Естественная механика природы

Сергей Анатольевич Струговец

По мнению автора, природа нашей Вселенной в своём фундаментальном устройстве проста и наглядно представима, а результаты наблюдений и экспериментов, включая те, которые сегодня объясняются с помощью теории относительности и квантовой механики, вполне могут быть согласованы с единой механистической теорией, построенной на базе классической физики. В книге излагаются основы такой теории, а также анализируются причины вытеснения из науки здравого смысла сверхсложной математической мистикой.

Вводная часть. Неужели Мир так сверхъестественно сложен?

Наши знания теперь шире и глубже, чем знания физика девятнадцатого столетия, но таковы же и наши сомнения и трудности.

А. Эйнштейн

Давайте, вслед за Эйнштейном, посмотрим на мироздание глазами жителя Земли конца девятнадцатого века, даже не профессионального ученого, а просто образованного человека. Мир логичен и понятен. Наука шаг за шагом объясняет его устройство, используя для этого предельно ясные механические аналоги. Во всех явлениях природы проявляется удивительное единообразие и взаимосвязь, что подтверждают уже сформулированные законы сохранения. Многообразие форм материи сведено к ограниченному количеству составляющих её атомов, свойства которых, в свою очередь, упорядочены недавно открытой периодической системой Менделеева. Взаимосвязь атомов описывается с помощью всего лишь двух полей (гравитационного и электромагнитного), которые представляются, как проявление свойств особой формы материи — эфира, заполняющего всё пространство Вселенной. Теория эфира увязывает волновую сущность света и других излучений с корпускулярно-полевой моделью строения материи. Правда, эфир представляется почти как однородный газ (иначе, казалось бы, как объяснить, что вещество в нём движется?), а уже известно, что в газе возникают лишь продольные волны, тогда как свет проявляет свойства поперечных волн, характерные для твёрдых тел. Но это кажется лишь временным затруднением.

На стыке девятнадцатого и двадцатого веков Томсон открывает электрон, а к Планку приходит мысль о дискретности (квантовой сущности) такой физической величины, как энергия излучения.

Примечание. Предположение, что свет распространяется потоками дискретных корпускул, сделал ещё Ньютон. Но то что, дискретные кванты излучения возникают и поглощаются веществом мгновенно — это идея Планка.

Появляется уверенность, что ещё немного и после окончательной «расшифровки» состава атомов будет найден тот, скорее всего, единственный кирпичик, из множества которых состоит материя-вещество, а свойства эфира и распространение в нём электромагнитного излучения, в том числе взаимосвязь корпускулярных и волновых свойств последнего, тоже получат, наконец, точное механистическое объяснение. Эти открытия должны были привести к следующему этапу упрощения представлений о фундаментальных основах мироздания. Теперь уже почти до предела.

Но процесс развития физического мировоззрения вдруг резко меняет курс на прямо противоположный. Наши представления о мироздании начинают усложняться всё более и более. Эта тенденция сохраняется до сих пор. Мы, пожалуй, сейчас действительно чувствуем себя менее уверенными в своём мировоззрении, чем люди девятнадцатого века, хотя знаем намного больше, чем они. Эйнштейн здесь совершенно прав. Более того, в современной теоретической физике, по-моему, сложилась ситуация, когда она уже вообще не может логично совместить результаты новых наблюдений. Знания стремительно накапливаются, но это не приводит к лучшему пониманию мироздания, скорее наоборот. Чтобы сохранить возможность хоть что-то объяснять, наука приносит в жертву все три фундаментальные физические величины, взятые за основу системы единиц механики и не только механики: массу, длину, время. Теперь они относительны и абсолютны одновременно, причем не в наблюдениях, а реально (пример — парадокс близнецов). Место этих физических величин, отражающих непосредственные измерения, занимают искусственные производные от них, такие как энергия, энтропия, волновая функция и так далее. Именно с их помощью математически формулируются новые фундаментальные законы физики, именно они начинают восприниматься, как нечто реально существующее, а не введённые нами абстрактные научные понятия, объясняющие количественные закономерности в наблюдаемых природных явлениях. В результате масса стала единой даже не в двух (что уже противоречило логике), а в трёх лицах — инертная, тяжёлая и аналог энергии.

Примечание. Введение в физику дуализма, а затем триединства массы противоречит логическому закону тождества, сформулированному ещё Аристотелем. Смысл этого закона в том, что «понятие в ходе рассуждений должно употребляться в одном и том же значении» [5] (статья «Аристотель»). С этим трудно не согласиться.

После официального признания наукой теории относительности неизбежным становится фактический отказ от законов сохранения. Но и это помогает лишь временно. Следует очередная жертва — отказ от философской логики и механистического (наглядного) принципа объяснения всех физических явлений. Всё это заменяется почти исключительно математикой. Снова не помогает. Математический аппарат, применяющийся для установления взаимосвязи параметров физических явлений, усложняется неимоверно. Теперь уже и речи быть не может об их образном восприятии. Если бы это касалось лишь надстроечных явлений, которые, безусловно, очень сложны и которых в нашем Мире великое многообразие, то это было бы понятно. Но нет. Сложность математического аппарата растет как раз в описании фундаментальных основ мироздания.

Одним из главных претендентов на роль обобщающей теории фундаментального устройства Вселенной является сегодня теория струн и её модификации. Эта основанная на сложных математических уравнениях теория в различных своих вариантах использует для описания пространства-времени и материи Вселенной 10 или 11 измерений, а одна из её модификаций (бозонная) даже 26 (двадцать шесть!!!) [5] (статья «Теория струн»). По существу, современная теоретическая физика вообще не ограничивает количество измерений. Отсюда следует вывод, что наш Мир намного сложнее, чем тот и без того уже сверхсложный Мир, представления о котором сформировались до появления этой теории. Обратите внимание, что дополнительные (к четырём наблюдаемым) измерения пространства-времени в теории струн не определены экспериментально, вообще не даны нам в ощущениях, а лишь выведены математически.

То же самое происходит и в космологии, традиционной основе формирования нашего мировоззрения. Здесь наиболее ярким примером являются тёмная материя и тёмная энергия. Их существование, опять же, не доказано экспериментально, а лишь предсказано на основе вычислений, устраняющих противоречия между наблюдаемыми явлениями и их математическим описанием в рамках официально признанных наукой теорий. Учитывая, что эти вычисления показывают подавляющее количественное превосходство тёмной (ненаблюдаемой) материи и энергии над наблюдаемыми объектами природы, остается только признать, что большая часть мироздания настолько сложна, что вообще не поддаётся пока наблюдению и осмыслению.

Ну, а микромир, где, как мы считаем, успехи теоретической физики сегодня наиболее значительны, и где наиболее вероятно скрываются основные тайны мироздания? Может быть, там дело обстоит проще и понятнее? Нет. Для описания сотен открытых микрочастиц (их количество уже превзошло количество элементов в системе Менделеева, включая полученные искусственно) и их свойств не хватает терминов, а для их обозначения символов. Применяются такие термины, как «красота», «аромат», «очарование», «цветность», «странность». Как минимум, 24 «фундаментальные частицы» (вместе с античастицами) [5] (статья «Фундаментальная частица») мы считаем конечными (неделимыми) элементами мироздания. Плюс калибровочные бозоны и нейтрино. Даже совершенно фантастические представления о превращении вещества (массы) в «чистую» энергию, и наоборот, не поколебали нашей уверенности в этом. Таким образом, процесс изучения микрочастиц явно идёт лишь вширь, укрепляя нашу и без того уже утвердившуюся веру в практически непостижимую сложность окружающего нас мира. Хорошо, пусть мы экспериментально обнаружили бозон Хиггса (или посчитали, что обнаружили). Это намного увеличило наше понимание природы и упростило наше мировоззрение? Вряд ли. Ведь в «Стандартной модели физики элементарных частиц», предсказывающей существование этой частицы, не учтена гравитация — явная основа мироздания. Как может математическая модель, не учитывающая гравитацию, точно предсказать существование частицы, определяющей величину массы любого вещества? Ведь даже если такая частица и даст нам понимание того, как формируется инертная масса вещества, то это ничуть не приблизит нас к разгадке тайн гравитона и эквивалентности тяжелой и инертной массы. Таким образом, из-за практически полного отказа теоретической физики от попыток объяснить что-либо иначе, чем с помощью математических формул, наука и в области элементарных частиц вынуждена приносить в жертву логику и физический смысл. Многовековой научный диспут между сторонниками корпускулярной и волновой природы света и других излучений закончился вничью. Была официально принята математическая концепция корпускулярно-волнового дуализма: сначала для излучения, затем для всех элементарных частиц, а впоследствии и для вещества и энергии в целом. Корпускулярно-волновой дуализм дополнил заложенный в основу квантовой механики принцип неопределённости (вероятности) всех наблюдаемых событий. Дадим слово Эйнштейну: «…заменив поле в смысле первоначальной теории поля на поле распределения вероятности, мы получим метод, который… приводит к наиболее полезной теории весомой материи. За необычайный успех этой теории пришлось платить двойной ценой: отказаться от требования причинности (ее никак нельзя проверить в атомной области) и оставить попытки описания реальных физических объектов в пространстве и времени (выделено и подчеркнуто мной, — С.С). Вместо этого используется косвенное описание, с помощью которого можно вычислить вероятность результатов любого доступного нам измерения» [Альберт Эйнштейн. Собрание научных трудов. Т. IV. М.: Наука, 1967. — С 316 — 321]. Добавило ли это понимания в наше мироощущение? Скорее наоборот, наука здесь уже вплотную приблизилась почти к средневековой мистике и вере в сверхъестественное.

Примечание. Слово «мистика» приобрело сегодня достаточно много значений, зачастую связанных с противопоставлением науки и религии, но в данной книге оно употребляется только в одном. Мистика — это то, что, не имея собственного наглядно представимого образа, воспринимается, как нечто реально существующее и влияющее на наглядно представимую материю, а также, соответственно, мнения и теории, «исходящие из того, что подлинная реальность недоступна разуму» [2] (статья «Мистицизм»).

При такой сложности представлений о природе и их фактической монополии в науке неизбежны противоречия во взглядах на наш Мир людей, не желающих смириться с тем, что их разум уже не в состоянии воспринимать современные им официальные научные объяснения. Доказательством этому является возникновение множества альтернативных официальной науке теорий, которые чаще всего ею просто игнорируются или, в лучшем случае, принимаются во внимание без каких-либо серьёзных попыток учесть их. Правда, зачастую эти альтернативные теории чрезвычайно экзотичны, и связать их со всей совокупностью наших знаний о природе практически невозможно. Сюда же следует отнести и «паранормальные явления». Введя этот термин, официальная наука, по сути, дала себе возможность произвольно выбирать, какие из объективно наблюдаемых в природе явлений она должна объяснять, а какие может не учитывать. Таким образом, теоретическая физика распалась на официальную, альтернативную (которая в качестве равноправной официальной не рассматривается) и паранормальную части. Более того, сама официальная теоретическая физика уже фактически разделилась на несколько не связанных между собой фрагментов. В [7] приведена цитата из высказываний Макса фон Лауэ, ученика Планка: «…в течение многих лет Планк стремился уничтожить пропасть между классической и квантовой физикой или хотя бы перебросить мост между ними. Он потерпел неудачу, но его усилия не были напрасными, так как доказали невозможность успеха таких попыток». Вот так — ни больше, ни меньше. Оба указанных направления в физике при этом не опровергают друг друга, оба считаются применимыми в науке. А моста между ними нет и, по мнению фон Лауэ, даже быть не может. И это мнение профессионального физика, Нобелевского лауреата, который в нём не одинок. Такого же мнения придерживался, например, и Нильс Бор.

А ведь Макс Планк был основоположником квантовой теории. И, судя по тому, что мне довелось про него узнать в [5] (статья «Планк») и в [7], даже судьба собственной идеи, сделавшей ему имя в науке, не могла заставить его пожертвовать единством физики, и вообще тем, что в философском и общечеловеческом плане он считал правильным. Совсем не случайно, именно слова Планка я выбрал в качестве эпиграфов к большинству глав этой книги. Честность этого человека, его бесстрашная готовность во имя торжества истины пожертвовать многим, в том числе и своим научным авторитетом, точность, с какой он формулировал свои мысли, не может не вызывать уважения и желания следовать его примеру. Этим качествам Планка не раз отдавал должное в своих высказываниях и Эйнштейн. По-моему, Планк доказал не то, что написал фон Лауэ, делая ему комплимент с оттенком высокомерия ученика (судя по всему, действительно хорошего ученика), уверенного в том, что он превзошёл своего учителя, а как раз обратное:

— что любая новая теория, так или иначе, базируется на уже накопленных наукой и человечеством в целом знаниях и представлениях;

— что, изменяя наше восприятие реальности, новая теория должна дать взамен только ещё более логичные, ясные и лучшим образом взаимосвязанные между собой и с другими теориями всех без исключения наук понятия;

— что, даже полностью отвергая прежние научные взгляды, новая теория обязана объяснить причины их появления в прошлом и признать их как предпосылки своего создания, позволившие уменьшить количество возможных вариантов восприятия реальности, то есть, как неоспоримый вклад в науку;

— что поиск истины и научная честь должны быть для учёного выше любых личных и корпоративных интересов.

По-моему, Планк стремился именно к этому. Никто из нас, людей, никогда не достигает всего, чего он хочет, и никогда не бывает во всём прав. Но Планк показал и доказал необходимость такого стремления. Браво, господин Планк!

Сделав это небольшое отступление, вернёмся к основной теме. Напрашиваются вопросы. Почему же именно в двадцатом веке, именно теоретическая физика, неимоверно усложнив наши представления о Мире, одновременно обеспечила и невиданный в истории человечества технический прогресс? Разве это не является доказательством того, что эта наука на правильном пути?

Для ответа давайте разберёмся, как способствуют техническому прогрессу понимание (теория) и знание (опыт, практика). В первую очередь, речь далее пойдет о теоретической базе естественных наук, но, учитывая явную взаимосвязь всех научных теорий, это касается и гуманитарных наук, а через них и всей нашей цивилизации.

Хорошо отражающая объективную реальность теория, конечно, делает прогресс более целенаправленным и, в силу этого, экономным. Кроме того, такая теория предотвращает развитие ситуаций, когда наши желания и цели выходят за рамки наших возможностей. С недавних пор очень большое значение понимание реальности имеет и в плане обеспечения техногенной безопасности. Ведь даже сегодняшние наши технические достижения уже позволяют нам уничтожить себя и всё живое вокруг. Поэтому идти «на ощупь» по пути прогресса в таких отраслях, как, например, ядерная энергетика — это большой риск. То есть без правильного научного понимания природы, технический прогресс ограничен и опасен, как недопустимым перенапряжением всей нашей экономики (отсюда общественные кризисы и катаклизмы), так и увеличением вероятности глобальной техногенной катастрофы. Впрочем, теория, неверно отражающая реальность, здесь даже опаснее, чем её полное отсутствие. Но до этих критических пределов, переступить которые даёт возможность, по-моему, только правильная теория, технический прогресс вполне способен к самостоятельному развитию даже и без развития фундаментальной науки вообще. В промежутках между указанными кризисами, практически применимые результаты технического прогресса обеспечивают, в основном, прикладные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы (НИОКР), а также развитие технологий, то есть средств и методов производства. Здесь на первом месте по значимости опыт, эксперимент и изобретательская деятельность (в том числе и по организации производства). Эксперименты, проводящиеся в целях теоретической физики и других наук, не раз приводили к полезным изобретениям и открытию побочных эффектов, которые не имели большого значения для фундаментальной науки, но обладали практической ценностью. Техническое обеспечение научных экспериментов способствует прогрессу едва ли не больше, чем НИОКР в области вооружений. А ведь кризисы теории в науке, как правило, приводят к активизации экспериментальных исследований.

Можно привести и исторический пример, показывающий отсутствие прямой зависимости (а, по сути, даже обратную зависимость) между развитием фундаментальной науки и техническим прогрессом. Применение в Европе пороха началось в четырнадцатом веке. Этот величайший технический прорыв совпал во времени с периодом полного упадка естественных наук (в современном понимании) и безраздельного господства мистических представлений в естествознании. Именно основанная на мистике, но не только на мистике, а ещё и на экспериментах, алхимия во многом способствовала (за счёт ясного понимания алхимиками влияния количественного соотношения и дисперсности различных веществ в смеси на её свойства) развитию технологии производства и совершенствованию пороха, этой атомной бомбы средневековья, перед которой не устояли ни панцири рыцарей, ни казавшиеся прежде неприступными стены их замков. Мистика здесь, конечно, не при чём — она на такое не способна, а вот эксперименты, пусть даже спланированные на основе мистических представлений, как видите, способны вполне.

Итак, даже если теория не до конца (или даже неправильно) разобралась с фундаментальной природной сущностью наблюдаемых явлений, мы вполне можем использовать полученные экспериментальным путем знания на практике, сегодня тем более, так как способны математически описать эти знания приближёнными эмпирическими (заведомо не отражающими теоретический смысл) функциональными зависимостями, например, степенными полиномами или сплайн-функциями, а современные компьютеры позволяют нам методом последовательных приближений решать системы уравнений практически любой сложности. Мы можем с помощью компьютера моделировать не только всё то, что наблюдаем, но и свои фантазии. В виртуальном компьютерном мире мы легко можем искривлять пространство и поворачивать время вспять. Здесь вообще нет ограничений… СТОП!… КОМПЬЮТЕР?!

Я думаю, что в жизни большинства людей, читающих эти строки, компьютер уже стал неотъемлемым атрибутом. А давайте вспомним, как устроена эта великолепная машина. В основе работы компьютера лежит позиционная двоичная система. Огромное количество одинаковых ячеек имеют возможность находиться всего лишь в двух состояниях: «0» или «1» («Да» или «Нет»). Эти ячейки (биты), в свою очередь, объединены в систему (структуру), состояние которой в целом зависит от того, в каком из двух возможных состояний находится каждая ячейка и где она расположена (позиционирована) в системе. Таким образом, простейшая по своему принципу действия, основанная на обычной классической логике машина позволяет нам моделировать Мир, сложность которого, как мы сейчас считаем, такова, что практически не поддаётся нашему разуму.

А теперь, глядя на стоящий перед вами компьютер, спросите у себя:

— Неужели эта созданная нами машина совершенством своим на порядки превосходит природу?

— А если это не так, если признать, что природа, как мы уже не раз убеждались, простотой и функциональностью почти всегда превосходит творения разума и рук человеческих, то неужели фундаментальные основы нашего Мира настолько сложны, как это мы сейчас считаем?

Давайте поразмышляем над этими вопросами. Для начала попробуем проанализировать сложившиеся в физике явные противоречия и загадки. Может быть, это поможет нам отыскать причины, лежащие в их общей основе, и, устранив их, снова встать на путь достижения понимания единых законов природы, а не только коллекционирования разрозненных знаний о ней?

Примечание. Пора ещё раз уточнить терминологию. Давайте будем считать синонимами термины «наша Вселенная», «наш Мир» и «Метагалактика», то есть то, что априори содержит знакомую нам материю (включая излучение), которую мы только и можем постоянно наблюдать и, тем самым, ограничивает наблюдаемое нами пространство. То же бесконечное и вечное, где расположена эта материя, будем называть просто «Вселенная», «Мир», «внешний Мир» или «Природа». Только в этом случае термины «мироздание», «мировоззрение» и «миропонимание» приобретают ясный и конкретный общий смысл. С помощью такой терминологии можно выразить словами представления о том, что в Мире, кроме нашей Вселенной, может существовать и иная материя, никак не связанная с материей нашего Мира, или, например, взаимодействующая с ней лишь временно, а потому и наблюдаемая тоже временно, что Вселенная есть «весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве…» [2] (статья «Вселенная»), что не такая, а только «наша Вселенная» сформировалась, как нечто единое, в результате Большого взрыва. Ведь представления о Большом взрыве (которые я в целом поддерживаю) есть следствие осознания наших наблюдений, и распространить их на бесконечность невозможно, так как нельзя же считать себя центром бесконечного пространства-времени.