Петров Ю.И.

Заблуждения и ошибки фундаментальных концепций физики. Изд. стереотип.

Oglavlenie

Otziv o knige Yu.I.Petrova "Zabluzhdeniya i oshibki fundamental'nikh kontseptsij fiziki"

Kniga predstavlyaet soboj sovershenno unikal'noe yavlenie v sovremennoj nauchnoj literature. V nej s bol'shim masterstvom analiziruyutsya fundamental'nie osnovi fiziki na urovne, dostupnom studentam mladshikh kursov visshikh uchebnikh zavedenij, v to zhe vremya sokhranen strogij nauchnij podkhod. Okhvachen shirokij krug voprosov, vklyuchayuschij klassicheskuyu mekhaniku, elektrodinamiku, obschuyu i spetsial'nuyu teorii otnositel'nosti, kvantovuyu mekhaniku, poverkhnostnoe davlenie zhidkikh i tverdikh tel, a takzhe termodinamiku malikh chastits. Viyavleni protivorechiya, nedorazumeniya i neuvyazki v matematicheskikh konstruktsiyakh razlichnikh teorij. V chastnosti, ustanovlena illyuzornost' preobrazovanij Lorenttsa (V knige ispol'zuetsya dvoyakoe napisanie familii uchenogo — kak v obscheprinyatoj redaktsii, tak i v sootvetstvii s izdaniem: Lorentts G. A. Teoriya elektronov i ee primenenie k yavleniyam sveta i teplovogo izlucheniya. (1907). M. GITTL, 1956) i osnovannoj na nikh spetsial'noj teorii otnositel'nosti. Eto sdelano original'no, putem tschatel'nogo analiza effekta Doplera. Pokazana fiktivnost' poperechnogo effekta Doplera, predskazivaemaya spetsial'noj teoriej otnositel'nosti. Kak viyasnilos', dva osnovnikh preobrazovaniya Lorenttsa okazivayutsya zavisyaschimi drug ot druga fiktivnimi sledstviyami effekta Doplera. Poetomu oni lisheni fizicheskogo smisla, v rezul'tate chego perepletenie prostranstva i vremeni v «mire Minkovskogo» viglyadit chisto matematicheskim uprazhneniem. Ustanovleno, chto vivod preobrazovanij Lorenttsa Ejnshtejnom i drugimi avtorami soderzhit skrituyu oshibku, obuslovlennuyu podmenoj koordinat dvizhuschegosya tela koordinatami dvizhuschegosya fotona. Kriticheski rassmotreni nekotorie paradoksi spetsial'noj teorii otnositel'nosti.

Predstavleno po vozmozhnosti prostoe obsuzhdenie obschej teorii otnositel'nosti, dlya ponimaniya kotoroj trebuyutsya znaniya osnov tenzornogo analiza i rimanovoj geometrii. Privoditsya kritika etoj teorii ryadom uchenikh (Rashevskij, Dikke i dr.). Ukazivaetsya, chto v otlichie ot Zakona vsemirnogo tyagoteniya N'yutona, primenimogo vo vsej Vselennoj, obschaya teoriya otnositel'nosti dejstvuet v lokal'nikh chetirekhmernikh oblastyakh, ispol'zuya preobrazovaniya Lorenttsa. Obnaruzheno oshibochnoe primenenie printsipa Gyujgensa v raschetakh Ejnshtejna po otkloneniyu fotonov v gravitatsionnom pole massivnogo tela, vipolnennikh v ramkakh obschej teorii otnositel'nosti. V dejstvitel'nosti eti rascheti dolzhni bili bi privesti ne k prityazheniyu, a k ottalkivaniyu fotonov ot massivnogo tela, chto protivorechit s astronomicheskim nablyudeniyam. Vazhno podcherknut', chto khoroshee soglasie predskazanij obschej teorii otnositel'nosti s astronomicheskimi nablyudeniyami, kasayuschimisya vekovoj pretsessii perigeliya planet, okazivaetsya fiktivnim vvidu oshibok v osnovopolagayuschej rabote Ejnshtejna. Pokazano, chto obschaya teoriya otnositel'nosti, v printsipe, ne mozhet reshit' etu problemu.

Sleduet osobo otmetit' glubokij analiz avtorom knigi ponyatiya magnetizma. V sootvetstvii s teoriej Ampera pokazano, chto magnetizm ne suschestvuet samostoyatel'no, no yavlyaetsya prosto kharakteristikoj ponderomotornogo vzaimodejstviya elektricheskikh tokov. Pokazana illyuzornost' magnitnoj energii, vvidu ee nesposobnosti proizvodit' real'nuyu rabotu, chto obuslovleno perpendikulyarnost'yu sili Lorenttsa k skorosti zaryada, dvizhuschegosya v magnitnom pole. Obsuzhdaetsya takzhe negolonomnost' sistemi v etom sluchae i neprimenimost' k nej, vopreki suschestvuyuschej praktike, analiticheskoj dinamiki Lagranzha. Viyavleno, chto obichnoe vvedenie v lagranzhian chlena, uchitivayuschego «magnitnuyu energiyu», privodit k paradoksal'nomu unichtozheniyu energii elektronov, dvizhuschikhsya v ploskosti, perpendikulyarnoj magnitnomu polyu. Kak sledstvie, otsyuda vitekaet nekorrektnost' gamil'toniana, ispol'zuemogo v teoriyakh polya i v kvantovoj mekhanike. Ustanovlena oshibochnost' shiroko izvestnoj teoremi Larmora o pretsessii elektronnikh orbit atoma v magnitnom pole, poskol'ku ee razlichnie dokazatel'stva osnovani na nevernom dopuschenii, chto magnitnoe pole mozhet izmenyat' kineticheskuyu energiyu orbital'nikh elektronov. Fakticheski orbiti elektronov ne pretsessiruyut, a vistraivayutsya perpendikulyarno magnitnomu polyu. V svyazi s etim peresmatrivaetsya effekt Zeemana i skhema rasschepleniya energeticheskikh urovnej pod dejstviem magnitnogo polya.

Pokazano, chto osnovnie uravneniya Maksvella polucheni s pomosch'yu teorii potentsiala, ispol'zuyuschej ponyatie dal'nodejstviya, a ne blizkodejstviya, kak schitaetsya v razlichnikh uchebnikakh. Pri vivode uravneniya dlya elektromagnitnikh voln odnovremenno primenyayutsya operatsii divergentsii i rotora, chto dopustimo matematicheski, no isklyucheno s fizicheskoj tochki zreniya, tak kak dannie operatsii otrazhayut razlichnie i nesovmestimie drug s drugom sostoyaniya potentsial'nogo i vikhrevogo polej.

V 4-j glave knigi obsuzhdayutsya osnovi kvantovoj mekhaniki, iskhodya iz idej de Brojlya i Shredingera. Soglasno etim avtoram dvizhenie chastitsi (elektrona, nejtrona i dr.) opisivaetsya sopryazhennoj s nej psi-volnoj. V suschnosti, vse osnovnie sootnosheniya kvantovoj mekhaniki poluchayutsya iz virazheniya dlya ploskoj volni, zapisannogo v vide eksponenti s kompleksnim pokazatelem stepeni. Viyavlena osobaya rol' mnimoj edinitsi pri vivode uravneniya Shredingera i printsipa neopredelennostej Gejzenberga. Uravnenie Shredingera okazivaetsya prosto sledstviem volnovogo uravneniya, sostavlennogo iz vtorikh proizvodnikh ot eksponenti po vremeni i po prostranstvu. Soglasno teorii de Brojlya psi-volna dlya chastitsi, dvizhuschejsya so skorost'yu V, dolzhna peremeschat'sya s ogromnoj fazovoj skorost'yu x = c²/V, gde c – skorost' sveta. Dlya nee dazhe vakuum okazivaetsya prelomlyayuschej sredoj. Imenno eta ogromnaya fazovaya skorost' ukazivaet na otsutstvie fizicheskogo smisla u psi-volni. Krome togo, voznikaet sleduyuschij paradoks. Sootnoshenie mezhdu chastnimi proizvodnimi vtorogo poryadka ot eksponenti budet volnovim uravneniem tol'ko v tom sluchae, esli fazovaya skorost' budet ravna proizvedeniyu dlini volni l na chastotu n. Odnako proizvedenie znachenij l i n, v svoyu ochered' zavisyaschikh ot V, suschestvenno otlichaetsya ot V. Etot rezul'tat vmeste s nesostoyatel'nost'yu lorenttsevskikh preobrazovanij, ispol'zovannikh dlya opredeleniya x, k sozhaleniyu, obestsenivayut, rassuzhdeniya de Brojlya. Chto kasaetsya printsipa neopredelennostej Gejzenberga, to ubezhdennost' o ego vseobschej primenimosti podvergaetsya v knige somneniyu po sleduyuschej prichine. Etot printsip vitekaet iz predstavleniya chastitsi volnovim paketom. No volnovoj paket ochen' bistro rasplivaetsya so vremenem. On ne mozhet kharakterizovat' elektron v statsionarnom sostoyanii, naprimer, na atomnoj orbite. Krome togo, voznikayut trudnosti, obuslovlennie neizvestnost'yu vremeni otscheta s momenta formirovaniya volnovogo paketa. Sam po sebe printsip neopredelennostej Gejzenberga stanovitsya fiktivnim, poskol'ku chastitsa na samom dele ne mozhet razmazivat'sya v prostranstve. Predstavlen kriticheskij obzor po matrichnoj kvantovoj mekhanike i polevoj teorii Diraka. Ustanovleno, chto rascheti Diraka yavlyayutsya illyuzornimi vvidu neprimenimosti formalizma Lagranzha k sisteme zaryadov, dvizhuschikhsya v magnitnom pole.

Bol'shaya putanitsa suschestvuet po povodu davleniya, okazivaemogo poverkhnost'yu na vnutrennost' kondensirovannogo tela. V uchebnikakh i periodicheskoj literature ukorenilos' predstavlenie ob izbitochnom davlenii Laplasa, obuslovlennom poverkhnostnimi silami, khotya ryad uchenikh (Relej, Khvol'son i dr.) vistupali s kritikoj etogo utverzhdeniya. V knige analiziruetsya problema poverkhnostnikh i vnutrennikh napryazhenij v malikh zhidkikh i tverdikh chastitsakh s pomosch'yu statisticheskoj mekhaniki, teorii viriala i uslovij ravnovesiya sistemi. Pokazana oshibochnost' formul Laplasa, Bogolyubova, Kirkvuda i dr., ukazivayuschikh na nalichie poverkhnostnogo davleniya. Tverdo ustanovleno printsipial'noe otsutstvie takogo davleniya i polucheno fundamental'noe uravnenie dlya skachka khimicheskogo potentsiala na granitse maloj kondensirovannoj chastitsi, iz kotorogo estestvennim obrazom vitekayut izvestnie formuli Kel'vina, Tomsona i Vul'fa. Uchet skachka khimicheskogo potentsiala na granitse razdela faz pozvolil postroit' neprotivorechivuyu termodinamiku malikh chastits.

Naryadu s kritikoj ryada teorij v knige privodyatsya sobstvennie soobrazheniya i modeli avtora. Prezhde vsego, razvivayutsya idei G. Gertsa o skritikh zhestkikh svyazyakh, upravlyayuschikh peremescheniyami mass v ravnomerno i pryamolinejno dvizhuschejsya zamknutoj sisteme. Prinimaya v kachestve takikh svyazej potentsial'nuyu energiyu, vivedeni vse osnovnie uravneniya klassicheskoj mekhaniki dlya golonomnoj sistemi s elektrostaticheskimi ili gravitatsionnimi vzaimodejstviyami chastits, ne pribegaya k ponyatiyu sili. Dalee pokazano, chto zaryadi, dvizhuschiesya v magnitnom pole, yavlyayut soboj primer negolonomnoj sistemi, dlya kotoroj analiticheskaya mekhanika Lagranzha neprimenima, vopreki suschestvuyuschej praktike. Ukazivaetsya, chto mekhanika Gertsa bolee priemlema, chem obschaya teoriya otnositel'nosti, tak kak eta mekhanika dejstvuet v obichnom trekhmernom prostranstve i svodit vse vzaimodejstviya k izmeneniyu privichnoj potentsial'noj energii, togda kak gravitatsiya v obschej teorii otnositel'nosti razvivaetsya v matematicheskom mire chetirekhmernoj rimanovoj geometrii. Chrezvichajno zanimatel'ni obnaruzhennie avtorom printsipial'nie oshibki v rabotakh Ejnshtejna po vekovoj pretsessii perigeliya planet i nekorrektnogo primeneniya Dirakom mekhaniki Lagranzha k sisteme zaryadov, dvizhuschikhsya v magnitnom pole.

Interesnimi yavlyayutsya traktovki avtorom knigi ponyatij printsipa otnositel'nosti i vremeni. V otlichie ot obscheprinyatogo opredeleniya printsipa otnositel'nosti, baziruyuschegosya na linejnikh preobrazovaniyakh koordinat sistem, dvizhuschikhsya drug otnositel'no druga s postoyannoj skorost'yu, avtor predlagaet schitat' printsip otnositel'nosti kharakteristikoj inertsial'nikh sistem v sleduyuschej formulirovke: «Zakoni fiziki odinakovo spravedlivi vo vsekh inertsial'nikh sistemakh, nezavisimo ot ikh otnositel'noj skorosti i kakikh-libo preobrazovanij koordinat». Otkloneniya ot etogo opredeleniya mogut bit' viyavleni eksperimental'no po nalichiyu inertsionnikh sil (tsentrobezhnikh ili koriolisovikh), a takzhe po narusheniyu zakonov elektrodinamiki. Soglasno spetsial'noj teorii otnositel'nosti, nablyudatel' odnoj iz sistem sudit o fizicheskikh zakonakh drugoj sistemi s pomosch'yu preobrazovanij Lorenttsa. No tak kak eti preobrazovaniya okazivayutsya fiktivnimi, to on ne mozhet nichego skazat' o tom, kakie zakoni fiziki dejstvuyut v lyuboj drugoj dvizhuschejsya sisteme. Poetomu opredelenie printsipa otnositel'nosti, davaemoe avtorom knigi, viglyadit bolee ubeditel'no. Ono pozvolyaet obkhodit'sya bez tumannikh printsipov teorii otnositel'nosti, privodyaschikh k ryadu paradoksov.

Chto kasaetsya ponyatiya vremeni, to avtor, opirayas' na materiali sbornika statej frantsuzskikh uchenikh "Vremya i sovremennaya fizika" (M.: Mir, 1970), rassmatrival vremya kak kharakteristiku dvizheniya. Eto pozvolilo emu razrabotat' model' «mertsayuschikh chastits», soglasno kotoroj elektroni, nejtroni i fotoni predstavlyayut soboj sgustki (kvanti) energii, neprerivno prevraschayuschiesya iz odnogo sostoyaniya v drugoe s chastotoj n. Takimi vzaimosvyazannimi sostoyaniyami mogut bit' massa m₀ i zaryad e elektrona ili dinamicheskaya massa m _d i lokal'noe elektricheskoe pole E fotona. Rassmatrivaya period T = 1/n prevrascheniya kvanta energii iz odnogo sostoyaniya v drugoe kak edinitsu vremeni ideal'nikh chasov, peremeschayuschikhsya so skorost'yu V, avtor predpolozhil, chto etot period est' funktsiya vsekh dvizhenij kvanta energii. Ili po-drugomu: chastota nproportsional'na summe vnutrennej m₀c² i vneshnej m₀V²/2 energij rassmatrivaemogo kvanta. Dopuskaya, chto prevrascheniya kvanta energii proiskhodyat so skorost'yu sveta, osnovnoe uravnenie modeli mertsayuschikh chastits (zakon sokhraneniya energii) zapisivaetsya v vide (sm. knigu)

gde h – koeffitsient proportsional'nosti, W – potentsial'naya energiya chastitsi. V sluchae fotona proizvoditsya zamena m₀ →m_d i V schitaetsya skorost'yu dvizheniya izluchatelya.

Kazhdaya kharakteristika chastitsi (massa, zaryad, lokal'noe pole) opisivaetsya garmonicheskim ostsillyatorom s chastotoj n, opredelyaemoj dannim vishe zakonom sokhraneniya energii. Dvizhenie chastitsi upodoblyaetsya volne, rasprostranyayuschejsya vdol' ee traektorii so skorost'yu chastitsi.

Prostaya model' mertsayuschikh chastits pozvolila avtoru knigi uspeshno ob'yasnit' effekt Doplera, zavisimost' massi ot skorosti ee dvizheniya, sootnoshenie Ejnshtejna E = mc², izmenenie chastoti fotona i iskrivlenie ego traektorii v gravitatsionnom pole massivnogo tela, effekt Zeemana. Udalos' takzhe pokazat', chto dvizhenie fotonov podchinyaetsya uravneniyam Maksvella, poluchit' formuli Planka, de Brojlya i uravnenie Shredingera, opredelit' uglovoj i magnitnij momenti elektrona, kotorie soglasovalis' s izvestnimi dannimi. Mezhdu tem uglovoj moment fotona okazalsya v dva raza men'she obscheprinyatogo znacheniya, chto podtverzhdaetsya rezul'tatami izmerenij effekta Sadovskogo. Model' daet takzhe vozmozhnost' prostogo opredeleniya spektroskopicheskikh kvantovikh chisel, ne pribegaya k slozhnim raschetam kvantovoj mekhaniki.

Sozdanie modeli, pozvolyayuschej yasno i prosto ob'yasnit' bol'shoe kolichestvo raznoobraznikh fizicheskikh yavlenij, a takzhe dat' naglyadnij sintez volnovikh i korpuskulyarnikh svojstv atomarnikh chastits, yavlyaetsya, bezuslovno, bol'shoj zaslugoj avtora knigi. Sama kniga napisana uvlekatel'no zhivim virazitel'nim yazikom s chuvstvom yumora. Nesomnenno, ona poraduet vsekh, kto interesuetsya problemami fundamental'nikh kontseptsij fiziki.

Predislovie avtora

V knige predstavlen analiz fundamental'nikh kontseptsii fiziki. Pokazano, chto matematicheskie konstruktsii mnogikh teorij yavno ili neyavno soderzhat oshibki. Osoboe vnimanie udeleno dvum razdelam, kasayuschimsya vekovogo smescheniya perigeliya planet i matrichnoj kvantovoj mekhanike.

Do sikh por schitalos' neosporimim khoroshee soglasie predskazanij Obschej teorii otnositel'nosti i astronomicheskikh dannikh o vekovom smeschenii perigeliya Merkuriya. Odnako kriticheskij analiz viyavil oshibki v osnovopolagayuschej rabote Ejnshtejna i pokazal, chto rascheti dal'nejshikh vichislenij provodilis' tol'ko dlya poluperioda obrascheniya planeti, a zatem prosto udvaivalis'. No esli bi takie zhe rascheti bili sdelani i dlya vtorogo poluperioda, to obnaruzhilos' bi, chto rezul'tat imeet protivopolozhnij znak. Poetomu summarnij effekt okazivaetsya nulevim, chto delaet predskazaniya Obschej teorii otnositel'nosti fiktivnimi.

Matrichnaya kvantovaya mekhanika, v otlichie ot volnovoj, vmesto psi-funktsii vvodit operatori i matritsi. No eto ne proyasnyaet fizicheskoj suschnosti proizvodimikh sugubo abstraktnikh operatsij. Neobkhodimost' operatorov v kvantovoj mekhanike slovesno opravdivaetsya lish' formal'noj analogiej matematicheskikh operatsij s operatsiyami fizicheskikh izmerenij. Vitekayuschie iz aksiomaticheskikh pravil dlya abstraktnikh operatorov kommutatsionnie sootnosheniya matrichnaya kvantovaya mekhanika provozglashaet absolyutnimi zakonami prirodi. Fakticheski vliyanie pribora na rezul'tati izmereniya, krome nekotoroj vneshnej analogii, ne imeet nikakogo otnosheniya k etim kommutatsionnim sootnosheniyam. Rassmotren variant matrichnoj kvantovoj mekhaniki, predlozhennij Dirakom. Kasayas' elektromagnitnogo polya, Dirak v svoej teorii opiralsya na formalizm Lagranzha, khotya poslednij yavno neprigoden dlya sistemi zaryadov, dvizhuschikhsya v magnitnom pole. Eto ob'yasnyaetsya tem, chto v magnitnom pole sistema zaryadov stanovitsya negolonomnoj i nekonservativnoj, vsledstvie chego lagranzhian i gamil'tonian prevraschayutsya v fiktsii. Bolee togo, vvodimaya Dirakom zamena impul'sov v gamil'toniane na obobschennie impul'si privodit k unichtozheniyu kineticheskoj energii elektronov v ploskosti, perpendikulyarnoj magnitnomu polyu, a eto takzhe delaet gamil'­tonian nereal'nim. Sledovatel'no, vse virazheniya teorii Diraka, v kotorikh proizvoditsya ukazannaya zameni impul'sov, naprimer, v volnovom uravnenii dlya elektrona, v teorii spina i v teorii pozitronov, lishayutsya smisla.

Razdeli knigi, kasayuschiesya vekovoj pretsessii perigeliya planet i matrichnoj kvantovoj mekhaniki, nesomnenno, vizovut povishennij interes u shirokoj nauchnoj obschestvennosti. Vmeste s tem i drugie razdeli, v kotorikh dokazivaetsya illyuzornost' magnitnoj energii i teoremi Larmora, a takzhe nesostoyatel'nost' preobrazovanij Lorenttsa mogut posluzhit' povodom dlya diskussij. Dlya resheniya rassmatrivaemikh v knige problem predlagaetsya prostaya, no effektivnaya model' «mertsayuschikh chastits».

Ob avtore

Doktor fiziko-matematicheskikh nauk (1967). Okonchil s otlichiem fizicheskij fakul'tet Moskovskogo gosudarstvennogo universiteta im. M. V. Lomonosova v 1949 g. S tekh por i po nastoyaschee vremya rabotaet v Institute khimicheskoj fiziki im. N. N. Semenova RAN v dolzhnosti glavnogo nauchnogo sotrudnika. Posle okonchaniya srednej shkoli shest' let sluzhil v Sovetskoj armii, uchastvoval v Velikoj Otechestvennoj vojne. Nagrazhden ordenami i medalyami.

Osnovnoj krug nauchnikh interesov Yu. I. Petrova -- fizika klasterov i malikh chastits metallov, ikh splavov i soedinenij. On yavlyaetsya avtorom 155 nauchnikh rabot, v tom chisle 4 knig, a takzhe 3 izobretenij. Monografii "Fizika malikh chastits" (1982) i "Klasteri i malie chastitsi" (1986) khorosho izvestni kak u nas v strane, tak i za rubezhom. Za poslednie godi Yu. I. Petrov opublikoval dve knigi, posvyaschennie kriticheskomu analizu osnovnikh kontseptsij fiziki: "Nekotorie fundamental'nie predstavleniya fiziki: Kritika i analiz" (M.: URSS, 2006) i "Paradoksi fundamental'nikh predstavlenij fiziki" (M.: URSS, 2009, 2012), v kotorikh obsuzhdaetsya protivorechivost' i nekorrektnost' ryada ukorenivshikhsya predstavlenij, stavyaschie pod somnenie nekotorie vazhnie formuli teorii polya i kvantovoj mekhaniki.

V predlagaemoj chitatelyu monografii "Zabluzhdeniya i oshibki fundamental'nikh kontseptsij fiziki" razvivayutsya i utochnyayutsya voprosi, zatronutie v prediduschikh knigakh, no osoboe vnimanie udelyaetsya kritike osnov obschej i spetsial'noj teorii otnositel'nosti, a takzhe matrichnoj kvantovoj mekhaniki. Viyavleni oshibki Ejnshtejna pri vivode preobrazovanij Lorentsa i vekovoj pretsessii perigeliya planetnikh orbit. Pokazano, chto obschaya teoriya otnositel'nosti v printsipe ne mozhet reshit' problemu vrascheniya perigeliya, naprimer, Merkuriya. Obnaruzheno nekorrektnoe ispol'zovanie formalizma Lagranzha v matrichnoj kvantovoj mekhanike i pokazana illyuzornost' teorij Diraka, kasayuschikhsya elektromagnitnikh polej. Predlagaetsya razrabotannaya avtorom model' "mertsayuschikh chastits", pozvolyayuschaya s edinikh pozitsij ves'ma prosto raz'yasnit' effekti otnositel'nogo dvizheniya i osnovi kvantovoj mekhaniki.