Философия и теория «Единого поля Вселенной»

Изучая излучение различных газов заполняющих разрядную трубку, Дж. Дж. Томсон, установил, что независимо от состава газа в разряде участвуют одинаковые мельчайшие частицы, имеющие отрицательный электрический заряд. Томсон доказал, что все частицы, образующие катодные лучи, обладают одинаковым отношением заряда к массе, тождественны друг другу и входят в состав вещества. Частица была названа электроном. Результаты опытов, начатых в 1895 году, Дж. Томсон опубликовал в 1897 г. в октябрьском номере журнала «Philosophical Magazine». Установка Томсона представляла подобие трубки электронного осциллографа с одной парой пластин [16, с. 153]. Катодные лучи, исходившие из катода, ускорялись в пространстве между катодом и анодом, проходили через щель в аноде и между двумя параллельными пластинами конденсатора, ударялись об экран. Если напряжение на пластины не подавалось, то катодные лучи проходили до флюоресцирующего экрана по прямой линии. Когда на пластинах имелась разность потенциалов, лучи отклонялись, след на экране смещался, его можно было измерить. Первые снимки треков отдельных электронов были получены в туманной камере, созданной Ч. Вильсоном.

Рассуждая о природе катодных лучей, большая часть немецких ученых склонилась к мнению, что они наблюдают явление колебаний или токов в некоей гипотетической невесомой среде, в которой распространяется данное излучение. Ученые Ф. Ленард и В. Бьеркнес выступали в 1896 г. с идеей о том, что катодные лучи – это в некотором роде «эфирное распространение, которое не зависит от материи» [17, с. 417]. В то время большинство английских физиков поддерживало гипотезу о заряженных частицах (молекулах), По результатам исследований электрических разрядов в газах ученые пришли к мнению, что электроны, представляют общую для всех атомов составную часть. В 1898 г. Дж. Томсон заявил: «Катодные лучи представляют собой новое состояние материи, состояние, в котором делимость материи идет много дальше, чем в случае обычного газообразного состояния». Эта материя представляет собой вещество, из которого построены все химические элементы [18, с. 12]. Начав научную деятельность в качестве математика, Томсон до конца жизни не принял идей квантовой теории. Работы английского ученого основывались на представлениях классической физики. Он предложил модель атома и создал теорию рассеяния рентгеновских лучей. М. Борн принизил вклад оппонента в науку, обронив, что если Томсон и стал ведущей фигурой в экспериментальной физике, это не означает, что непосредственно в экспериментальной технике он был исключительно силен [19]. До открытия электрона ученые во всем мире предполагали, что атом является неделимым. Излучения различных газов, показало, что независимо от состава газа, заполняющего трубку, в результате разряда образуются одинаковые мельчайшие частицы, у которых отрицательный электрический заряд.

В 1896 г. П. Зееман обнаружил, что спектральные линии расщепляются, если источник света с линейчатым спектром (например, газоразрядная трубка или вакуумная дуга) помещается в магнитное поле с напряженностью 10000—15000 Гс [20, с. 596]. Смещение линий было незначительным. При наблюдении перпендикулярно к полю линии расщеплялись на три составляющих, при наблюдении вдоль поля – на две. Разрабатывая в 1895 году электронную теорию материи, Г. А. Лоренц высказал гипотезу, что спектральные линии излучаются электронами, колеблющимися внутри атомов [21, с. 153]. Магнитное поле действует на движущиеся электроны. Следовательно, магнитное поле действует и на спектральные линии. Исследование расщепления энергетических уровней атомов в электрическом и магнитном полях воспринимались, как важные подтверждения справедливости основных положений квантовой теории. В области прикладных исследований обнаружили, что многие результаты теории оказываются малопригодными для конкретных расчетов, либо несовершенными [22].

Необычная природа элементарных частиц заключалось в установлении того факта, что каждая частица имеет определенный внутренний спин. На английском языке «to spin» означает «вращаться волчком». В 1925 г. Гаудсмит С. А. и Уленбек Г. Е. предложили гипотезу: электрон в атоме «вращается» вокруг своей оси, в результате чего он обладает собственным угловым моментом, который и был назван спином. Ученые, основываясь на спектральных данных, приписали электрону магнитный момент и «спин» (момент вращения) – две величины, связанные с константой Планка. Получалось, что электроны вращаются не только вокруг ядра, но и вокруг собственных осей [3, с. 242]. В. Паули отвергал идею вращающегося электрона. Он указывал, что скорость поверхности такого электрона должна быть больше скорости света (с) [23]. Позже Паули ввел спин в квантовую механику, исключив толкование этой величины. «Принцип исключения», установленный В. Паули утверждает: «В атоме никогда не может быть двух или нескольких эквивалентных электронов, для которых в сильных полях значения всех квантовых чисел n, k1, k2, m1 совпадают» [24]. Если в атоме есть электрон, для которого эти квантовые числа во внешнем поле имеют определенные значения, то это состояние «занято». Умозаключение не имело аргументации: «Мы не можем более подробно обосновать это правило, однако оно выглядит само по себе очень естественным».

В марте 1926 г. С. Гаудсмит получил письмо от Л. Г. Томаса, проживавшего в г. Копенгаген, который написал: «Я полагаю, что тебе и Уленбеку очень повезло, что ваша работа о вращающемся электроне была опубликована и обсуждена до того, как об этом услышал Паули. Похоже, что Крониг более года назад думал о вращающемся электроне и что-то разработал по этому вопросу. Первый человек, которому он это показал, был Паули. Паули высмеял все дело до такой степени, что первый человек стал и последним, и никто больше об этом ничего не услышал» [25]. Крониг вернулся в Колумбийский университет и опубликовал в «Nature» и «Proceedings of the National Academy» работу, в которой он попытался показать, что гипотеза спина не может быть правильной. Его первое возражение было таким же, которое ранее выдвинул Лоренц: истолкование спина приводит к невозможной модели электрона в классике. В атоме может содержаться большое число электронов. Вторым возражением было то, что гипотеза не корректным образом предсказывала большой магнитный момент.

Согласно представлениям датского физика-теоретика Н. Бора, атом каждого элемента состоит из ядра, которое обладает положительным электрическим зарядом. В нем сосредоточена большая часть массы атома. По сравнению с размерами диаметра ядра, электроны, обладающие отрицательными зарядами и одинаковой массой, движутся вокруг ядра на очень больших расстояниях [26]. Немецкий физик М. Лауэ к недостатку теории устройства атома относит системную ошибку. Н. Бор применял классическую и релятивистскую механику для определения орбит электронов, после чего, без всякой внутренней связи с определениями, исключал большинство орбит, как не удовлетворяющих квантовым условиям [27, с. 160]. По мнению Лауэ, математика в квантовой механике применяется с большим мастерством, но ее физическое содержание до сих пор не вполне ясно. Его смущало, что она опирается на результаты спектроскопии, в измерениях которой достигается совершенно необычная для физики точность, превосходящая точность знаменитых астрономических измерений.

Хроническая слабость теории атома – отсутствие доказательства источника энергии заставляющей электрон непрерывно вращаться вокруг положительного ядра. Отсутствует и причина, для совершения данного действия. В дополнение к недоказанному эпизоду теории на электрон возложили новое обязательство – спин, вращаться вокруг своей оси, т. е. совершать дополнительное движение в веществе. Теория умалчивает о том, почему электроны не падают на ядро и не расходуют энергию на движение, преодолевая электрическое сопротивление вещества. Если использовать волюнтаристские методы, всегда можно сочинить любую наперед заданную закономерность. Большой знаток электричества, Н. Тесла, не считал знание его свойств полным и предполагал их открыть в будущем: «День, когда мы точно узнаем, что такое электричество, вероятно, станет еще более величайшим событием в летописи человечества, чем любое другое происшествие, отраженное в нашей истории» [28]. В науке значение имеет не только эксперимент, но и как ученые интерпретируют результаты опытов. Исследователи не редко допускают опрометчивое истолкование результатов исследований по причине поспешности и субъективности умозаключений.

3. Волновое уравнение электрона

Квантовые условия в механике электронов оставались элементом, не достигшим абсолютного признания. В 1924 году Луи де Бройль попытался распространить во Франции идею волнового и корпускулярного дуализма. Соотношение между частотой и энергией, введенное Эйнштейном на основе теории фотонов, навело де Бройля на размышление, что этот дуализм излучения неразрывно связан с самим существованием квантов. Двойственность такого типа обнаруживалась везде, где появлялась постоянная Планка. Теория световых квантов, по мнению де Бройля, не может рассматриваться как удовлетворительная, потому что она определяет энергию световой корпускулы выражением Е = hν, в котором фигурирует частота ν. Корпускулярная теория не содержит никакого элемента, позволяющего определять частоту. Размышляя о трудностях, французский ученый пришел к следующей идее: «Необходимо как для вещества, так и для излучения, в частности для света, ввести одновременно понятие частицы и понятие волны» [29]. Возникла мысль, что не только электрон, но и вообще материальные частицы обладают такими свойствами. Пытаясь приблизить основные положения квантовой механики к релятивистской точке зрения, де Бройль объясняет теорию Бора с помощью представлений о волнах материи. Он утверждает, что некоторая волна материи может соответствовать движению электрона, как движению светового кванта соответствует световая волна. Когда нет экспериментальных доказательств, наделение электрона волновыми свойствами является псевдонаучным. Умозрительная модель противоречит представлению об электроне, как электрически заряженной материальной точке, подчиненной классическим законам электродинамики.

П. Дирак исследовал уравнения движения Гейзенберга и движение свободного электрона согласно волновой теории. Молодой теоретик нашел способ, как приспособить основные положения квантовой механики к релятивистской точке зрения. Он провел математический анализ и пришел к заключению, что «измерение проекции скорости свободного электрона всегда приводит к результату ± с» [30, с. 343]. Материальная частица развивает скорость, которая недостижима в классической механике. Ученый объясняет недоразумение: «Это, однако, не является противоречием, поскольку теоретическая скорость в вышеприведенном заключении есть скорость в определенный момент времени, тогда как наблюдаемые скорости всегда являются средними скоростями по некоторому конечному интервалу». Дирак высказал надежду о применимости метода к позитронам и построении в будущем аналогичной теории для других частиц.

Способом, необъясненным автором, проекция скорости электрона, который имеет массу, достигает скорости света (с). Ученый должен был понимать что, у частицы, которая не является фотоном, полная скорость будет превышать скорость света. По теории Дирака, электрон должен проделывать колебательное движение очень большой частоты и малой амплитуды, которое накладывается на наблюдаемое равномерное движение. В результате этого колебательного движения, скорость электрона всегда равняется скорости света. Интерпретация теоретических выводов не может быть проверена экспериментом, поскольку частота колебательного движения высока, а амплитуда – незначительна. Физики никогда не наблюдали заряженных частиц, движущихся со скоростью света, исключение составляют фотоны. Другие выводы из нее, также связаны с парадоксальными следствиями. Согласно исследованию Шредингера, электрон представлен медленно движущейся (по сравнению со скоростью света) частицей. Явный перекос и признак расхождения теории с практикой. Дирак предлагает поверить доказательству сомнительной теории.

Х. Лоренц – нидерландский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии по физике (1902 г.) высказал в письме к Э. Шредингеру сомнения в реальности волновой теории электрона: «Если мы решимся растворить, так сказать, электрон и заменить его системой волн, то это даст и неудобство и преимущество. Неудобство, весьма существенное, в следующем: то, что мы приписываем электрону атома водорода, мы должны также приписывать всем электронам всех атомов; мы должны их всех заменить системами волн» [31]. В планетарной модели атома вокруг положительного ядра распределены вращающиеся электроны. Атома содержат разное количество электронов с эквивалентными энергетическими и кинематическими параметрами. Выводы из наблюдений над спектрами, сделанные на основе принципа соответствия, говорили о том, что общие периодические свойства электронных орбит всегда одинаковы и не зависят от того, есть в атоме эквивалентные электроны или нет. М. Борн и В. Гейзенберг показали [32, с. 209], что в квантовой теории метод, основанный на механике возмущений периодических систем, например атома гелия, содержащего два электрона, в случае возбужденных состояний приводит к расхождениям вычислений с результатами опыта.

Согласно теории относительности, полная энергия тела (частицы) [33, с. 527] равна:

W = (mc2/2) / (1 – v2/c2) 0,5. (1.3)

Кинетическую энергию электрона определяют три физические величины – m, c2 и v2. Ни одна составляющая не является отрицательной. В результате получаем положительную кинетическую энергию электрона (mc2/2). В классической механике энергия частицы является положительной величиной. Знак релятивистского выражения энергии W (1.3) остается неопределенным [34], из-за неопределенности знака перед квадратным корнем в знаменателе. На основании математического решения выражения (1), Дирак допускает положительные значения для кинетической энергии W> (mс2/2), а также отрицательные значения W <– (mс2/2). Этот результат сохраняется и при переходе к квантовому уравнению. По мнению Дирака, наименьшее положительное значение энергии (+mc2) и наибольшее ее отрицательное значение (—mc2) разделены конечным промежутком. Ученый не воспринимает смысл физических явлений, когда утверждает: энергия W может принимать значения οт +mc2 до —mc2, т. е. от «плюс» бесконечности до «минус» бесконечности [35]. Физический смысл состояний с положительной энергией понятен. Кинетическая энергия всегда являлась положительной величиной. Энергия тел может убывать, увеличиваться, быть равной нулю. Состояния, определяющего отрицательную энергию, не существует. Дирак объясняет рост отрицательной энергии электрона тем, что при торможении она не уходит в окружающую среду, а изымается из нее. Какой образ может нести отрицательная энергия, если она не расходовалась, а увеличивалась так, что в момент полной остановки электрона ее не стало (W = 0). Понимая абсурдность отрицательной энергии, Дирак заявляет: «Можно было бы поэтому попытаться ввести в теорию в качестве нового допущения, что только один из видов движения встречается в действительности. Но это приводит к серьезной трудности, так как мы находим из теории, что электрон под действием возмущения может перейти из состояния движения с положительной энергией в состояние движения с отрицательной энергией. Поэтому, даже если мы предположим, что вначале все электроны находятся в состояниях положительной энергии, через некоторое время часть из них окажется в состояниях отрицательной энергии» [35]. Смысл несуществующего явления маскируют под термином «отрицательная энергия». Отстаивая свою гипотезу, Дирак предлагает не отбрасывать полученные аналитические решения, не соответствующие чему-либо известному из эксперимента. Странно, что научное сообщество согласилось с нелепостью, в которой отсутствуют элементы логики.

Предпринималось две попытки изменить теорию так, чтобы переходы в состояние с отрицательной энергией были невозможны. Вместо электрона с отрицательной массой вводился «антиэлектрон» с зарядом +е (т. е. позитрон) и массой, равной массе обычного электрона. Для этой теории законы природы должны были бы быть в точности симметричными относительно электрона и антиэлектрона. Физики не нашли научного объяснения причины, по которой антиэлектроны в действительности отсутствуют. Уклонились от симметрии и сделали специальное предположения о начальном состоянии в природе микромира: число электронов одного сорта должно было во много раз превосходить число электронов другого сорта. Паули выражает несогласие с «весьма искусственным и неудовлетворительным» выходом из того положения, в котором оказалась теория Дирака [36]. Открытие релятивистского волнового уравнения для электрона высоко оценили советские физики [37]. По их мнению, его содержание выходит далеко за рамки первоначальных задач, так как попутно были сделаны три крупнейших открытия. Первым было то, что заново был открыт новый класс неприводимых представлений группы Лоренца – спиноры. Второе открытие, состояло в том, что для частиц, описываемых спинорным представлением, спин есть кинематическая неизбежность. Третье – существование у уравнения, наряду с собственными состояниями с положительной энергией, такого же спектра с отрицательными энергиями (≤ – mc2), которое воспринималось сперва как тяжелейший дефект теории и только после, в основном усилиями Дирака, нашло свою интерпретацию.

Позитрон является зеркальным отображением электрона, имеет ту же массу, но противоположный заряд. Решив установить связь не явным образом между электронами, в состояниях отрицательной энергии, и позитронами, Дирак принял несколько допущений: почти все состояния отрицательной энергии в мире в каждом случае заняты одним электроном; незанятое состояние отрицательной энергии является позитроном, обладает положительной энергией, так как оно является местом, где имеется недостаток отрицательной энергии. Незанятое состояние отрицательной энергии Дирак называет «дыркой». Состояние электрона с положительным зарядом в электромагнитном поле соответствуют движению электрона с отрицательной энергией, т. е. позитрону. Так как наблюдаемые в камере Вильсона позитроны не имеют отрицательных энергий, такое решение не годилось. Отсутствие частиц с отрицательными энергиями в веществе рассматривалось как указание на «лишние решения» уравнений Дирака. Эту точку зрения поддерживал Шредингер, он предлагал исключить состояния с отрицательными энергиями из теории, как не имеющие физического смысла. Исключение из системы состояний с отрицательной энергией приводит к нарушению полноты набора волновых функций. Р. Фейнман указал [38], что разложение произвольной функции по неполному набору функций невозможно. Указанные обстоятельства, по мнению ученых, привели Шредингера к непреодолимым трудностям. Уравнение Дирака, допускало возможность переходов системы, находящейся в начальном состоянии с положительной энергией, в конечные состояния с отрицательной энергией, что было принято как теоретическое возражение Шредингеру. Заметим, что у теории Дирака были проблемы, связанные с математическим решением процесса излучения, отвечающего устройству атома Н. Бора.

Теория Максвелла является феноменологической [39, с. 516]. Ее результаты не могли быть описаны существующими законами. Известное утверждение физики гласит: свет имеет двойственную, корпускулярно-волновую природу. Теория возникла в результате двух независимых теорий. С одной стороны – свет обладает волновыми свойствами, обусловливающими явления интерференции, дифракции, поляризации. С другой стороны – поток представляет частицы (фотоны), обладающие нулевой массой покоя, движущиеся со скоростью света в вакууме. Продекларировать такие свойства света, не означает, что это соответствует действительности. Энергия фотона равна [40, с. 355]:

Е = hν, (2.3)

где h – постоянная Планка; ν – частота электромагнитного излучения.

Дирак неудачно распространяет теорию на материальное тело. В формуле (2.3) не присутствует масса электрона – известная в физике величина. В таком случае масса частицы должна достигать невероятно большой величины. Налицо расхождение гипотезы с практикой. В экспериментах не наблюдают электронов, движущихся со скоростью света. Тезисами Дирак определил примитивность указанных частиц. Наиболее простыми видами для английского ученого являются:

1) фотоны, или световые кванты, из которых состоит свет;

2) позитроны, отличающиеся от электронов только знаком электрического заряда;

3) тяжелые частицы – протоны и нейтроны.

В утверждении есть определенное не соответствие действительности. Теория приписала одному телу противоречивые свойства. Например, в состоянии покоя масса фотона равна нулю; у движущегося фотона появляется масса. Почему в состоянии покоя масса фотона должна быть равна нулю? Что происходит с массой частицы, несущей свет, в момент ее остановки? В какой момент движения и что заставляет массу проявиться и исчезнуть? Как она могла исчезнуть в пустоте? Уверенность в открытии положительно заряженных частиц (позитронов) зиждется на интерпретации следа частицы в камере Вильсона. Дирак не объясняет, почему позитронов нет в атомах. Можно предположить, если отрицательно заряженной частице придется двигаться в обратном направлении, то след в камере будет представлять положительный заряд частицы.

Интерпретация волнового уравнения электрона вело к следствию, что частицы с положительной массой покоя могут пересекать промежуточную область и превращаться в частицы с отрицательной массой покоя (при сохранении суммы кинетической и потенциальной энергий). Это следствие электронной теории противоречит опыту [40, с. 568]. По мнению В. Паули, не занятые отрицательной энергией состояния не являются протонами. Дирак предложил отождествить «дырку» – с антиэлектроном, имеющим массу электрона и электрический заряд +е. Обычный электрон, по теории, может упасть в «дырку» и заполнить ее. Освободившаяся энергия выделяется в виде электромагнитного излучения. Это соответствует процессу взаимного уничтожения электрона и позитрона. Академик Марков М. А. говорит [41], что Паули критикует теорию Дирака, согласно которой должна часто происходить аннигиляция электрона и протона, сопровождаемая излучением.

Обществу навязали далекую от истины гипотезу, построенную на псевдонаучных предположениях, при большом количестве явных и скрытых в ней недостатках. Рассуждения Дирака характеризуют недостаточную обстоятельность подхода к теории позитрона. Ученый ввел дополнительное положение, что бесконечный заряд этих электронов не создает поля [41]. Он постулирует, что все состояния с отрицательной энергией заняты, в каждом есть только один электрон. Поле создается только отклонением заполненных состояний от полного заполнения. В этом случае незаполненные состояния с отрицательной энергией ведут себя подобно частицам с зарядом +е и положительной массой. Незанятое состояние отрицательной энергией (дырка) будет обладать положительной энергией, в этом случае оно подобно обычной частице [42]. Эти «дырки» предложено не отождествлять с протонами, т. к. масса частицы должна была точно равняться массе электрона.

В работе [42] утверждается, что теория «дает в значительной степени симметрию между электронами и протонами». Британский ученый убежден, что при соединении частицы и ее античастицы происходит аннигиляция, а излучение способно их рождать вновь. Наличие состояний с отрицательной энергией подвергалось критике в научном сообществе. Частицы должны были обладать аномальными свойствами: двигаться против приложенных сил, отдавать энергию при увеличении скорости и поглощать ее при замедлении. Развитие теории Дирака привело к предположению о том, что и рождение и аннигиляция пар частиц с противоположными электрическими зарядами составляют неотъемлемую часть релятивистской теории материальных частиц [43]. Паули отмечает, что в этом случае ситуация существенно изменилась и аргументация Дирака перестает быть применимой априори. Последующее развитие теоретической физики привело к предположению о том, что рождение и аннигиляция пар частиц с противоположными электрическими зарядами составляют неотъемлемую часть релятивистской теории материальных частиц. Согласно теории Дирака, может происходить и обратный процесс, когда из электромагнитного излучения создаются электрон и позитрон [35]. В истории физики произошел прецедент – материальные частицы возникают в пространстве из излучения. Дираку не удалось объяснить причину, по которой антиэлектроны отсутствуют в атомах. Однако ученый утверждает, что теория электронов и позитронов согласуется со всеми известными экспериментальными фактами.