Наука в междувременье
на примере открытий колебательных систем

Гликман А.Г.
НТФ "ГЕОФИЗПРОГНОЗ"
8 апреля 2015, Санкт-Петербург

Большую часть своей жизни в науке я вынужден обходиться без научных контактов с коллегами, и даже, более того, нахожусь в состоянии непрерывного противодействия. Находясь в таком состоянии, невозможно двигаться вперед и не совершать ошибок. Слепцу необходим поводырь, иначе он будет ходить по кругу. Моим поводырем в пространстве научного поиска служила и служит философия. А именно, наука о развитии научного познания.

Толчком для моего знакомства с методологией - наукой всех наук - послужил реферат по философии, который я должен был написать в ходе моего обучения в институте. А затем, когда я уже ощутил вкус к этому предмету, наступил момент знакомства с Томасом Куном, автором понятия парадигмы.

Наука, если это действительно наука, а не наукообразие, как и велосипедист, не может останавливаться. Она находится в постоянном развитии, движении. Движение это бывает двух типов. Оно происходит либо в рамках, в пределах одной парадигмы, либо участвует в смене парадигмы.

Парадигма - это совокупность взаимно-непротиворечивых знаний в одной какой-то области знания, которая очерчивает границы данного предмета в конкретный промежуток времени. Это как бы облако, внутри которого находится всё сообщество ученых, исповедующих одну и ту же идею. Развитие внутри парадигмы заключается в уточнениях различных моментов этой общепринятой идеи.

Смена парадигмы бывает обусловлена возникновением новых научных идей или обнаружением новых физических эффектов, в результате чего предыдущая парадигма входит в новую некоторой составной частью или, в случае ошибочности предыдущей парадигмы, новая полностью ее заменяет. Выход общества из сложившейся парадигмы происходит очень не быстро, с обязательными рецидивами, поскольку люди, стоящие во главе науки, остаются прежними, и, как правило, не могут приспособиться к изменению научной идеологии.

Любой методологический анализ обязательно должен быть основан на примерах. Здесь будут примеры из областей физики - электродинамика и поле упругих колебаний.

Так сложилось, что жизнь сама поместила меня в условия, когда я смог воочию наблюдать процесс смены парадигмы, и даже участвовать в нем. Имея высшее радиотехническое образование, я должен был в качестве преподавателя-почасовика вести у студентов ЛГИ (ленинградского Горного института) курс шахтной геофизики. Геофизика, как и всякая физика, есть не что иное, как совокупность физических эффектов, явлений и свойств, и преподавание ее немыслимо без сопровождения лекционного материала лабораторным курсом. Поэтому первое, что мне надлежало сделать, это поставить соответствующие лабораторные работы, чтобы иллюстрировать то, что я излагал на лекциях.

Основным геофизическим методом, применяемым в шахтах, является сейсморазведка. Поэтому главные мои усилия были направлены на то, чтобы поставить лабораторные работы именно по сейсморазведке. Тем более, что и лекционный курс более чем на 90% был посвящен этому разделу геофизики.

Надо сказать, что сейсморазведка по своей идее является настолько простым, логичным и наглядным методом, что могла бы быть придумана любым, даже удаленным от науки человеком. В самом деле, при ударном воздействии на земную толщу абсолютно очевидно возникновение упругих колебаний, которые будут распространяться в виде как бы лучей в земную толщу, во все стороны от источника ударного воздействия. Столь же очевидно, что скорость распространения этого, возникшего в результате ударного воздействия поля упругих колебаний для каждой горной породы имеет свое значение, которое постоянно в пределах каждой однородной по вещественному составу среды (горной породы). Не вызывает сомнения, что земная толща по акустическим свойствам представляет собой совокупность отражающих границ (между отдельными породами), от которых так называемый зондирующий сигнал (возникающий в результате ударного воздействия) отражается и воспринимается сейсмоприемниками в виде эхо-сигналов.

В общем и целом, содержимое предыдущего абзаца есть не что иное, как основное содержание парадигмы, в которой существует сейсморазведка. Это так называемая, лучевая или традиционная сейсморазведка. Она полностью базируется на принципах оптики. Отражение, преломление и т.п...

Фундамент сейсморазведки представляется прочным и надежным, а парадигма, оконтуривающая совокупность всех знаний об основах сейсморазведки - непогрешимой.

Но в этом несокрушимом панцире я обнаружил некоторую, на первый взгляд, незначительную трещинку. Она заключается в том, что за первые 4 года моей преподавательской деятельности (с 1973-го по 1977 год) мне не удалось поставить ни одной лабораторной работы, иллюстрирующей какой-либо пункт из такого логичного и очевидного абзаца. И, более того, когда я обратился за помощью к заведующему кафедрой геофизики ЛГИ, крупнейшему сейсморазведчику мирового уровня Литвиненко И.В., то при этом встретил столь ожесточенное сопротивление против моего намерения подтвердить в лаборатории принципы сейсморазведки, что мне это показалось весьма странным, неестественным и даже, некоторым образом, подозрительным.

Как оказалось в дальнейшем, ни одно положение лучевой сейсморазведки не имеет экспериментального доказательства, а согласно основам методологии, экспериментально не доказанная очевидность - это путь в тупик.

Первый по-настоящему сильный удар получила парадигма лучевой сейсморазведки в 1977 году, когда я обнаружил, что по акустическим характеристикам слой горной породы обладает свойством колебательной системы, а земная толща в целом - совокупности колебательных систем.

История этого открытия оказалась подобной истории открытия электрического контура. В 70-х годах XIX века лорд Кельвин, увидев, что конденсатор, соединенный с индуктивностью, реагирует на электрическое импульсное воздействие затухающей синусоидой, воскликнул, что имеет место новая, ранее неизвестная колебательная система. Дело в том, что синусоидальный сигнал (не имеет значения, затухающий или незатухающий) может быть получен только с помощью колебательной системы.

Спустя примерно 100 лет после этого, то же самое произошло со мной. Когда я увидел, что породный слой, залегающий в кровле подземной выработки (в угольной шахте) реагирует на механическое ударное воздействие затухающим синусоидальным сигналом, я воскликнул то же самое, но исключительно потому, что знал историю открытия электрического колебательного контура.

Не был бы я радиоинженером и не знал бы я эту историю, этот тип колебательных систем (я назвал их упругими) оставался бы неизвестен до сих пор.

Любой новый физический эффект неизбежно перечеркивает какое-то количество уже существующего знания, и открывший его обязательно навлекает на себя разного рода конфликтные ситуации. Я этого тогда не понимал. Увидев синусоидальный сигнал, я ведь ничего нового не сказал. Я всего лишь повторил то, чему меня учили на втором курсе на лекциях по теоретическим основам радиотехники. И отказаться от этого я не мог, так как это утверждение принадлежало не мне, а лорду Кельвину...

Я, конечно, не предполагал тогда, что это открытие являет собой отправную точку в смене парадигмы науки о поле упругих колебаний. Собственно говоря, точно так, как открытие колебательного контура за сто лет до этого в первое время не воспринималось как поворотный момент в развитии цивилизации.

Как и всякий новый физический эффект, то, что было обнаружено в 1977-м году, было воспринято мной весьма неоднозначно. С одной стороны, я не мог себе представить, что за 70 с лишним лет существования сейсморазведки никто этого не видел. С другой стороны, было несколько аргументов (из серии очевидных), согласно которым плоскопараллельная структура (слой, пластина) в принципе не может проявлять резонансных свойств. Но это было уже вторичным относительно экспериментально установленного факта наличия вокруг нас колебательных систем, о которых мы и не предполагали. Согласно методологическим принципам, экспериментально полученная информация ни в малейшей степени не зависит от нашего к ней отношения, от нашего понимания или непонимания.

Обнаружив сначала резонансные свойства плоскопараллельных структур (породных слоев), я первым делом стал изучать резонансные свойства таких вот слоев-резонаторов. При этом я понял, что мне за это крепко не поздоровится, поскольку подтверждение этих свойств нетрудно получить экспериментально, а они, между прочим, под корень рубят идею сейсморазведки. Так, при ударном воздействии на поверхность породного слоя (а в принципе, земной толщи) упругий импульс не возникает. И это очень понятно. Ведь при ударе, скажем, по струне, мы не услышим сам удар. Мы услышим колебательный синусоидальный процесс, называемый нотой. Так же произойдет при ударе по клавише рояля, по колоколу, наконец. При ударе по слою-резонатору возникающий в нем его собственный колебательный процесс будет распространяться вдоль этого слоя, не выходя за его пределы. Не поперек слоя, как утверждает сейсморазведка, а вдоль. И при этом, в случае наличия границы этого слоя (скажем, в случае геологического нарушения) этот колебательный процесс отразится от этой границы и пойдет обратно, так же не выходя за пределы этого резонатора, к точке ударного воздействия, и будет воспринят как эхо-сигнал.

Уточняю: эхо-сигнал придет не снизу, как утверждает сейсморазведка, а сбоку. А сейсморазведчики, зарегистрировав этот сейсмосигнал, будут рассматривать его как пришедший снизу, и соответствующим образом будут строить разрез земной толщи. Будет ли этот сейсморазрез соответствовать реальному разрезу? Ну разумеется, нет. И именно поэтому разрез земной толщи, полученный с помощью сейсморазведки, никогда не соответствует реальному разрезу земной толщи, полученному с помощью бурения.

Поле упругих колебаний, с точки зрения его возможного изучения, является совершенно уникальной субстанцией. Дело в том, что полноценное научное  развитие представлений о поле упругих колебаний является невозможным, потому что отсутствуют для этого объективные и необходимые условия. Важнейшим здесь является то, что поле упругих колебаний не представлено в Палате мер и весов, и, следовательно, не имеет собственных датчиков. Все понятия в этой области знания возникли как очевидность, и не имеют экспериментального обоснования и подтверждения.

Все эти, как бы теоретические, а на самом деле, чисто гипотетические построения основаны на параметрах смещения частиц, колеблющихся в упругой волне. Но экспериментально определить эти параметры невозможно в связи с отсутствием соответствующих датчиков. Никто не может сказать, что представляют собой эти колеблющиеся частицы. По этой причине все проблемы и задачи, связанные с использованием информационных возможностей поля упругих колебаний, находятся вне компетенции метрологических служб.

Колоссальное количество публикаций с математическими текстами, которые вот уже много лет создаются организациями типа Акустического института, Математического института им. Стеклова, ИнФиЗ и проч. не имеют смысла, поскольку все уравнения описывают лишь мысленные модели. Иначе и быть не может, поскольку математика может стать принадлежностью физики только тогда, когда аргументы уравнений могут быть определены экспериментально, а экспериментально в этой области знаний не может быть определено ничего.

Вместе с тем, те первые неуверенные результаты спектрально-акустических измерений, с которых всё начиналось в конце 70-х годов, превратились в целую область знания, о чем сообщается в работе [1]. И это при том, что эта область знания по-прежнему не имеет собственного датчика, в этой области знания невозможно осуществить никакого метрологически корректного измерения. И вместе с тем, это научное направление позволяет решать колоссальной важности задачи, которые невозможно решить никаким другим методом, и количество этих задач увеличивается буквально день ото дня.

Как же это могло произойти? Дело в том, что упругие колебательные системы, как оказалось, имеют очень много общего с электрическими колебательными системами - колебательными контурами. И всё развитие поля упругих колебаний стало возможным в результате использования этих аналогий.

Метод аналогий, известный в физике, но используемый всегда только как строительные леса для построения теории, и которые затем, после построения теории отбрасываются, оказался единственно возможным методом для изучения поля упругих колебаний.

Так сложилось, что и физика, и история познания электричества и акустики оказались очень близкими. Когда-то считалось, что электричество - это поток заряженных частиц. Однако экспериментальные исследования показали полевую суть этой субстанции. Причем электромагнитное поле является мнимым, поскольку характеризующие его векторы E и H взаимно ортогональны.

Упругие колебания тоже всегда воспринимались как результат движения колеблющихся частиц, и все известные типы упругих колебаний характеризуются траекториями колеблющихся частиц относительно направления распространения акустического потока. Экспериментальные исследования акустических процессов показали, что акустика также является полевой субстанцией, и что поле упругих колебаний так же носит мнимый характер [2, 3].

Как ни странно, в научной среде отсутствует понимание свойств колебательных систем, и то, что было известно в начале ХХ века, сейчас как-то не воспринимается. Эта информация отсутствует в учебной литературе, энциклопедиях и википедии. А вместе с тем, всё очень просто. Колебательная система, независимо от того, электрическая она или механическая, имеет три фундаментальных свойства. Во-первых, колебательная система - это объект, который на удар реагирует затухающим синусоидальным сигналом. Во-вторых, она обладает своей собственной частотой, что имеет информационное значение (возможность определения временных интервалов, геологического строения Земли и т.п.), и, наконец, в-третьих, наличие колебательной системы чревато возникновением резонансных явлений, резонансных разрушений.

Резонансное явление возникает в случае совпадения частоты внешнего периодического воздействия с собственной частотой колебательной системы, на которую оно воздействует. Резонансное явление проявляется плавным увеличением амплитуды вибрации, которое обрывается в случае резонансного разрушения. И если имеет место рост амплитуды вибрации, то это значит, что развивается резонансное явление, даже если мы не знаем физики и природы колебательной системы.

То есть, факт увеличения амплитуды вибрации в 600 раз, зарегистрированный самописцем, находящимся в машинном зале Саяно-Шушенской ГЭС, является достаточным доказательством того, что там имело место именно резонансное разрушение [4].

Понимание физики резонансных разрушений в электроустановках, содержащих электрические колебательные системы обошлось множеством взрывов и пожаров на электростанциях и в трансформаторных будках на всей Земле. Понимание физики резонансных разрушений упругих колебательных систем еще не пришло, и по Земле катится вал техногенных катастроф, которые происходят на объектах, оказывающих вибрационное воздействие на грунт [5]. Это электростанции всех типов, насосные станции, железные дороги...

В пору электрического междувременья, когда происходило только еще знакомство с колебательным контуром, ведущие физики Земли, и в том числе, давшие жизнь этому направлению, утверждали, что колебательные контура - это незначительный эпизод в теории электричества. Однако открытие электрического колебательного контура и, соответственно, возникновение переменных токов и науки об электромагнитном поле привело к тому, что электротехника постоянного тока стала лишь небольшим фрагментом в новой области знаний - электродинамике.

Точно так же лучевая акустика оказалась лишь маленьким эпизодом общей акустики, особенно когда выяснилось, что упругими резонаторами могут быть объекты не только твердые, но и жидкие и газообразные.

В настоящее время имеет место переходный период от лучевой акустики к спектральной. Ошибочность лучевой акустики (лучевой сейсморазведки) уже достаточно широко известна и понятна, но отказаться от нее нельзя, потому что применение ее обеспечивает колоссальное количество людей средствами существования. Как и всегда в период перехода от одной парадигмы к другой, специалисты совмещают возможности нового подхода с финансовым обеспечением с помощью уже отживших методов. Похоже, что процесс смены парадигмы в области поля упругих колебаний уже набирает обороты. Во всяком случае, сейчас всё больше геофизических организаций, которые заключают договора на осуществление прогнозирования техногенных катастроф, и осуществляют эти работы с помощью спектральной сейсморазведки (потому что с помощью других методов это невозможно), указывая в отчете, что использовали сейсморазведку классическую.

Считается, что смена парадигмы происходит в течение примерно 50 лет. Значит, лет через 10 мы будем вспоминать лучевую сейсморазведку только как пример гигантского научного заблуждения. О том, что это время приближается, говорит также постоянное увеличение количества людей, изучающих материалы на сайте ООО «Геофизпрогноз» [6].

ЛИТЕРАТУРА

1. Гликман А.Г. Поле упругих колебаний как раздел физики - физические эффекты, явления и свойства  
2. Гликман А.Г. О смысле мнимости в акустике 
3. Гликман А.Г. Эффект акустического резонансного поглощения (АРП) как основа новой парадигмы теории поля упругих колебаний
4. Гликман А.Г. Саяно-Шушенская катастрофа. Путь к рецидиву
5. Гликман А.Г. Вибрация как неуправляемое оружие.
6. Веб-сайт Научно-технической фирмы «Геофизпрогноз» www.newgeophys.spb.ru