Вместо предисловия
«И было много-много дум,
И метафизики, и шУмов…
И строгой физикой мой ум
Переполнял профессор Умов.
Над мглой космической он пел,
Развив власы и выгнув выю,
Что парадоксами МаксвЕлл
Уничтожает энтропию,
Что взрывы, полные игры,
Таят томсОновские вихри,
И что огромные миры
В атОмных силах не утихли…»
Андрей Белый, ученик Умова
* * *
С августа1987 года, судя по читанной литературе, у меня произошел возврат к истории физики, далёкой и не очень. Открылось много интересных фактов, идей, разработок. Не поделиться с ними, думаю, было бы ошибкой. Знакомлюсь со сборником статей «Исследования по истории физики и механики», но уже выпуском 1985 года. Работа А. Т. Григорьяна «Начальный этап развития классической механики». И снова идеи старика Декарта. Чтобы не заниматься утомительной компиляцией, приведу выписку из статьи Григорьяна целиком, так как в ней всё представляет интерес.
«На ранних стадиях развития механики тяжесть рассматривалась по большей части как некое свойство самого тяжелого тела, а не как результат воздействия чего-то внешнего (например, притяжения другим телом). Действие тяжести могло изменяться от взаимодействия с другими факторами. (…)
Совершенно иной характер приобретало понятие тяжести в картезианской физике, где все физические различия и процессы в конечном итоге должны были быть сведены к форме и величине тел и их движению. В картезианской физике сила тяжести оказывается результатом воздействия окружающих тел, а именно результатом движения тончайшей небесной материи. Поэтому в принципе становятся возможными «невесомые» тела.
«Согласно моему мнению, – писал Декарт Мерсенну, – тяжесть заключается не в чём ином, как в том, что земные тела в действительности толкаются к центру Земли тонкой материей». По Декарту, представление о том, что материи как таковой свойственна тяжесть, что всякой материи присуще сопротивление пространственному движению, основано на предубеждении наших чувств. Тяжесть, по Декарту, есть результат вихревого движения частиц тонкой материи (первого элемента), своего рода эфира, вокруг центра Земли; благодаря этому движению более крупные и более грубые частицы того вещества, которое Декарт называл землистым, или третьим элементом, обладающие более медленным движением, вынуждены (поскольку пустота невозможна) заполнять место удаляющихся к периферии частиц тонкой материи, и это создаёт впечатление, будто тело, состоящее из землистых частиц, стремится к центру Земли.
Гюйгенс, развивший после смерти Декарта подобную же кинетическую теорию, так сформулировал её принцип: «Вот в чём, вероятно, заключается тяжесть тел, – можно сказать, что это есть усилие тонкой материи, обращающейся вокруг центра Земли по всем направлениям, удалиться от этого центра и толкать на своё место тела, не следующие за этим движением». (…)
Декарт предвидел возражения против своей гипотезы: центробежная сила нормальна к оси вращения, следовательно, нормальна к ней и центростремительная сила. Поэтому тяжесть должна была бы быть направлена не по радиусам к центру Земли, а по нормалям к земной оси, так, что на экваторе она была бы максимальной, а на полюсе – бесконечно малой, будучи направлена по касательной к земному шару. Декарт попытался найти выход из затруднения, предположив, что частицы тонкой материи движутся по всем направлениям и в каждой точке сферы равнодействующая оказывается направленной по радиусу. Точно также Гюйгенс заменил цилиндрический вихрь Декарта сферическим, предполагая, что частицы тонкой материи движутся по всем возможным направлениям вокруг Земли. (…)
Очень важно указание Декарта на то, чем измеряются «сила пребывать в покое» и «сила продолжать своё движение с той же скоростью и в том же направлении». «Судить об этой силе следует по величине тела, в котором она заключена, по поверхности, которой данное тело отделяется от другого, а также по скорости движения и по различным способам, какими сталкиваются различные тела».
Весьма поучительны и показательны в этом пункте позднейшие суждения Н. Мальбранша, воспитанного в атмосфере картезианских идей. Мальбранша не удовлетворяла та концепция Декарта, которая сводила твёрдость тела к простому покою его частиц. Он прямо и открыто говорил о заблуждениях Декарта. По словам Мальбранша, «этот великий человек» считал, что покой имеет такую же силу, как движение, а потом «стал измерять действие силы покоя по величине тел, находящихся в покое».
Для объяснения связанности частиц твёрдого тела мало одного покоя этих частиц, нужно, полагал Мальбранш, прибегнуть к представлению о движении тонкой материи, окружающей и сжимающей частицы тела. «Мне кажется ясным, – писал он, – что всякое тело само по себе бесконечно мягко, потому что покой вовсе не имеет силы сопротивления движению, а потому часть тела, испытывающая больший толчок, чем соседняя с ним, должна отделиться от неё. Таким образом, твёрдые тела являются таковыми лишь благодаря сжатию невидимой материи, их окружающей и проникающей в поры». Это – так называемые «малые вихри», которые впервые именно Мальбранш ввёл в картезианскую физику.
Для Мальбранша причина, в силу которой частицы твёрдых тел так крепко связаны друг с другом, заключается в том, что вне их расположены другие небольшие тела, участвующие в несравненно более сильном движении, чем грубый воздух, который мы вдыхаем, и эти тела их толкают и сжимают. Не их покой является причиной того, что нам трудно разъединить эти частицы, а движение тех маленьких тел, которые их окружают и сжимают. По Мальбраншу, тонкая материя необходимо должна быть причиной твёрдости тел или того противодействия, которое мы чувствуем, когда делаем усилие, чтобы их сломать. В качестве поясняющего примера Мальбранш ссылается на опыты Герике с «магдебургскими полушариями, прижимаемыми друг к другу давлением окружающего воздуха».
Ну разве мысли Мальбранша не созвучны с моими идеями о плотном вакууме, «цементирующим» и объединяющим физический мир в одно целое?! А ведь рождение этих идей разделяет почти триста лет!
Следующая выписка из этого же сборника касается размышлений М. В. Ломоносова о причинах тяготения тел. Ранее в очерке я уже приводил мысли учёного по данной теме, повторяться не стану. Только замечу, что они совершенно в духе идей Декарта и Мальбранша. Чистого притяжения, по Ломоносову, нет, есть тонкая активная материя (эфир), которая и побуждает тела двигаться к центру Земли.
В сентябре 1987 года знакомлюсь с книгой Д. Д. Гуло «Николай Алексеевич Умов» (1971 г.). Это было открытием для меня замечательного русского учёного конца 19 начала 20 века. Приведу обширную выписку из книги Д. Д. Гуло.
«Из различных теорий, стремившихся объяснить электрические и магнитные взаимодействия с помощью посредствующей среды, укажем, например, на теорию Ганкеля. Этот учёный полагал, что наэлектризованные тела представляют собой некоторые вихревые образования в гипотетической среде, наполняющей пространство. Знак электричества определяется направлением вращательного движения в этих вихрях. Явления взаимодействия токов, индукции и т. д. объясняются разнообразными движениями в среде. Однако теория Генкеля и ей аналогичные не оказали влияния на развитие физики. (…)
Умов не ограничился декларированием отрицания дальнодействия только из философских соображений. Он прежде всего физик и поэтому ставит перед собой задачу обосновать «близкодействие» теоретически и показать, что все известные виды взаимодействий на расстоянии могут быть объяснены с позиций близкодействия. Этой целью, имеющей глубокое методологическое значение, был продиктован весь цикл работ Умова 1873 – 74 годов. В первых трёх работах цикла Умов развивает следующие мысли. Для объяснения взаимодействия тел на расстоянии вводится гипотеза об обязательном присутствии и решающей роли промежуточных сред, которые могут быть неощутимыми, ненаблюдаемыми. Любые взаимодействия между телами, любые проявления сил – результат определённых процессов, разыгрывающихся в промежуточной среде, и соответственно этому центр тяжести при исследовании взаимодействия переносится с самих взаимодействующих тел на среду, их окружающую. «Цель предполагаемого труда заключается в сведении явлений взаимодействия тел на конечных расстояниях на явления в среде, их окружающих», – пишет Умов в «Теории взаимодействий… ».
В тесной связи с отказом от идеи дальнодействия находятся взгляды Умова на потенциальную энергию. Общепринятое в науке того времени представление о потенциальной энергии как о механическом эквиваленте работы, которую может произвести рассматриваемая система тел, когда она из данного состояния переходит в некоторое другое, произвольно принимаемое за «нормальное», т. е. по сути дела сводившее энергию к определённому математическому выражению, к некоторой математической функции, не могло удовлетворить Умова. Учёный считал энергию мерой «интенсивности реального явления». «Идея принципа сохранения энергии, – писал Умов, – состоит в том, что в природе, если одно явление теряет интенсивность, должно соответственно возникнуть другое, интенсивность которого в той же мере растёт. Если последнее не имеет места, то это будет равнозначно допущению возможности возникновения энергии из ничего, что не имеет физического смысла.
Сравним закон сохранения энергии с принципом сохранения живой силы. Последний выражает превращение кинетической энергии в потенциальную. Кинетическая энергия есть мера интенсивности реального явления – движения. Далее мы хотим видеть, какому реальному явлению будет соответствовать потенциальная энергия». «На этот вопрос, – указывает Умов, – мы находим в науке лишь один ответ: потенциальная энергия представляет интенсивность реального явления – работы сил… Но идея работы неизбежно связана с идеей какого-либо изменения. О работе силы можно говорить лишь постольку, поскольку точка приложения этой силы находится в движении. Нет движения – нет и работы. Поэтому говорить о работе сил как о явлении, интенсивность которого измеряется потенциальной энергией, после того как вся живая сила исчезла и тело покоится, не имеет смысла, так как в момент покоя нельзя допустить существования того, что может существовать лишь во время движения».
Чтобы нагляднее представить условность обычного понятия потенциальной энергии, Умов рассматривает простой пример. Представим себе камень, подброшенный вверх. Скорость камня будет постепенно убывать и на определённой высоте обратится в нуль. «В какой форме и где существует энергия явного движения камня, им потерянная?» – спрашивает при этом Умов. Показав несостоятельность общепринятого взгляда на потенциальную энергию, учёный приходит к выводу, что единственный ответ на поставленный вопрос, соответствующий «всем требованиям физического решения, состоит в допущении превращения живой силы взаимодействующих агентов в живую силу частиц промежуточной среды, которая обусловливает взаимодействие агентов на конечном расстоянии». Исходя из приведённых представлений и учитывая возможность перехода явной энергии тела на неявные, неподлежащие нашему наблюдению движения молекул и атомов, из которых состоит тело, Умов следующим образом формулирует закон сохранения энергии.
«1. Всякое изменение в величине живой силы обусловливается её переходом с частиц одной среды на частицы других сред или же одних форм движения на другие.
2. Определённое количество живой силы остаётся себе равным при всякой смене явлений; следовательно, количество живых сил природы неизменно».
Потенциальная энергия системы тел есть не что иное, как кинетическая энергия промежуточной среды. Таким образом, именно промежуточная среда – резервуар, вместилище потенциальной энергии взаимодействия. Ясно, что в этом случае, во-первых, не может быть места дальнодействию, во-вторых, здесь содержится идея локализации энергии в среде. Идеи Умова о промежуточных средах и потенциальной энергии как энергии этих сред позднее развивает ряд крупных западноевропейских учёных (О. Лодж, Д. Д. Томсон, Г. Герц и др.). Так, Лодж в 1885 году писал, что сохранение энергии не имеет реального физического смысла, если потенциальная энергия рассматривается лишь как математическая абстракция или «силовая функция». По мнению учёного, потенциальную энергию в её обычном понимании «трудно почувствовать; достаточно просто подсчитать её по формуле, но не всегда просто и возможно представить ясный образ того, какой физический смысл в неё вкладывается». Далее он, так же как и Умов, рассматривает пример с камнем и землёй и приходит к выводу: «Энергией обладает не камень или земля, или оба вместе, но среда, которая окружает тела. (…)
Обычный приём описания падения тяжести словами о том, что её энергия постепенно трансформируется из потенциальной в кинетическую, но остаётся всё время в камне, есть, строго говоря, абсурд. В действительности камень никогда не имел никакой потенциальной энергии. Эта энергия суть энергия гравитационной среды, и последняя передаёт её камню всё время, пока он падает». Неудовлетворённость широко распространённым пониманием потенциальной энергии мы встречаем у Хевисайда. «Потенциальной энергией, – писал он в 1893 году, – рассматриваемой только как выражение работы, которую могут сделать силы, зависящей от конфигурации, нельзя аргументировать… Это немногим более, чем математическая идея, так как в ней едва ли есть какая-нибудь физика. Она ничего не объясняет». Правда, по его мнению, вопрос о том, является ли потенциальная энергия, в конце концов, кинетической энергией, представляется открытым. Хевисайд считает, что лучше сказать так: «Потенциальная энергия есть энергия, которая не является кинетической».
Д. Д. Томсон полагал, что «с философской точки зрения понятие о потенциальной энергии далеко не так нас удовлетворяет, как понятие о кинетической энергии, основания которой значительно отличаются от оснований потенциальной энергии». Густав Ми считал, что «в новейшее время проникает взгляд, что нельзя назвать никакой формы энергии, величина которой изменялась бы без того, чтобы не происходили действительные физические изменения в материи в широком смысле слова, что, таким образом, зависимость только от геометрических величин может быть только кажущейся». (…)
Уже в 30-х годах двадцатого века О. Хвольсон писал: «Покончив с обзором видов энергии, мы заметим следующее: возможно, что потенциальной энергии в мире вовсе не существует, что энергия только и может быть энергией движения и что во всех случаях, когда нам кажется, что наличность энергии зависит только от определённого расположения тел, в действительности мы имеем дело с какой-либо особой формой движения, причём нам пока только неизвестно, что движется и какой характер движения».
«Вряд ли мы теперь пойдём с лёгкостью по пути признания скрытых сред, – отмечает в 1948 году Т. П. Кравец, – но напомним, что скрытые массы дожили до 1891-94 годов, когда они фигурируют в «Принципах механики» Г. Герца. Самая же мысль Умова о сведении потенциальной энергии к кинетической заслуживает и ныне глубокого внимания». Гипотеза о скрытых средах носила явно материалистический характер и была призвана для объяснения на материалистической основе явлений взаимодействия. Отбросим в представлении Умова о промежуточных средах неизбежную исторически обусловленную дань времени – механическую окраску. Остаётся рациональная материалистическая идея о необходимости некоторого материального посредника между взаимодействующими телами, который служит передатчиком взаимодействий и в котором и разыгрываются физические процессы, составляющие суть взаимодействия. Очевидна генетическая связь между представлениями Умова о скрытых средах и современными представлениями об электромагнитном и других физических полях. Скрытые среды (почему среды, а не среда?! Б. Г.) в современной физике уступили место полям. Они понимаются как некоторого особого рода материальные субстанции, виды материи, которые существуют наряду с другими, так сказать, обычными формами материи и которые нельзя считать чем-то вполне внешним по отношению к обычным материальным телам (зарядам, токам и т. д.), а скорее своеобразными непрерывными продолжениями последних. (…)
В статье «Эволюция атома» (1905 г.) Умов указывает, что с открытием электронов, «этих электрических атомов», к двум основным понятиям, которыми оперировала физика, – «материя» и «эфир», прибавилось третье – «электричество». Электричество состоит из электрических атомов – электронов. С каждым электроном неизменяемо связано некоторое количество материи, иначе говоря, электрон есть «вещь, объединяющая в себе и материю, и электричество». При этом по Умову, «дуализм» – материя и эфир – сохраняется, если предположить, что электрон осуществляет связь между материей и эфиром. «Материя волнует эфир через связанные с ней электроны». Свет порождается не просто колеблющимися материальными частицами пламени или раскалённых тел, как это считалось раньше, а возникает потому, что эти материальные частицы связаны с электронами. Сделанное в то время открытие, что «масса электрона имеет электромагнитное происхождение», Умов объяснил с картезианских позиций. Поскольку электрон связан с эфиром, то изменение его движения должно вызывать перемещения в эфире, а изменение состояния эфира порождает некоторые электромагнитные явления. Отсюда можно заключить, что электрон обладает некоторой электромагнитной массой, тем большей, чем больше скорость электрона. Подсчёт показал, что материальная масса электрона настолько мала, что ею можно пренебречь по сравнению с электромагнитной массой.
«Но что такое электроны, не обладающие материальной массой? Не представляют ли они часть эфира, выделяющуюся от остальных своим движением – вихревым или коловратным? Один за другим теснятся вопросы: не есть ли вообще всякая материальная масса не более как электромагнитная, не есть ли материя только собрание особых форм движения или состояний эфира, род узлов в эфире?.. Мы сами, вся природа является как бы построенными из эфира».
Эти высказывания Н. А. Умова показывают, что его понимание материи было в те годы ограниченным; под материей он понимает не всё то, что существует вне нас, а лишь то, что ощущается. В представлении Умова материя и эфир находились примерно в таком же отношении, как вещество и поле в представлениях многих современных физиков. «Материальность со всеми признаками, – писал Умов, – является лишь на границах бесконечно разнообразных волнений эфира совершенно так, как мы не видим зеркальной поверхности обширного водоёма, пока она не всколыхнётся и не покроется рябью». Эту же мысль Умов высказывает в рукописи учебника «Опытная физика»: «Наиболее простое разрешение вопроса о природе связи между веществом и эфиром мы нашли бы в предположении, что вещество есть состояние эфира, в котором он ощущается нами».
В своей работе 1913 года «Возможный смысл теории квант» Н. А. Умов выдвигает совершенно оригинальную версию природы постоянной Планка. Эфир обладает, по мнению Умова, различной степенью чувствительности по отношению к неупорядоченным движениям молекулярных систем. Эта чувствительность зависит от числа естественных колебаний молекул системы и представляется величиной обратной произведению постоянной Планка на частоту естественных колебаний молекулы системы. Величина Планка – есть постоянная, зависящая от свойств эфира и потому универсальная.
Сегодня это можно было бы истолковать так: частота колебаний частицы, как целостного образования, и частота собственных осцилляций частицы – не одно и то же, между ними огромный разрыв. Этот разрыв преодолевается, если частота колебаний частицы, как целостного образования, приближается к частоте колебания плотности вакуума, что чрезвычайно затруднительно, так как «масса» частицы (амплитуда) должна многократно возрастать. Если принять частоты колебаний частиц, как целостных образований, за неупорядоченные движения, так как спектр этих частот велик, то частота колебаний вакуума постоянна, «упорядоченна». Эта «упорядоченная» частота определяется физическими характеристиками вакуума, которые, в свою очередь, связаны каким-то образом с величиной постоянной Планка.
Ещё в 1984 году, задолго до знакомства с трудами Н. А. Умова, я связал величину постоянной Планка, в силу её чрезвычайной малости, с декрементом затухания вакуумных колебаний, т. е. на такую величину уменьшается количество колебательного движения с каждым периодом колебания. Возможно, величина постоянной Планка связана с этими колебаниями иным способом, но для меня сегодня несомненна её связь именно с осцилляциями вакуума.
Если вернуться к представлениям Умова о потенциальной энергии, то пояснить их можно таким примером. Потенциальная энергия сжатой пружины – отнюдь не покой, а сила давления на плоскости или крепления, ограничивающие сжатую пружину. Это динамика, движение, но не явное. Точно также и с поднимаемым над поверхностью земли камнем. Поднимая камень, мы изменяем не энергию камня, а мы изменяем динамику, энергетику среды плотного физического вакуума; поднимая камень, мы как бы сжимаем пружину вакуумного давления. «Потенциальная» энергия камня – это кинетическая энергия вакуумного давления, но не явная. Убери подпорку и пружина распрямится, то есть камень вернётся на поверхность земли. Таким образом, потенциальной энергии как таковой нет, это фикция. Любая энергия – это только движение, динамика. Умов в этом отношении совершенно прав.