Начала. Физические начала натурфилософии

Борис Мальчиков

Начала. Физические начала натурфилософии

Так это странно всегда

Вроде бы взрослые люди

А в голове ерунда

Мечтаем как дети о чуде.

С. Трофимов

Начала

(Физические начала натурфилософии)

Наблюдая за методологией подхода к рассмотрению физических задач, я обратил внимание на существенное отличие подходов, в сравнении с такой точной наукой как математика, хотя современная физика все более уходит в решения через математические методы. Появился даже такой термин, как математическая физика. Отличие это сводится к тому, что в физике весьма расплывчаты или вообще отсутствуют основополагающие определения фундаментальным сущностям и явлениям. Если у математиков наука начинается с определения первоначальных понятий, то у физиков считается достаточным умозрительная «очевидность» таких фундаментальных понятий, как материя, пространство, время и даже самого понятия существования. Это однозначно может приводить и приводит к разночтениям в понимании физических сущностей и явлений, а в результате к неразрешимым противоречиям, которые говорят о неполадках в физическом «королевстве».

Свидетельством чего является наличие парадоксов в рассмотрении физических явлений в координатах эйнштейновской парадигмы, ставшей незыблемой официальной догмой современного восприятия окружающего мира. Парадоксом называют такую ситуацию, когда выводы из сделанного утверждения приводят к противоречию с хорошо известными фактами и даже с самой реальностью. Это будоражит сознание, привлекает внимание, но мало что привносит в реальную практическую жизнь. Исключение из этого, пожалуй, составляют цирковые иллюзионисты, которые разрезая человека пополам не совершают преступления, а конструируют оптический обман, извлекая из этого вполне законную материальную выгоду. Так вот у меня возникает сомнение, а не являются ли физические парадоксы интеллектуальной иллюзией, искренне принимаемыми за явление природы или просто трюком со скрытыми корыстными целями? В математике противоречие, возникшее из, сделанного предположения означает его ложность. Так называемое доказательство от обратного. Это происходит в системе рамок четких определений. А если их нет? Правильно, мы не сможем с определенностью утверждать ложность утверждений. Так, что мне кажется, что, начав физическое изучение природы, нужно было бы приступить к формулированию фундаментальных определений. Вообще то мне самому такая постановка вопроса кажется какой-то вызывающей и даже наглой. Это что, спустя тысячу лет изучения окружающей природы, какой-то невежда предлагает начать все с НАЧАЛА? Да! Но не с начала строить здание физики, а только провести его аудит. Это законное действие в коммерческой деятельности, призванное ее оздоровить и сделать более эффективной. Что нам мешает поступить аналогичным образом в науке? Думаю, что ни что, если нашей целью является постижение истины.

С чего следует начать? Я бы начал с определения понятия СУЩЕСТВОВАНИЯ, бытия в нашем мире в виде объективной реальности, т. е. независимо от наличия наблюдателя.

Объект существует, если взаимодействует с окружением, влияя на него или изменяется сам.

Далее я бы дал определения таким, казалось бы, очевидным понятиям как МАТЕРИЯ, ПРОСТРАНСТВО, ВРЕМЯ.

Материя – она существует, значит взаимодействует. Если взаимодействует, то она не одна одинешенька, а состоит из частей, которые имеют возможность взаимодействовать друг с другом. Какова структура этих фрагментов материи? Может ли быть отдельный фрагмент материи неделимым (сплошным)? Предположим, что да. Тогда внутри него нет частей с границами, отсутствие которых не препятствует их слиянию в едино, т. е. в точку. Что является несомненным парадоксом. Если все элементы материи представляют собой точки, то и их сумма обращается в точку, так как они не имеют внешних границ. В этой ситуации материя исчезает коллапсируя в точку. Допущение неделимости в этой связи ложно. Верным утверждением в этих условиях является то, что материя дискретна. В другом виде она не может существовать. Тут может возникнуть вопрос о пределе делимости. В связи с тем, что у природы без наблюдателя отсутствует понятие БОЛЬШОЙ-МАЛЫЙ, деление не имеет границ. Но, тогда как в этих условиях возникают границы? А вот границы возникают в результате квантовых скачков перехода количества в качество, когда более мелкие объекты в результате динамического объединения образуют более крупный объект с качествами, которыми не обладает ни один из входящих в него отдельный элемент. Получается так, что материя делится квантовыми скачками бесконечно. Дискретность материи является необходимым условием ее существования. Необходимым, но не достаточным.

Взаимодействие материальных дискретностей предполагает возможность изменения взаимного расположения, т. е. движения. Возможно ли движение с бесконечно большими скоростями? Если допустить такую возможность, то получим ситуацию, при которой каждая дискретность в один и тот же момент времени может находится во всех точках расположения материи. При этом каждая точка материального тела не отличалась бы от любой другой, и она вместила бы в себя все тело, которое превратилось бы в точку. Наличие границ у дискретности потеряло бы смысл и противоречило бы необходимому условию существования материи. Исходя из этого справедливо лишь утверждение, что материальное тело может перемещаться только с конечной скоростью, иначе говоря иметь инерцию, что обеспечивается наличием такой характеристики материального тела как масса.

Взаимодействие материальных тел с окружением, что является условием существования материи, предполагает их изменение в любых его проявлениях. Что есть изменение? Это переход из состояния причина в состояние следствие. Какая характеристика материального мира описывает его подвижность? Ну конечно же то, что нами принято называть ВРЕМЕНЕМ. И так, движение, являясь условием существования материи, без которого материя не существует.

Подводя итог сказанному можно утверждать: Необходимыми и достаточными условиями существования материи являются свойства ее подвижности, дискретности и инерционности.

Любое перемещение требует некоторой свободы, которое мы называем ПРОСТРАНСТВОМ. Некоторая сущность, предоставляющая возможность для свободного перемещения в нем. Однако, что из себя представляет это понятие. Является ли оно материальным объектом или, как зачастую полагают, есть полное отсутствие чего-либо в себе (абсолютный вакуум), допуская раздельное существование материи и пространства. Однако допустить существование материи без пространства невозможно, а вот пространства без материи интуитивно кажется возможным. Так ли это? Если пространство не дискретная материя, то оно представляет собой сплошную среду, в которой ни одна точка не отличается от другой. Значит, как и в прошлом случае со сплошной средой оно коллапсирует в точку, или просто-напросто исчезает. Делая вывод от обратного, верным может быть только утверждение, что пространство дискретно, как и материя. Интуитивно это кажется странным. Что может быть дискретного в абсолютной пустоте? Под сомнение попадает утверждение об абсолютной пустоте. Тогда предположим, что пространство – это некоторая материальная сущность. Однако, как известно, она не обладает массой, не является инерционной. Тогда, как мы уже доказали, не может являться материей. Как же быть? Подойдя к этому вопросу, мы оказались в положении физической мысли конца 19-го начала 20-го веков. Не найдя на него ответ была сделана уступка логической некорректности в пользу абсолютной пустоты. И в результате фундаментальная физика оказалась в состоянии, котором мы ее наблюдаем, т. е. поросшая мхом парадоксов. А если все-таки пойти по иному пути и предположить пространство дискретно материальным? А для этого следует разрешить проблему ее безынерционности, так и не решенной за сто лет. Не слишком ли дерзкая попытка? А что собственно мы теряем? Давайте попробуем. Давайте зададим себе вопрос: «Что есть пустота?». В обыденной жизни это – содержимое вакуумной лампочки, в математике, которая так основательно вторглась в физику, это – символ «0» (ноль). Но в математике Ноль – это не отсутствие чего либо, а такая же точка на числовой оси, как и все другие числа, обозначающую сумму взаимных противоположностей, или сущностей с противоположными знаками их характеристик. Это уже что-то, его можно пощупать в отличии от пустоты. Напрашивается гипотеза, что пространство образовано материей с дискретностями, имеющими взаимно противоположные свойства, сумма которых в рамках доступных нам масштабов видится Нулем. Казалось бы, все хорошо, да только вот какие противоположности в характеристиках дискретностей? Никаких характеристик кроме дискретности, подвижности и инертности материя не имеет. В этой ситуации возникает только один вариант безынерционности, это существование инерционностей противоположных знаков. Такое предположение кажется весьма странным. Где, кто и когда наблюдал тела, двигающиеся в сторону противоположную прилагаемой силы. Ответ однозначен – никто и никогда. А с другой стороны, кто видел близнецов двух разных возрастов, неодновременность двух одновременно происходящих событий, материальное тело, одномоментно пролетающее через две разные щели? Однако все это считается в настоящее время допустимым. Давайте хотя бы временно забудем известные нам парадоксы, а оставим всего один – массу с противоположным знаком и продолжим логически рассуждать в рамках этого предположения. Такое предположение делается мной не первым, оно делалось учеными ранее и что интересно, так это то, что оно не приводило к логически противоречивым ситуациям. То-есть с точки зрения схоластических рассуждений препятствий для такого предположения нет. Это уже кое-что. Первая проверка пройдена. Схоластика – это хорошо, но вот как с объективной реальностью? Всюду кругом приходится наблюдать материю, инерционности которой хотелось бы присвоить положительный знак, а вот отрицательного партнера почему-то не наблюдается. Хотя исходя из предложенной конструкции галактической «пустоты», она просто смесь дискретностей с плюсом и минусом в равной пропорции. Положительную материю мы ощущаем, а отрицательную нет. Странно? Давайте попробуем проследить процесс рождения известного нам Мира с положительной массой из безынерционной мировой среды.

Движение непременное условие существования матери. Если обратит взор в космос, то можно увидеть, что самое распространенная форма движения – это вращение. Галактики, звезды, планеты все они вращаются. Вращение как известно по-разному действует на объекты противоположной инерции. Одни (положительные) разбегаются к периферии под действием центробежных сил. Хорошо известный факт. Отрицательная масса будет стремиться к центру вращения. Такой процесс сепарирует противоположные массы, выводя из латентного состояния в ощущаемый нами мир. Мы, будучи объектами положительной массы, среди нее и находимся. Просто мы находимся на периферии нашей галактики. Отрицательная масса собирается ближе к центру, там, где наблюдаются, так называемые, сверхмассивные черные дыры. Может быть именно поэтому мы лишены возможности пощупать отрицательную массу? Когда смотришь на эту схему формирования окружающего мира, в душе рождаются такие радостные параллели, как единство и борьба противоположностей. Но это же классика философской мысли. Нет необходимости выдвигать безумные идеи возникновения вселенной в результате Большого взрыва. Она хоть и наполняет нас гордостью способности конструировать начало начал, но не с помощью же логического бреда. Даже идея Божественного творения вселенной кажется куда более логичной. Получив, как нам кажется, более или менее логичное объяснение формирования вселенной, мы тем не менее не избавились от вопросов. Следующий, который возникает, это то, что материю мы видим не в форме мелкодисперсной среды, а в виде различных по форме и консистенции сущностей, состоящих из молекул, атомов, элементарных частиц. С этим то как? Рассуждать далее мы имеем право только в рамках известных понятий материи, пространства и времени. Другого у нас ничего нет. Сможем ли мы сконструировать атомарную материю с таким арсеналом.

Все, что есть, это дискретная инерция и движение. Представим себе отсепарированную положительную дискретную газоподобную среду. Начнем с нее, так как в этом случае мы хотя бы знаем, что должно в результате получиться. Газовая среда, как и положено ей находится в движении, образуя хаотичным образом потоки и вихри, так же как это происходит в земной атмосфере. С тем отличием, что у этого движения нет границ и образующиеся торнадо, смерчи замыкаются не на границы, а сами на себя, формируя торообразные формы, которые при определенных условиях могут быть устойчивыми. В гидродинамике они называются солитонами. Приняв это во внимание, можно предположить, что первичные материальные агломерации нашего мира образуются из положительных дискретностей в виде торообразных солитонов, которые уже становятся осязаемыми в доступных нам масштабах наблюдения. Размеры этих агломераций, видимо будут определяться какими-то свойствами коллективной материи, понять которые еще предстоит, но интуитивно я бы назвал их квантовым скачком перехода количества в новое качество. Тут ведь на лицо накопление количества положительных дискретностей при котором возникающая агломерация приобретает новое качество, которым не обладает ни одна образующая ее единица. Это существенно большая масса и совершенно новая характеристика – спин, как результат вихревого движения. С этой позиции открывается радужная перспектива эволюционного развития материи на пути количественно качественных скачков. Такая постановка вопроса дает довольно оптимистичную надежду на дальнейшее развития мысли в выбранном направлении.

Самым подозрительным моментом в предложенных рассуждениях является гипотеза существования отрицательной массы. Что по этому поводу думают другие, неужели мое предположение абсолютно маргинально? Оказывается, я не совсем одинок. Так в 1988 Роберт Л. Форвард опубликовал работу под названием «Движение отрицательной материи». Поль Дирак в 1928 году обосновал теоретически идею античастиц. Герман Бонди в 1957 году в журнале «Reviews of Modern Physics» предположил существование отрицательной массы, показав ее логическую непротиворечивость. Это все предположения теоретического характера, но есть предположения, получившие экспериментальное подтверждение. Так в Манчестерском университете ученые впервые создали пары частиц – античастиц из вакуума, подтвердив гипотезу нобелевского лауреата Джулиани Швингера, предсказавшего, что сильные электрические или магнитные поля могут разрушать вакуум со спонтанным возникновением элементарных частиц. Но ведь наша гипотеза именно об этом и говорит.

Предложенный в статье подход к рассмотрению фундаментальных явлений природы систематизирует и упорядочивает методологию рассмотрения явлений, нащупав эволюционный путь формирования окружающего мира. Это не мало для дальнейшего углубленного развития идеи. Критерием адекватного следования объективным законам природы должны стать все те же парадоксы, за появлением, которых следует внимательно наблюдать. Парадоксы – это не странности в законах природы, и тем более не ее ошибки, они – странности и ошибки нашего восприятии их. Здесь очень важно не путать объективность с нашей интерпретацией ее восприятия.

Исторический аспект развития методологии физической мысли

В предыдущем разделе приведены логические рассуждения относительно вопросов возникающих при рассмотрении физических проблем. Но интересно также взглянуть на эти же вопросы с точки зрения исторического развития физической мысли. Интересно на сколько соответствует изложенное выше общемировой тенденции развития физики во временном аспекте. Рассмотрение такого плана возможно с привлечением письменных свидетельств прошлого. Это возможно, но глубина исследования не слишком глубока и ограничена периодом начиная с времен Древнего мира по настоящее время.

В современной историографии научной физической мысли существуют разные подходы, однако они могут быть объединены в одно целое. Письменные источники для изучения начинаются с эпохи древней Греции. В них находятся свидетельства титанических усилий наших предков в желании понять окружающий мир. Попытки были хаотичными и в них еще не просматривается общая методика процесса познания. Существует, однако, мнение, что в период 16–18 вв в Европе, родилась наука в смысле ее нынешнего понимания. Этот период получил наименование «Великой научной революции». Ее возникновение связывают с деятельностью таких ученых как Галилей, Кеплер, Декарт, Ньютон. Именно к этому периоду относят рождение собственно научного метода, для которого характерно специфическое отношение между теорией и экспериментом.

Это несомненно верно, но при этом революция не была бы возможна, если бы гении средневековья не стояли на плечах титанов древнего мира. Поэтому понять логику рождения современной научной методики можно только проследив ее развитие с тех давно минувших дней.

Историки различают 4 этапа развития физики древнего мира: а) Ионический (600–450 лет до н. э.), б) Афинский (450–300 лет до н. э.), в) Эллинический (300–150 лет до н. э.), г) Завершающий (600 лет н. э.)

а) Собственный практический опыт, а также заимствования из более древних культур привел к возникновению математических идей в сущности и взаимосвязи явлений природы.

б) Физика продолжает оставаться составной частью философии, хотя в новых общественных условиях в структуре философских знаний все больше места стала занимать объяснение общественных явлений. В это время Платон применил свое идеалистическое учение к таким физическим понятиям как движение и гравитация. Но самым выдающимся представителем философии того периода был все же Аристотель. Его физические теории касаются почти всех областей данной науки. Это период, когда формировалось учение об атоме Левкиппомом и его учеником Демокритом. В соответствии с ним: 1) вся вселенная состоит из мельчайших частиц-атомов и пространства, в котором движется атом, 2) атом вечен и неуничтожим, а значит вселенная вечна, 3) атом абсолютно неизменяем и неделим, 4) все предметы образуются из сочетания атомов разной формы и соединений. Аристотель создал первую классификацию наук, разделив их на теоретические, практические и творческие. Особый интерес испытывал к физике, астрономии, и математике. Является создателем формальной логики – науки о законах правильного мышления. В истории Аристотель известен, как создатель космологического учения, в основе которой лежала геоцентрическая концепция Мира. Земля имеет форму шара, центр вселенной – область Земли, которая создана из 4-х стихий, область неба создана из 5-го элемента – Эфира.

в) Физические познания достигли своего расцвета. Теперь на первый план выступают логические интерпретации физических явлений, одновременно физика обратилась к постановке и решению практических задач. Архимед обосновал статику и гидростатику с математических позиций. В области оптики Эвклид развил теорию отражения. Птолемей экспериментальным путем измерил рефракцию, создал труд «Математическая система», определивший развитие астрономии.

г) Характеризуется стагнацией и начинающимся упадком.

Античной науке были характерны следующие черты: 1) Основой мышления была созерцательность – теория, 2) Практически не было экспериментального метода, 3) Основное внимание уделялось технике мышления, которая основана на формальной логике Аристотеля. 4) Первой теоретической наукой в Греции становится математика, для которой разработан математический аппарат (Пифагорейская школа).

Сама методология научного подхода в античном мире выкристаллизовывался из принципов общественной жизни того времени. Так Греческий полис принимал социально значимые решения, пропуская через фильтр конкурентных предложений и мнений на народном собрании. Преимущества одного мнения перед другим выявлялось через доказательство, в ходе которого ссылки на авторитет, особое социальное положение индивида, предлагавшего предписание для будущего действия, не считались серьезными аргументами. Диалог велся между равноправными гражданами и единственным критерием была обоснованность предлагаемого норматива.

Именно в греческой математике встречается изложение знаний в виде теорем: «дано – требуется доказать – доказательство». Аксиоматический метод изложения научных теорий использован впервые в «Началах» Эвклида (Геометрия).

Закончив с античной наукой вернемся к Великой научной революции, а именно к ее вершине – труду Ньютона «Математические начала натурфилософии» (1687 г). Именно в нем сформулирован знаменитый закон всемирного тяготения. В основу своих исследований Ньютон полагает три основных закона движения (иначе три аксиомы). Схема изложения» Математических начал Натурфилософии» была аналогична «Началам» Эвклида. Даны все определения, затем аксиомы и потом само изложение предмета.

В течение 250 лет сочинение Ньютона служит главным первоисточником дальнейших открытий в общей механике, небесной механике, в физике и технике. Ньютон не только сформулировал величайший закон природы, но и дал новый общий метод, который позволил решать задачи всех этих наук.

Структура изложения в труде такова:

Даются определения: 1) количество материи-масса, 2) количество движения, 3) сила инерции, 4) внешняя сила, 5) центростремительная сила, 6) абсолютная величина центростремительной силы, 7) движущая величина центростремительной силы.

Далее Ньютон поясняет в каком смысле употребляются в дальнейшем менее известные названия.

Время, пространство, место и движение составляют понятия общеизвестные. При этом отмечается, что эти понятия обыкновенно относятся к тому, что постигается нашими чувствами, от чего происходят некоторые неправильные суждения, для устранения которых необходимо вышеприведенные понятия разделить на абсолютные и относительные, истинные и кажущиеся, математические и обыденные.

Следующим этапом даются аксиомы или законы движения: Три закона Ньютона (движение по инерции, F=ma, действие равно противодействию)

Последнее звено – изложение основного доказательства.

За научной революцией средневековья следует революция начала 20-го века. Символом которой стал Эйнштейн. Его взгляд на окружающий мир сломал все предыдущие стереотипы. Специальная и Общая теории относительности вместе с развитием квантовой механики перевернули представления классической науки. Вот это и следует проанализировать.

Физике нужна была революция и она произошла на рубеже 19-го и 20-го веков. Этот перелом отметился рядом важнейших открытий, которые послужили толчком к развитию почти всех естественных наук. Каждое новое открытие рушило каноны классической физики, затрагивал механику и электродинамику. 19-ый век прославился обобщенными классическими теориями, а 20-ый стал эпохой экспериментаторов. Их опыты поставили под угрозу все устои классической физики. Три основных открытия начала 20-го века – это открытие электрона, как переносчика отрицательного электричества. Открытие квантов света и открытие радиоактивности. Это три революционные вехи, открывшие в 20-ом столетии огромные возможности для естественных наук и для невиданных темпов прогресса технических устройств, включая компьютеры. Они сразу дали толчок к появлению теории относительности Эйнштейна. При изучении движения электрона обнаружилось, что его масса неограниченно возрастает. (Данное утверждение требует очень тщательного рассмотрения. Следует проанализировать эксперимент из результатов, которого делается такой вывод). Рентгеновское излучение также было открыто при проведении опытов по движению электронов. Резерфорд создал первую рабочую модель атома и приоткрыл завесу тайны над атомным ядром. А квантовая физика вообще стала практически самостоятельно развивающейся областью.

Экспериментальные данные требовали теоретического осмысления, и оно стало рождаться. Квантовая теория Макса Планка 1900 г. Общая теория относительности (ОТО) – теория тяготения, описывающая тяготение, как проявление геометрии пространства-времени (1915) Альберта Эйнштейна. В этой теории постулируется, что гравитация и инерционные силы имеют одну природу. (Что странно? Инерция и кривизна пространства-времени? Замечание автора), Специальная теория относительности (СТО) – теория, описывающая движение, законы механики и пространственно-временные отношения при произвольных скоростях движения, меньших скорости света в вакууме, в том числе близких к скорости света. Обобщение СТО для сильных гравитационных полей называется общей теорией относительности. Основным отличием СТО от классической механики является зависимость (наблюдаемых) пространственных и временных характеристик от скорости. Центральное место в СТО занимают преобразования Лоренца, позволяющие преобразовывать пространственно-временные координаты событий при переходе от одной инерционной системы отсчета к другой, когда одна из них движется относительно другой с определенной скорость. СТО создано Эйнштейном в работе в 1905 году «К электродинамике движущихся тел», Математический аппарат преобразований координат и времени между различными системами отсчета был ранее сформулирован французским математиком А. Пуанкаре.