Глава 5. Эфир и физический вакуум
реклама
Глава 5. Эфир и физический вакуум Мы отмечали, что становление СТО оказалось тесно связано с утверждением об отсутствии эфира. Но подробное изучение трудов Эйнштейна приводит к выводу о том, что этот вопрос очень мало связан с СТО. В рамках СТО эфир не существует. Означает ли это, что эфира в природе нет вообще. Нет, это не может следовать из СТО именно потому, что в СТО просто нет эфира. Можно утвеждать, что не существует механического эфира; также можно утверждать, что в СТО эфир не нужен. Но это никак не исключает существования в природе электромагнитного эфира Лорентца-Лармора. Кстати, чаще всего Эйнштейн именно так и формулировал свое отношение к эфиру. Последователи Эйнштейна в построении позитивистской картины мира пошли дальше и, фактически, исключили эфир из физики вообще. Идеологической основой для устранения эфира из физики послужила скорее не идеология Маха, а тот экспериментальный факт, что эфир оказался ненаблюдаем. Но для того, чтобы последовательно провести устранение, необходимо было вернуться к идее Демокрита, по которой мир состоит из неделимых частичек и пустоты. Скорее всего, именно эти требования заставили Эйнштейна заняться фотоэффектом. Эти идеи отнюдь не принадлежали Эйнштейну, даже если не вспоминать Демокрита и его последователей. Вот что говорит Хольтон об Оствальде и Махе [28, стр.73] : «Они отвергали понятия, аналогичные понятию эфира, свойства которого были недоступны прямому наблюдению ,.. Все эти требования, за исключением антиатомизма, должны были быть симпатичны молодому Эйнштейну ... Мы можем с полным основанием предполагать, что Эйнштейн чувствовал симпатию к Оствальду, который ... выступал против того, что "предположение о существовании промежуточной среды, эфира, кажется неизбежным ... это дает нам право рассматривать энергию излучения как существующую независимо в пространстве". Такая точка зрения совпадает с той, которая выявилась позднее в статьях Эйштейна 1905 года по фотонной теории и теории относительности». Единственную трудность для перехода к этой картине представлял экспериментальный факт существования электромагнитных волн, а единственной возможностью согласовать пустоту с ними явилась необходимость признать, что свет обладает дуализмом, т.е. является одновременно и волной, и частицей. Нечто подобное уже до Эйнштейна было высказано Дж.Дж. Томсоном [59, 60] , причем Томсон удовлетворительно объяснил интерференцию и дифракцию - т.е. чисто волновые свойства своих частичек света. Но объяснение Томсона лежало в рамках классических представлений и потому было отвергнуто сторонниками новой физики. В рамках СТО дуализм был «последовательно» проведен Эйнштейном, т.е. просто постулирован. Пользуясь этим представлением, Эйнштейн сумел объяснить особенности экспериментальных данных по фотоэффекту, что, как и в случае с СТО, явилось поддержкой позитивистской философии. И хотя в дальнейшем оказалось, что фотоэффект можно объяснить и не прибегая к понятию корпускулы , вплоть до наших дней утвердилось мнение, что фотоэффект однозначно свидетельствует о корпускулярности света. Таким образом, позитивисты довольно последовательно провели идею отсутствия эфира: дуализм волна-частица был признан наблюдаемым, но необъяснимым свойством квантов света (которые позднее назвали фотонами), а потому тезис о том, что "если существуют волны, то что-то должно волноваться", мог быть в рамках таких взглядов отвергнут. Волновые свойства в рамках новой физики, признаются свойством частиц, а не среды, а значит существование эфира необязательно. Итак, мир можно было рассматривать состоящим из пустоты и частиц. Пустоту стали именовать вакуумом. В СТО этот вакуум был математическим вакуумом, т.е. пустотой, которая не обладает физическими свойствами. Но такое строение мира уже в скором времени стало пересматриваться под влиянием новых теоретических построений и экспериментальных фактов. И начало этому отступлению, как ни странно, положил сам Эйнштейн. После построения релятивистской теории тяготения (которую Эйнштейн считал общей теорией относительности - ОТО), в 1916 г., обнаружилась потребность в вакууме, который все же имеет какие-то физические свойства [62] , иначе нарушалась логическая стройность теории (в современной статье [50] приводятся убедительные доводы в том, что ОТО не может обойтись без концепции эфира). Уже это одно противоречило первоначальным идеям Эйнштейна, но такое изменение мировоззрения не смущало ни Эйнштейна, ни его сторонников. В настоящее время создалась странная ситуация: если речь идет о СТО, то последователи Эйнштейна категорически отрицают существование эфира; если же речь идет об ОТО или обсуждаются современные данные о наличии эфира, то утверждается, что Эйнштейн вовсе не отрицал существование эфира, а чуть ли не предсказывал его. Дальнейшее развитие физики привело к возврату идеи об универсальной среде, в которой и из которой образуется материя, уже на экспериментальной основе. Мы говорили, что до 1947 года не существовало никаких прямых экспериментальных фактов в пользу существования такой среды, кроме факта существования электромагнитного поля и волн. В 1947- 48 г.г. была обнаружена поляризация "физического вакуума". Какой физический смысл имеет это понятие и какое отношение имеет к эфиру? Среду, обладающую физическими свойствами, стали называть физическим вакуумом. Следующим убедительным доводом в пользу существования такой среды стало открытие решений уравнений электрона Дирака с отрицательным знаком и экспериментальное обнаружение соответствующих этому решению элементарных античастиц. Первое толкование этому факту дал сам Дирак. Он предположил существование некоторой среды - "моря" отрицательных электронов, находящихся в виртуальном ненаблюдаемом состоянии. Вырывание электрона из этого моря соответствует рождению электрона и "дырки" в море, обладающей свойствами положительного электрона - антиэлектрона. Таким образом, согласно этой концепции вакуум должен был обладать физическими свойствами. Но сопоставление "моря" электронов Дирака с эфиром никто не осмелился сделать. Напротив, в дальнейшем эта концепция была "усовершенствована" весьма странным образом. Когда стало ясно, что не только электрону, но и всем другим частицам можно сопоставить античастицы, для каждой их пары было введено свое "море", из которого они рождались. В этом случае совершенно исчезла возможность сопоставления "моря" с эфиром, который в классической физике мыслится именно как единая гиперсреда, порождающая весь материальный мир. Поскольку такие модельные представления плохо укладывались в рамки позитивизма, на смену концепции Дирака пришло равносильное, но формальное толкование рождения пар посредством математического приема, называемого методом вторичного квантования. Он заключается в появлении или исчезновении дополнительных символов, сопоставленных частицам, в процессе действия операторов на первоначальные символы. При этом понятие среды не упоминается даже в виде "морей" виртуальных частиц. Метод вторичного квантования представляет собой идеальный пример экономии мышления по Маху: он ничего не объясняет, но дает прекрасное, хотя и сложное, описание возникновения и уничтожения символов, сопоставленных наблюдаемым частицам. Но понятие физического вакуума (или вакуумов - для каждой частицы своего) ликвидировать полностью оказалось невозможно: обнаружились экспериментальные факты взаимодействия электронов и других микрочастиц с какой-то субтонкой средой, определяемой нижайшим возможным энергетическим состоянием и называемой теперь "физическим вакуумом". Благодаря этому взаимодействию меняются энергетические уровни электрона в атоме и собственный магнитный момент электрона. И каким бы формальным аппаратом мы ни описывали ныне эти явления, игнорировать их существование мы не можем. Может быть, поэтому вслед за открытием поляризации вакуума Дирак снова поставил вопрос о существовании эфира [63] , показав, что это предположение можно согласовать с СТО. Современная физика уже просто не может обойтись без понятия физического вакуума. Достаточно сказать, что последнее выдающееся достижение теории в физике элементарных частиц - объединенная теория электрослабого взаимодействия базируется на концепции нарушения симметрии физического вакуума и последний фигурирует в этой теории под названием поля Хиггса. Большинство физиков-теоретиков продолжают отрицать какое-либо родство между эфиром и физическим вакуумом, боясь сделать уступку представлениям классической физики. Мы согласны с тем, что эфир может быть и наверно устроен совсем не так, как предполагали физики в прошлом веке, (как мы говорили, Лорентц уже в 1902 году не имел иллюзий на этот счет). Но уже становится нелепым отрицать, что существует субстанция, заполняющая Вселенную, из которой или на основании которой строится весь материальный мир и которую следует отождествить с эфиром Лорентца, поскольку именно это свойство является определяющим атрибутом эфира по Лорентцу. В некоторых современных работах эта идея проводится достаточно последовательно [64,65] . Например, в [64] в параграфе под названием "Физический вакуум" рассмотрена история этого названия (которое авторы фактически отождествляют с эфиром) и экспериментальные доказательства существования такой среды (стр. 111): "Представление о вакууме, где "ничего нет" и "ничего не происходит',' оказалось противоречащим основным принципам квантовой физики". Стр.115: "Физический вакуум, хотя в нем и нет реальных частиц, в сущности не отличается от материальных сред макрофизики (в частности, от твердых тел), представляя собой их особую разновидность ... Вакуум - это протяженная физическая система, которая имеет множество степеней свободы, характеризуется многообразными внутренними процессами и определенным образом реагирует на различные внешние воздействия". Более того, физический вакуум, оказалось, может в определенном случае служить абсолютной системой отсчета, так как (стр.113) "прибор, движущийся в вакууме с ускорением, зарегистрирует излучение (эффект Унру)". В том же ракурсе рассматривают вакуум авторы [67] , например,(стр. 95): "... Вакуум, по сути дела, самый фундаментальный из известных нам типов физической реальности ..." Как тут не вспомнить слова Максвелла из цитаты О. Лоджа, приведенной ранее. Современные теоретики уже согласны с необходимостью возвращения эфира в физическую картину мира. Однако, вместе с тем, они не в состоянии отвергнуть вскормившую их идеологию. Поэтому иногда появляются в печати весьма странные опусы, доказывающие что ликвидация эфира теорией относительности была закономерным шагом развития физики и являлась чуть ли не причиной его нынешнего возрождения. Вот, что пишет один из ведущих наших теоретиков [65] . Стр.122 : "Развитие физики последних десятилетий показало, что наше физическое пространство – вакуум - не просто геометрический объект, не пространство, в котором ничего нет, а сложная система, обладающая интереснейшими свойствами ..." Стр.125 : "Теория Максвелла была триумфом близкодействия: все электромагнитные воздействия передаются через среду - эфир. Но тут же возникли новые противоречия ... (связанные с уже упоминавшимся опытом Майкельсона - А.Г.) (стр. 126) Разрешить противоречия эфира предстояло теории относительности ... Отпала необходимость в самом понятии эфира, его заменил вакуум, новый не противоречивый объект. Эфир умер" (не правда ли, замечательный способ решения противоречия. К тому же автор несколько неполно информирует читателя. Вакуум СТО - это математический вакуум, а не физический вакуум, о котором речь идет в начале статьи. Далее автор продолжает - А.Г.) "Когда к электромагнитному полю и к (другим - А.Г.) полям ... применили квантовую механику, оказалось, что в пустоте происходят непрерывные колебания электромагнитного поля, рождаются и исчезают элементарные частицы... По существу физики снова вернулись к понятию эфира, но уже без противоречий" (таким образом, из статьи следует, что, уничтожив эфир, Эйнштейн снял противоречия; а возрождение эфира не внесло противоречий, поскольку Эйнштейн их уже ликвидировал. Не правда ли, замечательный образец логики, когда "и волки сыты, и овцы целы". Заканчивает эту главу автор характерным высказыванием А.Г.). "Удивительно сложную и интересную среду - вакуум - можно было бы снова назвать эфиром, если бы не боязнь путаницы с наивным понятием XIX века". Странно, что у автора нет никакой боязни, назвать наивными воззрения Фарадея, Максвелла, Дж. Томсона, Кельвина, Лорентца и других основателей физики XIX века. По-видимому, это именно то высокомерие, о котором говорил Шредингер в цитированном выше отрывке. Отметим, что в настоящее время о строении эфира - вакуума теоретики не могут сказать ничего большего по сравнению с тем, что было высказано в XIX и начале XX века. По словам Дирака [43 (стр.13)); "Проблема точного описания вакуума является основной проблемой, стоящей в настоящее время перед физиками ..." Уже неоднократно в физической литературе ставился вопрос о том, как могло случиться, что совершенно очевидные противоречия и неполнота теорий Эйнштейна не были замечены на протяжении последних 60-70 лет [46,42] . На самом деле критика существовала с самого начала возникновения теорий Эйнштейна, но она подавлялась средствами, принятыми разве только в средневековье. Вот, что пишет тот же Тимирязев [45, (стр.150)] : "Физики не эйнштейнъянцы, а их гораздо больше, чем обыкновенно думают - потому что большинство в печати и на собраниях не выступают против Эйнштейна по причинам житейски вполне понятным. Герке борьба против теории относительности дорого обошлась; несмотря на его многочисленные исключительного значения экспериментальные исследования факультеты не предлагают ему ординатуры (не утверждают ординарным профессором). Другой противник, проф. Мохоровичич, в печати заявляет о получении и им угрожающих анонимных писем в ответ на его критику теории Эйнштейна. Мохоровичича сам Эйнштейн считает наиболее сильным своим противником". (В настоящее время невозможно даже найти ссылок на критику Мохоровичича, хотя это имя хорошо известно, например, в геофизике - "слой Мохоровичича" и т.п.). Итак, знамя современной физики - СТО – при всей состоятельности ее, как математической схемы, не выдерживает критики ни как физическая теория, ни как концепция методологического порядка. Рассмотрим теперь, как обстоит дело с другой теорией Эйнштейна - Общей теорией относительности (ОТО), также оказавшей огромное влияние на становление современной ортодоксии.
