Неподведённые итоги
(1987 – 91 гг.)
Это заключительный раздел очерка. В 1991 году завершился мой первый «научный» период, который начался в декабре 1982 года. В январе 1991 года была написана последняя работа этого периода («Диалектика колебательного движения и строение Вселенной»). 18 августа 91 года (накануне очередной русской революции 19 – 22 августа) была сделана последняя выписка из прочитанной литературы. Второй «научный» период, который и привёл к созданию книги «Дыхание вакуума», начался в январе 1999 года написанием работы «Эйнштейн и единая теория поля». Как уже говорилось, с января 1994 года веду дневник (частично опубликован в книге «Монолог»). В нём достаточно полно отразились все события так или иначе связанные с моей работой в науке. Повторяться здесь не буду.
Итак, январь 1987 года.
Хотя до первого моего близкого знакомства с солитоном был ещё год, но в предисловии к книге Луи де Бройля «Соотношение неопределённостей Гейзенберга и вероятностная интерпретация волновой механики» (1986 г.) я встретил о нём упоминание в связи с теорией де Бройля. Автор предисловия – коллега де Бройля Ж. Лошак. Из множества разработок де Бройля Лошак выделяет прежде всего идею солитонов, которую в Институте Анри Пуанкаре они называли волнами с горбом.
«Эта идея де Бройля, ранее считавшаяся устарелой и слишком классической, сейчас играет всё большую роль… Ей, несомненно, принадлежит большое будущее, но при условии, что будет решена фундаментальная проблема, с которой мы имеем дело уже в течение 25 лет, а именно, отсутствие общего принципа, на основании которого мы могли бы выбрать одно нелинейное волновое уравнение из бесчисленного множества возможных. Если когда-либо мы сможем найти такое уравнение, то родится новая микрофизика».
Общий принцип, о котором говорит Лошак, и одно нелинейное волновое уравнение удивительно легко и просто иллюстрирует механическая система из шариков соединённых пружинками, то есть цепочка линейных осцилляторов. Я думаю, де Бройль с его образным, конкретным методом мыслить согласился бы с подобным утверждением. Что, казалось бы, проще! И ведь это только модель. Реальные первичные элементы физического вакуума, амплитуды, силы, скорости – всё в превосходных степенях, кроме разве что размеров.
Впервые я познакомился с книгой В.Ф. Миткевича «Основные физические воззрения» (1939 г.) в марте 83 года. Повторно прочёл её и сделал выписки в апреле 87 года. Владимир Фёдорович Миткевич – это тот, кого наш знакомый физик-резонёр называл «мистиками» и «богоискателями». Миткевич был апостолом эфирной гипотезы, её покровителем и защитником. Он не примкнул к хору славословий в адрес новых революционных теорий и остался верен эфиру до конца. Через это Владимир Фёдорович нажил себе немало врагов, его труды не издаются более пятидесяти лет, имя Миткевича не встретишь в нынешних биографических справочниках, хотя в своё время он был крупным специалистом в области электротехники, академиком. Вот что значит плыть против течения.
В память о Владимире Фёдоровиче Миткевиче я процитирую здесь большую выписку из его книги, и вы убедитесь, как прозорлив и разумен был этот учёный, с каким уважением и тактом он относился к научным достижениям предшественников. Ведь в конечном итоге Миткевич оказался прав, истина о большом и малом в материальном мире сокрыта именно в физическом вакууме, по-старому – в эфире.
«12. Представление о квантовании в самом широком его понимании заключает в себе идею о пространственной прерывности всех вообще физических процессов. И вместе с тем, оставаясь в области физической мысли и стремясь по возможности освободиться от чисто математических абстракций, мы должны совершенно отбросить какое бы то ни было оперирование с пространством, абсолютно пустым, в полном смысле этого слова. Следовательно, прерывность физических процессов мы не можем мыслить в связи с абсолютно пустыми промежутками между отдельными элементами – квантами, на которые мы расчленяем физическое содержание того, что происходит в природе. Подобные абсолютно пустые промежутки физически недопустимы. О них можно говорить только в пределах математического анализа. Таким образом, прерывности физически мыслимы только на фоне физической же непрерывности.
Мы никак не можем ограничиться констатированием сосуществования прерывности и непрерывности, приняв его просто как основное положение, не требующее дальнейшего развития. Физическая мысль не может на этом успокоиться, а, наоборот, она должна стремиться и действительно стихийно стремится к синтезу этих противоположностей, каждая из которых несомненно выражает собою нечто объективно реальное. Должно признать, что на пути решения рассматриваемого, по существу, очень старого вопроса встречается много затруднений, кажущихся почти непреодолимыми. Но как раз именно развитие квантовой теории волн, которым современная физика может по справедливости гордиться, явно ведёт к тому, чтобы был, наконец, выполнен физический синтез прерывности и непрерывности.
Собственно говоря, для простейшего случая, когда можно говорить о пакете максвелловских волн, математический аппарат этой теории с формальной стороны уже выявил искомый синтез. Остаётся только задать вопрос: что именно колеблется в связи с волновым процессом? При этом, конечно, мы должны отрешиться от представления о простом колебательном движении, составлявшем предмет изучения в области классической волновой теории света, а иметь в виду колебательный характер какого-то специфического состояния той физической реальности, которой свойственно приобретать это состояние, и которую мы на обычном нашем физическом же языке не умеем назвать иначе, как некоторой средой. Помимо указанного пути трудно представить себе какой-либо иной метод физической трактовки понятий, вытекающих из квантовой теории волн. Необходимо подчеркнуть, что математик имеет полное основание не интересоваться тем, что именно колеблется, но для физика вопрос этот имеет принципиальное значение. Абсолютно пустое пространство, лишенное всякого физического содержания, не может служить ареной распространения каких бы то ни было волн.
Развивая мысли в намеченном направлении и стремясь использовать представление о волнах в трёхмерном пространстве также в отношении самого общего случая, чего мы пока не умеем осуществить путём операций с уравнением Шрёдингера, мы можем надеяться придти в конце концов к полному физическому синтезу указанных выше противоположностей – прерывности и непрерывности. При этом все прерывности представятся в форме каких-то более или менее ярко выраженных пучностей в процессе, который происходит на фоне физической непрерывности, заполняющей всё трёхмерное пространство, т.е. на фоне некоторой среды.
13. Мы подошли, наконец, к самому существенному вопросу, когда-либо занимавшему физическую мысль, – к вопросу о физической среде, без которой наше трёхмерное пространство являлось бы только чисто математической абстракцией.
Современная физика, склонная усматривать в действии на расстоянии первичное физическое явление, относится отрицательно к этому вопросу. Представление о среде, заполняющей всё пространство и непосредственно участвующей во всех физических процессах в качестве передатчика всякого рода взаимодействий, рассматривается теперь как некоторые, так сказать, леса, которые необходимы были при возведении здания современной физической теории. Когда сооружение здания закончено, леса могут быть разобраны и отброшены прочь, как нечто ненужное и уже окончательно сыгравшее свою подсобную роль. Всё это совершенно верно с точки зрения формально-математического понимания того, чем должна быть физическая теория. В этом отношении не может быть никаких возражений. Но дело представляется в совсем другом виде, если под физической теорией разуметь строго обоснованную и не содержащую внутренних противоречий систему взаимносогласованных физических представлений. В этом случае роли меняются. Методы и язык математического анализа необходимо рассматривать только в качестве лесов, облегчающих возведение здания физической теории путём выявления количественных соотношений и характеристик физических реальностей. С развиваемой мною точки зрения, леса, облегчающие построение физической теории, по окончании этой работы мы разбираем, но не отбрасываем прочь, и в дальнейшем пользуемся материалом этих бывших лесов, т.е. приёмами математического анализа, при некоторых частичных надстройках, могущих потребоваться в связи с новыми открытиями, а также при всякого рода описаний и практическом использовании физической теории. Таким образом, с точки зрения природы вещей математические построения и формулировка не составляют сущности физической теории, а играют в ней лишь подсобную, хотя и весьма важную роль.
По целому ряду причин, о которых я уже достаточно говорил, построение физической теории, охватывающей весь материал, накопленный наукой, немыслимо без признания особенного значения среды, заполняющей всё трёхмерное пространство. На языке прошлых эпох, пережитых физикою, эта универсальная среда называется эфиром. За неимением другого, быть может, более подходящего термина мы будем продолжать пользоваться словом «эфир» в смысле какой-то основной среды, непрерывно заполняющей пространство, хотя современная физика весьма тщательно избегает представления об эфире, как бы совершенно в нём не нуждаясь.
Специальная и общая теория относительности отвергают эфир, и вместе с тем, однако, Эйнштейн признаёт, что геометрические свойства пространства не самостоятельны, а обусловлены материей. Казалось бы, что это утверждение Эйнштейна влечёт за собой отрицание физического смысла в представлении о каком-либо объёме пространства, абсолютно свободном от материи. Тем не менее, из хода рассуждений общей теории относительности следует, что здесь речь идёт лишь о гравитационной материи, а не о материи в более общем смысле некоторой физической среды, непрерывно заполняющей пространство. Такая универсальная среда не требуется согласно теории относительности, которая допускает существование областей трёхмерного пространства, абсолютно ничем не заполненных. Всё это, конечно, указывает на абстрактно-математический характер этой теории.
Теория относительности оперирует с полем тяготения. Современная теория электромагнитных явлений основана на развитии учения о полях электрических и магнитных. Но математическая теория силового поля, по существу, теснейшим образом связана с идеей действия на расстоянии, простого или запаздывающего. Поэтому современное представление о каком-либо силовом поле является такой же математической абстракцией, как и действие на расстоянии, и точно так же обычно объективируется без достаточных оснований. Вложить физическое содержание в учение о силовых полях можно, только вернувшись к основным фарадее-максвелловским воззрениям, касающимся обязательного участия некоторой среды во всех взаимодействиях, и тогда современное учение о силовом поле необходимо будет рассматривать в качестве весьма ценной математической характеристики физического силового поля. Итак, признание какой-то универсальной среды, скажем, эфира, безусловно необходимо для развития физической мысли, которая в противном случае приходит к ряду существенных противоречий.
В настоящее время мы не располагаем достаточными материалами для построения физической теории эфира. В этом отношении наибольшие затруднения возникают при рассмотрении вопроса о непрерывности эфира, который необходимо трактовать в качестве какой-то основной среды, являющейся первичной физической реальностью (Сноска: говоря об эфире как о первичной физической реальности, мы должны, конечно, это понимать в том смысле, что на данном этапе наших физических знаний представление об эфире является некоторым пределом конкретизации наших представлений о материи вообще) и не оставляющей абсолютно незаполненными сколь угодно малые объёмные участки нашего трёхмерного пространства. Быть может, однако, мы никогда не будем в состоянии «понять» непрерывности эфира по чисто принципиальным причинам. Дело в том, что обычное «понимание» чего бы то ни было всегда так или иначе сопряжено с подчинением содержания данного объекта более общей категории объектов. Так, например, понимание того, что представляет собой материальное тело, сводится к идее об атомах и об атомной структуре. Атомы мы понимаем как определённые комплексы электронов и протонов, а электроны и протоны мы теперь стремимся понять, хотя бы, как некоторые волновые пакеты. Мысля о предельной физической субстанции, об эфире, мы не можем, по-видимому, идти по этому проторённому пути, т. к. мы не можем себе представить существования сверхпредельной физической субстанции, некоторого надэфира. Эфир, по моему мнению, является в отношении его непрерывности своего рода «непознаваемым» (Сноска: из этого утверждения, конечно, не следует, что эфир в полном смысле слова непознаваем. Речь идёт лишь о том, что не следует рассматривать эфир по аналогии с обычной, так называемой весомой материей и приписывать ему атомную структуру. Но мы должны стремиться познать эфир путём всестороннего изучения его проявлений в качестве совершенно необходимого и основного носителя свойств, обнаруживаемых в физических процессах, вообще, и в электромагнитных процессах, в частности. 1936 г.). В этом, вероятно, кроется основная причина затруднений в построении физической теории эфира, и я полагаю, что если это будет, наконец, когда-либо выполнено, то лишь на базе постулата о непрерывности эфира. Данный постулат, несомненно, должен быть внутренне связан с положением о физической немыслимости, о фиктивности абсолютно пустого пространства.
14. Из всего предыдущего вытекает, что создание физической теории, охватывающей самый широкий круг явлений, затруднительно, и, вероятно, совершенно невозможно на почве отрицания первенствующего значения среды и на основе объективирования действия на расстоянии в качестве первичного физического явления. До настоящего времени общей физической теории ещё не существует в законченном виде. Но можно с полным правом высказать уверенность, что в будущем физическая мысль возвратится к принципиальным воззрениям Фарадея и Максвелла, разовьёт их путём учёта всех новейших достижений и завершит построением общей физической теории. Действительно, уже намечается определённый, ещё недостаточно осознанный, сдвиг в этом направлении. В подтверждение сказанного достаточно напомнить хотя бы только о квантовой теории волн, о метаморфозе наших представлений об электроне и о дифракции материальных лучей. Но во всяком случае фарадее-максвелловская точка зрения по вопросу о непременном участии среды во всех физических процессах представляется единственно мыслимой путеводной нитью для дальнейшего успешного развития современной физики, так много сделавшей и так много обещавшей сделать. (…)
Все главнейшие успехи современной физики, по существу, тесно связаны с выяснением тех движений, тех пространственных перемещений, которые происходят в различных процессах или в различных физических комплексах, воспринимавшихся ранее как нечто неделимое и неразложимое на составные части. Так, например, атом обычной материи предстал пред взором исследователя теперь как целый микрокосмос, как обособленный мир, части которого находятся в непрерывном движении. Эти составные части (электроны, протоны и т.д.), казавшиеся ещё недавно какими-то предельными физическими реальностями, в свою очередь, благодаря открытию дифракции материальных лучей и успехам теоретической физики, в настоящее время представляются в качестве специфических комплексов, имеющих волновую природу. Правда, методы формально-математического описания соответствующих волновых процессов хотя и отражают действительные соотношения, однако основаны на использовании таких представлений (фазовые волны в многомерных пространствах сколь угодно большого числа измерений), которые не поддаются простой, физической интерпретации и должны быть понимаемы лишь как чисто условное, вспомогательное орудие, вполне законное при математическом анализе, но не при рассмотрении истинной природы явления. Только весьма распространённой привычкой к ошибочной интерпретации математических абстракций можно объяснить то, что некоторые противники материалистической трактовки физических явлений утверждают, будто бы реальной причиной, обусловливающей дифракцию, например, электронов, являются фазовые волны, распространяющиеся в многомерных пространствах. Ясно, конечно, что подлинно реальной причиной дифракции электронов могут быть только волновые процессы, происходящие именно в физическом трёхмерном пространстве и имеющие непосредственное отношение к природе электронов. Совершенно очевидно также, что волновые процессы, связанные с электронами, не следует примитивно понимать как упругие колебания объёмных элементов эфира, по примеру справедливо отброшенных теперь представлений классической оптики, но необходимо рассматривать эти волновые процессы как имеющее периодический характер специфическое движение сложной формы, в состав которого, в конце концов, должны входить и элементарные пространственные перемещения».
Верно замечено: к заблуждению ведут множество путей, к истине – один. Построить в двадцатые – тридцатые годы прошлого века теорию эфира (физического вакуума) было невозможно по совершенно объективным причинам, Миткевич это хорошо понимал. Уровень знаний был ещё низок. Понадобились десятилетия, строительство огромных ускорителей частиц, масса экспериментальных и теоретических исследований, чтобы уровень знаний достиг нужного предела. Но даже сегодня, имея этот предел, увидеть – что скрывается за наработанным материалом – не так-то просто. Природа неохотно расстаётся со своими тайнами. Но она помогает тем, кто действительно ищет истину, а не громкую славу и богатство.
Камень преткновения во взглядах на единую среду, на что особо обратил внимание Миткевич, диалектичная противоположность: прерывность – непрерывность. Ответ, как всегда, в единстве противоположностей. Физический вакуум дискретен и непрерывен одновременно. Единичный его элемент по существу бесконечен. Как бы далеко не удалялись два соседних элемента друг от друга, между ними никогда не случится абсолютного разрыва и образования действительной пустоты, ничто. Удаление или сближение элементов сопровождается только энергетическими изменениями, как в пружине, усилением или ослаблением напряжения. Это на микроуровне. А на макроуровне?.. Когда вы играете с двумя магнитами, то не можете не заметить пружинящую упругость вакуума, которая создаётся одно-или разнонаправленными вихревыми магнитными полями. Однонаправленные поля при интерференции увеличивают динамику вакуума, уменьшая его плотность в области наложения волн. Плотный вакуум вне области наложения прижимает магниты друг к другу. Разнонаправленные поля уменьшают динамику вакуума, увеличивая его плотность в области наложения волн. Магниты упрямо отклоняются от сближения вплотную, пытаясь встать «одним курсом», т.е. однонаправленными полями.
Наша обычная повседневная жизнь даёт иногда интересные поводы для раздумий. Вспомните хотя бы тот же стакан чая с крутящимися после помешивания чаинками. Различие в скорости вращения жидкости в центре стакана и у стенки стягивает чаинки к центру. Прекрасная иллюстрация гравитации. А убегающая, слегка подпененная, вода из ванны создаёт образы спиральных галактик далёкого космоса. А пробовали вы в той же ванне, когда воды в ней ещё много, играть пробкой у сливного отверстия? Попробуйте. Ощущение магнитного притяжения. Плотность убегающей в отверстие воды меньше, чем плотность массы воды над отверстием. И эта масса давит на пробку, создавая эффект магнитного притяжения.
Колоссальная плотность вакуума властвует над миром, всё находится под его неустанным давлением. Он разрушает горы, ледники, дома, и он же сохраняет тела в целостности. Трудно представить себе иную силу, которая бы заставила объединиться частицы в атомы, атомы – в тела. Огромной, богатырской силе вакуума обязана сама наша жизнь, без неё не сияли бы звёзды и Солнце, не сохранялся бы вокруг земного шара тонкий слой спасительной воздушной атмосферы. Жизнь на Земле расцветает и, вопреки давлению вакуума, тянется к Солнцу. Мы не замечаем невероятную плотность вакуума, как не видим воздух, которым дышим, не чувствуем огромного давления атмосферы, в которой живём. Частицы, из которых состоят наши атомы, есть маленькие очаги сопротивления давящей силе вакуума. Если бы не эти «дыхания» вакуума, никогда бы не вздохнули наши лёгкие, что прячутся внутри грудной клетки.
Человек научился использовать силу плотного вакуума. Во всех электрических генераторах и электрических двигателях эта сила работает на человека. Все химические реакции тоже, хотя и опосредованно, обязаны силе вакуума. Ничто на Земле и вне Земли не происходит без участия этой удивительной среды.
В апреле 87 года я познакомился с книгой В.П. Визгина «Единые теории поля в первой трети 20 века» (1985 г.). Выписки из этой книги касаются в основном теории Густава Ми, теории Эйнштейна и теории Янга – Миллса.
Даже после создания Эйнштейном специальной теории относительности, Густав Ми оставался приверженцем эфира и электромагнитно-полевой концепции физического мира. Материальные частицы рассматривались им как некоторые эфирные конфигурации, определённые «узловые точки» в эфире, природа которых должна выясниться при последующем развитии теории. Ми не считал, что теория Эйнштейна даёт основания отказаться от концепции эфира, которую он ценил и с которой связывал подлинное понимание физической реальности.
Приведу фрагменты из работ Густава Ми.
«Согласно электронной теории, инерция материальной частицы представляет собой не что иное, как инерцию магнитного поля и, может быть, ещё других, пока неизвестных явлений в эфире. Согласно этому воззрению, механика, всегда рассматривавшая понятие инерции как элементарное, простейшее понятие, должна потерять своё положение основной науки. Не эфир следует объяснять механически, но материю электромагнетизмом. (…)
Элементарные материальные частицы – не что иное, как особые места в эфире, где сходятся линии электрических напряжений эфира, короче говоря – узлы электрических полей в эфире. Весьма замечательно, что названные узлы всегда скучены в тесно ограниченных пределах, а именно в местах, заполненных элементарными частицами… Образование узлов сопряжено, вероятно, с особыми силовыми проявлениями эфира, противодействующими стремлению к разъединению и собирающими узловые места в тесные границы. Эти, пока совершенно ещё не обследованные, силовые действия эфира я буду называть «уплотняющими давлениями», причём предполагаю, что с ними тесно связано всеобщее притяжение масс или всемирное тяготение… Причиной перемещения частицы может быть только нарушение состояния равновесия в сопредельных с ней областях эфира. (…)
Электроны и вообще мельчайшие частицы материи не являются сущностями, резко отделёнными от мирового эфира. Они не являются, как думали ещё двадцать лет тому назад, телами, чуждыми эфиру, напротив, частицы – это только места, в которых эфир находится в совершенно особом состоянии, которое мы называем электрическим зарядом».
Основной физической предпосылкой теории Густава Ми, как заметил Паули, является требование, «чтобы внутри элементарных заряженных частиц кулоновские силы отталкивания уравновешивались другими силами также электромагнитного происхождения, а вне частиц отклонения от обыкновенной электродинамики были незаметны». Как тут не вспомнить «давления Пуанкаре», которыми французский учёный пытался объяснить устойчивость электрона. Только давление исходит у Пуанкаре от эфира.
В апреле 1919 года Эйнштейн на заседании Прусской академии наук делает доклад на тему: «Играют ли гравитационные поля существенную роль в построении элементарных частиц?». Эта работа положила начало новой серии эйнштейновских исследований по единым теориям поля. Эйнштейн формулирует основную задачу работы так: показать, что заряженные частицы сохраняют свою устойчивость только за счёт сил тяготения. То есть учёному нужно было в одну формулу свести уравнения гравитационного поля и уравнения электромагнитного поля, и эта формула давала бы математическую модель устойчивой частицы. Однако сама структура теории гравитации Эйнштейна восставала против такого синтеза. Позднее Эйнштейн заметит: «Более предпочтительней была бы теория, в которой гравитационное и электромагнитное поля не выступали бы как логически разобщённые понятия».
Сразу после выписки о единой теории поля Эйнштейна 1919 года я сделал тогда такой комментарий: «Данные выдержки есть отличный пример, показывающий, как физическая мысль всё ближе и ближе подходила к пониманию новой реальности – продольных осцилляций плотности, проще говоря, продольных волн, происходящих в единой, заполняющей пространство, материальной среде. В образе продольной волны легко и естественно синтезируются представления о гравитационных силах притяжения и электромагнитных силах отталкивания зарядов. Синтез осуществляется через движение, в периодической смене сил сжатия и расширения в продольном, иначе, радиальном направлении».
Теория Янга – Миллса берёт истоки из теории расслоенных пространств. Поля, характеризующие частицы-источники (например, электроны), описываются сечениями расслоенного пространства. Калибровочные же поля (например, фотоны) описываются связностью расслоенного пространства. Внутренняя симметрия, локализация которой «порождает» калибровочное поле, является группой симметрии слоя. Частным случаем расслоенных пространств являются пространства со связностями, разработка геометрии которых была стимулирована разработкой общей теории относительности и единых геометризированных теорий поля. Здесь уместно вспомнить эйнштейновское мостовое представление частицы («мост» – связь между двумя возможными состояниями пространства). Теория Янга – Миллса в духе этой теории Эйнштейна, или, наоборот, теория Эйнштейна в духе теории Янга – Миллса.
Следующая выписка, сделанная 1 мая 87 года, отмечена знаком особой исключительности. Хотя, как сейчас вижу, этим знаком можно было бы обозначить много предшествующих и последующих выписок. Все они по-своему ценны.
Первомайская выписка сделана из книги К. П. Станюковича, С. М. Колесникова, В. М. Московкина «Проблемы теории пространства, времени и материи» (1968 г.). Приведу здесь фрагмент выписки.
«Если вспомнить, что фундаментальные частицы – замкнутые геометрические образования конечной протяженности – микровселенные Эйнштейна, то возникает заманчивая возможность рассматривать элементарные частицы как возбуждённые состояния фундаментальных частиц, характеризуемых той или иной степенью геометрического размыкания. С этой точки зрения, весьма плодотворной моделью элементарной частицы будет пульсирующая микрозвезда, то коллапсирующая в основное состояние типа планкеона, то антиколлапсирующая путём взрыва (проще говоря – продольный осциллятор плотности. Б. Г.). Возможны также пульсации просто с выбросом и последующим поглощением некоторой доли полной энергии либо в виде безмассового излучения (фотоны, нейтрино, гравитоны), либо в виде массовых частиц – мезонов. При этом фотоны, нейтрино и гравитоны, выбрасываемые в каждой пульсации, будут «размазываться» по всей Метагалактике. Для мезонов же существует критическое состояние, на которое они могут отойти от центра разлёта, где скорость их падает до нуля, и тогда расширение сменяется сжатием. Это видно из исследования классических центрально-симметричных решений теории тяготения, где в процессе расширения вещества, обладающего массой покоя, происходит более быстрый спад сил давления, нежели сил тяготения, что сопровождается непрерывным уменьшением скорости расширения вплоть до нуля на некотором конечном расстоянии от центра разлёта. Здесь силы тяготения уже превалируют над силами внутреннего давления, вызывая сжатие до предшествовавших взрыву размеров.
Таким образом, видим, что в модели пульсирующей микрозвезды возможны две качественно отличающиеся друг от друга разновидности элементарных частиц: частицы, которые обмениваются с Метагалактикой только квантами энергии с массой покоя равной нулю (фотоны, нейтрино, гравитоны), и частицы, способные к испусканию и поглощению квантов энергии с массой покоя, не равной нулю (мезоны).
Первые частицы, очевидно, относятся к неучаствующим в сильных взаимодействиях – лептонам, вторые – к сильновзаимодействующим – адронам. В обоих случаях расширение Метагалактики, разумеется, вызывает определённую асимметрию процессов излучения и поглощения, что означает необратимую потерю внутренней энергии из элементарных частиц. Эта потеря внутренней энергии с течением мирового времени подчиняется различным законам для лептонов и адронов, что позволяет вывести формулу для отношения массы протона к массе электрона.
Модель пульсирующей микрозвезды позволяет вывести целый ряд важных соотношений, таких, как относительные интенсивности гравитационного, слабого, электромагнитного и сильного взаимодействий, динамическое уравнение для спектра масс элементарных частиц и т.д. Не будем сейчас об этом говорить ввиду весьма предварительного характера приведённых соображений. Отметим только, что в последнее время большое внимание модели элементарных частиц в виде сплошного распределения конечных размеров уделяет Дирак, причём асимметричные решения в его теории дают довольно хорошее согласие с экспериментально наблюдаемым спектром масс.
В своё время задача Кеплера о движении точечных частиц в центральносимметричном поле, буквально взятая с неба (скопированная с Солнечной системы), послужила весьма плодотворным прототипом атома водорода, а затем и вообще всякого атома. В настоящее время существуют весьма много попыток построения модели элементарных частиц как системы нескольких точечных первочастиц, таких, как кварки, обладающие дробным электрическим зарядом и другими квантовыми числами, трионы с целым электрическим зарядом и т.д. Однако нам кажется, что для элементарных частиц наиболее плодотворной окажется модель сплошного распределения конечных размеров в виде пульсирующей микрозвезды, а отнюдь не модель системы точечных первочастиц.
Наиболее существенной является сейчас попытка объединить новейшие астрофизические и космологические представления, т. е. представления о строении макромира с представлениями о строении микромира. Пока, как мы видели, кое-что получается в этом направлении, а что будет дальше, поживём – увидим». (А дальше было двадцать лет исканий, ошибок, надежд и крушений, пока, наконец, не появился образ продольных осцилляций плотности, иначе, продольных волн в единой материальной среде. Б. Г.)
Я думаю, теперь понятно, почему эта выписка отмечена знаком особой исключительности. И обратите внимание на дату издания книги (1968 г.). Как близко уже тогда учёные подошли к истине!
Следующей книгой, из которой сделаны выписки, был сборник статей «Геометрические идеи в физике» (1983 г.). Статья Н. Дрэгона «Кручение и кривизна в теории расширенной супергравитации». Супергравитация, как известно, может быть сформулирована либо в компонентном формализме, либо как геометрическая теория в суперпространстве. Второй подход даёт более глубокое понимание, поскольку он может рассматриваться как обобщение идей дифференциальной геометрии в ситуации, когда некоторые из координат антикоммутируют. При изучении свойств супергравитации обнаружился необычный факт: все компоненты кривизны пространства–времени могут быть выражены через кручение и его ковариантные производные. Кривизна, стало быть, является избыточным объектом в супергравитации. Этот результат показывает также, что уравнения движения и связи должны выражаться как условия на кручение в суперпространстве.
Статья Дж. Шерка «Расширенная суперсимметрия».
В начале статьи автор делает комплимент в адрес теории расширенной супергравитации, но затем указывает на принципиальные трудности такого подхода. «Если расширенные супергравитации окажутся действительно неперенормируемыми, останется ли надежда на существование конечной теории квантовой гравитации, взаимодействующей с материальными полями?» – опасается Шерк.
Как утверждает автор, пока известна лишь одна модель, в которой гравитон (квант гравитационного поля) принадлежит набору полей с нужными свойствами. Это дуальная спинорная модель (или модель спиновой струны). В ней вместо движения точечных частиц со спином в пространстве-времени Минковского рассматривается движение одномерных объектов (струн), каждая точка которых имеет, кроме того, спиновую степень свободы. Длина струны не фиксирована, она является динамической переменной. При каноническом квантовании струны её колебательные моды приводят к бесконечной последовательности частиц, лежащих на прямолинейных траекториях Редже. Поскольку имеется два типа струн – открытые и замкнутые, – им соответствует два сектора квантовой теории. Открытые струны могут иметь квантовые числа произвольной группы внутренней симметрии, замкнутые же струны должны быть синглетами. Свободные квантовые струны можно заставить взаимодействовать, если ввести константу связи, описывающую разрыв и объединение струн.
Преимущество струнной модели, считает автор, по сравнению с теориями расширенной супергравитации состоит в том, что она допускает взаимодействие гравитации с калибровочными полями произвольной группы и не противоречит этим теориям, поскольку при низких энергиях она воспроизводит последнее во взаимодействии с суперсимметричной четырёхмерной теорией Янга – Миллса. Если теории расширенной супергравитации, заключает Шерк, окажутся не полностью перенормируемыми, то струнная модель может стать исходным пунктом конечной теории квантовой гравитации.
Внизу под выписками из данного сборника я сделал такую заметку: «Нужно показать, что модель кручения, заменяющая кривизну в теории расширенной супергравитации, и модель струны в расширенной суперсимметрии, по сути тождественны».
Вот уж воистину можно сказать: за деревьями не видеть леса. Какие математические «вавилоны» понастроили (супер, супер…), как изобретательна и изощренна мысль, какое упорство исследователей, а на поверку-то выходит блуждание в трёх соснах. Увлечение математическими спекуляциями и отрыв от физической реальности не проходит безнаказанно.
Кстати, о калибровочных полях и вообще о квантовой теории поля. Вы посмотрите, как трактует квантовую теорию поля современная наука.
Одно из самых общих физических свойств микромира – универсальная взаимная превращаемость частиц. Для описания такого рода процессов потребовался переход к квантовому полю, т.е. построение квантовой теории систем с бесконечным числом степеней свободы. Пояснить этот переход можно с помощью аналогии. Представим, что всё пространство заполнено связанными между собой гармоническими осцилляторами. Каждый из них характеризуется координатами точки, в которой он находится. Получившееся поле осцилляторов, очевидно, имеет бесконечно большое число степеней свободы. В рассматриваемой системе могут распространяться волны колебаний этих связанных между собой осцилляторов. При переходе к квантовой механике классические величины, характеризующие каждый осциллятор (например, отклонение от положения равновесия), становятся операторами, а с каждой волной сопоставляется частица, обладающая такими же, как и волна, энергией и импульсом (а, следовательно, и массой). Эту частицу нельзя отождествить ни с одним из осцилляторов поля в отдельности: она представляет собой результат процесса, захватывающего бесконечно большое число осцилляторов, и описывает некое возбуждение поля. Таким образом, изучение поля можно свести к рассмотрению квантовых волн (или частиц) возбуждений, их рождения и поглощения.
Весьма узнаваемая картина.
Следующая интересная выписка, сделанная 21 июня 87 года, принадлежит вступительной статье к сборнику «Квантовая теория калибровочных полей» (1977 г.). Приведу её целиком.
«Последние 15 – 20 лет теория элементарных частиц напоминала калейдоскоп. Новые направления теории, модели, технические приёмы внезапно появлялись, давали несколько ярких результатов и так же внезапно уходили в тень. Дисперсные соотношения, реджистика, высшие симметрии, кварки и партоны, алгебра токов, чёрные дыры, расслоенные пространства, очарованные частицы, струны, солитоны, вильсоновские разложения, асимптотическая свобода и тюрьма для кварков, «заговоры полюсов» и гидродинамика – что между ними общего? Стоит ли за этими «деревьями» какой-нибудь «лес» или все эти дороги ведут в разные стороны? Долгое время это было неясно. Сейчас, однако, можно сказать, что есть по крайней мере одна теория, где все пути сходятся. Это теория калибровочных полей. Она использует новые физические идеи и математический аппарат для единого описания всех видов взаимодействий элементарных частиц: сильных, слабых, электромагнитных и гравитационных. В то же время она допускает чисто геометрическую интерпретацию и в своём классическом аспекте может рассматриваться как теория сплошной среды. Поэтому она естественно смыкается со статистической физикой и физикой твёрдого тела, заимствуя у них некоторые методы и передавая свои. (…)
Основу теории калибровочных полей составляют принципы симметрии, главный из которых – принцип локальной калибровочной инвариантности. Этот принцип впервые был использован Вейлем, который показал, что теорию Дирака можно сделать инвариантной относительно локальной группы фазовых преобразований волновых функций, если в лагранжиане обычные производные заменить ковариантными по известному правилу. Возможность такой замены говорит об универсальности электромагнитного поля и соответствующей константе связи е. В то же время она означает, что взаимодействие, введённое с её помощью, допускает чисто геометрическую трактовку на языке коэффициентов связности пространства-времени. Последнее было продемонстрировано самим Вейлем, который показал, что электромагнитное поле можно отождествить с дополнительными неметрическими коэффициентами связности пространства-времени, а локальные калибровочные преобразования – с растяжениями четырёхмерного интервала, зависящим от точки. В пространстве Вейля имеется любопытный геометрический аналог квантования орбит по Бору. Именно, если рассматривать кулоновское центрально-симметричное электромагнитное поле (атом водорода) в пространстве Вейля, то оказывается, что боровские орбиты (орбиты электрона) – это те траектории, вдоль которых параллельный перенос вектора не меняет его длины. Любые другие траектории в пространстве Вейля этому требованию не удовлетворяют. Основные черты вейлевской трактовки электромагнитного поля сохранились и в современной теории калибровочных полей. (…)
Таким образом, с точки зрения теории калибровочных полей картина такова. Все элементарные частицы делятся на два класса: основные частицы (нуклоны, лептоны) и частицы-переносчики (мезоны). Мезоны осуществляют взаимодействие между основными полями. В кварковой модели основные частицы состоят из трёх кварков, а мезоны – из двух. Кварки соединены между собой «клеем» (глюонами). Этот клей обладает особыми свойствами. Он может стягиваться в шнуры (струны), упругость которых при растяжении растёт линейно с расстоянием. Поэтому кварки не могут вылетать, и наблюдаемы только связные бесцветные состояния кварков. Квантополевая картина имеет геометрический аналог в расслоенном пространстве-времени. Поля, описывающие основные частицы, соответствуют сечениям расслоенного пространства-времени. Мезонам соответствуют коэффициенты связности расслоенного пространства. Внутренняя симметрия элементарных частиц (изоспин, цвет) является симметрией группового пространства калибровочной группы (слоя).
Геометрическая картина соответствует передаче взаимодействия через среду. Поэтому калибровочные модели естественно привели к представлению о вакууме как о среде, т.е. системе с бесконечным числом степеней свободы. В таком вакууме могут рождаться пары частиц в таком количестве, что образуется конденсат, а эффекты поляризации столь сильны, что могут полностью экранировать внесённый извне заряд. Явление асимптотической свободы может рассматриваться как антиэкранировка, вызванная дисперсией вакуума».
В продолжении этой темы маленький фрагмент выписки из книги Н.П. Коноплёвой и В.Н. Попова «Калибровочные поля» (1980 г.). Выписка сделана 29 июня 87 года.
«В последнее время концепция возбуждений типа квантовых вихрей, возникшая в теории сверхпроводимости и сверхтекучести, переносится на релятивистскую квантовую теорию поля. Основанием для этого служит гипотеза, что сильновзаимодействующие частицы (если не все, то, по крайней мере, некоторые из них) являются вихреподобными возбуждениями. Такая гипотеза позволяет снизить число фундаментальных полей. Необходимость в этом ощущается особенно сильно в последнее время, когда число открытых сильновзаимодействующих частиц вместе с резонансами стало порядка 100 – 200. В этой ситуации стандартная схема теории поля, сопоставляющая каждой частице фундаментальное поле, становится громоздкой, неэффективной для практического использования и непривлекательной с точки зрения красоты теории. (…)
Квантовые вихри существуют как самостоятельные частицы. Очевидный закон сохранения разности числа вихрей, вращающихся в положительном и отрицательном (в одном и в противоположном Б. Г.) направлениях, служит аналогом закона сохранения разности числа частиц и античастиц».
Под этой выпиской тогда же я поместил такой комментарий: «Движение продольного осциллятора как целостной частицы в собственном волновом поле возможно только вихреподобным способом с рождением своеобразных вихревых поперечных волн».
В июле 87 года я познакомился с работой Т. Б. Романовской «Исторические корни теоретической интерпретации периодической системы» (сборник статей «Исследования по истории физики и механики», 1986 г.). Эта статья поминается в одном из моих писем профессору Д. Н. Трифонову.
Нынче, как известно, существует два подхода к теоретической интерпретации периодической системы химических элементов. Первый – традиционный, nl-оболочечный, практически совпадающий с трактовкой периодичности в старой квантовой теории и не дающий адекватного объяснения порядку заполнения атомных орбиталей, и тем самым не дающий объяснения атомной периодичности. Второй подход, берущий своё начало с работы В. А. Фока 1935 года, связан с попытками теоретико-групповой интерпретации явления атомной периодичности. Атомная периодичность, согласно этому подходу, есть закономерность, проявляющаяся в одноэлектронных свойствах атома и отражающая следствие их динамической и перестановочной симметрии. Взаимодействие электронов между собой и с атомным ядром приводит к эффективному одноэлектронному потенциалу, имеющему некоторую приближенную скрытую симметрию. Однако причина такого интересного феномена, как считают учёные, остаётся ещё неясной.
Периодическая система элементов в спиральной форме (1984 г.), построенная на основе периодической функции с обозначением угловых моментов кратных величине ;, даёт ключ к пониманию эффективного использования групп динамической симметрии в трактовке атомной периодичности. Ведь по существу последовательная застройка внешней оболочки атома (ядра) есть периодическое нарушение и восстановление динамической симметрии.
С августа 87 года, судя по читанной литературе, у меня произошел возврат к истории физики, далёкой и не очень. Открылось много интересных фактов, идей, разработок. Не поделиться с ними, думаю, было бы ошибкой.
Знакомлюсь со сборником статей «Исследования по истории физики и механики», но уже выпуском 1985 года. Работа А. Т. Григорьяна «Начальный этап развития классической механики». И снова идеи старика Декарта.
Чтобы не заниматься утомительной компиляцией, приведу выписку из статьи Григорьяна целиком, так как в ней всё представляет интерес.
«На ранних стадиях развития механики тяжесть рассматривалась по большей части как некое свойство самого тяжелого тела, а не как результат воздействия чего-то внешнего (например, притяжения другим телом). Действие тяжести могло изменяться от взаимодействия с другими факторами. (…)
Совершенно иной характер приобретало понятие тяжести в картезианской физике, где все физические различия и процессы в конечном итоге должны были быть сведены к форме и величине тел и их движению. В картезианской физике сила тяжести оказывается результатом воздействия окружающих тел, а именно результатом движения тончайшей небесной материи. Поэтому в принципе становятся возможными «невесомые» тела.
«Согласно моему мнению, – писал Декарт Мерсенну, – тяжесть заключается не в чём ином, как в том, что земные тела в действительности толкаются к центру Земли тонкой материей».
По Декарту, представление о том, что материи как таковой свойственна тяжесть, что всякой материи присуще сопротивление пространственному движению, основано на предубеждении наших чувств. Тяжесть, по Декарту, есть результат вихревого движения частиц тонкой материи (первого элемента), своего рода эфира, вокруг центра Земли; благодаря этому движению более крупные и более грубые частицы того вещества, которое Декарт называл землистым, или третьим элементом, обладающие более медленным движением, вынуждены (поскольку пустота невозможна) заполнять место удаляющихся к периферии частиц тонкой материи, и это создаёт впечатление, будто тело, состоящее из землистых частиц, стремится к центру Земли.
Гюйгенс, развивший после смерти Декарта подобную же кинетическую теорию, так сформулировал её принцип: «Вот в чём, вероятно, заключается тяжесть тел, – можно сказать, что это есть усилие тонкой материи, обращающейся вокруг центра Земли по всем направлениям, удалиться от этого центра и толкать на своё место тела, не следующие за этим движением». (…)
Декарт предвидел возражения против своей гипотезы: центробежная сила нормальна к оси вращения, следовательно, нормальна к ней и центростремительная сила. Поэтому тяжесть должна была бы быть направлена не по радиусам к центру Земли, а по нормалям к земной оси, так, что на экваторе она была бы максимальной, а на полюсе – бесконечно малой, будучи направлена по касательной к земному шару. Декарт попытался найти выход из затруднения, предположив, что частицы тонкой материи движутся по всем направлениям и в каждой точке сферы равнодействующая оказывается направленной по радиусу. Точно также Гюйгенс заменил цилиндрический вихрь Декарта сферическим, предполагая, что частицы тонкой материи движутся по всем возможным направлениям вокруг Земли. (…)
Очень важно указание Декарта на то, чем измеряются «сила пребывать в покое» и «сила продолжать своё движение с той же скоростью и в том же направлении». «Судить об этой силе следует по величине тела, в котором она заключена, по поверхности, которой данное тело отделяется от другого, а также по скорости движения и по различным способам, какими сталкиваются различные тела».
Весьма поучительны и показательны в этом пункте позднейшие суждения Н. Мальбранша, воспитанного в атмосфере картезианских идей. Мальбранша не удовлетворяла та концепция Декарта, которая сводила твёрдость тела к простому покою его частиц. Он прямо и открыто говорил о заблуждениях Декарта. По словам Мальбранша, «этот великий человек» считал, что покой имеет такую же силу, как движение, а потом «стал измерять действие силы покоя по величине тел, находящихся в покое».
Для объяснения связанности частиц твёрдого тела мало одного покоя этих частиц, нужно, полагал Мальбранш, прибегнуть к представлению о движении тонкой материи, окружающей и сжимающей частицы тела. «Мне кажется ясным, – писал он, – что всякое тело само по себе бесконечно мягко, потому что покой вовсе не имеет силы сопротивления движению, а потому часть тела, испытывающая больший толчок, чем соседняя с ним, должна отделиться от неё. Таким образом, твёрдые тела являются таковыми лишь благодаря сжатию невидимой материи, их окружающей и проникающей в поры». Это – так называемые «малые вихри», которые впервые именно Мальбранш ввёл в картезианскую физику.
Для Мальбранша причина, в силу которой частицы твёрдых тел так крепко связаны друг с другом, заключается в том, что вне их расположены другие небольшие тела, участвующие в несравненно более сильном движении, чем грубый воздух, который мы вдыхаем, и эти тела их толкают и сжимают. Не их покой является причиной того, что нам трудно разъединить эти частицы, а движение тех маленьких тел, которые их окружают и сжимают. По Мальбраншу, тонкая материя необходимо должна быть причиной твёрдости тел или того противодействия, которое мы чувствуем, когда делаем усилие, чтобы их сломать. В качестве поясняющего примера Мальбранш ссылается на опыты Герике с «магдебургскими полушариями,
прижимаемыми друг к другу давлением окружающего воздуха».
Ну разве мысли Мальбранша не созвучны с моими идеями о плотном вакууме, «цементирующим» и объединяющим физический мир в одно целое?! А ведь рождение этих идей разделяет почти триста лет! Следующая выписка из этого же сборника касается размышлений М. В. Ломоносова о причинах тяготения тел. Ранее в очерке я уже приводил мысли учёного по данной теме, повторяться не стану. Только замечу, что они совершенно в духе идей Декарта и Мальбранша. Чистого притяжения, по Ломоносову, нет, есть тонкая активная материя (эфир), которая и побуждает тела двигаться к центру Земли.