У истоков динамичности пространства
Принимая во внимание интерес читателей к начатому диалогу корреспондента журнала Т. Л. Мышко с С. В. Гальпериным, редакция публикует ниже текст их беседы (предыдущие материалы см.: Энергия 2005. №11; 2006. №6; 2007. №3).
– Семён Вениаминович, предложенная вами форма диалога считается полезной, по-моему, ещё со времен Сократа, но уместно ли её использование в наши дни для попыток обсуждать основы научной картины мира, притом в академических журналах?
– Если говорить о создании фундаментальных трудов в форме диалога, то появление сегодня чего-либо подобного галилеевскому «Диалогу о двух системах мира» представить себе действительно невозможно. Что же касается упоминаемого вами Сократа, то его обращённый к собеседнику императив: «Познай себя», пожалуй, в чем-то сродни моим усилиям, направленным непосредственно на активизацию вашего сознания. А публикация наших бесед на страницах вашего журнала, давая возможность его читателям осознать действие всеобщего принципа динамического равновесия во Вселенной, нисколько, на мой взгляд, не противоречит статусу научно-популярного издания.
– Вы в очередной раз упускаете из виду, что самό название нашего журнала целиком определяет его проблематику. Обращение к неоднократно упоминаемому вами принципу, наверняка, полезно для развития общего кругозора, но всё же, думаю, это, скорее, предмет для обсуждения в философских кругах.
– Не могу с вами согласиться: речь ведь идёт не о каком-то отвлечённом обсуждении, а о непосредственной осознанности того, что соблюдение динамического равновесия – необходимого и достаточного условия стабильности – требуется всегда и везде. В прошлой беседе я, помнится, обращал ваше внимание на то, что в стремлении профессионалов-экологов повсеместно сохранять экологическое равновесие выражена, по сути, основа целостности самогό мироздания – динамическое равновесие точки. Но ведь то же самое обнаруживается и в экономике – скажем, сопоставление необходимых затрат с возможностями их покрытия при освоении высоких технологий или анализ колебаний спроса и предложения на мировом рынке топливных энергоресурсов.
– Создаётся впечатление, что вы готовы всё на свете объяснить посредством одной лишь точки. Вот уже и колебания, наблюдаемые в рыночной стихии, оказываются, по-вашему, каким-то образом привязанными опять-таки к ней.
– Представьте себе, всё очень даже просто. Нетрудно видеть, что амплитуда и период – компоненты обычного механического колебания – надёжно отделяют каждый его цикл друг от друга. С точкой, само собой разумеется, оба они явно несовместимы, что подтверждается и предложенной ранее вашему вниманию формализацией её бытия в виде 1/t2 (1/с2) – я бы даже назвал такое свойство «точечностью». Однако именно здесь и обнаруживается потенциальный характер природы самих колебаний, их скрытая динамика: ведь в точке (вы, конечно, помните) начало расходящихся и конец сходящихся направлений совпадают. Поэтому и в открытых в своё время Луи де Бройлем вездесущих «волнах материи» не было ничего необычного, – они не противостояли зернистости («корпускулярности») вещества, как, впрочем, и не дополняли её. Обнаруживаемые повсеместно (социально-экономическая сфера не исключение) волны свидетельствуют о единстве мироздания и его изначальной целостности.
– Мне думается, что любых свидетельств, самих по себе, без привлечения математики, всё же недостаточно для таких обобщающих выводов.
– Это действительно так. Толкование какого бы то ни было явления вне связи его с математикой для нынешней науки лишено объективности. Однако характер такой связи, её особенности целиком историчны и волей-неволей несут на себе печать некой договорённости (конвенциональности). В конечном счёте, обусловлены они своеобразием мировосприятия научного сообщества, сложившегося на определённом этапе развития науки. Процитирую, для примера, недвусмысленно выразившего взгляды физиков ХХ века Макса Борна: «Я утверждаю, что математическое понятие точки континуума не имеет непосредственного физического смысла. Так, например, не имеет смысла говорить, что координата x точечной массы (или центра масс протяжённого тела) имеет величину, представленную в некоторых заданных единицах действительным числом, скажем, x=√2 дюйма или x=π см». Из этого краткого умозаключения ясно видно, что Борн подменяет конкретную физическую сущность («центр масс») лишь местом (координатой) на специально выделенном (ограниченном координатными осями) участке пространства, то есть полностью игнорируя равнозначность точек и равноправие направлений в нём. Я же исхожу из того (вы, вероятно, помните), что на месте абстрактной материальной точки трехмёрного пространства классической механики или точно такой же точки-события четырехмёрного пространственно-временнόго континуума Минковского-Эйнштейна обнаруживается конкретная точка – центр бесконечного множества («семейства») направлений; обратите внимание: конкретной её делает неповторимость этого множества – несовпадение с направлениями от любой другой точки. Всё это означает, что мы имеем дело вовсе не с условной – математически формализованной, а с реальной – символически выраженной точкой. Отсюда вывод, диаметрально противоположный утверждению Борна: математическое понятие точки пространства имеет непосредственный физический смысл. Надеюсь, вы убедились теперь, что несовпадения в начальных посылках, формирующих основу научного мировосприятия, прямо сказываются на характере осознания связи физики с математикой?
– Да, конечно же, убедилась, хотя считаю, что говорить сейчас о формировании новых основ научного мировосприятия всё-таки достаточно преждевременно. И ещё: при всей несовместимости представленных позиций должно же быть у них при этом какое-то общее основание?
– Конечно. К тому же оно очень простое: физика есть геометрия. Сам Эйнштейн и его последователи являлись убеждёнными сторонниками геометризации физики, но избранный ими путь отрицания физической содержательности пространства так к успеху и не привёл, создав лишь новые проблемы. Альтернативой ему служит развитие представлений Николая Кузанского о Вселенной, приведённых (надеюсь, помните) в моей статье об Эйнштейне: сфера, центр которой везде, а окружность нигде. Кстати, такие же представления, навеянные неоплатоником Плотином (III в.), не были чужды Кеплеру, Дж. Бруно, Паскалю, однако, не получив дальнейшего развития, в конце концов, вообще выпали из научного мировосприятия. Между тем, давным-давно известно, что новое – хорошо забытое старое, и если потенциальных возможностей описанной выше модели Вселенной окажется достаточно, чтобы с учётом одного лишь принципа динамического равновесия объяснить всю полноту осуществляемых в ней действий, подлинную основу геометризации физики можно будет считать установленной. Вы согласны?
– Я могла бы, возможно, согласиться, если бы мне был полностью ясен смысл ваших доводов. Например, что вы имеете в виду, упоминая «потенциальные возможности» предлагаемой модели?
– Попытаемся разобраться. Поскольку речь идёт о сфере, невозможно отрицать наличие её чёткой пространственной структуры, которую, помимо центра, представляют при нарастании порядка мерности линейный радиус, сферическая поверхность, наконец, объёмный шар. В то же время здесь полностью отсутствует какая бы то ни было статичность структурных элементов; стало быть, к такой модели невозможно применить привычные системы отсчета и пространственные меры измерения. Тем не менее, она целиком динамична.
– Мне, пока что, непонятно, откуда у вас появилась «динамичность», которая должна быть, как я понимаю, связана с силой, с энергией: ведь в самóм определении модели о ней нет ни слова!?
– Хочу вам напомнить, что в моей статье об Эйнштейне предлагалось отождествить геометрический образ Вселенной Кузанского с физически содержательным пространством, отказавшись от нынешней двусмысленности физического вакуума. И тогда в нём нетрудно обнаружить явные признаки потенциальной динамичности, которую ясно осознавал ещё Фарадей, заявлявший: «Я не мыслю ничего, кроме сил и линий, вдоль которых эти силы проявляются». А ещё вспомните обсуждаемое в наших прошлых беседах появление линий напряжённости пространства в процессе формирования фотона или при образовании электрона: действие всегда вызывает противодействие. Наконец, бытие точки пространства, предполагающее наличие бесконечной скорости, тождественной (как выявил Лосев) абсолютному покою, сразу же наводит на мысль о присущей самомý пространству энергии, связанной именно с такой формой движения.
– Ваши аргументы, не спорю, заслуживают внимания; но поскольку вы сами заявляете о неприменимости к пространству обычных процедур измерения, то оно со всей своей «динамичностью» так и останется, по-моему, «вещью в себе», интересующей, возможно, философов, но никак не физиков.
– Удивительно пессимистичный вывод, к счастью весьма далекий от реального положения дел. Ведь у нас с вами ещё в первой беседе возникло, по-моему, вполне определенное взаимопонимание, касающееся природы массы (m) и протяжённости (l), как потенциально свёрнутых в точке сосредоточенности и рассредоточенности (этим же и определяется её двойственность). Позже, как мне казалось, вы осознали ещё и возможность реального выражения бытия самой точки в формуле 1/t2(1/с2). А теперь, когда приходит пора попытаться развернуть именно эти знания вовне, вы как будто напрочь обо всём забыли.
– Возможно, я в чём-то и не права относительно своего вывода; что же касается прочих упрёков, то они совершенно напрасны: я не забыла того, что было связано с анализом светового кванта, где всё определяется действием. Но ведь сейчас вы говорите о пространстве, у которого оно отсутствует!
– Прошу великодушно меня простить: я просто не сумел вовремя попытаться представить себя на вашем месте. Поэтому будем двигаться лишь с учётом достигнутого ранее взаимопонимания, когда предметом обсуждения стала постоянная Планка (h), выражающая природу реального действия. Совершенно ясно, что пространство само по себе к нему неспособно, проявляя себя лишь в возникновении противодействия (кстати, в полном соответствии с общеизвестным третьим законом Ньютона). Но, согласитесь, ничто не мешает существованию потенциальных динамических свойств пространства в упоминаемых выше формах сферической структуры при сочетании сосредоточенности с рассредоточенностью различного порядка: для линейного радиуса это ml/t2 с размерностью г∙см/с2; для сферической поверхности — ml2/t2 (г∙см2/с2); для объёмного шара – ml3/t2 (г∙см3/с2); притом, что всё это лишь формы инобытия точки-центра, обладающей, как я уже отметил, «точечностью» 1/t2
(1/с2). Удалось ли мне после таких разъяснений изменить хоть сколько-нибудь ваше отношение к проблеме динамичности пространства?
– Что ж, конечно, могу согласиться с возможностью существования потенциальной силы (г∙см/с2) и потенциальной энергии (г∙см2/с2) пространства. Но ведь вы приписываете ему, как я поняла, и ещё одно, никем и никогда не наблюдаемое свойство. Разве это не чистейшей воды мифология?
– Что поделаешь: свойство это появляется само собой, напоминая наполненность обычного надувного шарика, хотя здесь речь будет идти о «наполненности» пространства-сферы потенциальными силовыми линиями-радиусами, что можно показать в разрезе (то есть с определённой степенью условности) на схеме (см. выше). Впрочем, объем надувного шарика при сохранении постоянства давления внутри прямо зависит от числа заполняющих его, скажем, атомов гелия, а в пространстве «наполненность» в любом объёме, создаётся, обратите внимание, одной и той же численностью потенциальных силовых линий-радиусов.
– Мне такое сравнение вообще представляется целиком надуманным. Уместно ли говорить здесь всерьёз о какой-либо «численности» линий, да ещё и считать её «одной и той же»?
– Хочу напомнить вам, что со времён Фарадея и до наших дней выражение «число линий» остаётся общепринятым при анализе явлений электричества и магнетизма. К тому же я пытался сконцентрировать ваше внимание вовсе не на каком-то конкретном числе, а лишь на строго соблюдаемом его постоянстве, выраженном как раз в конкретной численной значимости нового для вас соотношения фундаментальных мер измерения – г∙см3/с2. Отсюда вывод, что полнота физической содержательности пространства явлена в присущей ему феноменологической постоянной, которую, мне думается, в связи с этим целесообразно было бы назвать «физичностью». Драматизм, однако, в том, что хотя само это свойство проявляет себя в исследованиях естествоиспытателей ещё со времен Ньютона, фигурируя, подчас, даже в общеизвестных формулах, вышло так, что пути к его осознанию до сих пор остаются начисто перекрытыми.
— Не могу поверить, что за триста с лишним лет наука не увидела того, что, по-вашему, должно было бросаться в глаза, и лишь предпринятое вами расследование открыло миру истину.
– О каком расследовании вы толкуете? После принятия начальной посылки достаточно всего лишь придерживаться элементарной логической последовательности, что я и пытался делать в меру сил, анализируя динамичность пространства. Кстати, ваше собственное упоминание о его потенциальной энергии делает сейчас, в свою очередь, вполне логичным переход к обсуждению существования в пространстве элементарных частиц, стало быть, так или иначе, задевающих как раз его «физичность». Впрочем, сама эта проблема для нас с вами не нова: ранее довольно подробно обсуждался жизненный цикл фотона в пространстве, но там, как вы помните, между ними происходит непрерывный обмен энергией. Подлинное же «гостеприимство» пространство проявляет, лишь предоставляя «жилплощадь» частицам, способным локализовать себя в нём, или, как говорят в науке уже почти сто лет, обладающим «массой покоя». Здесь как раз и обнаруживаются следы «физичности» пространства. Так что сейчас вашему обычному выражению общего скептицизма я бы предпочёл ваши же конкретные предложения по выявлению именно таких его постояльцев.
– Представьте себе, к этому я, пожалуй, готова. По-моему, вполне подходящей кандидатурой на роль такого «постояльца» является кольцо электрона, показанное вами на схеме в конце нашей прошлой беседы. Или я не права?
– Вовсе нет, вы абсолютно правы. Электрон действительно приобретает при фоторождении форму кольца, притом, если помните, в паре с ним возникает кольцо позитрона, так что на электрон приходится лишь половина «кванта действия» – h/2. Что же касается причины устойчивости кольца, то она специально не обсуждалась, – в беседе упоминалось лишь о внутреннем динамическом равновесии как общем условии стабильности элементарных частиц. Сейчас можно уточнить: это условие обеспечивает существующее вокруг обода кольца магнитное поле, чей стягивающий эффект давно используется в науке, будь то сжатие кольцевого разряда собственным магнитным полем в тороидальной камере или удержание плазмы в определённом объёме внешним магнитным полем методом магнитной ловушки. Конечно, сама природа магнитного поля обнаруживается на микроуровне, но это требует отдельного рассмотрения. Поэтому пока что уподобим кольцо электрона простейшей кольцевой катушке, в которой возникающее при прохождении по ней электрического тока магнитное поле целиком локализуется внутри её объёма, создавая, тем самым, устойчивый стягивающий эффект.
– Но ведь такая устойчивость кольца электрона делает его независимым от пространства. В чем же тогда, по-вашему, заключается их взаимосвязь?
– А в том, что само кольцо электрона остаётся при этом вписанным в структуру пространства; это означает, что центр его становится вместе с тем центром сферы, по чьей поверхности, обладающей, как вы совершенно точно отметили, потенциальной энергией, и будет отныне строго пролегать кольцевая орбита. Но поскольку диаметр кольца (а значит и сферы), имеет вполне определённый размер, нетрудно догадаться, что столь же определённой является и величина энергии, соответствующей самόй эквипотенциальной поверхности.
– Что же получается: пространство, не признающее, как вы утверждаете, никаких систем измерения, тем не менее, оказывается измеренным?
– Да, но ведь человек со своими средствами измерения здесь не при чём: пространство, если хотите, «квантуется» самой частицей; ну это так, к слову. Сейчас важнее разобраться с диаметром кольца электрона. Найти его позволяет обращение к давно известному явлению Комптона, трактуемому, как упругое столкновение рентгеновского фотона с электроном. Определённого уточнения требует лишь рассчитываемая при этом комптоновская длина волны электрона: λе= h/mec, где h —постоянная Планка; me – масса электрона; c – скорость света; что же касается λе, то ясно, что это вовсе не длина волны, а протяжённость cамогό кольца (l). Из первой нашей беседы вы, надеюсь, помните, что ml – постоянная величина, и поскольку на кольцо электрона приходится лишь h/2, то для сохранения этого постоянства массе me должна соответствовать протяжённость l=πd, где d — диаметр кольца. Стало быть, сам по себе диаметр кольца электрона d=h/2πmec; а если так, то нетрудно преобразовать обычное выражение энергии электрона (Eк=mec2), которое в этом случае примет вид: Ек=hc/2πd.
– Конечно, приведённые расчеты впечатляют, но пока что я не вижу каких-либо путей непосредственного перехода к потенциальной энергии пространства.
– Тем не менее, по крайней мере, один путь существует, притом очень давно. Дело в том, что проводимые в первые десятилетия прошлого века спектральные исследования поведения электрона в простейших атомных системах позволили физикам обнаружить фундаментальное соотношение: 2πe2/hc≈1/137, символически обозначенное ими α (здесь е2– квадрат заряда электрона). Образованное постоянными величинами и лишённое размерности, оно было названо «постоянной тонкой структуры». Позже этой постоянной попытались найти применение, сделав её основой квантовой электродинамики, где рассматривается взаимодействие электрона с вакуумом. Однако, мне кажется, пришла, наконец, пора вспомнить, что разработавший саму теорию Ричард Фейнман откровенно назвал важнейшую операцию в ней, – перенормировку констант, – «заметанием мусора под ковёр». Так что, по существу, α остаётся неосмысленной и поныне.
– И вы, судя по всему, готовы предложить свой вариант её осмысления, связав это каким-то образом с потенциальной энергией пространства?
– Вы догадливы. Я исхожу из того, что α представляет собой отношение потенциальной энергии пространства Еп, опосредствованной кольцом электрона, к самόй его энергии движения: Eк=mec2. Доказательство такого умозаключения выглядит элементарно, поскольку мы с вами только что выяснили: Ек=hc/2πd. Отсюда Еп/Ек=Еп∙2πd/hc, но поскольку, согласно предложенному допущению, Еп/Ек=2πe2/hc, нетрудно убедиться в том, что Еп=е2/d. Так что само по себе выявление смысла α дополняется здесь ещё прямым осознанием того, что е2 г∙см3/с2 (квадрат заряда электрона) и есть та самая, не замечаемая доныне наукой, «физичность» пространства.
– Я к такому осознанию не готова: по моим представлениям заряд электрона (элементарный заряд) – свойство, которым обладает сама частица; вы же пытаетесь оторвать его от неё, как-то привязав к пространству. Согласитесь, уже одно это делает ваши выводы неприемлемыми для нынешней науки.
– Хочу напомнить вам, что понятие «заряд», возникшее ещё при изучении электростатических явлений, оказалось с прошлого века в весьма странной взаимосвязи с понятием «поле»: каждое из них определяется исключительно через другое – сама природа этих явлений с позиций нынешней науки сводится, по сути, лишь к констатации такого дуализма (он мной, вообще-то, не нарушается). Зато выявляется другое – невозможность оторвать частицу от обладающего динамичностью пространства. Это, на мой взгляд, как раз и демонстрирует проведённый анализ и полученный вывод.
– Пусть так, однако согласитесь, появление вашей гипотетической «физичности» пространства смысл самогό заряда также ничуть не прояснило.
– Но ведь это не имело прямого отношения к обсуждаемым сегодня проблемам. Кстати, вы имели возможность усвоить кое-что, связанное непосредственно с зарядом, ещё в прошлой беседе: я имею в виду наличие двух не сводимых друг к другу групп вращения в кольцах электрона и позитрона. С ними-то как раз и связано представление о существовании зарядов со знаком (+) и (—), уж это свойство оторвать от самих частиц никак невозможно. Но оно, увы, ни на йоту не приближает нас к осмыслению заряда. Всё начнёт проясняться лишь после того, как мы с вами выясним условия равновесия пары точек; кстати, на этом же пути нас ожидает разгадка гравитации и, естественно, расшифровка гравитационной постоянной. Заодно вам станет ясно, что гипотетические тёмная масса и тёмная энергия, оставляющие сегодня на долю плазмы во Вселенной всего 4%, вообще становятся лишними в картине мироздания.
– Откровенно говоря, я достаточно далека от проблем нынешней космологии. А нет ли более близкого к проблематике нашего журнала пути?
– Есть. К осмыслению заряда можно подойти и при рассмотрении неуравновешенного с пространством извне протона, образующего собственное поле. Это позволит взглянуть по-новому на особенности ионизации атома, где каждый участок околоатомного поля, создаваемый конкретным протоном, привязан именно к нему. При изучении кристаллической решётки будет, по-видимому, полезно обратить внимание на то, что ядра атомов, образующих её узлы, сами имеют весьма жёсткую структуру и могут быть поэтому смоделированы из составляющих их нуклонов с использованием обычного метода плотной упаковки. Да и вообще сама периодичность химических элементов найдёт в этом случае простое и понятное разрешение в строгой последовательности построения близкого к форме шара либо сфероида того или иного ядра. Для того, кого, к примеру, интересуют условия существования плазменного кристалла, такой подход, смею надеяться, окажется достаточно продуктивным. Думаю, нынешнее наше с вами обсуждение не просто подвигает читателей журнала на восприятие целостной картины самогó мироздания, но и выявляет конкретные направления активизации их творческой мысли при работе с отдельным атомом (ионом), то есть непосредственно в сфере нанотехнологий на самом переднем крае электроэнергетики, будь то создание новых источников энергии или же экономичное использование имеющихся.
«Энергия: экономика, техника, экология»
2008. №3. С.68—74.