Опыт истории научных конфликтов

К этому времени уже существовала волновая теория света, основателем которой был также британский подданный Томас Юнг (1773 — 1829 гг.)[25]. Он считал, что «свет это распространение продольных колебаний во всепроникающей среде — эфире; а светоносный эфир, в высокой степени разреженный и упругий, заполняет вакуум; колебательные движения возбуждаются в этом эфире каждый раз, как тело начинает светиться». Помимо интерференции Юнг в конце XVIII века открыл зависимость между характеристиками поведения света и длиной световой волны, объяснил явление дифракции[26].

Но главное, что противоречило ньютоновской теории взаимодействия, было открытие Максвелла о том, что свет, как и все электромагнитные возмущения, распространяются с постоянной, никогда не изменяющейся скоростью, около 300 тыс. км/сек. Это означает, что свет «никогда не останавливается», т.е. «неподвижного света» не существует. Максвелл утверждал, что свет является волной, а не движением частиц (корпускул), как это утверждал Ньютон. Это открытие практически доказало, что ньютоновская механика не является универсальной теорией объективной реальности.

Первое противоречие между корпускулярной и волновой теорией «универсального устройства» объективной реальности взялся разрешить (точнее “развести”) швейцарский учёный Альберт Эйнштейн (1879 — 1955 гг.)[27]. Понятно, что на рубеже XIX – XX веков нужна была новая универсальная научная теория, чтобы не потерять лицо европейской науки (представленной до XX века в основном англичанами, многие из которых были еврейского происхождения).

В 1900 г. Максу Планку (немецкий учёный, 1858 – 1947 гг.) удалось описать излучение, испускаемое горячими телами. Он принял радикальную гипотезу о том, что энергия испускается не непрерывно, а дискретными порциями, которые получили название квантов. Физический смысл происхождения квантов оставался неясным, но величина кванта оказалась равна произведению некоторого числа (постоянной Планка) и частоты излучения.

Идея Эйнштейна состояла в том, чтобы установить соответствие между фотоном (квантом электромагнитного излучения) и энергией выбитого с поверхности металла электрона. Каждый фотон выбивает один электрон. Кинетическая энергия электрона (энергия, связанная с его скоростью) равна энергии, оставшейся от энергии фотона за вычетом той ее части, которая израсходована на то, чтобы вырвать электрон из металла [28]. Оказалось, что чем ярче свет, тем больше фотонов и больше число выбитых с поверхности металла электронов, но не их скорость.

Более быстрые электроны можно получить, направляя на поверхность металла излучение с большей частотой, так как фотоны такого излучения содержат больше энергии. На основе этого Эйнштейн выдвинул ещё одну смелую гипотезу, предположив, что свет обладает двойственной природой. Как показывают проводившиеся на протяжении веков оптические эксперименты, свет может вести себя как волна, но, как свидетельствует фотоэлектрический эффект, и как поток частиц. Правильность предложенной Эйнштейном интерпретации фотоэффекта была многократно подтверждена экспериментально, причём не только для видимого света, но и для рентгеновского и гамма-излучения.

Впоследствии подтверждение потенциальной мощи введённой Планком новации поступило в 1913 году от датского физика Нильса Бора (1885 — 1962)[29], применившего квантовую теорию света к строению атома. В модели Бора электроны в атоме могли находиться только на определённых энергетических уровнях, определяемых квантовыми ограничениями. Переход электронов с одного уровня на другой сопровождается выделением разности энергий в виде фотона излучения с частотой, равной энергии фотона, делённой на постоянную Планка. Тем самым получали квантовое объяснение характеристические спектры излучения, испускаемого возбуждёнными атомами.

Таким образом открытие Планка, можно сказать, положило начало квантовой теории, но её дальнейшее вероятностное развитие в 20-х годах XX века пришлось не по душе как Планку, так и Эйнштейну. Оба искали не вероятностную, а классически точную модель объективной реальности на квантовом уровне[30]. Однако в 20-х годах начался «век вероятностных моделей», основанный на открытиях квантовой механики.

В то же время, Эйнштейн, ссылаясь на максвелловские разработки[31], создал специальную теорию относительности, в основу которой положил утверждение, что нет ничего превыше скорости света — 300 000 км/сек. Специальная теория относительности появилась в 1905 году и принесла Эйнштейну мировое признание.

В то время большинство физиков полагало, что световые волны распространяются в эфире — загадочном веществе, которое, как принято было думать, заполняет всю Вселенную. Однако обнаружить эфир экспериментально никому не удавалось. Поставленный в 1887 г. Альбертом Абрахамом Майкельсоном (1852 — 1931) и Эдвардом Морли (1838 — 1923) эксперимент по обнаружению различия в скорости света, распространяющегося в гипотетическом эфире вдоль и поперёк направления движения Земли, дал отрицательный результат. Если бы эфир был носителем света, который распространяется по нему в виде возмущения, как звук по воздуху, то скорость эфира должна была бы прибавляться к наблюдаемой скорости света или вычитаться из неё, подобно тому как река влияет, с точки зрения стоящего на берегу наблюдателя, на скорость лодки, идущей на вёслах по течению или против течения.

Многие считают, что специальная теория относительности Эйнштейна была создана непосредственно под влиянием эксперимента Майкельсона-Морли. Опыт Майкельсона – Морли окончательно показал, что «абсолютной системы отсчета» в природе не существует. И, сколько бы Эйнштейн впоследствии ни утверждал, что вообще не обращал внимания на результаты экспериментальных исследований при разработке теории относительности, сомневаться в том, что результаты опытов Майкельсона – Морли способствовали быстрому восприятию столь радикальной теории научной общественностью всерьез, вряд ли приходится. В основу специальной теории относительности были положены два универсальных допущения, делавших излишней гипотезу о существовании эфира:

· все законы физики одинаково применимы для любых двух наблюдателей[32], независимо от того, как они движутся относительно друг друга;

· свет всегда распространяется в свободном пространстве с одной и той же скоростью, независимо от движения его источника.

Выводы, сделанные из этих допущений, изменили представления о пространстве и времени:

· ни один материальный объект не может двигаться быстрее света;

· с точки зрения стационарного наблюдателя, размеры движущегося объекта сокращаются в направлении движения, а масса объекта возрастает; чтобы скорость света была одинаковой для движущегося и покоящегося наблюдателей, движущиеся часы должны идти медленнее;

· движение или покой определяются всегда относительно некоего наблюдателя.

Наблюдатель, едущий верхом на движущемся объекте, неподвижен относительно данного объекта, но может двигаться относительно какого-либо другого наблюдателя.

Поскольку время становится такой же относительной переменной, как и пространственные координаты x, y и z, понятие одновременности также становится относительным. Два события, кажущихся одновременными одному наблюдателю, могут быть разделены во времени, с точки зрения другого.

Из других выводов, к которым привела специальная теория относительности, заслуживает внимание эквивалентность массы и энергии.

· Масса тела m представляет собой своего рода «замороженную» энергию E, и связана с ней соотношением E = mc2, где c – скорость света. Таким образом, испускание фотонов света происходит ценой уменьшения массы источника.

Принцип относительности, сформулированный Эйнштейном в 1905 году, был, что называется в науке, его «интуитивным прозрением». Хорошо владея математикой и тщательно усвоив все самые последние научные достижения в цюрихской гимназии, Эйнштейн подвёл под своё «интуитивное прозрение» нужную теоретическую базу.

Научная практика следующих десятилетий (особенно развитие квантовой механики) показала, что специальная теория относительности не может быть универсальной теорией для описания всех наблюдаемых явлений объективной реальности [33]. Однако специальная теория относительности позволила объяснить такие особенности процессов, происходящих в атомной и ядерной физике, которые до того оставались непонятными. Так, почти через сорок лет после создания теории относительности, физики, работавшие над созданием атомной бомбы, сумели вычислить количество выделяющейся при её взрыве энергии на основе дефекта (уменьшения) массы при расщеплении ядер урана.

Как правило, продвижение физической мысли относятся к двум категориям и их компиляции:

· Экспериментальные открытия — состоят в обнаружении неожиданно нового явления в эксперименте, который может быть повторен с тем же результатом кем угодно; такое открытие заставляет пересмотреть понятия, ранее считавшиеся твёрдо установленными.

· К открытиям другого рода принадлежат такие, в которых наблюдаемые явления оставляют место для размышлений и выводов. Такие открытия в конечном счёте основаны на свойственном учёному «интуитивном ощущении природы вещей»[44], и именно к ним принадлежат теория строения Солнечной системы Коперника, Специальная и, главное, Общая теории относительности Эйнштейна.

Когда один (или оба) вышеназванных способа сработали, в ход идёт математика, которая даёт возможность систематизировать все следствия некой физической гипотезы, выражая их в виде формул и соотношений, истинность или ложность которых зачастую поддаётся экспериментальной проверке с точностью измерительной техники.

Можно сказать, что научно-материалистическим изучением передачи информации на расстоянии в окружающей среде физики занялись одновременно с возникновением понятия «физика». Так, изучение свойств распространения звука возвращает нас в античность, где традиция связывает начало таких исследований с именем Пифагора. Физическую природу звука изучал Аристотель, занимаясь распространением звуковых волн в воздухе.

Ньютон поставил перед собой задачу — описать на языке математики процесс распространения звуковой волны в воздухе. Проведённый им анализ, опиравшийся на известные тогда данные об упругости воздуха, дал теоретическое значение скорости звука 298 м/с, тогда как из опытов Флемстида (1646-1719) и Галлея (1656-1742) было получено значение 348 м/с. Столь значительное расхождение удалось объяснить лишь в 1816, когда Лаплас (1749-1827) указал на то, что величина упругости воздуха, на основании которой вычисляется скорость звука, должна отличаться от обычно измеряемой, так как изменения в звуковой волне происходят очень быстро и в воздухе не успевает установиться тепловое равновесие. Внеся в вычисления Ньютона поправку в этом единственном пункте, Лаплас получил формулу, прекрасно согласующуюся с самыми точными экспериментальными данными. Сегодня часто ставят обратную задачу: определяют упругость газа по измеренной скорости звука в нём. Так у физиков появилось понятие физической звуковой волны, которая, естественно несёт на себе информацию от источника излучения к приёмнику. Скорость же распространения звуковой волны колеблется в зависимости от «упругости» среды распространения.

Если исследования звука укладывались в то, что называлось «механической картиной мира», то с открытием Фарадеем электромагнетизма учёные пытались сначала объяснить электрический ток как «некую жидкость, текущую по проводнику под действием электрических сил», но электромагнитные явления не поддавались такому простому механистическому объяснению, и от них пришлось отказаться.

Считается, что Ньютон открыл гравитационное поле, хотя он утверждал лишь, что «…Тяготение должно вызываться неким агентом, постоянно действующим по определённым законам; а материален этот агент или нематериален, я предоставляю судить читателям». Во времена Ньютона такой агент назывался эфиром, и этому представлению предстояло трансформироваться в более утончённое понятие поля.

Теория поля заняла центральное место в современной физике — так же как материальный атомистический механизм был центральной проблемой изучения физиков предшествующих столетий. Теорий эфира было много, и каждая из них возникла в ответ на необходимость объяснения действия той или иной невидимой силы на расстоянии. Так, были эфиры гравитационный, электрический, магнитный и светоносный (последний эфир был гипотетической средой, обеспечивающей распространение света). Под воздействием общефизических представлений своего времени теории эфира приобретали более механистический характер — эфиры были жидкостями, подчинявшимися законам Ньютона или другим аналогичным законам, а передаваемые ими влияния носили характер механического действия. По мере накопления знаний о свете сам свет начали представлять как волновое движение в светоносном эфире, аналогичное распространению звука в воздухе.

Как мы уже знаем, последние три типа «эфира» — электрический, магнитный и светоносный — после опытов Максвелла учёные свели к явлению электромагнитного взаимодействия. Максвелл заложил в физику основы представления о поле, которое проявляется в том, что оказывает силовое воздействие на вещество, а также переносит энергию. Позднее учёные научились передавать информацию с помощью электромагнитного взаимодействия.

Эйнштейн на основе своего «озарения» и постулатов Специальной теории относительности “доказал”, что превыше скорости света ничего нет и приписал гравитационному взаимодействию ограничения скорости света, вписав гравитацию в Общую теорию относительности. Как мы увидим дальше, Эйнштейн ошибся, “доказав” в Общей теории относительности, что никакая информация не может быть передана со скоростью, превышающей скорость света.

В принципе современная физика в основном занята изучением взаимодействующих полей, одним из которых является поле, открытое Максвеллом — электромагнитное поле. Интерес физиков представляют поля, которые распространяются в виде волн, но не в какой-либо среде, как звуковые волны в воздухе, а просто как волны поля в вакууме.

Повторим, что современное состояние физической науки таково, что учёные выделяют четыре вида взаимодействий — электромагнитное, слабое, сильное и гравитационное. До сих пор учёные придерживаются мнения, что если эти четыре фундаментальных типа взаимодействий существуют в физике, значит они существуют и в природе, в Объективной реальности. Каждому