Текст книги "Физика без камней в голове"

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 компоненты массы ядер, которая выпала из поля зрения теоретиков. Таким образом, опытные данные опровергают положение о превращении ядерного вещества в энергию, как это формально следует из формулы Эйнштейна.

Другой пример – объяснение красных смещений в спектрах галактик как эффекта Доплера, т.е. скоростью удаления галактик. Это объяснение можно было рассматривать как правдоподобную гипотезу тогда, когда космический вакуум считали пустотой. Но в свете современных знаний представление о космическом вакууме как пустоте является устаревшим. Согласно физике конденсированных сред космический (он же физический) вакуум это материальная среда. Как материальная среда он должен взаимодействовать с движущимися телами и излучением.

Влияние физического вакуума (эфира) также не учитывалось Эйнштейном при объяснении аномального смещения перигелия Меркурия. Несмотря на то, что в ОТО он вернул эфир, который отбросил в своей более ранней теории. Предсказание теории Эйнштейна для Марса противоречит данным наблюдений: теоретическое значение в 6 раз меньше наблюдаемого [10]. Тем не менее, большинство специалистов считает, что ОТО более точная теория, чем теория Ньютона. Однако, как показано в главе 3, этот эффект не имеет отношения к гравитации. Он обусловлен космическим ветром, возмущающей силой, образованной совместным влиянием возбуждённой компоненты космического вакуума как материальной среды и движением Солнца (вместе с планетами) в космическом пространстве.

Как показывает исторический опыт, в толковании опытных данных часто присутствует субъективный фактор, а именно, желание согласовать опытные данные с теорией, которую заранее считают правильной.

Физика и формальная логика

В этом разделе были использованы основные понятия и процедуры логических умозаключений, приведенные в книге Фрейденталя (Freudenthal) «Язык логики» [12]. Формальная логика необходима для обоснования основных положений создаваемой теории, а также поиска противоречий в существующих теориях. Логические построения должны предшествовать математическому описанию изучаемого объекта или явления.

В статье «О методе теоретической физики» [11] Эйнштейн говорил о вечном противоречии между двумя нераздельными компонентами человеческого познания – опытом и мышлением. Он считал древнюю Грецию колыбелью западной науки. Там впервые было создано чудо мысли—логическая система, теоремы которой вытекали друг из друга с такой точностью, что каждое из доказанных ею предложений было абсолютно несомненным. Как считает Эйнштейн, геометрия Эвклида это замечательный триумф мышления, который придал человечеству уверенность в себе, необходимую для последующей деятельности.

В формальной логике используется процедура исчисления высказываний. Под высказыванием понимают то, что выражается посредством осмысленного утвердительного предложения. Пусть p и q – простые высказывания. Для соединения предложения в более сложное предложение, используют связки. Их всего четыре:

конъюнкция – означает связку «и» (p и q),

дизъюнкция – означает связку «или» (p или q),

импликация – означает связку «если, то» (если p, то q),

эквиваленция – означает связку «тогда и только тогда»

(p тогда и только тогда, когда q).

Для того чтобы установить, является ли истинным сложное высказывание «p и q», нам нужно лишь знать, истинны ли обе его компоненты p и q. Если это так, то «p и q» истинно. Нам незачем для этого знать что-либо о содержании высказывания p или высказывания q.

Точно также мы можем сделать заключение об истинности высказывания «p или q», если мы знаем, что, по крайней мере, одно из высказываний истинно, причём смысловое содержание высказываний p и q не играет здесь никакой роли. Заметим, что «p и q» является истинным и тогда, когда p и q оба истинны. Высказывание «если p, то q» не является истинным только в том случае, когда p истинно, а q, тем не менее, не истинно. В дополнение к ранее указанным связкам, посредством которых из двух высказываний получается одно новое высказывание, используется связка «не», которая указана в третьем столбце ниже приведенной таблицы и читается как «не». Она обращает высказывание p в высказывание «не p».

Исчисление высказываний можно описать следующим образом. Из данных высказываний p, q, r, … можно с помощью связок строить новые высказывания. При этом необходимо соблюдать последовательность построения и, если необходимо, определить эту последовательность с использованием скобок. Относительно связки используется следующее правило: если за связкой непосредственно следует буква, то связка относится к этой букве; если же сразу после связки открываются скобки, то связка относится ко всему заключённому в скобки выражению.

В высказывании нас интересует, прежде всего, его истинностное значение, т.е. является оно истинным или ложным. Чтобы ответить на этот вопрос, нам ничего не надо знать о составляющих высказываниях, кроме их истинностных значений. Эта информация полностью определяет истинностное значение сложного высказывания. Для обозначения истины используется символ 1, а лжи – символ 0. Истинностное значение высказывания p обозначим через |p|. Тогда для любого p справедливо либо |p| = 0, либо | p| = 1. Для каждой связки можем составить истинностную таблицу, показывающую, когда высказывание, образованное посредством этой связки, истинно, а когда ложно:

Обозначения в столбцах: 1 и 2 – значения простых высказываний p и q; значения сложных высказываний: 3 – «не р», 4 – «p и q»; 5 – «p или q»; 6 – «если p, то q»; 7 – «p тогда и только тогда, когда q»; 8 – «ни p, ни q».

Слева в первом и втором столбцах выписаны все возможные комбинации пары высказываний p, q (т.е. комбинации «p ложно» и «p истинно» с «q ложно» и «q истинно»). Справа выписаны значения полученных высказываний в каждой из возможных комбинаций. В приведенной схеме есть ещё одна новая связка – «черта» в высказывании p ∕ q, которое следует читать как: ни p, ни q (т.е. не p и не q). Это высказывание истинно только тогда, когда оба высказывания p и q ложны. Теперь можно определить истинностные значения более сложных комбинаций высказываний и строить для них истинностные таблицы. Если дано высказывание А, состоящее из высказываний p, q, r, …, то можно попытаться придать p, q, r, …, такие истинностные значения, чтобы А стало истинным. Такая операция называется «выполнением» высказывания А. Если мы сможем осуществить такую операцию, то высказывание А будем называть выполнимым. Если выполнение высказывания А невозможно, то А называется тождественно ложным.

В качестве примера рассмотрим оценку правильности ОТО на основе результатов предсказанных ею значений аномальных смещений перигелиев планет. Большинство специалистов считает, что ОТО является более точной теорией, чем теория Ньютона, так как Эйнштейн с использованием ОТО объяснил аномальное смещение перигелия Меркурия. Однако для других планет предсказанные ОТО значения плохо согласуются данными наблюдений. В таблице 1.1 приведены аномальные смещения перигелиев планет земной группы, определённые Ньюкомом (Newkomb), которые приведены в работе Эйнштейна [10].

Таблица 1.1. Аномальные смещения перигелиев планет (угл. сек за сто лет)

11
  В третьем столбце приведены значения произведения смещений на эксцентриситет, как сделано в работе [10].


[Закрыть]

Венеру исключаем из рассмотрения из-за больших погрешностей измерений. Тогда говорить о согласии теории с опытом можно только при наличии согласования расчётных значений с данными наблюдений для трёх планет, а не одной из них как у Эйнштейна и многих других исследователей, занимавшихся этой проблемой. Обозначим через А высказывание, суть которого состоит в утверждении, что теория Эйнштейна объясняет эффект аномальных смещений перигелиев планет, а через p, q и r высказывания, содержащие утверждение о том, что предсказанные теорией значения смещений подтверждаются данными наблюдений соответственно для каждой из трёх планет. То есть А является истинным тогда и только тогда, когда «и p и q и r». То есть, А является истинным, если p, q и r являются истинными. Иначе говоря, теория подтверждается опытом, если она даёт правильные предсказания величины эффекта для всех трёх планет. Но это не так. Расчётное значение смещения хорошо согласуется с данными наблюдений только для Меркурия, плохо согласуется с данными для Земли и противоречит данным для Марса. Таким образом, приходим к заключению, что теория Эйнштейна не подтверждается данными наблюдений.

К этому заключению можно было прийти, не применяя формальную логику и процедуру исчисления высказываний. Для этого достаточно объективной оценки данных таблицы 1.1. Теоретически определённое значение смещения для Марса в 6 раз (!) меньше определённого по данным измерений. И это можно было считать более важным критерием оценки правильности теории, чем согласование расчётного значения с наблюдаемым значением только для Меркурия. Тем не менее, несмотря на это, большинство специалистов считает ОТО правильной и более точной теорией, чем теория Ньютона.

Опыт показывает, что в оценке специалистами правильности той или иной теории и интерпретации опытных данных часто большое влияние имеют субъективные факторы. Рассмотрим влияние таких предполагаемых факторов на оценку теории Эйнштейна в данном конкретном случае.

Первое, на что следует обратить внимание, это научный авторитет автора теории. К тому времени, когда появилась статья «Объяснение движения перигелия Меркурия в общей теории относительности» [10], авторитет Эйнштейна среди учёных был очень высок. Следовательно, был высокий уровень доверия и к его новому теоретическому результату.

Во-вторых, как следует из заголовка статьи, речь шла только о Меркурии. Именно для Меркурия эффект смещения перигелия имеет наибольшее значение. Для других планет погрешности измерений велики по сравнению с величиной самого эффекта, особенно для Венеры. Наиболее приемлемой планетой для анализа данных после Меркурия является Марс. Но для него эффект выражен существенно слабее, чем для Меркурия: соответственно 8 угл. сек и 43 угл. сек за столетие.

В-третьих, определённое согласно ОТО значение смещения для Меркурия получило подтверждение данными наблюдений.

В-четвёртых, у специалистов могли быть основания сомневаться в данных точности измерений величины эффекта для других планет в связи с тем, что погрешности измерений сравнимы с величиной эффекта, а у Венеры даже превышают сам эффект. Поэтому данные по другим планетам могли рассматриваться как недостаточно надёжные по сравнению с данными для Меркурия. Тогда оценку правильности ОТО можно свести к согласованию расчётного и наблюдаемого значения смещения только для Меркурия.

Но такую оценку нельзя считать достоверной, так как согласование расчётного и наблюдаемого значения может быть случайным. Кроме того, для одной планеты хорошее согласование теории с опытом может быть получено путём сведения физической проблемы к математической проблеме. Математика позволяет построить правдоподобную теорию, дающую желаемый результат. Поэтому о согласовании теории с опытом можно судить только на основе получения непротиворечивых результатов, по крайней мере, для двух планет, в данном случае Меркурия и Марса.

Таким образом, применение формальной логики необходимо для сведения к минимуму влияния субъективных факторов на результат исследования, включая: авторитет учёного, неполноту учёта используемых данных и субъективную оценку их значимости.

В случае проверки соответствия фундаментальной теории опытным данным следует использовать объективные критерии, выраженные в научных понятиях и числовых характеристиках, используемых, например, в теории вероятностей. В книге [1] были выполнены оценки согласования теоретически определённых согласно ОТО значений смещений перигелия с наблюдаемыми для Земли и Марса. Если множество наблюдаемых значений смещений рассматривать как Х, а теоретически определённое значение как случайную величину х⁰, то вероятность того, что х⁰ принадлежит множеству Х, составляет: для Земли 0.09, для Марса 10^—4. Таким образом, на основе использования объективных критериев мы приходим к выводу, что ОТО не подтверждается данными измерений. Следует отметить, что в дальнейшем после проведения более точных измерений появились трудности с объяснением эффекта смещения и для Меркурия.

Приведенный пример говорит о том, что при решении научной проблемы её необходимо расчленить на простые высказывания (утверждения), истинность которых можно объективно оценить. Недопустимо какие-либо из этих простых высказываний изначально без достаточного обоснования принимать за истинные. При этом не обязательно использовать символику формальной логики, но обязательным является соблюдение логических правил.

Исторический опыт познания убеждает нас в том, что нарушение логических правил приводит к потерям времени, сил и средств на проведение исследований, не имеющих реальной перспективы их практического применения. При этом отрицательный эффект заключается не только в потере времени, сил и средств, но и в появлении в большом количестве информационного балласта и теоретического хлама. Многие научные работники, понимая свои ограниченные возможности в решении серьёзных научных задач, занимаются в основном развитием уже существующих, в том числе ошибочных, теоретических представлений, без критического их осмысления. Это приводит к нарастающему объёму ненужной информации, среди которой бывает трудно увидеть что-то новое и полезное.