Сила аналогий. Творчество Вильяма Томсона (лорда Кельвина)

13. Аналогия тринадцатая: предсказание электромагнитных волн, излучаемых атомами, движущимися со сверхсветовой скоростью

В 1934 г. аспирант Сергея Ивановича Вавилова, будущего президента Академии наук СССР, Павел Алексеевич Черенков, исследуя люминесценцию жидкостей под воздействием гамма-излучения, обнаружил слабое голубое свечение неизвестной природы. С.И.Вавилов выдвинул гипотезу, что это свечение представляет собой тормозное излучение электронов, выбитых гамма-лучами из атомов жидкости. Другими словами, С.И.Вавилов предположил, что излучение, наблюдаемое в экспериментах его аспиранта, - результат того, что электроны тормозятся при движении через жидкость из-за соударений с атомами [10, с.234-235]. Однако гипотеза С.И.Вавилова оказалась неверной. В 1937 г. советские физики И.Е.Тамм и И.М.Франк предложили правильное объяснение эффекта, обнаруженного П.А.Черенковым. Они показали, что эффект вызывается электронами, движущимися со скоростями, превышающими фазовую скорость света в среде. Стало ясно, что если электрон движется в среде быстрее, чем свет в той же среде, то в этом случае он будет излучать электромагнитные волны. В 1958 г. П.А.Черенков, И.Е.Тамм и И.М.Франк были удостоены Нобелевской премии по физике «за открытие и истолкование эффекта Черенкова». Правильнее было бы сказать: эффекта Вавилова-Черенкова, поскольку С.И.Вавилов сыграл ключевую роль в обнаружении эффекта. П.А.Черенков, столкнувшись с новым эффектом, рассматривал его как фактор, мешающий исследовать диссертационный вопрос и, соответственно, препятствующий завершению диссертационной работы. Однако С.И.Вавилов настоял на изучении нового эффекта.

Примечательно, что еще в 1901 г., до возникновения специальной теории относительности, в которой А.Эйнштейн постулировал, что скорость света - предельная скорость движения частиц, В.Томсон предсказал излучение, ныне называемое «излучением Вавилова-Черенкова». Лорд Кельвин пришел к выводу, что атом, движущийся со скоростью, большей скорости света, неизбежно должен излучать электромагнитные волны. Если заменить в этой гипотезе Кельвина слово «атом» на слово «электрон», то мы получим, по сути дела, каркас теории Тамма - Франка, увенчанной Нобелевской премией.

Как же В.Томсон догадался, что атом, перемещающийся со «сверхсветовой» скоростью, должен излучать электромагнитные волны? По аналогии с акустическим эффектом Маха. В 1888 г. австрийский физик Эрнст Мах экспериментально установил, что снаряд, движущийся в воздухе быстрее звука (со «сверхзвуковой» скоростью), неизбежно станет источником излучения звуковых волн. Таким образом, руководствуясь аналогией, В.Томсон перенес акустический эффект Маха (механизм этого эффекта) на световые, т.е. электромагнитные волны.

И.М.Франк в статье «Переходное излучение и эффект Вавилова- Черенкова» [25] пишет: «В 1901 г. Кельвин отметил, что при движении атома со скоростью, большей скорости света, должно возникать электромагнитное излучение. Это утверждение прямо основывалось на аналогии с опытами Маха. В дальнейшем предсказание Кельвина оказалось полностью забытым, и почти сорок лет спустя его вновь открыл С.И.Вавилов, который был, как известно, выдающимся знатоком истории физики» [25, с.233].

Отметим, что указанная гипотеза В.Томсона была также сформулирована Оливером Хевисайдом (1888) и Арнольдом Зоммерфельдом (1904). Последние независимо от В.Томсона, руководствуясь аналогией с эффектом Маха, пришли к мысли о способности тела, движущегося со сверхсветовой скоростью, излучать световые колебания. Информацию об этом можно найти в книге «Воспоминания о И.Е.Тамме» [26], написанной под редакцией Е.Л.Фейнберга.

Заключение

Идеи и открытия В.Томсона, многие из которых возникли, как мы увидели, на основе мыслительной операции аналогии, оказали большое влияние на целые поколения исследователей. Они служили источником вдохновения для таких крупных ученых, как А.М.Ляпунов, Н.Е.Жуковский, Х.Нагаока, Д.Джинс, К.Шварцшильд, Т.Скирм и т.д. Лорд Кельвин был физиком, но даже в биологии его идеи и методы оказались весьма ценными. Так, британский нейрофизиолог и биофизик Алан Ходжкин (1914 -1998) однажды понял, что «телеграфное уравнение», полученное В.Томсоном и составившее теоретическую основу работы трансатлантического телеграфного кабеля, можно использовать для описания передачи импульсов в нервных волокнах. Описание процесса распространения нервного возбуждения с помощью уравнения Кельвина явилось одним из тех результатов, за которые Алан Ходжкин совместно с Эндрю Хаксли получил в 1963 г. Нобелевскую премию по физиологии и медицине. И вновь мы наблюдаем, как перенос определенной идеи из одной научной области в другую позволяет пролить свет на стоящую (еще не решенную) проблему.

Дж.Николлс, А.Р.Мартин и др. в книге «От нейрона к мозгу» [27] отмечают: «Анализ тока в кабеле был начат лордом Кельвином применительно к трансатлантической телефонной связи и усовершенствован Оливером Хевисайдом. В конце 19 века Хевисайд впервые учел значимость утечки тока через изоляционную оболочку, эквивалентную клеточной мембране, а также внес множество важных дополнений в кабельную теорию, в том числе определил понятие импеданса. Кабельная теория была впервые использована для нервных волокон Ходжкиным и Раштоном, которые экспериментально измерили распространение потенциала действия в аксоне омара с помощью внеклеточных электродов» [27, с.126].

Этот же перенос, осуществленный А.Ходжкиным, описывается в книге С.В.Фомина и М.Б.Беркинблита «Математические проблемы в биологии» [28]: «Несколько полезных математических моделей для описания

биологических явлений удалось создать, сформулировав соответствующие биологические задачи как задачи физики или химии. Примером может служить использование так называемых кабельных уравнений в задаче о распространении нервного импульса. Эти уравнения были впервые предложены Кельвином для описания процессов в кабеле в связи с прокладкой трансатлантической телефонной линии. Оказалось, что свойства нервного волокна как устройства, передающего импульсы, достаточно просты и близки к свойствам кабеля, т.е. покрытого изоляцией проводника» [28, с.14].

Существенная роль аналогии в творчестве В.Томсона и других ученых наталкивает на мысль, что если мы хотим создать искусственный интеллект, который мог бы самостоятельно генерировать новые идеи, он должен, прежде всего, научиться сопоставлять разные пласты информации, обнаруживать эквивалентность между ними и в дальнейшем переносить решения из одних теорий в другие. Способность «наводить мосты» между разными парадигмальными структурами - одна из ключевых особенностей продуктивного мышления в науке.

Литература

1. Рохо А. Физике становится тепло. Лорд Кельвин. Классическая термодинамика. - М.: изд-во «Де Агостини», 2015. - 160 с.

2. Дуков В.М. Электродинамика. - М.: «Высшая школа», 1975. - 248 с.

3. Карцев В. Максвелл. - М.: «Молодая гвардия», 1974. - 336 с.

4. Терентьев М.В. История эфира. - М.: «Фазис», 1999. - 176 с.

5. Дорфман Я.Г. Всемирная история физики. Том 2. - М.: изд-во «ЛКИ», 2007. - 320 с.

6. Уиттекер Э. История теории эфира и электричества. Классические теории.

- Москва-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001. - 512 с.

7. Сологуб В.С. Развитие теории эллиптических уравнений в XVIII и XIX столетиях. - Киев: изд-во «Наукова думка», 1975. - 280 с.

8. Гельфер Я.М. История и методология термодинамики и статистической физики. - М.: «Высшая школа», 1981. - 536 с.

9. Борн М. Эксперимент и теория в физике // сборник статей «Физика в жизни моего поколения». - М.: изд-во иностранной литературы, 1963. - С.135-171.

10. Болотовский Б.М. Оливер Хевисайд. - М.: «Наука», 1985. - 256 с.

11. Кларк А. Голос через океан. - М.: изд-во «Связь», 1964. - 236 с.

12. Менцин Ю. Великий морской змей, или Две тысячи миль под водой // Наука и жизнь. - 2014. - № 5. - С.46-57.

13. Бабат Г.И. Рассказы о токах высокой частоты. - Москва-Ленинград: «Госэнергоиздат», 1948. - 153 с.

14. Данин Д. Резерфорд. - М.: «Молодая гвардия», 1966. - 624 с.

15. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. - М.: «Наука», 1975. - 576 с.

16. Ерофеев В.И. и др. Качественное исследование уравнений нелинейной волновой динамики в теории упругости, гидро-газодинамике и акустике // Вестник Нижегородского университета им. Н.И.Лобачевского. - Серия «Механика». - 2013. - № 1 (3). - С.64-69.

17. Погребысский И.Б. От Лагранжа к Эйнштейну. Классическая механика XIX века. - М.: «Наука», 1966. - 327 с.

18. Лебединский А.В., Франкфурт У.И., Френк А.М. Гельмгольц. - М.: «Наука», 1966. - 319 с.

19. Джонс В. Теория узлов и статистическая механика // В мире науки. - 1991.

- № 1. - С.44-50.

20. Ливио М. Был ли бог математиком? - М.: изд-во «АСТ», 2016. - 383 с.

21. Кэри У. В поисках закономерностей развития Земли и Вселенной. - М.: «Мир», 1991. - 447 с.

22. Равикович А.И. Развитие основных теоретических направлений в геологии XIX века. - М.: «Наука», 1969. - 248 с.

23. Кудрявцев С.П. Д.Д.Томсон. - М.: «Просвещение», 1986. - 80 с.

24. Борисов А.В., Мамаев И.С. Математические методы динамики вихревых структур. - Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2005. - 368 с.

25. Франк И.М. Переходное излучение и эффект Вавилова-Черенкова // Успехи физических наук. - 1961. - Том 75. - № 2. - С.231-240.

26. Воспоминания о И.Е.Тамме. Под ред. Е.Л.Фейнберга. - М.: «Наука», 1986.

- 312 с.

27. Николлс Дж.Г., Мартин А.Р. и др. От нейрона к мозгу. - М.: Едиториал УРСС, 2003. - 672 с.

28. Фомин С.В., Беркинблит М.Б. Математические проблемы в биологии. - М.: «Наука», 1973. - 200 с.

Размещено на Allbest.ru