№1 [129]
00`00``01.01.2014 [Σ=1]
ЖУРНАЛ, ПОСВЯЩЕННЫЙ ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ НАУКЕ - «ОРГАНИЗМИКА»
Organizmica.org/.com/.net/.ru
НОВАЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ НАУКА ОРГАНИЗМИКА

Организмика

Академия фундаментальных наук

Единая теория поля

Theory of everything

А.А. Тюняев, академик РАЕН

Подписка на журнал «Organizmica» в каталогах:
«Роспечать» - 82846; «Пресса России» - 39245

Начало публикации: 01.01.2014 г.

Тюняев А.А. Единая теория поля // Theory of everything. АФН. 2014.

Публикации:

Содержание:

Часть I

Введение

Наша Единая теория поля отличается от всех других попыток тем, что мы не воспользовались ни одним известным параметром: построение произведено с нуля.

Если исследователь рассуждает о скорости того или иного физического взаимодействия, то это свидетельствует о его низком уровне знания физики.

Глава 1. Постановочная часть

На сегодняшний день определений Единой теории поля несколько:

Вкратце проследим эволюцию Единой теории поля. В конце 19-го века была создана теория электродинамики, объединившая на основе уравнений Максвелла в единой теоретической схеме явления электричества, магнетизма и оптики. Последующее создание общей теории относительности привело к необходимости объединения теорий электромагнетизма и гравитации. Первые попытки создания единых теорий поля были сделаны Давидом Гильбертом и Германом Вейлем. Альберт Эйнштейн посвятил попыткам создания единой теории поля большую часть своей жизни. Гильберт, Вейль и Эйнштейн полагали, что достаточно объединить общую теорию относительности и электромагнетизм.

В 1967 году Стивен Вайнберг, Шелдон Глэшоу и Абдус Салама в теории электрослабого взаимодействия объединили электромагнитное и слабое взаимодействия. В 1973 году была предложена теория сильного взаимодействия. Следом появилось несколько вариантов единой теории поля, в рамках которых удалось объединить все типы взаимодействий, кроме гравитационного. Наиболее известная из них теория Пати – Салама (1974).

Сегодня основными кандидатами в качестве единой теории поля являются: теория струн, петлевая теория и теория Калуцы – Клейна. В конце 2007 года Гаррет Лиси предложил «Исключительно простую теорию всего», основанную на свойствах алгебр Ли. Но ни один из вариантов единой теории поля пока не нашёл подтверждения, а некоторые опровергнуты экспериментально.

О статусе единой теории поля идут постоянные споры. Главный из них – следует ли считать единую теорию поля фундаментальным законом Вселенной? На этот счёт образовались две полярные позиции:

  1. Первая: единая теория поля – это фундаментальный закон Вселенной, все остальные теории являются следствиями или предельными случаями.
  2. Учёные, стоящие на второй позиции, считают единую теорию поля точной, но бесполезной. В своей критике они опираются на законы, определяющие поведение сложных систем, а также на сомнительное «главенство» принципа бритвы Оккама 2.

В контексте создания Единой теории поля современная физика требует:

1.1. Постановка задачи

Создание Единой теории поля – специфическая задача. Она выходит за рамки физики, математики, философии и других современных наук. Решение отдельных узлов Единой теории поля имеет ту или иную специфику, которая требует и специфического аппарата. По мере работы над данной монографией выяснилось: аппарат Единой теории поля представляет собой конструкторское воплощение мысли, а не сухую аналитику – ибо в результате должен быть создан ПРОДУКТ, достоверно описывающий окружающий мир, рождение новых структур, а не пассивную фиксацию уже состоявшегося.

Исходя из сказанного, постановка задачи выглядит так.

Дано:

  1. Математика – как зашифрованное абстрактное отражение окружающего мира.

Найти:

  1. Физику – физические величины, физические взаимодействия и физические законы – как дешифрованное состояние окружающего мира.

При столь необычной постановке задачи следует сделать несколько пояснений. Во-первых, казалось бы, можно было или даже следовало бы в «дано» включить известные физические законы – ведь «установлено», что именно на них базируется реальный мир. Во-вторых, в «дано», вроде бы, следовало включить и известные на сегодня взаимодействия – ведь именно их должна объединить искомая теория. В-третьих, можно было бы посчитать, что в фундамент Единой теории поля следовало бы положить фундаментальные физические константы – ведь именно в них, по современным представлениям, заключена вся физическая «соль». И, наконец, в-четвёртых, возможно, у кого-то есть мнение, что костяк Единой теории поля должны слагать устоявшиеся и хорошо зарекомендовавшие себя физические теории – ведь именно они должны явиться проверочными частными случаями. И уже на этих четырёх «слонах» исследователь должен возводить Единую теорию поля.

Естественно, мы не собираемся открещиваться от того, что в физике известно, и от того, чего физика достигла. Однако мы помним о тех трёх слонах, на которых, якобы, покоилась Земля и на которых некоторые уже пытались возводить здание «новой» теории. Многие физические законы не выдерживают проверки и со временем уточняются. С открытием нового явления или нового взгляда на суть происходящих явлений физическая картина мира уточняется, а иногда и меняется полностью. Так, например, случилось в результате введения в физику релятивизма. Для исключения аккумулирования накопленных ошибок во вновь создаваемой Единой теории поля мы и избрали выше представленный одношаговый алгоритм.

Часть II. Пространства

Глава 2. Пространства

Построение Единой теории поля – перенормируемая задача. Это значит, что по мере приближения к её решению, необходимо несколько раз менять условие этой задачи, вводя в него полученные результаты как уточняющие. В нашем случае так и случилось: пришлось пересматривать «почти готовую» теорию сначала девять раз, потом ещё восемь, а потом ещё несколько десятков раз. И каждый раз приходилось вносить даже не существенные, а глобальные изменения. Причём они касались самого начала Единой теории поля.

Для того чтобы упростить читателю ориентировку в дальнейшем изложении, кратко опишем основные этапы перенормировки – это поможет читателю осознать глубину проведённых исследований. Настоящая Единая теория поля представлена уже в готовом виде – ка результат множественной перенормировки.

Всякий раз, когда учёный приступает к созданию Единой теории поля, он оценивает степень своего владения математическим аппаратом и широту собственного научного кругозора. Как только учёный понимает, что он готов к решению такой задачи, он, собственно, и приступает к её решению. Это ПЕРВЫЙ ШАГ. Он заключается в том, что учёный берёт твёрдо установленные в физике зависимости – законы (Ньютона, Кулона и т.п.) – и на их основе путём разнообразных математических манипуляций пытается построить НОВОЕ «здание» Единой теории поля. Итог такого подхода известен – единая теория поля не создана. На этом пути задействовано огромное множество достойных имён, но причину неудачи понимают немногие.

Те, кто понимает эту причину, делают ВТОРОЙ ШАГ. Они подвергают сомнению фундаментальные законы и пытаются изучить такие варианты этих законов, которые допускали бы некоторые изменения в их работе. Но вместо физических законов в этом случае необходимо найти новые точки опоры для создаваемой теории. Этими точками оказался подход к реальному миру как к совокупности некоторых физических пространств. К таким учёным, в частности относится команда исследователей, которая разработала теорию относительности. В этой теории пространство-время представлено единым континуумом, который может подвергаться внутреннему воздействию со стороны сопрягаемого компонента (скорость течения времени зависит от скорости движения аппарата) и внешнему воздействию со стороны гравитирующих масс и иных полей.

В другом варианте такого подхода реализована квантовая теория. В ней понятие непрерывности заменено понятием квантованности, и все явления в результате этого предстают набором дискретных состояний. Несмотря на определённые удачи теории относительности и квантовой теории, они всё-таки не привели к созданию единой теории поля. Этот путь отмечен именами выдающихся физиков. Причина неудачи так и осталась не познанной. В частности, А. Эйнштейн после теории относительности всю оставшуюся жизнь посвятил созданию единой теории поля, но так и не продвинулся больше ни на шаг.

В нашем случае произошло следующее. Мы приступили к теоретическим исследованиям такого плана, разрабатывая Периодическую систему элементарных частиц3. В ней множество элементарных частиц мы представили, как совокупность трёх физических пространств – m (масса электрона), J (спин), e (заряд электрона). В этом трёхмерном пространстве мы и построили Периодическую систему. Решение этой, частной по отношению к единой теории поля, задачи позволило нам сделать ТРЕТИЙ ШАГ в сторону её создания.

Он заключается в том, что под сомнение поставлен «общепринятый» или «устоявшийся» набор физических пространств, на которых выстраивается теория. Например, теория относительности построена на пространствах x, y, z (три оси метрического пространства), t (время), c (скорость света). Релятивисты допустили, что пространство и время могут меняться, а скорость света постоянна, но сам набор этих пространств в их теории неизменен. Квантовая теория сформировалась на других физических величинах – m (масса), e (заряд электрона), h (постоянная Планка), G (гравитационная постоянная). Остались задействованными и время t, и пространство xyz.

Несмотря на ощутимые успехи в отдельных теоретических сегментах, споры об «основных» физических пространствах продолжают идти, причём, пока без достижения консенсуса. Нами в этом разрезе на пространстве mJe создана теория физического вакуума4, в основе которой лежит сложно организованное физическое пространство mJe. Однако и на этом шаге единую теорию поля создать оказалось невозможно. Имена учёных, которые продолжают поиски «правильных» физических пространств, известны в мировом масштабе. В основном, это современные физики, хотя до сих пор пользуются и разработками Планка (планковская длина, планковское время, планковский заряд и т.д.).

Для совершения ЧЕТВЁРТОГО ШАГА нам пришлось поставить под сомнение сам подход – выявление «правильных» физических пространств, необходимых и достаточных для описания объективной реальности. При решении этого сомнения оказалось, что познание объективной реальности не зависит от выбранных физических пространств. Напротив, механизм изучения реальности сводится к тому, что в эту ещё не изученную реальность вводится некий набор зарядов, дающих в сумме ноль, и эти заряды, контактируя с реальностью, выстраиваются так, что дают все известные физические пространства.

Причём, эти пространства можно выбрать любыми. От выбора будет зависеть только форма представления объективной реальности через выбранные физические пространства. Объединяя возможности всех четырёх шагов, уже можно получить теорию, превосходящую по своим возможностям и теорию относительности, и квантовую теорию, и другие современные теории. Можно даже получить упрощённый вариант единой теории поля, который будет весьма точно соответствовать окружающей действительности. В своём исследовании именно на этом шаге мы хотели остановиться, считая, что Единая теория поля создана.

Однако последовал ПЯТЫЙ ШАГ. Он заключается в том, что мы поставили под сомнение реальность части окружающей нас объективной реальности. Из этого получилось, что только часть физических пространств являются действительными, а другая часть физических пространств является мнимыми. Всё пространство является комплексным. К действительным пространствам на этом этапе мы отнесли только пространство r (расстояние), а к мнимым пространствам оказались отнесены пространство массы m, пространство времени t и пространство электрического заряда q.

То есть сформировалось комплексное пространство (r,tmq), для которого применима математика кватернионов. Из кватернионного анализа автоматически получились результаты, демонстрирующие поведение физических тел, соответствующее «законам» физики, и другие «традиционные» результаты. Такой вариант теории тоже можно считать законченным вариантом Единой теории поля. Он позволяет рассчитывать все взаимодействия.

Однако оказался сделанным и ШЕСТОЙ ШАГ. Мы поставили под сомнение геометрию применяемых физических пространств. Ведь, исходя из кватернионного счисления, только действительная часть кватерниона r может быть отображена в реальности, а мнимая часть является вектором, который в реальности провести (начертить) нельзя. Как, допустим, время t – мы не можем этот вектор начертить на листе бумаги, нам нужно специальное пространство и специальный механизм (циферблат и часы) и то – только для отображения пространства времени.

Исходя из анализа геометрии используемых физических пространств, стало ясно, что разные пространства имеют разную геометрию, а не прямолинейное воплощение, как постулировалось ранее. В частности, оказалось, что прямолинейного движения не существует в принципе, а всё движение происходит только по круговым или, в отдельных случаях, по эллиптическим траекториям. Только траектории с малой кривизной и только на небольшом участке воспринимаются наблюдателем, как прямолинейное движение. Отсюда стала понятна суть фактора Лоренца, применяемого в теории относительности, а также кажущаяся недостижимость массивным телом скорости света.

Единая теория поля, законченная на шестом шаге, в состоянии описать не только все взаимодействия, но также и геометрию этих взаимодействий, а также геометрию других пространств. Эта версия Единой теории поля позволила бы понять, что движение тела по постоянной орбите является состоянием покоя для этого тела, то есть Луна не притягивается к Земле, а находится в состоянии покоя относительно точки, которая входит в состав Земли. Эта версия Единой теории поля позволила доказать и объяснить принцип Маха (19 в.) – каждое тело имеет множество масс, и все эти массы связаны друг с другом.

СЕДЬМОЙ ШАГ состоялся потому, что мы подвергли анализу механизм пересечения физических пространств. Оказалось, что седьмая версия Единой теории поля может быть построена на «сумме»5 попарных пересечений физических пространств комплексного пространства (r,tmq). Сформированная таким образом система из шестнадцати уравнений в частных производных второго порядка в состоянии описать практически любые процессы и явления. Она также автоматически приводит к уже известным фундаментальным волновым уравнениям.

Седьмая версия Единой теории поля привела также к таким решениям, как уравнения Максвелла, теорема Гельмгольца и аналогичные. Весь комплекс таких решений позволил взглянуть на объективную реальность, как на совокупность вихревых и потенциальных образований, а также отказаться от «традиционных» представлений о силе и энергии в пользу используемых в наши дни скалярного и векторного потенциалов6.

ВОСЬМОЙ ШАГ заключается в том, что мы подвергли анализу математический аппарат. Оказалось, что в его распоряжении есть всего две возможности: 1) представление числа и 2) набор операторов. Представление числа развивается в направлении скаляр-вектор-тензор…, или действительное-комплексное-гиперкомплексное… число и приводит к увеличению возможностей описания в пределах одного физического пространства. Операторы позволяют производить математические операции над числами, представленными определённым образом.

Система математических возможностей оказалась весьма скудной – все известные операторы в итоге сводятся всего лишь к двум математическим действиям. Первое – операции внутри одномерных пространств (сложение, вычитаение и т.д.). Второе – операции между одномерными пространствами (умножение, деление и т.д.). Они посвящены вычислению проекции одной физической величины на другую. Например, скорость v – это проекция пути S на ось, обратную оси времени t и дополнительно повёрнутую на минус 90º. Или электрический ток I – это проекция электрического заряда q на ось времени t, проманипулированную аналогично первому случаю. Даже тригонометрические функции оказались выражениями для вычисления проекций. А также понятие производной и все дифференциальные операторы тоже свелись к вычислению проекции. Обратная величина – интеграл – построена заменой деления умножением, или суммой.

Единая теория поля восьмой версии предписывает, для описания поведения тела необходимо: 1) найти все проекции исследуемого явления на известные, выбранные или неизвестные физические оси, после чего 2) интегрировать разрозненные проекции в один единый образ. Для восьмой версии Единой теории поля практически нет неразрешимых задач, кроме последней финальной задачи – принципа построения элемента материи. Но после восьмого шага «были исчерпаны» все возможности физики и математики.

ДЕВЯТЫЙ ШАГ оказался очередным «последним» шагом: мы подвергли сомнению существо операций деления и умножения. И это оказалась совсем не такая уж элементарная проблема. Её смысл в следующем. Мы привыкли, производя деление одного числа на другое, фактически вычислять проекцию первого числа на второе. При этом автоматически наш разум полагает, что угол между этими числами составляет 90 градусов. Вспомните таблицу умножения: 10 столбцов по 10 строк. Или тензорное счисление: строки и столбцы. Или векторное счисление: строки в столбце и т.д.

Этот автоматический подход выработался изначально, на самой первой стадии возникновения математики и физики – поэтому он практически не осознаваем. Из-за такого автоматического подхода выражение для умножения или деления в общем виде записываются неправильно. Нельзя просто разделить число А на число В, необходимо указать между ними угол. Это отчётливо видно из операции с векторами: векторное произведение векторов имеет дополнительный множитель – синус угла между векторами, а скалярное произведение тех же векторов имеет дополнительный множитель – косинус угла между векторами.

Отсюда становится ясно, что для целей Единой теории поля угол между числителем и знаменателем становится математически и физически значимым. Однако в «обычных» условиях угол входит в процедуру деления как 1 (например, в виде тангенса). Но в условиях деформации физических пространств этот угол приобретает самостоятельную роль – он начинает показывать изменение расположения физических осей, претерпевших сжатие или расширение. Это обеспечивает возможности расчётов физических явлений и взаимодействий в деформированных областях любого физического пространства (например, в чёрной дыре).

В одном из промежуточных вариантов данной работы в этом месте была запись: «После этих ДЕВЯТИ ШАГОВ Единая теория поля сформирована в максимально возможной комплектации (версии). Представляем её вашему вниманию». Однако после написания очередного варианта данной книги, когда уже, казалось, что никаких перенормировок выдумать не возможно, всё-таки возникли мысли, которые должны быть размещены в самом начале монографии.

Эти мысли касаются ещё четырёх основных шагов: ДЕСЯТЫЙ ШАГ – структура и принципиальная схема работы операций «сложение» / «вычитание» и «умножение» / «деление»; ОДИННАДЦАТЫЙ ШАГ – смысл одномерной оси и многомерных пространств; ДВЕНАДЦАТЫЙ ШАГ – число; ТРИНАДЦАТЫЙ ШАГ – понятие единого целого, или единицы и т.д.

2.7.1. Вопросы антропоцентризма

«Грубо говоря, антропный принцип утверждает, что мы видим Вселенную такой, как она есть, отчасти потому, что существуем», – Стивен Хокинг7

Система отсчёта включает в себя главную компоненту – наблюдателя. Современные построения различных теорий исходят из антропоцентрического принципа:

Вот, например, что пишут о месте человека среди других тел и объектов ведущие учёные-физики: «Цитата заимствована из "Фейнмановских лекций по физике" 1965 год: Раз поведение атомов так непохоже на наш обыденный опыт, то к нему очень трудно привыкнуть. И новичку в науке, и опытному физику – всем оно кажется своеобразным и туманным. Даже большие учёные не понимают его настолько, как им хотелось бы, и это совершенно естественно, потому что весь непосредственный опыт человека, вся его интуиция – всё прилагается к крупным телам. Мы знаем, что будет с большим предметом; но именно так мельчайшие тельца не поступают. Поэтому, изучая их, приходится прибегать к различного рода абстракциям, напрягать воображение и не пытаться связывать их с нашим непосредственным опытом»8.

По меньшей мере, это очень странное заявление Фейнмана, ведь нет никаких данных о том, что мы, люди, находимся в центре некой оси, вдоль которой по мере изменения их размеров или других свойств расположены все тела во Вселенной. Поэтому нет никаких оснований считать, что, например, размер «1 метр» является серединой величин протяжённостей всех возможных объектов во Вселенной. И также нет никаких оснований считать, что человек находится на краю какой-либо оси протяжённостей или иных физических размеров.

То, что мы сегодня считаем, будто бы едва нами достижимый электрон является неделимым и самым малым объектом во Вселенной, уже завтра может оказаться полнейшей чушью. И, в частности, после изобретения какого-либо очередного супер микроскопа легко может оказаться, что электрон точно так же делим, как атом, или, более того, сложно устроен – как, например, наша планета.

Все без исключения физические законы, известные сегодня науке, одинаково успешно работают как на малых, так и на больших расстояниях и размерах. Вся математика одинаково хорошо описывает как крупные тела, так и мелкие. Не выявлено никаких зависимостей, свидетельствующих об изменении реальности тела из-за изменения его размеров.

В этой связи нет абсолютно никаких оснований считать, что физические принципы построения однородных тел (например, тел вращения) могут измениться на микро- или макроуровне. И нет никаких оснований даже допускать, что в микромире (относительно человека) тела устроены иначе, чем в макромире. И совершенно нет никаких оснований считать, что микромир является микромиром. «Микро» – это только наша, сугубо человеческая, оценка размера.

На этой основе можно сформулировать важнейший для физики принцип – принцип антиантропоцентризма:

Отсюда следует, что никакое тело не может существовать по каким-то другим, своим, уникальным, законам, если для определения причин такой уникальности используются понятия типа «маленький» или «большой», выведенные из антропологических особенностей человека (или по какой-либо аналогичной системе).

2.7.1.1. О позиции наблюдателя

Ситуация, связанная с ролью наблюдателя, такая же непростая, как и ситуация с принципом антиантропоцентризма. Мы сами не замечаем того, как при описании чередующихся событий автоматически меняем системы отсчёта. Меняем и положение наблюдателя (себя) в них.

Например, мы стоим; к нам приближается автомобиль; приблизившись, проезжает мимо и затем удаляется. Наблюдая за описанным движением автомобиля, мы автоматически решаем задачу слежения и описания положения этого автомобиля в пространстве. Но давайте задумаемся над последовательностью сменяющихся операций в процессе восприятия нами этого движения.

Сначала, когда автомобиль только показывается вдалеке, мы не можем установить факт его движения, поэтому опираемся на другую информацию (например, звук двигателя), показывающую нам, что двигатель какого-то автомобиля работает. Если видимый автомобиль повёрнут к нам носовой частью, и других автомобилей нет, то мы делаем вывод, что именно этот автомобиль движется по направлению к нам. В этом случае наблюдатель позиционирует себя находящимся в некоем центре отсчёта, а автомобиль находится на удалении от этого центра и от этого наблюдателя.

По мере того, как автомобиль поравнялся с наблюдателем и после стал удаляться от наблюдателя, этот же самый наблюдатель продолжает относиться к автомобилю и его пилоту с той же точки зрения: наблюдатель всё ещё находится в некоем центре, а автомобиль перемещается относительно него.

Однако если наблюдатель позвонит пилоту в автомобиль и начнёт с ним обсуждать действия подвески автомобиля или ещё чего аналогичного, то такой наблюдатель отвлекается от прежней ситуации и ассоциирует себя с пилотом, мысленно переносясь в систему отсчёта, связанную с пилотом.

Неосознанная смена систем координат и систем отсчёта происходит у наблюдателя всякий раз, как он меняет состав, условия и пределы новой решаемой задачи. Отсюда и получается такая некорректность, когда в декартовой системе координат площадь круга определяют по формуле S = πr2, принадлежащей полярной системе координат.

По этим же причина в ОТО возникают коллизии в отношении интерпретации представлений различных наблюдателей: один, видите ли, живёт быстрее, другой – медленнее. А скорость биохимических реакций у каждого тоже разная? Или ещё более наглядный пример: сегодня знают все, что есть точка – центр Большого взрыва, и всё остальное вращается вокруг неё. Тогда это всё остальное движется по параллельным эпициклоидам, и говорить о том, что Земля крутится вокруг Солнца, просто нелепо.

При построении Единой теорри поля мы не стали связывать себя с какой-то иной точкой прикрепления наблюдателя, а поместили его в центре искомого тела. С этим центром совместили и центр системы координат.

2.7.1.2. Инерциальная система отсчёта

Считается, что «система отсчёта называется инерциальной, если по отношению к ней любая свободная от взаимодействий с другими объектами Вселенной (изолированная) материальная точка движется равномерно и прямолинейно»9. Это первый закон Ньютона. Он настолько «очевиден», что никто его так и не проверил.

Однако ещё в учебнике 1940 года Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшиц опубликовали совершенно другое. Они представили «эквивалентную формулировку», удобную для использования в теоретической механике:

Но такое определение относится к вращающейся системе отсчёта. Эти условия, как известно, уже заложены в нормировке эвклидова пространства в виде описания процедуры поворота, которому соответствует квадратичный вид уравнений, тригонометрически отношения, природа производной и т.д. и т.п. То есть Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшиц дали определение инерциальности для вращающейся системы, а вовсе не для прямолинейной.

Круговое орбитальное движение ошибочно считается неинерциальным, поскольку оно, якобы, происходит с ускорением. Но именно круговое движение показывает и обнаруживает однородность и изотропность пространства и однородность времени.

Поэтому всё та же теорема Вариньона говорит вот о чём: действующая на тело сила порождает момент силы, под действием которого тело начинает вращаться по круговой орбите. Только вот вектор такой силы перпендикулярен радиус-вектору. И он не может быть, как в случае с вектором мнимой «силы гравитации», параллелен радиус-вектору.

Обозначенными ускорениями в круговом движении называют нормальное и тангенциальное ускорения. И каждое из них существует в каждый конкретный момент времени, а это, якобы, значит, что вращающаяся система не инерциальная. Как известно, во вращательном движении присутствуют три ускорения – тангенциальное, нормальное и угловое.

Когда происходит равномерное движение по орбите (однородное по пространству и времени), и орбита круговая (изотропная), то угловое ускорение в этом случае равно нулю, а два первых ускорения действительно существуют в каждый конкретный момент времени. Тангенциальное и нормальное ускорения возникают при всяком искривлении орбиты, то есть постоянно, и они связаны между собой в замкнутую систему.


Рис. 2.7.1.2.1. Композиция ускорений тела, движущегося по орбите.

На рис. 2.7.1.2.1 показано: несмотря на то, что ускорения в каждой из четвертей не равны нулю, они имеют одинаковые значения модулей, но различаются по направлению вектора. При полном повороте по круговой орбите вектор каждого из ускорений совершает полное вращение. А это значит (принцип суперпозиции), что его равнодействующий вектор равен нулю. То есть если тело совершает полный оборот вокруг некоего центра, то его результирующее ускорение равно нулю.

Отсюда получается, равномерное движение по круговой орбите не является ускоренным движением и отвечает требованиям инерциальной системы отсчёта. Как и показано в определении Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшица. Равномерное прямолинейное движение в свете их определения напротив не является инерциальным: оно однородно и по времени, и по пространству, но не изотропно по пространству – поскольку осуществляется только в выделенном направлении.

Прямолинейное равномерное движение – одномерно, оно не имеет расширения в поворот, а посему никак не может сообщать об изотропности пространства даже в тех точках, которые расположены в непосредственной близости от движущегося тела. Такое движение по его сути следует называть «поляризованным». И для его осуществления требуется дополнительная сила. Именно поэтому все траектории космических аппаратов не прямолинейные, а эллиптические. Усилие идёт на распрямление орбиты.

Таким образом, необходимо уточнить первый закон «Ньютона» следующим образом:

Но этот закон уже нельзя приписывать Ньютону, ибо он утверждал иное. Отклонение параметров орбиты или параметров движения тела без приложения к нему внешней силы свидетельствуют о нарушении условий изотропности и однородности пространства-времени.

2.7.2. Причинно-следственная связь

Рассмотрение операций над физическими пространствами позволяет конкретизировать причинно-следственную связь.

Напомним, самое обычное определение СИЛЫ такое: «сила – в механике, величина, являющаяся мерой механического действия на данное материальное тело со стороны других тел». А дальше идёт разъяснение: «это действие вызывает изменение скоростей точек тела или его деформацию и может иметь место как при непосредственном контакте (давления прижатых друг к другу тел, трение), так и через посредство создаваемых телами полей (поле тяготения, электромагнитное поле)»11.

Таким образом, сила не является причиной. Она является всего лишь мерой. Как метр не является пространством, а служит всего лишь для измерения. Причиной является либо непосредственный контакт, либо поле. Однако «непосредственный» физический контакт в действительности не является непосредственным уже на атомно-молекулярном уровне. Поэтому, с точки зрения Стандартной модели физики элементарных частиц, фундаментальные взаимодействия (гравитационное, слабое, электромагнитное, сильное) осуществляются иным способом – посредством обмена так называемыми калибровочными бозонами12.

Теперь рассмотрим понятие «поле». В физике поле – это физический объект, классически описываемый математическим скалярным, векторным, тензорным, спинорным полем или некоторой совокупностью таких математических полей. Эти математические поля должны подчиняться динамическим уравнениям (уравнениям движения, называемым в этом случае уравнениями поля или полевыми уравнениями – обычно это дифференциальные уравнения в частных производных). Физическое поле представляется некоторой динамической физической величиной скалярного, векторного, тензорного или спинорного характера, и эта величина может быть сведена к представлению числом или некоторым набором чисел.

Указанная динамическая величина называется полевой переменной. В зависимости от математического вида этой величины различают скалярные, векторные, тензорные и спинорные поля. Полевая переменная определена во всех точках пространства (если это фундаментальное поле) и принимает разные значения в разных точках пространства. В квантовой теории поля полевая переменная может рассматриваться формально подобно тому, как в обычной квантовой механике рассматривается пространственная координата. Полевой переменной сопоставляется квантовый оператор соответствующего названия.

Полевая парадигма, представляющая всю физическую реальность на фундаментальном уровне сводящейся к небольшому количеству взаимодействующих (квантованных) полей, является не только одной из важнейших в современной физике, но, пожалуй, безусловно, главенствующей. И, если вернуть определению поля его изначальное написание – «поле = множество», – то приходим к следующему алгоритму взаимодействия:

На макроуровне – контакт тел; он на микроуровне реализуется за счёт полевого взаимодействия, которое, в свою очередь, на элементарном уровне происходит за счёт обмена бозонами. В этом контексте силой следует считать количество бозонов, участвующих в обмене. А это значит, что сила действительно не является причиной взаимодействия. Сила, как и дано в определении, – это всего лишь мера такого взаимодействия, то есть мера подсчёта количества бозонов, участвующих в обмене.

Поэтому приходится возвращаться к концепции бозонов как структурно целых организмов, которые имеют такие качества, учёт которых складывает силу. То есть причиной являются бозоны – а конкретно, некие элементарные тела. Из этого получается, что причиной является мельчайший фрагмент материи, а следствием является сила. Именно так постулируется в теории относительности, когда утверждается, что поле тяготения порождено гравитирующей массой, то есть массивным телом. Поэтому реализуется такой алгоритм:

Вот неожиданно мы и запутались. Но это не от недостатка логики. Просто на сегодня вопрос причинно-следственной связи не решён, и поэтому любой алгоритм, построенный на современных понятиях, неминуемо приведёт к неправильному результату из разряда вопросов о первичности курицы или яйца, или непременной дарвиновской теории эволюции, или ещё к каким выкрутасам.

Рассмотрим алгоритм последовательных приближений. Начнём с примера. Некая планета движется по орбите. Если мы достаточно долго смотрели за её движением, то вопрос о том, какое положение этой планеты на орбите было первым, а какое вторым или третьим, будет выглядеть нелепо. И если мы примем концепцию, что планета раскручивалась постепенно, то поймём, что действительно не было никакого первого положения на орбите, а планета постепенно вышла на орбиту из центра.

Смысл сказанного вот в чём. Необходимо понимать, что поле действительно собирает частицы в тела, но для того, чтобы существовало это поле, необходимо, чтобы сначала были частицы. Если рассматривать это противоречие с конечной точки, то оно не разрешимо. Но если рассмотреть его с нулевой точки, то ситуация с восприятием заметно упрощается:

Или: любая, отличная от нуля, флуктуация уже своим появлением является частью поля таких флуктуаций (сначала это поле состоит из одной такой флуктуации) и она сразу же начинает оказывать воздействие на другие участки нулевого поля. Одна ненулевая флуктуация по отношению к остальному нулевому полю обеспечивает градиент параметра, который, в свою очередь, приводит к возникновению местного течения. А перемещение пусть даже единичной флуктуации из первоначальной области её возникновения в другую область является обменом – одна область с другой областью обменивается этой самой флуктуацией. То есть приходим и к идее обмена бозонами, и к идее движения тела в пространстве.

Отсюда становится понятно, что причина формируется отличием поля от некоторого нулевого уровня (в русле концепции нуля, рассмотренной выше). Эта причина формирует следствие – градиент и далее – поток отличий в сторону, определённую градиентом. Далее реализуется последующее следствие – обмен частицами и само непосредственное взаимодействие. Таким образом:

И сила в этом случае действительно является лишь мерой такой причинно-следственной концепции. В частности, если силу определять, как произведение массы тела на его ускорение, то в каждом поле – поле массы или поле ускорения – есть некоторый комплекс величин, характеризующих массу и ускорение данного тела, а их меры, помноженные друг на друга, дают нам значение силы. Где сила – следствие операций с имеющимися флуктуациями в конкретном наборе полей, необходимых для формирования силы.

Только первая флуктуация является причиной, а любая флуктуация, начиная со второй, является следствием этой причины. Причина появления первой флуктуации может быть любой. Например, вероятностной: практически нулевая вероятность появления отличной от нуля флуктуации на бесконечном времени.

В целом система причинно-следственной связи сводится к следующим принципам:

  1. Любые два физических поля порождают третье поле и являются для него причиной.
  2. Любое третье физическое поле можно разложить минимум на два других, которые являются причиной появления третьего.
  3. Первопричинность распространяется по операции «умножение» («деление»).

Отсюда становится понятно, что, например, в выражении

F = ma; (2.7.2.1)

причинами служат ускорение a и масса m, а сила F является следствием. И не наоборот.

Вся ситуация в целом, заключается в том, что необходимо найти такие первопричинные физические поля и пространства, из которых можно было бы сформировать весь остальной физический мир.

2.9. Переходные моменты к части III

2.9.1. Физическая теория

В начале для перехода от математической модели к физической теории приведём описание нескольких мысленных опытов. Они позволят осознать взаимные связи, существующие и реализуемые между различными физическими пространствами, а также помогут представить какими средствами и как можно деформировать то или иное физическое пространство.

* * *

Опыт 1. Известен процесс киносъёмки. Это протягивание между источником света и проекционным экраном ленты, на которую помещена последовательность некоторых образов. Свет проецирует эти образы на экран, получается изменяющееся изображение. Одним из главных параметров этого процесса является скорость протяжки плёнки перед объективом. Нормальная скорость – 24 кадра/сек. Если скорость съёмки и скорость проекции совпадают, то на экране объект предстаёт перед зрителем в таком образе, в котором мы его видим на самом деле. Только без внутреннего физического наполнения. Но свойства объекта передаются так, как будто бы он самый что ни на есть настоящий.

Например, если снять человека прыгающим со стола и потом прокрутить эту запись, то записанный и воспроизведённый прыгающий человек будет «вести себя» точно так, как ведёт себя реальный человек, чей образ запечатлён на этой плёнке. То есть по поведению этого образа мы можем мысленно восстановить некоторые физические качества первоначального объекта – рост, массу, объем, пол, возраст и т.д. Однако если параметры съёмки и параметры показа будут не совпадать, то показанное изображение будет вести себя не так, как отснятый объект, а мы уже по показанному изображению восстановим неправильные физические параметры.

И здесь есть варианты несовпадения снятого и показанного – 1) скоростная съёмка и 2) замедленная съемка. Например, если мы хотим снять взмахи крыльев птицы колибри, то используем скоростную съёмку. А после отснятия полёта колибри мы прокручиваем плёнку на нормальной скорости. Все движения птицы замедляются, и мы можем их спокойно рассмотреть.

То есть, допустим, мы сняли птицу при скорости 240 кадров/сек, а прокрутили запись при скорости 24 кадра/сек. Мы изменили скорость прокрутки – уменьшили её в 10 раз. Мы не меняли длины плёнки (всё можно отнять на той же самой длине), то есть r = Const. Мы изменили длину единицы времени, то есть:

t1.2 = 10t1.1, (2.9.1.1)

где t1.1 – длина «нормальной» единицы времени, t1.2 – длина замедленной единицы времени.

В выражении (2.9.1.1) мы выразили замедленную секунду t1.2 через нормальную t1.1. То есть в данном случае можно сказать, что мы увеличили время процесса показа, поэтому и его скорость упала. Отсюда мы видим, что в каждом физическом пространстве должен быть свой МЕРНЫЙ ОБЪЕКТ, через который можно сравнивать параметры этого пространства и вводить их в отношения с параметрами других физических пространств. Касательно пространства времени следует сказать, что есть некая тактовая частота импульсов времени, количество которых, допустим n = 15, показывает длительность процесса, но и протяжённость каждого импульса также влияет на длительность процесса, то есть 15 сек ≠ 15 мин, поскольку 1 сек ≠ 1 мин.

Но если установить некоторые взаимоотношения между количеством импульсов и их длительностью, то можно сформировать некоторую временную систему измерения, то есть 60 сек = 1 мин, а 60 мин = 1 ч, тогда 3600 сек = 1 ч. Отсюда скорости, измеренные в разных длинах промежутков времени, дают разные величины, например, 3600 км/ч = 60 км/мин = 1 км/сек.

Аналогичные рассуждения можно привести и для пространства расстояний или пространства масс. В итоге можно придти к уже озвученному нами выводу:

* * *

Опыт 2. Далее в аналогичном опыте можно увидеть ещё одну интересную особенность. Если отснятую плёнку воспроизвести с другой скоростью, то изменится не только скорость демонстрации и всех снятых движений. Изменятся также и многие физические характеристики объектов, чьи скорости изменились. Если, допустим, на скоростную камеру снять муху, а потом воспроизвести снятое с нормальной скоростью, то муха не только станет медленнее летать, все характеристики её движений соответствующим замедлению образом изменятся. Муха станет как бы значительно массивнее. То есть при замедлении скорости показа её демонстрируемая масса возрастёт.

Точно так же отснятый на быструю камеру идущий человек, при замедлённом показе будет с появившимся вдруг затруднением переставлять ноги. Этот эффект известен. Он применялся в практике кино давно, например, чтобы показать различия в поведении (скорости и массе) Гулливера среди лилипутов. Известен и обратный эффект, когда формирование ростка снимают медленной камерой, а потом воспроизводят снятое с нормальной скоростью. Росток развивается не днями и месяцами, а на ваших глазах в течение нескольких секунд. Ускоряются не только его вегетационные процессы, но и поведение ростка: он выглядит, как активный подвижный живой организм, перемещающий свои части с такой же скоростью, как, например, червь. При таком его поведении нам представляется, что у ростка резко уменьшилась масса, появились мышцы и другие органы, необходимые для реализации столь активной позиции.

Таким образом, можно сделать ещё один вывод из рассмотренного опыта:

* * *

Опыт 3. Только на первый взгляд кажется, что опыты с замедлением и ускорением времени и связанных с ним параметров нельзя воспроизвести на реальных объектах, а не на телевизионных или кино-образах. Для начала сравним два отснятых материала. Первый материал отснят на Земле в павильоне с помощью ускоренной съёмки, после чего этот материал показан с нормальной скоростью. На экране человек, одетый в скафандр космонавта, совершает затяжные прыжки вверх и с некоторым замедлением опускается вниз, на землю. В итоге по транслируемому на экране образу мы достраиваем представления о физических характеристиках этого опыта. Нам кажется, что гравитация изменилась и стала воздействовать на космонавта не так сильно, как прежде. Кроме этого мы понимаем, что масса космонавта не изменилась и осталась прежней. Не изменились также и геометрические размеры человека и предметов, запечатлённых в опыте.

Теперь возьмём всё то же, но будем съёмки осуществлять не на Земле, а на Луне. При этом скорость съёмки будет нормальной и скорость воспроизведения такой же. При определённом навыке и правильно подобранных характеристиках, оба космонавта – и тот, который отснят на Земле и показан с замедлением, и тот, который отснят на Луне и показан нормально, – будут совершать абсолютно идентичные прыжки. Наблюдатель не сможет понять, где какой вариант. По этой схеме были произведены досъёмки американской миссии на Луну. Интересно, что из этого опыта видно, как:

Получается, на первый взгляд, парадокс: при замедленной прокрутке масса Гулливера увеличивается, а сила гравитации (или ускорение свободного падения) Земли уменьшается. Однако парадокса никакого нет, просто наши «общепринятые» представления о природе массы и её проявлении неверны. В том числе неправилен и закон гравитации Ньютона. Дело даже не в формуле, а в принципе понимания того явления, которое мы привыкли называть «масса».

Когда Гулливер идёт, его массивные ноги совершают заметно тяжёлые шаги. Это происходит потому, что структура вещества, из которого состоят ноги, перестраивается с определённой скоростью: чем больше вещества занято в таком перестроении, тем медленнее идёт процесс. Наблюдателю кажется, что этот процесс утяжеляется, то есть Гулливер становится более тяжёлым. Эта масса связана со скоростью (или ускорением) перестройки организма, то есть эта масса – есть ИНЕРЦИЯ. Или ещё одно её название – динамическое СОПРОТИВЛЕНИЕ.

Когда прыгающий человек более медленно приземляется на поверхность планеты, то его инерция и инерция планеты, безусловно, возросли по величине. Однако инерция не участвует в процессе притяжения прыгающего человека планетой. Притяжение прыгающего человека планетой осуществляется по линии физической величины, которую мы привыкли называть ГРАВИТАЦИЯ. И здесь из продемонстрированного нами опыта проявляется главная особенность гравитации – чем медленнее вращается тело, тем меньше сила его гравитации. Проиллюстрируем это ещё одним примером.

* * *

Опыт 4. Представьте, что некий астроном отснял с нормальной скоростью некоторый, очень длительный по времени фильм о развитии какой-то конкретной спиральной галактики. Если этот филь прокрутить с той же нормальной скоростью, то поведение галактики не изменится. Но если же прокрутить этот же фильм с гораздо более высокой скоростью, то мы увидим следующее. С одной стороны, галактика станет выглядеть гораздо более лёгкой, её рукава будут перемещаться с гораздо меньшей инерцией. Но с другой стороны, центральная часть галактики станет вращаться с гораздо более высокой скоростью и приобретёт гораздо более высокую силу гравитации, что в итоге выразится в гораздо более быстром притяжении рукавов галактики к её центру.

Если же тот же фильм прокрутить с более низкой скоростью, то мы получим обратное изменение всех величин: инерция рукавов заметно возрастёт, а сила гравитации центра галактики заметно упадёт; на собирание этой галактики в более плотное образование потребуется заметно большее время. Добавим сюда ещё одну иллюстрацию относительно связи гравитации и инерции со скоростью вращения. Эти связи обнаруживаются в водовороте, смерче, урагане и т.п. Чем быстрее вращается смерч, тем плотнее он прижимается к своему центру, то есть сильнее притягивается. Чем больше массы задействовано в структуре смерча, тем больше её инерция и теме медленнее становится скорость его вращения и тем медленнее осуществляется движение периферийных слоёв по направлению к центру смерча.

Таким образом, инерция RIm – это массовое сопротивление, или сопротивление структуры тела, связанное со значением его скорости. Не обязательно скорость должна меняться (проявляться ускорение). Более массивное тело всегда будет двигаться медленнее, чем менее массивное – при равном сообщённом им количестве движения (закон сохранения количества движения p, энергии E).

Должен существовать квант инерции, который характеризовал бы перестроение структуры единичного кванта вещества (электрона, фотона и т.п.). В определённой мере таким квантом является квант действия, то есть постоянная Планка13 (основная константа квантовой теории):

h = 6,62606957(29)×10–34 кг·м2/с; (2.9.1.2)

Постоянная Планка описывает вращение массы (кг), расположенной на некотором плече (м), со скоростью (м/с). Именно поэтому у кванта массы – гравитона – спин равен 2 (см. ниже).

С инерцией связано реактивное движение, при котором если движущееся тело (ракета) отбрасывает некоторую свою массу, то массовое сопротивление тела, или его инерция падает. Изменение параметров движения тела зависит от соотношения модулей и направлений векторов – вектора движения тела до отделения массы и вектора движения отделившейся массы. Если векторы совпадают, то тело теряет массу, но увеличивает скорость.

Гравитация RGm – это массовая проводимость, или способность структуры собираться в единое целое. Гравитация является движением, током. Чем быстрее этот ток, тем выше значение гравитации.

Традиционная масса в этой системе выступает совершенно отдельной физической величиной. Масса m– это плотность объектов в единице объёма.

* * *

Опыт 5. Записав звук голоса некоторого человека, мы можем воспроизвести этот голос с другой скоростью. Получается, что мы сожмём волны, которые передают голос, и это сжатие нарисует нам картину, связанную с другим человеком. Его голос повысится, а на основании этого у наблюдателя сложится представление о работе его связок и физических характеристиках организма (мужчина, женщина, ребёнок и т.п.). Имеем ту же ситуацию, что и с кинематографическими изменениями, которые мы описали выше. Более высокий голос приводит ко мнению, что слышимый объект имеет меньшую массу.

* * *

Опыт 6. Сегодня созданы удвоители – электронные приборы, которые удваивают (или увеличивают в n раз) входящую частоту звука. В этом случае имеем следующий эффект. Удваивая частоту звука, мы меняем его геометрию, то есть длину волны звука, она приводит к изменению временных характеристик, связанных с частотой или периодом. Получается такой же эффект, как если бы мы увеличили скорость записанной речи в n раз. Таким образом, мы взяли исходную волну, удвоением уменьшили длину её волны, а в результате получили уменьшение длины импульса времени и уменьшение ощущаемой массы говорящего.

* * *

Опыт 7. Он связан с линией задержки в электронных музыкальных приборах. Наблюдатель на слух формирует представления о геометрических размерах пространства по отражениям звука: чем с большей задержкой возвращается эхо, тем больше объём пространства. Современные приборы программными методами позволяют скопировать сигнал, задержать его на требуемое время и после этого задержанный сигнал подмешать к исходному. Длительность промежутка времени между прямым и задержанным сигналом сформирует представление о размерах помещения. То есть в результате формирования задержки звукового сигнала изменяется представление о протяжённости моделируемого пространства.

* * *

Опыт 8. Если художник хочет показать объём предмета, то он закрашивает определённые места плоского предмета более светлыми красками «бликами», а другие, также вполне определённы – более тёмными красками «тенями». В результате этого предмет приобретаем видимую объёмность. То есть изменением способности конкретного участка плоской поверхности отражать ту или иную длину волны можно добиться формирования представления об этом плоском участке, как об объёмном предмете. Можно привести ещё множество опытов, связанных с живописью и рисунком: перспектива, «посинение» заднего плана, резкость переднего плана и т.д.

Таким образом, можно обобщить приведены и некоторые другие опыты. Сначала художники, потом музыканты, следом кинематографисты и, наконец, мастера компьютерной графики смогли отработать систему моделирования реальных объектов или явлений, вызывая необходимые изменения в воспринимаемой наблюдателем области путём заданного изменения связанных параметров из другой области явлений. Если мы в этой связи проанализируем первые мультфильмы – а это моделирование реального мира, – то заметим, что у их героев не было, например, массивности, что сразу же выдавало в увиденном искусственное произведение, а не фиксацию естественного явления.

* * *

Опыт 9. Сегодня многие фильмы моделируют актёров так, что только профессионал может определить, где на экране живой человек, а где – искусственный персонаж. То же касается и музыки. Сегодня развита индустрия синтезирования звука так, что даже профессионалу тяжело отличить смоделированный звук от реального. То же касается живописи.

Эти опыты и возросшие возможности моделирования показывают, что все наблюдаемые объекты, явления или эффекты не только взаимосвязаны, но и имеют возможность управления, когда любую заданную характеристику можно изменить не только напрямую, но и, повлияв на другую характеристику, связанную с той, которую нужно изменить. А это значит, всегда можно найти некий универсальный, или, как мы его назвали выше, мерный объект. Любая совокупность любых пространств может быть измерена таким мерным объектом, если он имеет те же характеристики, что и измеряемые им пространства. Изменение мерного объекта не вызовет никакого изменения измеряемых им пространств, но приведёт к изменению масштаба измерений и их точности.

* * *

Опыт 10. У нас есть ведро с водой. Нет никаких измерений и нет никаких сведений об этом ведре воды. Задание: описать ведро с водой с точки зрения его возможных измерений. Ход исследования: мы выбираем мерный объект, например, им будет апельсин. После этого измеряем высоту и ширину ведра, получаем длины в единицах апельсинов. После этого на коромысловых весах измеряем массу ведра с водой, уравновешивая его соответствующим количеством апельсинов, получаем массу ведра с водой в апельсинах. В результате мы измерили длины, объём, площадь дна и поверхности, массу ведра с водой в мерных апельсинах. Причём, поскольку апельсин имеет и размерность длины, и размерность массы, то мы одним мерным объектом провели измерения в двух осях – по оси длин и по оси масс.

Если мы захотим немного расширить возможности описанного опыта и полученной в результате него «апельсиновой» системы измерений, то вместо апельсинов мы можем подобрать некоторые вещества так, чтобы они реализовывали какое-то новое, нужно нам свойство. Например, если мерный объект сделать из янтаря или эбонита, то мы сможем этим объектом помимо длины и массы измерять электрические характеристики.

* * *

Точно так же, как мы описали в нашем опыте, поступили физики в 17 – 18 веках по отношению к системе мер и весов. Показательна в этом контексте эпопея метра. Метр был впервые введён во Франции в 18 веке. У метра было два определения. Первое – как длина маятника с полупериодом качания на широте 45°, равным 1 с, то есть ≈ 0,994 м. Второе – метр представлялся, как одна сорокамиллионная часть Парижского меридиана, то есть одна десятимиллионная часть расстояния от северного полюса до экватора по поверхности земного эллипсоида на долготе Парижа, то есть ≈ 0,99999999995 м.

Сама же идея привязать единицу измерения длины к меридиану была реализована за многие века до этого, а в европейских странах так были определены морская миля и лье. Сегодня метр равен расстоянию, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1/299792458 с. То есть сначала мерным объектом длины была планета Земля и её криволинейный меридиан, а сейчас мерным объектом той же длины стала субстанция под названием «свет» и её прямолинейные параметры.

Эпопея секунды не менее интересна. Сегодня (с 1967 г.) секунда представляет собой интервал времени, равный 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного (квантового) состояния атома цезия-133 в покое при 0 К при отсутствии возмущения внешними полями. Но первоначально секунда возникла, как следствие астрономической 60-ричной системы счисления, принятой в древней астрономии за несколько тысячелетий до новой эры.

Уже в наше время около 1680 года один из часовщиков сделал напольные часы, способные измерять секунды. В часах был использован секундный маятник с анкерным механизмом. Секунду определяли не по процессам в цезии, а как 1/86400 часть средних солнечных суток. В 1956 году в качестве нового определения секунды была принята секунда эфемеридного времени, определённая, как 1/31 556 925,9747 доля тропического года для 0 января 1900 года в 12 часов эфемеридного времени.

И, наконец, рассмотрим эволюцию представлений о килограмме. В 18-м веке килограмм был определён как масса 1 дм3 воды при 4°C. В 1799 году был изготовлен прототип килограмма в виде платиновой гири (но его масса была на 0,028 г больше массы 1 дм3 воды). В 1901 году было принято такое определение килограмма: килограмм есть единица массы, равная массе международного прототипа килограмма. А международный прототип (эталон) килограмма представляет собой цилиндр диаметром и высотой 39,17 мм из платино-иридиевого сплава (90 % платины, 10 % иридия).

Таким образом, даже из анализа трёх единиц измерения – метр, секунда, килограмм – видно, что они привязаны к мерным объектам – эталонам. Эти объекты имеют не только устанавливаемую собой величину, но и некоторые зависимые. Например, эталон метра построен на эталоне секунды, а секунда, в свою очередь, построена на линейных параметрах орбиты атома цезия-133. Эталон килограмма построен на линейных размерах и плотности указанного сплава. Причём эти представления и зависимости эволюционируют вслед за развитием представлений человечества о познаваемом им окружающем мире.

Отсюда становится ясно: вполне разумно было бы ввести единый эталон – мерный объект, – которым единомоментно устанавливались правильные значения сразу всех трёх (или более) величин. Например, рассуждая по старинке, можно было бы сделать такой эталон, одна из сторон которого была бы равна 1 м, масса этого эталона была бы равной 1 кг, а время распространения сигнала (можно и света) от одного конца эталона к другому (то есть на расстояние 1 м) точно равнялось бы 1 сек. В таком исполнении получился бы прекрасный унитарный эталон, которым можно было бы измерять сразу три базовых параметра. Кстати, никаких препятствий к воплощению такого проекта нет.

Наши рассуждения правильны, и это подтверждается тем, что специалисты в области системы мер пришли к аналогичному заключению, поэтому в 2011 году 24-я Генеральная конференция по мерам и весам приняла Резолюцию, предусматривающую будущую ревизию Международной системы единиц (СИ). Предложено провести переопределение основных единиц. Необходимо, чтобы они были основаны не на созданных человеком артефактах, а на фундаментальных физических постоянных или свойствах атомов, которые считаются более постоянными или более унифицированными.

В частности, предполагается, что в результате будущей ревизии СИ станет системой единиц, в которой постоянная Планка h будет точно равна 6,626 06X×10−34 Дж с. В результате изменится понятие килограмма: «килограмм останется единицей массы, но его величина будет установлена путём фиксации численного значения постоянной Планка в точности равным 6,626 06X×10−34, когда оно выражается единицей СИ м2·кг·с−1, которая равна Дж·с»14. То есть речь идёт именно о принятии единого мерного объекта – кванта движения h, – в котором будут одновременно представлены эталонные значения сразу трёх измеряемых величин – м2·кг·с−1.

Таким образом, современные представления об эталонах измерений и их взаимных связях уже реализуются в понятии единого мерного эталона, или объекта. Этот мерный объект наделяется своей – сложной – размерностью, которая является совокупностью тех размерностей, которые в системе прежних взглядов были представлены разными эталонами. При таком изменении подхода ко взгляду на существо проблемы измерений саму задачу этих измерений и поиска эталонов можно переформулировать обратным образом:

То есть, измеряя некую физическую реальность, мы обязаны применить к этому процессу имеющийся у нас эталон и на основе его применения составить описание исследуемого явления или предмета. То есть, если сегодня мы ещё можем померить явление метром и сказать, что длина события равна, например, двум метрам, то после проведения упомянутой ревизии каждое событие будет измерено единицами постоянной Планка при одновременном упоминании размерности м2·кг·с−1, а величины типа метра станут производными. И сообщение результата измерения тип «длина равна 1 м» будет неправильным и физически некорректным, ибо в таком окажутся потерянными связанные физические размерности, оставшиеся от м2·кг·с−1.

2.9.2. Общая логика физики

Общая логика физики выстраивается следующим образом.

  1. В центре физического описания находится описываемое тело (объект, материальная точка, или в общем случае – организм).
  2. Все тела находятся в одном действительном пространстве – пространстве расстояний r. В этом пространстве тело может осуществлять движение, которое является базой первого уровня физической логики.

Параметры движения разнообразны, и каждый из них формирует свою собственную физическую величину. Эти величины составляют второй уровень физической логики.

  1. Перемещение тела во времени формирует пространство скорости – физической величины, которая измеряет отднородность квантов перемещения во времени. Движение с постоянной скоростью – есть однородное перемещение тела во времени.
  2. Неоднородное перемещение тела во времени, когда за равные промежутки времени тело проходит разные промежутки расстояний, описывается физической величиной, именуемой «ускорение».
  3. Компонента движения, направленная перпендикулярно круговой траектории покоя по радиусу вращения вовне, описывается физической величиной, именуемой «температура».
  4. Компонента движения, направленная перпендикулярно круговой траектории покоя по радиусу вращения внутрь, описывается физической величиной, именуемой «давление».
  5. Вдоль кругового движения – электрический заряд.
  6. Величина, обратная давлению, но привязанная не к телу, а к центру его кругового движения, называется «масса».

Далее мы разовьём эти моменты.


1В современной физике принято: на сегодня достоверно известно существование четырёх фундаментальных взаимодействий: гравитационного; электромагнитного; сильного; слабого.

2«Множественность никогда не следует полагать без необходимости… [но] всё, что может быть объяснено из различия материй по ряду оснований, – это же может быть объяснено одинаково хорошо или даже лучше с помощью одного основания», – религиозный «методологический» принцип, введённый монахом Уильямом Оккамой (Ockham, Ockam, Occam; ок. 1285 – 1349).

3 Тюняев А.А. Периодическая система элементарных частиц // Организмика – фундаментальная основа всех наук. Том III: Физика / Под редакцией д. ф.-м. н., профессора, академика РАЕН О. А. Хачатуряна. – М.: Спутник+, 2009.

4 Дикусар В.В., Тюняев А.А. Вакуум: концепция, строение, свойства // Отв. редактор член-корр. РАН Ю.А. Флёров. ФГБУН Вычислительный центр им. А.А. Дородницына Российской академии наук. 2013.

5 Термин, не обозначающий математическое действие, а говорящий о некой совокупности некоторых частей в составе единого целого.

6 Суть потенциала – заряд, см. определение выше.

7 Стивен Хокинг. Мир в ореховой скорлупке. - СПб.: Амфора. 2007.

8 Савельев И. В. Курс общей физики. Книга 5. Физика атомного ядра и элементарных частиц, стр. 72.

9 Голубев Ю. Ф. Основы теоретической механики. – М.: МГУ, 2000. – С. 156. – 720 с.

10 Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Механика. – Издание 5-е, стереотипное. – М.: Физматлит, 2004. – 224 с. – («Теоретическая физика», том I).

11 Тарг С.М., БСЭ. – 1969–1978. Ст. Сила.

12 Feynman, R. P., Leighton, R. B., Sands, M. Lectures on Physics, Vol 1. – Addison-Wesley, 1963.

13 Fundamental Physical Constants – Complete Listing http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt

14 On the possible future revision of the International System of Units, the SI. Resolution 1 of the 24th meeting of the CGPM (2011).