Считается, что Эйнштейн - гений от науки. В таком случае весьма интересно изучить его принципы научного исследования. К счастью, он о них сам неоднократно высказывался. Одна из его статей так и называется:
ПРИНЦИПЫ НАУЧНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
Эйнштейн: '... Высшим долгом физики является поиск тех общих элементарных законов, из которых путем чистой дедукции можно получить картину мира. К этим законам ведет не логический путь, а только основанная на проникновении в суть опыта интуиция'.
В.Ж.: Вам понятно, дорогой читатель? Логика, согласно Эйнштейну - это не подходящий метод для исследования научных теорий. Дедукция - это не метод из арсенала логики. Конан-дойлевский Шерлок Холмс на основе дедукции находил наиболее вероятные мотивы преступления и наиболее вероятного преступника, но дедукция не может служить доказательством. Шерлок Холмс не использовал дедукцию для доказательства.
Эйнштейн: 'При такой неопределенности методики можно думать, что существует произвольное число равноценных систем теоретической физики; это мнение в принципе определенно верно'.
В.Ж.: Пожалуйста, вдумайтесь. Речь уже не идет о том, что имеется некоторый ряд последовательных приближений теории к реальности, ряд от более грубой теории к более точной. Такой ряд складывается исторически. Он не единственно возможный, но у него есть одна особенность: в целом более поздние теории должны быть более адекватны реальности, чем более ранние, хотя на отдельных этапах развития науки нельзя исключить движение назад. Но Эйнштейн ведет речь вовсе не об этом. Он утверждает, что можно придумать произвольное, то есть сколь угодно большое число теорий физики, которые будут равноценны. Могли бы мы такое утверждать относительно математики? Конечно, нет. В математике вовсе нет никакого произвола, кроме основания, по которому ведётся счет. Имеется двоичная и десятичная математика, в принципе, может быть построена пятеричная, троичная и любая другая - по любому основанию. Но это все равно будет одна и та же математика. В десятичной системе 2х2=4. В двоичной системе то же самое запишется в виде 10х10=100. Это - всего лишь разные формы записи, означающие одну и ту же суть. Если эту суть применить к подсчету, например, яблок, то мы должны будем взять два раза по два яблока и получить четыре. Это число в десятичной системе записывается знаком 4, а в двоичной системе - числом 100. В троичной системе было бы записано 2х2=11, но 11 в данном случае означало бы 3+1, также как в двоичной системе 100 означает 4+0х2+0х1=4. Мы видим, что мы имеем одну и ту же математику, только разную форму записи чисел, и, следовательно, разные способы некоторых численных методов вычислений, только и всего. Ни одна из математик не утверждает, что 2х2=5. Я бы опасался утверждать, что можно построить сколько угодно равноценных теорий физики - мне не ведом метод, как можно размножить теории, не ухудшая их равноценности. К сожалению, автор не развил эту мысль, но и не опроверг.
Эйнштейн: 'Но история показала, что из всех мыслимых построений в данный момент только одно оказывается преобладающим'.
В.Ж.: Я не смог понять, в чем смысл сказанного. 'Преобладающим' построением, видимо, является то, которое разделяет большинство ученых некоторого общества. Разумеется, большинство может разделять только одно теоретическое построение относительно некоторой реальности. Было бы странным разделять одновременно две теории, а тем более - более двух теорий. Даже когда наука признает за светом одновременно корпускулярные и волновые свойства, это не означает, что имеется две преобладающих теории. Это означает, что имеется одна преобладающая теория, которая состоит в утверждении, что ни одна из указанных теорий не достаточна, а необходим их синтез. То есть преобладающая теория стыдливо признает отсутствие конкретной полностью адекватной модели и предлагает использовать две модели, каждая из которых не достаточно адекватна. Все-таки теория, утверждающая это положение, одна. Она и преобладает. Как могут преобладать две теории? На этапе, когда имеются несколько теорий, между их сторонниками происходит борьба. Борьба состоит в том, что сторонники каждой из теорий стремятся перетянуть на свою сторону ученых из другого лагеря. Переход из одного лагеря в другой может происходить только под влиянием весьма сильных аргументов и по убеждению сильных авторитетов. Тогда мы говорим, что в науке произошел переворот или скачок. Другой механизм - вымирание сторонников одной теории и пополнение сторонников другой теории за счет новых учеников. Это происходит не потому, что одна теория опровергнута, а вторая доказана, а потому, что большинство преподавателей разделяет вторую теорию, а не первую, а апологеты первой теории не имеют достаточного количества учеников. Таким образом, в целом в историческом процессе формирования мировоззрения науки мы должны констатировать, что оно определяется мировоззрением педагогов. Вы хотите, чтобы ваша теория победила? Пропагандируйте её среди школьных учителей! Что касается утверждения 'Но история показала, что из всех мыслимых построений в данный момент только одно оказывается преобладающим' - оно в такой же мере справедливо, как и утверждения: 'История показала, что в любом споре в каждый момент только одна сторона побеждает', или 'История показала, что в каждом государстве в данный момент, чаще всего, имеется только одно правительство'.
Эйнштейн: 'Никто из тех, кто действительно углублялся в предмет, не станет отрицать, что теоретическая система практически однозначно определяется миром наблюдений, хотя никакой логический путь не ведет от наблюдений к основным принципам теории'
В.Ж. Первая часть утверждения: 'теория практически однозначно определяется наблюдениями' противоречит ранее выдвинутому тезису 'существует произвольное число равноценных систем теоретической физики'. Согласиться с обоими тезисами означало бы впасть в противоречие. Я не согласен ни с одним их этих тезисов: теорий не может быть произвольно много, но теория и не обязана быть единственной для данного комплекса наблюдений. Приведу пример. Чем можно объяснить падение яблока? Можно предположить, как предполагал Аристотель, что все в этом мире стремится к центру вселенной, а центр расположен внизу, то есть всё стремится упасть вниз. Можно предположить вместе с Ньютоном, что вблизи поверхности Земли гравитационная сила определяется, в основном, массой Земли, и направлена она к центру Земли, то есть в данном случае вниз. Имеем две теории. Можно, наверное, придумать еще несколько теорий, но не бесконечное множество. Если эксперимент пополнить наблюдением воздушного шара, который взлетает, то каждую теорию следует уточнять или дополнять. Обе теории можно дополнить архимедовой силой с учетом атмосферы, обе они будут адекватны. Но можно ввести отрицательную массу, и эти теории уже не будут адекватны друг другу. Но каждая из них будет описывать все рассматриваемые ей явления адекватно. То есть, убедительно, логично, но не обязательно - истинно. Если добавить рассмотрение Солнца, то в теории Архимеда необходимо вводить принципиально иные условия, нежели в теории Ньютона.
Итак, на замечание Эйнштейна 'Никто из тех, кто действительно углублялся в предмет, не станет отрицать, что теоретическая система практически однозначно определяется миром наблюдений' мы ответим: 'Вы ошибаетесь, господин Гений. Если бы практический мир наблюдений однозначно определял теорию, не было бы необходимости в дискуссиях. Все люди на основании одних и тех же наблюдений делали бы абсолютно одни и те же выводы. Никто бы не сжигал Дж.Бруно. Никто бы не требовал от Галилея, чтобы он отрекся от своих убеждений. Люди отличались бы в научных мировоззрениях только кругом экспериментальных исследований, который им известен, то есть научным кругозором. Научные споры проходили бы приблизительно так:
- Свет - это волна.
- Почему?
- Дифракция, интерференция!
- Но эффект Комптона!?
- Ах, да! Ну, тогда свет - это и волна и поток частиц.
- Согласен, коллега! И притом энергия квантована по своей природе.
- Почему же?
- Излучение черного тела.
- А, да, точно! Согласен! Энергия квантована по своей природе.
- Спасибо за интересную дискуссию.
- И вам спасибо, коллега!
Но научные споры проходят не так.
Один объясняет давление света тем, что это - поток частиц, другой - тем, что это волна, третий - тем, что это и то и другое. И все остаются не довольными ни чужими объяснениями, ни своими собственными. И каждый признает собственные аргументы более убедительными, потому что они - свои, родные.
Вторая часть утверждения: 'Никакой логический путь не ведет от наблюдений к основным принципам теории'. А какой путь ведёт? Ладно, пусть теория сформирована без применения логики. Но как проверить теорию, её правильность? Тоже без помощи логики? Позвольте! Но что тогда есть излюбленный метод 'Мысленного эксперимента', если не метод логики? Нам необходимо решить теперь, что же здесь имеет место - либо Эйнштейн наговаривает на себя, и сам он корректно использовал логику, либо мы имеем весьма точное признание о том, что логика в его рассуждениях не играет никакой роли. Вам любопытно? Мне - да!
Отмечу, что заключение: 'я много раз видел, как яблоки падают на землю, и я уверен, что всякое яблоко, будучи брошенным, упадёт на землю' - это логическое заключение, в котором применен метод индукции. Без логики мы не могли бы такого сделать. А логика нам даёт и следующий шаг: 'Даже если будет брошено не яблоко, я любой предмет, обладающий теми же свойствами притягиваться к Земле, он тоже упадёт', и далее имеется эмпирическое наблюдение: 'Относительно общего количества предметов встречается довольно мало таких, которые бы не падали. Все они отличаются свойством, которое больше чем малый вес - это стремление вверх, как, например, в воздушном шарике'. Всё это - логика. Без логики рассуждения - это просто перечисление отдельных событий. Само понятие 'эксперимент' уже содержит в себе логическое предположение о том, что совершенное запланированное событие и наблюдение его результатов даёт новые знания не только об этом конкретном событии, но и о многих аналогичных событиях в подобных же условиях.
Науки без логики не бывает, и быть не может. Без логики она будет даже не журналистикой, а попросту сплетней. Приблизительно такой: 'Майкельсон хотел обнаружить скорость лаборатории относительно эфира, и ни черта у него не получилось. Только деньги и время зря потратил'.
Далее мне просто понравилась фраза, которую я приведу без каких-либо комментариев. Надеюсь, она вам тоже понравится.
Вот она: 'Он сидит, наш дорогой Планк, и внутренне посмеивается над этим моим ребяческим манипулированием фонарем Диогена'.
В.Ж. - Без комментариев.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ АТОМИСТИКА
Эйнштейн рассматривает сообщающиеся сосуды G1 и G2, первый из которых - прозрачный (и цилиндрический), а второй - не прозрачный. Общий вес сосудов постоянен, но поскольку вес g второго сосуда измеряется весами, а вес первого - не измеряется, но в нем измеряется уровень жидкости h, то можно заметить постоянство соотношения ah+g=const 'при соответствующем выборе коэффициента a'.
'Именно многократные повторения подобного рода опытов привели физиков к принципу сохранения энергии'.
В.Ж.: Это - несколько корявое утверждение. Ведь в данном случае речь шла о массе, которая в одном сосуде определена как вес, а в другом - как высота столба жидкости. Про энергию речи не было вообще. Видимо, имеется в виду аналогия - наблюдая несколько видов движений, и вычисляя для них энергию, пришли к выводу, что эти энергии в сумме всегда дают одну и ту же величину. Едва ли к такому заключению можно было прийти в результате измерений. Закон сохранения энергии был сначала открыт теоретически и предположительно, а уж только после этого велись измерения с целью его проверки. Сначала ученый ставит себе вопрос: 'Почему шары после столкновения движутся особым образом? Почему удар малого шара по большому передаёт ему меньшую скорость, а удар большого по малому - большую? Что лежит в основе этих закономерностей? Что за величина определяет эти соотношения? Нет ли здесь некоторой характеристики, которая бы оставалась постоянной и до начала столкновения и после его завершения?'
Поскольку Эйнштейн говорит о массах, отметим, что закон сохранения массы был выведен намного более рано, чем закон сохранения энергии. Последний был выведен по аналогии и из наблюдений совсем другого порядка.
ЭЙНШТЕЙН ОБ ЭНЕРГИИ
'В области механики (без учета трения) впервые было найдено, что существуют две величины, одна - Ф, зависящая только от положения материальной точки (потенциальная энергия), а вторая - L, зависящая только от скорости материальной точки (кинетическая энергия), сумма которых Ф+L не меняется со временем при всех движениях, происходящих без внешнего воздействия на систему. Эту сумму принято называть механической энергией системы'.
'Закон сохранения справедлив и в тех случаях, когда система претерпевает, кроме механических и тепловых изменений состояния, еще любые другие (например, электрические или химические)'.
'Закон сохранения дал толчок к такому пониманию энергии, при котором любой ее форме приписывается одна и та же физическая природа, совершенно независимо от того, с какими наблюдаемыми величинами она связана в различных частных случаях'.
'Современные физики тоже считают сведение всех видов энергии к одному-единственному значительным прогрессом, но они не надеются достичь этой цели в ближайшем будущем.'
ВАЖНО:
Эйнштейн: 'Во всем предыдущем развитии физики механика играла роль настолько предпочтительную, что для физиков того времени предположение об единстве энергии было неразрывно связано с предположением, что эта энергия является механической. В предисловии к своей основополагающей работе 'О сохранении силы' (1847) Г. Гельмгольц высказал эту уверенность следующими словами: 'Задача физической науки заключается в приведении всех явлений природы к неизменным силам притяжения и отталкивания, значение которых зависит от расстояния. Если эта цель будет достигнута, то это явится условием для полного постижения тайн природы'. Сегодня мы можем сказать наверняка, что это убеждение, которое еще несколько лет назад было господствующим, в полном объеме не оправдалось. Но вместе с тем сегодня меньше, чем раньше отвергается тот факт, что большая часть физических явлений может быть сведена к механическим процессам'.
В.Ж. Здесь актуально было бы привести перечень тех явлений природы, которые не могут быть сведены к механическим процессам. Мне кажется, следует четко отличать два различных класса таких явлений:
1. Явления, которые в настоящее время не могут быть описаны с помощью конкретных уравнений и законов, однако, про которые можно с высокой степенью вероятности предположить, что они сводятся к движениям более простых (элементарных) компонент рассматриваемых движений и частиц.
2. Явления, которые, хотя и описываются некоторой энергией, не только не сводятся к механическим движениям чего-либо, но и не предвидится возможности хотя бы качественно объяснить их через такие движения.
Мне представляется, что как только второй класс окажется пустым, задача будет решена в принципе. Лично я затрудняюсь привести хотя бы один пример явлений второго класса. Но это объясняется моим личным убеждением в том, что все подобные явления можно, как минимум, отнести к первому классу. Это убеждение другие люди могут и не разделять.
Итак, Эйнштейн признает важным и желательным сведение всех видов энергии к механической, но не видит такой возможности даже в будущей теории.
Эйнштейн: 'Убеждением в фундаментальном значении механики для теоретической физики мы в первую очередь обязаны кинетической теории тепла, к краткому изложению которой я сейчас перехожу. При этом я не буду придерживаться исторического хода развития, который в значительной мере был обусловлен последовательностью преодоления известных математических трудностей'.
В.Ж. Это важно. Иными словами, Эйнштейн признает, что если бы математика была более развита, то исторический путь развития физики был бы более коротким, правильным. Трудности, а, возможно, и неверные рассуждения, могут порой возникать не только вследствие недостаточного развития математики (или скажем шире - смежных областей знаний), но и недостаточным овладением этими знаниями, или хотя бы результатами их теми, кто развивает физическую теорию. Нильс Бор не смог предложить никакого механизма явлений, объясняющего структуру простейшего атома. Лучшей моделью он считал планетарную модель. На каком основании? На том, что эта модель отвечает на вопрос, каким образом две частицы (одна из которых намного тяжелее) могут, притягиваясь друг к другу, всё же никогда не сблизиться окончательно. Но эта модель является слишком грубым приближением. Планеты движутся вокруг Солнца, не падая на него и не удаляясь только в силу исторически сложившейся начальной скорости. Небольшое отличие этой скорости при данном расстоянии вызвало бы заметное отличие орбиты от сферической, большое отличие вызвало бы качественно иной результат. Планеты, движущиеся медленнее, должны были бы упасть на Солнце, и, видимо, в прошлом таких планет было множество. Планеты, движущиеся быстрее, должны были бы покинуть орбиту, и, видимо, такие планеты тоже были. Принятие планетарной модели атома приводит к заключению, что электрон должен двигаться в одной плоскости, диаметр и форма орбиты зависит от начальной скорости, то есть, от температуры. Охлаждение атома должно вызвать падение электрона на ядро. Разогрев атома должен вызвать его разрушение. Изменение температуры атома должно вызывать резкое изменение его размеров. Этого не происходит. Планетарная модель потерпела крах. Другой модели ни Бор, ни кто-либо иной из его современников построить не могли. Это - пример именно такого рода, когда недостаточное развитие смежных областей знаний или недостаточное знание их вынуждает создателей теории прибегать к неверным построениям, поскольку верного построения они сделать не могут. Сегодня можно дать объяснение таким формам движения. Автоколебательные движения электрона около ядра с легкостью могут быть объяснены нелинейной зависимостью силы притяжения от положения и скорости электрона. Следовательно, нет никакой необходимости привлекать гипотетическую силу отталкивания. Нет также необходимости утверждать принципиальную неделимость энергии, которая, якобы, запрещает электрону занимать орбиты с промежуточными энергетическими уровнями. Кроме того, квантовая теория света ведь не давала ответа на самый глобальный вопрос: почему электрон не падает на атом. Если энергия не может быть меньше некоторой величины, то это может каким-то искусственным способом объяснять, почему орбита не может иметь энергию меньше этой величины. Но это никак не объясняет невозможности электрону иметь нулевую скорость и нулевую энергию, то есть упасть на ядро. Зато теория автоколебательного движения электрона автоматически отвечает на этот вопрос следующим образом: состояние прилипания электрона к атому теоретически остается возможным, как тривиальное решение уравнений системы. Однако даже небольшое отклонение от этого состояния вызывает раскачку движения, в результате которой электрон выходит на стационарную орбиту, соответствующую предельному циклу автоколебаний. В практике именно так и происходит с известными автоколебательными системами: теоретически они могут находится в равновесном состоянии, но практически они либо никогда в нем не находятся, либо вероятность пребывания в нем крайне мала.
Эйнштейн: 'Кинетическая теория материи вначале заимствовала из химии и кристаллографии молекулярную теорию'
В.Ж. Напомним, что учение об атомах было выдвинуто античными философами.
Эйнштейн: 'Очевидно, теория отражает научную ценность только в том случае, если лежащие в ее основе предположения проще, т.е. менее разнообразны, чем сравнимые с опытом следствия'
В.Ж. Это очень важно! Сравните с принципом Оккама (у меня есть соответствующая статья). Придерживался ли сам Эйнштейн этого принципа? А вы как думаете?
Эйнштейн: 'Кроме молекулярной теории, кинетика пользуется еще допущением, что законы механики применимы к молекулам и атомам без всяких изменений, причем атомы принимаются за материальные точки'
В.Ж. Это - тоже очень важно! Но сравните с квантовой теорией. Припомните, что Эйнштейн приложил много усилий, чтобы убедить Планка принять эту теорию, тогда, когда он уже почти собирался от неё отказаться. В механике мы тоже иногда имеем примеры разделения на стандартные порции того вещества, которое в сравнении с этими порциями может быть признано непрерывным. Назовём этот процесс условно квантованием. Характерный пример - дождь. С неба льётся вода. Величина молекулы настолько мала, что количество вещества может считаться непрерывной величиной в сравнении с размерами капли. Тем не менее, дождь падает именно в виде капель. Капли воды мы могли бы назвать квантами. Это - такая порция, которая возникает при падении воды снизу. Можно ли капнуть водой таким образом, чтобы выпала порция меньше, чем капля? Разумеется, без специальных приспособлений и примесей это сделать очень трудно, практически, невозможно. Из этого мы могли бы заключить, что вода обладает свойством образовывать порции, менее которых получить невозможно. Но капли воды велики и в быту бывает сложно разделить их на части. Мы не считаем, что капля - это квант воды. А вот если бы мы не могли исследовать и делить каплю ни при каких обстоятельствах, а наблюдали бы только дождь, мы могли бы создать теорию квантового возникновения дождя. Не могу утверждать, что эта теория была бы совершеннейшей чушью: какие-то явления она, вероятно, верно описывала бы. В частности, снегопад и град подтверждали бы, что в основе этого явления лежит квантовая природа воды: снежинки имеют определенную массу и размеры, градины - тоже, хотя эти величины и не совпадают с массой и размерами дождевой капли.
Однако, и в квантовой природе света энергия фотона не постоянна.
Мы могли бы сделать вывод, что величина кванта воды зависит от энергии: зимой квант имеет одну величину, летом - другую. И так далее.
Мне представляется, что квантовая теория света - это столь же далёкая от реальности, и столь же верная в мелочах теория, как и 'квантовая теория дождя'.
Нам совершенно не нужна квантовая теория дождя, если мы знаем, что такое силы поверхностного натяжения жидкости и силы сопротивления воздуха. Мы можем создать теорию, согласно которой большие капли разрываются воздухом, маленькие - собираются в более крупные, и только капли определенных размеров и формы легко преодолевают воздушную среду. Но мы могли бы считать, что вода состоит из капель, и капля - это минимальная доза воды.
По отношению к свету, благодаря победе квантовой теории, мы считаем, что энергия излучения состоит из порций, меньше которых быть не может. Но мы могли бы считать, что при испускании света действуют такие обстоятельства превращения механической энергии электронов в световую энергию (энергию электромагнитной волны в вакууме), что не может быть получена порция, менее некоторой величины, характерной для данного энергетического уровня данного атома. То есть - для двух орбит, из которых с одной атом переходит на другую. Это оставляет открытым вопрос: почему электронные орбиты не могут распределяться равномерно в атоме, а могут только быть на определенных энергетических уровнях. Ответ на этот вопрос мы бы стали искать не в свойстве энергии, а в структуре атома. Поэтому заранее известно, что при изменении заряда ядра распределение этих орбит имело бы право измениться. Как видим, эта теория больше соответствует действительности. Теперь посмотрим, что происходит с уже излученной энергией. Если она состоит из квантов фиксированной величины, то и поглощаться она может только этими самыми порциями. То есть должно быть одно из двух - либо в поглотившем эту энергию атоме какой-либо электрон переходит на новый энергетический уровень, отличающийся в точности этой величиной энергии, либо атом не может поглотить эту порцию энергии. Следовательно, либо излучение атома может поглотить только такой же атом, либо другой, но с такими же ступеньками между соседними энергетическими уровнями. Но мы знаем, что разность энергий между любыми двумя энергетическими уровнями различных атомов и молекул - различны. Кроме того, мы знаем, что атомы и молекулы могут поглощать не только энергию, излученную в точности такими же атомами и молекулами, но и энергию других видов и порций. В частности, атом может поглощать тепловую энергию, а выделять световую. Следовательно, мы приходим к заключению, что энергия не сохраняет свойств дискретности. Итак, и с позиции процесса излучения, и с позиции процесса поглощения, мы приходим к одному и тому же выводу: квантовый характер излучения определен не свойством энергии в целом, а характером конкретного процесса излучения.
Вернёмся к высказыванию Эйнштейна: '...Кинетика пользуется еще допущением, что законы механики применимы к молекулам и атомам без всяких изменений, причем атомы принимаются за материальные точки'
1. Выполняется ли это? Безусловно, в современной физике - не выполняется.
2. Хотели ли бы мы вернуться к такой теории, в которой это бы выполнялось? Ответ, видимо, будет таким: мы бы хотели прийти к такой теории, которая точнее соответствует реальности, а будет она такой, или не будет - это уж как судьба сложится. Но если бы оказалось, что такая теория может быть создана, то это было бы отрадно.
3. В таком случае, не имеет ли смысл детально изучить возможности создания такой теории? Не кажется ли вам, дорогой читатель, что такую теорию легче принять в силу её естественности?
Вернёмся к ещё более раннему высказыванию Эйнштейна: '... Теория отражает научную ценность только в том случае, если лежащие в ее основе предположения проще, ... чем сравнимые с опытом следствия'.
Я утверждаю, что, разрабатывая теорию, объясняющую квантовую природу света через условия устойчивости движения электронов к центру атома, я действую в полнейшем согласии с этими двумя принципами создания теоретической физики, которые провозгласил Эйнштейн.
Я так же хотел бы намекнуть, что сам Эйнштейн не придерживался этих принципов, или же ему этого попросту не удалось.
Далее Эйнштейн совершенно необоснованно утверждает как несомненную истину, 'совершенно определенный закон' о том, что средняя кинетическая энергия каждого атома равна L и ее значение 'одинаково для всех атомов системы'. Кроме того, он еще более не обоснованно (вероятно, ошибочно) утверждает, что и средняя кинетическая энергия каждой молекулы также равняется L, 'т.е. оно одинаково для всех молекул системы и равно среднему значению кинетической энергии отдельного атома'.
'Следовательно, величина L является общей мерой интенсивности молекулярного движения в системе' - из чего это следует?
'Величина L может быть рассмотрена непосредственно как мера температуры' - здесь очевидно причина выдается за следствие. Автор убежден, что температура каждой частицы вещества имеет одну и ту же величину. Отсюда проистекает его убежденность в том, что и кинетическая энергия каждого атома равна одной и той же величине. Поскольку молекула состоит из атомов различной массы, следует из этого предположения, что скорости этих атомов существенно отличаются, хотя они и являются компонентами одной и той же молекулы. Не отвергая этого, я бы, тем не менее, считал необходимым для автора отдельно остановиться на механизмах такого явления и причинах убежденности в истинности сделанного предположения.
К моим пожеланиям он, конечно же, теперь уже не прислушается.
Далее рассмотрены связь давления и температуры в газе, дана трактовка через столкновения молекул. Обсуждается внутреннее трение в газах и жидкостях. Используются аналогии с комарами в рое. Обсуждается броуновское движение.
Эйнштейн: 'Это явление показывает, что законы феноменологического учения о тепле имеют лишь ограниченную достоверность. По этой теории, частица, обладающая первоначально поступательным движением, из-за трения о жидкость должна быстро остановиться, а затем оставаться в покое'.
Эйнштейн: 'Механические процессы, к которым кинетическая теория тепла пытается сводить тепловые, являются обратимыми. Это означает, что для любого возможного движения существует другое, при котором материальная точка пробегает те же положения с точно той же скоростью, но в обратной последовательности. В противоположность этому, обращения тепловых процессов никогда не наблюдались. Если, например, привести в соприкосновение два по-разному нагретых куска металла, то их температуры усредняются. Если же привести в соприкосновение два одинаково нагретых куска металла, то сами по себе они никогда не приобретут разные температуры. Казалось бы, что отсюда надо сделать заключение о принципиальной невозможности сведения тепловых явлений к механическим, ибо представляется невозможным свести необратимые
процессы к обратимым'.
В.Ж. Здесь автор проявляется, как мастер творить парадоксы. При рассмотрении механических явлений он не утверждал о том, что они должны происходить 'сами по себе'. Но ведь аналогично, если два сближающихся шара (допустим, равной массы) столкнутся, они начнут удаляться (обменявшись скоростями), зато если два удаляющихся шара предоставить самим себе, то они никогда не столкнутся. Так что при такой постановке вопроса можно говорить и о необратимости механических движений!
Далее вводится со ссылкой на Больцмана рассуждение о том, что распределение скоростей описывается вероятностной функцией, допускающей скорости сколь угодно большие - 'Должны попадаться любые большие скорости. Но чем больше скорость, тем реже она встречается' - странно слышать о допущении любых скоростей для молекул с авторским курсивом от автора теории относительности, которая утверждает о невозможности существования любых скоростей даже для самых малых элементарных частиц!!!
Рассматривается внешняя частица со скоростью, значительно превышающей среднюю. Утверждается, что ее скорость может как возрасти, так и снизиться, однако, вероятность первого исчезающе мала.
Эйнштейн: 'Таким образом, по Больцману, за средними опытными законами скрывается сущность необратимых тепловых явлений'.
Обобщение Эйнштейна: 'изменение состояния изолированной системы происходит так, что (в среднем) более вероятные состояния следуют за менее вероятными'.
В.Ж. Что имеется в виду под словом 'следуют'? Видимо, мысль автора состоит в том, что более вероятные события проистекают более часто (банальное утверждение из самого определения вероятности), и, следовательно, после того, как случится менее вероятное событие, непременно (???) случится более вероятное, действие которого компенсирует действие менее вероятного события. Однако, событие маловероятное как раз именно в том и состоит, что его результат не будет компенсирован другим событием, поскольку после того, как совершится менее вероятное событие, исходная ситуация изменится, и для того, чтобы произошло иное следствие из той же причины не будет никакой возможности, поскольку причина уже исчезнет.
Допустим, скорость в момент t0 равнялась v0, а в момент t1 увеличилась до v1. Если предполагается, что далее, в момент t2 она уменьшится до величины v2, то это ровным счетом ничего не добавляет и ничего не объясняет, ибо в момент t1 она все же увеличилась до значения v1, то есть менее вероятное событие все же свершилось.
Так что сделанное 'обобщение' ничего не проясняет.
Эйнштейн: 'Ясно, что в термодинамике вероятность состояния имеет фундаментальное значение'.
В.Ж. Из чего ясно? Как понимать вообще утверждение о фундаментальном значении вероятности в некоторой науке или ее разделе?
Приводится уравнение Больцмана, связывающее энтропию состояния S вероятностью состояния W:
S=(R/N) lnW.
Эйнштейн: 'Это уравнение связывает термодинамику с молекулярной теорией. Оно дает статистические вероятности состояний даже для таких систем, для которых мы не в состоянии строить молекулярно-кинетическую модель'.
Эйнштейн: 'Уже несколько лет известно, что молекулярная механика имеет определенные границы применимости. Больше того, положения, лежащие в ее основе, никогда не выполняются точно и верны только с известным приближением'.
В.Ж. Тут следует возразить. Длительность знания не подтверждает его истинности. А с чего это может быть известно? Можно обоснованно предположить, что инструментарий для исследования молекулярной механики не обладает достаточной точностью, чтобы достоверно утверждать строгую и однозначную применимость классической механики к области столкновения молекул. Недостаток инструментария состоит в том, что о столкновениях мы можем знать только по трекам или иным косвенным результатом, наши знания получаются посредством взаимодействий, которые распространяются в пространстве со скоростью света. Следовательно, наши измерения обладают ограниченной точностью при заданном быстродействии или ограниченным быстродействием при заданной точности. Эта закономерность может быть записана формально в виде соотношения неопределенности, которое ограничивает не собственные движения частиц, а наши возможности исследования этих движений. Принцип неопределенности ограничивает наши экспериментальные возможности, а не теоретические. Если бы это понимали, многих ошибок в науке можно было бы избежать.
Эйнштейн: 'Будем следить за отдельным атомом достаточно долго для того, чтобы выяснить характер совершаемого им движения'.
В.Ж. Теоретически? Следить? Хм... Теоретически можно только рассчитать. Следить можно экспериментально, но с указанными выше ограничениями. Статья носит теоретический характер. Кто может следить за атомом, следите, пожалуйста, я на вас надеюсь.
Эйнштейн: 'Простоты ради будем считать, что все молекулы, кроме рассматриваемой, находятся в состоянии равновесия'.
В.Ж. Даже не знаю, что сказать на такое. На каком основании такое предположение может быть сделано?
Эйнштейн: '...тогда они будут препятствовать изменению положения движущегося атома. Эта сила сопротивления будет тем больше, чем сильнее атом отклоняется от своего состояния равновесия. Предоставленный самому себе атом будет колебаться вокруг своего положения равновесия подобно маятнику. Механическая энергия колеблющегося таким образом тела (атома? - В.Ж.) состоит из кинетической и потенциальной энергии, причем при гармоническом колебательном движении (при котором время одного колебания не зависит от амплитуды) (с чего бы? - В.Ж.), потенциальная энергия в среднем равна кинетической'.
Эйнштейн: 'Если энергию 3RT принять прямо за количество тепла граммолекулы, то удельная теплоемкость на 1 граммолекулу должна равняться 3R, или 5,97 гкал. Это действительно соответствует эмпирическому закону Дюлонга и Пти, который вполне удовлетворительно выполняется при обычных температурах. Но при низких температурах, вопреки результатам молекулярной механики, значение удельной теплоемкости меньше. Вблизи абсолютного нуля оно даже становится исчезающе малой. Этот результат не привел теоретиков в изумление, так как они знали, что и законы излучения нагретых тел не согласуются с молекулярной механикой, а между законами теплового излучения и удельной теплоемкости должна существовать тесная связь. Этот результат новейших исследований доказывает, что чем быстрее колебания и ниже температура, тем хуже выполняются законы молекулярно-кинетической теории'.
В.Ж. Определенно можно утверждать только, что чем быстрее колебания и ниже температура, тем большую погрешность вносят измерения. Поэтому тем труднее судить, насколько точно выполняются законы кинетической теории молекул.
Напомню кстати, что предположение, что законы движения молекул должны хоть в какой-то мере соответствовать законам движения шаров при упругом столкновении, может быть сделано только на основе ЛОГИКИ. Вспомним, что Эйнштейн утверждал, что логика не обязательно применяется при построении физических теорий.
Эйнштейн: 'Современные физики считают бесспорным, что законы механики не годятся для быстрых колебательных движений малых масс. Несмотря на все усилия до сих пор не удалось так изменить основы механики, чтобы они охватили и эти явления. Проведенные до сих пор исследования связаны с теорией излучения Планка. Они не привели к полному теоретическому пониманию, хотя и дали полезные формулы'.
В.Ж. Вот на этой пессимистической ноте нам нет необходимости заканчивать эту статью. Мы можем её закончить на оптимистической ноте.
В.Ж. 'Согласимся с современными физиками, что законы механики не годятся для быстрых колебательных движений малых масс, если их применять без учета скорости распространения силового воздействия, то есть поля. Введём это рассмотрение. Обратим внимание, что в этом случае нам удаётся так изменить основы механики, чтобы они охватили и эти явления тоже. Проведенные ранее исследования связаны с теорией излучения Планка, в которой дискретный характер излучения рассматривался как фундаментальное свойство самой энергии излучения, и не как следствие формирования этого излучения в атоме или иной колебательной системе. Нами же предложен противоположный подход. Он привели к полному теоретическому пониманию, хотя пока и не дал окончательных полезных формулы, поскольку данные задачи решаются чаще всего не аналитически, а методом математического моделирования, методом фазового портрета и иными специальными методами'.