40 лет между двумя научными парадигмами и многое другое...
О нас Услуги Оборудование Книги по теме Примеры Связь Карта Форум Видео En

40 лет между двумя парадигмами

Гликман А.Г.
НТФ "ГЕОФИЗПРОГНОЗ"
4 мая 2016, Санкт-Петербург

Парадигма – это совокупность мнений о какой-то определенной области знания. По мере развития представлений о предмете, повышения уровня знания, количества эмпирических данных, привычная парадигма перестает удовлетворять ученых, и приходит время менять старую парадигму на новую.

В качестве примеров смены парадигмы можно привести переход от геоцентрической модели к гелиоцентрической. Сколько-то веков назад люди были уверены, что центром Вселенной является Земля, и все космические объекты вращаются вокруг нашей планеты. Накопление знаний, и, в первую очередь, астрономические наблюдения, привели к тому, что эту парадигму пришлось поменять на гелиоцентрическую.

Сам процесс перехода от одной парадигмы к следующей называют научной революцией. Длительность перехода от геоцентрической модели к гелиоцентрической превысила 200 лет. Гелиоцентрическая идея победила в результате накопления эмпирических фактов, но в первую очередь, в результате перестройки сознания людей.

Примерно столько же времени занял переход от плоской модели Земли к шарообразной.

Скорость перестройки сознания людей является главным фактором, влияющим на длительность научной революции. Эмпирических фактов может быть как угодно много, но если картина Мира представляется очевидной, привычной, а возможно, что и выгодной, то ждать, когда новая парадигма отвоюет свое место под Солнцем, приходится очень долго.

Первый, кто высказывает сомнение в истинности привычной парадигмы, неизбежно воспринимается как безумец. И никакие его доказательства не окажут ни малейшего действия, потому что сначала они пройдут (а вернее, не пройдут) через мышление, настроенное на привычную парадигму.

Потребность в смене парадигмы возникает, когда выясняется, что действующая парадигма не подтверждается уже существующими экспериментами. Однако этого мало. Для того, чтобы начался процесс научной революции, должно быть накоплено столько эмпирического материала, чтобы наполнить содержанием новую парадигму.

Методологи и историки физики описывают научные революции как бы со стороны, и тогда, когда уже ясно, что новая парадигма восторжествовала. Я имею намерение описать процесс научной революции изнутри, от первого лица, когда я (вот уже 40 лет) нахожусь в статусе безумца.

Речь пойдет о поле упругих колебаний.

В 1973-м году я начал изучение области знания, включающей в себя науку о поле упругих колебаний и главную ветвь ее – сейсморазведку. Мне это было необходимо для чтения лекций по шахтной геофизике, главную часть которой составляет сейсморазведка. Я тогда работал в ленинградском Горном институте (ЛГИ), на Горном факультете, на кафедре разработки пластовых месторождений (РПМ).

Отсутствие экспериментального материала, подтверждающего парадигму акустики твердых сред, было известно, но поскольку не было эмпирического материала, пригодного для новой парадигмы, то невозможность подтвердить измерениями старую парадигму объяснялось множеством запретов измерений. Ну, скажем, при наличии в справочной литературе множества скоростей, характеризующих поле упругих колебаний, подтвердить их экспериментально невозможно. Никто просто не имеет права по целому ряду совершенно немыслимых причин проверять эти скорости с помощью измерений.

Главным свойством старой парадигмы акустики является ее очевидность. Очевидным представляется, что распространение поля упругих колебаний в твердых средах мало отличается от свойств этого поля в воде и воздухе.

Так, мы много лет задаем различным людям вопрос, что будет, если по поверхности Земли нанести удар. Независимо от уровня и даже просто наличия образования, ответ един. Люди уверены, что в результате ударного воздействия на поверхность земной толщи возникнет поле упругих колебаний, которое будет распространяться во все стороны от точки удара. При наличии в земной толще отражающих объектов, это поле от них отразится, и эхо-сигналы будут восприняты находящимися на поверхности сейсмоприемниками. Вот эта модель, которая является принципом сейсморазведки, воспринимается как абсолютно очевидная.

Согласно существующим представлениям, земная толща по акустическим свойствам представляет собой совокупность отражающих границ. Эта точка зрения столь же очевидна, как в свое время была очевидной предыдущая точка зрения о форме Земли. Но, как известно, очевидно – еще не значит истинно.

В следующем, 2017 году исполнится 40 лет с тех пор как был обнаружен новый, неизвестный ранее тип колебательной системы (КС). В дальнейшем, она получила название упругой колебательной системы. Первоначально свойства упругой колебательной системы были обнаружены у плоскопараллельной геологической структуры – слоя песчаника, залегающего в кровле подземной выработки угольной шахты. Это событие явилось исходным моментом для начала процесса научной революции в области знания о поле упругих колебаний.

Вообще известно несколько типов КС. Это маятник, пружина, электрический колебательный контур1... Общим для всех КС является то, что при импульсном воздействии на любую из них, возникает гармонический (синусоидальный) затухающий сигнал. Собственная частота этой синусоиды зависит от параметров КС. Скорость затухания такого отклика характеризуется параметром, называемым добротностью Q.

Очень важно, что затухающая синусоида является не вполне обычным сигналом. Дело в том, что ее можно получить одним-единственным способом. А именно, путем ударного воздействия на КС. С помощью интерференции, которая объясняет всё, что наблюдается в сейсморазведке, такой сигнал получить невозможно [1]. Можно не знать о существовании КС, но если присутствует затухающая синусоида, значит, имеет место КС.

Далее, наличие колебательной системы влечет возможность возникновения резонанса. Резонанс возникает тогда, когда на колебательную систему воздействуют периодическим сигналом, частота которого близка к собственной частоте КС. При этом амплитуда колебаний КС плавно возрастает, увеличиваясь в Q раз.

Факт увеличения амплитуды вибрации является признаком наличия КС.

Когда наступила эра переменного тока, то повсеместно возникли трансформаторные подстанции. Для увеличения КПД трансформаторы стали шунтировать конденсаторами, и таким образом реализовывались колебательные контура. Время от времени частота этих КС приближалась к частоте переменного напряжения. То есть, возникал резонанс. Добротность Q такой КС может достигать нескольких сотен, и вот во столько раз могло увеличиваться напряжение в сети. Понятно, что если у вас в розетке вместо 220 вольт возникают киловольты, то возгорания не избежать.

Конец XIX века – это время повсеместных пожаров такого вот происхождения, и немало прошло времени, пока ученые разобрались в их причине.

Следствием открытия колебательного контура оказалось создание очень многого из того, что мы видим вокруг и без чего не представляем свое существование. Это все средства коммуникации, радио, телевидение, разного типа электроника. Трудно даже представить себе, без чего бы нам пришлось жить, не будь открытия колебательных контуров.

У колебательных L-C контуров оказалась счастливая судьба. Во-первых, к моменту их открытия уже существовала метрологическая база, достаточная для их объективного изучения. Вольтметр и амперметр, как датчики электрического напряжения и тока, и осциллограф, как прибор, необходимый для визуализации электрических процессов в колебательном контуре. Правда, строго говоря, день рождения осциллографа совпал с днем рождения контура, поскольку для того, чтобы понять, что происходит при разряде конденсатора через катушку индуктивности, лорду Кельвину (Уильяму Томсону) пришлось изобрести осциллограф.

Единственно, что угрожало судьбе колебательного контура, это отношение к нему самого лорда Кельвина, открывшего его. Лорд Кельвин был убежден, что это его открытие совершенно бесполезно, и возражал против выделения средств для изучения свойств контура. Но зато открытие контура не противоречило ничьим интересам, и никто из существовавших тогда ученых не воевал против этой темы.

И вот, примерно через 100 лет после этого, 40 лет назад я обнаружил колебательную систему еще одного вида.

Судьба упругих колебательных систем оказалась не столь счастливой. Положительным моментом в их судьбе было то, что, в отличие от колебательных контуров, необходимость упругих колебательных систем стала очевидной в момент их обнаружения. Дело в том, что зависимость частоты f0 от толщины h объекта, по которому наносится удар, выглядит следующим образом:

h = λ = V / f0      (1)

То есть, такой объект как слой горных пород толщиной h проявляет свойство волновой (когда на толщине укладывается одна длина волны λ) колебательной системы, и, определяя величину f0, можно узнать его толщину h, что в ряде случаев сделать другими неразрушающими методами невозможно.

Получая эту информацию, можно решать ряд важнейших задач в горном деле. И вот этот факт очень содействовал тому, что возникла аппаратура и метод, основанный на изучении упругой колебательной системы. То есть, на спектральном подходе.

Поскольку, как выяснилось, земная толща по акустическим свойствам является совокупностью колебательных систем, то любое инженерное сооружение, оказывающее вибрационное воздействие на земную толщу, может оказаться в состоянии резонанса, то есть оказывается в группе риска. По характеру разрушения таких инженерных сооружений нетрудно определить, что причина их разрушения – резонанс, поскольку перед разрушением возникает и увеличивается по амплитуде вибрация.

Резонансные явления, которые возникают при участии упругих КС, приводят к возникновению событий, известных шахтерам как горные удары. Это происходит, когда при работе угольных комбайнов и другой вибрирующей техники вдруг разрушаются подземные выработки. Эти явления называют еще техногенными землетрясениями.

Самый яркий и документально доказанный случай – это авария на Саяно-Шушенской ГЭС, где амплитуда вибрации возросла в 600 раз, что и привело к тому, что агрегат сорвало со стопоров. Источник информации об амплитуде вибрации – самописец, установленный в машинном зале.

Почему же тогда Селезнев, директор института Геофизики на разборе причин аварии говорит, что вибрация возросла всего вдвое? Разве в таком случае агрегат сорвало бы со стопоров? Он рассчитывал, по-видимому, что члены комиссии, которой он докладывал, настолько ничего не понимают, что проглотят любую чушь. И оказался прав.

В отличие от колебательных контуров, для изучения упругих КС не существует никаких объективных предпосылок. Дело в том, что область знания, в которой изучают поле упругих колебаний (акустика твердых сред) не имеет своих эталонов в Палате Мер и Весов и, соответственно, датчиков этого поля. То есть, в этой области знания невозможны никакие метрологически корректные измерения.

Используемые в сейсморазведке сейсмоприемники не являются датчиками, поскольку неизвестно, каким именно параметрам поля упругих колебаний пропорциональна ЭДС, снимаемая с их клемм. Достаточно сказать, что ни поле упругих колебаний, как таковое, ни сейсмоприемники не входят в компетенцию метрологических служб.

Всё вышеизложенное является азами для людей радиотехнической и электротехнической специальностей. Когда я рассказываю им, что этот материал категорически не воспринимается сейсморазведчиками, они мне не верят. Но при этом, когда они узнают, что мой подход действительно неприемлем для действующих специалистов в этой области знания, то они всё же встают на их сторону. Потому что нельзя идти не в ногу с таким абсолютным большинством.

Меня поражает уровень конформизма. Люди готовы отказаться от своих знаний, если они не соответствуют мнению большинства. Сколько раз я просил своих старых знакомых и глубоких специалистов в области радиотехники сказать, что то, что я утверждаю, это не плод моей больной фантазии, а просто материал второго курса по теоретическим основам радиотехники... И что моей вины нет в том, что другим специальностям этот материал не читают. Они ссылались на то, что внедряться в дела других кафедр с их стороны было бы неэтично.

Да простит меня Всевышний, но это была простая трусость. Речь шла о том, что к моим проблемам отрицательно относился сам ректор (который был тогда также и заведующим кафедры РПМ), а против его мнения идти не мог никто.

Я считал тогда, что каждый научный работник должен приветствовать любые новые результаты в науке. Главное ведь, по моим понятиям, это чтобы все измерения были метрологически корректными. А всё остальное не имеет значения. Я был, конечно, неправ. Я просто не знал еще, по каким законам существует наука.

Мы все проходили, что самое интересное в науке происходит на стыке разных наук, но я никогда не думал, что контакты между разными науками либо просто отсутствуют, либо происходят в режиме как бы гражданской войны.

Со временем я узнал, что всё новое в науке подлежит самым жестоким преследованиям. По крайней мере, в тех областях знания, которые я знаю не понаслышке. Это строительная и горная наука, геофизика (сейсморазведка), акустика твердых сред, физика твердых сред... В этих областях знания главное требование к диссертации – не содержать ничего нового. А поскольку это требование существует уже очень давно, то ни один член Ученого Совета (естественно, выращенный в этих условиях) не пропустит соискателя, если хотя бы одно его слово ему не вполне понятно и привычно.

Ученые, уличенные или даже просто заподозренные в проявлении интереса к чему-либо новому, в одно касание выставляются с работы. Непереизбрание на следующий срок – надежный инструмент для увольнения неугодных. Поэтому за все то время, когда я работал в Горном институте, я был лишен каких-либо контактов с учеными. А те из них, кто всё же проявлял интерес к моим исследованиям, просили меня никому об этом не говорить.

Очень хочется думать, что такое положение дел имеет место не во всех областях знания и не во всех странах...

Так уж сложилось, что все положения, постулаты и основы акустики твердых сред в главной ее ветви – сейсморазведке, возникли не в результате экспериментальных исследований, а в результате целой совокупности разного рода очевидностей, не проверенных экспериментально. Более того, все эти очевидности просто никак не могут быть проверены экспериментально.

Огромное количество областей знания базируется на достижениях науки о поле упругих колебаний.  И несмотря на то, что весь объем этих «достижений» – это исключительно наукообразие, не имеющее никаких связей с реальностью и никаких экспериментальных подтверждений, колоссальное количество представителей различных наук кровно заинтересовано в том, чтобы не допустить развития экспериментальной акустики. Это нормально. Во все времена и во всех областях знания представители старой парадигмы отчаянно борются за ее сохранение. И методы борьбы примерно одинаковые.

Каждый свой доклад я заканчиваю просьбой проверить всё, что я говорю. Бывает, что и проверяют. Но только ни разу никто не признал, что присутствовал при проверке. Сколько народу перебывало в моей лаборатории, но никто никогда в этом не признавался. Я понимаю, что если бы кто-нибудь усмотрел там несоответствие с тем, о чем я рассказываю, все бы это узнали.

Моя кафедра снарядила официальную комиссию (так называемый треугольник –парторг, комсорг, профорг) на шахту вместе со мной, чтобы самим увидеть и всем рассказать, как я всех обманываю. На ближайшем же заседании кафедры оказалось, что они со мной никуда не ездили. Дважды я делал доклад для академиков – Шемякина Е.И. (председатель ВАК) и Гольдина С.В. (директор Института Геофизики СО АНРФ). И оба раза они мне объясняли, что физический эффект, не подтверждающий принципы сейсморазведки, никому не нужен. Разумеется, я оба раза настаивал на главенстве физического эффекта в физике, но это никому не было интересно. Я так полагаю, что никто из этих академиков просто этого не знал.

Я делал доклад перед членом-корреспондентом Бронниковым Д.М. (директор ИПКОНа), и на вопрос, есть ли у меня какие-нибудь свидетельства об эффективности моих шахтных исследований, предъявил официальное свидетельство шахты «Распадская» об отказе ее от подземного бурения восстающими скважинами в пользу наших измерений. Дело в том, что никогда в Мире в пользу геофизики не было отменено ни метра бурения. Это мое сообщение вызвало бурный смех и заявление, что им всем известна цена подобных свидетельств. Естественно, я поздравил их с таким опытом...

Но с тех пор я не предъявляю никогда и никому никаких свидетельств. Только настаиваю на проверке моих заявлений.

То, что я в результате своей случайной находки (в 1977 году) попал в крайне сложную для меня историю, я начал понимать еще в 80-х годах благодаря общению с методологами нашей (ЛГИ) кафедры философии, благодаря книгам по методологии научного познания [2]. Однако если человек волею судьбы всё-таки оказался в центре событий, вызывающих смену парадигмы, он не может отойти в сторону. Он находится в положении велосипедиста, которому, чтобы не упасть, необходимо вращать педали.

Китайцы сочувствуют тем, кому досталось жить в эпоху перемен. Время смены парадигмы – это, конечно, эпоха перемен. Но из собственного опыта могу сказать, что мне нужно не сочувствовать, а завидовать. Это вот уже скоро 40 лет, как я нахожусь в состоянии постоянного, буквально охотничьего азарта, и большого счастья, когда что-нибудь получается. А получается, слава Богу, столько интересного, что ради этого стоит жить.

После того как была обнаружен моя самая главная, центральная находка, собственно новый тип КС – упругие колебательные системы, я не придумываю, какие мне следует делать исследования. Потребности выяснения тех или иных моментов возникают сами, и отнюдь не по моей воле. Моя задача – только следовать вот этой, единственно возможной логике научного поиска.

Результатом практически всех моих исследований, как лабораторных, так и шахтных/полевых, являются новые физические эффекты, явления и неизвестные ранее свойства и закономерности. Количество их давно уже перевалило за десяток, но это нормально, так как исследования в рамках новой, еще не принятой парадигмы, это все равно, что исследования там, где не ступала нога человека. В таких условиях не делать открытия на каждом шагу просто невозможно.

Однако открытия эти имели весьма экзотическую особенность. По сути своей они принадлежат новой парадигме, а я был из старой парадигмы. Поэтому понять суть обнаруженных эффектов мне каждый раз было крайне сложно.

Обнаружив, что породный слой проявляет свойство КС, я понял необходимость поисков механизма преобразования ударного воздействия в гармонический отклик. Для всех известных КС этот механизм известен. В соответствии с моими знаниями (в рамках старой парадигмы), такого механизма для упругой КС не существует. Это значит, что, в рамках старой парадигмы, упругая КС существовать не может. Поиски этого механизма длились лет 5, и привели они меня к обнаружению нового, крайне экзотического физического эффекта, который заключается в том, что в подавляющем большинстве звукопроводящих твердых сред в приповерхностных зонах имеет место плавное уменьшение скорости распространения фронта упругой волны по мере приближения его (фронта) к границе.

Наличие зон с плавным изменением скорости распространения фронта упругих волн оказалось достаточным и необходимым условием существования упругих КС объектов из всех упругих сред, включая газы и жидкости.

Подтвердив эффект изменения скорости фронта в приграничной области на достаточно высоком метрологическом уровне, я попал в следующую западню. Дело в том, что, согласно закону сохранения импульса, в отсутствии энергетической подпитки скорость фронта упругих колебаний в однородных средах не может изменяться.

И ведь действительно, так и оказалось, что скорость не изменяется по величине. Она изменяется по направлению (!), что при измерениях выглядит как изменение по величине...

Исследуя упругие КС в виде пластин в режиме стоячих волн, я обнаружил новый физический эффект, который получил название эффекта акустического резонансного поглощения (АРП)2. Он заключается в том, что при нормальном прозвучивании пластины-резонатора на его собственной частоте первичное поле переориентируется на 90° и переизлучается через торцы этой пластины. По внешнему проявлению этот эффект аналогичен эффекту ферромагнитного резонанса.

Эффект АРП представляет собой еще один пример того, что когда исследовательская установка собирается для одних целей, то получиться может нечто совершенно другое, никогда не виданное и настолько неожиданное, что долгое время оно будет необъяснимым. Это еще одно доказательство того, что развитие физики без экспериментов невозможно.

Эффект АРП тоже обошелся мне в несколько лет. В самом деле, как объяснить исчезновение поля на какой-то одной частоте при прозвучивании пластин-резонаторов?! Я контролировал коэффициент отражения при прозвучивании пластин-резонаторов на различных частотах, но на резонансе он не увеличивался. То есть, совершенно определенно, имело место исчезновение части зондирующего поля упругих колебаний... Я уже не помню, что меня подтолкнуло посмотреть наличие поля в ортогональном направлении... И там-то я и увидел, куда девается потерянная часть поля.

Значит, получается, что при нормальном падении поля на пластину-резонатор возникает тангенциальная составляющая... Это с позиции старой парадигмы ни в какие ворота не лезет.

Но ведь это же объясняет, почему не работает сейсморазведка! Если поле, возбуждаемое ударом, распространяется не вглубь, а вдоль поверхности... Ведь если аппаратура и методика сейсморазведки настроены на то, что эхо-сигнал приходит снизу, а на самом деле, он приходит сбоку, то естественно, что сейсморазрез не будет соответствовать реальному геологическому разрезу.

Используя аналогии с наработками электродинамики, я понимаю, что в акустике тоже, получается, уместно понятие активной и реактивной составляющих поля. Но как же здесь использовать понятие комплексного поля, когда мы не имеем возможности померить фазовые соотношения...

Многоточиями я хочу показать состояние собственной растерянности. Это состояние, в котором я нахожусь вот уже 40 лет.

40 лет мы находимся между двумя парадигмами. В учебниках пишут о поле упругих колебаний как о совокупности распространяющихся в разных направлениях потоков. А на практике всё больше организаций используют наработки спектральной сейсморазведки, которая использует информацию о спектрах поля упругих колебаний. Разумеется, в отчетах это не отражается. Но главное, что люди всё больше понимают, что спектральный подход является единственно информативным.

Сейчас в акустике происходит, в принципе, то же самое, что когда-то происходило в электротехнике, когда возникли представления о колебательных контурах и о переменном токе. Тогда стало ясно, что явления и эффекты электротехники постоянного тока являются всего лишь небольшой частью общей электротехники (электродинамики).

То, что утверждается в рамках предыдущей парадигмы акустики, справедливо лишь для случаев, когда при распространении поля упругих колебаний не возникают собственные колебательные процессы, не встречаются объекты-резонаторы. Но это очень редко встречающиеся случаи. Даже в океанских просторах, где прекрасно работает физика старой парадигмы (гидроакустика), при некоторых условиях возникают слои-резонаторы, и это зачастую приводит к гибели подводных кораблей [4].

Господа, ну это же элементарно! Ведь метод исследования непосредственно связан с природой, с физикой исследуемого объекта. Идея традиционной сейсморазведки была бы абсолютно верна, если бы земная толща действительно представляла собой совокупность отражающих границ (как в воде или в воздухе). Но если Природе так угодно, чтобы земная толща была по акустическим свойствам совокупностью колебательных систем, то никуда не денешься, приходится для ее исследования использовать принцип спектрального анализа. Когда люди это поймут, переход от так называемой лучевой, традиционной сейсморазведки к спектральной будет совершенно естественным и безболезненным. А когда это произойдет, то переход к новой парадигме покажется логичным и произойдет в полной мере.

В 2014 году я написал статью-реферат [5], которая, как я полагал, подводит черту под моими исследованиями. Познание бесконечно, и мои исследования – лишь начало изучения поля упругих колебаний. Но для того, чтобы наполнить новую парадигму, того, что сделано, достаточно.

Вопреки моим ожиданиям, что я уже больше ничего нового не скажу, оказалось, что жизнь продолжается, и находки продолжились. Но уже не в области поля упругих колебаний, а в геологии нашей планеты, которая исследуется с помощью спектральной сейсморазведки, позволяющей воспринимать земную толщу как совокупность КС. И теперь уже каждый случай полевых исследований приносит новую информацию о планетарных явлениях и процессах [6, 7].

 

ЛИТЕРАТУРА

  1. Гликман А.Г. Гимн синусоиде.
  2. Кун Т.С. Структура научных революций. М., 2009. — 310 с. — ISBN 978-5-17-059190-9
  3. Гликман А.Г. Основы спектральной сейсморазведки изд. LAP LAMBERT Academic Publishing 232c (2013-12-29)
  4. Гликман А.Г. Основы спектральной сейсморазведки 3.3.1. с95
  5. Гликман А.Г. Поле упругих колебаний как раздел физики - физические эффекты, явления и свойства.
  6. Гликман А.Г. Физика техногенных и природных землетрясений
  7. Гликман А.Г. О происхождении зон тектонических нарушений и планетарной пульсации.

  1. Мы не будем здесь касаться колебательных систем, на основе которых реализуются музыкальные инструменты.
  2. Все упоминаемые здесь эффекты и ряд других подробно описываются в книге [3]


Обсудить статью 



При использовании материалов сайта ссылка на www.newgeophys.spb.ru обязательна Публикации о нас

Начало | О нас | Услуги | Оборудование | Книга 1 Книга 2 Книга 3 |  Примеры | Связь | Карта сайта | Форум | Ссылки | О проекте | En

Поддержка и продвижение сайта "Геофизпрогноз"


Rambler's Top100 Rambler's Top100

Реклама на сайте: