Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Методологические основы эфиродинамики PAGE 71
…Наука, задача которой состоит в понимании природы,
должна исходить из предположения возможности этого
понимания и согласно этому положению должна делать
свои заключения и исследования.
Г.Гельмгольц [1]
2.1. Всеобщие физические инварианты
Для определения основных принципов методологии эфиродинамики предварительно нужно ответить на вопрос о целях естествознания. Уточнение цели естествознания необходимо, в частности, потому, что тот или иной ответ определяет в значительной степени саму методологию [2].
Известны высказывания, когда целью естествознания объявлялась возможность прикладного использования новых знаний. Существуют мнения об описательных целях науки, например о получении математических зависимостей, экстраполирующих полученные экспериментальные результаты и объявляемых далее законами материального мира.
Однако есть основания утверждать, что перечисленные выше мнения являются, с одной стороны, крайними, с другой – явно недостаточными. В самом деле, трактовка прагматических целей науки в целом и отдельных ее направлений как первоочередных и единственных, а не конечных неминуемо приводит к тому, что собственно познание природы отодвигается на второй план или снимается совсем, в результате чего и прикладные достижения оказываются поверхностными и случайными. Как показывает опыт, наилучшие практические результаты лежат на стыке наук, казалось бы, не имеющих отношения к поставленной прикладной задаче. Это требует дополнительных усилий, и, следовательно, реальная максимальная отдача науки находится в противоречии с идеей быстрого получения прикладного результата.
Математическое количественно-функциональное описание явлений оказывается полезным, а в некоторых случаях и необходимым условием получения прикладных результатов, а также предсказания новых эффектов и явлений. Однако, учитывая бесконечное разнообразие качеств и свойств каждого материального тела, можно утверждать, что любое математическое описание есть весьма узкое и одностороннее отображение реальной действительности. При этом: 1) нет никакой гарантии в том, что математическая зависимость отражает все существенные стороны явления; 2) нет гарантии, что постановка новых экспериментов выявит какие-либо новые стороны явлений, ибо сама постановка новых экспериментов опирается на те же математические зависимости, следовательно, относится к той же узкой области явлений, из которой вытекает и сам полученный ранее «закон». Таким образом, «закон» все время подтверждается. Выйти же за рамки найденного однажды «закона» практически чрезвычайно трудно, так как в каждом эксперименте имеются погрешности, отклонения от «хорошо установленного закона» списываются на них, а качественно новые эксперименты не ставятся. Поиск новых областей оказывается случайным, а ожидаемый результат неопределенным.
Как правильно указывал Максвелл [3], математические формулы суть результат упрощения реальных явлений, а использование математических формул, не подкрепленных физическими представлениями, приводит к тому, что «… мы совершенно теряем из виду объясняемые явления и потому не можем прийти к более широкому представлению об их внутренней связи, хотя и можем предвычислить следствия из данных законов».
Таким образом, ни прикладная, ни описательная стороны не могут являться главной целью естествознания.
Такой целью для естествознания вообще, и физики в частности, на всех этапах и уровнях развития должно быть вскрытие природы явлений, выяснение причин, почему эти явления именно такие, а не иные и нет ли в них каких-либо качеств, пока еще неизвестных. Но такой подход требует понимания внутреннего механизма явлений, анализа причинно-следственных отношений между материальными образованиями, участвующими в изучаемых явлениях и эффектах. Вскрытие этих связей и отношений позволяет объяснить явления, т.е. объяснить, почему это явление именно такое, а не иное. Вскрытие внутренних связей, внутренних движений материи в явлениях позволяет раскрыть сущность явлений более полно, чем при использовании только внешнего описания. При этом могут быть учтены области распространения полученных математических зависимостей и сформулированы допущенные приближения. Это дает возможность при необходимости уточнить полученные зависимости.
Высшей же целью физики как основы естествознания должны стать выявление общей для всех явлений физической основы, общего строительного материала для всех видов вещества, структурной организации материальных образований на всех уровнях иерархической организации материи и выявление общего механизма основных фундаментальных взаимодействий между ними. Но для того, чтобы это можно было сделать, необходимо сначала определить всеобщие физические инварианты, т.е. те категории, которые остаются неизменными при любых преобразованиях материальных структур и при любых процессах.
Как известно, результатом любого эксперимента являются соотношения между физическими величинами. В зависимости от того, какие из этих величин считаются постоянными, независимыми инвариантами, остальные величины, которые связаны с первыми соотношениями, полученными в эксперименте, оказываются переменными. В некоторых случаях выводы из подобных соотношений оказываются столь важными, что существенным образом влияют на развитие всего естествознания.
Так, в результате экспериментов по определению массы частицы при приближении ее скорости к скорости света получается сложная зависимость, связывающая напряженность поля конденсатора и напряженность магнитного поля, через которые пролетает частица, с ее зарядом, скоростью полета, радиусом кривизны траектории и массой [4]. Принятие в качестве инвариантов напряженностей поля и заряда частицы приводит к выводу об изменчивости массы. Однако если считать инвариантом массу, то ту же зависимость можно интерпретировать как обнаружение зависимости заряда от скорости, на что было указано Бушем. Если учесть, что при приближении скорости частицы к скорости света (скорости распространения электрического поля) взаимодействие между частицей и полем должно уменьшаться (по аналогии с ротором асинхронного двигателя, движущимся в бегущем магнитном поле), то та же зависимость должна трактоваться как зависимость коэффициента взаимодействия между заряженной частицей и полем при неизменности заряда и массы. Могут быть и иные интерпретации этой зависимости.
В теории относительности Эйнштейна за всеобщие инварианты приняты скорость света и четырехмерный интервал, в котором приращения координат связаны с приращением времени через ту же скорость света. Это, во-первых, поставило все виды взаимодействий в зависимость от скорости света, хотя скорость света есть величина электромагнитная и не имеет никакого отношения ни к ядерным, ни к гравитационным взаимодействиям, во-вторых, привело к представлениям об искривлении пространства и замедления времени. Прямым результатом этого выбора инвариантов явились изменчивость массы при изменении скорости тел, изменение их размеров, эквивалентность энергии и массы и т.п. Если бы за всеобщие инварианты были выбраны иные величины, то и результат был бы совсем иным, и теория относительности имела бы совсем иной вид [5].
Из изложенного видно, что к выбору инвариантов нужно относиться с большой осторожностью. В связи с возможностью произвола в выборе инвариантов необходима разработка методологических основ данного предмета. Рассмотрим основные требования, предъявляемые к общим физическим инвариантам.
Очевидно, что на роль всеобщих физических инвариантов могут претендовать лишь такие физические величины, которые присущи абсолютно всем физическим явлениям и, так или иначе, проявляются существенным образом в любых формах строения материи на любом ее уровне и при любых видах взаимодействий. Эти величины должны присутствовать на уровне организации материи в предметах и веществах, в молекулах, атомах, элементарные частицы, а также на уровне планет, звезд, галактик и Вселенной в целом. Это требование необходимо, так как основой каждого макропроцесса является соответствующий микропроцесс, обусловливающий закономерности макропроцесса. Единство природы заставляет и для микромира, и для макромира искать всеобщие инварианты, относительно которых и можно оценивать другие величины, присутствующие в процессах, явлениях и экспериментах. Этот подход приводит к необходимости искать физические инварианты только среди величин, присутствующих на любом уровне организации материи и существенных для любых явлений.
С этой позиции такая величина, например, как электрический заряд не может выступать в качестве всеобщего физического инварианта, поскольку эта категория, реально присутствующая в микромире, не проявляется существенным образом на уровне организации материи в молекулы, вещества, звезды, галактики. Во всяком случае, наличие зарядов внутри атомов и молекул несущественно для физических взаимодействий на более высокой ступени организации. Гравитация, в частности, вообще обходится без представлений об электрическом заряде. Мало того, даже на уровне элементарных частиц категория электрического заряда не всегда играет существенную роль, поскольку имеются частицы, у которых заряд отсутствует.
По тем же причинам в качестве всеобщих физических инвариантов не могут выступать характеристики отдельных физических явлений или отдельных форм материи, например параметры фотонов света (постоянство формы фотона, постоянство скорости его движения – скорость света, прямолинейность распространения и т.п.).
Рассматривая наиболее общие характеристики материи на любом уровне ее организации, можно констатировать, что для всех этих уровней существуют только четыре действительно всеобщие физические категории. Этими категориями являются собственно материя, пространство, время. Существование материи в пространстве и во времени есть движение материи, причем движение механическое [6].
Это значит, что любые физические явления на некотором уровне организации материи должны сводиться к механике.
В самом деле, о любом происходящем явлении можно судить только в связи с тем, что это явление происходит с материей, а не независимо от нее (все явления материальны), в пространстве (вне пространства не происходит ничего) и во времени (все процессы протекают во времени), что само по себе уже означает движение материи. Как справедливо заметил Ф.Энгельс, в мире нет ничего, кроме движущейся материи.
Категории материи, пространства и времени и их совокупности – движения являются основой для всего мироздания. Эти категории всегда должны считаться исходными при рассмотрении любых структур организации материи, любых процессов и любых физических явлений природы. Исходные категории являются тем самым категориями аргументальными, они непрерывны, а значит, движение материи в пространстве и времени непрерывно и могут менять только формы этого движения. Отсюда вытекает, что цепочка причин и следствий непрерывна, каждое следствие имеет четкую причину и в свою очередь является причиной для новых следствий [7].
Поскольку категории материи, пространства и времени и их совокупности – движения справедливы для всех уровней организации материи, начиная от Вселенной в целом и кончая элементарными частицами вещества, нет никакого основания полагать, что на уровне организации материи более глубоком, чем «элементарные» частицы вещества, эти категории окажутся несправедливыми. А это значит, что на всех уровнях организации материи действуют одни и те же физические законы, следовательно, в микромире действуют те же законы, что и в макромире и никаких «особых» законов микромира, отличающихся от законов макромира, не существует.
Как всеобщие категории для всех уровней организации материи, собственно материя, пространство, время и движение тем самым выступают в качестве всеобщих физических инвариантов, не зависящих ни от каких частных форм организации, частных видов движения или частных явлений. Следовательно, всеобщие физические инварианты не постулируются, а определяются на основе обобщения всех известных естествознанию опытных данных, как это и должно быть при материалистическом подходе к изучению природы.
Для использования инвариантов в реальных зависимостях нужны соответствующие меры – единицы измерения. В качестве единиц измерения могут быть взяты единицы соответствующих физических величин. Например, в качестве меры времени выступает единица времени – секунда, ранее определенная как 1/24·60·60 доля суток, а позже привязанная к атомному эталону частоты. В качестве меры пространства выступают единица длины и ее производные (меры площади и объема). За единицу длины принимались различные эталоны, но в настоящее время за единицу принят метр – 1/ 40.000.000 доля длины Парижского меридиана, впоследствии также привязанная к атомному эталону. Справедливость выбора этих величин в качестве мер времени и пространства подтверждена всем опытом естествознания. Что касается мер количества материи и движения, то здесь необходимы дополнительные оговорки.
Прямой меры количества материи до настоящего времени не найдено. Косвенной, но строго пропорциональной мерой количества материи в классической физике считалась масса. Теория относительности, внеся понятие изменчивости массы со скоростью, тем самым поставила под сомнение возможность использования массы как меры количества материи.
Принципиально масса может быть только косвенной мерой количества материи и может быть связана с количеством материи не прямой, а функциональной зависимостью, в которую войдут и другие величины. Однако вероятность того, что инертная масса является инвариантной мерой количества материи, т.е. строго пропорциональна количеству материи, гораздо выше, чем вероятность того, что у движущейся частицы инвариантны взаимодействия заряда с электрическим и магнитными полями, используемыми в эксперименте.
В самом деле, скорость света есть скорость распространения электромагнитного поля. Заряд имеет электрическую природу. Приближение скорости заряженной частицы к скорости распространения сил, воздействующих на нее (а напряженности магнитного и электрического полей являются силами, воздействующими на заряд), неминуемо приведет к изменению величины взаимодействия. Если бы частица имела скорость, равную скорости света, электрическое поле, по крайней мере, направленное вдоль траектории частицы, вообще не могло бы влиять на нее. Следовательно, взаимодействие заряда и напряженности при движении частицы должно быть нелинейным. Что касается воздействия на массу, то непосредственного воздействия электромагнитного поля на массу до настоящего времени не найдено. Кроме того, известна и экспериментально подтверждена строгая пропорциональность между гравитационной и инертной массами. Но гравитационные взаимодействия отличаются по величине от электромагнитных на много порядков. Это означает, что гравитационное взаимодействие, а, следовательно, и масса имеют другую физическую основу.
Таким образом, ожидать, что масса частицы меняется по мере приближения скорости частицы к скорости света, т.е. к скорости распространения электромагнитного поля, вообще говоря, нет никаких оснований. Если же такое изменение и происходит, (что не вытекает из описанного выше опыта, но может быть проверено другим способом, например определением кинетической энергии останавливаемой частицы), то только за счет присоединения к частице материи массы среды, окружающей ее. Последнему обстоятельству есть определенная аналогия: перед летящим самолетом образуется уплотненная воздушная подушка, которая создает ему некоторую присоединенную массу, влияющую на его аэродинамику.
Поскольку инертная масса является косвенной мерой количества материи, то можно предположить, хотя бы принципиально, что возможны условия, при которых одно и то же количество материи будет иметь в неодинаковых условиях различную инертную (тем более, гравитационную) массу.
Что касается меры движения, то здесь известны такие традиционные меры, как количество движения (неправильно называемое импульсом) и энергия, многократно подтвержденные экспериментально и справедливые для всех проявлений и взаимодействий с учетом, естественно, явлений, происходящих на всех уровнях организации материи. Применение той или иной меры в том или ином явлении зависит от характера явления. Здесь необходимо вспомнить анализ Энгельса, из которого вытекает, что количество движения есть мера движения одного иерархического уровня, а энергия есть мера движения, необратимо переходящего на глубинный уровень организации материи, например, при соударении неупругих тел в теплоту [8, с. 67–81].
Необходимо отметить одно важнейшее свойство инвариантных величин. Будучи изначальными, эти величины строго подчиняются правилам аддитивности. Об этих величинах нельзя говорить как о нелинейных, так как именно относительно них должны проводиться измерения и оценки всех остальных величин. Следовательно, нельзя рассматривать искривление луча света вблизи гравитационных масс как результат «искривления» пространства, а нужно рассматривать физический процесс искривления траектории фотонов света под воздействием гравитации или в результате других процессов.
Нельзя говорить о замкнутости пространства, ссылаясь на оптический и гравитационный парадоксы, а нужно искать неучтенные физические факторы в тех рассуждениях, которые привели к появлению парадоксов и которые носят абстрактно-математический идеализированный характер. Эти явления пока что рассмотрены на самом примитивном уровне, хотя природа любого явления существенно сложнее.
Нельзя говорить о дискретности пространства и времени на уровне микромира, так как дискретность любой величины можно определить только относительно другой аналоговой величины, и для общей инвариантной величины, являющейся исходной для всех остальных, такое понятие, как дискретность, не может существовать принципиально.
Пространство и время выступают наряду с материей как объективные категории, не зависящие от каких-либо условий и явлений, в них происходящих, они отражают всю совокупность движения материи во всей Вселенной на всех иерархических уровнях организации материи и не зависят ни от каких частностей. Всюду, в любых формульных зависимостях эти величины могут выступать только как аргументы и никогда не могут являться функциями чего бы то ни было. Следовательно, использование принципов диалектического материализма на всех уровнях физического познания неизбежно приводит к евклидову пространству и однонаправленному непрерываемому времени.
Во всех случаях кажущихся «нелинейностей» пространства и времени нужно искать неучтенные глубинные процессы, в том числе и на уровнях организации материи, более глубоких, чем организация материи в «элементарных» частицах вещества.
Наличие всеобщих физических инвариантов для всех уровней организации материи и существование непрерывной цепи причинно-следственных отношений между частными явлениями, также охватывающей все уровни организации материи, заставляют полагать, что никаких предпочтительных масштабов пространства и времени в природе не существует, и поэтому на всех уровнях организации материи действуют одни и те же физические законы и никаких «особых» законов для явлений микромира не существует. Отсюда вытекает особое гносеологическое значение аналогий между явлениями макро- и микромира.
Английский физик Дж. Релей (1842–1919), придавая вопросам аналогий и подобия в физических явлениях особое значение, говорил по этому поводу: «Я часто удивляюсь тому незначительному вниманию, которое уделяется великому принципу «подобия» даже со стороны крупных ученых. Нередко случается, что результаты кропотливых исследований преподносятся как вновь открытые «законы», которые, тем не менее, можно получить априорно в течение нескольких минут». В принципе лорд Релей прав, однако каждый раз нужно знать, какой именно аналогией в каком случае можно пользоваться, а какой нельзя.
Очевидность полученных результатов выясняется, как правило, после проведения исследований, а не до них.
Четыре всеобщих инварианта: движение и три его составляющие – материя, пространство и время, обладают семью основными свойствами:
– наличием во всех структурах и явлениях;
– сохранением при любых преобразованиях;
– беспредельной делимостью;
– аддитивностью;
– линейностью;
– неограниченностью;
– отсутствием каких-либо предпочтительных масштабов или предпочтительных отрезков.
Из этих свойств инвариантов с необходимостью вытекают свойства нашего реального мира:
1) неуничтожимость и несоздаваемость материи, пространства, времени и движения;
2). евклидовость пространства;
3) равномерность течения времени;
4) беспредельная делимость материи, пространства, времени и движения;
5) присутствие материи и движения в любом, самом маленьком объеме пространства;
6) непрерывность материальных пространственных структур (включая полевые) и процессов во времени (окончание одних процессов дает начало другим процессам);
7) иерархическая организация материи в пространстве и процессов во времени;
8) одинаковость физических законов на всех уровнях организации материи;
9) одинаковость физических законов во всех точках пространства и на любом отрезке времени;
10) Сведение всех процессов (включая все так называемые фундаментальные взаимодействия) к механике – перемещению масс материи в пространстве;
11) Бесконечность и беспредельность Вселенной в пространстве;
12) Бесконечность и беспредельность Вселенной во времени;
13) Постоянный (в среднем) вид Вселенной во все времена.
Принципиально для формулирования общих физических инвариантов и вытекающих из них выводов материала было достаточно на любом этапе развития естествознания. Но для этапа до начала XIX столетия это было не актуально, в XIX столетии уже была в значительной степени утрачена материалистическая методология, а в XX столетии вся физика обратилась в идеализм. Так или иначе, но этого сделано не было.
Всеобщие физические инварианты создают базу для построения моделей материальных структур и процессов на любом этапе развития естествознания. Это тем более актуально сейчас, во время очередного кризиса, переживаемого естествознанием, и этой возможностью необходимо воспользоваться.
Из изложенного вытекает следующее принципиальное положение. Поскольку в мире нет ничего, кроме движущейся материи, все физические взаимодействия имеют внутренний механизм и могут быть сведены к механике, т.е. к перемещениям масс материи в пространстве и во времени. Известное положение современной теоретической физики о том, что существуют четыре фундаментальных взаимодействия – сильное и слабое ядерные, электромагнитное и гравитационное, не сводимых друг к другу, верно лишь в том смысле, что друг к другу они действительно не сводятся. Но так же, как в свое время ошибался Ж.Фурье, полагавший, что тепло принадлежит к особому виду движения материи, не сводимому к механике (1822), а спустя 50 лет Л.Больцман показал, что тепло – это разновидность кинетического движения молекул, так же ошибается и современная физическая теория, полагающая, что указанные фундаментальные взаимодействия не могут быть сведены к механике. Из рассмотренных выше всеобщих физических инвариантов непосредственно вытекает их сводимость к механике, но на уровне более глубоком, чем сами эти фундаментальные взаимодействия.
2.2. Модельные (качественные) представления структур и процессов
Выявление внутреннего механизма любых явлений возможно лишь в том случае, если за связями и взаимодействиями материальных образований, участвующих в них, признается принцип причинности. Поскольку физические явления есть следствие внутренних процессов, зачастую неощутимых на достигнутом уровне развития физики, то признание факта причинности имеет принципиальное значение, ибо заранее на всех этапах познания утверждает наличие внутреннего механизма явлений и принципиальную возможность его раскрытия.
Целесообразно в связи с этим вспомнить следующее утверждение Энгельса: «…но где на поверхности происходит игра случая, там сама эта случайность оказывается подчиненной внутренним скрытым законам. Все дело в том, чтобы открыть эти законы» [8 с. 174–175; 9, с. 361].
В настоящее время, однако, гораздо более широко распространена противоположная точка зрения, полагающая устройство мира индетерминированным и, тем самым, накладывающая принципиальные ограничения на возможность его изучения и познания.
Отказ от представлений о существовании в природе эфира – мировой среды, являющейся строительным материалом вещества, привел физику к отказу и от внутриатомной среды. Квантовая механика, появившаяся в 20-е годы сразу же после становления теории относительности, стала оперировать математическими абстракциями, опираясь, правда, на планетарную модель Резерфорда, выдвинутую в 1911 г., достаточно наглядную, но обладающую многими недостатками. Эти недостатки привели к многочисленным парадоксам, которые стали лечиться не путем усовершенствования явно неудовлетворительной модели, а путем ввода постулатов и «принципов» – вольных утверждений типа аксиом, обоснование которых заключалось в том, что некоторые следствия из них находили подтверждение. Однако беспредельное распространение постулатов и принципов приводило к новым парадоксам, которые лечились тем же способом. Сам же механизм явлений не рассматривался. Подтверждалось положение, высказанное еще в начале ХХ столетия в адрес физики В.И.Лениным: «Материя исчезла, остались одни уравнения» [10, с. 326], т.е. из физики были выброшены именно физические представления об устройстве мира. Но тем самым была проложена дорога к тупику.
Известный принцип неопределенности Гейзенберга («принцип индетерминированности», по выражению Бома) привел физиков к выводу, что в исследованиях, проведенных на квантовомеханическом уровне, вернее, на уровне деления материи на «элементарные» частицы вещества, принципиально не могут быть найдены точные причинные законы детального поведения таких индивидуальных систем и что, таким образом, необходимо отказаться в атомной области от причинности как таковой. Этим фактически был поставлен барьер в возможности познания материи и закономерностей реального мира.
Поэтому некоторые ведущие физики не согласны с принципом индетерминизма, они рассматривают случайность как следствие не учета объективно существующих факторов. Так, Бом в работе [11] указывает, что в экспериментах всегда присутствуют несущественные неучтенные факторы, искажающие результаты, что и проявляется как случайность. Однако следует отметить, что Бом указал лишь на одну, субъективную, сторону проявления случайности. Не менее важной является вторая, объективная, сторона, связанная с тем, что для проявления эффекта на уровне макропроцесса необходимо достаточное накопление изменений на уровне микропроцесса. Данное обстоятельство связано со всякого рода квантовыми и дискретными процессами, со всякого рода нелинейностями, зонами нечувствительности и обратными связями внутренних регуляторов явлений и т.п. В качестве примера можно привести обычное сухое трение: предмет, лежащий на какой-либо твердой поверхности, не сдвинется с места, пока приложенная к нему сила не достигнет определенной величины, после чего он сдвинется рывком, поскольку величина трения упадет, как только предмет сдвинется с места. Но аналогичные процессы могут иметь место и в микромире. Хорошим примером является также образование вихрей в потоке жидкости при некотором соотношении между скоростью, размерами тела и вязкостью среды, называемом числом Рейнольдса: при малых значениях числа вихри не образуются, но если скорость растет и число Рейнольдса увеличивается, то с определенного момента начинают появляться турбулентности, а затем устойчивые вихри.
Следует также отметить и то, что протекание всех процессов на уровне микромира объективно не зависит от факта наблюдаемости, хотя многими физиками утверждается некий солипсизм: явление существует постольку, поскольку мы его наблюдаем, и поэтому искажение результатов измерительными приборами принципиально и не позволяет сделать однозначные выводы о характере явлений. На самом же деле измерительная техника в силу своего несовершенства способна, конечно, исказить результаты эксперимента, если не приняты соответствующие меры, но необходимо выбирать или создавать такие измерительные средства, которые вносили бы искажения в допустимых пределах, или применять компенсационные методы, при которых измеряемая величина не искажается.
Из изложенной позиции вытекает принципиальная возможность изучения внутренних механизмов явлений на любом уровне организации материи.
Признание факта причинности позволяет раскрыть механизм явления и ставит вопрос об элементарных взаимодействиях внутри явления. Эти элементарные взаимодействия могут происходить между взаимодействующими элементами только через непосредственное соприкосновение в общей точке пространства, будь то прямое соударение частиц или взаимодействие частиц с полем. Принцип «действия на расстоянии» («actio in distance»), подразумевающий взаимодействие двух элементов через пустое пространство, принципиально не может раскрыть механизм явлений именно потому, что имеет в виду существование пустого пространства между взаимодействующими элементами. Этот принцип был осужден физиками еще в XIX столетии, и нет никакой нужды возвращаться к нему, хотя такие попытки не прекращаются до сих пор.
Каждое элементарное взаимодействие является следствием другого элементарного взаимодействия и, в свою очередь, выступает причиной последующего взаимодействия других элементов. Таким образом, имеется непрерывная цепь причин и следствий.
Признание непрерывности причинно-следственных цепей событий подразумевает, вообще говоря, единый внутренний механизм у всех элементарных явлений и взаимодействий, во всяком случае, не исключает такого механизма. Интересно отметить, что история показывает, как, несмотря на возрастающее число разнообразных явлений и, казалось бы, возрастающую возможность размножения вариантов механизмов явлений, на самом деле в процессе развития естествознания шел процесс сокращения числа этих вариантов.
В 1822 г. Фурье пришел к выводу [12], что «… какими бы всеобъемлющими ни были механические теории, они никак не применимы к тепловым эффектам. Тепло принадлежит к особому разряду явлений, которые не могут быть объяснены законами движения и равновесия». А уже в 1868 г., т.е. 46 лет спустя после высказывания Фурье, Больцман показал [13], что тепловое движение есть разновидность механического движения.
Этот процесс сокращения числа разновидностей взаимодействий продолжается. В настоящее время оно сведено к четырем: ядерному сильному, ядерному слабому, электромагнитному и гравитационному. Однако признание замкнутости причинно-следственных цепей всех событий приводит к выводу, что в основе этих четырех взаимодействий должен существовать единый процесс. Из того факта, что в мире нет ничего, кроме движущейся материи, с необходимостью вытекает, что этим единым процессом должны быть перемещения материальных масс в пространстве, и, следовательно, все так называемые «фундаментальные» взаимодействия должны быть сведены к механическому перемещению материальных масс в пространстве.
Принципиальная возможность вскрытия внутреннего механизма явлений может быть реализована различными путями. Один из них – метод предложения случайных гипотез, следствия из которых проверяются и сопоставляются с реальными событиями. Эти гипотезы могут носить абстрактно-математический характер, а могут иметь и характер качественный. Положительным примером является уравнение Шредингера, составленное достаточно абстрактно, но давшее спектр решений, пригодных для рассмотрения явлений микромира, вполне удовлетворительно совпадающих с практическими наблюдениями. Другим примером может служить все та же теория относительности, позволившая не только описать некоторые известные явления, но и предсказать некоторые новые.
Однако, несмотря на внешнюю привлекательность данного метода, он во многих случаях уводит от реальности, поскольку не вскрывает внутренней сущности явлений.
Действительно, произвольная гипотеза, положенная в основу изучения явлений, даст столь же произвольную систему следствий, которые столь же случайно могут совпасть с некоторыми известными явлениями, создав впечатление правдоподобности. Однако нет никакой уверенности в том, что эти следствия совпадут с другими фактами действительности, еще не открытыми. Открытие же новых фактов будет затруднено в той мере, в какой завоевавшая признание гипотеза окажется несостоятельной для их предсказания.
Поскольку каждое частное явление может быть объяснено не одним, а многими способами, то и группа частных явлений может быть удовлетворительно уложена в любое количество обобщающих их гипотез и теорий. Следовательно, путь сравнения следствий, вытекающих из гипотез, совершенно недостаточен.
Рассмотрение существенных сторон механизмов явлений может проистекать только из представлений об их общности, что требует одновременного рассмотрения всех известных явлений и выделения их общих черт. Однако и при этом возможно получение любого количества теорий. В том числе и взаимно исключающих друг друга. Хорошим примером здесь служит Специальная теория относительности Эйнштейна, категорически отрицающая наличие в природе эфира, но использующая в качестве математической основы преобразования Лоренца, который вывел их, исходя из своей теории неподвижного эфира. Следовательно, для построения обобщающей теории должны быть кроме явлений учтены и положения диалектического материализма, к которым надо относиться как к экспериментально проверенным фактам, отражающим наиболее общие стороны реального мира. В теории, кроме того, должны быть намечены ее границы и возможности последующего уточнения. Противоречие теории реальному факту должно использоваться для уточнения теории, если нужно, ее изменения, а не отбрасывания факта, как поступила Специальная теория относительности с экспериментами по эфирному ветру. Наконец, теория должна исходить из качественных представлений, подкрепленных количественно-функциональными описаниями, при этом качественные представления должны позволять найти границы и допустимые упрощения функционально-количественных описаний при решении конкретных задач.
Следует помнить, что каждый предмет и каждое явление имеют бесчисленное множество сторон и качеств и поэтому полностью могут быть описаны лишь бесконечным числом уравнений с бесконечным числом членов.
Таким образом, любое реальное математическое описание предмета или явления носит частичный, приближенный характер, охватывающий лишь некоторые стороны предмета или исследованного явления, при этом даже не всегда существенные для поставленной цели исследования. Отсюда следует, что представления о любом предмете или явлении, т.е. их модели, могут и должны непрерывно уточняться, соответственно могут и должны уточняться и математические зависимости, описывающие эти модели. Число таких приближений и уточнений бесконечно.
Предлагаемый ниже метод, исходящий из объективной материальности явлений, из их причинности на всех уровнях организации материи, из представлений о единстве всех явлений природы и о необходимости последовательного приближения моделей и описаний к реальной действительности, не представляет собой чего-то особо нового: это обычный метод материалистической теории познания. Именно этот метод может позволить построить обобщающую теорию вещества, взаимодействий и физических явлений.
2.3. Пути вскрытия внутренних механизмов явлений
При определении путей вскрытия внутренних механизмов явлений возникает некоторая принципиальная трудность, связанная с тем, что число свойств у каждого явления и у каждого его элемента в принципе бесконечно велико. Поэтому особенно важным становится выделение из всей совокупности свойств таких, которые являются существенными для поставленной задачи. При этом необходимо определить отношение к отбрасываемым свойствам, поскольку их не учет ведет к гносеологическому упрощению форм материи и явлений.
Вопросы методологии упрощения предметов исследований неоднократно рассматривались в литературе. Критерий «простоты» часто использовался исследователями как один из основных аргументов в выборе той или иной теории. Поэтому на данном аспекте целесообразно остановиться детальнее.
В некоторых работах, например в [14], предлагается в качестве критерия истинности при выборе той или иной теоретической системы использовать «индуктивную простоту», т.е. предпочитать ту систему представлений, «…посылки которой остаются инвариантными относительно более широкой группы преобразований». Следует, однако, возразить, что, поскольку сами группы преобразований отражают уровень достигнутых знаний и обязательно в этом смысле односторонни, подобный подход носит субъективный характер.
Предпочтение более простого пути может заставить исследователя в конечном итоге отойти от первоначальной цели – поисков истины. Например, существенно проще отыскания внутренних механизмов явлений абстрагироваться от них, придать математическому описанию самостоятельное значение, что приведет, в конце концов, к тому, что за истинные первичные представления начнут приниматься те, которые наиболее удобны в математическом отношении. К сожалению, именно так и происходит достаточно часто. Примером тому является вся квантовая механика, которая полностью игнорировала наличие внутриатомного механизма, заменив его вероятностными понятиями.
Так называемый «принцип простоты» зачастую оказывается игнорирующим реальную физическую картину мира.
К каким далеким последствиям может привести подобный подход, видно на примере высказывания Э.Маха. Отвергая понятие количества материи, Мах признает «понятие массы как математической величины удовлетворяющим некоторым уравнениям теоретической физики, что весьма удобно для науки» [15], т.е. масса здесь выступает не как объективная реальность, а как некий «удобный» для исследователя коэффициент в уравнениях.
Эйнштейн пишет [16]:
«…Понятия и отношения, в особенности существование реальных объектов и, вообще говоря, существование «реального мира», оправданы только в той мере, в какой они связаны с чувственными восприятиями, между которыми они образуют мысленную связь… Одна из больших заслуг Канта состоит в том, что он показал бессмысленность утверждения о реальности внешнего мира без этой познаваемости. …Целью науки является, с одной стороны, возможно более полное познание связи между чувственными восприятиями в их совокупности и, с другой стороны, достижение этой цели путем применения минимума первичных понятий и соотношений (добиваясь, насколько это возможно, логического единства в картине мира, т.е. стремясь к минимуму логических элементов)».
Нужно отметить, что для Эйнштейна критерий простоты был прямым руководством к действию. Как уже упоминалось выше, в работе [5, с. 138-164] Эйнштейн отметил, что для разрешения противоречий выводов результатов экспериментов Физо и Майкельсона он видит две возможности: 1) эфир полностью неподвижен; 2) эфир увлекается движущейся материей, но он движется со скоростью, отличной от скорости движения материи. Далее он пишет: «…Развитие второй гипотезы требует введения каких-либо предположений относительно связи между эфиром и движущейся материей. Первая же возможность очень проста (курсив мой, – В.А.) и для ее развития на основе теории Максвелла не требуется никакой дополнительной гипотезы, могущей осложнить основы теории». Это положение привело Эйнштейна к отказу от эфира.
Сейчас можно только гадать, к каким бы выводам пришел Эйнштейн, если бы он не соблазнился «простотой» первого положения, а исследовал бы второе, «более сложное». Во всяком случае, ясно, что ни о каком отказе от эфира здесь принципиально не могло идти речи, но и Специальная теория относительности не появилась бы на свет. Следование же первому положению заставило Эйнштейна потратить много времени на бесплодные попытки построить на этом пути единую теорию поля.
Из приведенных примеров видно, что произвол в применении «принципа простоты» может иметь далеко идущие последствия. С другой стороны, рассмотрение материи и явлений во всей совокупности их свойств невозможно, так как число свойств любого материального объекта бесконечно велико. Отсюда становится очевидной методологическая важность поднимаемой проблемы.
Для того чтобы определить, каким образом можно выделить существенные стороны предметов и явлений, целесообразно рассмотреть этот вопрос в историческом аспекте [17].
В философской литературе считается, что требования анализа сущности природных явлений впервые выдвинуты Фалесом Милетским. Если до него природа рассматривалась как нечто единое, то Фалес усмотрел в этом единстве наличие многих различий, имеющих общую первооснову, и таким образом указал на сложность природы и принципиальное направление анализа природных явлений на пути изыскания некоей общей первоосновы. Такой первоосновой он считал «влажную природу», по-современному – гидромеханику.
Позже Эмпедокл (490–430 гг. до н. э.) предложил в качестве такой первоосновы четыре «стихии» – землю, воду, воздух и огонь, указав, что любой предмет и любое явление состоят из комбинации этих четырех стихий.
Мысль Эмпедокла существенно глубже, чем это обычно представляется историкам. В самом деле, если понимать используемые Эмпедоклом понятия стихий несколько шире, например «земля» – твердь (твердое состояние), «вода» – жидкость, «воздух» – газ, а «огонь» – энергия, то мы фактически сталкиваемся с упоминанием трех основных состояний материи – твердым, жидким и газообразным и присущей ей энергией. Нужно отметить одновременно, что не придание каждому из этих состояний каких-либо дополнительных свойств означает, что введенные Эмпедоклом «стихии» подразумевались элементарными в своей основе, наделенными единственным качеством.
Развитие в средние века алхимии поставило вопрос о другой системе элементов, из которых состоят все тела. Были выделены «вещества», в частности металлы, сера и некоторые другие, каждое из которых было наделено ограниченной группой качеств. Идея генезиса веществ, высказанная Р.Бэконом (1214–1292), является фактически попыткой синтеза сложного из простого. Таким образом, и на этом этапе развития представлений о структуре материи сложные вещества подразумеваются состоящими из простых, обладающих минимум качеств.
Развитие химии привело к представлению о наименьшей частице вещества, обладающей всеми химическими свойствами данного вещества. Хотя официальный термин «молекула» был узаконен Международным конгрессом в Карлсруэ только в 1860 г., этот термин и фактическое его значение были известны Лавуазье (1743–1794) задолго до этого. Правда, Лавуазье сделал следующее признание: «…Если названием элемента мы хотим обозначить простые тела и неделимые молекулы, из которых состоят тела, то весьма вероятно, что мы их не знаем» [18].
Тем не менее, логика и здесь сохраняется: сложный предмет – тело предполагается состоящим из более простых – молекул. Кроме того, вещества, которые не могли быть разложены, Лавуазье назвал простыми, тем самым, подтвердив общность метода.
Дальнейшее проникновение в глубь материи связано с именем Дж.Дальтона (1766–1844). В работе [19] Дальтон отмечает: «…Я избрал слово атом для обозначения этих первичных частиц, предпочитая его словам «частица», «молекула» или каким-либо другим уменьшительным названиям потому, что это слово кажется мне значительно более выразительным: оно включает в себя представление о неделимости, чего нет в других обозначениях». Дальтон предлагает: «…Все атомы одного рода, безразлично простые или сложные, должны обязательно рассматриваться как одинаковые между собой по форме, виду и всем другим особенностям».
И хотя позднейшие исследования показали, что это не так, представление об одинаковости атомов, т.е. метафизическое ограничение свойств, придание простоты элементу-кирпичику, из которого состоят более сложные образования – молекулы, вещества, тела, было совершенно необходимым условием возможности анализа и синтеза материи на данном этапе развития естествознания.
Установленный в начале ХХ столетия факт разнообразия атомов, наличие излучений, исходящих из некоторых из них, превращение атомов одних веществ в атомы других веществ показали, что атомы не являются простейшими и неделимыми образованиями материи. Предложенная Резерфордом в 1911 г. планетарная модель атома позволила сформулировать понятие «элементарных частиц», составляющих атомы. Элементарным частицам были приписаны несколько ограниченных свойств, среди которых одним из главных была их неделимость. Таким образом, на данном этапе развития атомы были признаны сложными образованиями, а все их разнообразие объяснялось простыми комбинациями элементарных частиц. И только проникновение в глубь атомного ядра показало, что сами «элементарные частицы» вовсе не являются элементарными.
Подводя итог изложенному, можно отметить общий методологический подход к анализу структуры материи на всех этапах развития естествознания. Эта методология заключается в следующем.
Накопление фактов о разнообразии свойств, форм и движения материи ставит вопрос о сложности уже изученных форм материи и о наличии общих форм и свойств материи на уровне, более глубоком, чем уже освоенный уровень. Эти формы и свойства: а) просты в смысле малого числа существенных качеств им приписываемых; б) проистекают из форм и особенностей движения материи на предыдущем (старшем) уровне организации материи; в) являются лишь частью всех свойств материи на рассматриваемом (младшем) уровне организации материи, чем на начальном этапе освоения этого уровня организации материи приходится временно пренебречь, по крайней мере, до накопления необходимых данных.
В дальнейшем по мере накопления новых данных материальные образования этого уровня вновь окажутся сложными, и вновь нужно будет вводить представления об еще более глубинном уровне организации материи, «кирпичики» которого вновь временно будут считаться простыми.
Нужно отметить, что найденные на новом уровне организации свойства материи могут быть только существенными, ибо выделяются только такие из них, которые объясняют разнообразие форм и свойств материи на предыдущем уровне организации. Таким образом, в отличие от изложенного выше субъективного представления о «простоте» явления при изучении свойств материи на различных уровнях организации мы имеем дело с диалектическим понятием простоты.
Найденный общий методологический принцип должен быть применен и в настоящее время, поскольку накопилось достаточно данных о сложности «элементарных» частиц вещества, об их разнообразии, а также об их взаимных превращениях, свидетельствующих о наличии у них общего строительного материала.
Из изложенного вытекает необходимость анализа поведения при взаимодействии «элементарных частиц» вещества, выделения на основе этого анализа общих для всех видов взаимодействий характеристик, придания свойств элементарности новым, мелким образованиям материи, являющимся строительным материалом для «элементарных частиц» вещества, выведения из их свойств разнообразных форм их движения, построения на основе этих форм всех видов взаимодействия старших форм, начиная от «элементарных частиц» вещества до Вселенной в целом, а также предсказание новых явлений и эффектов в различных областях естествознания, подлежащих экспериментальной проверке.
Изложенный методологический принцип успешно использовался различными исследователями применительно к частным задачам кинетической теории материи, например, Больцманом [13], а также А.К.Тимирязевым [20].
1. Основной целью естествознания должно быть вскрытие природы явлений, т.е. вскрытие внутреннего механизма явлений, причинно-следственных отношений между материальными образованиями, участвующими в них, и на основе их обобщения нахождение общих закономерностей устройства природы. Существование внутренних механизмов явлений предполагает наличие причинных связей, т.е. детерминизм.
2. Признание факта причинности ставит вопрос о природе элементарных взаимодействий внутри явлений, эти взаимодействия между элементами могут происходить лишь через непосредственное соприкосновение в общей точке пространства, тем самым принципиально отвергается «принцип дальнодействия», предполагающий взаимодействие тел через пустоту, и утверждается принцип близкодействия на любом уровне организации материи.
3. Каждый предмет и каждое явление имеют бесчисленное множество сторон и качеств, поэтому каждое конкретное описание (модель, математическая формула, словесное и графическое описания т.п.) является приближенным. Это означает, что представления о предметах и явлениях должны непрерывно уточняться путем усовершенствования физических моделей и их математического описания. Это значит также, что и усовершенствование фундаментальных зависимостей физики, отражающих лишь часть общих закономерностей природы, должно являться одной из важнейших задач теоретической физики.
4. Любому математическому (логическому, функциональному, количественному) описанию должно предшествовать качественное описание – построение моделей предметов и явлений. Модели должны отражать основные для поставленной цели качественные стороны предметов и явлений, объяснять их с качественной стороны, т.е. сводить их к совокупности частей, каждая из которых может считаться уже понятной в ее основных свойствах, и их взаимодействию. Отсюда вытекает принципиальная важность применения аналогий с известными предметами и явлениями и обоснования правомерности применения тех или иных аналогий в конкретных случаях.
5. При построении общих физических теорий фундаментальное значение имеет определение всеобщих физических инвариантов – категорий, не изменяющих своих свойств при любых преобразованиях и взаимодействиях физических тел. Всеобщие физические инварианты должны не постулироваться, а определяться на основе обобщенного анализа всех известных физических взаимодействий и явлений. Критерием отбора всеобщих физических инвариантов является соответствие факту наличия этих категорий во всех без исключения материальных образованиях и явлениях природы.
6. Категории, не удовлетворяющие принципу всеобщности, не могут являться всеобщими физическими инвариантами. Таким образом, такие категории, как четырехмерный интервал или скорость света, провозглашены теорией относительности Эйнштейна в качестве всеобщих инвариантов неправомерно. Тем более неправомерно распространение электромагнитных понятий (скорости света) на гравитационные явления в Общей теории относительности, претендующей на звание «теории гравитации», поскольку гравитационные явления не имеют отношения к электромагнетизму.
7. Проведенный обобщенный анализ показывает, что наличествующими всюду категориями являются материя, пространство и время, что означает движение материи, поэтому именно эти категории всюду выступают всеобщими физическими инвариантами – первичными понятиями, относительно которых и должны рассматриваться все остальные физические закономерности.
Как всеобщие физические инварианты, материя, пространство и время, и их совокупность – движение обладают свойствами наличия во всех структурах и явлениях, первичностью, сохранением при любых преобразованиях, беспредельной делимостью, аддитивностью, линейностью, неограниченностью.
Это означает, в частности, евклидовость реального физического пространства, равномерность и однонаправленность времени, вечность и неуничтожимость материи, пространства, времени и движения, сохранение в среднем Вселенной в одном и том же виде и отсутствие у нее какого-либо «начала» или «конца». Вселенная в целом стационарна и динамична, в ней существует непрерывная череда процессов, которые все без исключения связаны с перемещениями материи в пространстве и тем самым являются механическими процессами.
8. Из свойств всеобщих физических инвариантов для макро- и микромира вытекает, что каких-либо предпочтительных масштабов для движения, материи, пространства и времени не существует и, следовательно, на всех уровнях организации материи в макро- и микромире действуют одни и те же физические законы и никаких «особых» физических законов в микромире не существует. Это позволяет при анализе явлений и разработке моделей структур материальных объектов широко использовать аналогии макромира.
9. Основным направлением развития естествознания всегда было развитие в глубь иерархической организации материи. Очередной этап развития знаменовался введением представлений о новых материальных образованиях, более мелких по массе и по размерам. Этим материальным образованиям временно приписывались простейшие в отношении формы и взаимодействия формы.
10. Структурная организация материи простирается бесконечно вглубь и вверх по иерархическим уровням. Общее количество уровней бесконечно, общее количество материи, пространства, времени и движения во Вселенной бесконечно. Однако каждый конкретный процесс охватывает ограниченное количество материи, пространства, времени и движения. Последнее, в частности, означает предельность распространения в пространстве и во времени любых полей и взаимодействий.
11. Все положения методологии эфиродинамики полностью соответствуют положениям диалектического материализма.
PAGE 72 Глава 2.