Физика без камней в голове

Э. В. Серга

Устаревшие представления об устройстве окружающего мира, сомнительные гипотезы, ошибочно истолкованные данные наблюдений – вот те самые камни в головах, мешающие развитию физической мысли. Природа устроена разумно и просто. Поэтому теории, описывающие законы природы, также должны быть достаточно просты и доступны для понимания. На основе обобщения опыта выдающихся учёных излагаются некоторые общие принципы и подходы к решению научных проблем. Книга рассчитана на независимых исследователей.

Глава 1. О принципах научного исследования

Гаррингтон Эмерсон

«Правильные принципы в руках посредственных людей

оказываются сильнее случайных и бессистемных попыток гения»

Двенадцать принципов производительности [5].

1.1. Формулировка проблемы

Решение физической проблемы во многом зависит от правильности её формулировки и применяемой методологии. Исторический опыт показывает, что часто решение проблемы ищут там, где его не может быть. Один из ошибочных подходов заключается в том, что физическую проблему формально сводят к математической проблеме, в то время как некоторые факторы, влияющие на конечный результат, не учитываются. В качестве примера приведём проблему аномальных смещений перигелиев планет. Ошибка Эйнштейна и многих других исследователей, занимавшихся этой проблемой до и после него, состояла в том, что причиной эффекта считали недостаточную точность теории Ньютона и не учитывали факторы, не связанные с гравитацией.

Другим источником ошибочного подхода к решаемой проблеме являются гипотезы, которые не имеют достаточно надёжного подтверждения опытом. Получившая признание специалистов ошибочная гипотеза приобретает силу аксиомы и в последующем при появлении трудностей приводит к выдвижению новой гипотезы, её дополняющей. В результате теоретические представления об изучаемом объекте или явлении всё более удаляется от реальности.

В качестве примера можно привести современную космологию. Её исходным положением является утверждение о расширении Вселенной. Оно основано на доплеровской интерпретации красных смещений в спектрах галактик и представлении космического пространства как пустоты. В свете современных знаний о физическом (космическом) вакууме в квантовой теории поля и физике конденсированных сред это положение является устаревшим. По мнению Бриллюэна, современная космология представляет собой странную смесь наблюдений и их интерпретации, когда желаемое выдаётся за действительное и тщательный анализ подменяется фантазированием [6, с. 17]. Тем не менее, теория расширяющейся Вселенной продолжает жить и развиваться.

Ещё одним источником ошибочного подхода являются произвольные определения некоторых ненаблюдаемых величин, которые не соответствуют никаким физическим экспериментам. К ненаблюдаемым величинам относятся: кривизна пространства-времени в ОТО, скорости удаления галактик и расстояния до них в космологии, ядерные силы в теории атомного ядра, виртуальные частицы в квантовой теории поля. Между наблюдаемыми и ненаблюдаемыми величинами часто не делается различия, что приводит к парадоксам и ошибочным представлениям.

В физике для получения новых знаний широко применяется аксиоматический метод. Суть его заключается в том, что в основу теории берутся некоторые исходные положения, из которых впоследствии путём логических построений выводятся новые положения, которые рассматриваются как следствия. Эти исходные положения считаются истинными, если так считает большинство специалистов. Аксиоматические теории иногда представляют собой конгломерат достоверных знаний, проверенных опытом, и дополняющих их гипотез, недостаточно проверенных, но устраняющих трудности и образующих вместе с достоверными знаниями целостную и непротиворечивую картину описания физических процессов. При этом интерпретация наблюдательных данных и результатов экспериментов может зависеть от господствующих представлений. Таким образом, физическая теория нередко представляет собой своего рода соглашение, которого придерживается большинство специалистов.

В природе нет деления на науки. Поэтому решение проблемы в рамках одной научной дисциплины нельзя считать удовлетворительным, если при этом возникают вопросы, остающиеся без ответа в смежных областях. Важным понятием современной физики является физический вакуум. В квантовой теории поля известны вакуумные эффекты, характеризующие физический вакуум как среду, взаимодействующую с частицами и фотонами. Согласно представлениям физики конденсированных сред, вакуум можно рассматривать как квантовую жидкость, по своим свойствам подобную жидкому гелию в сверхтекучем состоянии. Однако в небесной механике и космологии физический вакуум как среда, которая должна взаимодействовать с небесными телами и фотонами, не присутствует. Но физический вакуум един как в микромире, так и в космосе. Поэтому теория вакуума должна быть единой, независимо от существующих представлений о нём в различных науках. Единая и непротиворечивая теория вакуума неизбежно приведёт к обесцениванию некоторых получивших признание теорий и научных достижений, в которых вакуум физический (он же космический) рассматривался как пустота.

Принципиально важным является вопрос о степени доверия к существующим теориям. Такой вопрос ставит, в частности, Бриллюен. Он считает, что ответ должен быть достаточно осторожным. Вот его точка зрения:

«Для всех теорий существуют ограничения, все они „хороши“ до определённой степени и в определённых границах.…Всякая теория основывается на тщательно проведенных экспериментах, однако их результаты могут быть получены только с точностью до возможных ошибок. Всегда существует возможность, что в новом эксперименте возникнет новая непредвиденная причина появления ошибок, или же то, что теория выведена слишком далеко за пределы области её применимости» [6, с.16].

Об изменении теоретических представлений в процессе развития науки говорит и академик Капица:

«Развитие науки заключается в том, что в то время как правильно установленные факты остаются незыблемыми, теории постоянно изменяются, расширяются, совершенствуются и уточняются. В процессе этого развития мы неуклонно приближаемся к истинной картине окружающей нас природы, понимание которой необходимо для того, чтобы всё более полно овладевать и управлять этой природой» [7, с.18].

И, наконец, необходимо учитывать так называемый человеческий фактор, т.е. субъективное отношение учёного к существующим теориям и опытным данным, новым идеям и результатам, а также используемым при этом методам. Для сведения к минимуму влияния субъективных факторов на результат исследования необходимо применять правила формальной логики. В случае проверки соответствия фундаментальной теории опытным данным следует использовать только наблюдаемые величины, надёжно проверенные теории и объективные критерии, выраженные в научных понятиях и числовых характеристиках, используемых, например, в теории вероятностей.

1.2. Взаимосвязь физики с другими науками

Физика и математика

Эйнштейн воспринимал эффективность математики в объяснении окружающего мира как удивительное явление. В книге «Геометрия и опыт» он писал:

«Перед нами возникает загадка, которая беспокоила исследователей всех времён. Почему возможно такое превосходное соответствие математики с действительными предметами, если сама она является произведением только человеческой мысли, независимо от всякого опыта? Может ли человеческий разум без всякого опыта, путём только одного размышления, открыть основу существующих вещей?» [8].

Поставленная Эйнштейном проблема эффективности математики затрагивает глубокие проблемы теории познания. Математические исследования становятся определённо ориентированными на решение физических проблем. Если накапливается много физических явлений, не укладывающихся в рамки старых теорий, то возникает потребность в разработке новых математических моделей. Но при этом должен соблюдаться принцип соответствия математической модели и реального физического объекта.

Физика не может обойтись без математики, но не сводится к ней. Математика может обойтись без физики, но такая математика может не найти применения. Математика устраняет внутренние противоречия в физической теории, но она не отвечает за принятые исходные положения и соответствие используемых символов реальным физическим объектам и их свойствам. Современная физика полна противоречий. Это во многом объясняется тем, что физика в ХХ веке отмежевалась от философии и стала в значительной мере прикладной математикой. Эйнштейн внёс в теоретическую физику метод её геометризации и создания новых теорий на основе абстрактных математических построений. При этом во многих физических теориях наряду с наблюдаемыми величинами появились ненаблюдаемые величины, и между ними не всегда делается чёткое различие.

Авторы таких теорий исходят из произвольных определений, не подтверждающих правомерность использования ненаблюдаемых величин. В связи с этим современную физику условно можно разделить на реальную физику и виртуальную физику. В реальной физике не должно быть ненаблюдаемых величин и математических символов, не соответствующих реальным физическим объектам. Между реальной и виртуальной физикой не всегда можно провести чёткую грань, так как они в целом отражают сформировавшуюся в данное время систему взглядов на устройство окружающего мира.

С использованием математических построений можно обнаружить новые свойства физических объектов, то есть математика обладает предсказательной силой. В работе [9] был сформулирован принцип соответствия, суть которого состоит в следующем. Между реальным физическим объектом и его математической моделью должно быть взаимно однозначное соответствие. Если математическая модель наряду с наблюдаемыми свойствами физического объекта предсказывает его новые свойства, то эти свойства должны быть присущи этому объекту и, соответственно, подтверждены опытом. Если это условие не выполняется, то модель следует считать приближённой и, по возможности, подлежащей замене на более точную модель. Принцип представляется настолько правомерным, что, по мнению автора, не должен вызывать возражений. Многими исследователями он используется как негласное правило. Но, тем не менее, иногда нарушается.

Применение этого принципа позволило автору обосновать концепцию связанных пар как квантово-механических систем, состоящих из различных комбинаций элементарных частиц и античастиц. К ним относятся: вакуумные пары (электрон-позитрон и протон-антипротон), спаренные протоны (ядерные пары), спаренные электроны (куперовские пары), известные в теории сверхпроводимости. К связанным парам относятся также пары из частиц с различной массой, например, нейтрон.

Физика и философия

Любая солидная физическая теория должна отвечать общим философским критериям. Если математика избавляет теорию от внутренних противоречий, то философия должна обеспечить её внешнее оправдание, непротиворечивость опытным данным и надёжно проверенным положениям. При этом философия выступает как общая теория познания, не зависящая от воззрений представителей той или иной научной школы, научных авторитетов, и не связанная с политикой и идеологией.

В силу ряда причин физика в ХХ веке фактически отмежевалась от философии. Основными методами построения новых теорий стали математические модели и экспериментальные исследования. По этому вопросу имеется достаточно литературы. Рассмотрим два примера физических теорий, неудовлетворительных с философской точки зрения. Первый пример относится к теории расширяющейся Вселенной (ТРВ). Не нужно быть профессионалом в этой области, чтобы понять несостоятельность этой теории в свете современных знаний. В любой теории, претендующей на правильное описание физической реальности, не должно быть более одной гипотезы. А здесь одна гипотеза дополняет другую. Если каждую из гипотез (допущений) считать правдоподобной с какой-то приемлемой вероятностью, то в целом вероятность того, что ТРВ является правильной теорией, будет близка к нулю.

Второй пример относится к проблеме получения энергии путём термоядерного синтеза. Согласно представлениям современной ядерной физики, в ядерных реакциях деления и синтеза происходит выделение энергии, величина которой определяется соотношением Эйнштейна E = mc². Но деление и синтез — это противоположно направленные процессы. Если реакции деления ядер сопровождаются выделением энергии, то, с философской точки зрения, реакции синтеза должны сопровождаться поглощением энергии. В результате реакции слияния ядер дейтерия и трития, осуществляемой в термоядерном реакторе, должно образоваться ядро гелия и нейтрон. При этом энергия, необходимая для столкновения ядер дейтерия и трития, будет затрачена на образование ядра гелия. Уже более 6 десятилетий физики продолжают безуспешные попытки экспериментально подтвердить возможность получения энергии способом, сама идея которого с философских позиций является несостоятельной. Более подробно этот вопрос изложен в главе 5. В заключение приведём высказывание Энгельса:

«Философия мстит за себя задним числом естествознанию за то, что последнее покинуло её» [25].

Физическая теория и опыт

Одна из причин кризисных явлений в физике — ошибочное толкование опытных данных. Примером является уже упоминавшийся принцип эквивалентности массы и энергии, определяемый соотношением Е = mc². Согласно толкованию этого соотношения, во всех ядерных реакциях происходит превращение ядерного вещества в энергию, фактически, в энергию излучения, так как со скоростью света движутся только фотоны. Но в реакции деления ядра урана образовавшиеся осколки разлетаются со скоростью порядка 1/30 от скорости света. В ядерных реакциях количество нуклонов и их массы остаются неизменными. Это означает, что ядерная материи не превращается в энергию, а изменение массы продуктов реакции имеет другую причину. Как показано автором, оно происходит за счёт изменения полевой

Конец ознакомительного фрагмента.