Шашкин П.А.

Динамика вещественных систем:
Строение электронных и механических систем без теории Максвелла и квантовой механики. Неполнота динамики Ньютона

Oglavlenie

Ot izdatel'stva

Eta kniga prodolzhaet seriyu "Relata Refero" (doslovnij perevod -- rasskazivayu rasskazannoe).

Pod etim grifom izdatel'stvo predostavlyaet tribunu avtoram, chtobi viskazat' publichno novie idei v nauke, obosnovat' novuyu tochku zreniya, donesti do obschestva novuyu interpretatsiyu izvestnikh eksperimental'nikh dannikh.

V spore raznikh tochek zreniya tol'ko verdikt Velikogo sud'i -- Vremeni -- mozhet stat' reshayuschim i okonchatel'nim. Sam zhe protsess poiska Istini khorosho kharakterizuetsya izvestnim viskazivaniem Aristotelya, vinesennim na oblozhku nastoyaschej serii: avtoritet uchitelya ne dolzhen dovlet' nad uchenikom i prepyatstvovat' poisku novikh putej.

Mi nadeemsya, chto publikuemie v etoj serii teksti vnesut, nesmotrya na svoe otklonenie ot ustanovivshikhsya kanonov, svoj vklad v poznanie Istini.

Vvedenie

Mir, okruzhayuschij nas, materialen. On sostoit iz vechno suschestvuyuschej i neprerivno dvizhuschejsya materii. Osnovoj materii sleduet priznat' efir -- sovokupnost' mel'chajshikh bolee nedelimikh chastits s prostejshej postupatel'noj nekogerentnoj formoj dvizheniya (sostoyanie khaosa).

Odnako v Prirode kineticheskoe sostoyanie khaosa dinamichno s vektorom effektivnogo preobrazovaniya kineticheskoj energii ego nekogerentnogo dvizheniya v potentsial'nuyu energiyu (printsip minimizatsii energii), yavlyayuschuyusya kharakternim priznakom uzhe material'noj strukturi [45].

Nainizshej formoj material'noj strukturi yavlyayutsya chastitsi -- proton i elektron. Vozniknovenie etikh chastits svyazivaetsya s lokal'nim uslozhneniem iskhodnoj formi dvizheniya efira, naprimer, do vikhrevoj [46], s plotnost'yu chastits, na mnogo poryadkov previshayuschej plotnost' ikh iskhodnoj formi. Sledstviem etogo yavlyaetsya vozmozhnost' vzaimodejstviya voznikshej chastitsi so sredoj, ee porodivshej, s vozniknoveniem potentsial'noj voronki. Eti chastitsi chrezvichajno stabil'ni, so vremenem zhizni, otsenivaemim v milliardi let. Tak voznikaet preobrazovanie kineticheskoj energii efira v potentsial'nuyu energiyu material'noj strukturi.

Eti stabil'nie chastitsi v svobodnom sostoyanii ne suschestvuyut, a, ob'edinyayas', obrazuyut ierarkhicheskuyu sistemu: efir --... -- yadro (proton, nejtron), atom (yadro, elektroni), molekula, veschestvo, sistema tipa Solnechnoj i t.d., chto i sostavlyaet sut' estestva Prirodi. Formirovanie kosnoj strukturi, v sootvetstvii s zakonom sokhraneniya energii, idet do opredelennogo sostoyaniya. Posle chego nachinaetsya obratnij dezitegratsionnij protsess, t.e. prevraschenie potentsial'noj energii v kineticheskuyu do vozvrascheniya materii v iskhodnoe efirnoe sostoyanie.

V razlichnikh chastyakh Vselennoj idut neprerivnie protsessi: kak formirovaniya kosnoj materii, tak i ee raspad s podtverzhdeniem vechnosti i neunichtozhimosti materii.

Na opredelennikh urovnyakh ierarkhicheskoj sistemi, a imenno veschestvennoj materii, gde veschestvo suschestvuet triedinstvom -- gazom, zhidkost'yu, tverdim telom -- Priroda "podarila" zhivuyu materiyu, nachinaya ot mikroorganizma do cheloveka. Evolyutsionnij put' zhizni zhivoj sistemi nichtozhno mal po sravneniyu s kosnoj sistemoj, chto i daet povod dlya priznaniya funktsionirovaniya estestva Prirodi v kachestve "vechnogo dvigatelya", t.e. otvechaet ravnovesnomu, vnevremennomu sostoyaniyu.

Evolyutsionnij put' razvitiya zhivoj sistemi suschestvuet tol'ko determinizmom, kharakterizuemim dlitel'nost'yu i povtoryaemost'yu. Vot zdes'-to i poyavlyaetsya fenomen "vremya", rozhdennij mishleniem cheloveka.

Lyubaya prakticheskaya deyatel'nost' cheloveka svyazana s vtorzheniem v edinstvo estestva Prirodi i poetomu mozhet proyavlyat'sya tol'ko v ramkakh prichinno-sledstvennoj svyazi. Chelovechestvo uverovalo v nepokolebimost' prichinno-sledstvennoj svyazi i eto pozvolilo viyavit' bespretsedentnoe kolichestvo novikh fizicheskikh protsessov i yavlenij kosnoj materii, ne proyavlyaemikh estestvom Prirodi pri estestvennom ego funktsionirovanii i sposobstvuyuschikh v opredelennoj mere osmisleniyu samogo etogo funktsionirovaniya.

Istoriya poznaniya okruzhayuschego Mira ves'ma pouchitel'na, dramatichna i daleka ot zaversheniya, i ee uslovno mozhno razbit' na dva etapa. Na pervom istoricheski ochen' dolgom etape poznaniya fizicheskikh yavlenij bol'shuyu rol' igralo chuvstvennoe vospriyatie okruzhayuschej Prirodi, sostavlyayuschee sut' obidennogo opita, na chem i formirovalas' model' okruzhayuschego Mira.

Obidennie nablyudeniya (sut' modeli poznaniya Ptolemeya) za dvizheniem nebesnikh svetil svidetel'stvuyut o dvizhenii Solntsa vokrug Zemli. Chelovechestvo zhilo v polnom soglasii s etim opitom mnogie sotni let, i imenno ptolemeevskaya epokha privela k zarozhdeniyu i razvitiyu drevnejshikh nauk -- mekhaniki i matematiki.

Odnako Kopernik na osnove bogatogo voobrazheniya ponyal i dokazal obratnoe: Solntse yavlyaetsya tsentrom planetnoj sistemi, t.e. ne Solntse vraschaetsya vokrug Zemli, a Zemlya obraschaetsya vokrug Solntsa. V nauke bil sovershen moschnejshij proriv v poznanii Prirodi, privedshij k zarozhdeniyu klassicheskoj mekhaniki s eksperimental'nim podtverzhdeniem idej atomizma. Sistemi, v kotorikh vzaimodejstvie ogranichivaetsya urovnem atoma (molekuli), otnosyatsya k mekhanicheskim sistemam s oblast'yu ikh evolyutsii v evklidovom prostranstve, opisivayutsya dinamikoj N'yutona. Klassicheskaya mekhanika so vremen Galileya dovedena do visochajshej stepeni sovershenstva, i na osnovakh kotoroj do sikh por zhivet tsivilizatsiya.

Uspekhi mekhaniki predopredelili razvitie sleduyuschej dinamiki, ili vtoroj etap poznaniya prirodi fizicheskikh yavlenij, svyazannij s eksperimental'nim proniknoveniem v novij mir, nedostupnij organam chuvstvennikh vospriyatij -- mikromir s otkritiem esche odnogo "atomizma" -- diskretnosti elektricheskogo zaryada i nositelya elementarnoj portsii etogo zaryada -- elektrona. Zaryazhennaya chastitsa vozbuzhdaet v okruzhayuschem ee prostranstve silovoe vozdejstvie, narechennoe Faradeem elektromagnitnim polem. Bili predprinyati popitki svesti elektromagnitnie yavleniya k mekhanicheskim. Odnako eti popitki natolknulis' na nepreodolimie trudnosti, i prishlos' priznat' elektromagnitnoe pole, naryadu s veschestvom, esche odnim fundamental'nim vidom materii.

Sistemi, vzaimodejstvie v kotorikh osuschestvlyaetsya na urovne zaryada, nazivayutsya elektronnimi. Prostranstvom vzaimodejstviya v elektronnikh sistemakh yavlyaetsya vnutrennee prostranstvo mekhanicheskikh sistem, nazivaemoe mikromirom, i, dlya sokhraneniya odnoznachnosti ponyatij, iz nego videlyayutsya vnutriatomnie i vnutriyadernie sistemi.

Dinamika vzaimodejstviya v mikromire opredelyaetsya ne zakonami N'yutona, a zakonami klassicheskoj elektrodinamiki, teoreticheskuyu osnovu kotoroj sostavlyayut uravneniya Maksvella, polagaya, chto vse elektromagnitnie yavleniya i protsessi "zapryatani" v etikh uravneniyakh [6].

I nakonets, v predstavleniyakh sovremennoj fiziki poslednyuyu stupen' dinamiki opredelyayut vnutriatomnie yavleniya, gde dinamika opisivaetsya kvantovoj mekhanikoj.

K nastoyaschemu vremeni dostizheniya chelovecheskoj tsivilizatsii v prakticheskom plane stol' ogromni i neosporimi, chto sposobstvovalo formirovaniyu mneniya: nikakikh novikh dostizhenij, a tem bolee izmenenij ponyatijnogo apparata v osnovakh mekhaniki i elektrodinamiki, t.e. klassicheskoj fiziki, ozhidat' uzhe i nel'zya.

No parallel'no etomu vse sil'nee i s narastayuschim tempom chuvstvuetsya krizis v ponyatijnom osmislenii etikh dostizhenij. Osobenno etim videlyayutsya XIX i XX vv., prinesshie udivitel'nie eksperimental'nie otkritiya, kotorie, kak eto bilo vosprinyato fizikami, ne ukladivayutsya v ramki klassicheskikh predstavlenij.

I poyavilis' teorii, vikhodyaschie za ramki klassicheskikh predstavlenij: teoriya otnositel'nosti i kvantovaya mekhanika. Odnako, kak eto ni porazitel'no, spustya bolee chem vekovoj period suschestvovaniya, eti teorii ne mogut preodolet' glavnuyu trudnost', voznikshuyu esche pri ikh zarozhdenii; kollektivnij razum chelovechestva tak i ne sumel sopostavit' ikh matematicheskoj protsedure obschepriznannij, logicheski polnij i intuitivno ne protivorechivij ponyatijnij apparat.

Suschestvennim v perechislennikh vishe dinamikakh yavlyaetsya to, chto ikh opisanie osuschestvlyaetsya kachestvenno otlichnimi funktsional'nimi zavisimostyami. Tak, zakoni klassicheskoj mekhaniki -- zakoni N'yutona -- printsipial'no otlichayutsya ot zakonov elektrodinamiki -- zakonov Maksvella. Zakoni zhe kvantovoj mekhaniki printsipial'no nesovmestimi s klassicheskimi. Dannaya situatsiya udivitel'na, neponyatna i protivoestestvenna ierarkhicheskomu printsipu stroeniya sistem (tel) estestva Prirodi.

V dannom izdanii pokazivaetsya, chto imenno suschestvuyuschaya i ne ponyataya do nastoyaschego vremeni nepolnota ponyatijnogo apparata klassicheskoj fiziki sposobstvovala poyavleniyu neklassicheskikh ponyatij.

Tak dinamika mekhanicheskogo mira priznana nami tol'ko na urovne dinamiki N'yutona, vtoroj zakon kotoroj otrazhaet lish' preobrazovanie svobodnoj sistemoj potentsial'noj energii v kineticheskuyu. Zakon zhe sokhraneniya energii trebuet i obratnogo preobrazovaniya -- kineticheskoj energii v potentsial'nuyu. Znachit, dolzhna bit' i mekhanicheskaya sistema, otvechayuschaya etomu preobrazovaniyu, no etogo v dinamike N'yutona net.

Eta nepolnota ponyatijnogo apparata mekhaniki, sokhranivshayasya do nastoyaschego vremeni, vovse ne oznachaet, chto mi ne pol'zovalis' takoj sistemoj, i chto ee net. Na samom dele sistema eta izvestna, i pritom tak zhe stara, kak i svobodnaya sistema (telo) N'yutona, i predstavlena ona v dannom izdanii, v protivopolozhnost' svobodnoj sisteme, zakreplennoj sistemoj Guka. Intuitivno sistema Guka nami ispol'zovalas', no, k sozhaleniyu, s ponyatijnoj tochki zreniya mi ostavlyali ee za ramkami dinamiki.

Chto kasaetsya elektrodinamiki, to ona k nastoyaschemu vremeni v prakticheskom plane osvoena dazhe v bol'shej stepeni, chem mekhanika, no v ponyatijnom smisle dela zdes' obstoyat esche khuzhe, chem v mekhanike. Pochemu zhe uravneniya Maksvella vot uzhe bolee 150 let schitayutsya ventsom nepogreshimosti elektrodinamiki? Otvet prost: uravneniya Maksvella, v kotorikh yakobi "zapryatano" opisanie lyubikh elektromagnitnikh yavlenij i protsessov (i eto avtomatom privnositsya uchebnim protsessom v nashe soznanie) na samom dele nikak ne svyazani s dinamikoj elektronnikh sistem, i avtoru neizvesten ni odin primer ispol'zovaniya ikh v etom napravlenii. Odnako v prakticheskoj deyatel'nosti dinamika elektronnikh sistem nami pravil'no otrazhaetsya ispol'zovaniem pravil Kirkhgofa.

Bolee togo, ponyatijnomu apparatu elektrodinamiki esche bolee ne povezlo, poskol'ku v ee kontseptual'nie dela vmeshalas' kvantovaya mekhanika. Na etape burnogo razvitiya, otnosyaschemsya ko vtoroj polovine XIX v., na osnove mnogochislennikh opitov, kazalos' bi, bilo izvlecheno fundamental'noe ponyatie edinstvennosti nositelya toka v tverdikh telakh, kakovim yavlyaetsya elektron s otritsatel'nim zaryadom i polozhitel'noj massoj.

Odnako primerno v eto zhe vremya poyavlyayutsya i opitnie dannie, kotorie kak bi ne ukladivalis' v ramki klassicheskikh ponyatij. Eto tak nazivaemie kineticheskie (gal'vanomagnitnie) effekti (naprimer, effekt Kholla), v kotorikh est' dannie, kogda elektron dvizhetsya kak bi protiv sili, prikladivaemoj k nemu, t.e. ego povedenie takovo, chto on dolzhen imet' libo polozhitel'nij zaryad, libo otritsatel'nuyu massu. Eti eksperimental'nie dannie sozdavali v svoe vremya znachitel'nie trudnosti v elektronnoj teorii.

V nachale XX v. eksperimental'no nachinaet issledovat'sya dinamika vnutri atoma, gde v spektrakh atomov vodoroda uspeshno razobrat'sya pomogaet kvantovaya mekhanika. Odnim iz iskhodnikh dannikh kvantovoj mekhaniki yavlyaetsya uravnenie Shrёdingera i tak nazivaemie estestvennie usloviya, nakladivaemie na volnovuyu funktsiyu [20].

Eti kvantovie usloviya s ogromnoj tochnost'yu opisali spektri izlucheniya atomov vodoroda, zavoevav tem samim neogranichennoe doverie, v svyazi s chem i bili avtomaticheski pereneseni na elektronnie sistemi (drugoj ierarkhicheskij uroven' materii). Etot nepravomernij shag uvel nas v mir illyuzij, v kotorom prebivaem po sej den'.

S pomosch'yu iskhodnikh dannikh kvantovoj mekhaniki obscheprinyataya strukturirovannaya model' kristallov, kvantovannaya kak po energii, tak i po koordinate, virozhdaetsya v ee besstrukturnij analog po koordinate v vide neprerivnikh energeticheskikh zon dlya vsego kristalla (zonnaya model'). Sledstviem etoj modeli yavilos' vvedenie chuzhdikh klassicheskoj fiziki ponyatij, takikh kak tunnel'nij effekt, svobodnaya dirka, vnutrizonnoe dvizhenie. I vmesto togo chtobi iskat' otveti na upomyanutie eksperimental'nie dannie (tipa effekta Kholla) v ramkakh edinstvennosti nositelya toka v tverdikh telakh, kakovim i yavlyaetsya elektron s otritsatel'nim zaryadom i polozhitel'noj massoj, elektrodinamika prinimaet vvedennij kvantovoj mekhanikoj dualizm ego zaryada i massi. Istoricheski prizhilsya dualizm zaryada, i elektronno-dirochnaya kontseptsiya nositelej toka bila polozhena v osnovu interpretatsii stavshikh uzhe neschetnimi elektronnikh yavlenij i protsessov.

No zato vvedeniem svobodnoj dirki bili "snyati" trudnosti v elektronnoj teorii, i sobstvennaya provodimost' nemetallov stala otsenivat'sya summoj elektronnoj i dirochnoj provodimostej. Sami zhe kineticheskie effekti stali kak bi eksperimental'nim obosnovaniem samoj kvantovoj mekhaniki -- strannaya podmena prichinno-sledstvennikh svyazej.

Etim samim uzakonivalas' v elektrodinamike vozmozhnost' narusheniya zakona sokhraneniya energii s poterej prichinno-sledstvennikh svyazej, t.e. uzakonivalos' vvedenie v elektrodinamiku ponyatiya "indeterminizma". I vse eto opravdivaetsya tem, chto dvizhenie elektronov v kristallakh podchinyaetsya inim -- kvantovim (nikem ne ponyatim) zakonam, ne imeyuschim mesta v klassicheskoj fizike -- krug zamknulsya. Voznikaet vechnij vopros: chto delat'?

Otvet na nego i obigrivaetsya v dannom kratkom izdanii, ostavlyaya "za kadrom" mnogie radikal'nie ponyatiya i viskazivaniya.

Ob avtore

V 1966 g. okonchil fizicheskij fakul'tet Saratovskogo gosudarstvennogo universiteta. Rabotal v ryade nauchno-issledovatel'skikh institutov Moskvi. Prakticheskaya rabota chasto stavila voprosi, ponimanie kotorikh ne ukladivalos' v ramki suschestvuyuschego nauchnogo znaniya. Rezul'tatom analiza etikh voprosov yavilas' nastoyaschaya kniga.

P.A.Shashkin -- chlen Moskovskogo obschestva ispitatelej prirodi, kotoromu virazhaet blagodarnost' za konstruktivnuyu kritiku i podderzhku ego raboti.