Моисеев Б.М. Теория относительности и физическая природа света

Оглавление

Предисловие автора

Физика – фундамент современной науки и, следовательно, цивилизации в целом. Желаем мы того или нет, но развитие физики определяет и потенциальный уровень благосостояния, и реальный уровень безопасности общества. Торможение развитию науки, и, в первую очередь, – физики, независимо от причин, ведет к неизбежному экономическому ослаблению общества и потере государством, где это происходит, экономической и политической независимости.

Успешное поступательное развитие физической науки требует безукоризненной чистоты ее логического и экспериментального базиса. К основам науки всегда должно быть пристальное внимание. Наши представления о физической реальности, говоря словами Эйнштейна, никогда не могут быть окончательными, и ученые всегда должны быть готовы изменить эти представления, то есть изменить аксиоматическую базу физики, чтобы обосновать факты восприятия логически наиболее совершенным образом. В действительности так и происходит – даже беглый взгляд на развитие физики показывает, что ее аксиоматическая основа с течением времени испытывает глубокие изменения.

Логические и экспериментальные основы физики – основной научный интерес автора с юношеских лет. Физическая природа света – одна из таких проблем. Некоторые размышления на эту тему были депонированы в 1998–99 годах [1–4] и опубликованы двумя небольшими книжками в 2001 и в 2004 годах [5–6]. На эту же тему были прочитаны доклады на международных Конгрессах "Фундаментальные проблемы естествознания и техники" (Санкт-Петербург, 2002 и 2004) [7–11] и на международных конференциях "Пространство, время, тяготение" (Санкт-Петербург, 2002 и 2004) [12–17], а также представлен стендовый доклад на международной конференции "Физические интерпретации теории относительности" (Москва, 2003).

Современная теория света – релятивистская, поэтому приближение к пониманию физической природы света тесно связано с осознанием роли и значения теории относительности (ТО) в современной физике. По этой причине первая глава книги посвящена общефизическому анализу ТО – в основном специальной теории относительности (СТО). Физическим аспектам общей теории относительности (ОТО), базирующейся на СТО, а также космологии, базирующейся на ОТО, уделено меньше внимания. Это не популярное изложение и не учебник по ТО – это научное издание. Предполагается, что читатель знаком и с ТО, и с обсуждаемыми проблемами. Но автор стремился написать книгу как можно проще, не перегружая математикой, чтобы понять высказанные идеи смогли как можно больше читателей.

Во второй главе критически рассматриваются как некоторые из общепринятых концепций, так и распространенная сегодня методология построения физической теории, поэтому совершенно естественно, что с позиций существующей фундаментальной физико-математической науки в ней все спорно. По этой причине автор не принимает возможное обвинение в неграмотности, которое встречается в академической среде по отношению к отклонившимся от общепринятых фундаментальных основ, но готов согласиться с обвинением в непослушании. Руководствуясь правилом Дайсона, вынесенным в эпиграф работы, автор считает его основой истинно научной стратегии [18].

Теоретические гипотезы в науке важны как возможностью предсказания новых эффектов, так и способностью усовершенствовать существующую теорию. Устранение противоречий, упрощение исходных положений может стать ключевым моментом в процессе познания. В третьей главе предлагаемой вниманию читателей книги представлена теоретическая гипотеза о физической природе света. Автор развивал свою идею, руководствуясь физической интуицией и внутренней логикой физического процесса, базируясь не на математических идеях, а на уже накопленном наукой экспериментальном и наблюдательном материале.

Автор писал о физике и для физиков в первую очередь, однако внутренняя логика работы привела к тому, что затронуты и философские, и социальные проблемы. Есть основание считать, что многое из того, что высказано в данной работе в более широком плане, с выходом за рамки физической науки, имеет достаточно большое число как сторонников, так и просто интересующихся, поэтому затронутые проблемы имеют право на обсуждение. Для обоснования и подтверждения этого тезиса в работе приводится множество цитат, но бульшая часть публикаций по затронутой проблеме не вошла в библиографический список. Только обзор современных публикаций превысил бы объем этой книги. Поэтому автор уверен в актуальности затронутых проблем, а также в том, что он не одинок в своей концепции. Исключительная и парадоксальная роль ТО в современной науке требует пристального внимания и всестороннего анализа – не только физиков, но также философов, историков науки и даже политиков.

Теоретические и экспериментальные основы физики – очень неблагодарная область исследования. Как правило, теоретические размышления по ключевым проблемам не приносят автору научные дивиденты, если выполняются вне рамок какой-либо научной школы. Исследователей-одиночек не защищает никто, а нападают на них все. Кроме того, у большинства ученых, особенно в возрасте, наблюдается болезненное отношение к изменению основ. Всегда проще переделать крышу, чем фундамент или стены – это ясно даже не строителю. Фундамент же проще не переделывать, а латать – клеями, растворами, мастиками. По этой причине автор не ожидает того, что работа будет принята восторженно, но будет благодарен всем, кто сможет прислать аргументированные замечания по существу работы. Возражения, базирующиеся на вере в любимую теорию, а также основанные на комфортной позиции "никого не трогать и ничего не менять", переубедить автора не смогут.

К наиболее важным, ключевым аспектам обсуждаемой проблемы автор возвращается многократно, в разных местах книги, поэтому деление материала на главы и параграфы весьма условно. Автор осознает, что аргументация по каждой из обсуждаемых проблем, рассеянная по всей книге, неудобна для читателя, желающего познакомиться не со всей работой, а всего лишь с некоторым материалом. Но те из читателей, кто пожелает прочитать работу целиком, благодаря такому "литературному" приему смогут увидеть затронутые проблемы в той взаимосвязи, которая обычно не учитывается при формализации физических задач.

Жанр книги, по мнению автора, относится к несуществующему, но необходимому в физической науке методу общефизического анализа (ОФА). ОФА близок философии, занимающейся анализом знаковых систем, так как ОФА использует естественный язык с присущими ему ограничениями при формировании новых идей с использованием старых понятий. ОФА близок теоретической физике, в основе которой – количественный анализ, так как физика – наука условно точная, и количественные соотношения пронизывают физическое мышление. Но это не философия, так как не используется принятая в философии терминология, и это не теоретическая физика, так как математический аппарат не в центре внимания. Это анализ физических явлений и описание физических законов с точки зрения физического смысла – здравого смысла, заложенного в человека генетически и сформированного при взаимодействии его с окружающей физической средой.

Примеры в тексте книги показывают, что сегодня под физикой теоретики понимают нечто другое – не то, что понимает под термином "физика" остальная часть человечества сегодня, и что реально составляло содержание физической науки вчера. ОФА необходим для устранения того перекоса, который совершился из-за тотальной математизации физической науки. ОФА – это просто другое наименование нормальной классической физики, но возврат к термину "классическая физика" затруднен тем, что классическая физика в представлении математиков противопоставлена квантовой физике, а стереотипы мышления преодолеть трудно. Математики, работающие в физике, считают, что другое уравнение – это уже другая физика. Когда в центре внимания математический аппарат, другого и быть не может. Для физика же переход к другим уравнениям – это просто изменение количественных соотношений, а физический смысл и в классической физике, и в квантовой физике – не изменяется. Некоторое исключение составляет релятивистская физика, в которой предпринята попытка изменить физическую логику. Уникальность и экзотичность такого подхода и стимулировала появление на свет этой книги.

Термин "общефизический анализ" не должен рассматриваться как претензия автора на новый раздел науки. Это нейтральный термин, это просто синоним нормальной физики, и его назначение – объединить классическую и квантовую физику. Тем, кто занимается прикладными физическими проблемами, это замечание, может быть, и непонятно, так как они занимаются и всегда занимались нормальной физикой. Центр обсуждения в данной работе – проблемы и идеи фундаментальной науки, оторванной, при поверхностном взгляде, от прикладных задач. Фактически же заблуждения фундаментальной науки имеют огромные последствия для науки в целом и для прикладных проблем в частности.

Следует отметить, что коллеги и организация, в которой автор работает, не несут ответственности за содержание книги и научную позицию автора, которая, в свою очередь, не влияет негативно на выполнение им служебных обязанностей. В этих условиях тем более приятно выразить искреннюю благодарность тем немногим из коллег, кто своим интересом к работе стимулировал ее продолжение.

Введение

Несмотря на гигантские успехи в прикладных исследованиях, на фундаментальных направлениях современной науки накопилось большое количество мусора, десятилетиями заметаемого под ковер. Если Вселенная расширяется, охлаждаясь, то почему рождаются новые звезды? Когда прекратится их рождение? Откуда для этого берется материя? Если красное смещение вызвано доплер-эффектом, то почему свет от некоторых удаленных галактик имеет не красное, а фиолетовое смещение? Что такое световая волна и почему точечный фотон может иметь длину волны, измеряемую километрами? Если межзвездная среда (эфир, физический вакуум и т.п.) существует, и свет распространяется в этой среде, то как скорость света может быть численно одинаковой для всех наблюдателей, движущихся с разными скоростями относительно этой среды?

Подобные проблемы, на первый взгляд – неразрешимые, в физике существовали всегда. В Средние века они решались привлечением идеи Бога. В современном мире наиболее трудные из них решаются формально-математически, при этом часто единственным критерием истинности является математическое совершенство и красота [19]. Мы не знаем точно, что происходит под землей на глубине нескольких десятков километров, но рассуждаем о жизни Вселенной по минутам и даже секундам. Математика, не изучающая природу процесса, а лишь дающая количественные соотношения, позволяет объединить принципиально противоположное, например – точечную частицу и протяженную волну, СТО и квантовую модель – то, что принципиально различно в своих исходных положениях [20]. Только в последнее десятилетие начали появляться работы, посвященные объективному анализу роли математики в современном естествознании [21, 22].

Чтобы автор не был понят искаженно, рассмотрим несколько замечаний, проясняющих его отношение к затронутой проблеме – роль математики в естествознании. Начнем с бытового примера. Отношение человека к любому факту или событию имеет свою тонкую структуру. Нам нравится то, не нравится это, нравится или не нравится сочетание того с этим и т.д. Мы обсуждаем, осуждаем, анализируем, различаясь в деталях, но по отношению к любому факту или событию всегда принадлежим к одной из двух партий – нам что-нибудь или в целом нравится, или в целом не нравится. Мы порой не осознаем, почему, но одно принимаем и тогда говорим, что это наша точка зрения, а другое не принимаем и пытаемся доказать, что это ошибочная точка зрения.

Наука, в частности, физика – часть нашей жизни. Ученые глубже и детальнее анализируют факты и события, – спектр мнений ученых по любым проблемам богаче. Тем не менее, восприятие любого научного факта или теории поляризует научное сообщество также на две группы. Одни считают, что невидимый непосредственно микромир и неохватываемый взором мегамир могут изучаться только математически. Такие ученые воспринимают и признают только математические теории. Ландау, например, видел величие современной теоретической физики в том, что можно правильно описать явление без его мысленного образа; не только описать, но и предсказать результат измерений с большой точностью. Широко известно ставшее крылатым высказывание Вигнера о непостижимой эффективности математики в естественных науках.

Другие считают, что истинное познание природы невозможно без логической реконструкции физического механизма явления. Для таких ученых математический этап познания – состояние временного компромисса, и подлинную ценность может иметь лишь та теория, которая не только описывает, но и может объяснить внутреннюю логику того, что нам является в наблюдениях и экспериментах.

По нашему мнению, принадлежность ученого к той или иной партии предопределена от рождения и, по-видимому, не может быть изменена. В 1972 году врач Орнстайн (США) установил, что полушария мозга человека специализированы [23]. У правшей (а таких людей больше) левое полушарие ответственно за формирование понятий, в том числе абстрактных, за конкретно-ситуационный анализ признаков этих понятий. Мышление людей с более развитым левым полушарием – это мышление категориальное, прагматичное, вербальное. В правом полушарии формируются чувственные образы реального мира, наглядные образы, аналогии, ассоциации. Мышление людей с более развитым правым полушарием слабо вербализовано – преобладают интуиция, догадка, чувственные и наглядные образы.

В науке полезны как те, так и другие качества. И математический (абстрактный), и физический (содержательно-образный) способы познания имеют свои преимущества и достоинства. Когда-то так и было; большие результаты были получены не только левополушарниками, но и правополушарниками. Фарадей, например, в своих научных публикациях практически не использовал формул. Целое математическое направление – интуиционизм, могли развивать только правополушарники.

Хотя Эйнштейн считал, что ни один ученый не мыслит формулами, по отношению к современной теоретической физике этого сказать нельзя. Сегодня монопольная власть в науке принадлежит левополушарникам. Современные теоретики также отрицают физические образы, как Платон отвергал физические соображения Евдокса и Архита для доказательства математических истин; Платон считал, что доказательство, построенное на чувственных восприятиях и образах, а не на чистых рассуждениях, подрывает основы геометрии [24].

Нельзя отрицать то, что математика – не только язык и количественный аппарат науки, но и катализатор научного поиска. В истории науки немало примеров математического предсказания будущих физических открытий, например, математическое "открытие" планеты Нептун астрономом Леверье. Но признание роли математической эвристики не исключает необходимости введения естественного ограничителя. Математические решения могут опережать понимание физической природы явления, но не могут заменить это понимание, не могут объяснить, каково соотношение между реально существующим и логически возможным [25]. Всем известно, что 100 кошек + 100 кошек = 200 кошек. А сколько будет: 100 кошек + 100 котов? Математик это рассматривать не будет. Как заметил Рассел, математика может быть определена как доктрина, в которой мы никогда не знаем ни о чем говорим, ни того, верно ли то, что мы говорим [26].

Математическое решение – потенциально возможное, результат эксперимента – реально существующее, а мостик между ними – интерпретация результатов эксперимента. Интерпретация может быть абстрактно-математической или предметно-образной; численное большинство тех или других ученых и определяет научный характер эпохи. Сегодня на фундаментальных направлениях физики принята абстрактно-математическая интерпретация, и это, как справедливо заметил Агафонов [27], отчуждает от физики огромную армию инженерно-технических работников. Квантовый идеализм [28], математическая экзотика абстрактных пяти- или одиннадцатимерных кручений или "вежливая форма религиозности" [29] далеки от того реального физического мира, в котором призван творить инженер.

Для развития физической науки, сбалансированного по интеллектуальным затратам и гармоничного по соотношению между достигнутым и понятым, в методах исследования должны конкурировать и взаимно дополнять друг друга конкретное и абстрактное, содержание и форма, сущность и явление. Когда наука не была массовым социальным явлением, в науку приходили не в результате специализированного отбора, а исключительно по желанию и экономическим возможностям. При этом баланс сил был гарантирован отсутствием критериев целевого отбора, то есть равной вероятностью прихода в науку право- и левополушарников. Но в конце XIX – начале XX вв. произошла гигантская по своей значимости и последствиям флуктуация (влияние социальных факторов на формирование теорий в этот период развития науки детально анализирует Низовцев [30]). Примерно в это время в физике появляется специализация – разделение на теоретиков и экспериментаторов. Теоретики оказались людьми с преимущественно абстрактным, левосторонним стилем мышления. Они же оказались социально активнее. Когда вскоре физика стала превращаться все в более и более массовую профессию, определился характер отбора – в основном по математическим способностям. Это, в свою очередь, определило характер воспроизводства кадров в физике на долгие годы, и таков характер отбора до сих пор.

Поразительный факт – в стране с развитой физической наукой формально нет науки физики. По крайней мере, ее нет в номенклатуре ВАК – есть лишь "физико-математика", или физматика. Поэтому не стоит удивляться тому, что на физический факультет труднее всего сдать вступительный экзамен по математике, что студентов-физиков младших курсов чаще всего отчисляют за неуспехи по математике, что преподавание курса общей физики все более и более математизируется [31], а лабораторный практикум физиков все чаще заменяется виртуальным компьютерным. Сама физическая наука не только излагается на математическом языке, но в своих высших разделах представляет собой комплекс математических концепций. На конференциях по физике часто обсуждаются проблемы сугубо математические; используя физическую терминологию, теоретик зачастую не только не приводит численных оценок, но даже не пытается связать результаты с реальным миром, с экспериментом. Как было замечено на конференции по квантовой теории поля (Бостон, 1996), физика стала языком, на котором разговаривает математика [32].

Сегодня трудно сказать, какой процент ученых, считающихся физиками, работает над решением физических проблем, а сколько из них развивает математический аппарат. Существующая в ВАК структура специализаций не отражает истинной картины, так как внутри сугубо физической специализации может развиваться совершенно абстрактная математика, лишь косвенно связанная с физикой в виде интерпретации математических символов с использованием физической терминологии.

Предметно-ориентированная классификация наук, например – биология, химия – в случае с физикой, в виде логически необоснованного прецедента, заменена методо-ориентированной классификацией. Метод в физической науке стал важнее содержания. Пример тому – публикация экономико-математических статей в центральном физическом журнале, в разделе "Математическая обработка данных физического эксперимента" [33, 34].

Так есть, но так не должно быть. Физматика в номенклатуре ВАК должна быть разделена на физику и математику. В физике должны защищаться физические результаты, независимо от метода из получения. В математике должны защищаться математические модели и методы, независимо от области их применения. Физические идеи на стадии исследования до получения результатов должны защищаться как философские, ибо философия играет роль преднауки и сверхнауки одновременно.

Несколько замечаний о социальных условиях, в которых протекает научное творчество. В среде далеких от науки современников существует мнение, что ученые – это люди со смелым, раскованным мышлением, что наука – это царство логики и свободы мнений, что новые научные идеи – долгожданное и радостное для всех событие, и что носители новых идей – уважаемы и почитаемы благодарными коллегами.

Такие представления – миф. Наука не была бы социальным институтом, если бы в ней не соблюдались жесткие правила и ограничения. В науке нельзя быть свободным художником. Чтобы заявить о себе, надо в начале пути, как правило, поработать на кого-то, на чью-то физическую идею. В ожидании права на собственное мнение проходят годы, уходят бесследно молодость и силы. Именно поэтому и в основном поэтому "наука требует жертв", хотя обычно считается, что эта крылатая фраза подразумевает материальные жертвы (впрочем, такое мнение тоже недалеко от истины). От ученого требуется безусловное выполнение принятых большинством правил игры. Несоблюдение всеобщего "конкорданса" [35], например, непринятие второго постулата СТО или идеи Большого Взрыва Вселенной (БВВ), безжалостно подавляется. Защита диссертаций превратилась в строго выполняемый ритуал, в котором подтверждается квалификационный уровень, то есть умение решать задачи внутренние (вопросы решаются в рамках существующей теории) или эмпирические (вопросы решаются экспериментально и не требуют обращения к теории). Значительно реже в диссертациях решаются задачи эмержентные – непредвидимые, качественно новые, ставящие новые проблемы. Практически не решаются в рамках диссертаций метавопросы – те вопросы, которые не могут быть решены в контексте теории. По Глэшоу, научная дисциплина без метавопросов (например, есть ли внутренняя структура у электрона?), не является фундаментальной [32]. По нашему мнению, диссертация, в которой сделана попытка принципиально по-новому решить фундаментальные физические проблемы, не сможет пройти процедуру защиты.

Система пожизненных званий и догмат о непогрешимости носителей этих званий, анонимность рецензентов ведущих научных журналов, а также некомпетентность общественности охраняют устои научного мира от потрясений. Тотальная математизация фундаментальной физики не позволяет понять суть научных проблем и полученные результаты не только широким кругам интеллигенции, но даже философам и инженерам – то есть тем, чья профессиональная деятельность граничит с фундаментальной наукой. Математический аппарат современной физики даже для физиков, занимающихся реальными проблемами – как французский язык дворян для горничных или латынь врачей для больных.

Положение усугубляется тем, что наука, как социальный институт, несвободна от пороков общества в целом. Система науки поражена безымянным вирусом, который позволяет энергичному хищнику, даже при отсутствии таланта, делать карьеру быстрее, чем оригинальному и глубокому, но неспешному и кроткому мыслителю. Мы знаем много заслуженных авторов открытий и изобретений, но нет и не может быть уверенности, что это истинные авторы. В соответствии с принципом Арнольда [36], если какой-нибудь предмет имеет персональное наименование (например, теорема Пифагора, или Америка), то это никогда не бывает имя первооткрывателя. Это всегда имя какого-то другого человека. Америка, например, не называется Колумбией, хотя открыл ее Колумб.

Такова суровая действительность. Тем не менее, принципиально новое может появляться, и появляется – если не благодаря, то вопреки. Эволюция допускает флуктуации социальных условий. Общественные реформы последних 15–20 лет дали возможность увидеть, что в среде ученых по отношению к фундаментальным проблемам физики нет ни благодушия, ни единодушия.

По Декарту, истинная наука начинается с того, что человек отбрасывает принятое на веру и строит все заново на основе логики и опыта. Как правило, такая практика порождает жизненные проблемы и лишения; например, глубоко верующий человек – Лев Толстой, был за вольнодумство отлучен от Церкви. Не исключение и сфера науки, в которой и сегодня очень легко стать "лжеученым".

В фундаментальной науке предостаточно противоречий на уровне аксиом. Почему же они мирно уживаются с экспериментальной по происхождению и сути наукой – физикой? Ответ прост – принятые однажды и воспроизводимые до сих пор правила игры, своеобразный религиозный культ – культ математики. У математического культа мощные корни – гносеологические, исторические, психологические, социально-политические и даже генетические; когда-нибудь и кем-нибудь будет выполнен объективный и исчерпывающий анализ истинной роли математики в естествознании.

Есть мощный пласт научных задач, при решении которых математика абсолютно необходима. Есть задачи, решаемые интуитивно или эмпирически, но для украшения и обоснования принято привлекать стандартный математический ритуал. Гинзбург по этому поводу заметил: "...Большинство новых физических результатов было получено сравнительно простыми способами, а "математизация" осуществлялась лишь на последующих этапах" [37]. Но есть в фундаментальной науке проблемы, при разрешении которых математика бессильна. Именно такие задачи в настоящее время чаще всего пытаются решать математически.

История учит: за периодом расцвета науки могут следовать века застоя. Несмотря на обильные плоды научного знания, XX век сильно приблизился к возможному началу глобального научного застоя. Если экономика, подавив инициативу и изгнав конкуренцию, стремится к упадку, то наука, подавив сомнения и изгнав альтернативу, совершает самоубийство.

Противоречия и парадоксы фундаментальных теорий – это не злонамеренные козни или ошибки отдельных личностей. Вся совокупность современных научных теорий – это порождение того метода мышления, к которому пришло человечество в результате эволюции. Хрустальный купол небес, теплород, теория относительности – это этапы постижения мира человеком, это как детские болезни, которыми надо переболеть. Чтобы продвинуться вперед в понимании окружающего нас мира, нужно анализировать не только эксперименты и теоретические концепции, но и метод мышления. Возвращение к рациональному и материалистическому методу мышления, по мнению автора – ключ к решению многих научных проблем. Нужно ли это сегодня человеческому сообществу – вопрос, выходящий за рамки данной книги.

Об авторе

Моисеев Борис Михайлович

Физик, кандидат технических наук, доцент кафедры общей и теоретической физики Костромского государственного университета. Почетный работник высшего профессионального образования Российской Федерации. Сфера научных интересов включает прежде всего специальную теорию относительности, с которой автор познакомился еще в студенческие годы. Ее математическая основа не вызывала затруднений, согласованность теории с экспериментом не подвергалась сомнению, но был непонятен исполнительный механизм второго постулата СТО. Именно желание понять явление на физическом уровне определило дальнейший образ жизни и характер научных и жизненных устремлений. Б. М. Моисеев — автор более 140 научных и научно-методических публикаций, в том числе 6 монографий, среди которых: «Теория относительности и физическая природа света» (М.: URSS), «Физическая модель светового кванта» (М.: URSS), «Кризис физики и проблемы методологии» (М.: URSS).