Физика без камней в голове. Глава 1. О принципах научного исследования (Э. В. Серга)

Гаррингтон Эмерсон

«Правильные принципы в руках посредственных людей

оказываются сильнее случайных и бессистемных попыток гения»

Двенадцать принципов производительности [5].

1.1. Формулировка проблемы

Решение физической проблемы во многом зависит от правильности её формулировки и применяемой методологии. Исторический опыт показывает, что часто решение проблемы ищут там, где его не может быть. Один из ошибочных подходов заключается в том, что физическую проблему формально сводят к математической проблеме, в то время как некоторые факторы, влияющие на конечный результат, не учитываются. В качестве примера приведём проблему аномальных смещений перигелиев планет. Ошибка Эйнштейна и многих других исследователей, занимавшихся этой проблемой до и после него, состояла в том, что причиной эффекта считали недостаточную точность теории Ньютона и не учитывали факторы, не связанные с гравитацией.

Другим источником ошибочного подхода к решаемой проблеме являются гипотезы, которые не имеют достаточно надёжного подтверждения опытом. Получившая признание специалистов ошибочная гипотеза приобретает силу аксиомы и в последующем при появлении трудностей приводит к выдвижению новой гипотезы, её дополняющей. В результате теоретические представления об изучаемом объекте или явлении всё более удаляется от реальности.

В качестве примера можно привести современную космологию. Её исходным положением является утверждение о расширении Вселенной. Оно основано на доплеровской интерпретации красных смещений в спектрах галактик и представлении космического пространства как пустоты. В свете современных знаний о физическом (космическом) вакууме в квантовой теории поля и физике конденсированных сред это положение является устаревшим. По мнению Бриллюэна, современная космология представляет собой странную смесь наблюдений и их интерпретации, когда желаемое выдаётся за действительное и тщательный анализ подменяется фантазированием [6, с. 17]. Тем не менее, теория расширяющейся Вселенной продолжает жить и развиваться.

Ещё одним источником ошибочного подхода являются произвольные определения некоторых ненаблюдаемых величин, которые не соответствуют никаким физическим экспериментам. К ненаблюдаемым величинам относятся: кривизна пространства-времени в ОТО, скорости удаления галактик и расстояния до них в космологии, ядерные силы в теории атомного ядра, виртуальные частицы в квантовой теории поля. Между наблюдаемыми и ненаблюдаемыми величинами часто не делается различия, что приводит к парадоксам и ошибочным представлениям.

В физике для получения новых знаний широко применяется аксиоматический метод. Суть его заключается в том, что в основу теории берутся некоторые исходные положения, из которых впоследствии путём логических построений выводятся новые положения, которые рассматриваются как следствия. Эти исходные положения считаются истинными, если так считает большинство специалистов. Аксиоматические теории иногда представляют собой конгломерат достоверных знаний, проверенных опытом, и дополняющих их гипотез, недостаточно проверенных, но устраняющих трудности и образующих вместе с достоверными знаниями целостную и непротиворечивую картину описания физических процессов. При этом интерпретация наблюдательных данных и результатов экспериментов может зависеть от господствующих представлений. Таким образом, физическая теория нередко представляет собой своего рода соглашение, которого придерживается большинство специалистов.

В природе нет деления на науки. Поэтому решение проблемы в рамках одной научной дисциплины нельзя считать удовлетворительным, если при этом возникают вопросы, остающиеся без ответа в смежных областях. Важным понятием современной физики является физический вакуум. В квантовой теории поля известны вакуумные эффекты, характеризующие физический вакуум как среду, взаимодействующую с частицами и фотонами. Согласно представлениям физики конденсированных сред, вакуум можно рассматривать как квантовую жидкость, по своим свойствам подобную жидкому гелию в сверхтекучем состоянии. Однако в небесной механике и космологии физический вакуум как среда, которая должна взаимодействовать с небесными телами и фотонами, не присутствует. Но физический вакуум един как в микромире, так и в космосе. Поэтому теория вакуума должна быть единой, независимо от существующих представлений о нём в различных науках. Единая и непротиворечивая теория вакуума неизбежно приведёт к обесцениванию некоторых получивших признание теорий и научных достижений, в которых вакуум физический (он же космический) рассматривался как пустота.

Принципиально важным является вопрос о степени доверия к существующим теориям. Такой вопрос ставит, в частности, Бриллюен. Он считает, что ответ должен быть достаточно осторожным. Вот его точка зрения:

«Для всех теорий существуют ограничения, все они „хороши“ до определённой степени и в определённых границах. …Всякая теория основывается на тщательно проведенных экспериментах, однако их результаты могут быть получены только с точностью до возможных ошибок. Всегда существует возможность, что в новом эксперименте возникнет новая непредвиденная причина появления ошибок, или же то, что теория выведена слишком далеко за пределы области её применимости» [6, с.16].

Об изменении теоретических представлений в процессе развития науки говорит и академик Капица:

«Развитие науки заключается в том, что в то время как правильно установленные факты остаются незыблемыми, теории постоянно изменяются, расширяются, совершенствуются и уточняются. В процессе этого развития мы неуклонно приближаемся к истинной картине окружающей нас природы, понимание которой необходимо для того, чтобы всё более полно овладевать и управлять этой природой» [7, с.18].

И, наконец, необходимо учитывать так называемый человеческий фактор, т.е. субъективное отношение учёного к существующим теориям и опытным данным, новым идеям и результатам, а также используемым при этом методам. Для сведения к минимуму влияния субъективных факторов на результат исследования необходимо применять правила формальной логики. В случае проверки соответствия фундаментальной теории опытным данным следует использовать только наблюдаемые величины, надёжно проверенные теории и объективные критерии, выраженные в научных понятиях и числовых характеристиках, используемых, например, в теории вероятностей.

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)

1

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.

1.3. Этапы решения научной проблемы

Мотивация исследователей, занимающихся решением научных проблем, может быть различной. Это может быть связано с выполнением служебных обязанностей или личным интересом учёного к данной проблеме и творческой потребностью в её решении, независимо от каких-либо обязанностей и материальных стимулов. При этом одно не исключает другого. Известны случаи, когда исследования, выполняемые вначале в инициативном порядке, в последующем признавались общественно значимыми и получали необходимую поддержку руководства.

В конце 40-х годов ХХ века в НИИ-4 МО была создана группа под руководством Михаила Тихонравова, которая занималась разработкой математического обеспечения пусков баллистических ракет. В инициативном порядке группа стала заниматься также проблемой создания искусственных спутников Земли. Эти исследования не получили поддержку руководства института, как не имеющие конкретной области применения и отвлекающие сотрудников от выполнения основных обязанностей. Однако группа Тихонравова не прекратила работы по ИСЗ. В 1954 г. в АН СССР состоялось совещание, на котором рассматривался вопрос о том, нужны ли будут в будущем ИСЗ и надо ли развёртывать работы по их созданию. Мнения участников совещания разделились, так как перспективы применения ИСЗ тогда явно не просматривались. Решающим оказалось мнение академика Петра Капицы. Он сказал, что на основе существующих в данное время представлений трудно предвидеть области применения ИСЗ. Но, как показывает исторический опыт, научно-технические достижения такого уровня впоследствии находят различные области применения. Поэтому работы по созданию ИСЗ следует развёртывать.

В результате было принято решение рекомендовать развёртывание в стране работ по созданию ИСЗ. Выполненные группой Тихонравова в инициативном порядке исследования были востребованы. В октябре 1957 г. был выведен на орбиту первый в мире ИСЗ. Так началась космическая эра.

В качестве второго примера можно привести работу Эйнштейна в области создания единой теории поля. Он занимался этой проблемой вторую половину своей жизни, почти 4 десятилетия. Что заставляло учёного, обладающего мировой славой и не имеющего каких-либо материальных проблем, долго и упорно заниматься этой трудной проблемой, которая так и не была им решена? Как и в первом примере, эта мотивация обусловлена, по-видимому, свойством характера, которое отличает творческую личность от наёмного работника. Приступив к решению проблемы, такие учёные уже не могут остановиться и готовы трудиться, пока проблема не будет решена и результаты востребованы. Таким образом, можно утверждать, что мотивация учёного решить научную проблему не всегда связана с материальными стимулами, а может быть обусловлена творческой потребностью.

В решении научной проблемы важную роль играет методология, т.е. общие принципы, которыми руководствуется учёный. Причины неудач обычно связаны с используемой основополагающей идеей решения проблемы, а также тем, что называем камнями в голове. В поисках истины учёный может пойти по ложному пути и тогда теряется время, напрасно тратятся силы. Каждая проблема должна быть разбита на отдельные этапы, а в этапах предусмотрены простые положения (высказывания), истинность которых следует научно обосновать. Это позволит учёному правильно ориентироваться в определении пути решения проблемы. В общем случае можно выделить следующие основные этапы решения научной проблемы:

постановка задачи;

обоснование гипотезы, которая может быть положена в основу решения проблемы;

проверка гипотезы.

Дадим необходимые пояснения каждому из этапов.

Постановка задачи включает обобщение имеющихся данных по проблеме, анализ противоречий и обоснование требований к решению, которое позволит устранить противоречия.

Обоснование гипотезы. Этот этап часто состоит в поиске нового возможного решения, устраняющего имеющиеся противоречия. Это предполагаемое решение часто основано на идее, противоречащей существующим представлениям. Основная причина многочисленных неудач в решении научных проблем состоит именно в ошибочности изначально принятой идеи, положенной в основу предполагаемого решения.

Проверка гипотезы. Возможны различные способы проверки гипотезы, включая мысленный эксперимент, математическое моделирование, натурный эксперимент. Использование одного из методов, не означает отсутствие необходимости использования других методов. При этом должны быть определены объективные критерии оценки достоверности данных проверки.

Следует отметить, что решение отдельно взятой научной проблемы означает, как правило, появление новой проблемы, которую необходимо решить. В природе всё взаимосвязано, в ней нет деления на науки как в современном естествознании. Поэтому научную проблему нельзя считать окончательно решённой, если в результате такого решения возникают вопросы, на которые нет ответа в смежных областях науки.

Рассмотрим приведенные этапы решения научной проблемы на конкретных примерах, а именно, аномальных смещений перигелиев планет и управляемого термоядерного синтеза.

Аномальные смещения перигелиев планет.

Постановка задачи. Анализ состояния проблемы был выполнен ранее. В теории Эйнштейна было дано объяснение смещения только для Меркурия Для других планет предсказания теории не подтверждаются данными наблюдений. Требования к решению, которое может устранить имеющиеся противоречия состоит в следующем: удовлетворительная теория должна объяснить аномальные смещения для Меркурия и Марса, т.е. двух планет, у которых погрешности измерений приемлемы для анализа.

Обоснование гипотезы. Поиск решения проблемы состоит в определении и анализе ранее не учтённых факторов, которые могут объяснить смещения в рамках теории Ньютона. Прежде всего, следует обратить внимание на определение факторов, о которых не знал Эйнштейн, когда занимался этой проблемой, а также не знали другие исследователи, пытавшиеся решить проблему до Эйнштейна.

Одним из таких факторов является новое знание о физическом (космическом) вакууме, который является материальной средой, а не пустотой, как у Эйнштейна. Согласно представлениям физики конденсированных сред, вакуум можно рассматривать как квантовую жидкость, состоящую из двух компонент: невозбуждённой сверхтекучей и возбуждённой, обладающей свойствами, присущими обычным жидкостям, включая вязкость. Наличие вязкой компоненты вакуума должно было бы привести к движению планеты по свёртывающейся спирали и, в конечном счёте, её падению на Солнце. Но кроме влияния вакуума на планеты действуют и другие возмущения, из которых наиболее сильными являются гравитационные возмущения от других планет. Совокупное влияние всех возмущающих факторов обеспечивает устойчивость планетных орбит. Но при этом могут изменяться параметры орбит, которые не влияют на их устойчивость, в частности долгота перигелия.

Однако влияние вязкой компоненты вакуума не должно привести к вековому смещению перигелия планеты. Это связано с тем, что планеты движутся почти по круговым орбитам. При этом возмущающая сила во время движения меняет своё направление так, что при круговом движении планеты работа по замкнутому контуру (за один оборот) будет равна нулю. Тогда могут наблюдаться только периодические колебания долготы перигелия относительно среднего значения. А мы наблюдаем его вековое смещение. Следовательно, должен быть ещё какой-то фактор, который вместе с сопротивлением вакуума вызывает вековое смещение перигелия планеты. Как показал анализ, таким фактором оказалось движение Солнца (вместе с планетами) в космическом пространстве. Совместное влияние возбуждённой компоненты вакуума и движения Солнца приводит к образованию возмущающей силы, котjрая получила название космического ветра [9]. Направление силы, создаваемой космическим ветром, остаётся неизменным, что позволяет объяснить вековое смещение долготы перигелия.

Проверка гипотезы. Этот этап состоял в математическом моделировании движения планет с учётом указанных возмущающих факторов: наличия в вакууме возбуждённой компоненты и движения Солнца в космическом пространстве. При этом результаты расчётов должны соответствовать данным наблюдений для Меркурия и Марса. Использовалась следующая схема проверки. Путём решения краевой задачи была определена эффективная плотность вакуума (ЭПВ) на орбите Меркурия, при которой расчётное смещение перигелия соответствовало наблюдаемому значению. С учётом полученной ЭПВ для орбиты Меркурия была теоретически определена ЭПВ для орбиты Марса и с этим значением было рассчитано смещение для Марса. Таким образом, результаты расчёта смещения для Марса с теоретически определённым значением ЭПВ можно рассматривать как тест на проверку правильности теории. Результаты расчётов показали хорошее согласование теоретического и наблюдаемого смещения для Марса. Система уравнений для расчёта смещений перигелия планет с учётом указанных возмущающих факторов дана в параграфе 3.2.

Управляемый термоядерный синтез.

Постановка задачи. Согласно представлениям современной физики, ядерные реакции сопровождаются выделением энергии, включая реакции деления и синтеза. При этом, как следует из теории, в реакции слияния ядер дейтерия и трития, которую хотят осуществить в термоядерном реакторе, выделяемая на один нуклон энергия должна в 4 раза превышать аналогичную энергию в реакциях деления ядер урана. Проблема термоядерного синтеза до настоящего времени не решена. Энергию, получаемую по формуле Эйнштейна E = mc², не удаётся получить в действующем устройстве. В качестве основной причины неудач специалисты называют сложность проблемы, не подвергая сомнению ошибочность самой идеи.

Эту проблему следует рассматривать в различных аспектах. С философской точки зрения сама идея получения энергии путём термоядерного синтеза лёгких ядер является сомнительной. Реакции деления и синтеза – противоположно направленные процессы. Отсюда следует, что если реакции деления сопровождаются выделением энергии, то в реакциях синтеза должно происходить поглощение энергии. Это философское умозаключение подтверждает и многолетний опыт неудач экспериментально доказать возможность получения положительного баланса энергии в результате термоядерного синтеза.

Не менее важно и то обстоятельство, что толкование формулы E = mc² как принципа эквивалентности массы и энергии нарушает фундаментальные законы сохранения материи и энергии. Суть противоречия заключается в следующем. В реакции, которую хотят осуществить в термоядерном реакторе, происходит уменьшение массы продуктов реакции на величину, которая, согласно формуле Эйнштейна, эквивалентна энергии 17.6 Мэв. Но в этой реакции, как и в других ядерных реакциях, количество нуклонов и их массы остаются неизменными. Это означает, что ядерная материя не превращается в энергию, как это формально следует из формулы E = mc². Тогда единственным источником энергии на выходе термоядерного реактора будет энергия, поступающая на его вход. С учётом неизбежных потерь в устройстве энергия на выходе реактора будет меньше, чем энергия на входе.

Обоснование гипотезы. Поиск решения, устраняющего противоречия, заключается в объяснении причины изменения массы продуктов ядерных реакций, которая не связана с превращением ядерной материи в энергию. Эта причина состоит в том, что в ядерных реакциях происходит превращение одного вида энергии в другой вид энергии при строгом соблюдении законов сохранения материи и энергии. В рассматриваемом случае из поля зрения физиков выпала потенциальная энергия, т.е. энергия поля, образованного взаимодействующими частицами ядра. Энергия поля может быть положительной как энергия сил притяжения (энергия связи) и отрицательной как энергия сил отталкивания. Этой энергии поля эквивалентна масса. Следовательно масса ядра включает в себя массу нуклонов и полевую массу. В ядерных реакциях происходит только изменение энергии поля и эквивалентной ей полевой массы, которое ошибочно принимают за изменение массы ядерной материи, т.е. превращение её в энергию.

Проверка гипотезы. Проверка заключается в количественной оценке изменения полевой массы в ядерных реакциях, которая обусловлена изменением энергии поля, т.е. не связана с превращением ядерной материи в энергию. Рассматривается реакция деления ядра изотопа урана U-235. В этой реакции образуются осколочные ядра, которые разлетаются под действием кулоновского ускорения. При этом высвобождается внутренняя потенциальная энергия ядра, которая переходит в кинетическую энергию разлетающихся осколков. Высвобождаемую потенциальную энергию можно определить теоретически, зная заряды осколков и расстояние между ними. Кинетическая энергия осколков известна по данным измерений. Она составляет ≈ 90% энергии мгновенного излучения, остальная часть энергии приходится на ускорение нейтронов и гамма-излучение. Таким образом, происходит превращение одного вида энергии в другой вид энергии, а именно, превращение внутренней потенциальной энергии ядра во внешнюю кинетическую энергию осколков.

В термоядерном реакторе должен происходить противоположно направленный процесс, а именно, превращение внешней кинетической энергии сталкивающихся ядер дейтерия и трития во внутреннюю потенциальную энергию образующегося ядра гелия. Эта потенциальная энергия является отрицательной как энергия сил отталкивания. Соответственно является отрицательной полевая масса, изменение которой ошибочно принимают за превращения ядерной материи в энергию. Таким образом, положительного баланса между получаемой на выходе реактора и потребляемой энергии в принципе быть не может. Более подробно этот вопрос рассмотрен в главе 5.

Приведенные примеры показывают, что физику нельзя рассматривать как самодостаточную науку, вне её связи с философией, формальной логикой и другими научными дисциплинами. Отдельно следует отметить связь физики с опытом, так как толкование опытных данных может быть неоднозначным и даже ошибочным. Вот что писал по этому поводу Эйнштейн:

«Опыт никогда не скажет теории «да», но в лучшем случае «может быть», большей же частью – просто «нет». Когда опыт говорит теории «да», для неё это означает «может быть»; когда же он противоречит ей – объявляется приговор «нет» [51].

Выделение огромной энергии при делении ядер в реакторах на урановом топливе и при взрыве атомных бомб физики рассматривали как опытное подтверждение формулы Эйнштейна E = mc², т.е. превращение ядерной материи в энергию. Эта формула является основополагающей в ядерной энергетике, включая концепцию получения энергии путём термоядерного синтеза. Многолетние безуспешные попытки создания термоядерного реактора являются расплатой за слепую веру в теорию Эйнштейна и ошибочное толкование опытных данных, которые, как полагали её приверженцы, подтверждают эту теорию.

1.4. Об использовании опыта выдающихся учёных

В параграфе приводятся сведения о выдающихся учёных, идеи и результаты которых были использованы автором. Большую ценность представляют их размышления и высказывания о методе познания, восприятии новых идей и результатов в научной среде, трудностях продвижения новых идей и научных достижений. В ходе исследований полезно периодически обращаться к философским и методологическим работам и выступлениям классиков науки. Некоторые мысли выдающихся учёных оставляют прочный след в памяти, другие кажутся менее значимыми и забываются. Впоследствии при работе над какой-нибудь проблемой из глубины сознания приходит нужное решение. Кажется, что решение пришло само по себе, независимо от прочитанного ранее. Потом нередко оказывается, что оно созрело в сознании по ассоциации с тем, что прочитал у кого-то из классиков.

Иногда обращение к работам и высказываниям классиков помогает утвердиться в правильности своих выводов. Например, когда я пришёл к выводу о том, что идея получения энергии путём термоядерного синтеза является ошибочной, то был в смятении. Получилось, что я дилетант прав, а Эйнштейн и его последователи не правы. Но мне попалась в руки книга о жизни Николы Теслы, в которой говорится, что Тесла высмеивал убеждение в том, что энергию можно получать из материи, как это следует из толкования соотношения Эйнштейна E = mc². Но я располагал опытными данными, которые не были известны во времена Теслы. Они показали, что прав был Тесла, а не Эйнштейн. В ядерных реакциях изменяется масса, эквивалентная энергии поля, которую ошибочно принимают за изменение массы ядерной материи.

Ознакомление с оригинальными работами выдающихся учёных прошлого необходимо также потому, что нередко изложение результатов этих работ в специальной литературе, учебных пособиях и популярных изданиях не полностью или недостаточно точно отражает то, что было в первоисточнике. Толкователи работ выдающихся учёных часто излагают их содержание в своём понимании и в своей редакции.

Галилео Галилей (1564 – 16420

Эйнштейн назвал Галилея отцом современной физики и, фактически, отцом современного естествознания вообще. Галилей в 1632 г. открыл закон инерции, который затем был сформулирован Ньютоном как первый закон механики. Он является частным случаем закона сохранения количества движения системы.

Изучая ускорение свободно падающего тела, Галилей усомнился в утверждении Аристотеля, согласно которому скорость свободно падающего тела пропорциональна его весу. Проведя мысленный эксперимент, Галилей пришел к выводу об ошибочности этого утверждения путем следующих рассуждений. Согласно учению Аристотеля более тяжёлое тело должно падать на землю быстрее, чем более лёгкое. Тогда как будут вести себя оба тела, если их соединить? Вместе они образуют более тяжёлое тело и поэтому должны падать ещё быстрее, чем тяжёлое тело. Но лёгкое тело при падении должно замедлять скорость падения тяжёлого тела, и тогда скорость падения связки из двух тел должна быть меньше, чем скорость падения тяжёлого тела. Единственный выход из этого тупика – предположить, что оба тела должны падать на землю с одинаковой скоростью. Галилей проделал опыт. Он взял пушечное ядро и мушкетную пулю и сбросил их с высоты примерно 60 м. Оба тела достигли поверхности одновременно. Теория Аристотеля потерпела поражение. Это классический пример получения нового научного результата путём логических построений.

Логика рассуждений Галилея навела автора на мысль о возможности проведения эксперимента по проверке влияния космического вакуума на движение небесных тел. Согласно физике конденсированных сред, вакуум можно рассматривать как квантовую жидкость, состоящую из двух компонент: невозбуждённой сверхтекучей и возбуждённой, обладающей плотностью. Идея эксперимента состоит в следующем. Нужно два спутника с различным диаметром вывести в одну точку орбиты, т.е. обеспечить им одинаковые начальные условия движения, как и в опыте Галилея. Тогда вследствие различной силы сопротивления вакуума как материальной среды спутники будут взаимно удаляться. Это можно проверить путем точных измерений. Автором была разработана и предложена схема эксперимента [1, 2, 19].

Исаак Ньютон (1642 – 1727)

Механика Ньютона не отождествляет инертную и гравитационную массы, как это сделано в общей теории относительности. Принято считать, что между гравитационными массами могут быть только силы притяжения. Однако закон всемирного тяготения Ньютона не накладывает каких-либо ограничений на знак гравитационной массы, которую можно считать гравитационным зарядом, подобно электрическому заряду в законе Кулона. Эти законы математически тождественны и обладают симметрией относительно сил притяжения и отталкивания в зависимости от знаков зарядов. При этом инертная масса может быть только положительной, как это следует из второго закона механики Ньютона. Согласно этому закону, тело приобретает ускорение в направлении действующей силы, независимо от природы этой силы. Таким образом, законы Ньютона допускают симметрию гравитационных взаимодействий, т.е. не отрицают антигравитацию как возможную физическую реальность.

Третий закон механики Ньютона (действие равно противодействию) вполне определенно объясняет природу сил инерции, возникающих в космическом вакууме при ускоренном движении небесных тел, если вакуум не отождествлять с пустотой. Путаница и неопределенность в понимании сил инерции в настоящее время связана с устаревшими представлениями о физическом вакууме (эфире), в отношении которого нет единого понимания среди специалистов различных областей науки (небесной механики, физики конденсированных сред, квантовой теории поля).

Рационалистическому мышлению Ньютона была совершенно чужда идея воздействия гравитации через абсолютную пустоту. Для Ньютона эфир, заполняющий мировое пространство, был аналогом обычных реальных жидкостей, обладающих текучестью, упругостью и вязкостью, что как раз и приводило к сомнению в существовании эфира: его предполагаемая вязкость несовместима с наблюдаемым регулярным незатухающим движением небесных тел. Несовместимость свойств эфира с представлениями о том, как должна вести себя обычная жидкость, возникла после опытов Майкельсона и оказалась настолько серьезной, что заставила многих физиков усомниться в существовании эфира.

Концепция эфира поначалу была отвергнута Эйнштейном в специальной теории относительности (СТО). В своих ранних работах он неоднократно подчеркивал несовместимость своей теории с концепцией эфира. Однако впоследствии в общей теории относительности (ОТО) Эйнштейн признал существование эфира, так как полевые уравнения новой теории «повисали в пустоте», ранее постулированной автором. Однако при этом СТО не была подвергнута пересмотру с учетом новых представлений об эфире. Путаница и неопределенность в представлении об эфире проявляется в отсутствии единого понимания сущности вакуума представителями различных наук. Вакуум «включают» в теорию, когда он нужен и «выключают», когда он не нужен. В настоящее время точно установлено, что физический вакуум – это не пустота, а материальная среда, которая, согласно физике конденсированных сред, представляет собой квантовую жидкость, состоящую из двух компонент: сверхтекучей и вязкой.

Автором показано, что теория Ньютона применима не только в масштабах космоса¸ но также применима и в масштабах микромира. Принято считать, что в масштабах микромира силы гравитации ничтожно малы, и их можно не учитывать. Однако закон Ньютона не накладывает ограничения на величину силы гравитации, подобно тому, как закон Кулона не накладывает ограничения на силу кулоновского взаимодействия электрических зарядов, если расстояние между ними стремится к нулю. Ограничения на величину силы гравитации может быть наложено только условиями квантования. Следовательно, должен быть гравитационный аналог комптоновской длины волны как наименьшего расстояния в электромагнитных взаимодействиях. Применимость закона Ньютона в масштабах микромира показана автором на примере строения дейтрона как простейшего составного ядра.

Пьер-Симон Лаплас (1749 – 1827)

Лаплас развил методы небесной механики на основе закона всемирного тяготения Ньютона. Он доказал, что этот закон полностью объясняет движение планет. Из теоремы Лапласа об устойчивости Солнечной системы следует, что возмущающие факторы не вызывают вековых изменений параметров орбит, влияющих на их устойчивость. Эти параметры совершают колебания относительно средних значений. Изменения претерпевают параметры орбит, не влияющие на их устойчивость. Это положение было использовано автором при оценке влияния космического вакуума как материальной среды на движение планет, а именно, на смещение долготы перигелиев Меркурия и Марса – двух планет, у которых погрешности наблюдений приемлемы для анализа.

Влияние космического вакуума как среды происходит на фоне более сильных гравитационных возмущений от других планет, и оно может быть причиной векового смещения перигелиев планет. Тогда аномальное смещение перигелия Меркурия и других планет можно объяснить влиянием вакуума в рамках теории Ньютона, если учесть факторы, которые ранее не были известны Эйнштейну и другим исследователям, занимавшимся этой проблемой. Это свойства вакуума как материальной среды и движение Солнца в космическом пространстве. Совокупное влияние этих возмущающих факторов приводит к возникновению космического ветра, который, как показано автором, вызывает вековое изменение долготы перигелиев планет.

Другой полученный Лапласом и использованный автором результат связан с определением скорости распространения гравитации. Нижний предел был установлен Лапласом в 1787 г. Исследовав причины векового ускорения Луны, он сделал вывод о том, что скорость гравитации υ_g не менее чем в 50 млн. раз превышает скорость света. Следует отметить, что здесь важна не точность полученной Лапласом величины υ_g, а обоснование того, что скорость гравитации на много порядков превышает скорость света. Если учесть, что весь опыт расчётов положения планет в небесной механике базируется на статической формуле Ньютона, подразумевающей бесконечную скорость гравитации, следует считать оценку Лапласа более верной, нежели постулированное Эйнштейном значение υ_g, равное скорости света.

Джеймс Клерк Максвелл (1831 – 1879)

Максвелл был убежден в существовании материальной среды, через которую распространяются взаимодействия между телами. Вот, что он писал в своем Трактате об электричестве и магнетизме:

«Во всех теориях естественно встает вопрос: если нечто передается от одной частицы к другой на расстоянии, то каково его состояние после того, как оно покинуло одну частицу, но еще не достигло другой? Если это нечто есть потенциальная энергия двух частиц, как в теории Неймана, то, как мы можем понять существование этой энергии в точке пространства, не совпадающей ни с той, ни с другой частицей? Действительно, как бы энергия не передавалась от одного тела к другому во времени, должна существовать среда, в которой находится энергия, после того, как она покинула одно тело, но еще не достигла другого, ибо энергия, как отмечал Торичелли, есть квинтэссенция такой тонкой природы, что она не может содержаться в каком-либо сосуде, кроме как в самой сокровенной субстанции материальных вещей. Следовательно, все эти теории ведут к понятию среды, в которой имеет место распространение, и если мы примем эту гипотезу, я думаю, она должна занять выдающееся место в наших исследованиях и следует попытаться построить мысленное представление её действия во всех подробностях; это и являлось моей постоянной целью в настоящем трактате» [13, с. 380].

Логика умозаключений Максвелла о существовании материальной среды как переносчика взаимодействий между телами соответствует современным знаниям о физическом вакууме, материальность которого проявляется в вакуумных эффектах квантовой теории поля и существовании квантовых жидкостей, известных в физике конденсированных сред. Эти жидкости по своим свойствам подобны свойствам физического вакуума. Современные представления физики конденсированных сред позволяют объяснить сочетание в физическом вакууме свойств пустого пространства и плотной упругой среды.

Генрих Герц (1857 – 1894)

.Одно из основных достижений учёного – экспериментальное подтверждение электромагнитной теории света Джеймса Максвелла. Герц построил электродинамику движущихся тел. В книге «Принципы механики» (1894) он дал вывод общих теорем механики и её математического аппарата, исходя из единого принципа (принцип Герца).

Особенно следует отметить, что Герц наиболее близко подошел к пониманию природы сил инерции. В своей механике он связывает силы инерции с мировым эфиром, частицам которого приписывает свойства обычной инертной материи [14]. Как и Максвелл, он связывал действие сил на расстоянии с процессами, происходящими в мировом эфире. Впоследствии это положение было отвергнуто академической наукой, так как вошло в противоречие со специальной теорией относительности, несовместимой с концепцией эфира. Однако теория Эйнштейна не внесла ясности в представления о природе сил инерции, а попытки втиснуть релятивистские воззрения в рамки классической механики ещё более запутали этот вопрос.

Важно отметить, что после создания теории относительности появились данные, подтверждающие предвидение Герца о свойствах эфира как материальной среды. К ним относятся различные вакуумные эффекты, в которых эфир (вакуум физический) проявляет себя как материальная среда. Открытие явления сверхтекучести жидкого гелия (Капица, 1938) положило начало новому направлению – физике конденсированных сред. Оказалось, что сверхтекучий жидкий гелий можно рассматривать как аналог физического вакуума. Важным, но ещё не совсем осознанным современной наукой следствием теории Герца, является то, что движение материальных тел в вакууме отличается от движения в пустом пространстве. Это относится, в частности, к небесной механике и современной космологии.

Конец ознакомительного фрагмента.