Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
Экзамен на «Homo Sapiens – II». От концепций естествознания ХХ века – к естествопониманию
Поляков В. И.,
3.2.1. Физика о заряде и электроне
Известнейшие слова В. Ленина в эпиграфе, многократно цитированные в учебниках философии и физики, - попытка философа без знания основ физики «объять необъятное». Что значит «неисчерпаем»? Как материальный объект, в энергетическом освоении или в познавательном содержании? Если неисчерпаем в кантовском смысле «вещи в себе», то Ленин прав, хотя он и был противником Канта. Познать все свойства электрона - вряд ли посильная задача для современной науки, но макроэкологические представления о системности МИРА позволяют приблизиться к этому пониманию сквозь догмы и фетиши физики ХХ века. Чтобы привлечь внимание читателя к разгадке тайны этой одной из множества «изученных» физиками элементарных частиц с отрицательным зарядом, - анонсируем разгадку: «В Природе не существует отрицательного заряда, как он введён в физике, а потому и частица, называемая «электрон» - это только одна проекция свойств единственной элементарной частицы материального мира!» Прежде чем углубить представления о частице, называемой «электрон», мы будем использовать это название, и проследим исторические вехи открытий и заблуждений на пути нового понимания.
Электрические свойства некоторых веществ были известны ещё 2500 лет назад. «Электрон» - так называлась в Греции окаменевшая смола, называемая нами «янтарь», способная притягивать мелкие предметы. В новое время научное изучение этого явления начали в XVI веке. Английский физик У. Гильберт (1544-1603), начав исследования в 1570 г., обнаружил, что некоторые драгоценные камни (алмаз, сапфир, аметист, агат, горный хрусталь и другие), будучи натёртыми, проявляют силы притяжения. Он назвал эти вещества «электриками». Когда такое вещество становилось наэлектризованным, то считалось, что оно приобрело электрический заряд. Металлы не электризовались. Возникла идея, что электричество является чем-то подобным жидкости (аналогичная идея перетекания «теплорода» при нагревании тел была широко распространена позднее для явлений теплопередачи). Заряд перетекает и, накопившись в теле, делает его наэлектризованным.
В 1733 г. французский химик Ш.Ф. Дюфе обнаружил, что наэлектризованные разные тела могут не только притягиваться, но и отталкиваться и предположил наличие разного типа электричества «стеклянного» и «канифольного». Б. Франклин экспериментально показал, что «стеклянный» заряд нейтрализует «канифольный» и предположил, что существует заряд только одного типа. Когда заряд имеется в теле в нормальном количестве, оно нейтрально, если заряд притекает в тело, то заряд возрастает и тело «положительно заряжено», а если заряд покидает тело, то тогда оно «отрицательно» заряжено. Положительно заряженной тело притягивает отрицательно заряженное, заряд перетекает, его количество выравнивается и тела становятся разряженными.
Какое тело считать положительно заряженным, а какое отрицательно? Б. Франклин (1740) предположил, что натёртое стекло приобретает заряд и потому оно положительно заряжено, а канифоль теряет заряд. С тех пор физики традиционно считают, что поток электричества идёт от + к -, то есть из точки с наибольшей концентрацией заряда, - к месту, где его не хватает. Нейтрализация положительного электрического заряда определённой величины (избытка) производится такой же величиной отрицательного заряда (недостатка). Происходит перераспределение заряда, но сохраняется их сумма. Так со времени Франклина считается общепризнанным закон сохранения электрического заряда.
Понятие «заряд» у Франклина - единственно, а мы можем обнаруживать его избыток или недостаток в каком-то теле. Позднее наука фетишизировала + и -, присвоив их разным частицам. В конце XIX века при исследовании строения атомов были экспериментально обнаружены частицы, названные электронами (фотоэффект, катодные лучи). Частице был приписан отрицательный заряд, который определялся направлением движения в электрическом поле. Экспериментально с высокой точностью Р.Э. Милликен (1915) измерил значение минимального заряда, который и был приписан электрону:
е = - 1,602177·10-19 Кл.
Блестящий экспериментатор Милликен заслуженно получил Нобелевскую премию (1923 г). Подчеркнём, что это значение (того, что названо зарядом) действительно является минимальным в Природе, так как определяется свойствами среды. Меньшие значения заряда, приписываемые теоретиками сказочным кваркам, не существуют, хотя за эту идею М. Гелл-Манн получил Нобелевскую премию (1969).
Экспериментально измеренная масса электрона me = 9,10939·10-31 кг, как будет показано при уточнении понятия массы, также является минимально возможной в Природе. Позднее были определены и другие физические характеристики электрона, описывающие в формулах его поведение, но не имеющие внятного объяснения физической сущности: Комптоновская длина волны электрона λК = h/mec = 2,426311·10-12 м, его классический радиус r0 = e2/mc2 = 2,81794 ·10-15 м (h - постоянная Планка, e - заряд, mе - масса электрона, c - скорость света), магнитный момент μе = 928,477·10-26 Дж·Тл-1 (действительная размерность величины, скрытая за именами учёных, - кг1/2·м7/2·с-2 не имеет физического смысла, но это что-то измерено с высокой точностью!) и другие [91].
При исследовании свойств атомов было определено, что их ядра состоят из протонов и нейтронов, электроны располагаются на удалении вокруг ядра, а протон является ядром простейшего атома - водорода. Измеренная масса протона, также признанного элементарной частицей, оказалась в 1837 раз больше массы электрона (почему именно такое различие масс элементарных частиц атома, физика объяснить не способна). Заряд протона оказался равным заряду электрона, но другого знака - положительный (что это значит и почему так, физика не знает). При дальнейшем развитии теории протон признали составной частицей из различного типа кварков, имеющих дробный заряд. Во всех атомах число протонов в ядре равно числу электронов и заряды сбалансированы.
Оказалось, что обычные законы механики не способны описать поведение элементарных частиц, проявляющих волновые свойства. Потребовались радикально новые представления. Луи де Бройль (1924) высказал гипотезу, позднее развитую в квантовой механике, что «корпускулярно-волновой дуализм носит всеобщий характер. Это означало, что волновые свойства присущи любым частицам материи, то есть не только фотону, но и электрону, протону и др. Согласно де Бройлю, любой частице материи можно поставить в соответствие волну, длина которой связана с импульсом частицы» [53]. «Волны де Бройля» были обнаружены при дифракции электронов, и де Бройль был удостоен Нобелевской премии (1929), хотя понимание такого «двуличия» электронов, нуклонов и других частиц отсутствует.
Основы квантовой механики были заложены В. Гейзенбергом (1925) и Э. Шредингером (1926). Они смогли математически в матричной форме представить соотношения между экспериментально наблюдаемыми величинами: частота излучения спектральных линий атомов и их интенсивность. Оба были удостоены Нобелевских премий (1932, 1933). Матрицы и волновые функции предсказывали вероятность событий и позволяли исключить из рассмотрения понятные механические характеристики: координаты электрона, его скорость, траектория движения. Эти характеристики были признаны не существующими.
Релятивистское обобщение квантово-механических законов было представлено П. Дираком (1928). Один из важных результатов его работы - решение релятивистского уравнения движения электрона, в котором перед корнем квадратным математически должны стоять знаки + и -, что было воспринято как существование двух частиц. Наряду с электроном, должна существовать и частица с равной ему массой, но с положительным зарядом. В 1932 г частица с такой же массой, как электрон, но которая отклонялась в магнитном поле в противоположном направлении, была обнаружена К. Андерсоном. Частица была названа позитроном. П. Дирак и К. Андерсон получили Нобелевские премии (1933, 1936). Это считается блестящим достижением теории, хотя реально - это заблуждение науки. С тех пор вместо единого понятия «перетекающего» заряда Франклина в ХХ веке окончательно утвердилось существование в Природе двух разных частиц с противоположными зарядами, которые обязаны существовать и взаимно уничтожаться (аннигилировать) при встрече.
Современная физика, оперируя понятием заряд, не определяет его ни как субстанцию, ни как природное явление, а использует технически, потребительски. Определение электрического заряда: «величина, равная произведению силы тока I на время t, в течение которого шёл ток; единица измерения - кулон (Кл); кулон равен количеству электричества, проходящему через поперечное сечение проводника при токе силой 1 ампер за время 1 секунда» [91].
Коренное физическое понятие заряда в физике оказалось сведено до второстепенного, определяемого по силе электрического тока, принятой за основную физическую величину. Оказывается, что и эта единица не проясняет нам ничего, а возвращает к предыдущему определению: «Сила электрического тока I - скалярная величина, равная производной по времени от электрического заряда, переносимого носителями заряда сквозь рассматриваемую поверхность; единица измерения - ампер; ампер равен силе тока, который при прохождении по двум параллельным, прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2·10-7 ньютона» [91]. Если после этого кому-то стало ясно, что такое заряд, попытайтесь это объяснить своим друзьям или студентам.
Заканчивая этот краткий обзор, можно видеть, что теоретическая физика математически «исчерпала» электрон и его анти-брата позитрон. Как показано (см. 4.2), имена Кулона, Ампера и других великих учёных присвоены существующим и не существующим явлениям, но зато найдены соотношения, которые позволяют в технике их использовать. Всё подтверждается экспериментами. «Электрический ток идёт, заряды бегут, двигатель крутится, машина едет»,- что же ещё нужно? Необходимое в естествознании понимание соотношений между природными сущностями в науке отсутствует. Сила тока - ампер имеет размерность в системе СИ: I=[M1/2L3/2 T-2], а заряд - кулон - [M1/2L3/2Т-1]. Как в Природе извлекается корень квадратный из массы или длины, чтобы создать единичные заряды и передавать их на большие расстояния? Такое возможно в технике, где течёт что-то, но не возможно в естествознании. Физика не даёт реального представления о заряде частиц, их размере и траектории движения, заявляя, что в микромире всё по иному и нельзя использовать классические понятия.
Современная квантовая физика вместе с теорией относительности привели к относительности науки вообще. Если в каждой из выбранных систем координат события могут развиваться по-разному, если местонахождение электрона в каждый данный момент неизвестно, если электрон может при движении менять массу, не изменяя заряда, то уже не существует единства Природы, и возникают сомнения в логических причинно-следственных связях.
Исследования структуры микромира продолжаются, но до сих пор не создана непротиворечивая теория элементарных частиц, число которых около 400, а масса изменяется от одной до миллионов и миллиардов («бозоны Хиггса») электронных масс. Существует множество математических трудностей: получение бесконечно большого значения для некоторых физических величин, нестыковка теорий для разных типов микрообъектов, отсутствие единой теории физических полей. В гл. 1.3 было показано, что причина всех трудностей в физике состоит в использовании одного способа описания явлений Природы - математического. Принято считать, что математика - не просто язык для описания природы, но внутренне присуща самой Природе. Такое представление вылилось в трагедию науки. Особенность математического описания - абстрактность. Система понятий и символов, представляет карту реальности, на которой запечатлены лишь её некоторые черты. Оперируя символами, физик имеет дело с упрощёнными представлениями о реальности. За понятиями и символами в физике скрывается какое-то свойство, но потеряны другие. Часто физики придумывают свойства, не имеющие содержания. Так, придуманным кваркам, предполагаемым составным частям протона и нейтрона, приписывают электрический заряд или -1/3, или +2/3 и такие квантовые числа, как спин, изотопический спин, странность, очарование, прелесть, барионный заряд. Какой физический смысл скрывается за каждым из этих свойств? Может ли быть электрический заряд равным 1/3 или, например, 1/101 от заряда электрона? Милликен определил экспериментально минимальный заряд, но теоретики делят его на дроби.
В. Гейзенберг отмечал, что «каждое слово или понятие, каким бы понятным оно ни казалось, может найти лишь ограниченное применение». Поэтому каждое понятие должно быть чётко определено. Математизированная физика об этом забыла. На вопрос, что такое заряд,- физик даёт ответ: «это свойство - притягиваться для частиц с разным знаком и отталкиваться с одинаковым». Но свойство притягиваться не объясняет ни причину притяжения, ни знаки зарядов.