Петров Ю.И. Парадоксы фундаментальных представлений физики Изд. 2

Оглавление

Введение

Природа беспредельна и безгранична во всех своих проявлениях как в бесконечно большом масштабе, так и в масштабе бесконечно малом. Она не может быть представлена в каких-то единых окончательных категориях. Поэтому на определенных этапах ее познания приходиться прибегать к различным моделям, имеющим, разумеется, ограниченный характер. Все физические модели только приближенно отражают природные явления. Критерием пригодности модели служит опыт. Вопрос о ее адекватности невозможно решить с помощью одних лишь логических заключений, но и без логики обойтись тоже нельзя. Предпочтительна простота, ясность и непротиворечивость мышления.

В современной физике господствует представление о том, что якобы, чем сложнее математический аппарат, тем ближе он к истине. Поэтому культивируются различного рода абстрактные математические конструкции, претендующие на всеобщность и адекватность при описании природных явлений. Периодическая литература забита сверхновыми претенциозными математическими теориями с пугающей фразеологией. Новые подходы в физике строятся на основе алгебраических понятий или геометрических построений в абстрактных, чаще всего комплексных, пространствах с большим числом измерений. Однако даже в случае некоторых давно устоявшихся фундаментальных математических описаниях законов физики, как показывает детальный анализ, обнаруживаются логические неувязки и просто ошибки.

С другой стороны, многие привычные понятия оказываются дискуссионными, требующими переосмысливания. Так, несмотря на существенный прогресс науки за последние два века природа гравитации и электромагнитных полей продолжает оставаться загадочной. Не решен даже главный вопрос о дальнодействующем или близкодействующем характере взаимодействий. Долгое время дальнодействие отвергалось как нелепость ввиду противоречия с представлением о контактном взаимодействии тел, породившем понятие силы. Однако уместно напомнить, что само это понятие является только удобным термином для обозначения результирующего переноса движения через границу контактирующих тел при хаотической бомбардировке границы молекулами, тогда как в случае сил тяготения ничего подобного не происходит (Эддингтон, 2003).

В конце XVIII и начале XIX вв. для объяснения результатов многочисленных оптических и электромагнитных экспериментов была введена концепция эфира, заполняющего все пространство и служащего средой для передачи сил взаимодействия тел (Уиттекер, 2001). Эфир наделяли свойствами жидкого или твердого тела. Вскоре, однако, выяснилось, что механические модели эфира оказываются несостоятельными во многих отношениях. Одновременно на основе воззрений Фарадея и теории Максвелла зарождалось представление о классическом поле как пространстве, в котором проявляется действие сил. Понятие поля сохранило за эфиром только способность близкодействующей передачи сил без попыток объяснения такого механизма. Специальная теория относительности вообще устранила эфир из рассмотрения, акцентируя внимание на пространственно-временных изменениях при относительном движении тел. Вопрос о носителе близкодействия в ней не затрагивается. Вместе с тем эта теория породила массу парадоксов, вызывающих недоумение и неприятие (см., например, книги Артехи, 2004; Калинина, 2003 и брошюру Секерина, 1991).

Общая теория относительности (ОТО) связывает гравитацию с локальным искривлением пространства под действием массы. Однако, несмотря на огромную литературу, посвященную ОТО и ее применению в космологии (см., например, Вейнберг, 2000) само понятие пространства и механизм влияния массы на его кривизну в этой теории остаются неясными. Зародившаяся в начале XX в. квантовая механика, успешно решив ряд проблем микромира, стала постепенно отходить от физики в область чисто математических абстракций. Основная ее задача – это расчет вероятности энергетических состояний системы. В квантовой электродинамике предполагается, что силовые взаимодействия осуществляются путем обмена виртуальными частицами, но это не объясняет явление притяжения тел.

Анализируя историю науки, Клайн (1988) пришел к выводу, что природа построена на основе математических принципов и что истинные законы природы математические, а тяготение – научная фикция. В современных учебниках по теории поля (Ландау и Лифшиц, 1967), квантовой механике (Ландау и Лифшиц, 1989), квантовой электродинамике (Берестецкий, Лифшиц, Питаевский, 1989; Фейнман, 1964) и др. физические представления в значительной степени подавляются математическими абстракциями. Чрезмерное увлечение математикой при попытках более глубокого проникновения в тайны природы характерно для научного мышления нескольких последних столетий. Однако не следует упускать из вида, что математический аппарат, как бы его ни усложняли, является всего лишь продуктом человеческой логики. Желая проникнуть за пределы достигнутых физических представлений, нужно с большой осторожностью относится к различным математическим обобщениям и абстракциям ввиду отсутствия надежных критериев того, что они должны обязательно реализоваться в окружающем нас мире. Математическая интерпретация даже известных физических фактов в ряде случаев заводит теорию в тупик или направляет ее по ложному следу. В результате порождаются разного рода явные или скрытые ошибки и недоразумения. Между тем, многие теоретики продолжают нагромождать математические конструкции, слепо используя теорию относительности и квантовую механику в космологии (Вейнберг, 2000) и попытках создания Всеобщей окончательной теории (Вайнберг, 2004; Грин, 2007). В этом отношении сейчас наиболее модной является математическая теория суперструн, сводящая все силовые взаимодействия к различным энергетическим возбуждениям первичных частиц – струн, природа которых непонятна даже самим авторам этой теории (Вайнберг, 2004; Грин, 2007). Она основана на гипотезе о сильном возрастании квантовых энергетических флуктуаций поля при бесконечном уменьшении рассматриваемой области пространства. Под струнами понимают "пространственно-временные сингулярности". "Струны можно представить себе как крохотные одномерные разрезы на гладкой ткани пространства" (Вайнберг, 2004). Вообще, после появления общей теории относительности с пространством стали обращаться очень фамильярно. Его расширяют, сжимают, закручивают и искривляют. "К концу 1991 г. у некоторых физиков, занимающихся теорией струн, возникло ясное ощущение того, что ткань пространства может разрываться" (Грин, 2007). Когда происходит разрыв пространства (неясно что, собственно, рвется и почему), огромная масса черной дыры уменьшается до нуля, после чего черная дыра превращается в безмассовую частицу (подобную фотону). Так теория струн устанавливает связь между черными дырами и элементарными частицами. В этой теории совершенно произвольно предполагается наличие в исчезающе малых областях пространства многих пространственных и несколько временных "свернутых" измерений (Грин, 2007).

Иногда внешне изящные математические формулировки при ближайшем рассмотрении оказываются неверными с физической точки зрения или противоречащими экспериментальным данным. Приведем курьезный пример из книги английского математика Стюарта (1980): "Один физик-теоретик заработал себе прочный авторитет тем, что, исходя из общих математических соображений, вывел формулу для радиуса Вселенной. Это была очень впечатляющая формула, щедро начиненная константами e, c, h, несколько раз в ней встречалось число pi и много квадратных корней. Поскольку он был убежденным теоретиком, его не беспокоили численные значения. Прошло несколько лет, пока нашелся человек, которому захотелось узнать, чему равен радиус Вселенной. Оказалось, 10 сантиметрам".

Размышления по поводу различного рода непонятных или трудных для восприятия математических описаний физических концепций привели к появлению этой книги. В ней затронут широкий круг вопросов, включающих классическую механику, электродинамику, теорию относительности, квантовую механику и теорию поверхностных явлений. Поскольку в ряде случаев критический анализ математических предпосылок некоторых теорий выявил логическую несуразицу или ошибочность укоренившихся представлений, в порядке дискуссии предлагаются иные модели обсуждаемых явлений. Эти модели строятся в рамках классической физики и существующих экспериментальных результатов.

Первая глава посвящена общим понятиям о пространстве, силах и полях. Дается развернутое изложение взглядов Герца (1959) на принципы механики. Герц резко критикует понятие силы, фигурирующее в теории Ньютона, и строит свою механику, опираясь на понятия скрытых масс и скрытых связей. Мы несколько модифицировали подход Герца, полагая в качестве скрытых связей потенциальную энергию, осуществляющую дальнодействие вне мира наших чувственных восприятий. Это позволило получить все уравнения механики и выразить взаимодействие зарядов и масс через градиенты потенциальной энергии. Для понимания материала приведены необходимые сведения из векторного анализа. Выявлено, что, в отличие от гидродинамики идеальной жидкости, совместное существовании потенциального и вихревого полей в случае электростатических или гравитационных взаимодействий вряд ли возможно. При отождествлении скрытых связей с потенциальной энергией возникает трудный вопрос о том, может ли эта энергия локализоваться где-либо в пространстве или она реализуется в каких-то иных категориях. С целью прояснения этого вопроса, а также в виду самостоятельного интереса, обсуждаются понятия размерности и метрики евклидова пространства и кратко излагаются основы римановой геометрии.

Критически анализируются основные положения специальной теории относительности. В этой теории рассматриваются относительные координаты и время одного и того же события в разных инерциальных системах координат с точки зрения наблюдателя в одной из них. Затем эти координаты безосновательно приписываются собственным координатам другой системы. На такой подмене координат строятся все парадоксальные выводы теории. Показано, что если воспринимать принцип относительности непосредственно, как характеристику инерциальности системы, то становятся совершенно ненужными и иллюзорными преобразования Лорентца, а, следовательно, и рассуждения Эйнштейна–Минковского о не одновременности событий в разных инерциальных системах (Сб. Принцип относительности, 1935).

Особое внимание уделено общей теории относительности. Достаточно подробно рассматриваются основы тензорного исчисления, необходимые для понимания сущности этой теории. Эйнштейн (1955) анализирует геометрию четырехмерного многообразия, образованного тремя пространственными координатами и временем. Полученное в тензорном виде уравнение геодезической кривой совершенно произвольно сопоставляется с движением материальной точки под действием Всемирного тяготения Ньютона. На этом основании ответственность за тяготение приписывается одному из членов уравнения геодезической кривой, тогда как другому члену этого уравнения сопоставляется инерция. В тех случаях, когда инерцией можно пренебречь кривизна геодезической кривой определяется тяготением. Далее Эйнштейн обобщает понятие электромагнитного тензора энергии-импульса, добавляя к нему тензорные величины энергий вещества и гравитации. При этом он безосновательно полагает, что суммарный тензор энергии материи должен удовлетворять четырехмерному уравнению сохранения, как это имеет место для электромагнитного тензора энергии-импульса. Между тем уравнение сохранения будет соблюдаться только в том случае, если к электромагнитному тензору энергии-импульса будут добавляться не тензорные величины, которые удается ввести лишь весьма формальным и искусственным путем (Рашевский, 1964). Из самых общих соображений Эйнштейн получает свое знаменитое уравнение поля для обобщенного тензора энергии материи, определяемого геометрией пространства через тензор кривизны и метрический тензор. На основании эквивалентности массы и энергии (E=mc²) вместо тензора энергии материи рассматривается распределение и перемещение масс. Увеличение концентрации масс в данном месте пространства приводит к росту отклонения римановой геометрии от евклидовой геометрии, а, следовательно, к увеличению кривизны геодезических линий и тяготения. Заметим, однако, что речь идет о кривизне четырехмерного многообразия, а не реального трехмерного пространства. После триумфального длительного шествия общей теории относительности ее смысл и принципиальный основы за последние десятилетия подверглись серьезной критике со стороны математиков (Рашевский, 1964) и специалистов теоретиков (Дикке, 1965; Логунов и др., 1987).

По нашему мнению, эта теория не дает ясного представления о том, что такое пространство, его кривизна и тяготение. В этом отношении более пригодной оказывается модифицированная механика Герца, которая опирается на понятие пространства как вместилища материи. Показано плодотворное применение этой механики для консервативных голономных систем (тяготение, электростатика). Пример неголономной и неконсервативной системы, скрытые связи которой зависят от скоростей частиц, являет собой система зарядов, движущихся в магнитном поле.

Во второй главе анализируются понятия электродинамики. Главное внимание уделяется выяснению сущности магнетизма и магнитной энергии. Критически рассматриваются основные законы электромагнитных явлений, опираясь на гипотезу Ампера о том, что магнитное поле является просто характеристикой взаимодействия движущихся зарядов. Показана иллюзорность магнитной энергии ввиду ее неспособности производить реальную работу. Прослежен путь Максвелла (1952) при выводе основных уравнений электродинамики. Выявлена противоречивость используемых им моделей, приводящая к некорректности ряда заключений. В частности, при получении уравнения для электромагнитных волн одновременное применение операций дивергенции и ротора, допустимое математически, не может быть оправдано с физической точки зрения, ибо эти операции отражают различные и не совместимые друг с другом потенциальное или вихревое состояния поля.

Рассмотрена интерпретация уравнений Максвелла Дж. Дж. Томсоном (1928), который не опирался на модель гипотетической жидкости, как это делал Максвелл, а использовал непосредственно концепцию Фарадея о силовых линиях. Томсон последовательно получил все основные законы электродинамики, дал им наглядное объяснение, и задолго до Эйнштейна вывел как соотношение между энергией и массой (E=mc²), так и зависимость массы от скорости ее движения. Наиболее интересной, с нашей точки зрения, является глубокая убежденность Томсона в том, что все электромагнитные взаимодействия осуществляются посредством скрытой энергии, недоступной нашим чувственным восприятиям. По его мнению, потенциальная энергия есть просто скрытая кинетическая энергия, которая при определенных условиях может реализоваться в движении материальных тел. Томсон отмечает, что его концепция очень близка к воззрениям Герца на скрытые связи. Анализируя рассматриваемые в этой книге физические вопросы, мы придерживаемся взглядов Герца и Томсона, предполагая в качестве носителя скрытой связи потенциальную энергию.

Известно, что ни Максвеллу, ни его последователям не удалось вывести законы электродинамики из аналитической механики Лагранжа. Мы доказываем, что это сделать принципиально невозможно из-за иллюзорности магнитной энергии и неспособности силы Лорентца производить работу. Эту силу можно трактовать как новый вид неголономной скрытой связи, изменяющей траекторию движущегося заряда без затраты энергии. В результате фиктивности магнитной энергии теряет смысл описание электромагнитных взаимодействий с помощью функций Лагранжа и Гамильтона, а это требует пересмотра соответствующих положений современной квантовой механики и квантовой электродинамики. В связи с этим показана несостоятельность знаменитой теоремы Ван Леевен (Van Leeuwen, 1921), утверждающей, что магнетизму нет места в классической физике.

Вторая глава завершается обсуждением широко известной теоремы Лармора, согласно которой под действием магнитного поля все электроны атома должны совершать прецессию вокруг направления поля с одинаковой частотой, сохраняя внутреннее состояние движения неизменным. Критический анализ выявил ошибочность этой теоремы, вследствие чего требуется переосмыслить ее применение в спектроскопии, а также пересмотреть понятия квантовых уровней и квантовых переходов в атоме, что и делается в 4-й главе.

Третья глава посвящена эффектам относительного движения. Уточняется понятие относительности времени. Выявлено скрытое противоречие при выводе преобразований Лорентца Эйнштейном, а затем и другими авторами. Путаница возникает из-за того, что координаты какого-либо тела, например, находящегося в начале отсчета инерциальной системы, подменяются координатами фронта световой волны. В результате этого рассуждения Эйнштейна теряют физический смысл. Выдвинута новая трактовка эффекта Доплера, которая естественным образом вводит кажущееся увеличение собственной частоты источника излучения, движущегося со скоростью V на фактор (1-V²/c²)^-1/2, где с – скорость света. Дается новый вывод формулы увлечения света движущимся веществом. Критикуются основы специальной теории относительности, рассматриваемой как неосознанное заблуждение ввиду иллюзорности преобразований Лорентца. Предлагается простая модель "мерцающих частиц", позволяющая объяснить в рамках классической физики все эффекты относительного движения, не прибегая к постулатам специальной теории относительности. Анализируется поведение фотонов в силовых полях с позиций общей теории относительности. Эйнштейн предсказал два эффекта, касающиеся света в поле гравитации. Это, во-первых, красное смещение спектральных линий, а во-вторых, – искривление траектории лучей света. Полученное первоначально значение для угла отклонения луча света вблизи массивного тела впоследствии он без особых объяснений удвоил после весьма громоздких вычислений. Именно это удвоенное отклонение лучей света от далеких звезд было близко к тому, которое наблюдалось при затмении Солнца. Однако хотя результаты предсказаний и наблюдений численно не различались, применяемый в расчетах Эйнштейна принцип Гюйгенса должен был бы привести не к притяжению, а к отклонению луча света вблизи Солнца, нарушая тем самым согласие с астрономическими наблюдениями. Непонятно, почему это обстоятельство не было замечено самим Эйнштейном и его последователями. Если рассматривать свет как поток частиц, то угол отклонения их траектории вблизи массивного тела должен быть ровно в два раза меньше того, какой дает общая теория относительности. Эддингтон объяснял дополнительное отклонение частиц за счет отступления от евклидовой геометрии под действием поля гравитации. Вебер (1965) провел вычисления угла отклонения света массивным телом согласно общей теории относительности и выдвинул фундаментальное предположение, что тяжелая масса фотона вдвое больше его инертной массы. Это заключение тем более парадоксально, что оно противоречит основному принципу общей теории относительности о равенстве тяжелой и инертной масс. В предлагаемой модели мерцающих частиц предполагается, что тяжелая масса фотона действительно вдвое больше его инертной массы. Приводится обоснование этого предположения. Модель мерцающих частиц дает для красного смещения спектральных линий и угла отклонения луча света в поле гравитации точно такие же формулы, какие вытекают из общей теории относительности, но делает это простым путем. Таким образом, те экспериментальные данные, которые свидетельствуют в пользу общей теории относительности, одновременно подтверждают и более простую модель мерцающих частиц, не требующую привлечения сложного тензорного аппарата 4-х-мерной римановой геометрии.

За последние десятилетия в связи с развитием лазерной метрологии было выполнено множество работ, авторы которых пытались обнаружить отклонения от преобразований Лорентца или лорентцевской инвариантности под действием различных причин. В числе таких причин рассматривались: орбитальное и суточное движение Земли; изменение гравитационного потенциала Солнца при таком движении Земли; ограничения, налагаемые различными модельными представлениями, в частности, теорией струн. Сделан краткий обзор "теорий" тестирования и лазерных измерений, использующих это тестирование для разных целей. Указано, что фактически во всех опытах измерялись эффект Доплера или характеризующий его фактор lambda=(1-beta²)^-1/2. Нами показано, что этот кажущийся фактор не имеет ничего общего с теорией относительности, поэтому на основании тестирования трудно говорить о подтверждении или нарушении самих преобразований Лорентца или лорентцевской инвариантности, как это делают авторы рассматриваемых работ.

В четвертой главе предпринята попытка синтеза корпускулярных и волновых свойств частиц и излучения без привлечения статистических методов квантовой механики. Предполагается, что локализованный в пространстве квант энергии периодически "перетекает" из одного состояния, которое может проявляться как пульсирующая инертная масса, в какое-либо другое состояние (осциллирующие заряд или пространственно локализованное электрическое поле), и обратно. Такая модель мерцающих частиц успешно объясняет как волновые свойства электронов и нейтронов, так и корпускулярное поведение излучения. Она позволяет с единых позиций получить выражения для длины волны де Бройля и для давления света, а также вывести волновое уравнение Шредингера и законы излучения абсолютно черного тела. Обосновано подобие распределения плотности излучения черного тела по длинам волн и максвелловского распределения молекул газа по их скоростям. Показано, что распространение фотонов в вакууме подчиняется уравнениям Максвелла. Без привлечения преобразований Лоренца получены такие же, как и в теории относительности, зависимости динамической массы и частоты фотона от скорости движения излучателя. Достаточно подробно рассмотрены атомная модель Бора, условия стационарности орбит и переходы электрона с одной орбиты на другую под действием магнитного поля. Простым путем выведены квантовые числа, характеризующие состояние электрона на орбите. Получены угловые и магнитные моменты электрона и фотона. Выявлено, что фотон, возможно, переносит момент количества движения вдвое меньший, чем считалось до сих пор. Если это так, то он должен подчиняться статистике Ферми–Дирака, а не Бозе–Эйнштейна, как полагают теоретики.

Дано объяснение нормального и аномального эффектов Зеемана. Ввиду того, что при действии магнитного поля на электрон работа не совершается, обычное представление зеемановского расщепления энергетических уровней на подуровни с разной полной энергией оказывается ошибочным. С позиций модели мерцающих частиц предлагается новая трактовка подсчета состояний электрона в магнитном поле, имеющих одинаковую энергию. Эти состояния различаются перераспределением потенциальной энергии электрона между ее изменением на разных орбитах и компенсирующей "виртуальной потенциальной энергией" магнитного поля. Новая трактовка позволяет сохранить старую схему расщепления уровней в магнитном поле, вкладывая в нее другой смысл.

Критически рассмотрены принципиальные основы квантовой механики, ее операторный аппарат и принцип неопределенностей Гейзенберга, исключающий саму возможность траектории частицы. Вопреки этому принципу в предлагаемой модели траектории частиц вполне определены, и вдоль них распространяются осциллирующие кванты энергии. Показано, что в случае заряда, движущегося в магнитном поле, общепринятый оператор гамильтониана является ошибочным и непригодным для использования в уравнении Шредингера опять же из-за невозможности магнитного поля совершать работу. Это обстоятельство делает иллюзорными многие важные формулы квантовой механики.

В пятой главе критически анализируются существующие теории поверхностного натяжения. Выявлена ошибочность ряда широко применяемых формул. Рассматривается проблема поверхностных и внутренних напряжений в малых жидких и твердых частицах. Показана несостоятельность поверхностного давления Лапласа. С помощью статистической механики, теоремы вириала и условий равновесия системы установлено, что такие напряжения, вопреки укоренившимся представлениям, принципиально отсутствуют. Это подтверждается также практической неизменностью параметров решетки малых металлических частиц при уменьшении их размера до 4–6 нм. Разработана и представлена термодинамика малых частиц. С учетом равенства давлений снаружи и внутри частицы получено фундаментальное уравнение для скачка химического потенциала на ее поверхности, из которого вытекают хорошо известные формулы Кельвина, Томсона и Вульфа.

В заключение автор выражает искреннюю признательность своему коллеге Э. А. Шафрановскому за постоянное обсуждение рассматриваемых вопросов.

Об авторе

Родился 15 апреля 1922 года. После окончания средней школы служил шесть лет в Советской Армии. Участвовал в Великой Отечественной войне. Награжден орденами и медалями. В 1949 г. окончил с отличием физический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова. С тех пор и по настоящее время работает в Институте химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук. В 1954 г. ему была присвоена степень кандидата физико-математических наук, а в 1967 г. – степень доктора физико-математических наук. Основной круг интересов – физика кластеров и малых частиц металлов, их сплавов и соединений. Автор более 140 научных работ и двух монографий – "Физика малых частиц" (1982) и "Кластеры и малые частицы" (1986), хорошо известных как у нас в стране, так и за рубежом.

В 2006 г. им была опубликована небольшая по объему книга "Некоторые фундаментальные представления физики. Критика и анализ" (М.: URSS, 2006), в которой обсуждается противоречивость и некорректность ряда укоренившихся представлений физики. В частности, показана иллюзорность магнитной энергии, что ставит под сомнение некоторые важные формулы теории поля и квантовой механики. Предложена новая модель "мерцающих частиц", позволяющая с единых позиций весьма просто разъяснить эффекты относительного движения и основы квантовой механики.

Новая книга "Парадоксы фундаментальных представлений физики", во-первых, развивает и уточняет затронутые ранее вопросы, а во-вторых, охватывает значительно более широкий тематический круг, включая механику Герца, электродинамику, относительное движение фотонов, действие на них гравитации, корпускулярно-волновой дуализм частиц, основы квантовой механики, поверхностные напряжения в жидкости и термодинамику малых частиц.

Oтзыв

Книга представляет собой совершенно уникальное явление в современной научной литературе. В ней с большим мастерством анализируются фундаментальные основы физики на уровне, доступном студентам младших курсов высших учебных заведений, сохраняя в то же время строгий научный подход. Охвачен широкий круг вопросов, включающих классическую механику, электродинамику, общую и специальную теории относительности, квантовую механику, поверхностное давление жидких и твердых тел, а также термодинамику малых частиц. Выявлены противоречия, недоразумения и неувязки в математических конструкциях различных теорий. В частности, установлена иллюзорность преобразований Лорентца и основанной на них специальной теории относительности. Это сделано оригинально, путем тщательного анализа эффекта Доплера. Показана фиктивность поперечного эффекта Доплера, предсказываемая специальной теорией относительности. Как выяснилось, два основных преобразования Лорентца оказываются зависящими друг от друга фиктивными следствиями эффекта Доплера. Поэтому они лишены физического смысла, в результате чего переплетение пространства и времени в "мире Минковского" выглядит чисто математическим упражнением. Установлено, что вывод преобразований Лорентца Эйнштейном и другими авторами содержит скрытую ошибку, обусловленную подменой координат движущегося тела координатами движущегося фотона. Критически рассмотрены некоторые парадоксы специальной теории относительности.

Представлено по возможности простое обсуждение общей теории относительности, для понимания которой требуются знания основ тензорного анализа и римановой геометрии. Приводится критика этой теории рядом ученых (Рашевский, Дикке и др.). Указывается, что в отличие от Закона всемирного тяготения Ньютона, применимого во всей Вселенной, общая теория относительности действует в локальных четырехмерных областях, используя преобразования Лорентца. Обнаружено ошибочное применение принципа Гюйгенса в расчетах Эйнштейна по отклонению фотонов в гравитационном поле массивного тела, выполненных в рамках общей теории относительности. В действительности, эти расчеты должны были бы привести не к притяжению, а к отталкиванию фотонов от массивного тела в противоречии с астрономическими наблюдениями.

Следует особо отметить глубокий анализ автором книги понятия магнетизма. В соответствии с теорией Ампера показано, что магнетизм не существует самостоятельно, но является просто характеристикой пондеромоторного взаимодействия электрических токов. Показана иллюзорность магнитной энергии, ввиду ее неспособности производить реальную работу, что обусловлено перпендикулярностью силы Лорентца к скорости заряда, движущегося в магнитном поле. Обсуждается также неголономность системы в этом случае и неприменимость к ней, вопреки существующей практике, аналитической динамики Лагранжа. Выявлено, что обычное введение в лагранжиан члена, учитывающего "магнитную энергию", приводит к парадоксальному уничтожению энергии электронов, движущихся в плоскости, перпендикулярной магнитному полю. Как следствие, отсюда вытекает некорректность гамильтониана, используемого в теориях поля и в квантовой механике. Установлена ошибочность широко известной теоремы Лармора о прецессии электронных орбит атома в магнитном поле, поскольку ее различные доказательства основаны на неверном допущении, что магнитное поле может изменять кинетическую энергию орбитальных электронов. Фактически орбиты электронов не прецессируют, а выстраиваются перпендикулярно магнитному полю. В связи с этим пересматривается эффект Зеемана и схема расщепления энергетических уровней под действием магнитного поля.

Показано, что основные уравнения Максвелла получены с помощью теории потенциала, использующей понятие дальнодействия, а не близкодействия, как считается в различных учебниках. При выводе уравнения для электромагнитных волн одновременно применяются операции дивергенции и ротора, что допустимо математически, но исключено с физической точки зрения, так как данные операции отражают различные и несовместимые друг с другом состояния потенциального и вихревого полей.

В 4-ой главе книги обсуждаются основы квантовой механики, исходя из идей де Бройля и Шредингера. Согласно этим авторам движение частицы (электрона, нейтрона и др.) описывается сопряженной с ней пси–волной. В сущности, все основные соотношения квантовой механики получаются из выражения для плоской волны, записанного в виде экспоненты с комплексным показателем степени. Выявлена особая роль мнимой единицы при выводе уравнения Шредингера и принципа неопределенностей Гейзенберга. Уравнение Шредингера оказывается просто следствием волнового уравнения, составленного из вторых производных от экспоненты по времени и по пространству. Согласно теории де Бройля пси-волна для частицы, движущейся со скоростью V, должна перемещаться с огромной фазовой скоростью V = c² / V, где c – скорость света. Для нее даже вакуум оказывается преломляющей средой. Именно эта огромная фазовая скорость указывает на отсутствие физического смысла у пси–волны. Кроме того, возникает следующий парадокс. Соотношение между частными производными второго порядка от экспоненты будет волновым уравнением только в том случае, если фазовая скорость будет равна произведению длины волны (lambda) на частоту (nu). Однако произведение значений lambda и nu, в свою очередь зависящих от V, существенно отличается от V. Этот результат вместе с несостоятельностью лорентцевских преобразований, использованных для определения V, к сожалению, обесценивают, рассуждения де Бройля. Что касается принципа неопределенностей Гейзенберга, то убежденность о его всеобщей применимости подвергается в книге сомнению по следующей причине. Этот принцип вытекает из представления частицы волновым пакетом. Но волновой пакет очень быстро расплывается со временем. Он не может характеризовать электрон в стационарном состоянии, например, на атомной орбите. Кроме того, возникают трудности, обусловленные неизвестностью времени отсчета с момента формирования волнового пакета. Сам по себе принцип неопределенностей Гейзенберга становится фиктивным, поскольку частица на самом деле не может размазываться в пространстве.

Большая путаница существует по поводу давления, оказываемого поверхностью на внутренность конденсированного тела. В учебниках и периодической литературе укоренилось представление об избыточном давлении Лапласа, обусловленном поверхностными силами, хотя ряд ученых (Рэлей, Хвольсон и др.) выступали с критикой этого утверждения. В книге анализируется проблема поверхностных и внутренних напряжений в малых жидких и твердых частицах с помощью статистической механики, теории вириала и условий равновесия системы. Показана ошибочность формул Лапласа, Боголюбова, Кирквуда и др., указывающих на наличие поверхностного давления. Твердо установлено принципиальное отсутствие такого давления и получено фундаментальное уравнение для скачка химического потенциала на границе малой конденсированной частицы, из которого естественным образом вытекают известные формулы Кельвина, Томсона и Вульфа. Учет скачка химического потенциала на границе раздела фаз позволил построить непротиворечивую термодинамику малых частиц.

Наряду с критикой ряда теорий в книге приводятся собственные соображения и модели автора. Прежде всего, развиваются идеи Г. Герца о скрытых жестких связях, управляющих перемещениями масс в равномерно и прямолинейно движущейся замкнутой системе. Принимая в качестве таких связей потенциальную энергию, выведены все основные уравнения классической механики для голономной системы с электростатическими или гравитационными взаимодействиями частиц, не прибегая к понятию силы. Далее показано, что заряды, движущиеся в магнитном поле, являют собой пример неголономной системы, для которой аналитическая механика Лагранжа неприменима, вопреки существующей практике. Указывается, что механика Герца более приемлема, чем общая теория относительности, так как эта механика действует в обычном трехмерном пространстве и сводит все взаимодействия к изменению привычной потенциальной энергии, тогда как гравитация в общей теории относительности развивается в математическом мире четырехмерной римановой геометрии.

Интересными являются трактовки автором книги понятий принципа относительности и времени. В отличие от общепринятого определения принципа относительности, базирующегося на линейных преобразованиях координат систем, движущихся друг относительно друга с постоянной скоростью, автор предлагает считать принцип относительности характеристикой инерциальных систем в следующей формулировке: "Законы физики одинаково справедливы во всех инерциальных системах, независимо от их относительной скорости и каких-либо преобразований координат". Отклонения от этого определения могут быть выявлены экспериментально по наличию инерционных сил (центробежных или кориолисовых), а также по нарушению законов электродинамики. Согласно специальной теории относительности, наблюдатель одной из систем судит о физических законах другой системы с помощью преобразований Лорентца. Но так как эти преобразования оказываются фиктивными, то он не может ничего сказать о том, какие законы физики действуют в любой другой движущейся системе. Поэтому определение принципа относительности, даваемое автором книги, выглядит более убедительно. Оно позволяет обходиться без туманных принципов теории относительности, приводящих к ряду парадоксов.

Что касается понятия времени, то автор, опираясь на материалы сборника статей французских ученых "Время и современная физика "(М.: Мир, 1970), рассматривал время как характеристику движения. Это позволило ему разработать модель "мерцающих частиц", согласно которой электроны, нейтроны и фотоны представляют собой сгустки (кванты) энергии, непрерывно превращающиеся из одного состояния в другое с частотой nu. Такими взаимосвязанными состояниями могут быть масса (m₀) и заряд (e) электрона или динамическая масса (m_d) и локальное электрическое поле (E) фотона. Рассматривая период Т= 1/nu превращения кванта энергии из одного состояния в другое как единицу времени идеальных часов, перемещающихся со скоростью V, автор предположил, что этот период есть функция всех движений кванта энергии. Или по- другому: частота nu пропорциональна сумме внутренней (m₀c²) и внешней (m₀V²/ 2) энергий рассматриваемого кванта. Допуская, что превращения кванта энергии происходят со скоростью света, основное уравнение модели мерцающих частиц (закон сохранения энергии) записывается в виде (см. книгу)

h nu = m₀c² + m₀V²/ 2 + W,

где h –коэффициент пропорциональности, W –потенциальная энергия частицы. В случае фотона производится замена m₀ –> m_d и V считается скоростью движения излучателя.

Каждая характеристика частицы (масса, заряд, локальное поле) описывается гармоническим осциллятором с частотой nu, определяемой данным выше законом сохранения энергии. Движение частицы уподобляется волне, распространяющейся вдоль ее траектории со скоростью частицы.

Простая модель мерцаюших частиц позволила автору книги успешно объяснить эффект Доплера, зависимость массы от скорости ее движения, соотношение Эйнштейна Е = mc², изменение частоты фотона и искривление его траектории в гравитационном поле массивного тела, эффект Зеемана. Удалось также показать, что движение фотонов подчиняется уравнениям Максвелла, получить формулы Планка, де Бройля и уравнение Шредингера, определить угловой и магнитный моменты электрона, которые согласовались с известными данными. Между тем угловой момент фотона оказался в два раза меньше общепринятого значения, что подтверждается результатами измерений эффекта Садовского. Модель дает также возможность простого определения спектроскопических квантовых чисел, не прибегая к сложным расчетам квантовой механики.

Создание модели, позволяющей ясно и просто объяснить большое количество разнообразных физических явлений, а также дать наглядный синтез волновых и корпускулярных свойств атомарных частиц, является, безусловно, большой заслугой автора книги. Сама книга написана увлекательно живым выразительным языком с чувством юмора. Несомненно, она порадует всех, кто интересуется проблемами фундаментальных представлений физики.

Опечатки

Дополнительный список