Перейти в начало сайта Перейти в начало сайта
Электронная библиотека «Наука и техника»
n-t.ru: Наука и техника
Начало сайта / Научные статьи
Начало сайта / Научные статьи

Научные статьи

Физика звёзд

Физика микромира

Журналы

Природа

Наука и жизнь

Природа и люди

Техника – молодёжи

Нобелевские лауреаты

Премия по физике

Премия по химии

Премия по литературе

Премия по медицине

Премия по экономике

Премия мира

Книги

Бермудский треугольник: мифы и реальность

Время, хранимое как драгоценность

Крушение парадоксов

Парадокс XX века

Среди запахов и звуков

Цепная реакция идей

Издания НиТ

Батарейки и аккумуляторы

Охранные системы

Источники энергии

Свет и тепло

Научно-популярные статьи

Наука сегодня

Научные гипотезы

Теория относительности

История науки

Научные развлечения

Техника сегодня

История техники

Измерения в технике

Источники энергии

Наука и религия

Мир, в котором мы живём

Лит. творчество ученых

Человек и общество

Образование

Разное

О вреде теоретической физики

Борис Васильев

Рецензия:

Статья опубликована в журнале Research & Review. Journal of Pure and Applied Physics 27.08.2015.

Содержание

1. Введение.

2. Экспериментаторы и теоретики.

3. О специфике работы физиков-экспериментаторов и физиков-теоретиков.

4. Главный постулат естественных наук.

5. Характерные свойства псевдотеорий XX века.

6. Теория внутреннего строения звёзд.

7. Теория магнитного поля Земли.

8. Сверхтекучесть и сверхпроводимость.

9. Физика металлов. Термомагнитный эффект.

10. Физика элементарных частиц.

11. Теоретическая ядерная физика.

12. Заключение.

1. Введение

Нельзя думать, что фундаментальные научные знания могут быть вредными.

Основная часть работ физиков-теоретиков адекватно отражает физическую реальность и формирует основу наших знаний о природе. Однако в ХХ веке появилось несколько физических теорий, которые не подтверждаются данными экспериментов. При этом впечатление от их правдоподобности, которая замаскирована весьма сложным математическим аппаратом, настолько велико, что некоторым из них даже присуждались Нобелевские премии. Однако сути дела это не меняет – ряд теорий, созданных в ХХ веке и считающихся общепринятыми, не подтверждаются опытом и потому должны быть признаны лженаучными и вредными.

Двадцатый век закончился. Он с каждым годом удаляется от нас всё дальше и дальше. Уже можно подвести его научные итоги. Прошедший век принёс замечательные научные открытия в области физики.

В начале XX века зародилась и потом бурно развивалась ядерная физика. Она явилась, видимо, самым большим его открытием, радикально изменившим весь материальный и моральный облик мировой цивилизации.

В начале ХХ века зародилось радио, постепенно приведшее к телевидению, а потом радиотехника породила компьютеры. Их появление можно сравнить с революцией, произошедшей, когда люди освоили огонь. Возникла наука о квантах, приведшая к появлению квантовых приборов, среди которых блистают лазеры. Можно долго перечислять отрасли физического знания, которые дал нам ХХ век.

2. Экспериментаторы и теоретики

Важным моментом стало то, что двадцатый век привёл к разделению учёных-физиков на экспериментаторов и теоретиков. Это был естественный процесс, вызванный усложнением научных приборов и математических методов построения теоретических моделей.

Потребности в использования вакуума, низких температур, радиоэлектронных усилителей и других тонких методик в экспериментальных установках привело к тому, что экспериментаторами могли стать люди, умеющие ясно мыслить и способные что-то делать своими руками.

Наоборот, люди более склонные к работе с математическим аппаратом, могли надеяться на успех в построении теоретических моделей. Это привело к формированию двух каст или даже двух пород людей, индивиды из которых только в очень редких случаях могли успешно работать и на экспериментальной, и на теоретической «кухне».

Самым ярким таким учёным был Энрико Ферми, которого и в экспериментальном, и в теоретическом сообществах считали своим. Он внёс огромный вклад в развитие квантовой и статистической механики, ядерной физики, физики элементарных частиц и в то же время создал первый в мире ядерный реактор, открывший путь к использованию атомной энергии.

Однако чаще и экспериментаторы, и теоретики весьма ревниво относились друг к другу.

Существует много легенд о том, какими «неумеками» являются теоретики. Так, про нобелевского лауреата – теоретика В. Паули сложили легенду, согласно которой существовал даже некий «эффект Паули», который разрушал экспериментальные установки лишь при его приближении.

Один из наиболее ярких случаев проявления этого эффекта, согласно легенде, произошёл в лаборатории Дж. Франка в Гёттингене, где весьма сложный экспериментальный прибор для изучения атомных явлений по совершенно необъяснимой причине вышел из строя. Франк написал о случившемся Паули в Цюрих. В ответ пришло письмо с датской маркой, в котором Паули писал, что он ездил проведать Нильса Бора, и во время загадочного происшествия в лаборатории Франка поезд, в котором ехал Паули, как раз совершал остановку в Гёттингене.

В то же время, конечно, теоретики стали задавать тон в физике, потому что именно они претендовали на понимании её целиком и на собственной возможности объяснить все её частные случаи.

Выдающимся советским теоретиком первой половины ХХ века был Я.И. Френкель.

Он написал много очень хороших книг по различным направлениям физики. Про него даже ходил анекдот, что он может объяснить всё. Якобы однажды его изловил в коридоре некий экспериментатор и показал полученную на опыте кривую. Подумав минуту, Яков Ильич дал объяснение хода этой кривой. Однако выяснилось, что кривая случайно была перевёрнута вверх ногами. После водворения её на место, немного поразмыслив, Яков Ильич смог объяснить и эту зависимость.

3. О специфике работы физиков-экспериментаторов и физиков-теоретиков

Особенности подхода теоретиков и экспериментаторов к своей работе хорошо видны по результатам их исследований.

Эти результаты для наглядности мы систематизируем в табл. 1.

С экспериментальными исследованиями всё просто. В экспериментах измеряются различные параметры образцов или свойства физических процессов. Если такие измерения не дополняются теоретическим описанием тех механизмов, которые обуславливают полученные результаты, такое исследование можно считать чисто экспериментальным, поместив в клеточку 1 в таблице.

Если экспериментальное исследование дополняется описанием того теоретического механизма, который объясняет полученные экспериментальные данные, то это просто хорошее физическое исследование. Поместим такие работы в клеточку 2.

Возможна другая ситуация, когда теоретическое исследование физического эффекта или объекта доводится до «числа», которое сравнивается с данными измерений. Это по сути исследование того же сорта, что и исследования 2. Однако, так как здесь делается упор на теорию физического явления, выделим этим исследованиям отдельную клеточку 3.

В результате такой классификации в оставшуюся клеточку 4 попадают теоретические исследования, которые не подтверждены экспериментально или те, которые не доведены до численного результата, который может быть проверен на опыте.

Теория – очень мощный инструмент. Часто бывает трудно разобраться в тонкостях работы установок экспериментаторов и расчётов теоретиков. В этом случае на помощь приходит теория. Если исследователь при изучении, например, электромагнитных явлений приводит аргументы, которые не укладываются в рамки теории Максвелла, то нет необходимости в более внимательном анализе его рассуждений. Где-то этот исследователь ошибается. Теория Максвелла так тщательно проверена экспериментально и подтверждается работой всей электро- и радиотехники, что нет смысла придавать значение предположениям, ей противоречащим.

Однако эту мощь иногда распространяют на любую известную теорию. Например, к общепринятым в настоящее время можно относить теорию сверхпроводимости БКШ или кварковую теорию элементарных частиц. Эти теории получили в своё время признание, подтверждённое присуждением им Нобелевских премий, которое воспринимается как бы доказательством их правильности. Однако с экспериментальным подтверждением у них дела обстоят хуже.

Теория БКШ вполне успешно объясняет некоторые свойства, которые являются для сверхпроводников общими – возникновение энергетической щели и её температурную зависимость, характерное поведение теплоёмкости сверхпроводников, изотоп-эффект в ряде металлов ит.п. Эти свойства можно назвать термодинамическими. Однако главные свойства конкретных сверхпроводников – их критические параметры – БКШ не объясняет. При этом рассмотрение сверхпроводимости (и сверхтекучести) изобилуют формулами, описывающими обобщённые характеристики и свойства, но они почти никогда не доводятся до характерного «числа», которое известно из измерений.

Кварковая теория тоже имеет слабые места в своей доказательной базе. В фундамент современной теории кварков легло предположение о существовании в природе частиц с зарядом, кратным 1/3 e. Однако такие частицы обнаружены не были, и этот факт приходится объяснять принятием дополнительной гипотезы. Но важно ещё то, что численные значения характерных свойств одной из фундаментальных частиц – нейтрона – можно объяснить, только исходя из предположения, что и нейтрон, и протон имеют одну и ту же кварковую структуру [20].

Как ни удивительно, таких теоретических построений в ХХ веке родилось довольно много.

Несмотря на их очевидную умозрительность, некоторые из них до сих пор имеют полное признание в физическом сообществе.

Естественно возникает вопрос о том, насколько вреден теоретический подход, использованный для описания таких явлений, поскольку он нарушает главный постулат естественных наук.

Таблица 1

Систематика физических исследований

1.
Экспериментальное исследование
2.
Эксперимент +
Теоретическое объяснение
его результатов =
Физика
3.
Теоретический механизм +
Подтверждающие его данные измерений =
Физика
4.
Теоретическое исследование,
пока не подтверждённое
данными экспериментов

4. Главный постулат естественных наук

Науки, которые не родились из эксперимента, этой основы всех познаний, бесполезны и полны заблуждений.

Леонардо да Винчи

Главный постулат естественных наук был сформулирован более 400 лет назад Уильямом Гилбертом (1544...1603).

Можно думать, что эта идея, как говорится, витала в воздухе среди образованных людей того времени. Но нашёл свою формулировку, дошедшую до нас, этот постулат благодаря У. Гилберту [1].

Он формулируется просто:

«Все теоретические построения, претендующие быть научными, должны быть проверены и подтверждены экспериментально».

До этого времени ложным представлениям не приходилось бояться экспериментальной проверки. В то время мир мысли был несравненно утончённее обыденного и грубого материального мира, и точное совпадение философской теории с прямым опытом почти роняло её достоинство в глазах посвящённых. Расхождение между до-гилбертовской теорией и наблюдениями никого не смущало.

В ходу бывали совершенно фантастические, с нашей точки зрения, суждения. Так, У. Гилберт пишет о том, что он экспериментально опроверг популярное суждение о том, что силу магнита можно увеличить, натерев его чесноком.

Более того, одним из популярных, обсуждавшихся на религиозно-философских диспутах, был количественный вопрос о том, сколько ангелов сможет разместиться на острие иглы.

Живший немного позже У. Гилберта Галилео Галилей (1564...1642) развил этот принцип, сформулировав три этапа проверки теоретических положений:

1) постулировать свободное от логических противоречий предположение о природе явления;

2) на основе этого постулата, используя стандартные методы математики, вывести законы явления;

3) посредством опыта убедиться, следует ли природа на самом деле этим законам и подтверждается ли таким образом основная гипотеза.

Применение этого метода даёт возможность отбросить неверные теории, если, конечно, они сформулированы так, что есть что сопоставлять с опытом.

5. Характерные свойства псевдотеорий ХХ века

В ХХ веке возникло несколько теорий, которые не удовлетворяют главному постулату науки.

Многие из них просто не доведены до того, чтобы их результаты можно было бы сравнить с данными измерений исследуемых объектов. Поэтому невозможно судить их научной значимости.

При этом псевдотеории всегда используют сложный математический аппарат, который как бы заменяет им необходимые экспериментальные подтверждения. Упрощённо цепочку рассуждений, которая формируется, например, у студента при его знакомстве с такой теорией имеет видимо такую последовательность:

Все звенья этой цепочки рассуждений могут быть правильными. Кроме последнего. Теория верна только в том случае, если она подтверждается данными экспериментов.

Существенно, что псевдотеория не допускает упрощения модели и приближённого, но простого изложения физики явления. Правильный подход к объяснению исследуемого объекта может быть математически непростым, если он претендует на точную оценку свойств объекта. При этом тот же подход должен допускать упрощение для получения оценки по порядку величины.

Другой особенностью псевдотеорий является используемая ими подмена экспериментальных доказательств. Все исследуемые объекты физических теорий имеют определённые индивидуальные свойства, которые можно назвать первостепенными. Для физики звёзд это индивидуальные для каждой звезды радиусы, температуры, массы. Для сверхпроводников – это индивидуальные для каждого из них критические температуры и магнитные поля, для сверхтекучего гелия – температура перехода и плотность атомов вблизи неё.

Квазитеории не способны предсказать индивидуальные свойства исследуемых объектов. Они подменяют изучение физических механизмов формирования этих первостепенных параметров описанием общих характеристик физики явления и некоторых его общих свойств. Так, например, объяснение конкретных первостепенных свойств сверхпроводников теория сверхпроводимости ХХ века подменяет предсказанием наблюдающейся температурной зависимости критического поля или энергетической щели, характерных для этого явления. В результате создаётся впечатление согласия теории с экспериментом, хотя подобные общие характеристики явления обычно можно назвать термодинамическими.

Рассмотрим некоторые конкретные псевдотеории, созданные теоретической физикой в ХХ веке.

6. Теория внутреннего строения звёзд

Некоторые теоретические построения до поры и до времени могли быть построены только умозрительно, т.к. нужных экспериментальных данных не существовало. Астрофизики в ХХ веке вынуждены были создавать теорию внутреннего строения звёзд, используя особенный метод.

Фундаментом теории внутреннего строения звёзд в ХХ веке стали не данные наблюдений, которых в начале века просто не было, а сумма астрофизических знаний и моделей звёзд, которая благодаря самосогласованности создавала впечатление объективной правильности этой теории.

При таком фундаменте особую каноническую роль играли работы «апостолов» астрофизики – А. Эддингтона, С. Чандрасекара, Г. Бете, К. Шварцшильда и др., первыми сформулировавшими основные идеи построения разных аспектов теории звёзд. Консерватизм этого подхода проявляется в том, что некоторые очень важные научные достижения остаются «за бортом», если они были получены физической наукой после формулировки канонов. Так случилось с закономерностями физики горячей плотной плазмы, которые были сформулированы значительно позже создания основ астрофизики и не вошли своими понятиями в её фундамент. Это принципиально важно потому, что именно такая плазма формирует звёзды.

Современная астрофизика продолжает использовать умозрительный подход: детально разрабатываются качественные теории звёзд, которые не доводятся до таких количественных оценок [5, 6]. Всё делается так, как будто бы никаких новых закономерностей в параметрах звёзд и Солнца не существует.

Однако прогресс техники астрономических измерений в последние десятилетия выявил существование различных зависимостей, которые связывают между собой физические параметры звёзд. Существующие теории звёздного интерьера не могут объяснить полученные астрономами новые данные. О существовании этих зависимостей ранее не было известно. К сегодняшнему дню таких данных накопилось уже около десятка – это зависимости температура-радиус-светимость-масса звёзд, спектры сейсмических колебаний Солнца, распределение звёзд по массе, зависимость магнитных полей звёзд от их моментов и скоростей вращения и т.д. Все эти зависимости определяются явлениями, происходящими внутри звёзд. Поэтому теория внутреннего строения звёзд должна согласоваться с ними, опираясь на эти количественные данные как на краевые условия.

Конечно, о существовании зависимостей звёздных параметров известно астрофизическому сообществу. Однако в современной астрофизике принято, не найдя им объяснения, относить их к разряду эмпирических и полагать, что они в объяснении вообще не нуждаются. Так, около ста лет известно о существовании так называемой эмпирической зависимости светимость-температура – диаграммы Герцшпрунга-Рассела – однако количественного объяснения ей не найдено.

Кажется очевидным, что построение теории, которая объяснит закономерности параметров звёзд и Солнца, обнаруженные астрономами, есть главная задача современной астрофизики.

Сравнение с данными измерений теоретической зависимости поверхностной температуры от массы звёзды

Рис. 1. Сравнение с данными измерений теоретической зависимости поверхностной температуры от массы звёзды. Теория учитывает наличие в плазме звезды электрической поляризации, индуцированной тяготением. Температуры нормированы на поверхностную температуру Солнца (5875 К), массы – на массу Солнца

Чтобы достичь согласия теории с имеющимися данными астрономических измерений, необходимо отказаться от некоторых астрофизических построений, которые сегодня являются общепринятыми. В первую очередь, нужно изменить подход к описанию равновесия вещества внутри звёзд. Необходимо учесть, что интерьер звёзд составляет плазма – электрически поляризуемая среда. Поэтому уравнение равновесия внутризвёздного вещества должно учитывать роль гравитационно-индуцированной электрической поляризации. Учёт гравитационно-индуцированной электрической поляризации внутризвёздной плазмы позволяет построить модель звезды, в которой все основные параметры – масса звезды, её температура, радиус и светимость – выражаются определёнными комбинациями мировых констант (рис. 1, 2), а индивидуальность звёзд определяется только двумя параметрами – массовым и зарядовым числами атомных ядер, из которых построена плазма этих звёзд. При этом удаётся количественно и с удовлетворительной точностью объяснить все зависимости, измеренные астрономами [7].

Сравнение с данными измерений теоретической зависимости радиуса звезды от её массы

Рис. 2. Сравнение с данными измерений теоретической зависимости радиуса звезды от её массы. Теоретическая зависимость получена с учётом существования электрической поляризации, индуцированной тяготением в плотной плазме звезды. Радиус выражен в единицах солнечного радиуса, масса – в единицах массы Солнца

Учёт гравитационно-индуцированной поляризации ядра Солнца позволяет рассчитать спектр его сейсмических колебаний [7]. Этот спектр хорошо согласуется с данными измерений, полученных в последние десятилетия (рис. 3).

а) спектр солнечных осцилляций; б) теоретический спектр, вычисленный с учётом существования электрической поляризации, индуцированной тяготением в плазме Солнца

Рис. 3. а) спектр солнечных осцилляций (данные получены в рамках программы «SOHO/GOLF» [3]); б) теоретический спектр, вычисленный с учётом существования электрической поляризации, индуцированной тяготением в плазме Солнца [7]

Особое внимание привлекает распределение звёзд по массе. Теоретически масса звезды может быть получена на основе уравнений равновесия внутризвёздного вещества. Оказывается, что большинство звёзд, за исключением самых тяжёлых, построены из плазмы, атомные ядра в которой являются нейтронно-избыточными. Устойчивость таким ядрам внутри звёзд придаёт специфический механизм нейтронизации, действующий в плотной плазме. С учётом гравитационно-индуцированной поляризации удаётся построить теорию магнитных полей звёзд, согласующиеся с данными наблюдений (рис. 4).

Измеренные значения магнитных моментов космических тел в зависимости от их моментов вращения

Рис. 4. Измеренные значения магнитных моментов космических тел в зависимости от их моментов вращения [10]. По ординате – логарифм магнитного момента (в Гс·см3), по абсциссе – логарифм момента вращения (в эрг·с). Линия иллюстрирует зависимость Блэкетта

Важно отметить, что учёт гравитационно-индуцированной поляризации приводит и к другим концептуальным изменениям, например, он отвергает механизм коллапса звёзд на последней стадии их эволюции и тем самым отрицает возможность образования «чёрных дыр» в результате коллапса. Отказ от общепринятых сегодня моделей физики звёзд для консервативной части астрофизического сообщества представляется болезненным. Но он оправдан и необходим. Только это даёт возможность получить количественное объяснение (без использования каких-либо подгоночных параметров) всех существующих на сегодняшний день данных соответствующих звёздных измерений.

Сама физика звёзд в результате избавляется от умозрительности и получает в виде данных этих измерений надёжный фундамент, на каком должна быть построена физическая наука.

7. Теория магнитного поля Земли

Согласно существующему теоретическому решению проблемы земного магнетизма, в районе ядра Земли текут токи, генерируемые механизмом земного динамо [9]. Эта теоретическая модель возникла в 40-е года ХХ века, вскоре получила признание и стала считаться вполне доказанной. Слабое место этой модели в том, что для работы земного динамо необходимо наличие некоего затравочного магнитного поля. В качестве такого можно принять космическое поле с величиной порядка 10 – 7 Э. Однако в этом случае не ясно, как работает динамо, стабильно усиливающее это поле на 7 порядков. Однако подбором соответствующих параметров теоретической модели можно добиться согласования расчёта с величиной наблюдаемого поля, которое вблизи полюсов имеет величину порядка 1 Э. Несмотря на трудности, модель динамо продолжает оставаться основной моделью земного магнетизма в настоящее время.

Таким образом, среди задач, для которых теоретическая физика нашла решение, задача о земном магнетизме стоит особняком. Решение этой задачи совпадает с измерениями в том, что касается величины поля. Однако в целом это решение ошибочно.

В наши дни подобный подход к решению этой проблемы оказывается неприемлемым. Полёты космических аппаратов во второй половине ХХ века и общий прогресс астрономической техники обнаружили замечательный, неизвестный ранее факт: магнитные моменты всех космических тел Солнечной системы, а также целого ряда звёзд и пульсаров, пропорциональны моментам вращения этих космических тел (рис. 4).

Замечательно то, что эта зависимость, впервые обнаруженная П.М.С. Блэкеттом [11], сохраняет линейность в пределах около 20 порядков!

Существование зависимости Блэкетта заставляет переформулировать основную задачу теории планетарного магнетизма. Во-первых, эта теория должна объяснить, почему магнитный момент Земли и других космических тел пропорционален их моменту вращения, и, во-вторых, почему коэффициент пропорциональности близок блэкеттовскому отношению мировых констант \(\sqrt G /c\) (здесь G – гравитационная константа, c – скорость света).

Учитывая, что давление в ядре Земли достаточно велико, чтобы «сломать» внешние электронные оболочки атомарных веществ, то это ядро должно состоять из электрон-ионной плазмы. Действие тяготения на такую плазму приведёт к её электрической поляризации, а вращение электрически поляризованного ядра (вместе со всей планетой) индуцирует её магнитный момент. Вычисления в рамках модели Земли, в которой минимизируется её полная энергия, дают возможность получить магнитный момент и момент вращения Земли, которые удовлетворительно согласуются с данными измерений [12].

Этот механизм, являющийся следствием действия всемирного тяготения, оказывается работоспособным и в случае других космических тел.

8. Сверхтекучесть и сверхпроводимость

Сверхтекучесть и сверхпроводимость, которую можно рассматривать как сверхтекучесть электронного газа, являются родственными явлениями. Основную особенность этих явлений можно представить себе, если полагать, что в сверхпроводнике, также как в сверхтекучем гелии, образуются особый конденсат, частицы которого связаны между собой энергией притяжения. Это взаимное притяжение не позволяет отдельным частицам рассеиваться на дефектах и стенках, если энергия этого рассеяния меньше, чем энергия притяжения. В результате отсутствия рассеяния конденсат приобретает способность перемещаться без трения.

Сверхпроводимость была открыта более ста лет назад, а сверхтекучесть примерно на тридцать лет позже. Однако, несмотря на большое внимание учёных к изучению этих явлений, они в теоретическом плане долгое время представлялись самыми таинственными в физике конденсированного состояния.

Таинственность явления сверхпроводимости начала рассеиваться в середине прошлого века после того, как было изучено явление квантования магнитного потока в сверхпроводящих цилиндрах. Это явление было предсказано братьями Лондонами. Из измерений этого эффекта стало ясно, что ответственными за сверхпроводимость являются пары электронов, формирующие бозоны с нулевым суммарным спином и импульсом.

Примерно в это же время была замечено, что замена одного изотопа сверхпроводящего элемента на другой приводит к изменению критической температуры сверхпроводников – так называемый изотоп-эффект. Поскольку оказалось, что величина этого эффекта, также как и граничная частота спектра фононов, обратно пропорциональны корню из массы иона, то изотоп-эффект был трактован как однозначное указание на определяющую роль фононов в формировании сверхпроводящего состояния. Электрон-фононный механизм лёг в основу теории Бардина – Шриффера – Купера (БКШ), которая получила всеобщее признание и фактически считается до сих пор единственной общепринятой теорией сверхпроводимости.

Совпадение двух закономерностей – зависимости критической температуры при изотоп-эффекте и граничной частоты фононного спектра кристаллов – не является доказательством роли фононов в механизме возникновения сверхпроводимости. Чтобы подтвердить роль фононов, нужно подтвердить результаты расчёта фононного механизма сверхпроводников с данными измерений.

Представляется естественным, что основным свойством, характеризующим сверхпроводник, является его критическая температура (и критическое поле). Поэтому доказательство достоверности теории должно заключаться в правильном описании критических параметров сверхпроводников.

Но тут неудача: теория, основанная на электрон-фононном взаимодействии, не может вычислить критическую температуру сверхпроводника. Точнее, формула для критической температуры сверхпроводников в БКШ приобретает вид экспоненты, в показателе которой стоят множители, неподдающиеся точному измерению, и потому эта формула не представляет интереса. Так что теория БКШ вообще не даёт внятных предсказаний критических параметров сверхпроводников, и сравнивать с экспериментом оказывается нечего.

Это можно рассматривать как следствие того, что теория БКШ сосредоточивает своё внимание на механизме объединения электронов в бозонные пары. Но такого объединения недостаточно для возникновения сверхпроводимости. Объединение в пары – это лишь необходимоеусловие. Пары, рождённые объединяющим механизмом, не тождественны. Они различаются фазами и поляризацией некоррелированных нулевых колебаний. Для возникновения сверхпроводящего ансамбля эти нулевые колебания нужно упорядочить, связав частицы дополнительными силами взаимного притяжения.

С другой стороны, теорию БКШ можно отнести к сложным в математическом плане теориям. Изложение только её аппарата требует нескольких лекций. При этом главная её особенность в том, что её выводы нельзя упростить настолько, чтобы её механизм дал возможностьприближённых вычислений и оценок.

Представляется, что такая возможность делать вычисления исследуемого явления с разной степенью сложности и точности должна быть характерной чертой для любой работоспособной теории физического явления.

Я.И. Френкель, которого можно считать крупнейшим советским физиком довоенного времени, часто доказывал, что математика является технологией на кухне теоретиков. Он говорил, что у современных теоретиков за деревьями не видно леса, за формулами теряется физический смысл явлений. Это вполне относится к теории БКШ, которая не поддаётся упрощению.

К тому же представляется неприемлемым то, что теория БКШ разрывает очевидную связь между сверхпроводимостью и сверхтекучестью – в жидком гелии нет фононов, объединяющих атомы.

Развитие БКШ показало, что эта теория способна описать общие закономерности явления, но её нельзя назвать теорией сверхпроводников. Она объясняет такие закономерности как возникновение энергетической щели, специфику температурной зависимости теплоёмкости,температурную зависимость критического поля и т.п., но не может предсказать индивидуальные свойства сверхпроводников.

Нечто похожее произошло и с теорией сверхтекучести. Вскоре после её открытия П.Л. Капицей в своих первых работах Л.Д. Ландау сразу показал, что это явление нужно рассматривать как следствие образования конденсата, состоящего из макроскопического числа атомов, находящихся в едином квантовом состоянии, и подчиняющегося квантовым законам. Это позволило описать основные характерные черты этого явления – температурную зависимость плотности сверхтекучей фазы, скорость звука и т.д. Но при этом не был дан ответ на вопрос о том, какой физический механизм приводит к объединению атомов в сверхтекучий конденсат и какова критическая температура этого конденсата.

Что касается общепринятого в прошлом веке предположения, что фононный механизм является единственно возможным механизмом сверхпроводимости, то более поздние эксперименты показали, что это ошибочно. Опыты показали, что нулевые колебания атомов в ионных решётках сверхпроводящих металлов ангармоничны. В результате замена одного изотопа на другой приводит к изменению амплитуды этих колебаний и, как следствие, к влиянию массы изотопа на межатомные расстояния в решётке металла. Поэтому оказывается, что изменение массы узла решётки прямо влияет на энергию Ферми металла, т.е. изотопическая замена напрямую воздействует на электронную систему, а фононы оказываются ни при чём.

При очень низких температурах, при которых возникает сверхтекучесть в гелии и сверхпроводимость в металлах, вымерзают все движения частиц, кроме их нулевых колебаний. Поэтому, как альтернативу, следует рассмотреть взаимодействие сверх-частиц через электромагнитные поля их нулевых колебаний.

Этот подход оказывается плодотворным – рассматривая сверх-явления как следствия упорядочения нулевых колебаний, удаётся построить теоретические механизмы, дающие возможность получить оценки для критических параметров рассматриваемых систем, удовлетворительно согласующиеся с данными измерений. Так, оказывается, что критическая температура сверхпроводников как I рода, так и II рода должна быть равна примерно 10 – 6 от температуры Ферми сверхпроводящего металла, что вполне согласуется с данными измерений (рис. 5).

Сравнение данных измерений с критической температуры сверхпроводников, вычисленной из механизма упорядочения нулевых колебаний

Рис. 5. Сравнение данных измерений с критической температуры сверхпроводников, вычисленной из механизма упорядочения нулевых колебаний. Кружочками показаны значения параметров для сверхпроводников I рода, квадратиками – для сверхпроводников II рода. По оси абсцисс – измеренное значение критической температуры сверхпроводников, по оси ординат – вычисленная критическая температура [17]

В то же время, разрушение сверхпроводимости магнитным полем происходит тогда, когда это поле разрушает когерентность нулевых колебаний электронных пар, что тоже хорошо согласуется с данными измерений (рис. 6).

Сравнение вычисленной энергии сверхпроводящей пары в критическом магнитном поле с измеренным значением величины щели в сверхпроводниках

Рис. 6. Сравнение вычисленной энергии сверхпроводящей пары в критическом магнитном поле с измеренным значением величины щели в сверхпроводниках [17]. Для наглядности на этом рисунке вместе отмечены параметры: заполненными треугольничками – сверхпроводников II рода, пустыми треугольничками – сверхпроводников I рода. По оси ординат – логарифм произведения величины вычисленного осциллирующего момента электрона на значение критического магнитного поля. По оси абсцисс – измеренное значение величины щели

В жидком гелии при возникновении сверхтекучести работает подобный механизм. Задача о взаимодействии нулевых колебаний электронных оболочек нейтральных атомов, находящихся в s-состоянии, была рассмотрена Ф. Лондоном ещё перед войной. Им было показано, что именно это взаимодействие ответственно за ожижение гелия. Более внимательный анализ процесса упорядочения нулевых колебаний атомов гелия показывает, что сначала при температуре около 4 К происходит упорядочение определённой моды нулевых колебаний. В результате между атомами возникают силы притяжения и происходит его ожижение. Полное упорядочение нулевых колебаний оболочек атомов гелия-4 и дополнительная энергия их взаимного притяжения, которые необходимы для создания единого квантового ансамбля, возникают при вдвое меньшей температуре, т.е. примерно при 2 К, что согласуется с температурой перехода его в сверхтекучее состояние.

Расчёт критической температуры сверхтекучего состояния в гелии-4, проведённый на основе этого механизма, предсказывает для лямбда-точки значение 2,177 К, что весьма точно совпадает с наблюдаемой температурой этого перехода 2,172 К [18].

В гелии-3 для образования сверхтекучего квантового ансамбля необходимо дополнительно, кроме нулевых колебаний, упорядочить магнитные моменты ядер, для чего необходимо понизить температуру ниже 0,001 К, что также согласуется с опытом.

Таким образом, удаётся показать, что в основе двух родственных явлений, как сверхпроводимости, так и сверхтекучести, лежит единый физический механизмом – упорядочение нулевых колебаний. При этом результатом этой теории являются формулы, определяющие критические свойства отдельных сверхпроводников и с удовлетворительной точностью совпадающие с данными измерений.

9. Физика металлов. Термомагнитный эффект

Среди теорий ХХ века есть ещё одна, которая построена на базе ошибочного представления о механизме явления.

Основным предметом изучения физики металлов является поведение газа коллективизированных электронов проводимости.

Характерные свойства металлов – их высокие теплопроводность и электропроводность – являются следствием существования внутри металла свободных электронов проводимости.

При рассмотрении механизма теплопроводности в металлах предполагается, что перенос тепла внутри металла осуществляется потоком горячих электронов, движущихся из нагретой области металла в холодную. Этот горячий поток вытесняет холодные электроны, который вынуждены течь ему навстречу. Поскольку рассматривается однородный металл, то при построении теории этого явления предполагается, что эти встречные токи текут диффузно. Диффузное протекание двух встречных равных по величине токов предполагает полное отсутствие индуцируемых ими магнитных полей.

Такие воззрения на этот процесс установилась ещё в начале ХХ века. На их основе была построена теория термоэлектрических явлений в металлах, которая предсказывала отсутствие в них термомагнитного эффекта.

Однако термомагнитный эффект в металлах существует [19], он довольно велик и легко обнаружим с помощью современных магнитометров.

Теоретическая ошибка возникла из-за того, что из внимания был упущен тот факт, что даже в совершенно однородном металлическом образце токи, текущие навстречу, отталкиваются друг от друга.

В результате отталкивания встречных потоков горячих и холодных электронов в металле возникает их конвекция, индуцирующая магнитное поле внутри и в окрестности образца. Теория, учитывающая термомагнитный эффект [19], хорошо вписывается в общую картину термических явлений в металлах.

10. Физика элементарных частиц

Основой современной физики элементарных частиц принято считать кварковую модель. Формирование этой теории в цепочке наук о строении материи кажется вполне последовательным: все вещества состоят из молекул и атомов. Центральными элементами атомов являются ядра. Ядра состоят из протонов и нейтронов, которые в свою очередь состоят из кварков.

Кварковая модель предполагает, что из кварков состоят все элементарные частицы. Для того чтобы описать всё их разнообразие, кварки должны обладать дробным (равным 1/3 e или 2/3 e) электрическим зарядом и другими дискретными свойствами, именуемыми ароматом, цветом и др.

В 60-е годы после формулирования основ кварковой модели много экспериментаторов стремились найти частицы с дробным зарядом.

Но безуспешно.

После этого был придуман конфайнмент, т.е. свойство кварков, запрещающее им как-либо проявлять себя в свободном состоянии.

Когда-то что-то подобное уже было в истории европейской культуры. В определённой мере эта ситуация напоминает средневековые представления об ангелах. Само существование ангелов никем тогда не ставилось под сомнение, но им приписывалось свойство полной необнаружимости.

В современной физике существует понятие квазичастиц. Например, фононы в кристаллах хорошо описывают многие явления, но являются лишь удачным методом изучения этих явлений. Фононы являются квазичастицами, т.е. реально они не существуют, но являются удачной и удобной теоретической абстракцией.

Если относиться к кваркам тоже как квазичастицам, то их существование не требует экспериментальных доказательств. На первый план выступает то, насколько удобным и достоверным является кварковое описание элементарных частиц.

Действительно, модель кварков удачно описывает некоторые эксперименты по рассеянию частиц при высоких энергиях, например, образование струй или особенность рассеяния частиц высоких энергий без разрушения.

При этом важно, что базисные кварки первого поколение u и d введены так, чтобы их комбинациями объяснялись зарядовые параметры протона и нейтрона. При этом нейтрон предполагается элементарной частицей в том смысле, что он состоит из другого набора кварков, чем протон.

В 30-е годы прошлого века физики-теоретики пришли к заключению об элементарности нейтрона, не опираясь на данные измерений, которых в то время не было.

Существуют ли в настоящее время необходимые данные измерений? Да. Измерены магнитный момент нейтрона и энергия его распада, которые можно вычислить в рамках определённой модели.

Предположим, что нейтрон является неэлементарным и так же как и Боровский атом водорода, состоит из протона, вокруг которого на очень малом расстоянии от него вращается электрон. Вблизи протона движение электрона должно быть релятивистским. Однако особенность формирующейся при этом устойчивой орбиты в том, что при её вычислении все релятивистские поправки компенсируют друг друга и полностью выпадают. В результате радиус этой орбиты оказывается зависящим только от мировых констант:

\[{R_0} = \frac{\hbar }{c}\sqrt {\frac{{\alpha {\mu _p}}}{{2{m_e}{M_p}}}} \approx 9,1 \cdot {10^{ - 14}}см.\](1)

Здесь α = e2/ħc ≈ 1/137 – постоянная тонкой структуры, μp – магнитный момент протона, выраженный в единицах ядерного магнетона Бора, me и Mp – массы покоя электрона и протона.

В результате оказывается, что рассчитанная таким образом величина магнитного момента нейтрона также зависит только от мировых констант, и поэтому может быть вычислена с большой точностью [20]:

μn (расч.) ≈ –1,91352.(2)

Полученное в результате этих вычислений значение магнитного момента нейтрона очень хорошо согласуется с его измеренной величиной:

\[\frac{{{\mu _n}(расч.)}}{{{\mu _n}(измер.)}} = \frac{{ - 1,91352}}{{ - 1,91304}} \approx 1,00025\](3)

При таком подходе полная энергия электрона получается равной:

\[{E_0} = - \frac{{{e^2}}}{{2{R_0}}} \to 797\,кэВ.\](4)

При распаде нейтрона эта энергия должна перейти в кинетическую энергию вылетающего электрона (и антинейтрино). Что вполне удовлетворительно согласуется с экспериментально определённой границей спектра распадных электронов равной 782 кэВ.

Согласно теореме вириала кинетическая энергия электрона равна его полной энергии (с обратным знаком). Кинетическая энергия релятивистской частицы в общем случае имеет вид:

\[{E_k} = m{c^2}\left( {\frac{1}{{\sqrt {1 - {\beta ^2}} }} - 1} \right).\](5)

Отсюда с учётом равенства (4) можно вычислить массу релятивистского электрона:

\[{m_{e * }} = \frac{{{m_e}}}{{\sqrt {1 - {\beta ^2}} }} \simeq 2,5500{\mkern 1mu} {m_e}\](6)

(здесь me – масса электрона в покое). В результате получаем, что сумма масс протона и релятивистского электрона очень точно соответствует измеренной массе нейтрона:

\[\frac{{{m_p} + {m_{e * }}}}{{{m_n}}} = \frac{{1,67494 \cdot {{10}^{ - 24}}}}{{1,67493 \cdot {{10}^{ - 24}}}} \simeq 1,00001.\](7)

Это согласие говорит о том, что нейтрон не является элементарной частицей. Его нельзя описывать другим набором кварков, чем протон.

Эта концепция изменяет подход к проблеме нуклон-нуклонного рассеяния. Полное нуклон-нуклонное рассеяние состоит из двух компонент: ядерной и кулоновской, характеризующихся различными угловыми зависимостями. С учётом того, что нейтрон представляет собой протон, окружённый релятивистским электронным облаком, ядерная составляющая во всех возможных комбинациях – протон-протрон, протон-нейтрон или нейтрон-нейтрон – должна быть одной и той же, отличие может состоять только в наличии или отсутствии кулоновского вклада, что в пределах ошибок согласуется с данными измерений.

Эти рассуждения не имеют никакого отношения к другим элементарным частицам и кваркам с другими дискретными свойствами. Полученное согласие рассмотренной модели с данными измерений говорит только о том, что протон и нейтрон нужно описывать одним и тем же набором субчастиц.

11. Теоретическая ядерная физика

При всех отличительных особенностях современная теоретическая ядерная физика имеет нечто общее с перечисленными выше дисциплинами – астрофизикой и теорией сверхпроводимости. Ядерная физика в современном виде исследовала многие общие закономерности ядер. Например, строение оболочек, выявление магических и немагических ядер и т.п. Но также, как теория сверхпроводимости и астрофизика, ядерная физика не берётся за предсказание главного свойства изучаемых ею объектов. Важнейшими свойствами индивидуальных ядер являются их энергии связи. Количественный расчёт энергии связи даже простейших легчайших ядер, который давал бы результат, согласующийся с данными измерений, последовательно и удовлетворительно провести не удаётся.

Альтернативный подход к вычислению энергии связи ядер можно развить на основе электромагнитной модели нейтрона, рассмотренной в предыдущем параграфе.

Первую модель ядерных сил предложил видимо И.Е. Тамм [21] ещё в 30-е годы прошлого века. Он предположил, что возникновение притяжения между ядерными частицами можно объяснить обменом электроном. Однако позже в ядерной физике преобладающей стала модель обмена π-мезонами. Причина этого понятна. Для объяснения величины и радиуса действия ядерных сил нужна частица с малой собственной длиной волны. Нерелятивистский электрон для этого не подходит.

Однако с другой стороны, модель π-мезонного обмена тоже не оказалась продуктивной. Дать количественное объяснение энергии связи даже простых ядер она не может.

Квантово-механическая модель системы, в которой два протона обмениваются электроном, в результате чего между ними возникают силы притяжения, хорошо изучена. Решение этой задачи нашли Ф. Лондон и В. Гайтлер ещё в конце 20-годов прошлого века [22].

Они показали, что при обмене электроном в молекулярном ионе водорода между протонами возникают силы притяжения, обусловленные сугубо квантовым эффектом, аналога которого в классической физике не существует. Естественно в модели Лондона – Гайтлера притяжение между протонами за счёт обмена нерелятивистским электроном возникало на расстоянии порядка радиуса Бора. Энергия этого взаимодействия оказалась по порядку величины равна энергии электрона в атоме водорода.

Эту теорию можно переформулировать на случай обмена релятивистским электроном в паре протон-протон. В этом случае радиус действия этой квантовой силы должен быть примерно равен характерному радиусу нейтрона R0 (1). Оценки, проведённые по методу Лондона – Гайтлера, показывают, что энергия взаимодействия пары протонов, образующих дейтрон за счёт обмена релятивистским электроном, составляет величину, которая вполне согласуется с данными измерений. Так как точность такого квантово-механического расчёта невелика, разница в пару десятков процентов между рассчитанной таким образом величиной и результатом измерений, можно считать хорошим совпадением.

При этом особый интерес представляют оценки энергии связи других лёгких ядер. Из рис. 7, на котором схематически показаны энергетические связи в ядре 32He, видно, что они составлены тремя парными взаимодействиями протонов.

Схематическое изображение строения лёгких ядер

Рис. 7. Схематическое изображение строения лёгких ядер. Пунктирные линии схематически отображают возможность перескока релятивистского электрона между протонами

Поэтому следует предполагать, что энергия связи этого ядра должна быть равна утроенной энергии связи дейтрона Ed. Это предположение очень хорошо согласуется с данными измерений:

\[\frac{{{E_{He - 3}}}}{{{E_d}}} \simeq 3,008.\](8)

Ядро Не-4 составлено из четырёх протонов, связанных шестью парными связями, которые образованы двумя электронами. Поэтому можно ожидать, что энергия связи этого ядра должна в 12 раз превышать энергию связи дейтрона. Реально отношение этих энергий довольно близко к этой величине:

\[\frac{{{E_{He - 4}}}}{{{E_d}}} \simeq 12,25.\](9)

Энергии связи других лёгких ядер также можно предсказать по этой схеме, сделав некоторые дополнительные допущения.

Согласие вычисленной энергии связи для некоторых лёгких ядер с данными измерений позволяет считать, что ядерные силы (по крайней мере, в случае этих ядер) имеют описанный выше обменный характер. Эти силы возникают как следствие чисто квантового эффекта обмена релятивистским электроном. Другие модели ядерных сил дать достаточно точное количественное объяснение энергии связи даже лёгких ядер не смогли. Поэтому приведённая выше простая и согласующаяся с измерениями оценка этой энергии является однозначным доказательством того, что так называемое сильное взаимодействие (в случае некоторых лёгких ядер) является проявлением эффекта притяжения между протонами, возникающего за счёт обмена релятивистским электроном.

12. Заключение

Таким образом, если в принципе экспериментаторы могут проводить свои измерения без оглядки на теории, но теоретические исследования должны обязательно опираться на данные экспериментаторов.

Обсуждённые выше квазитеории, которые не подтвердились экспериментом, имеют некие общие черты.

Обычно они используют сложный математический аппарат, который нельзя упростить, чтобы получить простую, но физически верную оценку явления по порядку величины.

Главный недостаток квазитеорий в том, что они не могут дать объяснения первостепенным индивидуальным свойствам исследуемых объектов и пытаются объяснить общие характеристики явления как такового, достигая согласия с опытом для его свойств, которые можно отнести к термодинамическим.

Можно допустить, что выше описаны не все квазитеории, родившиеся в ХХ веке.

В том, что в ХХ веке появилось и сейчас продолжает существовать много псевдотеорий, нарушающих главный принцип естественных наук Гилберта – Галилея, виноваты, в частности, редакции специальных научных журналов. Естественно, что большинство рецензентов в этих журналах являются теоретиками. Многие из них выработали свой критерий правильности той или иной работы. Они уверовали в собственные теории и не допускают к публикации статьи, которые выходят за рамки этих теорий, даже если очевидно, что рассматриваемые в этих работах модели согласуются с данными измерений. По-видимому, редакциям научных журналов нужно отмечать специфический характер теоретических построений, не подтверждённых данными измерений. Вероятно, имеет смысл в специальных журналах открыть рубрики, имеющие название типа «Гипотетические исследования, которые на данной стадии пока ещё не удовлетворяют главному принципу науки», и публиковать на страницах этих рубрик результаты исследований, которые по нашей систематике размещаются в клеточке 4 табл. 1. В этом случае читателям и Нобелевскому комитету будет легче выработать осторожное отношение к этим теориям.

 

Литература:

  1. Гильберт У. О магните, магнитных телах и большом магните – Земле. М.: Изд-во АН СССР, 1956.
  2. Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П. Статистическая физика (Теория конденсированного состояний). М.: Наука, 1978.
  3. Халатников М.И. Теория сверхтекучести. М.: Наука, 1971.
  4. Кресин В.З. Сверхпроводимость и сверхтекучесть. М.: Наука, 1978.
  5. Carroll B.W., Ostlie D.A. An Introduction to Modern Astrophysics. Reading, 1996.
  6. Padmanabhan T. Theoretical Astrophysics, vols. 1...3. Cambridge, 2000...2002.
  7. Vasiliev B.V. Physics of Stars and Measurement Data Part I. Universal Journal of Physics and Application, 2(5), pp. 257...262, 2014.
    Physics of Stars and Measurement Data Part II. Universal Journal of Physics and Application, 2(6), pp. 284...301, 2014.
    Physics of Stars and Measurement Data Part III. Universal Journal of Physics and Application, 2(7), pp. 328...343, 2014.
  8. Solar Physics, 175/2, Gallery, Helioseismology.
  9. Яновский Б.М.: Земной магнетизм, Л.: Изд-во ЛГУ, 1978.
  10. Sirag S.-P. Nature, 275, 535, 1979.
  11. Blackett P.M.S. Nature, 159, 658, 1947.
  12. Vasiliev B.V. Il Nuovo Cimento B, v. 114B, N3. pp. 291...300, 1999.
  13. Bardeen J, Cooper L.N, Schrieffer J.R. Phys. Rev. v. 108, 1175, 1957.
  14. Landau L.D. JETP, 11, 592, 1941.
  15. London F. Trans. Faraday Soc. 33, p. 8, 1937.
  16. London F. Superfluids. Macroscopic Theory of Superfluid Helium, vol. I, Dover – New-York, 1954.
  17. Васильев Б.В. Сверхпроводимость и сверхтекучесть. М.: «Простобук», 2013. – 157 с.
    Vasiliev B.V. Superconductivity as a Consequence of Ordering of Zero-point Oscillations in Electron Gas. Universal Journal of Physics and Application, 2(1), pp. 22...35, 2014.
  18. Vasiliev B.V. Superfluidity as a Consequence of Ordering of of Zero-point Oscillations. Universal Journal of Physics and Application, 2(3), pp. 165...170, 2014.
  19. Vasiliev B.V. The New Thermomagnetic Effect in Metals. Universal Journal of Physics and Application, 2(4), pp. 221...225, 2014.
  20. Vasiliev B.V. About Nature of Nuclear Forces. Journal of Modern Physics, pp. 648...659, 2015.
  21. Tamm I.E. Neutron-Proton Interaction. Nature, 1934. – v. 134, p. 1011.
  22. Heitler W., London F. Wechselwirkung neutraler Atome und homoopolare Bindung nach der Quantenmechanik. Zeitschrift für Physik, 1927. – 44, pp. 455...472.

Ранее опубликовано:

Vasiliev B.V. On the Disservice of Theoretical Physics (Work on the Bugs). Research & Review. Journal of Pure and Applied Physics, 2015.

Дата публикации:

4 ноября 2015 года

В начало сайта | Книги | Статьи | Журналы | Нобелевские лауреаты | Издания НиТ | Подписка
Карта сайта | Cовместные проекты | Журнал «Сумбур» | Игумен Валериан | Техническая библиотека
© МОО «Наука и техника», 1997...2017
Об организацииАудиторияСвязаться с намиРазместить рекламуПравовая информация
Яндекс цитирования
Яндекс.Метрика