, а закривали від очей накладними настінними панелями, натяжними стелями і наливними статями, в формі штучних постулатів і додаткових узгоджувальних гіпотез. Тому найближчим часом можна очікувати, що будівля фізики знову затріщить, і криза вибухне з ще більшою силою, а дозволити його можна буде лише в рамках класичної фізики, через розтин глибоко прихованих протиріч, які і призвели до кризи початку XX століття.
література:
1. Максвелл Дж.К. Вибрані твори з теорії електромагнітного поля. М .: Техтеорігіз, 1952.
2. Еренфест П. Відносність, кванти, статистика. М .: Наука, 1972.
3. Філоновіч С.Р. Найбільша швидкість. М .: Наука, 1983.
4. Завельскій Ф.С. Маса і її вимір. М .: Атомиздат, 1974.
5. Франкфурт У.И., Френк А.М. Біля витоків квантової теорії. М .: Наука, 1975.
6. Дьомін В.М., Селезньов В.П. До зірок швидше за світло. Російський космізм вчора, сьогодні, завтра. М., 1993.
7. Дьомін В.М., Селезньов В.П. Всесвіт осягаючи ... М., Молода Гвардія, 1989.
8. Fox JG Evidence Against Emission Theories // American Journal of Physics, V. 33, №1, 1965, p.1. (Див. Переклад на www.ritz-btr.narod.ru)
9. Семіков С.А. Балістична теорія Ритца і картина світобудови. Н. Новгород: Стимул-СТ, 2010 року.
10. Окунь Л.Б. Поняття маси // Успіхи фізичних наук, 1989, Т. 158, вип. 3.
11. Франкфурт У.И., Френк А.М. Оптика рухомих тел. М .: Наука, 1972.
12. Філософський енциклопедичний словник. М .: Радянська енциклопедія, 1989.
13. Martínez A. Ritz, Einstein, and the Emission Hypothesis // Physics in Perspective, 2004, №6, с. 4-28. (Див. Переклад на www.ritz-btr.narod.ru)
14. Паулі В. Теорія відносності. М .: Наука, 1991.
15. Ritz W. Œuvres. Paris, 1911. (див. Переклад на www.ritz-btr.narod.ru)
16. Орлов І. Основні формули принципу відносності з точки зору класичної механіки // Журнал Російського фізико-хімічного товариства Т. XLVI (фіз. Відділ), вип. 4, стор. 163, 1914 р
17. Галілей Г. Вибрані праці. Т.2, М .: Наука, 1964.
18. Ньютон І. Оптика або трактат про відображеннях, заломлення, згинання та кольорах світла. М .: Техтеоргіз, 1954.
19. Нова філософська енциклопедія в 4-х томах. М .: Думка, 2001..
20. Розенбергер Ф. Історія фізики. М.-Л .: ОНТИ, 1936.
21. Льоцци М. Історія фізики. М .: Мир, 1970.
22. Роузвера Н.Т. Перигелій Меркурія від Левер'є до Ейнштейна. М .: Мир, 1985.
23. Мюллер М. Шість систем індійської філософії. М .: Мистецтво, 1995.
24. Бешем А. Чудо, яким була Індія. М., 2000..
25. Тіт Лукрецій Кар. Про природу речей. М .: Художня література, 1983.
26. Мороз О.П. Світло осяянь. М .: Знание, 1980.
27. Пуанкаре А. Про науку. М .: Наука, 1983.
28. Крюков П.Г. Фемтосекундний імпульси. М .: Физматлит, 2008.
29. Ленін В. Матеріалізм і емпіріокритицизм. М .: Політгіз, 1965.
30. Вавилов С.І. Ленін і фізика. М .: АН СРСР, 1960.
31. Кун Т. Структура наукових революцій. М .: Прогрес, 1977.
Дата установки: 04.06.2011
[Повернутися до змісту сайту]
|