Читать книгу Философия и теория «Единого поля Вселенной» - Михаил Стефанович Галисламов - Страница 6

Квантовые условия в механике электронов оставались элементом, не достигшим абсолютного признания. В 1924 году Луи де Бройль попытался распространить во Франции идею волнового и корпускулярного дуализма. Соотношение между частотой и энергией, введенное Эйнштейном на основе теории фотонов, навело де Бройля на размышление, что этот дуализм излучения неразрывно связан с самим существованием квантов. Двойственность такого типа обнаруживалась везде, где появлялась постоянная Планка. Теория световых квантов, по мнению де Бройля, не может рассматриваться как удовлетворительная, потому что она определяет энергию световой корпускулы выражением Е = hν, в котором фигурирует частота ν. Корпускулярная теория не содержит никакого элемента, позволяющего определять частоту. Размышляя о трудностях, французский ученый пришел к следующей идее: «Необходимо как для вещества, так и для излучения, в частности для света, ввести одновременно понятие частицы и понятие волны» [29]. Возникла мысль, что не только электрон, но и вообще материальные частицы обладают такими свойствами. Пытаясь приблизить основные положения квантовой механики к релятивистской точке зрения, де Бройль объясняет теорию Бора с помощью представлений о волнах материи. Он утверждает, что некоторая волна материи может соответствовать движению электрона, как движению светового кванта соответствует световая волна. Когда нет экспериментальных доказательств, наделение электрона волновыми свойствами является псевдонаучным. Умозрительная модель противоречит представлению об электроне, как электрически заряженной материальной точке, подчиненной классическим законам электродинамики.

П. Дирак исследовал уравнения движения Гейзенберга и движение свободного электрона согласно волновой теории. Молодой теоретик нашел способ, как приспособить основные положения квантовой механики к релятивистской точке зрения. Он провел математический анализ и пришел к заключению, что «измерение проекции скорости свободного электрона всегда приводит к результату ± с» [30, с. 343]. Материальная частица развивает скорость, которая недостижима в классической механике. Ученый объясняет недоразумение: «Это, однако, не является противоречием, поскольку теоретическая скорость в вышеприведенном заключении есть скорость в определенный момент времени, тогда как наблюдаемые скорости всегда являются средними скоростями по некоторому конечному интервалу». Дирак высказал надежду о применимости метода к позитронам и построении в будущем аналогичной теории для других частиц.

Способом, необъясненным автором, проекция скорости электрона, который имеет массу, достигает скорости света (с). Ученый должен был понимать что, у частицы, которая не является фотоном, полная скорость будет превышать скорость света. По теории Дирака, электрон должен проделывать колебательное движение очень большой частоты и малой амплитуды, которое накладывается на наблюдаемое равномерное движение. В результате этого колебательного движения, скорость электрона всегда равняется скорости света. Интерпретация теоретических выводов не может быть проверена экспериментом, поскольку частота колебательного движения высока, а амплитуда – незначительна. Физики никогда не наблюдали заряженных частиц, движущихся со скоростью света, исключение составляют фотоны. Другие выводы из нее, также связаны с парадоксальными следствиями. Согласно исследованию Шредингера, электрон представлен медленно движущейся (по сравнению со скоростью света) частицей. Явный перекос и признак расхождения теории с практикой. Дирак предлагает поверить доказательству сомнительной теории.

Х. Лоренц – нидерландский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии по физике (1902 г.) высказал в письме к Э. Шредингеру сомнения в реальности волновой теории электрона: «Если мы решимся растворить, так сказать, электрон и заменить его системой волн, то это даст и неудобство и преимущество. Неудобство, весьма существенное, в следующем: то, что мы приписываем электрону атома водорода, мы должны также приписывать всем электронам всех атомов; мы должны их всех заменить системами волн» [31]. В планетарной модели атома вокруг положительного ядра распределены вращающиеся электроны. Атома содержат разное количество электронов с эквивалентными энергетическими и кинематическими параметрами. Выводы из наблюдений над спектрами, сделанные на основе принципа соответствия, говорили о том, что общие периодические свойства электронных орбит всегда одинаковы и не зависят от того, есть в атоме эквивалентные электроны или нет. М. Борн и В. Гейзенберг показали [32, с. 209], что в квантовой теории метод, основанный на механике возмущений периодических систем, например атома гелия, содержащего два электрона, в случае возбужденных состояний приводит к расхождениям вычислений с результатами опыта.

Согласно теории относительности, полная энергия тела (частицы) [33, с. 527] равна:

W = (mc²/2) / (1 – v²/c²) ^0,5. (1.3)

Кинетическую энергию электрона определяют три физические величины – m, c² и v². Ни одна составляющая не является отрицательной. В результате получаем положительную кинетическую энергию электрона (mc²/2). В классической механике энергия частицы является положительной величиной. Знак релятивистского выражения энергии W (1.3) остается неопределенным [34], из-за неопределенности знака перед квадратным корнем в знаменателе. На основании математического решения выражения (1), Дирак допускает положительные значения для кинетической энергии W> (mс²/2), а также отрицательные значения W <– (mс²/2). Этот результат сохраняется и при переходе к квантовому уравнению. По мнению Дирака, наименьшее положительное значение энергии (+mc²) и наибольшее ее отрицательное значение (—mc²) разделены конечным промежутком. Ученый не воспринимает смысл физических явлений, когда утверждает: энергия W может принимать значения οт +mc² до —mc², т. е. от «плюс» бесконечности до «минус» бесконечности [35]. Физический смысл состояний с положительной энергией понятен. Кинетическая энергия всегда являлась положительной величиной. Энергия тел может убывать, увеличиваться, быть равной нулю. Состояния, определяющего отрицательную энергию, не существует. Дирак объясняет рост отрицательной энергии электрона тем, что при торможении она не уходит в окружающую среду, а изымается из нее. Какой образ может нести отрицательная энергия, если она не расходовалась, а увеличивалась так, что в момент полной остановки электрона ее не стало (W = 0). Понимая абсурдность отрицательной энергии, Дирак заявляет: «Можно было бы поэтому попытаться ввести в теорию в качестве нового допущения, что только один из видов движения встречается в действительности. Но это приводит к серьезной трудности, так как мы находим из теории, что электрон под действием возмущения может перейти из состояния движения с положительной энергией в состояние движения с отрицательной энергией. Поэтому, даже если мы предположим, что вначале все электроны находятся в состояниях положительной энергии, через некоторое время часть из них окажется в состояниях отрицательной энергии» [35]. Смысл несуществующего явления маскируют под термином «отрицательная энергия». Отстаивая свою гипотезу, Дирак предлагает не отбрасывать полученные аналитические решения, не соответствующие чему-либо известному из эксперимента. Странно, что научное сообщество согласилось с нелепостью, в которой отсутствуют элементы логики.

Предпринималось две попытки изменить теорию так, чтобы переходы в состояние с отрицательной энергией были невозможны. Вместо электрона с отрицательной массой вводился «антиэлектрон» с зарядом +е (т. е. позитрон) и массой, равной массе обычного электрона. Для этой теории законы природы должны были бы быть в точности симметричными относительно электрона и антиэлектрона. Физики не нашли научного объяснения причины, по которой антиэлектроны в действительности отсутствуют. Уклонились от симметрии и сделали специальное предположения о начальном состоянии в природе микромира: число электронов одного сорта должно было во много раз превосходить число электронов другого сорта. Паули выражает несогласие с «весьма искусственным и неудовлетворительным» выходом из того положения, в котором оказалась теория Дирака [36]. Открытие релятивистского волнового уравнения для электрона высоко оценили советские физики [37]. По их мнению, его содержание выходит далеко за рамки первоначальных задач, так как попутно были сделаны три крупнейших открытия. Первым было то, что заново был открыт новый класс неприводимых представлений группы Лоренца – спиноры. Второе открытие, состояло в том, что для частиц, описываемых спинорным представлением, спин есть кинематическая неизбежность. Третье – существование у уравнения, наряду с собственными состояниями с положительной энергией, такого же спектра с отрицательными энергиями (≤ – mc²), которое воспринималось сперва как тяжелейший дефект теории и только после, в основном усилиями Дирака, нашло свою интерпретацию.

Позитрон является зеркальным отображением электрона, имеет ту же массу, но противоположный заряд. Решив установить связь не явным образом между электронами, в состояниях отрицательной энергии, и позитронами, Дирак принял несколько допущений: почти все состояния отрицательной энергии в мире в каждом случае заняты одним электроном; незанятое состояние отрицательной энергии является позитроном, обладает положительной энергией, так как оно является местом, где имеется недостаток отрицательной энергии. Незанятое состояние отрицательной энергии Дирак называет «дыркой». Состояние электрона с положительным зарядом в электромагнитном поле соответствуют движению электрона с отрицательной энергией, т. е. позитрону. Так как наблюдаемые в камере Вильсона позитроны не имеют отрицательных энергий, такое решение не годилось. Отсутствие частиц с отрицательными энергиями в веществе рассматривалось как указание на «лишние решения» уравнений Дирака. Эту точку зрения поддерживал Шредингер, он предлагал исключить состояния с отрицательными энергиями из теории, как не имеющие физического смысла. Исключение из системы состояний с отрицательной энергией приводит к нарушению полноты набора волновых функций. Р. Фейнман указал [38], что разложение произвольной функции по неполному набору функций невозможно. Указанные обстоятельства, по мнению ученых, привели Шредингера к непреодолимым трудностям. Уравнение Дирака, допускало возможность переходов системы, находящейся в начальном состоянии с положительной энергией, в конечные состояния с отрицательной энергией, что было принято как теоретическое возражение Шредингеру. Заметим, что у теории Дирака были проблемы, связанные с математическим решением процесса излучения, отвечающего устройству атома Н. Бора.

Теория Максвелла является феноменологической [39, с. 516]. Ее результаты не могли быть описаны существующими законами. Известное утверждение физики гласит: свет имеет двойственную, корпускулярно-волновую природу. Теория возникла в результате двух независимых теорий. С одной стороны – свет обладает волновыми свойствами, обусловливающими явления интерференции, дифракции, поляризации. С другой стороны – поток представляет частицы (фотоны), обладающие нулевой массой покоя, движущиеся со скоростью света в вакууме. Продекларировать такие свойства света, не означает, что это соответствует действительности. Энергия фотона равна [40, с. 355]:

Е = hν, (2.3)

где h – постоянная Планка; ν – частота электромагнитного излучения.

Дирак неудачно распространяет теорию на материальное тело. В формуле (2.3) не присутствует масса электрона – известная в физике величина. В таком случае масса частицы должна достигать невероятно большой величины. Налицо расхождение гипотезы с практикой. В экспериментах не наблюдают электронов, движущихся со скоростью света. Тезисами Дирак определил примитивность указанных частиц. Наиболее простыми видами для английского ученого являются:

1) фотоны, или световые кванты, из которых состоит свет;

2) позитроны, отличающиеся от электронов только знаком электрического заряда;

3) тяжелые частицы – протоны и нейтроны.

В утверждении есть определенное не соответствие действительности. Теория приписала одному телу противоречивые свойства. Например, в состоянии покоя масса фотона равна нулю; у движущегося фотона появляется масса. Почему в состоянии покоя масса фотона должна быть равна нулю? Что происходит с массой частицы, несущей свет, в момент ее остановки? В какой момент движения и что заставляет массу проявиться и исчезнуть? Как она могла исчезнуть в пустоте? Уверенность в открытии положительно заряженных частиц (позитронов) зиждется на интерпретации следа частицы в камере Вильсона. Дирак не объясняет, почему позитронов нет в атомах. Можно предположить, если отрицательно заряженной частице придется двигаться в обратном направлении, то след в камере будет представлять положительный заряд частицы.

Интерпретация волнового уравнения электрона вело к следствию, что частицы с положительной массой покоя могут пересекать промежуточную область и превращаться в частицы с отрицательной массой покоя (при сохранении суммы кинетической и потенциальной энергий). Это следствие электронной теории противоречит опыту [40, с. 568]. По мнению В. Паули, не занятые отрицательной энергией состояния не являются протонами. Дирак предложил отождествить «дырку» – с антиэлектроном, имеющим массу электрона и электрический заряд +е. Обычный электрон, по теории, может упасть в «дырку» и заполнить ее. Освободившаяся энергия выделяется в виде электромагнитного излучения. Это соответствует процессу взаимного уничтожения электрона и позитрона. Академик Марков М. А. говорит [41], что Паули критикует теорию Дирака, согласно которой должна часто происходить аннигиляция электрона и протона, сопровождаемая излучением.

Обществу навязали далекую от истины гипотезу, построенную на псевдонаучных предположениях, при большом количестве явных и скрытых в ней недостатках. Рассуждения Дирака характеризуют недостаточную обстоятельность подхода к теории позитрона. Ученый ввел дополнительное положение, что бесконечный заряд этих электронов не создает поля [41]. Он постулирует, что все состояния с отрицательной энергией заняты, в каждом есть только один электрон. Поле создается только отклонением заполненных состояний от полного заполнения. В этом случае незаполненные состояния с отрицательной энергией ведут себя подобно частицам с зарядом +е и положительной массой. Незанятое состояние отрицательной энергией (дырка) будет обладать положительной энергией, в этом случае оно подобно обычной частице [42]. Эти «дырки» предложено не отождествлять с протонами, т. к. масса частицы должна была точно равняться массе электрона.

В работе [42] утверждается, что теория «дает в значительной степени симметрию между электронами и протонами». Британский ученый убежден, что при соединении частицы и ее античастицы происходит аннигиляция, а излучение способно их рождать вновь. Наличие состояний с отрицательной энергией подвергалось критике в научном сообществе. Частицы должны были обладать аномальными свойствами: двигаться против приложенных сил, отдавать энергию при увеличении скорости и поглощать ее при замедлении. Развитие теории Дирака привело к предположению о том, что и рождение и аннигиляция пар частиц с противоположными электрическими зарядами составляют неотъемлемую часть релятивистской теории материальных частиц [43]. Паули отмечает, что в этом случае ситуация существенно изменилась и аргументация Дирака перестает быть применимой априори. Последующее развитие теоретической физики привело к предположению о том, что рождение и аннигиляция пар частиц с противоположными электрическими зарядами составляют неотъемлемую часть релятивистской теории материальных частиц. Согласно теории Дирака, может происходить и обратный процесс, когда из электромагнитного излучения создаются электрон и позитрон [35]. В истории физики произошел прецедент – материальные частицы возникают в пространстве из излучения. Дираку не удалось объяснить причину, по которой антиэлектроны отсутствуют в атомах. Однако ученый утверждает, что теория электронов и позитронов согласуется со всеми известными экспериментальными фактами.

Известно высказывание Аристотеля о возникновении и уничтожении: «Нелепо думать, что возникшему необходимо сейчас же погибнуть и не просуществовать ни малейшего времени; и отсюда может возникнуть уверенность и в отношении других [изменений]: ведь природе свойственно сходное поведение во всех случаях» [44, 201b]. Открытие положительных элементарных зарядов (позитронов) – ложная интерпретация результатов наблюдений. Дирак не объясняет причину перехода электрона из состояния движения с положительной энергией в состояние движения с отрицательной энергией. Отрицательная (мнимая) энергия не подтверждена экспериментальными исследованиями. Можно сказать, что в основе физического явления отсутствует реализм и философский смысл. На деле получается так, что Дираку не надо доказывать существование отрицательной энергии и движение частиц со скоростью света. А испытанные веками классические теории физики и законы движения, мы должны принимать как уступки с его стороны. Нобелевский лауреат манипулирует математическими уравнениями и правилами, искажает смысл явлений и процессов, сопровождает их не адекватными и противоречивыми выводами. Теоретик проявляет недостаточную осторожность, выступая с научными обобщениями, когда пытается предугадать новую частицу. Методологический принцип гласит: «Не следует привлекать новые сущности без необходимости». Мы считаем, что возмущение среды, в которой движется заряд, бездоказательно принимается за волновую природу электрона.

Анализируя уравнения перехода электрона из некоторого состояния в состояние с равной энергией, при котором испускается квант света, В. Паули рассмотрел [45] процесс и применимость уравнения релятивистского электрона. По мнению ученого формула содержит скачки от +mс² к —mс², которые, сказываются на результате. Паули не сомневается в том, что в действительности такие скачки не происходят. В этом проявляется непоследовательность теории Дирака, т. к. указанная трудность осталась не преодоленной. Сравнивая уравнения Максвелла в вакууме (отсутствие зарядов) для поля фотона и уравнение Дирака для свободной материальной частицы, Паули поддержал высказывание Эренфеста, что «все виртуозные статьи на тему об аналогиях между уравнениями Максвелла, с одной стороны, и уравнениями Дирака – с другой, не дали абсолютно ничего» [46]. При рассмотрении поля, образованного распределением электронов с отрицательной энергией, возникло затруднение – бесконечная плотность электричества, Дирак вставил в теорию дополнительное условие: отрицательные и положительные заряды не участвуют в формировании электрического поля в пространстве [43]. Заблуждение, которое противоречит наблюдениям. Ошибочные суждения Дирака некоторые ученые воспринимали как открытие нового пути в теории. Читая студентам Кембриджского университета вводную лекцию по экспериментальной физике, Максвелл указал на сложности взаимоотношений абстрактной теории с практикой. Связывая теоретическую часть обучения с практической, ученые испытывают воздействие того, что Фарадей назвал «умственной инерцией». Среди конкретных объектов трудно обнаружить абстрактные соотношения, Работа обращения внимания от символических обозначений к объектам и от объектов, обратно, к символам затруднена. «Такова, однако, цена, которую мы должны платить за новые идеи» [47].

Занимаясь орбитами электрона в атоме на протяжении двух лет, Дирак пришел к выводу, что они не подчиняются общей квантовой механике. В это время Гейзенберг предложил матричную механику. Физику-теоретику было ясно, что ключом к решению проблемы служит некоммутативная алгебра. Автор будущей теории стремился вывести уравнение, которое даст объяснение спину и будет правильно описывать поведение релятивистского электрона во внешних силовых полях. С помощью преобразований уничтожились неугодные бесконечности. Дирак признает, что ранее в физике не было такой ситуации, чтобы уравнения были написаны до того, как стал известен путь их интерпретации. Накладывая ограничения на свойства частиц и подвергнув квантовую механику релятивистскому обобщению, Дирак вывел из теоретических соображений заключение о свойстве частицы. Возникла проблема с физической интерпретацией тех результатов, которые получались с помощью новых уравнений. В простейших задачах существовали специальные правила интерпретации. Например, в матрице, описывающей энергию частицы, ее диагональные элементы описывали энергетические уровни. Дирак признает, что это было специальное предположение и оно «работало». Исправляя бесконечности с помощью правил перенормировки, ученые приходят к результатам, с очень высокой степенью точности согласующимися с данными наблюдений. Этот результат удовлетворял большинство теоретиков. Возражение, что не должны пренебрегать бесконечными величинами, ученым не нравилось. По этому вопросу у Дирака с большинством физиков-теоретиков обнаружились разногласия: «Общая идея перенормировок совершенно разумна физически, но тот способ, которым она используется здесь, неразумен, поскольку множитель, связывающий первоначальные параметры с новыми их значениями, бесконечно большой. Тогда это уже совсем не математически осмысленная процедура!» [34]. Вспоминания о построениях релятивистской теории электрона спустя 50 лет, Дирак заявил: «Я, действительно, провел всю свою жизнь в попытках найти лучшие уравнения квантовой электродинамики и до сих пор безуспешно, но я продолжаю работать над этим. Любая работа, которая ведется в этом направлении, должна основываться на разумной математике». Можно критиковать английского физика и созданную им теорию, но сам он заслуживает уважения, как преданный науке ученый, понимающий допущенные перекосы.

В начале XX века было две теории частиц, обе были «релятивистски-инвариантными, обе находились в согласии с требованиями теории преобразований». Одна из них применялась к частицам (бозонам) с нулевым значением спина, подчинявшимся статистике Бозе, а другая – к частицам со спином h/2, подчинявшимся статистике Ферми [34]. Теория Ферми применима к электронам и к другим частицам со спином h/2, например, к протонам. В обеих теориях появляются потенциалы, соответствующие внешнему полю. Превратив эти потенциалы в динамические переменные, подчиняющиеся соответствующим коммутационным соотношениям, математики посчитали, что оперируют с квантованным полем излучения, взаимодействующим с ансамблем частиц. Попытки решить волновое уравнение Шредингера, всегда заканчивались неудачей, т. к. приводили к бесконечностям. Американский физик У. Ю. Лэмб, лауреат Нобелевской премии по физике 1955 года, показал, что бесконечности можно устранить с помощью процесса перенормировки. Перенормировка предполагала, что «параметры е и m, появляющиеся в первоначальных уравнениях, не совпадают с физически наблюдаемыми величинами». Такая теория, по мнению Дирака, плохая. Он настаивал на этом все время, но большинство физиков было настроено на то, чтобы удовлетвориться такой теорией и работать с ней. Они говорили: все, что необходимо физику – это иметь какую-то теорию, дающую результаты, согласующиеся с наблюдениями. Оправдывались тем, что у них нет лучшей теории.

Не понимая философию материального мира, одни – сочиняют, другие – принимают, восхваляют и продвигают теории с псевдонаучными физическими закономерностями. Выступая в 1933 г. с речью, по случаю вручения Нобелевской премии, Дирак высказал идею, которая по настоящее время господствует в теоретической физике: «Я хочу описать здесь общие черты теории электронов и позитронов, показав, каким путем можно вывести свойства спина („вращения“) электрона и заключить о существовании позитронов с подобными же свойствами спина, способных притом уничтожаться при столкновении с электронами». Британский ученый продемонстрировал отсутствие глубоких философских знаний в понимании сущности материи. Он заявляет: «Для интерпретации некоторых новейших экспериментов необходимо предположить, что частицы могут создаваться и уничтожаться» [35]. Не существует доказательства того, что можно создавать что-либо из ничего, как и способа полного уничтожения материи. Предполагают, что закон сохранения материи сформулировал М. В. Ломоносов: «Все встречающиеся в природе изменения происходят так, что если к чему-либо нечто прибавилось, то это отнимается у чего-то другого. Так, сколько материи прибавляется к какому-либо телу, столько же теряется у другого» [48]. Древние философы высказывались еще более категорично о неуничтожимости материи.

Застой в науке начал проявляться на рубеже XIX—XX веков. Исследования американского ученого Д. Прайса показали, что расходы на науку в США растут пропорционально квадрату числа ученых, или четвертой степени числа ведущих ученых. Он пришел к заключению: прирост истинных знаний составляет все меньшую и меньшую величину, так как происходит процесс обесценивания науки за счет работ, не несущих нового знания; экспоненциальное увеличение числа научных работников приводит к снижению их творческой производительности по затраченным средствам и тормозит развитие фундаментальной науки [49]. Теряешься, когда думаешь, какое отношение к физике имеют следующие аргументы [43]: «Как следует из общего формализма Гейзенберга – Паули, для того чтобы получить рождение и аннигиляцию пар дискретными квантами электрического заряда и энергии, необходимо вторичное квантование». Теория П. Дирака – это плод фантазии ума, вероятно, талантливого математика, но слабого философа, не имеющего познаний о устройстве материи и мира. Профессор не решал физическую проблему, а подменял предполагаемые процессы математическими функциями. При создании гипотезы о возможных физических процессах в микромире, физик-теоретик использует математические приемы, избавляющие выводы теории от неопределенностей, связанных с бесконечностями. Умение выстраивать математическими методами гипотезу, не повод признавать силу философских взглядов Дирака. Постулируя теорию электронов и позитронов, Дирак оставил некоторые важные вопросы без ответа, например, что происходит с массой позитрона и электрона при их уничтожении; каким образом, из электромагнитного излучения могут возникать частицы (позитрон и электрон), обладающие массами. Интересно было бы знать, почему такие явления не наблюдаются в природе, не находят подтверждений в научных экспериментах. Общество не обязано признавать научными идеи, несовместимые с объективной реальностью.