Конец зигзага на пути познания? По материалам публикаций журнала Президиума Российской академии наук

С. В. Гальперин

Познавательная значимость содержимого настоящей книги обусловлена возвратом бесконечности в картину мира и принципом динамического равновесия, выявляемого в самих основах мироздания. Этого достаточно, чтобы избавить нынешнее естествознание от общей беды – отсутствия осмысливаемой природы начал фундаментальных наук, будь то природа числа для математики; элементарных частиц – для физики; периодичности элементов – для химии; организма – для биологии.

На пути к познанию природы светового кванта

Опубликованная в нашем журнале статья С. В. Гальперина «Альберт Эйнштейн — Колумб в физике» (см. Энергия. 2005. №11) вызвала определённый интерес наших читателей, в связи с чем наш корреспондент Т. Л. Мышко решила побеседовать с автором и уточнить некоторые позиции по затронутым в статье вопросам.

— Семён Вениаминович, проблемы, поднимаемые в вашей статье, без сомнения, интересны. По-видимому, они могли бы стать, прежде всего, предметом дискуссии в сфере истории естествознания. Что же касается их актуальности, то она, сама по себе, думается, достаточно проблематична, учитывая круг вопросов, который охватывает тематика нашего журнала.

— Не могу с вами согласиться, поскольку исхожу из того, что центром упомянутого вами круга служит энергия, — явление поистине универсальное, вселенское, конечно же, никак не умещающееся в известную сейчас даже школьнику формулу Е=mс², которая, к тому же весьма далека от проблем, вынесенных в само название вашего журнала.

— Но ведь и вы в своей статье не уделяете внимания непосредственно этому явлению, упомянув его всего один раз и то лишь вскользь, как гипотетическую «энергию вакуума».

— В чём-то я попытаюсь оправдаться. Дело в том, что, несмотря на отсутствие упоминания об энергии, именно она создала незримый фон при обсуждении творчества Эйнштейна, связанного так или иначе с движением, поскольку её принято считать единой мерой различных форм движения, а условие сохранения энергии всё ещё остаётся оселком, на котором проверяется надёжность теории, объясняющей динамические процессы любого уровня. Тем не менее вы правы: содержание статьи осталось где-то в стороне от вопросов даже сугубо стратегического характера, находящихся в поле зрения вашего журнала. Имеется, правда, возможность несколько исправить положение, но для этого нам с вами придётся временно отвлечься от проблем, которые решал Эйнштейн, и для начала попытаться апеллировать к иным авторитетам.

— Что ж, я готова к такому повороту беседы, но кого именно вы имеете в виду?

— Я имею в виду, прежде всего Нобелевского лауреата академика Алфёрова, чьё мнение, высказанное, пусть и в неформальной обстановке, мне довелось услышать не так давно. Ему, герою телепередачи «Линия жизни», буквально «под занавес» задали вопрос: верит ли он в то, что показанные в старом кинофильме «Весна» события (прямое получение от Солнца энергосодержащей светоносной «солнечной материи») могут в будущем стать реальностью? Свой ответ Жорес Иванович, традиционно упомянув о многообещающих попытках науки сделать для страдающего от нехватки энергии человечества главным её источником термоядерные превращения (осуществляемые, естественно, без участия Солнца), завершил, тем не менее, достаточно оптимистично: да, мол, я считаю, что такое вполне возможно. В связи с этим нельзя не вспомнить, что и Фредерик Жолио-Кюри, запустивший ещё в конце 1948 г. свою «Зоэ» — первую в мире атомную установку, энергия которой предназначалась исключительно для мирных целей (ζωή, по-гречески, «жизнь»), тем не менее, был убеждён, что будущее — в использовании человечеством непосредственно энергии солнечного света. Он даже приводил в пример усвоение его зелеными растениями. Действительно, фотосинтез играет определяющую роль в жизни биосферы. Однако человечеству всё же нужна принципиально иная форма овладения энергией солнечного света, которая была бы не просто приемлемой, но именно оптимальной как технологически так и экономически, не говоря уже об её экологичности. Надеюсь, вы не против именно такой постановки вопроса?

— Конечно, я не против. Но она, насколько я понимаю, отражает лишь благие намерения, не более того. Ведь имеющиеся к настоящему времени методы усвоения солнечной энергии весьма далеки от предложенного вами комплекса критериев оптимальности, и пока что не предвидится какой-либо возможности его достичь.

— Полностью согласиться с вашей оценкой положения дел не могу, поскольку считаю её чересчур пессимистичной, по крайней мере, по отношению к такой форме энергии, как электрическая. Хочу напомнить вам, что на рубеже XIX—XX веков с появлением лампы накаливания Эдисона самым впечатляющим результатом использования электрической энергии стало превращение её в световое излучение благодаря разогреву электрическим током нити внутри стеклянного баллона. Техническое и технологическое осуществление этого процесса не было связано, согласитесь, с особо глубоким проникновением как в природу электричества, так и самогó светового излучения. Сейчас, по прошествии целого столетия, дело обстоит совершенно по-иному, поскольку всё яснее вырисовывается не просто настоятельная необходимость, но и прямая неизбежность освоения обратного процесса — преобразования практически неиссякаемой и неограниченной по мощности энергии светового солнечного излучения непосредственно в электрическую. А это, несомненно, требует качественно иного уровня и теоретических знаний, и технологии. Но как раз здесь, по моему глубокому убеждению, к настоящему времени образовался весьма значительный перекос. Мощный прорыв в сфере высоких и тонких технологий позволяет на сегодняшний день с определённой уверенностью утверждать, что требуемый для такого освоения технологический уровень достигнут или, по крайней мере, весьма близок к этому. Что же касается уровня познания природы как самогó электричества, так и света, то он оказывается совершенно недостаточным для решения требуемых задач. Именно это и представляет собой самое настоящее «узкое» место, скорейшая «расшивка» которого не просто желательна, но крайне необходима.

— Возможно, вы и правы, но тогда это означает, что придётся ставить под сомнение нынешнюю научную трактовку электрических и оптических явлений?

— Дело вовсе не в чьих-то сомнениях. Я просто обращаю ваше внимание на факт отставания имеющегося на сегодня теоретического уровня в этой области от прикладной сферы, определяемой возможностями нынешних высоких технологий. Проблема же реального «освоения процесса» в том, что его осуществление требует предварительного просветления самогó человеческого разума. Должна быть, наконец, ясно осознана природа электромагнитных явлений и получены прямые ответы на вопросы, постановка которых уже давно игнорируется наукой, опирающейся на сугубо феноменологический подход, предполагающий полное отсутствие интереса исследователя к «природе вещей». В связи с этим особую драматичность приобретает сделанное Эйнштейном в 1951 году в письме своему другу Мишелю Бессо признание, которое я позволю себе процитировать: «Все эти пятьдесят лет упорных размышлений не приблизили меня к ответу на вопрос „Что такое световые кванты?“». Далее, обратите внимание, он добавил: «Конечно, сегодня каждый мошенник думает, что он знает ответ, но он обманывает сам себя».

— И вы, по-видимому, хотите сказать, что у вас есть ответ на этот вопрос?

— В настоящий момент я вообще воздержусь от ответа, избавив себя, по крайней мере, от риска попасть á priori в число тех, к кому относится столь нелестная характеристика. Вместе с тем я готов предложить вам взглянуть на то, что видно в упомянутой проблеме, как говорится, невооружённым глазом, однако, увы, не попало в поле зрения ни самого Эйнштейна, ни его именитых современников, хотя буквально выводило их на прямой путь к весьма простому ответу. Согласны ли вы с таким предложением?

— Конечно, согласна, при условии строгого соблюдения, по крайней мере, логичности ваших рассуждений.

— Ну, уж это-то я вам обещаю — именно логичность и будет здесь главным аргументом. Для начала попрошу вас лишь вспомнить об открытом на пороге ХХ века «кванте действия» — h, известном как постоянная Планка. Опустим пока всё, связанное с ним, кроме того, что формально «квант действия» представляет собой произведение трёх величин:

h=m∙l∙с (г∙см∙см/с) — const,

где m — масса; l — протяженность; с — скорость света (const).

Справедливо отнеся h к мировым феноменологическим постоянным, то есть наблюдаемым в природе качественно и количественно неизменным целостным явлениям, фундаментальная наука принципиально отказалась от попыток его расшифровки. Между тем даже самый общий формальный анализ «кванта действия» позволяет легко обнаружить в его составе доныне совершенно не замечаемую наукой строго постоянную по величине характеристику: произведение m∙l (масса-протяжённость). Вы согласны с таким выводом?

— Да, из приведённой формулы следует, что это произведение действительно оказывается постоянной величиной. Но это целиком формальный вывод. Обладает ли он какой-либо физической содержательностью?

— Конечно, обладает. Хочу напомнить вам обсуждаемый в моей статье об Эйнштейне смысл скорости света как первичного отношения двух фундаментальных мер измерения (протяжённость-время), проявляющего их строго сохраняемую в природе прямую взаимозависимость. Здесь же обнаруживается постоянная величина, в составе которой две столь же фундаментальные меры измерения оказываются в строго сохраняющейся обратной зависимости. Причём, обратите внимание, обе эти пары остаются в пределах самогó «кванта действия», то есть внутри него, — стало быть, именно они фактически его и образуют. Надеюсь, вы следите за ходом моих мыслей?

— Конечно, слежу и нарушений в их логичности пока не усматриваю. Но мне всё же непонятно, что, в конечном счете, выявляет приведённая вами зависимость?

— Выявляет она поистине удивительные и вместе с тем достаточно простые вещи. Давайте обратимся к тому месту моей статьи, посвящённой Эйнштейну, где обсуждается бытие пространственной точки-бесконечности, в частности, к констатации ее двойственности: в ней начало и конец совпадают, то есть она — центр сходящихся и одновременно расходящихся направлений. Помните? Но если такая «статичная» точка — физическая реальность, то приходится сделать вывод, что «квант действия» — не что иное, как точка, охваченная и преображённая действием. Здесь, однако, изначальная двойственность её теряет сугубо потенциальный характер, приобретая реальное качество: вместо лишённого пространственной мерности центра возникает постоянное по величине соединение меры сосредоточенности с мерой рассредоточенности.

— Вот уж действительно неожиданный вывод. Вы утверждаете, стало быть, что природа таких фундаментальных мер измерения, как масса и протяженность, заключена в точке?

— Да, это именно так. Хотел бы лишь уточнить, что речь идёт не о какой-то отвлечённой абстракции, не об условном центре некой системы координат, а о точке однородного и изотропного пространства, чьи потенциальные свойства реализуются в «кванте действия», давая начало массе и протяжённости, неразрывное соединение которых обнаруживается при всяком прямолинейном движении во всем многообразии материального мира, как на микро — так и на макроуровне. Что же касается самогó осмысления единства противостоящих друг другу характеристик «протяжённость» и «масса» (с учётом земного тяготения её зачастую подменяли понятием «тяжести»), то представляется уместным обратить внимание, что в русской языковой стихии родство их с незапамятных времен запечатлено в едином корне «тяж». К слову, такая же смысловая общность, причём, предельно образно, выражена в самóй паре «сосредоточить» — «рассредоточить» (кстати, их английские эквиваленты «concentration» и «dispersion» здесь явно не на высоте). Впрочем, если оставить в стороне лингвистические спекуляции и попросить вас чуть-чуть вспомнить такой простейший раздел физики, как статика, вы, конечно же, подтвердите, что, несмотря на рассредоточенность массы однородного стержня по всей его длине, в нём обязательно найдётся точка, в которой вся она как бы сосредоточена? А то, что изложено выше, говорит о том, что это сáмое «как бы» здесь полностью условно.

— Ваши обобщения в какой-то мере убедительны, правда, к ним всё же следует внимательнее присмотреться. Вместе с тем попытка прямого переноса свойств, обнаруженных вами в «кванте действия», на явления, традиционно изучаемые классическим естествознанием, выглядит слишком уж механистичной.

— Мне думается, это с непривычки. Ведь, как известно, в ХХ веке было затрачено много усилий, чтобы отделить сферу изучения микромира от того, что было положено в фундамент познания целостного мира. Еще в сороковых годах XVIII века французский физик Пьер Мопертюи заявил, что открыл всеобщий закон природы, формулируемый следующим образом: «Когда в природе происходит некоторое изменение, количество действия, необходимое для этого изменения, является наименее возможным». Названный «принципом наименьшего действия», он положил начало вариационному исчислению, стал неотъемлемой частью аналитической механики. Сам же Макс Планк считал его даже более важным, нежели закон сохранения энергии, а открытие им «кванта действия» не просто подтверждало всеобщность «принципа наименьшего действия» — была вычислена и сама величина такого действия: h=6,625∙10^—27 г∙см∙см/с.

Эта мировая постоянная могла и должна была поставить на единый надёжный фундамент всё многообразие динамических явлений вне зависимости от их пространственных масштабов. Но случилось так, что именно её превратили в подобие «пограничного столба», отделившего микромир от макромира. Дело в том, что само поведение микрочастиц продолжали рассматривать с позиций классической механики с её абстрактной материальной точкой и системой декартовых координат. И произошло то, что не могло не произойти: чем точнее измерялся импульс движущейся частицы (р=mv), тем неопределённей оказывалось её местонахождение на самóм пути (∆x); если же пытались уточнить её местопребывание, возрастала неопределённость импульса (∆p). И тогда было предложено считать, что такова особенность самой природы микрочастиц. А когда, вдобавок, оказалось, что ∆p∙∆х≥h, судьба «кванта действия» была решена: он стал выразителем фундаментального для физики микромира «принципа неопределённости». Между тем сама наблюдаемая неопределённость обусловлена всего лишь тем, что в измеряемом импульсе частицы масса её оказывается искусственно оторванной от протяжённости, которая сама рассматривается в системе пространственных координат всего лишь как часть пути движущейся частицы.

— Всё, что вы излагаете, конечно, достаточно интересно, однако, несомненно, спорно; к тому же, как мне кажется, нисколько не приближает к решению проблемы все того же светового кванта.

— Ну что ж, с первым вашим суждением, учитывая нынешнее положение в фундаментальной науке, мне остаётся лишь согласиться, причём, если говорить серьёзно, я, со своей стороны, к дискуссии готов. Что же касается непосредственно проблемы светового кванта, то мы с вами подошли к ней уже вплотную. Дело в том, что в самом грубом приближении световой квант подобен обычному стержню, вроде того, что упоминался выше. Сам Эйнштейн, раздумывая всю жизнь над природой открытых и горячо отстаиваемых им световых квантов (фотонов), ясно представлял себе направленность каждого из них, чётко проявляемую в импульсе, стало быть, интуитивно ощущал их линейность, «игольчатость». Однако полностью отказавшись признавать реальность среды, в которой они распространялись, и где в любой точке проявлялось начало предельно жёсткой сферической структуры, он навсегда лишился возможности осознать, что именно в ней «квант действия» может проявить себя лишь в качестве кванта энергии, чья жизнь от начала (момента испускания) до конца (момента поглощения) состоит из периодически повторяющихся циклов обмена этой энергией с самóй средой, что и выражено электромагнитными колебаниями (от попытки обсудить их природу придётся воздержаться — для одной беседы это просто «неподъёмно»). Впрочем, можно ещё, походя, заметить, что поскольку в такой среде все направления изначально равноправны, всякое элементарное действие, осуществившись в ней, это равноправие нарушает и может проявиться не иначе, нежели с некоторой вероятностью (что и было повсеместно выявлено в микромире), не требуя, однако, для осознания этого явления «нового» мышления, специально выработанного «копенгагенской школой» и отстаиваемого затем в упорной борьбе за права квантовой механики. Неудивительно, что всё это оказалось совершенно необъяснимым и неприемлемым для свято верившего в незыблемость причинно-следственного порядка Эйнштейна, после того, как он разрушил само представление об этой среде. Конечно, более подробное обсуждение выявленных проблем далеко выходит за рамки журнальной статьи, однако, это не мешает в итоге констатировать, что «энергосодержащая» формула Е=hν, где ν — частота колебаний (1/с), раскрывает смысловую картину прямолинейного движения, между тем как приведённая в начале нашей с вами беседы E=mc², где m — масса «покоя», — смысловую картину вращения. Именно к данным двум видам движения и их сочетанию сводится многообразие явлений микромира, главным персонажем которых остаётся всё тот же вездесущий «квант действия».

— Мне кажется, вы предложили нашим читателям много новой информации к размышлению. Не сомневаюсь и в том, что её восприятие не будет однозначным.

— И я надеюсь, что мои мысли, став достоянием читателей вашего журнала, смогут в какой-то мере способствовать расширению их сознания и, в конечном счёте, окажут благотворное влияние на решение проблем энергетики.

«Энергия: экономика, техника, экология»

2007. №3. С. 56—61.