«Поиски происхождения ядерных сил приводят к новым частицам; но все эти открытия вызывают только замешательство. У нас нет полного понимания их взаимных отношений, хотя в некоторых поразительных связях между ними мы уже убедились» [11, с. 55].
Р. Фейнман«В 1927 году Нильс Бор, один из величайших мыслителей в области атомной физики, ввел в атомную физику так называемый принцип дополнительности, который был равнозначен отречению от попыток интерпретировать атомную теорию как описание чего-либо реального Я не верю, что физики приняли бы такой принцип ad hoc, если бы понимали, что он является таковым или же представляет собой философский принцип часть инструменталистской философии физики Беллармино и Беркли» [12].
К. Р. ПопперСила магнитного поля характеризуется плотностью силовых линий, т. е. их числом на единицу площади. Магнитное поле в любой точке пространства можно представить вектором В, называемым магнитной индукцией. Его величину можно определить через вращающий момент, действующий на магнитную стрелку, когда она не ориентирована вдоль магнитной силовой линии. Чем больше момент, тем сильнее магнитное поле. Магнитная стрелка находиться в равновесном состоянии, когда располагается по касательной к силовой линии в данном месте поля. Физическая сущность магнитного поля, как и электрического поля, остается до сих пор неизвестной. Вектор индукции (В) определяется опытным путем. Физиками не разработана теория взаимодействия постоянных магнитов и нет экспериментальных данных по этому взаимодействию. Эффективность от проведенных экспериментов низка, поскольку не создана теория (инструменты), позволяющая анализировать их результаты.
На современном этапе развития не до конца изучено строение атома, не выстроена цельная теория ядерных взаимодействий. Наука не научились понимать законы, господствующие во Вселенной. Мы не знаем причину движения планет, звезд и галактик. Природа упорно отказывается дать ответ о причине, побуждающей Землю двигаться вокруг Солнца. Не удается доказать инструментально и вращение планеты вокруг своей оси. Примечательны в этом отношении результаты экспериментов Майкельсона, а позже и Майкельсона Морли, в которых скорость распространения света по направлению движения Земли сравнивали со скоростью света перпендикулярно к этому движению. В этих опытах был применен чувствительный метод измерения. Влияние движения Земли должно было отчетливо проявиться. Но ожидаемый результат не был достигнут, оказался затруднительным и даже загадочным для теоретической физики.
Не существует ли каких-либо принципиальных оснований, вследствие которых потерпели неудачу все опыты, относившиеся к механическим свойствам эфира? У М. Планка возникла мысль, нельзя ли подойти к вопросу о световом эфире с совершенно другой стороны: «Что, если световые волны распространяются в пространстве, совершенно не связанные с каким-либо материальным носителем? В таком случае скорость движения тела по отношению к эфиру была бы немыслима» [13]. Один человек мог кардинально изменить историю развития естествознания и вывести его на новый уровень, однако не случилось. Опытным путем не удалось обнаружить эфир. Планк отказывается поддерживать его присутствие в пространстве. Он предложил использовать «уравнения МаксвеллаГерца для электродинамических явлений в свободном эфире или, скажем мы лучше, в пустом пространстве». Отступая от испытанного годами теоретического знания, физик-теоретик опрометчиво называет пространство «простейшей из всех сред, какую только можно себе представить», представляя его пустым.
В списке особенно важных и интересных проблем физики академик В. Л. Гинзбург выделил три «великие» проблемы, в их числе интерпретация и понимание квантовой механики. Он думает, что обсуждение основ нерелятивистской квантовой механики сохраняет известную актуальность и этим не следует пренебрегать. Значительная, если не подавляющая часть критиков квантовой механики не удовлетворена вероятностным характером части ее предсказаний. При анализе микроявлений они желают вернуться к классическому детерминизму и узнать, куда именно попадает каждый электрон в известных дифракционных опытах. Естественно желание исследователей объяснить все живое на основе уже известной физики. Гинзбург говорит [14], что переход от молекул и их комплексов к простейшим организмам, их воспроизводству можно себе представить. Но здесь имеется какой-то фазовый переход. Проблема не решена. Отправным пунктом гипотезы служит постоянство величины скорости света (с) в вакууме. Все опыты проводились в пределах Земли.
Многие теории опираются на движение планет, звезд и галактик в системе Вселенной. Космические тела, под действием сил тяготения, совершают свой ход миллиарды лет по одной и той же орбите. Насколько реалистичны постулаты, признанные научным миром? Никто же не предполагает, что в ядре универсума работает «perpetuum mobile». Чтобы заставить космические тела совершать орбитальные и вращательные движения, мирозданию потребуется невообразимый источник энергии. Небесная механика рассматривает движение материальных тел в пустоте. Предположим, что между звездами и планетами пустой космос. В данном случае перед физиками возникает ряд сложных вопросов. Какая сила удерживает орбиты космических объектов в одних и тех же точках пространства? Современная теория тяготения не может дать разумное объяснение устойчивому положению массивного тела в плоскости эклиптики и отсутствию действия силы тяжести в других направлениях. Закрадываются сомнения в достоверности действующих положений современной теории о движении звездных систем в мироздании. Будет большой скандал, если выяснится, что на протяжении сотен лет научная парадигма, принятая за основу ошибочна. В данный момент времени в разоблачение трудно поверить, но вероятность события не так мала, как может кому-то показаться сейчас.
От ложных законов естествознания отходят вторичные законы, которые подобно кроне дерева расширяют область заблуждений. Достаточно разоблачить одну господствующую вымышленную закономерность и вера в натуральность знаний современной науки будет подорвана. Образ мнимых достижений лопнет и откроется ящик, из которого вывалятся псевдонаучные теории. Истинное знание, скрытое под спудом, разорвет порочный круг и вырвется на свободу. Подобные события происходили в прошлом, зреют в настоящем и обязательно свершатся в будущем. Задача подлинной философии заключается в том, чтобы разоблачать теоретические бессмыслицы. Чем дольше фальшивые теории сохраняют главенствующее положение, поддерживая конструкцию ложного знания, тем серьезней будут последствия от ее стремительного крушения.
2. Истечение заряженных частиц из катода
Представление о структуре электрона развивалось постепенно. Иоганн Риттер в 1801 году высказал мысль о дискретной, зернистой структуре электричества. В 1820 году датский физик Х. Эрстэд установил связь между электричеством и магнетизмом. В этом же году французский физик А. Ампер впервые объединил электричество и магнетизм и сформулировал законы взаимодействия электрических и магнитных полей. В 1831 году английский физик М. Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. В начале 1859 г. Ж. Плюккер исследовал спектры разреженных газов в трубках Гейслера. Он обнаружил, что с понижением давления воздуха в трубке до 1 мм ртутного столба «фарадеево темное пространство» увеличивается, а свечение вокруг катода становится более протяженным [15]. К концу XIX века были установлены следующие закономерности: 1) лучи испускаются катодами, когда через разреженное пространство трубки проходит ток; 2) лучи распространяются прямолинейно; 3) лучи отклоняются магнитным полем. В 1895 г. Плюккер сообщил об опыте, который доказывал, что катодные лучи переносят отрицательный электрический заряд.
Большой вклад в изучение катодных лучей внес английский физик сэр У. Крукс. При пропускании тока довольно высокого напряжения через атмосферный воздух, заключенный в трубке длиной 1520 см при нормальном давлении, не наблюдалось ни искрового, ни тлеющего разряда. Ученый провел эксперименты с электрическим разрядом в трубках при низких давлениях газа. Достаточно было удалить часть воздуха из трубки, в ней начинался тлеющий разряд при неизменной разности потенциалов и при отсутствии внешних ионизаторов. Крукс наблюдал свечение стеклянной трубки при очень низких давлениях газа. Цвет сияния зависит от химической природы газа. Сияние прерывалось темными полосами. Эти полосы были особенно заметны при давлении приблизительно в одну тысячную атмосферы. Создавая в трубке высокую степень разреженности, ученый мог изучать темное пространство, которое при таких условиях появляется между катодом и катодным свечением. Согласно Круксу, пространство остается темным потому, что столкновение и свечение происходит в светлом пространстве. Он полагает, что частицы начинают светиться только после столкновения с другими частицами, в результате которого они теряют часть своей скорости. Крукс сумел доказать, что катодные лучи, ведут себя как электрические токи и оказывают механическое и тепловое воздействие на препятствие. В 1879 году английский физик У. Крукс рассматривал катодные лучи, как молекулярную лавину. Он обнаружил, что два соседних пучка катодных лучей отталкиваются; позднее отклонение лучей объяснили причинами, не связанными с взаимным отталкиванием. Ученый говорил о катодных лучах как о «четвертом состоянии» материи (плазмы). На основании результатов опытов у него сложилось впечатление, что имеет дело с частицами материи, лежащими в основе физики Вселенной [16, с. 150].
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 1000015000 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, k
1
k2
m1
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.