Друзья!
Мы с вами учились в замечательное время: конец шестидесятых – начало семидесятых годов. Еще жив был дух великих открытий 20 столетия. И мы без натяжек можем себя причислить к племени «физиков – шестидесятников». С тех пор утекло много времени и воды. Суета жизни у многих из нас затмила романтику, потух блеск в глазах, разгоравшийся раньше при одном слове ФИЗИКА.
Но в нашей среде есть счастливчики, которые, несмотря на все жизненные передряги, сумели сохранить свой юношеский порыв. Среди них особое место занимает Сивков Саша, всю свою трудовую деятельность посвятивший любимому делу. В силу обстоятельств отойдя от активной производственной деятельности, он, тем не менее, продолжает творчески подходить к основам Мирозданья.
В своем «Трактате» он вступает в полемику сразу с Галилеем, Ньютоном и Гамильтоном. Плод его размышлений, который он просит не принимать всерьез, а считать скорее главой к шутливым физическим книжкам, мы и предлагаем Вашему вниманию.
Мы также с удовольствием присоединяемся к поздравлению Александра Юрьевича:
«с 40 – летним «Физическим стажем» всех выпускников физфака УрГУ 1972 года!»
* * * * * * * * * * * * * * * * * * *
Моему «одноАльмаМатерному» корешу,
Льву Геннадьевичу,
Посвящается.
Об одной из тупиковых ветвей фундаментальной физики
(Физико-исторический реконструктивный трактат)
«О сколько нам открытий чудных
Готовят просвещенья дух
И опыт, сын ошибок трудных,
И гений, парадоксов друг,
И случай, бог изобретатель…»
А. С. Пушкин
Только гений Величайшего поэта сумел настолько концентрированно втиснуть в эти несколько строк всю сущность стратегии и тактики процесса познания человеком окружающего мира.
Пролог.
Антропологические данные указывают: ~ 40000 лет назад уровень развития функциональных и аналитических возможностей мозга Homo Sapiens достиг современной стадии и полностью созрел для успешного анализа и освоения необходимого знания об устройстве окружающего мира.
Для начала, попытаемся немного препарировать понятие технологии накопления и формирования знаний о фундаментальных законах Природы. Все начинается с пассивного созерцания явлений, происходящих в окружающем мире, попыток анализировать, обобщать увиденное, прогнозировать предстоящие последствия. На основе полученной информации наиболее талантливые к аналитике индивидуумы начинают создавать простейшие модели, а затем — оценивать их адекватность, сопоставляя прогнозы и наблюдаемые конечные результаты происходящего. Этот процесс и составляет основу творческого, научного познания. Но, настоящий прорыв в создании научных теорий начался ~ 1500÷500 лет до н.э., когда сначала робко, а к концу указанного срока все решительней, стал проявляться дедуктивный подход. Отдельные мыслители созрели для способности к аналитическому творческому мышлению с необходимой степенью абстракции, именно из таких: один – мокрым бегал по улицам в «неглиже» с криками «Эврика», другой – довольно самоуверенный, требовал точку опоры….
Процесс исследования в любой отрасли науки (физики, математики, биологии и др.), для наглядности, можно сравнить с изучением солидных карстовых пещер, где методом обследования различных ответвлений изыскиваются магистральные направления (туннели) для дальнейшего продвижения вперед, а другие ответвления объявляются тупиковыми, не представляющими достаточного интереса. На пути магистральных направлений время от времени встречаются гроты, где можно остановиться, устроить дневку, отдышаться, подвести итоги пройденного, наметить предстоящие маршруты. Следуя предложенной терминологии, первый наиболее значимый грот на магистральном физическом направлении встретился в XVII веке, где и завершилось создание базового фундамента физической теории. Остановимся на этом событии, определяющем всё дальнейшее развитие Физики, отдельно.
§1. Ньютон, Галилей и другие…(создание фундаментальной теории).
Не ставлю своей целью излагать теоретические положения основ Ньютоновой теории, они в «крови» каждого физика, доставшейся ему в свое время от «АльмаМатери». Хочу просто акцентироваться на самых фундаментальных, узловых ее понятиях.
Думаю, никто не сомневается в исключительной гениальности Исаака Ньютона, величии его удивительного творения (по негласной иерархической квалификации физиков, Ньютон, по праву, украшает вершину пирамиды).
Следуя принятой терминологии, в гроте XVII века началась кропотливая работа. Представляете, какие пласты эмпирических данных, требующих тщательного анализа, отделяющего зерна от плевел, пришлось Ньютону перелопатить? Но конечный результат по значимости превзошел все ожидания: была создана рафинированная глобальная физическая Теория. Приоритетные принципы Природы, формирующие фундамент рассматриваемой теории, следующие:
- понятие пространства и времени (арены всех событий в природе);
- однородность пространства и времени (физическая неразличимость объектов и процессов от областей нахождения и всех моментов времени);
- инерционность, инвариантность, принцип относительности Галилея (во всех инерциальных системах свойства пространства и времени одинаковы и одинаковы все законы механики);
- определение массы, основы теории гравитационного взаимодействия;
- формализация математического подхода к описанию физических процессов, уравнений движения (математическая формулировка законов природы, должна быть инвариантной при переходе от одной инерциальной системы к другой);
- формализация методик экспериментального подхода к исследованию физических процессов;
- универсальность законов сохранения, обоснование возможности их применения.
За любым проявлением симметрии в Природе обязательно зарезервирован персональный закон сохранения (слегка утрированная формулировка теоремы Нётер!).
Так, например, закон сохранения импульса эквивалентен однородности пространства, т.е. инвариантности всех законов относительно положения исследуемой системы в пространстве. Простейшее доказательство этого базируется на «лагранжевом подходе» к описанию физического явления (Ваш покорный слуга прошел этот путь и, поверьте на слово, это правда!).
При создании какой-либо физической теории необходимо учитывать то, что Природа, по своей сущности, закоренелый консерватор, лентяй и одновременно «скупой рыцарь»: старается максимально все оставлять неизменным (f΄t= 0), а если же приходится допускать какое-либо действие, то только строго по вариационному сценарию – с минимальными затратами (потерями).
Осознание вышеизложенных принципов – явилось фундаментом для построения теоретических основ физики!
Классический пакет Ньютоновских законов, с учетом полей тяготения, при необходимости, с использованием законов сохранения, позволяет описать любую механическую систему совокупностью уравнений движения, которые при наличии заданных начальных условий, позволят их интегрировать и предсказывать динамику системы во времени. Каков революционный прорыв в области идеологии познания!
§2. Мир, который стремится к покою.
Пользуясь терминами принятого сценария, вернемся в начальную часть физического магистрального туннеля и повернем в интересующее нас ответвление, объявленное тупиковым.
Справка:
История развития научного знания имеет много примеров, когда пересмотр некоторых из давно отвергнутых идей, с использованием нового достигнутого опыта, приводил к весьма важным, впечатляющим, даже революционным, результатам.
Так, в начале математического магистрального туннеля одно из ответвлений было, еще Евклидом, запечатано постулатом № 5 (о параллельных прямых) и объявлено тупиковым, что продолжалось вплоть до XIX века. И вот, в 20-х годах данного столетия, независимо друг от друга, сразу трое ученых рискнули проникнуть в заброшенное ответвление, нарушив древнее табу. Это были: маститый немецкий Гаусс, молодой, но одаренный мадьяр Бойяи и наш, «казанский», Лобачевский. Даже первичный анализ, на основе древнего фундамента, указывал на удивительную оригинальность, необычность и перспективность ожидаемого построения. Однако, по-разному сложились последствия этих посещений. Лишь после смерти Гаусса в его архивах были обнаружены материалы, обосновывающие принципы построения новой теории. Почему Гаусс «стихушничал» в этом вопросе, так и останется исторической тайной. Бойяи же позднее опубликовал результаты своих изысканий, но, встретив стойкое непризнание своих трудов современниками, похоже, сам, испугавшись содеянного, прекратил исследования в данном направлении. Самым продвинутым оказался Лобачевский: он разработал завершенную, внутренне непротиворечивую теорию, а, следовательно, имеющую право на самостоятельное существование. Смущало только отсутствие на то время области практического применения ее результатов. Через четверть века в рассматриваемую область вторгся, зарекомендавший себя, как маститый мэтр создания глобальных математических построений, опять же немец, Риман. Появилась фундаментальная «Риманова геометрия», играющая важнейшую роль в современной теоретической физике, в самых глубинных вопросах изучения строения окружающего Мира. (Кстати, теория Лобачевского – равноправная область этой теории!).
Внутри ответвления, в небольшой полости, обнаружен остов древнего фундамента, в основании которого просматривался солидный пакет эмпирических данных, подтверждающих концепцию: «Тележка движется тогда, пока вперед ее толкают…». Попробуем провести историческую реконструкцию* и представить хотя бы контуры сооружения, которое бы соответствовало исследуемому фундаменту. <*Историческая реконструкция процессов, событий, теорий или технологий – это воссоздание, построение ожидаемой концепции какого-либо процесса на основе априорных данных, являющимися приоритетными в той или иной исторической эпохе>.
Приступим!
Начнем с формирования основополагающих положений предстоящего сооружения. Определения основных физический величин (масса, материальная точка, скорость, импульс, энергия и др.) полностью идентичны принятым в классической теории.
Основное положение рассматриваемой концепции можно представить в следующем виде: состояние материальной точки стабильно при V > 0, если на нее действует сила определенной величины Fдс >0, назовем ее — движущая сила. Определим ее как минимальную для поддержания устойчивого движения исследуемой материальной точки (физического тела) => при dP/dt = Fдс P – const, при Fдс = 0, V > 0 состояние тела становится неустойчивым, возникает сила (Fvдс), стремящаяся вернуть его в устойчивое состояние покоя: V = 0, назовем ее – виртуальная движущая сила. Определим вновь введенные силы: Fдс = ξi· m, где ξi – универсальная инерционная константа. При этом Fдс + Fvдс = 0. При приложении к телу F < Fдс изменения состояния не происходит, при F > Fдс возникает ускоренное движение по закону => dP/dt = F - Fдс — (аналог II закона), при F = 0 dP/dt = - Fvдс .
Решая последнее уравнение, получаем, что время перехода движущегося тела, при отсутствии внешнего воздействия, в состояние покоя определяется формулой
tпок = V(0)/ ξi , при этом оно пройдет расстояние L = (V0)2/2· ξi , если добавляется сила, вектор, которой противоположен вектору скорости, то она суммируется с Fvдс , ускоряя сроки возвращения системы в устойчивое состояние покоя. Учитывая изложенное, можно сделать заключение, что в рамках рассматриваемой концепции все объекты в природе стремятся к максимально возможному уровню состояния покоя — (альтернатива Первому закону или Принципу наименьшего действия).
Отдельно рассмотрим вопросы относительности, вопросы однородности пространства и времени, законов сохранения.
Необходимость введения универсальной инерционной константы, тем более виртуальной движущей силы, автоматически сводит на нет идею наличия равноправных систем отчета. Остается признать существование только абсолютной системы отсчета. (Идеи, начало которой теряется в глубине веков и сохранявшей актуальность вплоть до конца XIX века, даже Ньютон не рискнул ревизовать ее, считая творением «всемогущего и всевидящего». Первый серьезный удар по теории абсолютной системы, через отсутствие необходимости существования эфира, был Максвелловским, последний же гвоздь был вколочен усилиями экспериментатора Майкельсона и теоретика Эйнштейна.) Во времена закладки исследуемого фундамента проблем привязки абсолютной системы отсчета (как тогда еще говорили: абсолютного пространства) не было – это плоская, неподвижная земная твердь (правда потом перешли к эфиру). Что же касается однородности пространства и времени, а также законов сохранения, здесь каких-либо революционных преобразований не предвидится. Единственные корректировки связаны с переходом понятия скорости из категории относительных в абсолютную и дополнительного учета влияния сил Fдс , Fvдс , при формировании уравнений движения системы.
Стандартный случай:
Физическое тело (материальная точка) массой m находится в состоянии покоя: F ≤ Fдс , V = 0 , Vt΄ = 0 ; при F > Fдс , Vt΄> 0 , dP/dt = F - Fдс > 0 =>
Vt = (F/m — ξi) · t .
Дополнительно рассмотрим случай описания движения тел в условиях центрального поля тяготения. Достаточно провести анализ вертикальной составляющей движения физического тела, брошенного вверх с начальной скоростью V0 .
При подъеме: dP/dt = F + Fдс =>V0 = tпод·(g + ξi), tпод= V0/(g + ξi), Hпод = V02/2(g + ξi).
При спуске: dP/dt = F - Fдс => V(t) = t·(g — ξi), с учетом Hпод = Hпад и изменения механической энергии тела на величину работы, затраченной на движущую силу на участке спуска tпад= V0/√(g2 — ξi2), то есть все величины полностью просчитываются (при ξi → 0 все уравнения переходят к классическому виду).
ξi – универсальная инерционная константа (кси i) имеет размерность ускорения, определить ее можно только экспериментально. Могу сходу предложить несколько методик ее измерения.
- Нужен набор кубов (желательно 3÷5 шт) из одинакового материала, различных габаритов, а значит разных масс, с петелькой на одной из поверхностей. Лабораторным пружинным динамометром легко определить движущую силу для каждого куба. Проведя статистическую обработку, методом наименьших квадратов вычисляется уравнение линейной зависимости Fдс = ξi· m + с.
- С использованием детского ружья для стрельбы шариками от пинг-понга, желательно, чтобы было не менее трех степеней жесткости взведения пружинного устройства. Стреляя вертикально вверх, секундомером фиксируем для каждого уровня взвода ружья времена подъема и падения шарика. Вычисляем для каждого измерения отношение G = tпод / tпад , используя данное отношение для вычисления ξi = g · (g – G2)/ (g + G2) (желательно проведение статистической обработки).
Пора остановиться, оглянуться, проанализировать: контуры какого строения проглядываются, оценить его …
Рассмотрим лишь три «темных» места в основании исследуемого сооружения, проведем экспресс-анализ их природы. Это вопросы, связанные с необходимостью введения абсолютной системы отчета, виртуальной движущей силы (Fvдс), а также оценим возможности теории при описании процессов взаимодействия физических тел в потенциальных полях и между собой.
- Любая система отчета имеет право на существование только при наличии однозначной определенной привязки точки начала отсчета (начала координат). (Надеюсь, комментарии по этому вопросу излишни).
- Необходимость введения понятия виртуальной движущей силы (Fvдс) , вызвана обеспечением базового требования поддержания движения физического тела (материальной точки). Однако причины, механизмы возникновения и реализации этой силы ничем не определяются (Ваш покорный слуга, по крайней мере, не сумел найти сколько-нибудь приемлемой концепции. Если у кого-либо возникнут интересные соображения по данному вопросу, готов обсудить).
- Из определения Fдс - движущей силы, неизбежно возникает наличие у каждого физического тела верхней границы сил по модулю, которые не вызывают какой-либо реакции со стороны этого тела. Можно назвать его «уровнем бездействия» (УБ), для каждого из тел он будет своим (УБ = | Fдс |). Нетрудно представить, что будут реализовываться события, интерпретировать которые очень сложно. Простой пример: происходит столкновение двух движущихся шаров различной массы, в результате один из шаров участвует в процессе, вторым он полностью игнорируется. Аналогичные ситуации будут возникать с телами и в физических процессах, происходящих в гравитационных или электрических полях (Для III – го закона – ужасно кошмарные ситуации!).
Результаты экспресс-анализа только этих трех моментов указывают на то, что даже их наличие в основании ожидаемого строения сводит на «нет» его устойчивость, жизнеспособность. Невооруженным взглядом просматриваются слабые места. А ведь стройность и красота теории и ее истинность — сильно коррелирующие понятия.
Нужно отдать должное исследователям древнего мира – они своевременно «раскусили» ложность фундамента во вновь исследованном нами ответвлении, вернувшись на магистральное направление, продолжив дальнейший путь, полный драматизма, достижений и разочарований, а главное, получения фундаментальных познаний об окружающем Мире.
Эпилог.
Пусть славы Лобачевского, а тем более Римана, нам вкусить не удалось, но это не столь важно. В науке отрицательный результат – это тоже положительный результат!
В стремлении узнавать все новое и неведомое, изыскивать все более глубокое и единое, остановить Homo Sapiens уже невозможно, и даже тогда, когда, следуя М.Светлову, возникнет ситуация:
«И скажет Боже: Кончилось познанье…, Куда еще ты, человече, прёшь…?»Но такого не будет, ведь пределов
глубины и широты Знания не предвидится.
Поэтому, памятуя Ленинскую «неисчерпаемость электрона»,
только вперёд!
P.S. Конечно, вы понимаете, что предложенные методики определения ξi - чистая шутка (они определяют совсем другие коэффициенты). Любые экспериментальные методики, направленные на определение универсальной инерционной константы, не выдержат самой элементарной критики.
P.P.S. С 40 – летним «Физическим стажем» всех выпускников физфака УрГУ 1972 года!
А.Ю. Сивков
Июль 2012 года.