Приключение великих уравнений - Владимир Карцев

Этот монстр существует до сих пор, хотя всем ясно, что его должно сменить нечто более гармоничное. Ведь сказав "квант", "устойчивая орбита", мы не приблизились к решению проблемы.

А почему квант?

А почему устойчивая орбита?

Почему нельзя, в соответствии с новыми теориями, узнать, где находится электрон, если известна его скорость, и наоборот?

Каковы размеры электрона? Подсчитано, что он, во всяком случае, в миллион раз меньше атома. Может быть, он - точка, вовсе не имеет размеров? Определенно - нет. Тогда его энергия была бы бесконечно большой, что абсурдно.

Все это угнетало Лоренца. Его угнетала необходимость говорить студентам на одной лекции, что электроны, вращаясь, излучают энергию, а на другой - что электрон, вращающийся вокруг ядра по особой орбите, ничего такого не делает.

"Сегодня, излагая электромагнитную теорию, я утверждаю, что движущийся по криволинейной орбите электрон излучает энергию, а завтра я в той же аудитории говорю, что электрон, вращаясь вокруг ядра, не теряет энергии. Где же истина, если о ней можно делать взаимно исключающие друг друга утверждения? Способны ли мы вообще узнать истину и имеет ли смысл заниматься наукой?".

Его последние годы были отравлены противоречиями, которые, как ему казалось, были неразрешимы. Беседуя с известным советским физиком А. Ф. Иоффе, он мрачно сказал:

"Я потерял уверенность, что моя научная работа вела к объективной истине, и я не знаю, зачем жил; жалею только, что не умер пять лет назад, когда мне еще все представлялось ясным".

К тому же - злополучный ветер. Эфирный ветер. У Лоренца эфир был неподвижен. Когда тело двигалось, на его поверхности должен был ощущаться эфирный ветер. Например, на поверхности Земли этот ветер должен быть просто ураганной силы - известно, что Земля путешествует в мировом пространстве с громадной скоростью!

А если так, то электронную теорию Лоренца можно проверить экспериментально.

Жолио-Кюри как-то заметил: "Чем дальше эксперимент от теории, тем ближе он к Нобелевской премии". Это полностью относится к эксперименту Майкельсона, не подтвердившему взглядов Лоренца, но явившегося толчком к созданию теории относительности. За свой эксперимент Майкельсон был удостоен Нобелевской премии по физике.

Это сделал в 1880 году двадцативосьмилетний преподаватель военной академии в Аннаполисе (США) черноволосый красавец Альберт Майкельсон. Он изобрел простой прибор - интерферометр, с помощью которого на базе тонких оптических явлений можно было очень точно измерить скорость света. Майкельсон решил проверить на своем десятидолларовом приборе правильность идеи о неподвижном эфире. / Он послал один луч света в направлении движения Земли, другой - под прямым углом к нему. Пробежав равное расстояние, лучи должны были вернуться. Если бы движения Земли в эфире не существовало, лучи должны были бы прийти обратно в одно и то же время.

Если же луч, посланный в направлении движения Земли, придет позже, то гипотеза неподвижного эфира верна.

Результат, опубликованный в 1881 году, был отрицателен: никакой разницы между скоростью лучей обнаружено не было. Это был, как выразился Джон Бернал, "величайший из всех отрицательных результатов а истории физики".

Лоренц сразу же усмотрел в эксперименте Майкельсона бомбу с тикающим часовым механизмом, способную в любой момент разнести на атомы ставшую классической электронную теорию. Другие физики тоже скоро это поняли и всеми силами старались совместить отрицательный результат эксперимента с "эфирным ветром".

Сразу же родилась гипотеза "частичного увлечения" эфира. Если эфир увлекается Землей, тащится за ней "эфирным хвостом", то, естественно, на поверхности Земли относительное перемещение ее и эфира заметить невозможно. Такие же "эфирные хвостики", приличествующего размера, волочатся за любым телом.

К сожалению, гипотеза обладала существенными недостатками. Во-первых, эфир, так сказать, "разжигался" - из нечто, твердого, как сталь, он превратился в нечто, подобное студню. Сразу же возникали трудности в объяснении природы электромагнитных волн. Кроме того, в качестве заплат нужно было бы придумывать новые теории, объясняющие, как происходят явления в эфире неподвижном, увлеченном и частично увлеченном.

Эта теория явно уводила в сторону. А другая теория была совершенно безумной. Ее придерживался английский физик Фитцджеральд. Он был уверен, что эфир неподвижен, а тела двигаются сквозь него. Однако заметить движение невозможно - всякое тело, перемещающееся по эфиру, сжимается, сокращает свои размеры в направлении движения, причем тем больше, чем с большей скоростью оно перемещается. Сокращаются в размерах метры, линейки, эталоны. Каждый "бывший" сантиметр становится немного короче. Претерпевал деформацию и прибор Майкельсона. Поэтому-то с его помощью и не удалось заметить движения относительно эфира.

Лоренц заинтересовался теорией - она давала возможность сохранить дорогие его сердцу уравнения Максвелла и электронную теорию. Лоренц облек идеи Фитцджеральда в изящные математические формы. И оказалось, что не только размеры должны изменяться в движущейся относительно эфира системе, но и само время! (Вот куда корнями восходит знаменитый "парадокс близнецов", заполняющий сейчас популярные книги по теории относительности, - один из братьев, отправившийся путешествовать чуть не со световой скоростью, быстро вернувшись, застает брата дряхлым стариком!)

Лоренц был классиком. Он не мог отрешиться от всего классического опыта, чтобы сделать еще один шаг и изобрести теорию относительности, покоящуюся на только что упомянутых "преобразованиях Лоренца".

Он не мог представить себе, что все "эфирные загадки", которым он посвятил столько времени, можно было вовсе не решать. Дело в том, что лучшим способом избавиться от них был "способ колумбова яйца" - нужно было совсем отказаться от эфира.

Это смог сделать лишь Эйнштейн. Но здесь начинается уже отдельная громадная тема, выходящая за рамки книги.

Из противоречий электронной теории Лоренца родилась теория относительности Эйнштейна. Перестройка в знаниях человечества произошла очень быстро - со времени открытия электромагнитных волн прошло всего лишь двадцать лет. По этому поводу уместно прозвучат строчки английского поэта XVII века Донна из его "Анатомии мира" (1611 г.!):

Так много новостей за двадцать лет

И в сфере звезд и в облике планет.

На атомы вселенная крошится,

Все связи рвутся, все в куски дробится,

Основы расшатались, и сейчас

Все стало относительно для нас.

Трудно перечесть те грандиозные последствия, которые имело введение в физический обиход электронной теории Лоренца.

Мы уже сказали о том, что несоответствие ее с экспериментом Майкельсона привело к созданию теории относительности.

Несоответствие ее с "атомом Резерфорда" привело к "атому Бора", к введению в атомную теорию квантов.

Противоречие червя с яблоком, электрона и электромагнитной теории привело к попытке создать "электромагнитный мир", в котором электроны тоже были заменены электромагнитными волнами. Затем оказалось, что мир свести к одному лишь электромагнитному полю невозможно - в мире оказались и другие поля, не сводимые к электромагнитному: гравитационное, волновое поле электрона и т. п. Попытка создать "единую теорию поля", в которой все эти поля были бы объединены, не увенчалась успехом даже у Эйнштейна, работавшего над проблемой более тридцати лет. Тем не менее "электромагнитный мир" был полезен - он привел Дж. Дж. Томпсона, а затем и Эйнштейна к представлению о том, что прибавление телу энергии эквивалентно некоторому увеличению его массы, к "электромагнитной массе электрона" (вот откуда взялось знаменитое !).

Мы уже не говорим о том, что с помощью электронной теории были проведены сотни тысяч правильных расчетов, сделано и объяснено не одно открытие.

Что ж, электронная теория хорошо послужила.

Впрочем, почему - послужила?

Электронная теория используется до сих пор.

Так же, как и уравнение Максвелла. Никакие, даже самые великие открытия не способны поколебать теорий, если они правильно отражают процессы, происходящие в мире.

В крайнем случае, новая теория включает старые правильные теории как крайние или частные случаи.

Так случилось с электронной теорией и уравнениями Максвелла.

Бурное развитие квантовой физики в начале нашего века натолкнуло на мысль, что максвелловы уравнения не применимы в микромире, где необычайно малы изучаемые объекты.

Простая и естественная картина непрерывного изменения электромагнитных полей, описываемая уравнениями Максвелла, здесь не может считаться полной. Ведь энергия в соответствии с гипотезой Планка должна в микромире меняться не непрерывно, а квантами, порциями!

Поэтому в двадцатых-тридцатых годах нашего века был неизбежен переход максвелловой и лоренцевой теорий в новые, квантовые формы. Дирак в 1927 году, а затем Гейзенберг и Паули в 1929 году опубликовали статьи с описанием квантовой теории электромагнитного поля, где нет места непрерывности, где все величины меняются скачками и которая в случае больших объектов и расстояний переходит в старую теорию Максвелла.