К 80-летию теории относительности

   Одними из главных причин, приведших к созданию теории относительности, были сложности и противоречия механической интерпретации эфира и связанные с ней не менее противоречивые следствия. Но был ли путь, найденный Эйнштейном, единственным путём, ведущим из кризисного положения, в котором оказалась классическая механика к началу 20 века? И так ли необходимо было устранение из физической картины мира гипотезы эфира, игравшей поистине выдающуюся роль в течение всего 19 столетия? Чтобы ответить на эти вопросы, обратимся кратко к истории эфирной гипотезы.
   Началось всё с того, что физики пришли к выводу о волновой природе света. Об этом, в частности, свидетельствовали такие факты, как громадная скорость света, отсутствие взаимодействия лучей света, проходящих через одну точку, интерференция, дифракция и т.д. Всё это можно было понять и объяснить только исходя из уже известных волновых механизмов, развитых в акустике, гидродинамике, теории упругости и т.д. Однако непосредственное перенесение, например, акустических моделей в оптику было невозможно. Если звуковые волны порождались колебаниями определенного тела как целого и распространялись в воздухе, то световые волны порождались каждой точкой источника света и для их распространения необходима была особая среда – эфир.
   Так возникло первоначальное атомистическое представление об эфире: каждая частица эфира могла быть представлена как источник вторичных элементарных волн, и можно было объяснить огромную скорость света с помощью огромной твердости и упругости частиц эфира. Когда скорость света принималась бесконечной, то и частицы эфира наделялись абсолютной твердостью и были плотно упакованы.
   После опытов Рёмера, который установил конечность скорости света, физики вынуждены были прийти к заключению о том, что частицы эфира обладают конечной твердостью. Постепенно эфир начинал приобретать характер идеальной жидкости, заполняющей всё пространство, и, что самое важное, выполнял определенные функции пространства. В оптике эфир выступал в качестве необходимого носителя световых волн, а в механике он предстал в роли привилегированной системы отсчёта, то есть давал возможность установить наличие абсолютного движения или абсолютной системы отсчёта.
   Первоначально свет рассматривался как продольные волны в идеальной эфирной жидкости. Однако в опытах Френеля и Араго было обнаружено, что во взаимно перпендикулярных плоскостях поляризованные световые пучки не интерферируют. Пытаясь объяснить это явление, Юнг высказал гипотезу о том, что световые волны являются не продольными, а поперечными. Естественно, сразу встал вопрос о структуре эфира, который передаёт поперечные волны и гасит продольные.
   Построенная Френелем модель несжимаемого эфира полностью удовлетворяла принципам механики, но при этом она шла вразрез с механической картиной мира, ибо при таком подходе эфир оказывался твёрдым телом. Этот вывод был столь обескураживающим, что многие физики, принимавшие волновую оптику, внёсшие большой вклад в её развитие, поспешили отречься от этой конструкции.
   Встал вопрос о том, как могут тела двигаться через эфир и преодолевать сопротивление со стороны последнего. В случае  если принималось, что свет – это продольные колебания, всё решалось достаточно просто: эфир обладает чрезвычайно малой плотностью при значительной упругости, что обусловливает, с одной стороны, отсутствие заметного сопротивления движению тел, а с другой, позволяет распространяться световым волнам с огромными скоростями. Когда же пришли к выводу о поперечном характере световых волн, то исчезла возможность сочетать разрежённость эфира с его твёрдостью. При этом оставался на повестке дня вопрос и о продольных волнах. Дело в том, что при предположении о том, что свет – это поперечные волны эфира, из теории упругости следовало: в определенных ситуациях распространение поперечных волн сопровождается порождением волн продольных. Однако ни одной предложенной модели эфира не удалось справиться с возникшей проблемой – продольные волны упорно не укладывались в механические теории эфира.
   Когда рассматривается движение тел в эфире, то встает вопрос не только о его сопротивлении, но и о влиянии движения тел на сам эфир. Если физиками, благодаря опытам Физо, было выяснено частичное увлечение эфира, находящегося внути движущихся тел, то оставался открытым вопрос о поведении внешнего эфира. В основном ученые склонялись к представлению о его неподвижности, что органично связывало эфир с абсолютным пространством механики. Для подтверждения этого представления была предпринята попытка обнаружить движение Земли относительно неподвижного эфира. Для обнаружения «эфирного ветра» Майкельсоном в 1881 году был поставлен опыт. Результат опыта оказался отрицательным, никакого «эфирного ветра» обнаружено не было. Опыт Майкельсона вскрыл фундаментальные противоречия, которые оказались в самой механической картине мира, противоречия с принципами механики, с господствующими представлениями о пространстве и времени.
   Во-первых, возникла необъяснимая несогласованность между частичным увлечением эфира внутри движущихся тел и его полным увлечением снаружи. Во-вторых, полное увлечение эфира в опыте Майкельсона оказалось в противоречии с явлением аберрации света, свидетельствующим о неподвижности эфира. В-третьих, опыт Майкельсона затронул фундаментальную проблему механики – обнаружение абсолютного движения, движения относительно абсолютного пространства, с которым органично был связан неподвижный эфир. Выяснилось, что скорость света не зависит от движения тела, на котором производится измерение. Оптические явления зависят только от относительного движения материальных тел.
   Таким образом, трудности механической интерпретации эфира, его противоречивые свойства и все следствия, связанные с этой гипотезой, привели к коренной ломке классических представлений. Тогда казалось, что только теория, которой удастся избавиться от эфира и, вместе с тем, объяснить богатство опытных данных, может претендовать на истинную. И в 1905 году Альберту Эйнштейну удалось создать такую теорию, позволившую отказаться от гипотезы эфира, используя лишь представления о движущихся и покоящихся относительно друг друга электрических зарядах в пустом пространстве.
   В общей теории относительности, завершенной Эйнштейном в 1915 году, пространство выступает уже не как пассивный элемент, а как некая физическая реальность. Присутствие в пространстве массивных тел искривляет его, создавая таким образом эффект гравитации. После создания общей теории относительности Эйнштейн и его последователи, наиболее яркий из которых Уилер, не ограничились геометризацией гравитации, они попытались распространить этот принцип на законы электромагнетизма, свести их таким образом к динамике искривлённого пространства. Объединение гравитации и законов элетродинамики под общим принципом ознаменовало бы собой создание единой теории материи как основы всего нашего знания о физическом мире. Геометродинамика – так называлась наука, пытавшаяся осуществить столь грандиозную программу. Но, как показали многолетние поиски, в геометродинамике возникли свои непреодолимые трудности, связанные главным образом с интерпретацией электрических частиц.
   Однако, как могло проникнуть такое, казалось бы, чисто математическое понятие (кривизна пространства) в физику, в науку о природе? Чтобы ответить на этот вопрос, нам необходимо вернуться в первую половину 19 века. Слабым пунктом геометрии Евклида был пятый постулат о параллельности прямых, над доказательством которого бились математики в течение столетий, но тщательный анализ «доказательства» показал, что вместо евклидова постулата пришлось принять новое, эквивалентное старому, допущение. И вот казанский математик Лобачевский в 1826 году пришел к смелому выводу, что взамен пятого постулата можно выдвинуть другой, противоположный ему, и, тем не менее, создать логически непротиворечивую геометрию, отличающуюся от евклидовой. Это была новая, неевклидова геометрия, столь же истинная, как и евклидова, хотя описывающая совершенно новое, неевклидово пространство. Вопрос о том, какая же геометрия более соответствует действительности, как полагал Лобачевский, может быть решен только опытом.
   Создание неевклидовой геометрии сильно поколебало представления об абсолютном, однородном пространстве механики Ньютона. Наступила очередь критики ньютоновской концепции пространства и времени физиками. На смену заполненному эфиром пространству классической механики пришло эйнштейновское пространство общей теории относительности, способное изменять свою кривизну, но уже без эфира. Ещё в 1870 году Вильям Клиффорд представил Кембриджскому философскому обществу статью «О пространственной теории материи», в которой он высказал предположение, что «в физическом мире не происходит ничего, кроме изменения кривизны пространства, подчиняющегося законам непрерывности». Далее он высказывал соображения, «которые указывают на возможность выражения расстояния или количества через расположение в широком смысле топологии».
   Таким образом, Эйнштейн и Уилер шли уже проторённым путём, только в свете новых достижений физики и математики, но, как выше говорилось, попытки полной геометризации мира встретились с непреодолимыми трудностями. Чтобы преодолеть все трудности, вставшие на пути геометризации, я полагаю, нужно обратиться к наглядности представлений. Стремление к наглядности совершенно естественно и необходимо. Коль мы живём в реальном мире, среди реальных процессов и явлений, то всё в нём может быть смоделировано и представлено образно. Единственное, чего здесь следует бояться, так это недостатка воображения и фантазии и, может быть, недостатка прямоты в суждениях.
   Наш мир существует в бесконечном пространстве трёх измерений, то есть в объёмном пространстве. С тем, что наше пространство не имеет границ и что оно объёмно, никто спорить не будет. А раз так, то можно ли представить себе наглядно кривизну бесконечного объема? Звучит прямо-таки парадоксально. Правомерней было бы говорить в таком случае не о кривизне объёма, а о кривизне в объёме.
   Наше преимущество по отношению к абстрактным бесконечным пространствам одного и двух измерений заключается в том, что мы можем находиться вне их и легко представить и даже влиять на их кривизну посредством деформации. Тогда как находиться вне бесконечного пространства трёх измерений мы не можем, тем более, если речь идет о реальном пространстве. Представить же кривизну того пространства, в котором находишься, да ещё и влиять на неё, нашему уму кажется совершенно невозможным. И всё-таки, несмотря на это весьма серьёзное обстоятельство, мы попытаемся представить себе кривизну трёхмерного пространства по аналогии с кривизной пространства одного измерения.
   Возьмём в качестве одномерного прямого пространства струну бесконечной протяженности из упругого гипотетического материала непрерывной структуры с некоторой, скажем так, покоящейся плотностью, иначе говоря, материала, одинаково сопротивляющегося изменению плотности – как сжатию, так и расширению. Чтобы представить кривизну данного пространства, струну надо деформировать. Но за счёт чего возможна деформация? По-видимому, за счёт изменения плотности материала струны в месте изгиба. Предположим, что некие силы оттянули струну, деформировав таким образом её плотность. Когда силы прекратят свое действие, упругие силы стремятся восстановить состояние первоначальной плотности, в результате возникнет колебательный процесс. От места колебания в бесконечность вдоль струны начнут распространяться возбуждаемые упругие волны. Частота колебания и скорость распространения волн определяются твёрдостью материала струны: чем она больше, тем больше скорость. При повторении опыта несколько раз мы придём к выводу, что длительность колебаний в возбужденной области прямо пропорционально зависит от величины деформации, а частота колебаний и скорость волн остаются неизменными.
   Потому как структура нашего одномерного пространства непрерывна, мы совершенно спокойно можем предположить, что оно способно изменять свою плотность в локальной области вплоть до бесконечных величин, а, следовательно, и возможность существования в данной области вечных, незатухающих колебаний. Когда же условие бесконечности величин не выполняется, колебание обречено на затухание с некоторым постоянным декрементом, величину которого определяет структура материала колеблющейся среды. Таким образом, отождествив кривизну пространства с изменением его плотности, нам ничто не мешает подобным образом представить кривизну трёхмерного пространства.
   Предположим теперь, что мы находимся в бесконечном объёме из такого же, как и в первом случае, упругого гипотетического материала непрерывной структуры с покоящейся плотностью, одинаково сопротивляющегося изменению плотности – как сжатию, так и расширению. Выделим в некоторой области этого объема условную сферу. И теперь, согласно нашему заключению, представим, что некие силы равномерно, строго радиально деформируют плотность пространства к центру сферы. В центре обнаружится увеличение плотности, тогда как к периферии сферы и далее плотность уменьшится. Сказанное хорошо может быть проиллюстрировано с помощью черно-белого непрерывного спектра. Покоящемуся пространству с недеформированной плотностью соответствует сплошной однородный фон серого цвета, изменениям плотности – деформации сжатия и деформации расширения, соответственно, – потемнение и посветление серого фона. Когда деформирующие силы прекратят свое действие, по уже известным причинам в центре сферы возникнет колебательный процесс. Продольные радиальные колебания в центре сферы неизбежно возбуждают продольные сферические волны, которые, удаляясь в бесконечность, «поляризуют» всё больший и больший объём пространства. Длина волн соответствует размеру радиального осциллятора. Частота колебаний и скорость распространения волн, а также длительность колебаний, находятся в тех же зависимостях, что и в опыте с бесконечной струной.
   Таким образом, мы легко получили представление о кривизне трёхмерного пространства, но ценой отказа от самого понятия кривизны, заменив его представлением об изменяющейся плотности пространства. Как же так, может возникнуть вопрос, ведь мы говорим о пространстве, но при чём здесь характеристики физических сред: плотность, упругость? Вот в этом-то всё и дело. Коль мы говорим о реальном пространстве, о его способности изменять свою кривизну, то хотим мы того или нет, а физическими характеристиками мы вынуждены его наделить, ибо ничто (иначе, пустота) искривляться не может.
   Одним из замечательных итогов приведенных рассуждений является то, что мы нашли объект, которого, без ложной скромности говоря, так не хватало всей нашей физике, – я имею в виду радиальный осциллятор колебаний плотности. Чтобы оценить значение этого объекта, достаточно вспомнить историю с квантованием спектров.
   Взяв за основу атом Резерфорда, Нильс Бор в 1913 году создает квантовую теорию излучения и поглощения, используя представления о стационарных состояниях атома и его энергетических переходах, соответствующих скачку электрона с одной орбиты атома на другую. Теория Бора хорошо согласовывалась с опытными данными для одноэлектронных атомов, но с многоэлектронными атомами возникали большие сложности.
   В 1923 году Луи де Бройль выдвинул идею, переносящую дуализм в теории света на частицы материи, связывая их движение в пространстве с некоторым волновым процессом. Вооружившись идеей де Бройля, Эрвин  Шрёдингер  в  1926  году создает  совершенно  отличную  от  теории Бора  теорию квантования – волновую механику. Главное место в его теории отводится  волновой  функции Пси, собственные значения при решении которой являлись ответом  на  загадку  квантования, аналогично тому,  как   колеблющаяся   струна,  возбуждаемая   дополнительно,  порождает  комбинационные  тоны.
Воодушевленный тем, что ему удалось избавиться от квантовых скачков, Шредингер попытался дать наглядную интерпретацию Пси-функции. Наложением волновых функций образуется волновой пакет, который, по его мнению, и представляет движущуюся микрочастицу. Однако уже для двух частиц такая наглядная интерпретация невозможна. Здесь волны, описываемые функциями Пси, являются волнами не в обычном, трёхмерном, а в абстрактном конфигурационном пространстве. Кроме того, волновой пакет с течением времени расплывается.
   Устранение заряженных частиц и объявление единственной реальностью лишь волн также не служило в пользу теории Шрёдингера, так как частицы постоянно напоминали о своём существовании в экспериментах физиков. По этой причине Макс Борн в 1926 году предложил другую, вероятностную, интерпретацию Пси-функции. Квадрат модуля Пси определяет плотность вероятности нахождения частицы в той или иной точке.
   Теперь же, когда мы имеем представления о продольном радиальном осцилляторе, нам не составит особого труда дать наглядную интерпретацию Пси-функции в волновой механике Шредингера. И незачем теперь, чтобы понять смысл её, забираться в абстрактное конфигурационное пространство, оставим его математикам. И незачем бояться расплывания волнового пакета, время «расплывания» пакета определяет декремент затухания. Думается, и Ричард Фейнман, создатель квантовой электродинамики, будет доволен моделью радиального осциллятора, ведь его «самодействующий» электрон, в сущности, ничем не отличается от данного осциллятора.
   Известно, что так называемые электромагнитные волны излучения являются поперечными волнами. Но если механизм продольных волн, нестрого говоря, задаётся природой, то механизм возникновения волн поперечных можно понять, лишь наблюдая движение и взаимодействие радиальных флуктуаций. Не вникая слишком в подробности этого процесса, можно с определённостью сказать: движущийся в собственном волновом поле радиальный осциллятор возбуждает волну иного рода, а именно поперечную, сдвиговую. Понятно, что возбуждаемая поперечная волна будет не сферической, а плоской, с максимумом амплитуды, лежащим в круге спирали, описываемым движущимся осциллятором-электроном. Иначе говоря, поперечная волна будет иметь определенное, выделенное направление распространения.
   Отвечая на вопросы, поставленные в начале статьи, был ли путь, найденный Эйнштейном, единственным путём и необходимо ли было устранение эфира из физической картины мира, сегодня можно сказать с полной определенностью: нет. Подтверждение тому –  сложности и проблемы современной физики и тот интерес, какой вызывает к себе физический вакуум. Учёные прямо-таки вынуждены наделять вакуум свойствами физической среды, и от этого трудно уйти, опыты и расчёты говорят сами за себя. К тому же использование волновых уравнений Шредингера в физике элементарных частиц, несмотря на вероятностную интерпретацию Пси-функции, неизбежно предполагают существование некой колеблющейся среды, и такой средой может быть только вакуум.
   Похоже на то, что физики в свое время недооценили возможности эфира и потому расстались с ним. Если им не удавалось обнаружить продольные волны в эфире, то это совершенно не значило, что их вообще нет. Физические свойства эфира, а именно – огромная плотность и упругость, не запрещают существование, наряду с поперечными волнами, волн продольных, но накладывают жесткие ограничения на их длину. Зарегистрировать же продольные волны ни глаз, ни прибор не могут, и не потому, что длина их мала, а потому, что механизм фиксации рассчитан только на восприятие поперечных, сдвиговых волн.
   Я позволю себе, уже с новых позиций, высказать свои суждения по основным вопросам современной физики, но лишь схематично и очень поверхностно.
   1. О природе вакуума. Физический ваккум я отождествляю с упругой средой из гипотетического материала непрерывной структуры, обладающей, по нашим масштабам, колоссальной плотностью. В известном смысле происходит возрождение эфира как твёрдого тела.
   2. О природе частиц. Так называемые протоны и электроны представляют собой радиальные флуктуации плотности физического вакуума, имеющие одинаковый размер осциллятора, но различающиеся величиной деформации, иначе – амплитудой. Имея одинаковый размер осциллятора, они, следовательно, имеют вокруг себя волновое поле с равными длинами волн, что позволяет им устанавливать между собой обменные резонансные связи.
   Конечно, маловероятно, чтобы электрон и протон с такой колебательной природой были единственными устойчивыми частицами. Такая природа, в сущности, позволяет допустить бесконечный спектр частиц различных амплитуд. Но почему в физике известно только две из них, вернее, три, если считать и нейтрино, пока остается неясным. Вероятнее всего, частицы с амплитудами, меньшими нейтринной, просто не могут быть обнаружены, в силу ограниченной возможности экспериментальных средств, а частицы с амплитудами, большими протонной, на данном этапе развития вселенной нет, разве только в недрах звезд. Богатство короткоживущих резонансных частиц совершенно естественно вытекает из самой природы взаимодействия осциллирующих стабильных частиц.
   Чтобы ответить на вопросы, как рождаются радиальные флуктуации, как они перемещаются в пространстве, как образуются из них тела, необходимо непосредственно обратиться к строению вселенной. Здесь есть, по моему мнению, два варианта: единичный вариант вселенной и множественный вариант с бесконечным количеством вселенных.
   В единичном варианте вселенная отождествляется со всем бесконечным замкнутым сферическим пространством, в центре которого колеблется осциллятор с амплитудой деформации, равной бесконечности. Расходящиеся сферические продольные волны некоторым образом дробятся, порождая множество радиальных флуктуаций, идентичных по природе бесконечному осциллятору в центре вселенной, только с меньшей величиной амплитуды. Продолжая по инерции двигаться от центра, флуктуации, испытывая давление со стороны плотного пространства, объединяются в тела, что приводит к торможению их движения.
   Во множественном варианте центры вселенных размещены равномерно на всем бесконечном протяжении пространства. Если вокруг каждого центра очертить условную сферу, то такая картина напоминала бы плотную упаковку шаров в трёхмерном объёме. В центре каждой вселенной колеблется бесконечный осциллятор. Распространяющиеся сферические волны выходят за пределы своей вселенной, проникают в соседнюю, взаимодействуют с её волнами, порождая, таким образом, множество радиальных флуктуаций. Флуктуации, как и в случае с одинарной вселенной, по инерции двигаясь от центра, объединяются в тела, что приводит к резкому падению скорости движения образовавшихся конденсаций.
   3. О постоянной Планка. Постоянная Планка самым непосредственным образом связана с декрементом затухания колеблющегося вакуума, там, где не выполняется условие бесконечности. Условие же бесконечности выполняется только в центре вселенной, в остальной части её все колебательные процессы осцилляторов и волн подвержены затуханию. Здесь и ключ к пониманию постоянного роста энтропии во вселенной.
   4. О природе гравитации. После всего сказанного у нас не должно вызывать удивления то обстоятельство, что планеты и тела, двигаясь в плотном пространстве, не испытывают сопротивления. Однако именно эта самая плотность пространства и есть причина гравитации. Вспомните, как погружаемая в воду деревянная пробка выталкивается наружу. Архимедова сила, действующая на пробку, совершенно подобна так называемой силе тяготения. Чем меньше плотность погружаемого в воду тела в сравнении с плотностью воды, тем больше усилий мы затрачиваем, чтобы утопить его, и, соответственно, чем больше вес тела, поднимаемого нами, тем больше усилий мы затрачиваем, чтобы поднять его. Согласно идеям общей теории относительности, присутствие в пространстве массивных тел искривляет его, создавая таким образом эффект тяготения, но движение тел, в частности планет, удерживает их от столкновения. Теперь заменим представления об искривленном пространстве на представления об изменяющейся плотности его, и утверждение будет совершенно справедливым. Массивные тела изменяют плотность окружающего пространства, уменьшают её, создавая своеобразное поле, и именно благодаря этой уменьшенной плотности, тела, испытывая давление со стороны пространства, не заполненного телами, стремятся к сближению, но орбитальное центробежное движение удерживает их от столкновения. Движение тел в плотном пространстве не проходит бесследно. Как выше уже говорилось, согласно идеям де Бройля, всякое движение в пространстве частиц и тел сопровождается волновым процессом с длиной волны, зависящей от массы и скорости. Наш взгляд на частицу, как осциллятор, и на тело, как совокупность осцилляторов, не только не противоречит идее де Бройля, но даже предполагает возникновение поперечных, сдвиговых волн при их движении в плотном, упругом пространстве. Уменьшение плотности пространства вокруг массивных тел можно отнести на счёт огромной плотности де-бройлевских волн, сопровождающих движение тел.               


        Ноябрь 1984 г.


Рецензии
Борис! Вы даже не представляете, как мне приятно встреть в Вашем лице единомышленника!Почемк-то Ваша содержательная статья попалась мне на глаза лишь сегодня, то есть 30 лет после её опубликования. Прямо злой рок преследует меня не иначе! Я тоже много лет занимаюсь проблемами физики. На своей страничке здесь на "Прозе.ру" опубликовал несколько заметок, которые и короче Ваших и менее монументальны. Поинтересуйтесь ими, пожалуйста, не пожалеете! Называются они: "Об обманщиках Ньютоне и Эйнштейне"; "Псевдобрешь в классической физике"; "Научный подлог Н.Бора"; "Медвежья услуга де Бройля физике". В них Вы,Борис,мне кажется, найдёте ответы на многие вопросы в Вашей статье "К 80-летию теории относительности".
И в заключение хочу Вам найти или скачать в Сети брошюру доктора технических наук В.А. Ацюковского под названием "Блеск и нищета Теории относительности Эйнштейна". (Город Жуковский, Изд-во "Петит", 2000, 17 с.)
С пожеланием тебе дальнейших твлрческих успехов. Михаил.

Михаил Глибоцкий   18.07.2014 20:23     Заявить о нарушении
Спасибо, Михаил. Почитаю.

Борис Гуляев-Бегом   18.07.2014 22:20   Заявить о нарушении