Владимир Карцев - Приключения великих уравнений

• Название: Приключения великих уравнений
• Автор: Владимир Карцев
• Издательство: "Знание"
• Жанр: Детская образовательная литература
• Год: 1986

История познания человеком электричества полна неожиданностей и драматизма. Среди «делавших» эту историю мы найдем людей разных профессий: физика, врача, переплетчика, столяра, государственного деятеля. Различны были их судьбы.

В книге читатель встретится с участниками первых кругосветных путешествий, узнает об электрических рыбах, об оживлении людей с помощью электричества… Первое и второе издания книги, вышли в издательстве «Знание» в 1970 и 1978 гг.

Книга рассчитана на массового читателя.

---

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 в 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, «разжижался» — нечто твердое, как сталь, превращалось 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. Претерпевала деформацию и шкала прибора 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 произошла очень быстро — со времени открытия электромагнитных волн прошло всего 20 лет.

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 волны, не сводимые к электромагнитным: гравитационные, 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 30 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 эквивалентного некоторому увеличению его массы, — к «электромагнитной массе электрона» (вот откуда взялось знаменитое Е = mс2!).

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 уравнения Максвелла. Никакие, даже самые великие открытия не способны поколебать теорий, если они правильно отражают процессы, происходящие в мире.

По крайней мере 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.

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 20—30-х 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-м 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.

Новая теория смогла объяснить ряд тонких эффектов, происходящих в микромире.

Но она внесла и много новых трудностей. Теперь оказалось, что невозможно точно измерить электромагнитное поле в точно указанной точке пространства!

Осталось в квантовой теории и прежнее противоречие лоренцевой электронной теории: энергия точечного электрона осталась бесконечной! Хитроумные способы избежать этого в рамках квантовой электродинамики привели к другому абсурду — к частице, обладающей бесконечной отрицательной массой!

Это — одна из грозовых туч над квантовой теорией электромагнитного поля. Здесь уже не «два облачка на чистом небе законченной теоретической физики», о которых говорил когда-то Дж. Дж. Томпсон. Следует учесть, что Томпсон имел в виду здесь нижеследующие «атмосферные явления»: неясность, почему электрон не падает на ядро, и странный, как тогда казалось, результат опыта Майкельсона. Мы уже знаем, какой благодатный ливень открытий и идей принесли эти «два облачка». Чем разразится грозовая туча, нависшая сейчас над квантовой теорией электромагнитного поля, пока сказать трудно. Но факт остается фактом — именно в противоречиях квантовой теории — ключ к новым открытиям в физике.

Квантовая теория электромагнитного поля неминуемо должна уступить место другой, более полной и непротиворечивой теории.

Из сказанного может показаться, что квантовая электродинамика заменила электронную теорию так же, как электронная теория заменила теорию Максвелла.

Ничто не может быть ошибочнее этого вывода. Жизнь и смерть теорий меньше всего напоминают печальную ситуацию в нашем мире, где отец дарит жизнь сыну, а сам через некоторое время исчезает из жизни, то же повторяется с сыном и внуком, и так вечно. Развитие физических идей здесь нисколько не напоминает прекрасный, но несколько жестокий процесс. Больше напоминает оно процесс деления клеток, где клетка, давшая жизнь другой, сама остается жить.

Нильс Бор писал: «…язык Ньютона и Максвелла останется языком физиков на все времена».

Новые открытия, новые трудности

Ни квантовые снаряды Планка, ни буря относительности Эйнштейна не смогли сокрушить бастионы максвелловых уравнений. До сегодняшнего дня ученый, прикидывающий прохождение радиосигнала к Венере или решающий задачу «передвижения на одноколесном велосипеде по канату» — задачу удержания плазмы в «магнитной бутылке», — все они пользуются в своей работе старыми, заслуженными уравнениями Максвелла.

Но сомнения остались. Они нарастают буквально с каждым днем. Это уже не «легкие облачка», омрачавшие чистое небо физики начала века. На горизонте явно собираются свинцовые тяжелые тучи.