Текст книги "Философия и теория «Единого поля Вселенной»"

7.3. Правомерность термина о материальности электромагнитного поля

В отношении электромагнитного поля взгляды физиков менялись. В волновой теории, развитой Гюйгенсом, Френелем, Юнгом и другими, энергия считается частично потенциальной и частично кинетической. Рассматривая среду упругой, при деформации элементарных объемов можно предположить накопление потенциальной энергии. Кинетическая энергия обусловлена колебательным движением, поэтому среда должна иметь и некоторую плотность. Согласно волновой теории существует материальная среда, заполняющая пространство между двумя телами. Благодаря взаимодействию прилегающих друг к другу частей этой среды, энергия переходит от одной ее части к другой, пока не достигнет освещаемого тела. Свойства тел допускают количественное измерение. Численное значение некоторого свойства среды мы получаем на примере скорости распространения возмущений в ней. В случае света ее вычисляли на основании экспериментов и непосредственных измерений. Скорость распространения электромагнитных возмущений в опытах совпадала со скоростью света, не только в воздухе, но и в других прозрачных средах. Появились веские основания считать, что свет является электромагнитным явлением. Если наэлектризованное тело поместить в какой-либо части электрического поля, то оно вызовет заметное возмущение в электризации других тел. Когда тело очень маленькое и заряд его очень мал, то возмущение и электризация других тел незначительна. При этом сила, действующая на тело, будет пропорциональна величине его заряду. Сила – векторная величина, имеет направление. Обращение вектора на противоположный изменяет у силы знак. С изменением знака у заряда, меняется знак модуля и направление действия силы. В окрестности наэлектризованных тел наблюдают электрические явления. Это результат действия электрического поля в пространстве, которое может быть занято воздухом или другими телами. Вакуум, из которого удалено вещество, поддается этому воздействию. Максвелл предполагает, что электрическая поляризация элементарного диэлектрика – это вынужденное состояние, в которое среда переходит под воздействием электродвижущей силы, исчезающая при устранении этой силы. Он называет элементарную частичку поляризованной, если она приобретает равные, но противоположные свойства с противоположных концов [112, с. 79].

Максвелл руководствуется моделью упругих напряжений в гипотетической среде (эфире). Он предположил, что в каждой точке синусоидальной волны внутренняя энергия среды является наполовину электростатической и наполовину электрокинетической [113, с. 341]. Концепцию Фарадея о создании напряженности в электромагнитном поле рассматривает «как метод объяснения действия на расстоянии посредством непрерывной передачи сил» мельчайшей средой [114]. В гипотезе электромагнетизма постулируется существование двух видов энергий – электростатической и электрокинетической. Английский ученый считает свою теорию согласованной с волновой теорией в допущении существования среды, в которой действуют два вида энергии. Энергия локализована не только в наэлектризованных или намагниченных телах, но и присутствует в каждой части окружающего пространства, где действуют электрические или магнитные силы. По мнению А. Пуанкаре, основная идея Максвелла состояла в том, чтобы доказать возможность механического объяснения электрических явлений, упуская само объяснение. Он критикует работу «Трактат об электричестве и магнетизме» и утверждает, что читателю, предлагается пустая форма, почти лишенная содержания [115]. Теория не дает объяснения механизму образования электромагнитного поля, т. к. автор воздерживается от выбора передающей среды. Пуанкаре находит в теории Максвелла отсутствие точности в электростатике. Он думает, что причина всех неясностей – расплывчатость в определении электрического смещения. Один французский ученый, изучивший труд Максвелла, однажды сказал: «Я понимаю все в его книге за исключением того, что такое наэлектризованный шар». Кинетическая энергия предполагала колебательные движения частей среды. Эту среду можно рассматривать как материю, имеющую конечную плотность. Пуанкаре показал пример более простого решения того же вопроса. Для этого достаточно было знать выражения двух функций Т и U, представляющих собой две части общей энергии. С помощью этих двух функций можно составить уравнения Лагранжа и затем сравнить эти уравнения с экспериментальными законами. Французский теоретик, наделив частицы массой и координатами, записал решение в виде уравнения, выражающее сохранение энергии [115]:

U + T = const, (6.7)

где U и T – потенциальная и кинетическая энергия системы. Таким образом, если функции U и Т существуют, то можно найти бесконечное множество механических объяснений данного явления. Число частиц может быть выбрано произвольно большим, следовательно, этому условию всегда можно удовлетворить и притом бесконечным числом способов.

Что требуется для того, чтобы дать механическое истолкование электромагнетизма? Объяснение этому явлению ищут либо в движении материи, либо в движении гипотетических флюидов. Флюиды состоят из чрезвычайно большого числа отдельных частиц. Пуанкаре отказался воспринимать среду поля на уровне бесконечно малой величины материи (флюида) и рассматривал ее, как материю, имеющую конечную плотность. Как считает М. Лауэ, перенос силы электромагнитным полем Максвелл свел к напряжениям, аналогичным упругим напряжениям. Вызванные исключительно полем, они отличаются тем, что не связаны с деформацией материи. Напряжения могут иметь место даже в пустоте, в отсутствии всякой материи. В соответствии с этим в чисто электрическом или чисто магнитном поле имеется натяжение вдоль каждой силовой линии, а перпендикулярно к ней – давление той же интенсивности [27, с. 64]. Немецкий физик высказывает известную, но произвольную мысль о наличии поля «в пустоте». Ученый утверждает: электромагнитное поле способно существовать при отсутствии электрических зарядов и токов. Из уравнений Максвелла сделан вывод, что в электрическом поле электрических зарядов может и не быть, но когда туда внесен «пробный» электрический заряд, он сразу оказывается под действием электрической силы, вызванной в данной точке поля зарядами, которые расположены в других частях поля. Поля такого рода назвали электромагнитными волнами. В учебной литературе по физики утверждают [3, с. 115], что переменные электромагнитные поля могут существовать самостоятельно, независимо от возбудивших их электрических зарядов. Странная концепция, когда заряд может передавать волновое возмущение через пустоту в удаленные точки пространства.

Вне квантовой области электромагнитное поле не сводится ни к частицам, ни к колебаниям какой-либо среды [116, с. 9]. В формулировке заложена неопределенность, т. к. колебаться может только среда. Теория, описывающая не связанные с квантами электромагнитные явления, называется классической электродинамикой. Термин «поле» без прилагательного «электромагнитное» относят к физической величине полевого типа. Современная теория считает «поле» особым видом материи, отличающимся от вещества [117, с. 12]. Вещество – это совокупность дискретных образований, обладающих массой покоя. Общепринятая точка зрения исходит из того, что заряженные частицы непосредственно не действует на другие. Взаимодействие между электрически заряженными частицами передается с помощью особого материального посредника, называемого «электромагнитным полем» [3, с. 9]. Поле является лишь некоторым способом описания физического явления взаимодействия частиц. Под термином «поле» подразумевают специфический вид материи, характеризующейся непрерывностью и имеющей нулевую массу покоя. Понимая, что поле – это какой-то тип материи, теоретикам следовало бы определить его сущность и взаимосвязи с другими структурами, участвующими в колебаниях.

В учебной литературе [118, с. 15] утверждают, что неподвижные электрические заряды создают электростатическое поле – частный случай электромагнитного поля. Вокруг заряженной частицы, движущейся произвольным образом относительно системы отсчета, создается «поле». Ученые предполагают, что пространство между частицами заполнено «полем». Оно передает возмущение от одной частицы к другой, находящейся в этом поле, с конечной скоростью [119]. Электромагнитные силы действуют между электрически заряженными и намагниченными телами, а также телами, по которым текут электрические токи. Согласно концепции физического поля, частицы, участвующие в электромагнитном взаимодействии, создают в каждой точке окружающего их пространства особое состояние – поле сил, проявляющееся в силовом воздействии на другие частицы, помещаемые в какую-либо точку этого пространства.

Электромагнитные колебания передаются на большие расстояния без чувствительной потери энергии путем рассеяния. Цепочка логически обоснованных умозаключений позволяет Д. Максвеллу утверждать, что эфир отличен от обыкновенной материи. Например, среда, по которой распространяется свет, в атмосферном воздухе, отличается от него, поскольку газы не передают поперечных колебаний. Следовательно, свет распространяется в том, что отличается от известной среды. В числе характерных свойств эфира Максвелл назвал: упругость, твердость и плотность эфира. Обладая упругостью, подобной упругости твердого тела, эфир способен передавать энергию. В представлении Максвелла, физический процесс, представляющий распространение света, происходит под прямым углом к лучу и находиться либо в плоскости поляризации, либо в плоскости, ей перпендикулярной. Межпланетное и межзвездное пространство Максвелл считал занятым материальной субстанцией или телом, самым обширным и самым однородным «какое только нам известно» [4].

Отказавшись от мгновенного «дальнодействия», теория Максвелла, сняла имевшееся ранее противоречие между скоростью распространения электростатической и электромагнитной сил. Оптические излучения полностью присоединились к электродинамике. Значимость эфира возросла, он стал носителем всей совокупности электромагнитных явлений в пространстве, но задача электромеханического объяснения световых волн осталась нерешенной. Планк заявил: «… допущение о точном соответствии с действительностью простых дифференциальных уравнений Максвелла – Герца несовместимо с возможностью механистического истолкования электродинамических явлений в чистом эфире. То обстоятельство, что Максвелл вывел первоначально свои уравнения с помощью механистических представлений, не изменяет существа дела» [13]. Попытки дать световому эфиру механистическое истолкование не увенчались успехом. Оказалось, что невозможно вывести электродинамические явления в свободном эфире из единой механистической гипотезы. Выяснилось, что электрическая и магнитная энергия в некотором смысле противостоят друг другу. Планк указал на подозрительный симптом, который обыкновенно сопровождает все бесплодные гипотезы. Речь идет о теоретическом споре между Френелем и Нейманом о связи между плоскостью поляризации и направлением колебаний прямолинейно поляризованного луча. Трудности возросли, когда возник вопрос, какую из энергий считать кинетической – электрическую или магнитную. После установления электромагнитной теории света, вопрос выяснения природы статических и динамических электрических явлений был признан не имеющим значения и оставлен на будущее. Планк был разочарован тем, что по результатам опытов Майкельсона не удалось обнаружить движения Земли. По мнению ученого, это важнейший эксперимент из всех, так как его значение совершенно не зависит от предположений о природе светового эфира. Были исчерпаны различные предложения и комбинации для того, чтобы понять строение светового эфира. Задача объяснения светового излучения не решена теоретиками до настоящего времени.

Теория относительности, отказавшись от среды, придала фундаментальный смысл понятию физического поля, как первичной физической реальности. Согласно постулату теории относительности, скорость распространения любого взаимодействия не может превышать скорости света в вакууме (с) [120]. Взаимодействие частиц, относительная скорость которых сравнима со скоростью света (с), можно описывать только через создаваемые ими поля. Изменение состояния (или положения) одной из частиц приводит к изменению созданного поля, которое отражается на другой частице лишь через конечный промежуток времени, необходимый для распространения этого изменения до частицы.

Между электрически заряженными и намагниченными телами, а также телами, по которым текут электрические токи, действуют силы, называемые электродинамическими или электромагнитными. У теории есть необходимость наполнения пустот средой. Она, с принадлежащими ей атрибутами, может передавать электромагнитные колебания. В настоящее время физики исходят из представления, что взаимодействие передается с помощью особого вида материи (электромагнитного поля). Поле характеризуется силой и ее направленностью. На распространении электромагнитных колебаний построена корпускулярно-волновая гипотеза света. Заряженное тело окружено электрическим полем, которое теоретически простирается до бесконечности. Электрические поля нескольких заряженных тел образуют общее электрическое поле, в котором нельзя отличить поле одного заряда от поля других зарядов. В современной физике электрическое поле рассматривается как особая форма объективной реальности – материи, обладающей специфическими физическими свойствами. Гениальный физик и экспериментатор М. Фарадей подметил разность скоростей образования электрического и электромагнитного полей: «Единственное, резко бросающееся в глаза различие, существующее между вольта-электрической и магнитоэлектрической индукцией, заключается в том, что первая происходит внезапно, а вторая требует ощутимого времени; однако, даже в настоящей ранней стадии исследований, некоторые факты все же как будто указывают на то, что при дальнейшем изучении вопроса это несходство потеряет значение различия в физической природе явлений» [121]. По формальным признакам особенности поведения поля как бы поддерживают теорию А. Эйнштейна. А если по существу, то обнаружено физическое несоответствие: указывают на заметную инерцию в скорости распространения электромагнитного поля по сравнению с электрическим полем. Полями создаются силы, которые вызывают разные скорости распространения. Это противоречит определению, что электромагнитное поле создает электрическое. В пустом пространстве (вакууме) не должно быть элементов, которые могут привести к задержке силового действия. Косность мышления мешает отказаться от догматического постулата о распространении электромагнитных волн в пустоте. Наблюдаемая разновременность в проявлении эффектов объяснима, если в среде присутствуют пассивная материя и электрически поляризованная субстанция, представленные веществом диэлектрика, не проводящим электрический ток.

8. Ложные закономерности в системах мира

8.1. Гипотеза К. Птолемея

Античная астрономия базировалась на принципе кругового и равномерного движения для описания видимых неравномерных движений светил. В ранние времена люди воспринимали движение Солнца, планет и звезд действительными. Наблюдение за круговым движением незаходящих звезд вокруг полюса небесной сферы способствует представлению о сферичности движения. Более близкие к полюсу звезды, пропорционально удалению от него, описывают меньшие круги, а более удаленные – большие. Вести регулярные наблюдения за движением звезд и планет начали примерно в промежутке с 750 г. до н.э. по I век н.э., что запечатлено на вавилонских астрономических табличках. Такая деятельность производилась во многих обсерваториях (местах наблюдения) в Месопотамии. Древние шумеры в третьем тысячелетии до н. э. определяли начало нового года по дню весеннего равноденствия в момент вступления Солнца в созвездие Тельца.

С именем Клавдия Птолемея, связана геоцентрическая система мира, просуществовавшая полтора тысячелетия. История не оставила сведений о жизни Птолемея. Из его сочинения известно: жил и работал он в Александрии, астрономические наблюдения начал в 127 году нашей эры и вел их до 141 года, а свой труд закончил к 146 – 147 году. Монография «Альмагест», написанная александрийским астрономом, состоит из тринадцати книг. Основная задача, решенная в «Альмагесте», – это вычисление видимых положений светил на небесной сфере в произвольный момент времени. В ведении к «Альмагесту» Клавдий Птолемей изложил принятые им постулаты:

а) Земля имеет вид сферы, не совершает никакого движения, изменяющего ее места; находится в середине неба, является как бы его центром и расположена в плоскости небесного экватора.

b) Тленным телам соответствуют прямолинейные, а нетленным – круговые движения, тяжелому же и легкому, пассивному и активному соответствуют движения к центру или от центра.

с) Материя, форма и движение имеют свое бытие, поскольку мы не можем их мыслить и видеть отдельно и независимо.

Сформулировав основные положения геоцентрической системы, Птолемей принял несколько допущений: небо имеет сферическую форму и движется подобно сфере; наибольшее из пространственных тел – небесная сфера; неподвижная и неизменная форма сохраняется у вечных существ, имеющих эфирную природу [122, с. 7]. Птолемей указал на первопричину первого движения в простейшей форме Вселенной – незримый и неизменный Бог. Первопричину, отделенную от всего воспринимаемого чувствами, постигнуть можно только умом. Большой круг небесной сферы носит название колюра солнцестояний, который проходит через полюсы мира и точки солнцестояния. Греческий ученый высказал гипотезу, что в небе существуют два различных вида первых движений. Одно из них: большой круг вращается и все увлекает с востока к западу неизменным и равномерным вращением по параллельным друг другу кругам, описанным вокруг полюсов сферы, сообщая всему равномерное вращение. Этот вид движения охватывает все остальные. Другой вид движения Птолемей относит к кругу, описываемому Солнцем на небесной сфере при его годовом движении (эклиптике). Вдоль него по одному и тому же кругу под наклоном к плоскости небесного экватора совершают свое движение к востоку Луна и другие планеты. Второй вид движения происходит вокруг полюсов эклиптики, не совпадающих с полюсами первого вращения, в сторону противоположную первому движению [122, с. 14].

Александрийский астроном создал успешную теорию видимых движений планет (теория бисекции эксцентриситета Птолемея): каждая из планет (кроме Меркурия) равномерно движется по малому кругу (эпициклу), центр которого совершает движение по большому кругу (деференту), причем Земля смещена относительно центра деферента. Для объяснения зодиакального неравенства Птолемей предположил, что движение средней планеты выглядит равномерным при наблюдении не из центра деферента, но некоторой точки, которая называется эквантом, или уравнивающей точкой. В теории Птолемея угловая скорость центра эпицикла относительно экванта неизменна. Модель ставила перед собой в основном математическую цель – показать, что все небесные явления можно описать с помощью равномерных и круговых движений. Сложное и неравномерное движение каждой планеты представлены как сумма нескольких простых равномерных круговых движений. Параметры каждой из планет Птолемей определил исходя из астрономических наблюдений. Система хорошо описывала траектории планет, наблюдавшиеся в течение предшествующих веков, и предсказывала довольно точно их расположение в будущем.

Ученый опирался на труды Гиппарха. Возможно, пользовался Александрийской библиотекой, т. к. ссылался на более раннее знание: «А чтобы не делать это сочинение очень длинным, все то, что было достаточно точно разъяснено древними, мы только приведем, то же, что или совсем не было понято, или же понято недостаточно, мы постараемся в меру наших сил изложить подробнее» [122, с. 6]. Птолемей, без каких-либо пояснений, называет эфир, который окружает светила, тончайшим и однороднейшим из всех веществ, состоящим из подобных частиц сферической формы. Согласно предложенным астрономом постулатам, поверхности тел должны быть однородными. Для плоских фигур – границы круговые, а для телесных фигур – сферические. Все расположенные на Земле и преходящие тела, природа сформировала из тел, имеющих круглую форму, но состоящих из неоднородных частей. А все эфирные и божественные – из однородных и сферических телец.

Авторитет первоисточника не подвергался сомнению Птолемеем. Вероятно, передавалось то, что уже было известно его предшественникам. Используя накопленные материалы астрономических наблюдений, полученные за прошедшее время, Птолемей вносил в теорию элементы доработки. «Темные» места ученый трактовал через призму собственного восприятия. Древний астроном указывает, что Земля является точкой в громаднейшей и однородной телесной среде. На нее направлены со всех сторон равные и одинаковые силы. Ему не казалось странным, что Земля, обладающая крупными размерами и тяжестью, ни на что не опирается и не движется. Птолемей дает этому собственное толкование: «… поскольку движение небесных тел не встречает никаких препятствий и происходит легче всех других движений, ему должна быть свойственна и наиболее удобоподвижная форма; для плоских фигур это круговое движение, а для пространственных – сферическое» [122, с. 8]. Тезис об отсутствии препятствий на пути движения небесных тел, противоречит его же высказыванию об окружающей звезды, Землю и другие планеты однородной среде.

Большой научный интерес в «Альмагесте» представляет отделение неизвестного учения от мыслей автора трактата. Перед исследователями старинного труда, вероятно, такой задачи никогда и не стояло. Два типа движений в «Альмагесте» были низведены им с космических масштабов до размеров солнечной системы. Блестящий ученый, обладающий великолепным абстрактным мышлением, сознательно пренебрегает гелиоцентрической системой мира. Он доказывает невозможность поступательного движения Земли и одновременно допускает вращение Солнца и планет вокруг нее. Теория не предполагает вращение звезд и планет, но разрешает движение однородному эфиру. В этой части примечательно следующее умозаключение древнегреческого астронома: «… вследствие этого вполне разумно считать, что окружающий их эфир, имеющий подобную же природу, тоже сферичен и вследствие однородности своих частей совершает круговое и равномерное движение» [122, с. 9]. Разрабатывая систему мира, Птолемей что-то почерпнул из древнего учения, но полного знания об устройстве Вселенной у него, вероятно, не было.