Краткий ретроспективный взгляд на развитие физики

Масса и энергия

Краткий ретроспективный взгляд на развитие физики


                                                          «Pluralitas non est ponenda sine necessitate»

                                              «Без необходимости не следует утверждать многое»


                                                                              Уильям Оккам (1285-1349)



     «Бритва Оккама» или закон достаточного основания – методологический принцип, получивший название по имени монаха-францисканца Уильяма Оккама. Упрощённо смысл «бритвы Оккама» иногда объясняют так: во всякой теории (гипотезе, рассуждении) следует избегать создания новых понятий, терминов, определений и т. п. сущностей, если без них можно обойтись.

     При открытии нового физического явления, всегда были попытки его объяснения с точки зрения существующей теории. Когда это удавалось, всё было хорошо, ведь тем самым подтверждалась её правильность. Но возникали моменты, когда объяснить опытные данные с помощью общепринятой теории никак не удавалось. Однако развитие науки невозможно без внутренне непротиворечивой теории, объясняющей все опытные данные. Тогда для объяснения опыта в теорию приходилось добавлять новые сущности (поля, частицы и т.д.). До конца 19 века развитие физики шло спокойно. Все противоречия между опытом и теорией сглаживались, и она становилась всё более совершенной. Но конец 19 века, а особенно 20 век преподнесли немало сюрпризов, когда опыт совершенно противоречил теории. Тогда приходилось вносить такие изменения в теорию, которые иногда совершенно переворачивали взгляд физиков на свою науку.
     Попробуем выделить некоторые из таких моментов в развитии физики.

1.Опыт Майкельсона.
     В 1881г. Майкельсон осуществил знаменитый опыт, с помощью которого он рассчитывал обнаружить движение Земли относительно эфира. Опыт принёс отрицательный результат, движение Земли относительно пространства обнаружено не было. Существующая физическая теория зашла в тупик, из которого необходимо было найти выход. И вот в течении более двух десятков лет выдвигались и опровергались множество гипотез. Опыт неоднократно повторяли, ища ошибку. В 1905г. Эйнштейном была выдвинута СТО, которая объясняла отрицательный результат опыта Майкельсона. Однако выводы из неё были так необычны, что многие физики не могли её принять и продолжали поиск альтернативы, даже когда СТО стала считаться общепринятой. Об это говорит то, что опыт Майкельсона повторяли до 1924г., в попытках обнаружить движение Земли относительно эфира. Со временем сопротивление слабело, и теория относительности Эйнштейна вышла победителем. В последнее время число несогласных вновь стало расти. Но все противники теории относительности Эйнштейна также несогласны и друг с другом, так как каждый пытается выдвинуть собственную теорию. Зато все защитники СТО и ОТО едины и дружно встречают все доводы разобщённых несогласных.
     Если взглянуть на развитие физической теории, то следует признать, что несмотря на свои парадоксальные выводы, перевернувшие все представления физиков о физике, теория относительности Эйнштейна является единственным объяснением невозможности обнаружения прямолинейного равномерного движения в пространстве опытным путём. И не только с помощью опыта Майкельсона, но и любым другим способом.
     Если теория относительности Эйнштейна неверна, то ошибку необходимо искать в физической теории существующей до появления СТО. Так как именно эта физическая теория и привела к триумфу теорию относительности Эйнштейна.

2.Устойчивость атома.
     В 1911г., для объяснения опытных данных, Резерфорд предложил ядерную модель строения атома. Далее выяснилось существование дискретных энергетических уровней, по которым электрон может вращаться вокруг ядра. Модель атома Резерфорда, полученная непосредственно из опытов, находилась в противоречии с законами «классической» физики. Выходом послужило создание квантовой механики, которая заявляла о неприменимости физических законов для макроскопических тел к явлениям в микромире. Для микромира создавались абстрактные законы, созданные на основе опытных данных. Отвергаются любые попытки представить себе события микромира, так как считается, что всё, что можно представить, несёт на себе отпечаток макромира, неприменимого в микромире. Квантовая механика достигла больших успехов, так как все её абстрактные законы выведены из опытных данных. Большим минусом квантовой механики является её вероятностный характер. То есть она может объяснить любое случившееся событие в микромире, а вот рассчитать заранее события можно только с определённой степенью вероятности. Вместе со своим возникновением квантовая механика принесла и ортодоксальную квантовую логику, отрицающую саму возможность что-либо представить и понять в микромире, а призывающая пользоваться абстрактными законами. Ярым противником ортодоксальной квантовой логики был Эйнштейн. Он был убеждён, что не следует отказываться от попыток построения причинной теории микроявлений. Ортодоксальный подход в квантовой логике вышел победителем, и до сих пор при изучении законов микромира считается самым правильным – это отказаться от попыток строить наглядные модели поведения квантовых объектов.

3.Устойчивость ядра атома.
     Из ядерной модели строения атома, полученной из опытных данных, возникла ещё одна проблема – объяснение устойчивости ядра атома. Поскольку ядерные частицы – протоны и нейтроны прочно удерживаются в ядрах, между ними должны действовать силы притяжения. Эти силы должны быть достаточно велики, чтобы противостоять грандиозным силам взаимного электростатического отталкивания протонов, сближенных на расстояние порядка размеров ядра атома.
     Кандидатов для таких сил притяжения из известных не нашлось. И тогда ввели понятие сильного взаимодействия, которое действует только на расстоянии порядка размера ядра и противодействует силам электростатического отталкивания, что обеспечивает устойчивость ядра атома.

4.Слабое взаимодействие.
     При изучении явления  бета-распада было обнаружено, что выделяющиеся при этом электроны обладают самой разнообразной кинетической энергией от 0 до Emax. При этом, когда электрон обладал кинетической энергией  Emax, то баланс энергий в реакции совпадал, а когда меньше Emax, то согласно закону сохранения энергии, в продуктах реакции получался её недостаток.
     В 1932 году, чтобы объяснить исчезновение энергии, Паули высказал предположение, что при бета-распаде вместе с электроном испускается ещё одна частица, которая и уносит с собой недостающую энергию. Так как эта частица никак себя не обнаруживала, то приняли, что она электрически нейтральна и обладает весьма малой массой. Чтобы описать её взаимодействие с веществом пришлось ввести ещё одно поле – слабое.
     После теоретических рассуждений начались интенсивные поиски неуловимой частицы – названной нейтрино. В 1956 году в непосредственной близости с атомным реактором была зафиксирована реакция с участием нейтрино. Эта реакция не обратна распаду нейтрона, а считающаяся равнозначной.


5.Расширение Вселенной. Большой взрыв.
     После открытия факта красного смещения спектра излучения звёзд, возникла необходимость объяснения этого явления. В результате возникла гипотеза о расширении Вселенной, первопричиной которого был «Большой взрыв» (возникновение Вселенной из точечного объёма и последующего расширения).

6.Чёрные дыры.
     Понятие «чёрная дыра» родилось на «кончике пера», то есть после математических расчётов существующей теории. И только спустя десятилетия смогли найти в космосе объекты, которые можно было ассоциировать с «чёрной дырой» по косвенным данным.
     Непосредственное наблюдение таких объектов невозможно, так как «чёрная дыра» - это скопление материи такой массы, что даже фотоны не могут покинуть их.

7.Тёмная материя.
     При изучении галактик возникло расхождение между скоростью движения их отдельных частей, полученными по красному смещению спектра излучения и гравитационными силами их удерживающими. Не хватало массы. Не меняя теории, чтобы объяснить расхождение в данных, допустили, что масса все-таки есть, но мы не можем её обнаружить в силу её особенных свойств. Так ввели понятие «тёмная материя». А расхождение в данных довольно существенно. По некоторым оценкам мы видим всего лишь десять-двадцать процентов того, что есть в галактиках. То есть по этому предположению массу галактик увеличили в 5-10 раз!

8.Тёмная энергия.
     С введением понятия «темная материя» некоторые трудности в объяснении полученных данных о космических объектах и явлениях были на время устранены. Но изучение космоса продолжается и данные, полученные в результате наблюдения за реальными объектами и данные, полученные в результате расчётов по существующей физической теории опять расходятся. Не помогает уже и «тёмная материя». Тогда делают предположение о наличии ещё и «тёмной энергии», отличающейся от простой энергии.

     Даже приведённых моментов в развитии физики достаточно, чтобы увидеть, что с физической теорией что-то неладно. Напоминает спешное латание возникающих дыр. Возможно, где-то в физической теории допущена ошибка, возможно очень давно, что и приводит к расхождению между экспериментальными и расчётными данными. Ошибка может быть и не одна. Тогда несоответствие теории и практики будет нарастать лавинообразно. Уже введены понятия «тёмное», «чёрное», «слабое», «сильное», «странное», «очарованное», «виртуальное», и так далее.
     Что же ждёт нас в будущем? Физическая теория будет всё больше усложнятся и уходить в абстракцию. Будут вводиться всё новые необычные сущности (поля, частицы и т.д.). Так и ждёшь появления физически обоснованных драконов, джидаев машущих мечами в космосе и магических заклинаний, управляющих физическими законами.

     Но как найти, возможно допущенную ошибку или ошибки в объяснении физической реальности? Может быть, искать надо в физической теории предшествующей появлению странных теорий и абстрактных законов, а также формальной логики? Необходимо за что-то зацепиться и при помощи законов, которые не вызывают сомнений попытаться распутать физическую теорию. Может удастся найти возможную ошибку, которая привела к победе ошибочную теорию, за которой лавина ошибок могла только расти?
     Какой закон может подойти? Может быть закон сохранения энергии? Хотя уже и в нём начинают сомневаться. С какого момента можно попытаться разобраться в физической теории? Может быть с момента возникновения квантовой механики – с попытки объяснить устойчивость атома? Законы квантовой механики сомнений не вызывают, так как они выведены из опытных данных. А вот к ортодоксальной квантовой логике есть обоснованные претензии. Эта самая логика запрещает поиск причин поведения объектов микромира, объясняя что таких причин просто нет, и ничего представить нельзя. Нужно пользоваться только абстракциями. Но так ли это?
     Использовать абстракцию может себе позволить математика. Так как с помощью математических моделей можно описать не только существующую реальность, но и любую другую. Наукам, которые изучают реальные объекты, к которым относится физика, необходимо использовать математические модели с осторожностью и здравым смыслом. Так как математика это всего лишь инструмент, мощный но инструмент. И использовать его можно как во благо, так и во вред (как для поиска истинной картины мира, так и для сокрытия её).
     Ну что, попробуем представить себе атом?