[вернуться к содержанию сайта]
Семиков С.
КРИЗИС КЛАССИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ НАЧАЛА XX ВЕКА:
БЫЛА ЛИ НЕКЛАССИЧЕСКАЯ ФИЗИКА ВЫХОДОМ ИЗ НЕГО?
(Реферат по истории и философии науки)
План реферата:
2. Корни теории относительности и альтернативные концепции
3. Корни квантовой физики и альтернативные концепции
4. Исторические предпосылки признания неклассической физики
1. Введение
Как известно, великий кризис классической физики разразился на рубеже XIX и XX вв. и длился до 1920-х гг. Он был обусловлен неспособностью прежних физических концепций объяснить ряд экспериментально открытых феноменов, а также внутренними логическими противоречиями классической картины мира. Так, классическая электродинамика Максвелла оказалась несовместима с классической механикой. Уже сам Максвелл отказался в своём "Трактате об электричестве и магнетизме" [1] от концепции механического эфира, обладавшего противоречивыми свойствами и порождавшего массу трудностей при анализе электродинамики движущихся тел. Опыты Майкельсона, Троутона-Нобла, Кауфмана лишь подчеркнули противоречия между классической механикой и классической электродинамикой [2-4]. Этот кризис был преодолён усилиями Г. Лоренца, А. Пуанкаре, А. Эйнштейна и Г. Минковского, заложивших основы новой неклассической механики в виде Специальной Теории Относительности (СТО), которая оказалась совместима с электродинамикой Максвелла, но отвергала классическую механику. Последняя получила с тех пор статус предельного случая релятивистской механики,– случая скоростей, много меньших скорости света.
В это же время делает большие успехи атомная физика: открыт электрон, доказана реальность атомов, эмпирически открыты законы излучения атомами сплошного и дискретного спектров, открыт фотоэффект, Э. Резерфорд открыл атомное ядро и построил классическую планетарную модель атома. И снова эксперименты оказались в противоречии с прогнозами классической механики и электродинамики Максвелла, которые предсказывали совсем иной вид теплового спектра, говорили о неустойчивости планетарного атома и вели к другим противоречиям [5]. Лорд Кельвин охарактеризовал эти противоречия как маленькие облачка на чистом горизонте классической физики, в целом совершенной и правильной. Однако в итоге именно эти противоречия заставили учёных отказаться от классической физики и принять новую квантовую физику и механику, которые вместе с теорией относительности устраняли противоречия и верно предсказывали результаты наблюдений.
Тем самым выход из великого кризиса физики, казалось бы, был найден. И всё же до сих пор остаётся сомнение, была ли неклассическая физика единственно возможным выходом из кризиса. Более того, в настоящее время в квантовой физике и в теории относительности выявляется всё больше проблем и противоречий, таких как индетерминизм в явлениях природы, расходимости и бесконечности при анализе структуры электрона и теплового спектра, обнаружение сверхсветовых скоростей, нераскрытая и противоречивая структура ядер и элементарных частиц [6-10]. Поэтому складывается впечатление, что неклассическая физика не устранила кризис, но лишь отсрочила его, посредством формальных согласующих приёмов, устранивших противоречия лишь поверхностно, внешне, но сохранив их в латентной форме. А сами корни противоречий, приведших к кризису, не были вскрыты. Поэтому, дабы выявить причины давнего кризиса, изучим взгляды физиков того времени и предложенные ими "антикризисные меры". Это позволит понять, действительно ли неклассическая физика была выходом, и выявить альтернативные, менее радикальные пути выхода из кризиса, которые могут оказаться актуальными и в наше время.
2. Корни теории относительности и альтернативные концепции
Рассмотрим сначала предпосылки создания и признания теории относительности научным сообществом. Давно отмечено, что теория относительности появилась в ходе кризиса концепции мирового эфира – сплошной идеальной среды, которая по воззрениям учёных XIX века должна была переносить электромагнитные воздействия, в частности свет, подобно тому, как воздух передаёт звук, звуковые волны [2]. Ещё задолго до постановки эксперимента Майкельсона учёные стали осознавать парадоксальность эфира. Эфир, с одной стороны, должен обладать огромной жёсткостью, а с другой – крайней разреженностью и легко, без сопротивления, проникать сквозь любые тела. Эта эфемерная субстанция должна быть абсолютно неподвижной, и в то же время легко возмущаться движением зарядов. При этом эфир совершенно лишён вязкости: лишь так можно объяснить, что свет далёких звёзд приходит к нам практически без ослабления. Когда же был поставлен опыт Майкельсона, то уже окончательно выяснилась несостоятельность концепции эфира: распространение света и электромагнитных воздействий носит не абсолютный, а относительный характер. То есть не существует никакой абсолютно неподвижной среды типа эфира, в которой свет сохранял бы свою скорость неизменной.
Однако сам Максвелл исходно основывал свою теорию электромагнетизма именно на концепции эфира, рассматривая его натяжения и сжатия, потоки и завихрения. Вот почему математический аппарат электродинамики Максвелла во многом сходен с математическим аппаратом физики сплошной среды, в качестве которой и рассматривался эфир. Видя противоречия эфира, Максвелл в более поздних работах отказался от упоминаний о нём, и сохранил лишь уравнения, выведенные с помощью эфирной концепции. Как говорили в то время, Максвелл построил величественное здание электродинамики, но в конце постройки убрал строительные леса, то есть вспомогательные конструкции в виде эфира, помогавшего при постройке. Выходит, именно концепции эфира теория Максвелла обязана своим рождением. Поэтому многие физики продолжали верить в реальность эфира, несмотря на его многочисленные противоречия.
А когда в 1887 г. в эксперименте Майкельсона-Морли выяснилось, что никакого эфира нет, это было настоящим кризисом и больно ударило по сторонникам электродинамики Максвелла. Ведь Максвелл, даже перестав упоминать эфир, по сути, сохранил его в своих уравнениях. Более того, в своём трактате об электричестве и магнетизме, он сам предлагал провести эксперимент типа эксперимента Майкельсона, чтобы проверить свою концепцию и выявить движение Земли по отношению к абсолютной системе отсчёта, связанной с эфиром [3]. Таким образом, отрицательный результат эксперимента Майкельсона ставил под сомнение не только концепцию эфира, но и всю электродинамику Максвелла, уже основательно проверенную к тому времени и получившую широкое признание и практическое применение. Предпринимались многочисленные попытки спасти концепцию эфира, например посредством контракционной гипотезы Лоренца-Фицджеральда, которые предположили, что при движении сквозь эфир все тела сокращаются, причём сокращение в точности компенсирует изменение скорости света от движения Земли, что и мешает выявить это движение по отношению к эфиру [11]. Но все эти попытки спасти эфир наталкивались на непреодолимые трудности при объяснении других опытов, например опыта Троутона-Нобла.
Таким образом, от концепции эфира пришлось отказаться. Но, даже отвергнув эфир, физики не желали отказываться от основанной на нём электродинамики Максвелла, которая тоже противоречила опыту Майкельсона. Поэтому А. Пуанкаре и А. Эйнштейн предложили другой, чисто формальный путь выхода из кризиса. Дабы совместить электродинамику Максвелла с результатом опыта Майкельсона, они предложили видоизменить саму механику так, чтобы, во-первых, все явления выглядели одинаково во всех инерциальных системах, обладая лишь относительным, а не абсолютным характером (1-й постулат СТО), а во-вторых, чтобы скорость света всегда была равная константе c и не зависела бы от движения источника или приёмника (2-й постулат СТО). Эти два утверждения-постулата и стали основой новой неклассической механики теории относительности. С одной стороны, они объясняли отрицательный результат опыта Майкельсона, посредством обобщения принципа относительности Галилея на электромагнитные и оптические явления. А с другой стороны, они упраздняли расхождение этого принципа классической механики с электродинамикой Максвелла. То есть классическая механика заменялась релятивистской механикой СТО, которая уже не противоречила теории Максвелла.
Эта релятивистская механика просуществовала с начала XX века до сего дня, на её основе делают расчёты мощных ускорителей и других высокоэнергичных агрегатов. Так что, казалось бы, неклассическая механика СТО и впрямь была выходом из кризиса. И всё же до сих пор остаются сомнения, что этот выход правильный. Это следует как из экспериментальных соображений, например, из открытия сверхсветовых движений, невозможных по СТО, так и из логических, общефизических и философских соображений. Дело в том, что теория относительности, устранив эфир, лишила электромагнитные воздействия механического носителя, ничего не предложив взамен. Электромагнитное поле осталось такой же абстрактной субстанцией, каким было до Максвелла. Более того, оно стало ещё более идеализированным, абстрактным и противоречивым, чем эфир. Введённое Эйнштейном представление о фотонах как переносчиках электромагнитных воздействий только запутало ситуацию, поскольку создавало ещё больше противоречий, чем было в концепции эфира: фотон не имел массы и обладал сразу корпускулярными и волновыми свойствами. Таким образом, можно утверждать, что теория относительности не устранила противоречия классической электродинамики, но лишь скрыла, замаскировала их посредством формальной согласующей и, в общем-то, ничем не обоснованной процедуры. Ведь ни из каких опытов или из интуитивных соображений не следовал второй постулат о независимости скорости света от движения источника и приёмника. Поэтому с точки зрения принципа Оккама [12], этот постулат, несводимый к опытному или интуитивному знанию следовало бы устранить из науки.