Поскольку далее излагается мое личное мнение, я позволю себе опускать вводные слова и сочетания следующего смысла: "по-моему", "я думаю", "мне кажется", кроме тех случаев, где необходимо внести окраску сомнения. То, в чем я уверен, я не буду каждый раз в обязательном порядке снабжать оговорками. Моя уверенность в истинности того, о чем я пишу, опирается на законы логики. Но законами логики можно опровергать или доказывать что-либо лишь в том случае, когда эти законы и исходные положения трактуются автором и слушателями одинаково.
Например, с помощью законов логики нельзя доказать, что истина подчиняется законам логики. Однако логика - есть инструмент для постижения разумом истины. Те, кто с этим не согласны, могут далее не читать. Мир прост и логичен, это одна из аксиом, принимаемых мной. Сложность мира есть результат совместного действия нескольких простых законов. Данный взгляд не только противоречит теории относительности, но он также провозглашен как основа этой теории. Сам Эйнштейн всю свою жизнь стремился свести законы физики к законам геометрии именно потому, что геометрия - точная и доказательная наука, которая развивается сама из себя непротиворечивым образом, исключительно на основе законов логики. Ему этого не удалось.
Именно поэтому доказательства теоремы Пифагора принимаются всеми без исключения. Именно поэтому доказательства основ теоретической физики остаются спорными. До сих пор нет согласия в правильности применения законов логики и в правильности исходных положений в этой науке, поэтому для того, чтобы продвинуться вперед на маленький шаг, в чем, собственно, и состоит мое намерение, приходится возвращаться к пересмотру первооснов.
Ссылку на авторитеты в науке я не считаю доказательством, однако, дабы избежать обвинения в плагиате, я буду упоминать авторов тех или иных мыслей, которые созвучны моим, и первоисточник которых мне известен. Так, например, утверждения Аристотеля о методах логики для меня справедливы не потому, что это написал Аристотель, а потому, что я с ними согласен. Что же касается естественных наблюдений Аристотеля, то я вовсе не считаю необходимым полагаться на его наблюдательность. Широко известен исторический анекдот о том, что вплоть до одиннадцатого века естествоиспытатели приписывали мухе не то количество лап, которое у неё имеется, а то, ошибочное, которое указал в одном из своих трудов этот великий муж. Однако нашелся человек, который поймал муху и пересчитал у неё лапы. Перед такими людьми я снимаю шляпу. Авторитет - вещь хорошая, однако, доверяй, но проверяй. Аристотель полагал Землю центром Вселенной и здесь он нам не авторитет.
Если мне принесут блюдо, которое отвратительно воняет, то ничей кулинарный авторитет не заставит меня его отведать. Если же мне предложат блюдо, съедобное на вид, но авторитетно сообщат, что оно отравлено, я не стану его пробовать. Если вопрос съедобности важен, я испытаю его свойства на малоценных животных, специально для этих целей выращенных в лаборатории. Так же я отношусь и к знаниям: если я способен самостоятельно убедиться в ошибочности или бесполезности некоторого суждения, никакой авторитет меня не убедит в его правильности. Если же мне представят доказательства того, что чувства меня обманывают, я готов исследовать вопрос так глубоко, как это окажется возможным.
Тех, кто, так же как и, я считает, что законы логики - это достаточный инструмент для анализа любой науки, я приветствую и приглашаю к чтению.
Теоретическая физика - подвид философии. Физика в целом - экспериментальная наука. Теоретическая физика перестает быть философией, когда изобретает эксперимент, результаты которого предсказываются разными из двух доселе равноправных теорий.
Уподобление физики философии не принижает её. Философия - это система взглядов на науку. Те, кто её чураются, на самом деле тоже исповедуют ту или иную философию. Невозможно исследователю или теоретику быть вне философии. Те, кто четко определяют свою философскую позицию, отличаются от тех, кто философией пренебрегает, как отличается турист, имеющий карту местности и компас, от блуждающего вслепую путника. Философия - система взглядов на основы бытия и законов природы, на законы логических (в том числе и математических) доказательств.
Математика - всего лишь часть формализованной логики. Люди склонны верить математике, но порой не требует логичности теории. Это - большая ошибка. Теория, в которой нарушается логичность, это уже не теория, а набор фактов и допущений. Теория должна быть логичной, поскольку теория должна не перечислять, а объяснять. Теория, которая перечисляет, не есть теория. Теория, которая объясняет не всё, тоже не является теорией. Ни одна теория не может объяснить всего, но круг того, что принято без объяснений, должен быть четко ограничен. Чем меньше необъясненного, тем теория совершенней. Но совершенство теории не есть критерий её истинности. Об этом мы тоже поговорим ниже.
Теория должна объяснять неизвестное явление суммой известных объектов и связей между ними. Объяснение любого парадокса должно быть единственным. Два объяснения одного явления равносильны отсутствию хотя бы одного объяснения. Свет не может одновременно быть веществом и волной, поскольку волна и поток вещества - различные явления. Если мы говорим о том, что свет частично обладает свойствами волны, а частично - свойствами вещества, то это означает, что мы не имеем понятия, что такое свет.
Аристотель в "Метафизике" пишет, что если мы о чем-то говорим, что это - человек, а другое - есть лошадь, то мы одновременно о первом говорим, что это не есть лошадь, а второе не есть человек. Здесь лошадь и человек - понятия взаимоисключающие. Если мы о чем-то скажем, что это немножко лошадь, и немножко человек, то мы, таким образом, говорим, что это и не лошадь, и не человек, а что-то иное. То есть либо мы не знаем, что это на самом деле (а в действительности это либо человек, либо лошадь, но мы ошибаемся относительно этого существа), либо это что-то, чего мы на самом деле не знаем (а значит, ни определение "человек", ни определение "лошадь" не являются истинными). Аристотель же приводит пример иного свойства: если мы определили понятие "черное" и "белое", то, утверждая про что-либо, что оно и не черное и не белое, либо немножко черное и немножко белое, мы вводим новое понятие, промежуточное. В данном случае это понятие означает "серое".
Здесь необходимо добавить, что существуют понятия количественные и качественные, и если количественные понятия могут содержаться в различных пропорциях в одном свойстве, то качественные понятия такой возможности не предоставляют. Если мы качественные понятия применяем как количественные, значит, произошла подмена этих понятий. Значит, надо признать, что появилось новое понятие, о котором мы понятия не имеем. Если мы говорим, что нечто является немного человеком и немного лошадью, то нам надо вводить новое понятие, допустим, "кентавр", и описывать это понятие. Тот, кто видел человека и видел лошадь, никогда не сможет представить, что предполагает понятие "получеловек - полу-лошадь". Если это понятие дополнить тем, что у данного существа тело, как у лошади вплоть до шеи, а далее там, где должна быть шея, начинается торс человека, и выше торса это существо есть человек с руками, плечами, шеей и головой, и это существо может скакать, как лошадь и разговаривать, как человек, то мы дали новое понятие. Но это новое понятие не просто среднее из двух предыдущих, а довольно сложный синтез, выполненный по определенным законам.
Если вспомнить другое мифическое существо, минотавра, то оказывается, что он в синтезируется по иным законам, в корне отличающимся. Здесь берется туловище человека и голова быка. Если в первом случае получалось четыре звериных ноги и две руки, то здесь получаются человеческие конечности: по паре рук и ног. Оказывается, что способ формирования синтетического названия не отражает этой разницы. Чтобы пользоваться предыдущим правилом, минотавра следовало бы назвать тавроминосом, но тогда к шее человека надо было бы приставить торс быка, и получилось бы совсем иное существо. Итак, мы видим, что объявление о двуединой сущности чего-то почти не проявляет природу этого явления, соединение несоединимых понятий требует синтетического описания (то есть соединительно-разъединительного), а без него не является полной теорией.
Если мы говорим, что свет является частично волной, частично - корпускулярным потоком, следует указать, каким образом эти свойства сочетаются в этом явлении, и каким противопоставляются, а также каким образом само явления знает, когда какие свойства проявлять. По сути, мы должны дать совсем иную модель, которая не является ни волной, ни потоком корпускул, так же как кентавр не является ни человеком, ни лошадью.
Что мы ждем от теории? Ясной модели, которая позволила бы, зная исходные явления или сумму простых движений, предсказать, рассчитать через причинно-следственные связи дальнейшее развитие системы или сложное явление. Если мы наблюдаем дождь, мы лишь пополняем свой опыт. Если мы на основе теории движения воздушных потоков предсказываем дождь, наша теория верна. Если мы предсказываем дождь по боли суставов, мы можем предсказывать довольно верно, однако данные предсказания не опираются на теорию. Боль в суставах не является причиной дождя. И даже если перед каждым дождем у нас болят суставы, а далеко не всегда наши природные наблюдения дадут верный результат, всё же в первом случае мы имеем дело с опытом, а во втором - с теорией. Теория может ошибаться, если не учтены некоторые факты, и уточнение теории состоит во введении необходимости уточнения этих фактов.
Если теория Ньютона в ряде случаев оказалась не верна, она не перестала быть теорией. Уточнение её следует производить внесением новых фактов, новых правил учета отличия реального положения вещей от их идеализированной модели.
Важно ещё провести грань между наукой теоретической и наукой экспериментальной. Математика потому признается точной наукой, что всё в ней неопровержимо. Неоспоримость математических гипотез основана на их абстрактности. Математика не имеет дела с конкретными объектами, а лишь с их числом. Геометрия не связана рассмотрением реальных тел: куба, шара, пирамиды. Геометрия сама устанавливает, что она называет кубом, шаром и пирамидой. Мы не можем точно знать, кто отравил Моцарта, и отравил ли его кто-нибудь. История утверждает, что реальный человек, композитор Сальери, не мог этого сделать. Но мы достоверно знаем, что героя драмы А.С. Пушкина, композитора Моцарта, отравил другой литературный персонаж, завистник Сальери. Если мы будем говорить о чертах характера исторического лица Сальери, мы будем далеки от истины, мы впадаем в фантазии. Если мы станем обсуждать характер литературного персонажа драмы А.С. Пушкина, мы не впадем в ошибку относительно его завистливости и преступных склонностей, ибо из текста нам это известно достоверно. Эти два Сальери вовсе не идентичны. Сведения об одном из них дали толчок для создания другого. Так сведения о множестве пирамид, кубов, шаров, позволили ввести понятие этих геометрических тел, о которых известно абсолютно всё, и эти сведения предельно достоверны. Аксиоматика геометрии должна быть предельно понятна всякому, кто её изучает, не требовать доказательств, и она должна быть предельно лаконичной. Всё, что можно доказать, не следует принимать на веру. Если хоть одну аксиому изменить, или изъять, или добавить, то получится иная математика, которая может быть верной или не верной в своей области применений.
Этого не происходит в физике. Физика не базируется на аксиомах. В начале физики лежит не ограниченное количество допущений, а бесконечное множество экспериментов, результаты которых могут быть отнесены к фундаментальным знаниям, список которых постоянно пополняется. В геометрии нам не надо знать все треугольники, чтобы знать все свойства треугольников. В физике всё не так. В настоящее время знание спектров излучения молекул и атомов целого ряда веществ и соединений не позволяет прогнозировать ни один спектр излучения других веществ до той пор, пока это излучение не подвергнется анализу. Зная из экспериментов конкретные пики поглощения и люминесценции, теоретики подыскивают математическое описание к их форме, но прогнозировать спектр на основании модели света и модели полевого взаимодействия электронов и ядер пока что науке не удалось. Если такое будет осуществлено, целое научное направление под названием спектроскопия превратится в простое коллекционирование картинок. Какой смысл осуществлять эксперимент, результат которого можно вычислить с высокой точностью? Разве кому-нибудь придет в голову повторять опыты Галилея, бросавшего шарики с Пизанской башни? Теория дает достаточные сведения для прогноза результата. Нам не надо изучать все бильярдные шары, чтобы спрогнозировать их траекторию по известным скоростям и положениям. И, хотя, каждая конкретная траектория будет отличаться от расчетной, в силу порывов воздуха и иных причин, нас не интересует ни одна из этих точных траекторий, а важнее для нас правило вычисления наиболее вероятной, ожидаемой траектории.
Лишь тогда мы сможем утверждать, что изучили природу света, когда сможем предсказать спектр поглощения и излучения любого вещества, заглянув в таблицу Менделеева. Ведь сам процесс излучения данным атомом определяется не табличными данными и не сложными формулами, а простыми явлениями внутри атома, которые просто для каждого атома характеризуются различными начальными условиями. Таблица энергетических уровней не предписана каждому атому, а получается автоматически, как автоматически появляются круги на воде от брошенного камня. Поверхность воды не знает законов распространения волн. Просто отдельные атомы воды движутся под действием сил и инерции.
Чем же теоретическая физика невыгодно отличается от геометрии? Почему на ней лежит проклятье несоответствия сложнейшего математического аппарата и той неведомости результата? Всё дело, видимо, в том, что методы логики и индукции не терпят ни малейших допущений. Если исходные знания абсолютно точны, то все следствия, выведенные логически, также абсолютно точно. Если же исходные сведения точны с некоторым приближением, то тем дальше мы будем выводить из них логические следствия, тем далее они будут удаляться от истинной картины вещей.
Яркий пример. Можно ли, наблюдая смещение зайчика от звезды, предсказать наличие тепловой смерти Вселенной, а также её зарождение и неуклонное расширение? Оказывается, можно. И оказывается, ошибочно!
Наблюдение Майкельсона заставило весь мир принять гипотезу постоянства скорости света, не зависимо от системы отсчета. Основанная на этом теория Эйнштейна заставила весь мир принять ограниченность скорости всех реальных объектов. Ограниченность скорости всего сущего, включая свет в вакууме, неизбежно заставляет вывести существование черных дыр. Действительно, мы знаем, что астрономические тела притягивают более малые объекты, увеличивая, таким образом, свою массу. Чем масса больше, тем притяжение сильнее. Значит, масса всех тело должна неуклонно возрастать. Из законов механики следует, что тело может покинуть орбиту астрономического объекта, если движется с первой космической скоростью, которая для данного объекта зависит от его массы и близости траектории к центру масс. Если масса тела растет, то область захвата других тел для каждой скорости растет. Аналогично, для данного радиуса растет скорость, которая необходима телу, чтобы покинуть орбиту данного объекта. Поскольку время существования небесных тел не ограничено (по крайней мере, нет пока причин указывать на то, что Вселенная существует не вечно), то весьма древние и большие объекта вполне могут накопить сколь угодно большую массу. И тут количество переходит в качество. Масса объекта заставляет его поверхность ещё сильнее прижиматься к центру, радиус объекта уменьшается, скорость, которая необходима телу вблизи поверхности этого объекта, чтобы покинуть его, увеличивается до тех пор, пока не становится равной скорости света. В силу того, что большей скорость быть не может, данный объект приобретает фатальную необходимость падения на тело столь огромной массы. Это тело ещё далее увеличивает свою массу, и оно уже называется "черная дыра", поскольку даже свет не может, якобы, покинуть пределы притяжения этого объекта. Что будет дальше с черной дырой? Конечно же, она будет расти всё дальше и дальше! Но ведь это означает, что радиус её захвата должен увеличиваться всё больше и больше. Причем - внимание! - этот процесс имеет положительную обратную связь. Чем больше масса, тем быстрее растет радиус захвата, тем быстрее скорость увеличения массы, тем быстрее скорость увеличения радиуса захвата, и так далее. Стало быть, черная дыра - не стационарное явление, а нечто, поглощающее вокруг себя всё и вся с возрастающей скоростью! Это вам не какая-нибудь ядерная или даже термоядерная бомба! Это нечто похуже. Эта штучка способна единым махом поглотить галактику, а там, глядишь и всю Вселенную - что ей мешает?
Вот, стало быть, как мир устроен. Ну, отсюда не долго договориться до первотолчка. Дескать, когда вся Вселенная сожмется до размеров точки, то она возьмет да и разлетится обратно. А что ей ещё делать? Не вечно же точкой оставаться! Вот, оказывается, почему она сейчас расширяется. Сначала, стало быть, она сжалась, не иначе, как под действием особо большой и потому противной черной дыры, а теперь, глядишь, разлетается. Ну, не вечно ей, конечно, разлетаться. Найдется новая черная дыра и снова всё проглотит.
Ай да Майкельсон с Эйнштейном! Вот так страшилки на ночь!
Только вот, во-первых, Майкельсон-то вовсе даже и не при чем. Он ведь теории не строил на основе эксперимента, он все пытался ещё какой-нибудь эксперимент выдумать и осуществить, чтобы точнее скорость света померить. А вот об Эйнштейне разговор особый. Ведь про скорость света это он придумал. Да, дорогой читатель, придумал, именно так - не доказал, а придумал.
Разве из опыта Майкельсона следует, что скорость света - предельная для всех объектов? Ничуть.
Это Эйнштейн вывел из того, что у него в знаменателе стояло неудобное выражение, которое приобретает нулевое значение, если скорость тела равна скорости света. А на ноль, как известно, делить нельзя. А почему нельзя? Мама запретила? Отругает, по попке нашлепает? Видимо, так.
Если ноль в знаменателе стоит, это вовсе даже не значит, что ужас произошел. Это Эйнштейн ужаснулся. И сказал: "Случай v=c мы не рассматриваем, поскольку при этом в знаменателе получаем ноль, и данное выражение теряет смысл". Что-то в этом духе. А далее, чтобы каждый раз оговорку не делать, он записал, что v меньше или равно c. И назвал с предельной скоростью. Это название само из этого неравенства следует. Простая математика. Не более того. А потому это название закрепилось, да так и пошло. И даже стали утверждать, что эксперимент эту гениальную догадку подтверждает.
А эксперимент как раз наоборот не подтверждает эту догадку, а напрочь разбивает. Да это же общеизвестные результаты! Вспомните: время жизни частицы, помноженное на скорость света дает некоторую длину её траектории, а мы на пластинке видим траекторию существенно и достоверно более длинную. Но это физиков не пугает, мы от святого не откажемся, мы введем поправку, и время в системе частицы по-другому сосчитаем. Вот вам и сошлось все, вот вам и подтверждение теории.
Да никакое это не подтверждение. Это называется подстановка под известный ответ.
Вот вам ещё пример. Эффект Хаббла называется. Чем дальше находится астрономический объект от нас, тем больше смещение его спектра излучения. Равноправны две гипотезы: либо эти тела от нас удаляются, либо свет постепенно теряет свою скорость. Что следует предположить? Давайте представим, что некоторый мыслитель вдруг подумал: "А не теряет ли свет постепенно свою скорость? Вдруг теряет? Дай-ка я придумаю эксперимент, по результатам которого я смогу дать ответ на этот вопрос!" И если этот мыслитель не совсем глупый будет, то он вспомнит, что свет от далеких звезд до нас доходит с большим опозданием, и чем дальше звезда, тем больше опоздание. Стало быть, если свет свою скорость теряет, то чем звезда дальше, тем и скорость света от нее меньше. А как измерить скорость света от звезды? Разумеется, по сдвигу спектра в интерферограмме. Вот этот мыслитель бы организовал эксперимент и увидел бы, что сдвиг в спектре имеется, и сделал бы он открытие о том, что свет, оказывается, замедляет свою скорость по мере распространение. Немного замедляет, капельку, но эту величину, оказывается, можно измерить. Достоверно измерить.
Но такого мыслителя, к сожалению, не было, а к тому времени, когда эффект Хаббла обнаружили, мир уже поверил Эйнштейну, что скорость света всегда и везде в вакууме постоянная. Значит, Вселенная наша расширяется. И ведь вот как интересно-то: Вселенная расширяется, каждая частичка её разлетается, даже атомы и молекулы постепенно увеличивают расстояние между ними, а скорость света остается постоянной. Вот ведь какая она непослушная и верная самой себе.
Постойте-ка. А чем измеряли скорость света? Ну, как же, скажут физики, ведь интерферометрами измерили. А интерферометры-то тоже того. Как и Вселенная! Из материалов реальных состоят. И они бы должны бы тоже расширяться. И, значит, не могли мы намерить постоянство скорости света, если пользовались линейками, длина которых меняется. Ну, это не беда - скажут физики - мы ведь не долго измеряли. За это время интерферометры не успели сильно изменить свою длину.
Но постойте-ка! Если за это время интерферометры не могли изменить свою длину, то и скорость света не могла бы изменить свою длину за это самое время, если она как раз меняется, а не интерферометры эти! Значит, результаты измерения скорости света никакого отношения не имеют к прогнозам о том, как она себя ведет на расстоянии. Эти результаты не к тому пришиты. Значит, нет у нас оснований утверждать, что скорость света не затухает во времени.