Прошлое столетие ознаменовано величайшим кризисом в физике, когда на смену глубокому пониманию физического смысла природных явлений и технических процессов пришли новые научные ориентиры. Физик П. Дирак провозгласил математическую красоту единственным критерием для выбора пути развития в теоретической физике. Но математик М. Атья, осознавая риск быть убаюканным элегантностью, базирующейся на зыбкой почве, предупреждал, что подчинение физики математике таит в себе опасность, поскольку может завести в область измышлений, воплощающих математическое совершенство, но слишком далеких от физической реальности или даже не имеющих с ней ничего общего.
Особенностью современной физики является её сравнительно высокое финансирование при том, что осуществление прозрачного и эффективного государственного и общественного контроля за соответствующими финансовыми потоками наталкивается на значительные трудности. Ситуация, когда учёные-физики контролируют сами себя, создаёт благоприятную почву для всевозможных злоупотреблений гипертрофированными полномочиями. Особенно сложное положение дел имеет место в сфере фундаментальных физических исследований, к которой относятся, в частности, теоретические основы электродинамики. Чрезвычайно высокий уровень математизации научных работ в этой сфере приводит к тому, что даже высококвалифицированные специалисты смежных областей или всего лишь принадлежащие разным научным школам начинают говорить «на разных языках» и перестают понимать друг друга.
Научные результаты отдельных учёных (таких, как Эйнштейн и Хокинг) провозглашаются непреложной истиной подобно религиозным догматам. Но гласные и негласные запреты на критический анализ трудов признанных корифеев всегда губительны для научного прогресса и неизбежно приводят к застою. Однако любая критика должна быть объективной и конструктивной. В основе физики всегда был и должен оставаться физический эксперимент, и соответствие физическому эксперименту должно всегда быть главным критерием истинности физических теорий. Математическая строгость физических теорий также важна, но не менее важно и то, чтобы физический смысл явлений и процессов не был скрыт, завуалирован математическими формализациями.
Наконец, еще один тормоз развития науки – её чрезмерная популяризация в коммерческих интересах. Наука, закованная в кандалы желтой прессы, когда на обложках популярных журналов для большего психологического эффекта изображаются якобы гениальные лица с ограниченными физическими возможностями, тенденциозно восхваляемые журналистами, абсолютно не разбирающимися в самой по себе науке, вызывает отторжение. Высокая математизация физических теорий лишь помогает желтой прессе придать физике ореол мистичности, уводя читателя от истины. Предпочтительна квалифицированная популяризация физики самими учеными, но опять-таки, она должна опираться на объективное информирование о результатах физических экспериментов и всестороннее раскрытие физического смысла теоретических моделей.
Все это и породило жесточайший кризис в современной физике. Но такое положение дел не может продолжаться вечно. Сейчас ситуация в физике очень напоминает период, предшествовавший падению системы Птолемея. На смену обветшалым догмам готовятся прийти новые прогрессивные идеи и взгляды. Чтобы лучше понять, в каком обновлении нуждается современная физика, нужно критически проанализировать, как и почему возник такой глубокий и продолжительный кризис.
Переломным моментом явился переход от сравнительно простых и интуитивно понятных классических представлений о пространстве и времени к релятивистским, основой которых является специальная теория относительности Эйнштейна (СТО). А после соединения релятивизма с квантованием действия, полной геометризации гравитации и распространения принципа геометризации на другие физические взаимодействия, несовершенство сложившихся идей и взглядов стало очевидным. Корень этого несовершенства заключается в принципиальном рассогласовании между физикой и математикой, когда математический аппарат физики все больше вырождается в полумистическую схоластику, в рамках которой объективный физический смысл явлений все больше ускользает, а роль субъективного сознания наблюдателя и неведомой «магической» силы абстрактных математических формул становится все более фундаментальной. Следует признать, что отмеченное рассогласование физики и математики стало нарастать задолго до победного шествия теории относительности. Наверное, исторически первым особенно «твердым орешком» для математической физики оказалась электродинамика. Переход от механики материальных точек и их конечных совокупностей к формальному описанию непрерывного в пространстве и времени электромагнитного поля требовал привлечения более мощного математического аппарата, но развитие математики, хронически не отвечало запросам бурно развивающейся физики.
В первоначальном виде система уравнений классической электродинамики была записана Максвеллом в его знаменитом трактате [1] с использованием исчисления кватернионов в рамках классических представлений о пространстве и времени, допускающих преобразования Галилея при переходе от рассмотрения электромагнитного поля в одной инерциальной системе отсчета (ИСО) к рассмотрению этого же поля в другой ИСО. Однако сразу выяснилось, что исчисление кватернионов в математике было развито не настолько хорошо, чтобы физики могли его успешно применять к широкому кругу задач электродинамики. Для того чтобы привлечь в электродинамику более простые и эффективные средства математической физики, Герц и Хевисайд переформулировали уравнения Максвелла с языка исчисления кватернионов на язык векторного анализа.
В то время казалось, что формулировка Герца-Хевисайда эквивалентна исходной формулировке Максвелла, но теперь уже можно констатировать, что уравнения, полученные Герцем и Хевисайдом, являются существенным упрощением уравнений Максвелла в кватернионах, причем это упрощение относится не только к их математической форме, но и (что самое главное) к их физическому содержанию, так как при этом уравнения лишились естественно присущей им Галилей-инвариантности. Все же для конкретно взятой ИСО (а не их совокупности) эквивалентность формулировок имела место, в силу чего формулировка Герца-Хевисайда получила заслуженное признание научного сообщества и вытеснила в теоретических и прикладных исследованиях формулировку самого Максвелла.
Анализ уравнений Герца-Хевисайда многими учеными привел к разработке Лоренцем и Пуанкаре основ математического аппарата СТО. Это был важный шаг вперед по сравнению с нерелятивистской теорией электромагнитного поля, так как удалось выявить зависимость электромагнитного поля от относительной скорости наблюдателя. Но четкой физической интерпретации своих формул ведущие физики и математики своего времени предложить не смогли. Вот что пишет по этому поводу известный специалист в области тензорного анализа Рашевский [2]: «Теория относительности возникла в результате длительного накопления опытного материала, приведшего к глубокому преобразованию наших физических представлений о формах материи и движения. После целого ряда попыток приспособить прежние представления о пространстве, времени и других физических величинах к вновь открытым опытным фактам обнаружилось, что для этих целей требуется перестроить все эти понятия коренным образом. Эта задача была выполнена в основном А. Эйнштейном в 1905 г. (специальная теория относительности) и в 1915 г. (общая теория относительности). Впрочем, задача была выполнена лишь в том смысле, что было дано стройное формально-математическое описание нового положения вещей. Задача глубокого, подлинно физического обоснования этой математической схемы всё ещё стоит перед физикой».
В этот судьбоносный момент физика оказалась на распутье. Один из путей лежал в направлении дальнейших поисков подходящего математического аппарата электродинамики (к чему, судя по всему, склонялись сами Лоренц и Пуанкаре), но физика вслед за Эйнштейном пошла по другому пути – решительного и бескомпромиссного отказа от классических представлений о пространстве и времени с переходом к релятивистским представлениям. Впоследствии Логунов А.А. убедительно показал, что суть СТО состоит в отождествлении естественной геометрии электромагнитного поля, описываемого уравнениями Максвелла в формулировке Герца-Хевисайда, с геометрией мирового физического пространства-времени.
Путём внедрения в физику известных постулатов теория относительности в версии Эйнштейна объяснила несколько важных экспериментальных результатов и в связи с этим получила признание широких кругов ученых-физиков. Релятивистскую идеологию поддержали такие ведущие математики того времени, как Минковский, Гильберт и Борн. Особенно привлекателен для математиков в этой идеологии принцип геометризации, отражающий сокровенные мечты и чаяния многих мыслителей, начиная с идеалистических воззрений великого древнегреческого философа Платона, свести все фундаментальные законы Мироздания к геометрическим свойствам неких идеализированных математических объектов.
Таким образом, математика, поддавшись искушению подчинить себе физику посредством столь вожделенного принципа геометризации, оказалась не в состоянии подняться выше геометрического образа мышления и достойно удовлетворять возрастающие потребности физики. Физика использовала аппарат, который была готова предложить ей математика, что неизбежно вело к созданию специальной, а потом общей теории относительности и, далее, к всё возрастающему торжеству принципа геометризации.
В соответствии с релятивистскими представлениями, зависимость электромагнитного поля от скорости движения наблюдателя не обусловлена фундаментальными факторами физической природы самого поля, а является опосредованной через зависимость от нее интервалов времени и пространственных расстояний (преобразования Лоренца) в предположении релятивистской инвариантности электрического заряда. Однако специалистами (прежде всего, экспериментаторами) было обнаружено, что классическая электродинамика и СТО, вопреки уже более столетнему мифу, находятся в контрадикции друг к другу. Современные же опыты по измерению скорости света в одном направлении (а не усредненной скорости «туда и обратно», как, например, в экспериментах Физо и им аналогичных) [3] противоречат постулату СТО о постоянстве скорости света и ставят под сомнение физическую обоснованность преобразований Лоренца.
Если все же придерживаться точки зрения фундаментальной непосредственной зависимости поля от скорости, то такая зависимость должна распространяться даже на абсолютную величину электрического заряда. До последнего времени такая не инвариантность заряда подтверждалась лишь косвенными эмпирическими данными, заключавшимися в появлении электрического потенциала на сверхпроводящих обмотках и торах при введении в них постоянного тока [4-8], а также в наблюдении электрического импульса ядерных взрывов [9-10]. Однако 2015 год ознаменовался уже прямым экспериментальным подтверждением этого феномена в результате обнаружения и исследования импульса электрического поля, возникающего при разогреве плазмы в результате разряда через разрядники конденсаторов большой ёмкости [11]. Оказалось, что в процессе разогрева плазмы при равном количестве в ней электронов и положительных ионов в ней образуется унитарный отрицательный заряд свободных электронов, не скомпенсированный более медленными положительными ионами. Этот факт противоречит не только классическим, но и релятивистским преобразованиям электромагнитного поля при переходе от одной ИСО к другой, свидетельствуя о несовершенстве не только классических, но и релятивистских представлений о пространстве и времени.
Идея о том, что перспективная электродинамика должна предполагать существование зависимости электромагнитного поля от скорости движения наблюдателя, обусловленной не геометрией пространства-времени, а физической природой поля, не предполагающей инвариантность электрического заряда, развивалась в ряде работ Менде Ф.Ф. [12-14] В этих работах приведено обоснование введения в электродинамику вместо классических и релятивистских новых преобразований электромагнитного поля, получивших название преобразований Менде [15- 16].
Однако последовательное развитие такой радикальной идеи, как не инвариантность заряда, требует глубокого пересмотра математического аппарата электродинамики, призванного к созданию математических средств более адекватного описания перехода от одной ИСО к другой. Такой подход к развитию математического аппарата электродинамики был предложен Дубровиным А.С. [15-16] Этот подход лежит в рамках очередного пересмотра представлений о пространстве и времени с отказом от релятивистских и переходом к новым представлениям, которые мы называем гиперконтинуальными и считаем своего рода неоклассическими в том смысле, что они возвращают фундаментальную роль в физике преобразованиям Галилея. В то же время они допускают широкие возможности инвариантности тех или иных физических процессов относительно тех или иных групп псевдоортогональных преобразований координат, реализующих гиперболические повороты с инвариантностью псевдоевклидовой метрики эффективного (подходящим образом воображаемого) пространства-времени. Но естественная геометрия физического поля не отождествляется при этом с геометрией мирового физического пространства-времени.
Понятие пространственно-временного гиперконтинуума введено в результате совместного изучения алгебраической и геометрической структур коммутативных алгебр с единицей, элементами которых являются функции синусоидальных волн. Гипотеза гиперконтинуума (об иерархической гиперконтинуальной структуре мирового физического пространства-времени) служит отправной точкой научных исследований в направлении обобщения представлений о структуре пространства и времени в русле перехода от современной квантовой научной парадигмы к новой системной, одновременно конструктивно соединяющей в своих рамках непрерывность и дискретность, динамичность и статичность, а также глобальность и локальность.
Так чего же не хватает в аппарате современной математической физики? Современный математический анализ полевых функций оперирует дифференциальным исчислением с недопустимо ограниченными возможностями. Производные полевых функций и дифференциальные уравнения поля всегда относятся к конкретной системе отсчета. При переходе от одной системы отсчета к другой производятся соответствующие преобразования дифференциальных уравнений. Если они сохраняют свою форму, то говорят об их инвариантности. Но сложившийся к настоящему времени аппарат дифференциального исчисления полевых функций не предполагает рассмотрения дифференциальных уравнений поля, связывающих между собой две различные системы отсчета. Именно это не позволяет адекватно описывать переход от одной системы отсчета к другой при рассмотрении электромагнитного поля. И именно это делает актуальным разработку нового дифференциального исчисления, которое называются транскоординатным. Такой подход требует переформулировки уравнений электродинамики на новое представление по сравнению с представлением Герца-Хевисайда, которое тоже называются транскоординатным
Традиционно развитие математического анализа и математической физики находилось под влиянием геометрии и связанного с ней особого геометрического образа мыслей, что и привело, в конечном итоге, к победному шествию принципа геометризации в физике. Сейчас же ситуация меняется кардинально. На развитие математики все больше влияет информатика, развивающаяся самым бурным, стремительным образом на волне революционной компьютеризации и информатизации общества. Современная информатика использует весьма высокий уровень абстракции в представлении информации, по сравнению с которым геометрический образ мыслей оказывается примитивным. Развитие гиперконтинуальных представлений о пространстве и времени вместе с идеями транскоординатности лежат в русле именно такого направления развития физико-математических наук под влиянием идей, заимствованных из информатики.
Вслед за отказом от формулировки Герца-Хевисайда уравнений Максвелла нужно вообще отказаться от уравнений Максвелла, как таковых, вместе с лежащей в их основе концепцией электромагнитного поля. Показательна цитата из [3]: «в чем же заключается основная исходная причина противоречивости построенной Максвеллом электродинамики? Для однозначного ответа на этот вопрос… следует отметить, что еще в свое время Ампер, Гроссман, Гаусс, Ленц, Нейман, Вебер, Риман и др. стояли на точке зрения, что, не обращаясь к понятию «магнитного поля», любые магнитные взаимодействия можно свести к обычным взаимодействиям токовых элементов или движущихся зарядов… в электродинамике возобладала тогда точка зрения Фарадея и Максвелла, что электрические и «магнитные» поля являются самостоятельными физическими сущностями, хотя и связанными между собой. В сложившейся тогда исторической обстановке данные, ошибочные с физической точки зрения, допущения предопределили собой весь дальнейший ход развития электродинамики с заведомо заложенными в нее неразрешимыми противоречиями и парадоксами». И далее там же: «для непротиворечивого отражения физической сущности законов электромагнетизма необходимо полностью отказаться от любых понятий «магнитного поля» как некой самостоятельной физической сущности… для определения сил взаимодействия движущихся в физическом вакууме реального пространства электрических зарядов вполне достаточно учесть деформацию электрических полей этих зарядов, обусловленную тривиальными эффектами запаздывающих потенциалов… Остается только удивляться прозорливости Ампера, который предупреждал, что если в электродинамике не отказаться от понятия «магнит», то в дальнейшем это грозит неимоверной путаницей в теории».
Зависимость электрического заряда от скорости не нужно вводить в качестве очередного физического постулата, так как она оказывается прямым следствием нового динамического закона сохранения – закона сохранения кинетического баланса. Подобно законам сохранения энергии, импульса и момента импульса, он следует из вариационного принципа наименьшего действия в предположении общих свойств пространства и времени (данный закон отвечает свойству изотропии гиперконтинуума), заменяя закон сохранения 4-импульса теории относительности, отражающий свойство Лоренц-инвариантности метрики пространственно-временного континуума. Но роль данного закона далеко не ограничивается только этим. Замена закона сохранения 4-импульса на закон сохранения кинетического баланса требует радикальной перестройки механики. В частности, оказывается возможным механическое движение со сверхсветовой скоростью, раскрывается существенная специфика вращательного движения. Подобно тому, как релятивистская идеология электродинамики привела к построению релятивистской физики, предлагаемая в монографии альтернативная идеология электродинамики претендует на роль инициатора процесса создания новой, гиперконтинуальной физики.
Исходя из сказанного, следует заключить, что победа над СТО лежит не только в создании адекватного математического аппарата, но (и это главное) на пути экспериментального опровержения её постулатов. Образование электрического импульса при взрывах термоядерных зарядов в космосе прямым образом указывают на несостоятельность СТО. На это указывает и электризация сверхпроводящих обмоток и торов при введении в них постоянных токов.
Но есть ещё один очень важный экспериментальный результат, который указывает на несостоятельность второго постулата СТО об инвариантности скорости света. Этот результат получен совсем недавно и представлен в статье F. F. Mende. «Mende Interferometer: From the Experimental Refutation of the Lorentz Transformations and the Principles of the Invariance of the Speed of Light to New Prospects for the Development of Passive Radar».
Этот результат был получен благодаря созданию нового типа интерферометра с механически делением луча лазера, который описан в статье F. F. Mende.
Литература
1. Джемс Клерк Максвелл. Избранные сочинения по теории электрического поля. М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1954.
2. П. К. Рашевский. Риманова геометрия и тензорный анализ. М.: Наука, 1967.
3. С. Маринов (Marinov S.) Физическая мысль России 1. 1995. С. 52 – 77.
4. W.F. Edwards, C.S. Kenyon, D.K. Lemon, Continuing investigation into possible electric arising from steady conduction current, Phys. Rev. D 14, 922 (1976).
5. Roser W.G.V. Second-Order Electric Field due to a Conducting Curent. American Journal of Physics, 1962, v. 30, №7, p. 509-511.
6. Don A. Baker. Second-Order Electric Field due to a Conducting Curent. American Journal of Physics, 1964, v.32, № 2, p. 153-157.
7. F. F. Mende. On refinement of certain laws of classical electrodynamics. arXiv, physics/0402084.
8. F. F. Mende. Experimental corroboration and theoretical interpretation of dependence of charge value on DC flow velocity through superconductors. Proceedings International Conference Physics in Ukraine, Kiev, 1993.
9. F. F. Mende. Electric pulse space of a thermonuclear explosion, Engineering Physics, №5, 2013, p. 16-24.
10. F. F. Mende. Electrical Impulse of Nuclear and Other Explosions,
Engineering and Technology, Vol.2 , No. 2, Publication Date: March 28, 2015, Page: 48-58
11. F. F. Mende. Mechanical and Thermal Electrization Metal, Dielectrics and Plasma. International Journal of Modern Physics and Application. 2015. Vol. 2. № 6. p. 73-99.
12. Dynamic scalar potential and electrokinetic electric field. Engineering Physics, № 4, 2015, p. 27-32.
13. F. F. Mende. Concept of Scalar-Vector Potential and Its Experimental Confirmation AASCIT Journal of Physics, Vol.1 , No. 3, Publication Date: May 21, 2015, Page: 135-148 .
14. F. F. Mende. Symmetrization and the Modification of the Equations of Induction and Material Equations of Maxwell , AASCIT Journal of Physics, Vol.1 , No. 3, Publication Date: June 3, 2015, Page: 171-179.
15. Менде Ф. Ф., Дубровин А. С. Альтернативная идеология электродинамики. Монография. М.: Перо, 2016. – 198 с. ISBN 978-5-906927-22-4
16. Mende F. F., Dubrovin A. S. Alternative ideology of electrodynamics. Monograph. M.: Перо, 2016. – 216 p. ISBN 978-5-906927-23-1