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.
Известно высказывание Аристотеля о возникновении и уничтожении: «Нелепо думать, что возникшему необходимо сейчас же погибнуть и не просуществовать ни малейшего времени; и отсюда может возникнуть уверенность и в отношении других [изменений]: ведь природе свойственно сходное поведение во всех случаях» [44, 201b]. Открытие положительных элементарных зарядов (позитронов) ложная интерпретация результатов наблюдений. Дирак не объясняет причину перехода электрона из состояния движения с положительной энергией в состояние движения с отрицательной энергией. Отрицательная (мнимая) энергия не подтверждена экспериментальными исследованиями. Можно сказать, что в основе физического явления отсутствует реализм и философский смысл. На деле получается так, что Дираку не надо доказывать существование отрицательной энергии и движение частиц со скоростью света. А испытанные веками классические теории физики и законы движения, мы должны принимать как уступки с его стороны. Нобелевский лауреат манипулирует математическими уравнениями и правилами, искажает смысл явлений и процессов, сопровождает их не адекватными и противоречивыми выводами. Теоретик проявляет недостаточную осторожность, выступая с научными обобщениями, когда пытается предугадать новую частицу. Методологический принцип гласит: «Не следует привлекать новые сущности без необходимости». Мы считаем, что возмущение среды, в которой движется заряд, бездоказательно принимается за волновую природу электрона.
Анализируя уравнения перехода электрона из некоторого состояния в состояние с равной энергией, при котором испускается квант света, В. Паули рассмотрел [45] процесс и применимость уравнения релятивистского электрона. По мнению ученого формула содержит скачки от +mс
2
mс2
Занимаясь орбитами электрона в атоме на протяжении двух лет, Дирак пришел к выводу, что они не подчиняются общей квантовой механике. В это время Гейзенберг предложил матричную механику. Физику-теоретику было ясно, что ключом к решению проблемы служит некоммутативная алгебра. Автор будущей теории стремился вывести уравнение, которое даст объяснение спину и будет правильно описывать поведение релятивистского электрона во внешних силовых полях. С помощью преобразований уничтожились неугодные бесконечности. Дирак признает, что ранее в физике не было такой ситуации, чтобы уравнения были написаны до того, как стал известен путь их интерпретации. Накладывая ограничения на свойства частиц и подвергнув квантовую механику релятивистскому обобщению, Дирак вывел из теоретических соображений заключение о свойстве частицы. Возникла проблема с физической интерпретацией тех результатов, которые получались с помощью новых уравнений. В простейших задачах существовали специальные правила интерпретации. Например, в матрице, описывающей энергию частицы, ее диагональные элементы описывали энергетические уровни. Дирак признает, что это было специальное предположение и оно «работало». Исправляя бесконечности с помощью правил перенормировки, ученые приходят к результатам, с очень высокой степенью точности согласующимися с данными наблюдений. Этот результат удовлетворял большинство теоретиков. Возражение, что не должны пренебрегать бесконечными величинами, ученым не нравилось. По этому вопросу у Дирака с большинством физиков-теоретиков обнаружились разногласия: «Общая идея перенормировок совершенно разумна физически, но тот способ, которым она используется здесь, неразумен, поскольку множитель, связывающий первоначальные параметры с новыми их значениями, бесконечно большой. Тогда это уже совсем не математически осмысленная процедура!» [34]. Вспоминания о построениях релятивистской теории электрона спустя 50 лет, Дирак заявил: «Я, действительно, провел всю свою жизнь в попытках найти лучшие уравнения квантовой электродинамики и до сих пор безуспешно, но я продолжаю работать над этим. Любая работа, которая ведется в этом направлении, должна основываться на разумной математике». Можно критиковать английского физика и созданную им теорию, но сам он заслуживает уважения, как преданный науке ученый, понимающий допущенные перекосы.
В начале XX века было две теории частиц, обе были «релятивистски-инвариантными, обе находились в согласии с требованиями теории преобразований». Одна из них применялась к частицам (бозонам) с нулевым значением спина, подчинявшимся статистике Бозе, а другая к частицам со спином h/2, подчинявшимся статистике Ферми [34]. Теория Ферми применима к электронам и к другим частицам со спином h/2, например, к протонам. В обеих теориях появляются потенциалы, соответствующие внешнему полю. Превратив эти потенциалы в динамические переменные, подчиняющиеся соответствующим коммутационным соотношениям, математики посчитали, что оперируют с квантованным полем излучения, взаимодействующим с ансамблем частиц. Попытки решить волновое уравнение Шредингера, всегда заканчивались неудачей, т. к. приводили к бесконечностям. Американский физик У. Ю. Лэмб, лауреат Нобелевской премии по физике 1955 года, показал, что бесконечности можно устранить с помощью процесса перенормировки. Перенормировка предполагала, что «параметры е и m, появляющиеся в первоначальных уравнениях, не совпадают с физически наблюдаемыми величинами». Такая теория, по мнению Дирака, плохая. Он настаивал на этом все время, но большинство физиков было настроено на то, чтобы удовлетвориться такой теорией и работать с ней. Они говорили: все, что необходимо физику это иметь какую-то теорию, дающую результаты, согласующиеся с наблюдениями. Оправдывались тем, что у них нет лучшей теории.
Не понимая философию материального мира, одни сочиняют, другие принимают, восхваляют и продвигают теории с псевдонаучными физическими закономерностями. Выступая в 1933 г. с речью, по случаю вручения Нобелевской премии, Дирак высказал идею, которая по настоящее время господствует в теоретической физике: «Я хочу описать здесь общие черты теории электронов и позитронов, показав, каким путем можно вывести свойства спина (вращения) электрона и заключить о существовании позитронов с подобными же свойствами спина, способных притом уничтожаться при столкновении с электронами». Британский ученый продемонстрировал отсутствие глубоких философских знаний в понимании сущности материи. Он заявляет: «Для интерпретации некоторых новейших экспериментов необходимо предположить, что частицы могут создаваться и уничтожаться» [35]. Не существует доказательства того, что можно создавать что-либо из ничего, как и способа полного уничтожения материи. Предполагают, что закон сохранения материи сформулировал М. В. Ломоносов: «Все встречающиеся в природе изменения происходят так, что если к чему-либо нечто прибавилось, то это отнимается у чего-то другого. Так, сколько материи прибавляется к какому-либо телу, столько же теряется у другого» [48]. Древние философы высказывались еще более категорично о неуничтожимости материи.
Застой в науке начал проявляться на рубеже XIXXX веков. Исследования американского ученого Д. Прайса показали, что расходы на науку в США растут пропорционально квадрату числа ученых, или четвертой степени числа ведущих ученых. Он пришел к заключению: прирост истинных знаний составляет все меньшую и меньшую величину, так как происходит процесс обесценивания науки за счет работ, не несущих нового знания; экспоненциальное увеличение числа научных работников приводит к снижению их творческой производительности по затраченным средствам и тормозит развитие фундаментальной науки [49]. Теряешься, когда думаешь, какое отношение к физике имеют следующие аргументы [43]: «Как следует из общего формализма Гейзенберга Паули, для того чтобы получить рождение и аннигиляцию пар дискретными квантами электрического заряда и энергии, необходимо вторичное квантование». Теория П. Дирака это плод фантазии ума, вероятно, талантливого математика, но слабого философа, не имеющего познаний о устройстве материи и мира. Профессор не решал физическую проблему, а подменял предполагаемые процессы математическими функциями. При создании гипотезы о возможных физических процессах в микромире, физик-теоретик использует математические приемы, избавляющие выводы теории от неопределенностей, связанных с бесконечностями. Умение выстраивать математическими методами гипотезу, не повод признавать силу философских взглядов Дирака. Постулируя теорию электронов и позитронов, Дирак оставил некоторые важные вопросы без ответа, например, что происходит с массой позитрона и электрона при их уничтожении; каким образом, из электромагнитного излучения могут возникать частицы (позитрон и электрон), обладающие массами. Интересно было бы знать, почему такие явления не наблюдаются в природе, не находят подтверждений в научных экспериментах. Общество не обязано признавать научными идеи, несовместимые с объективной реальностью.
4. Противоречивость теории в интерпретации позитрона
Современники недоверчиво отнеслись к теоретическому предсказанию Дирака о положительно заряженной частице (позитроне). Ее существование следовало из решений математических уравнений при выводе релятивистского волнового уравнения электрона. В Калифорнийском технологическом институте с помощью камеры Вильсона в сильном магнитном поле (15000 гаусс) исследовались космические лучи. В 1932 г. журнал Science опубликовал заметку сотрудника американского института, физика Андерсона. Автор сообщил, что в составе космических лучей, проходивших через камеру Вильсона, обнаружены следы необычной частицы. Ученый обратил внимание на непонятный след 1 августа 1932 года. Траектория частицы отклонялась в другую сторону, чем у электрона. К. Андерсон нашел в 1300 снимках 15 таких следов. Полученные данные были проанализированы, ученый пришел к заключению, что обнаруженные частицы «положительно заряженные электроны». Позже их назвали «позитронами». Журнал Physical Review опубликовал 15 марта 1933 г. статью об открытии новой частицы К. Андерсоном.
Следы в пузырьковой камере, от пролетающих частиц, запечатлены на фотографиях, их обычно называют треками. После прохода частицы, линия траектории оставляет «туманный след». В камере Вильсона фотографируют капельки водяных паров, осевшие на ионах. Андерсон устанавливал принадлежность частицы к электрону с положительным зарядом, по оставленному в паровой среде камеры следу. Заключение о том, какого вида частица пролетела через пузырьковую камеру, дают, когда расшифруют след. Частицу связали с космическим излучением. Снимок трека [50] сопровождал текст: «Эта фотография была бы вполне обычной, если бы ее перевернуть вверх ногами». Вывод о положительном электрическом заряде элементарной частицы следовал из траектории следа в камере. Он отклонялся в другую сторону, нежели след от электрона. Длина пробега частицы в верхней половине камеры превышала пробег протона с той же кривизной траектории в заданном магнитном поле (Н = 15000 Гс) не менее 10 раз. Непосредственно из этого трека следовало, что масса частицы значительно меньше массы протона.
След, оставленный в камере Вильсона, был зафиксирован в электрическом поле, при движении заряженной частицы снизу вверх. Откровенно слабы аргументы, доказывающие открытие. Воспользуемся известными теоретическими положениями и будем рассуждать следующим образом. Частица с положительным зарядом должна была прийти южного полушария, прежде чем достичь лаборатории в северном полушарии Земли. Только после этого она могла попасть в камеру, где оставила след. В теории такое проникновение характерно для нейтрино. Нейтрино электрически нейтральные частицы, наблюдать которые очень трудно. Они очень слабо взаимодействуют с электронами и нуклонами и потому практически свободно проходят через огромные толщи вещества. Для задержания нейтрино с энергией 10 МэВ потребовался бы слой железа толщиной не менее миллиарда километров [1, с. 395]. Заметим, что трек возник не сразу у нижней стенки, а начался при приближении к свинцовой пластине, установленной внутри камеры Вильсона. Учитывая тот факт, что частица, подобная электрону, не может прийти из другого полушария, допускаем, что это был электрон, который двигался от дна камеры. Поднимаясь в направлении свинцовой пластины, частица ускорялась, ее скорость и кинетическая энергия увеличивалась. В пузырьковой камере образовался «паровой» след. У физиков накоплена не достаточная экспериментальная база для однозначной трактовки зарядов частиц, движущихся с разных направлений. Трудно определенно заявить, каким путем частица проникла в лабораторию. Одна из составляющих вектора скорости заряженной частицы была направлена вверх. Электрон, двигаясь в обратном направлении, ведет себя как положительный заряд. На основании траекторий частиц, проявляющих положительную заряженность, Андерсон пришел к заключению, что следы оставлены позитронами. Эффект ШтернаГерлаха показал, что испаряемые нагретым катодом нейтральные атомы серебра, при движении узким пучком в магнитном поле, расщепились на две компоненты, смещенные относительно первичного направления распространения [1, с. 213]. Результат опыта ученые объяснили магнитным моментом, которым обладает атом в основном состоянии. С такой же вероятностью можно утверждать, что так могли отклоняться положительно и отрицательно заряженные частички серебра. Однако в данном случае ученые не проводят аналогии с позитроном и электроном.
При бета-распаде спектр энергий испущенных электронов или позитронов является непрерывным, простираясь от Е = 0 до Е = Е
0
Е0
βmэ
Магнитные измерения, проведенные на ночной стороне Земли [52], показали существование геомагнитного «хвоста», вытянутого вдоль направления вектора скорости солнечного ветра. Хвост разделен слоем, в котором напряженность магнитного поля близка к нулю (нейтральный слой). Последующие измерения подтвердили предположение, что геомагнитный слой простирается за орбиту Луны. Выше и ниже нейтрального слоя силовые линии параллельны и имеют взаимно противоположные направления. Космические частицы перемешаются на большие расстояния и не затрачивают энергии, когда перемещаются вдоль силовых линий поля. Ученых разочаровывает невозможность пересечения заряженными элементарными частицами плоскости геомагнитного экватора, проникновение частиц со стороны северного полушария в южное полушарие, или наоборот. Немецкий ученый Э. Брюхе провел лабораторные модельные опыты, чтобы понять траектории частиц, идущих от Солнца. Земное магнитное поле было представлено в модели электромагнитом, заделанным в медный шар. Поле такого магнита хорошо совпадало с полем диполя и соответствовало теоретическому предположению [53]. Наиболее правдоподобным механизмом образования геомагнитного хвоста, ученые сочли проникновение плазмы солнечного ветра на ночную сторону и последующее вытягивание силовых линий потоком.