Реферат: Тернистый путь в микромир

Тернистый путь в микромир

Хронология

Начало развития квантовых представлений

Жанр очерка позволяет нам отказаться от сухой статистики и логической скрупулезности изложения. Он позволяет дать нам свое представление о логике развития науки, которое мы исследуем сто лет спустя. Чтобы понять движущие причины развития науки в тот период, необходимо мысленно окунуться в атмосферу того времени.

Итак, напомним, что Максвелл допустил ошибку «потеряв» мгновенное действие на расстоянии. В результате к началу 20 века классические теории были ошибочно отброшены, как «устаревшие», как неспособные дать объяснение новым физическим явлениям. Мгновенное действие на расстоянии стало рассматриваться, как главная причина неудач классических теорий. Его старательно изгоняли из физических теорий.

Мы провели анализ учебника Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшица [1] и показали, какие «ужасные» следствия вытекают для физики, если считать поля зарядов и поля электромагнитных волн тождественными. Поэтому ошибочные выводы ученых того времени были закономерны. Но совершенно иные выводы получаются, когда мы считаем эти поля различными.

Большую роль тогда сыграли: мнение авторитетных ученых, отрицавших возможность мгновенного действия на расстоянии, рекламный характер умозрительных гипотез, мода и наличие многочисленных явлений, требовавших объяснения. Свою роль сыграл поверхностный (поспешный) анализ классических теорий и некритическое отношение к новым идеям. Итак, поле «для «свободной» научной деятельности» было в то время очищено от классических представлений и от материализма. Вот, что пишет Луи де-Бройль [2]:

«Что касается меня, то я начал заниматься квантами, когда мне было около двадцати лет, и продолжал изучать их в течение четверти века. И все же я должен честно признаться, что если за все это время я и добился несколько более глубокого понимания некоторых сторон этого вопроса, то я не могу еще с полной уверенностью сказать, что таится под маской, скрывающей подлинное лицо квантов. …

…Можно понять, какое существенное влияние было оказано на само направление развития человеческих знаний в тот день, когда кванты исподтишка вошли в науку. В тот самый день величественное и грандиозное здание классической физики было потрясено до самого основания, хотя никто тогда еще и не отдавал себе ясного отчета в этом. В истории науки не много было подземных толчков, сравнимых по силе с этим. И только сейчас мы в состоянии понять и оценить грандиозность и важность свершившейся революции».

С одной стороны у Луи де-Бройля проскальзывает мысль о непонимании сущности «квантов», а с другой - восторг от «разрушения здания классической физики», в котором участвовали они - молодые ученые. Гордость за то, что они «повергли самого Ньютона»!

Об этом же пишет и А. Пуанкаре. Ситуацию, сложившуюся в физической науке на рубеже XIX - ХХ вв., Пуанкаре назвал «кризисом физики». Он ее связывал в первую очередь с возможностью отказа от фундаментальных принципов физического познания. [3]:

«Перед нами «руины» старых принципов, всеобщий «разгром» таких принципов», - восклицал он: «Принцип Лавуазье» (закон сохранения массы), «принцип Ньютона» (принцип равенства действия и противодействия, или закон сохранения количества движения), «принцип Майера» (закон сохранения энергии) - все эти фундаментальные принципы, которые долгое время считались незыблемыми, теперь подвергают сомнению».

Кризис физической теории усугубился неожиданно последовавшими (как из рога изобилия) величайшими экспериментальными открытиями совершенно новых и удивительных явлений. Начиная с 1895 года, когда Рентген открыл проникающие лучи, буквально каждый следующий год приносил ошеломляющее открытие: 1896 год -- открытие явления радиоактивности, 1897 год -- открытие электрона, 1898 год -- открытие радия и полония, 1899 год -- открытие сложного состава радиоактивного излучения. Все это вы можете видеть в «Хронологии».

Это была «революция» в физике, совершаемая в основном молодыми учеными, которым не терпелось иметь «все и сразу», хотя они неправильно понимали причину этого кризиса! Эйфория от свершающегося «дурманила» им головы, а романтика научного поиска толкала выдвигать самые невероятные гипотезы, побуждала «ломать» устои классической логики в физике. микрочастица квантовый ядерный рентгеновский

Восторг и энтузиазм первопроходцев сохранился в головах не только ученых того времени, но и в головах их учеников. Квантовым теориям отводилось «особое место» в физике. Причиной этого было введение в физику кванта действия. Классическим теориям отводилась роль «грубого приближения» (следствия!) квантово-механических представлений. Физики, если придерживаться морской терминологии, устроили своей науке «оверкиль».

Тупик

Наличие произвольных, мало обоснованных гипотез привело к проблемам в описании явлений микромира. Среди спорных моментов можно перечислить следующие физико-философские проблемы:

· Логически противоречивый корпускулярно-волновой дуализм.

· Дискретность энергии (кванты энергии).

· Влияние «наблюдателя» на результаты эксперимента.

· Отрицание мгновенного действия на расстоянии.

· Операции перенормировки и т.д.

Из крупных российских физиков сейчас мало, кто отважится серьезно критиковать квантовые теории и ОТО Академик А.А. Логунов попытался немного изменить ОТО. Но на него обрушился град критики, не позволившей развивать новое направление. . Причин много. Здесь есть желание получить государственное финансирование, есть «цеховая солидарность», есть обычный пиар своей профессии, есть просто боязнь ответственности и т.д. Но есть и глубокое непонимание причин кризиса.

Р. Фейнман - пожалуй, единственный из крупных ученых, кто мог откровенно говорить о проблемах квантовых теорий. Он понимал, что необходимо переосмысление этих теорий, и что корни трудностей имеют «классическую» природу. Вот некоторые из его высказываний [4], [5]:

· «Уловка, при помощи которой мы находим m и e имеет специальное название - «перенормировка». Но каким бы умным ни было слово, я назвал бы ее «дурацким» приемом! Необходимость прибегнуть к такому «фокусу-покусу» не позволила нам показать математическую самосогласованность квантовой электродинамики. Удивительно, что до сих пор самосогласованность квантовой электродинамики, этой теории, не доказана тем или иным способом: я подозреваю, что перенормировка математически незаконна. Но очевидно, это то, что у нас нет хорошего математического аппарата для описания квантовой электродинамики: такая куча слов для описания m', e' и m, e - это не настоящая математика...».

· «…..Однако и в квантовой электродинамике трудности не исчезают. Оказывается, что до сих пор никому не удалось приблизиться к самосогласованному квантовому обобщению на основе любой из модифицированных теорий. Мы не знаем, как с учетом квантовой механики построить самосогласованную теорию, которая не давала бы бесконечностей собственной энергии электрона или какого-то другого точечного заряда. Так эта проблема и осталась нерешенной».

· « И все же, если еще задержаться на минуту и посмотреть на фасад этого удивительного сооружения, имевшего столь громадный успех в объяснении столь многих явлений, то можно обнаружить, что оно вот-вот завалится и рассыплется на куски. Если вы поглубже вгрызетесь почти в любую из наших физических теорий, то обнаружите, что, в конце - концов, попадаете в какую-нибудь неприятную историю».

И вот, что удивительно. Фейнман, как и некоторые другие критики (см. статьи в Интернете) не видят истинных причин, порождающих проблемы. Он, как и остальные, видит выход в поиске новых идей. Фейнман ошибочно полагает, что в классической электродинамике нет серьезных проблем [4]:

- «...Я должен сразу же сказать, что вся остальная физика проверена далеко не так хорошо, как электродинамика...»

Р. Фейнман заблуждается. Именно с электродинамикой связаны проблемы квантовых теорий. С самого начала 20 столетия так повелось, что новые результаты принимались «на ура», практически без обсуждения и детального исследования.

Электродинамика внешне «выглядит прекрасно» только благодаря результатам практического применения радиоволн (радиосвязь, радиолокация, радионавигация, телевидение и т.д.). Внутри этой дисциплины масса нерешенных проблем. Сейчас мы познакомим вас кратко с некоторыми результатами исследований.

Волны и калибровки

Когда исследования идут ради поиска ответа на конкретный вопрос, а не иных целей, появляются «побочные результаты». На них, как правило, мы не акцентируем внимание. Только много позже может обнаружиться фундаментальный характер побочного результата Работая над «Физикой и философией физики» [8] (2001 г.), например, мы обнаружили, что внутренней кривизны пространства не существует, есть только относительная кривизна пространства. «Внутренняя кривизна» это ошибка, возраст которой около 200 лет. Лишь совсем недавно года два назад мы осознали важность полученного результата. В Очерке 3 «Эфир и инерциальные системы» мы изложили результат в популярной форме..

Так получилось и в этот раз. Мы, анализируя уравнения Максвелла в калибровке, Лоренца, вывели закон Умова для электрического заряда, т.е. дали строгое решение проблемы релятивистской электромагнитной массы [6] («побочный результат»).

Долгое время не было ясно: почему уравнениям Максвелла в калибровке Лоренца (волновые уравнения!) отвечают два разных закона сохранения: закон Умова и закон Пойнтинга? Только недавно мы получили объяснение этого результата [1]. Перечислим важные следствия:

1. Калибровочной инвариантности для уравнений Максвелла не существует.

2. Было показано, что условие калибровки Лоренца позволяет дать два независимым вариантам описания и объяснения явлений.

3. Первый вариант описан в [7] (см. гл. 3, параграф 18, «Градиентная инвариантность»). Ему отвечает волновая электродинамика, опирающаяся на закон сохранения Пойнтинга.

4. Второй вариант (условие «жесткой связи» потенциалов) позволял, используя условие Лоренца, исключить из уравнений электродинамики производные потенциалов по времени. Этому варианту отвечает квазистатическая электродинамика. В рамках «жесткого условия» связи потенциалов было дано строгое решение проблемы электромагнитной массы (релятивистский закон сохранения энергии Умова), релятивистского взаимодействия зарядов и др.

В рамках очерка мы не имеем возможности привести выкладки и доказать все математически. Специалисты уже проверяли, и еще не раз будут проверять эти удивительные результаты. Мы не скрываем, что и ранее мы были убеждены в существовании мгновенного действия на расстоянии. Мы искали его, нашли у Максвелла ошибку. Но мы никак не могли предположить, что волновое уравнение может преподнести нам в качестве решений не только запаздывающие потенциалы, но потенциалы, реализующие мгновенное действие на расстоянии. Видимо, этот результат будет неожиданным для физиков [1].