Результаты, выводы и немного морали

Максвелл отказался от идеи «материализации» полей. «Развитие» и догматизация этой идеи последователями Максвелла и его «доброжелателями» завела электродинамику в теоретический тупик. Наибольший вред теория взаимодействия полей нанесла понятию «электрическая энергия» и представлениям о природе электромагнитных волн. Выход из тупика автор видит в том, чтобы вернуться к экспериментальным истокам электродинамики, разобрав «завалы» надуманных идей и ошибочных «научных результатов».

Пусть Жираф был не прав,
Но виновен не Жираф,
А тот, кто крикнул из ветвей:
«Жираф Большо-о-ой,
Ему видней…»

В. Высоцкий

Эти заметки мало походят на научные исследования. Их можно было бы отнести к новому жанру научных публикаций — «научные расследования». За полтора века сменилось несколько поколений ученых, воспитанных на положениях, которые в этой работе подвергаются «расследованию». Предвижу, что данные записки встретят не только несогласие и возражения, но и осуждение, и другие, более «крутые» предложения. Я не надеюсь встретить понимание и сочувствие ученых «старшего поколения» (хотя буду безумно рад, если ошибусь!). Эти заметки рассчитаны главным образом на молодых исследователей, свободных от вековых догматов, способных, умеющих и желающих думать самостоятельно.

Остановиться, оглянуться…

С первых дней знакомства человечества с электрическими явлениями слово «электричество» связывалось с электрическими зарядами. Все эксперименты М. Фарадея однозначно показывали эту неразрывную связь. Понятие «электрическое поле» Фарадей ввел в 1830 году для обоснования принципа близкодействия. Окончательно он сформулировал концепцию электрического (и магнитного) поля в 1852 году. По мысли Фарадея эти поля определяли некоторое напряженное состояние окружающей среды, создаваемое электрическими зарядами. Разрабатывая теорию электромагнитного поля, Дж. Максвелл исключил из рассмотрения электрические заряды, заменив их взаимодействие с магнитным полем взаимодействием полей. Для Максвелла это было одним из рабочих приемов, от которого он вскоре отказался, введя в теорию понятие «ток смещения». Но этот эпизод в творчестве Максвелла стал роковым для последующего развития электродинамики. После смерти Максвелла его «продолжатели» и «доброжелатели» вернулись к идее "взаимодействия полей". Это потребовалось для того, чтобы примирить систему уравнений Максвелла с зарождающейся теорией относительности. Так появились «вихревое электрическое поле», «ток смещения в вакууме», а поля из состояния пространства превратились в физическую реальность с массой, энергией и прочими "материальными" свойствами.

«Теория электромагнитного поля» свернула исследования электромагнитных явлений со «столбовой дороги» на боковую тропинку, которая завела электродинамику в тупик. За последние сто лет в теоретической электродинамике не сделано ни одного значительного открытия. Многие специалисты считают, что какой-либо серьезный анализ электромагнитных процессов лишен смысла, ибо «в электродинамике уже все открыто и все известно». Это ли не симптом стагнации!

Кратко перечислю те проблемы, которые породила "теория взаимодействия полей":

  1. Более полувека известны экспериментальные факты, которые невозможно объяснить взаимодействием полей. Разрешить эти «парадоксы» мешает лишь фанатическая вера в непогрешимость «теории электромагнитного поля».
  2. Максвелловский вариант представления электромагнитной индукции породил «вихревое электрическое поле», существование которого противоречит основным положениям теории физических полей. Попытка объяснить вихревым электрическим полем процесс электромагнитной индукции в замкнутом проводящем контуре привела к двум физически различным формам этого явления, что ни понять, ни объяснить сегодня никто не может.
  3. По общему мнению, вихревое электрическое поле осуществляет ускорение электронов в бетатроне. Будучи непотенциальным, такое поле физически ничего ускорять не может, но другие механизмы работы бетатрона и других циклических ускорителей даже не обсуждаются.
  4. Наибольший вред «теория электромагнитного поля» нанесла понятию «электрическая энергия». Весь 20-й век строились электростанции, электрическая энергия передавалась на тысячи километров, во второй половине века заработали атомные электростанции, мы исправно оплачиваем Электросбыту счета за потребленную электроэнергию, которой, оказывается, не существует! Теоретики признают лишь существование «электромагнитной энергии», да и то лишь в форме «плотности энергии электромагнитного поля».
  5. Отрицание теорией одного из основных понятий электродинамики привело к тому, что до сих пор недостаточно исследованы процессы получения электрической энергии и формы ее существования. Во многих исследованиях путаются два физически разных процесса — генерация и расходование электроэнергии - движение зарядов под действием сторонних и потенциальных сил. Под магию «энергии электромагнитного поля» подпали даже такие талантливые ученые, как академик И.Е. Тамм. Предложив прекрасную модель — участие «сторонних сил» в процессах генерации электроэнергии, он так и не смог довести до конца анализ этого процесса. Вместо этого был «открыт» несуществующий «Обобщенный закон Ома», появилась путаница в основных понятиях электроэнергетики — потенциал, разность потенциалов, ЭДС, напряжение и др. К счастью, практическая электротехника пошла своим путем. Огромные достижения электроэнергетики в 20-м веке получены не благодаря, а скорее — вопреки представлениям теоретической электродинамики.
  6. «Промахи» теории наиболее полно проявились при интерпретации природы электромагнитного излучения. В конце 19-го века уже было очевидно, что постулаты теории относительности несовместимы с представлениями Максвелла о токах смещения в диэлектрической среде. Но вместо глубокого и беспристрастного анализа этого противоречия была изобретена «релятивистская поправка» — «ток смещения в вакууме», как производная от «вихревого поля электрической индукции». А парадоксы, связанные с синфазностью электрического и магнитного полей в электромагнитных волнах современная теория объяснить не может и поэтому предпочитает вообще их не замечать.

Наше понимание объективных законов природы складывается из субъективных представлений реальных и (увы!) смертных людей. Оценить объективно степень адекватности тех или иных положений и открытий, сделанных на «переднем фронте науки», возможно лишь с высоты новых открытий. Поэтому так важно иногда остановиться, оглянуться и — с точки зрения нового знания — критически взглянуть на уже пройденный путь.

Кто виноват?

Сразу скажу, что этот вопрос — основной для любого «расследования» — для «научного расследования» не имеет смысла. И в науке есть недобросовестные, корыстные и честолюбивые люди. Но не о них речь. Разговор о тех исследователях, которые, безусловно, честны и бескорыстны в своем творчестве, но их результаты не выдерживают испытание временем. Поскольку наши знания относительны, то эта участь уготована любым научным результатам. Дело только во времени… В этом заключается главная трудность научного познания. Это — объективный барьер, неустранимый, но преодолеваемый трудом и талантом исследователей. Но есть и другие — субъективные препятствия на тернистом пути познания природы.

Оценивая путь, пройденный электродинамикой за полтора века, можно заключить, что сегодняшний кризис электродинамики в большой степени обусловлен досадными субъективными причинами, но не индивидуальными, а «коллективными» (как сейчас говорят - «корпоративными»). В том, что к третьему тысячелетию электродинамика оказалась «на запасном пути», нельзя винить никого конкретно. Даже те, кто заслуживают упрека, лишь (будем надеяться!) «искренне заблуждались». Поэтому на этом «процессе» я выступаю на стороне «защиты».

Идея перейти от зарядов к взаимодействию полей, безусловно, принадлежит Максвеллу. Но Максвелл вряд ли понимал, что с помощью простых математических преобразований он породил несуществующий фантом — вихревое электрическое поле. Талантливый теоретик, Максвелл обладал богатой физической интуицией. Поэтому он довольно скоро понял свою ошибку. Об этом говорит тот факт, что он включил свою формулу закона электромагнитной индукции в систему уравнений лишь один раз — в своей ранней работе 1862 года. Это уравнение не вошло больше ни в одну из его последующих работ. Оно отсутствует и в окончательном варианте системы, опубликованном Максвеллом в 1873 году. Идея «взаимодействия полей» появилась снова лишь после смерти Максвелла в работах Герца и Хевисайда в форме II уравнения системы. (Возможно, это объясняет, почему сегодня формулу максвелловского варианта основного закона электромагнитной индукции стыдливо, но настойчиво называют «законом Фарадея», хотя Фарадей не имеет к этой формулировке никакого отношения).

Автор [1], анализируя многочисленные варианты системы уравнений электродинамики, приходит к выводу, что «… уравнения Максвелла в их общеупотребительной форме в определенном смысле не принадлежат Д. К. Максвеллу, а скорее Г. Герцу и О. Хевисайду». «Какие причины обусловили введение Г. Герцем и О. Хевисайдом «второго уравнения»? — продолжает автор. — В конечном счете, одна — соображения симметрии …, требовавшей двойной формы представления электромагнетизма».

В статье, опубликованной в «Am. J. of Physics», 1963, N 11, А.М. Борк писал: «Оливер Хевисайд был первым физиком, явно отметившим симметрию уравнений Максвелла… Он обращается к двойной форме, которая была введена им в 1885 г., причем электрическая и магнитная стороны электромагнетизма симметрично представлены и связаны. Ясно, что он рассматривает «двойную форму» как существенное нововведение, не имеющееся в статьях и книгах Максвелла». Именно это «нововведение» и привело к синфазности электрической и магнитной компонент в ЭМВ и другим порокам современной классической электродинамики.

Существенно отличаются от современных представлений и взгляды Максвелла на электрическую энергию. Пусть они были непоследовательными и в чем-то (по сегодняшним понятиям) даже наивными, но зато лишены «релятивистских поправок». Вот как Максвелл представлял себе природу электрической энергии:

«Электрическая энергия бывает двоякого рода — электростатическая и электрокинетическая. У нас есть основания к допущению, что первая зависит от свойства среды, в силу которого электрическое смещение вызывает электродвижущую силу в противоположном направлении… Электрокинетическая энергия есть просто энергия движения, вызываемого в среде электрическими токами и магнитами…» [2].

Многие идеи гениального мыслителя были искажены или деформированы его последователями. Анализ работ Максвелла, проведенный автором [1], можно дополнить предположением, что и представления о природе ЭМВ также Максвеллу не принадлежат. Известно, что в своем творчестве Максвелл часто использовал метод аналогий. Сравнивая процесс распространения электромагнитных волн с механическими волнами, он вряд ли согласился бы с синфазностью компонент ЭМВ и, безусловно, обнаружил бы нарушение закона сохранения энергии в том факте, что энергетический поток в электромагнитных волнах пульсирует. Вызывает сожаление, что все эти поправки вносились с «благими намерениями» — чтобы сохранить наследие Максвелла. Этими благими намерениями и была выстелена дорога электродинамики в тупик…

К большому кораблю всегда прилипает множество ракушек. Эта истина стара, как мир. Одни восторгаются и преклоняются перед гением, обожествляя его и делая из него икону. Другие — менее бескорыстные — не прочь погреться в лучах его величия и таланта. При этом от реального человека и истинного таланта остается лишь символ, бестелесная оболочка. В науке эти нравы шоу-бизнеса (как и монополизация права на истину) недопустимы. Они могут надолго затормозить прогресс в познании природы. К сожалению, этот «синдром толпы» сказался и на развитии электродинамики.

«Математическая инфляция» в физике

Есть ещё одна «коллективно-субъективная» причина, которая в 20-м веке получила размах эпидемии в науке. Это — чрезмерная математизация знания, которая особенно опасна для фундаментальной основы миропонимания — физики. Никто не отрицает важности, необходимости и эффективности математического аппарата для описания и анализа научных результатов во всех отраслях знания и, прежде всего, в физике. Математика — важнейший инструмент обработки, осмысления, оценки правильности и прогнозирования новых научных результатов. Но математика — это только инструмент, не более!

С конца 19-го века в науке стала преобладать другая тенденция: исследователи начали увлекаться умозрительными математическими преобразованиями, а их результаты без достаточного экспериментального обоснования стали провозглашаться «физической реальностью». Вот цитаты из статьи А. Эйнштейна, посвященной Максвеллу: «Дифференциальное уравнение в частных производных вошло в теоретическую физику в качестве служанки, но постепенно оно стало госпожой…». «Континуальное поле вошло в одну из областей теоретической физики как представитель физической реальности наряду с материальной точкой» [3] и т.д.

А вот мнение на этот счет самого Максвелла: «…физическая природа величины подчинена ее математической форме. Это — та точка зрения, которая характерна для математика, но она является вторичной по времени для физического аспекта, потому что для освоения различного рода величин человеческий мозг сначала должен иметь их представленными в природе» [4].

Усердная служанка может нанести большой вред, когда получает право исполнять роль госпожи. Вера теоретиков в безграничные возможности математики привела к чрезмерному изобилию математики в физике. Академик Петровской Академии наук и искусств Ю.Г. Марков назвал эту тенденцию «математической инфляцией в физике»:

«Подобно тому, как в экономике мы замещаем натуральные ценности денежными знаками, так и в физике мы замещаем физические объекты математическими знаками… В условиях математической инфляции в физике возникает феномен виртуальных физических объектов, процессов, отдельных свойств, за которыми не скрывается, в общем-то, никакой объективной реальности» [5].
В нашем «научном расследовании» есть много примеров проявления этого феномена.

Соотношение между теорией и практикой не так однозначно, как это иногда представляется. Тезис, что «практика — критерий истины», тоже следует воспринимать критически. Иногда утверждают, что электромагнитная теория не может быть неверной, так как уже более века практическая электротехника успешно развивается, пользуясь ее законами. Но это доказывает лишь полушутливое замечание, что «теория может объяснить всё».

Теория может быть удачной или неудачной, но не может быть абсолютно правильной. «Удачная» теория может существовать и успешно «работать» десятилетия и столетия. Например, теория эпициклов Птолемея 14 веков (!) успешно «объясняла» геоцентрическое устройство мира. А идея «взаимодействия полей» существует всего лишь 150 лет.

Что делать?

На этот сакраментальный вопрос вряд ли можно ответить однозначно. Ясно, что из тупика есть лишь один выход — назад. Но за целый век обратный путь на столбовую дорогу уже так замусорен и завален "посторонними предметами", что, боюсь, разбирать эти завалы придется не одному поколению ученых. Новые мысли и идеи, изложенные на этих страницах, являются лишь косметическими поправками, которые показывают, однако, что здание Электродинамики давно нуждается в капитальном ремонте. Выполнить эту нелегкую, но интересную и благодарную работу предстоит уже новому поколению талантливых, увлеченных и молодых…

Ссылки

[1]Маркчев Н. Т. Сравнение различных форм системы уравнений Максвелла // Максвелл и развитие физики XIX-XX веков. М.: Наука, 1985. С. 93.
[2]Максвелл Дж. К. Статьи и речи. М.: Наука, 1968. С. 202.
[3]Эйнштейн А. Влияние Максвелла на развитие представлений о физической реальности // Максвелл Дж.К. Статьи и речи. М.: Наука, 1968. С. 245.
[4]Максвелл Дж. (из «Обращения к математической и физической секциям Британской ассоциации» 15.09.1870) // Там же. С. 310.
[5]Марков Ю. Г. Принцип Маха как источник новой парадигмы в физике (Препринт). Новосибирск, 2005. С. 12.

Авторское право ©2009-2011 К. Б. Канн. Условия использования.

Используются технологии uCoz