Почему Физика До Сих Пор Живет По Старинке, В Отличие От Химии Или Биологии?

В химии все элементы «разложены по полочкам» в Таблице Д.И.Менделеева. В биологии всё живое распределено Карлом Линнеем на роды, виды, семейства и т.д. В грамматике все слова аккуратно поделены на части речи и члены предложений. А что в физике?

Только элементарные частицы в ХХ веке уложили в систему, и это привело к новым открытиям. А обычные физические величины, которым несть числа и которыми пользуются миллионы людей в повседневной жизни, – для них системы нет. Всем известная СИ – это не система, это просто международный договор о том, какие единицы измерений считать основными (килограмм, метр, секунда и еще четыре единицы), а все остальные составлять по ним. Руководствовались при создании СИ одним: чтобы было удобно и сравнительно дешево измерять. А при систематизации руководствоваться надо законами природы, даже если это неудобно и дорого.

Сейчас физика напоминает армию, победоносно рвущуюся вперед и завоевывающую всё новые и новые рубежи. Но в обозе этой армии и в ее уставах бережно сохраняется всё то, что было достигнуто два, а то и три века тому назад, с теми же названиями и с теми же обозначениями. Хотя многое давно уже устарело, нуждается в пересмотре в соответствии с новыми достижениями.    

И тогда становится ясным, что масса, измеряемая в килограммах, является основной величиной только на уровне земных скоростей и земных приборов. А на уровне скоростей, близких к скорости света, ту же массу оценивают уже в единицах энергии. Значит, энергия в природе и есть основная величина. Конечно, напрямую энергию не измеришь, но ведь и атомную массу химического элемента напрямую не измеряют, и это не помешало Менделееву составить Периодическую систему элементов.

О роли энергии в природе задумался еще в начале ХХ века А.Пуанкаре, единицу энергии включил в свою систему единиц М.Планк. А в 60-х годах А.Вейник назвал энергию основной величиной и создал новое научное направление (энергодинамику), при этом он, к сожалению, попал вместе с кибернетиками и генетиками в кампанию лжеученых. Через 30 лет И.Коган создал первую систему физических величин с энергией, как основной величиной. И вот уже 20 лет, как эта система величин совершенствуется.

Интересно, что одновременно с А.Вейником другую систему величин создал Р.ди Бартини, базируясь только на двух основных величинах, характеризующих пространство и время. И эта идея достаточно популярна до сих пор, она привлекает еще и красивым внешним оформлением. Но что-то же должно характеризовать материю, находящуюся в этом пространстве, и характеризовать движение материи, происходящее в определенном темпе? А ничего подобного в системе величин Р.ди Бартини нет. Такое направление представляется тупиковым.   

Замена массы, как основной величины, энергией прояснила многое, но не всё. Ведь в основе движения материи лежит вращение. Вещество в природе состоит из элементарных частиц, каждая из которых является вихрем. А физики до сих пор спорят о том, чем является угол поворота (характеристика вращения): основной величиной или производной. Везде и всюду на практике угол поворота измеряют в градусах (в долях полного оборота), а в физике единицей угла считают только радиан.

В конце 90-х годов И.Коган попытался затеять по этому поводу дискуссию в ведущем метрологическом журнале, но получил от ворот поворот. Тогда он на свой страх и риск вставил угол поворота в качестве основной величины в свою, как он ее назвал,  энергодинамическую систему величин и понятий (ЭСВП).

Но и после этого шага в новой системе величин не всё склеивалось. И.Коган обратил внимание на то, что не только на рынке, но и на любом уровне существования материи счет ведется поштучно, только штуки на разных уровнях разные. На космическом уровне – звезды и планеты, на Земле – твердые тела, на уровне жидкостей и газов – молекулы и атомы, на  атомном уровне – протоны, нейтроны, электроны. И эти уровни продолжаются в обе стороны далеко за пределы наших знаний о природе. Выше уровня звезд находится уровень галактик, а ниже уровня протонов и электронов – уровень фотонов и нейтрино, и т.д. в обе стороны.

А физики никак не решаются признать штуку единицей основной величины и называют ее по-разному на разных уровнях.   Это только на рынке признается одна штука товара, а в механике – одно тело или одна частица, при вращении – один оборот, в молекулярной физике – один моль, в излучении – одна волна, в оптике – один фотон, в квантовой механике – один квант, в информатике – один бит и т.д. Кому нужна такая многозначность? И тогда И.Коган решился ввести в свою систему величин пятую основную величину – число структурных элементов.

После введения в комплект основных величин угла поворота и числа структурных элементов многие вопросы, на которые до этого не было вразумительного ответа, стали эти ответы получать.

Имея горький личный опыт и опыт своих единомышленников, И.Коган знал, что на страницы академических журналов ему со своими идеями пробиться будет трудно. И тогда, учтя колоссальный прогресс в области Интернета, он создал в 2008 г. сайт (см. ниже), куда и выложил свою систему физических величин ЭСВП.

В чем же суть этой системы физических величин?  Неужели только в новом комплекте основных физических величин?

Еще в 20-е годы ХХ века было замечено, что в электрических и механических системах целый ряд уравнений, связывающих физические величины, имеют одну и ту же форму записи. Потом к ним присоединились подобные уравнения в гидравлических, пневматических и тепловых системах. Это явление назвали физическими аналогиями и стали использовать его на практике. И только А.Вейник в 60-е годы показал, а В.Эткин в 90-е годы доказал, что это не аналогии, не случайные совпадения, а закономерность, присущая природе.

Используя эти идеи, И.Коган построил свою систему величин на базе того, что в природе имеется единая обобщенная физическая система, реализуемая обобщенными уравнениями. А конкретный вид этих уравнений в каждом отдельном разделе физики, названия и обозначения величин, которые в них участвуют, зависит только от одного: что принято за характеристику каждой конкретной системы (эту характеристику называют в физике координатой состояния конкретной системы).

Если принять за координату состояния линейное перемещение тела, – получим механическую прямолинейную систему, примем угол поворота, – получим механическую вращательную систему, примем изменение электрического заряда, – получим электрическую систему, примем перемещение объёма жидкости, – получим гидравлическую систему, и т.д. Для каждого вида системы получилась своя таблица, но все таблицы оказались по форме совершенно одинаковыми, только названия и обозначения величин, их размерности и единицы были разными. Именно поэтому физика и кажется слабо посвященному в нее человеку такой разобщенной. А в действительности она всюду одна и та же.  

Таких таблиц для конкретных форм движения на сайте представлено целых 25 из всех основных разделов классической физики: из механики, электромагнетизма, гидроаэродинамики, акустики, термодинамики. Не потому, конечно, что нельзя сделать больше, чем 25 таблиц, а потому что принцип их составления и так уже предельно очевиден после рассмотрения этих 25-и. А если кому-нибудь захочется выбрать какую-нибудь 26-ую или 27-ую координату состояния, то составить лично 26-ую или 27-ую таблицу ему не составит никакого труда.

Казалось бы, всё! Дело сделано!! Но не тут-то было. По мере своего создания система физических величин ЭСВП стала сама диктовать ее автору всё новые и новые требования.

Сначала выяснилось, что формы энергии и виды энергии – совсем не одно и то же, как это до сих пор принято считать в физике. Пришлось пересматривать также и классификацию видов механического движения.

Потом выяснилось, что надо разделить все физические системы на проточные, через которые что-то постоянно движется, непроточные, в которые может только что-то войти или из которых может только что-то выйти, и комплексные, обладающие свойствами и тех, и других систем.

Да и сама систематизация в целом оказалась возможной лишь при условии, что будут систематизироваться изменения физических величин, а не их абсолютные значения.

Дальше – больше. Если абсолютные значения физических величин могут быть скалярами, то есть не иметь направления, то изменения этих величин обязательно должны иметь направление, то есть быть векторными величинами. Например, электрический ток или объёмный расход воды, вопреки всем учебникам физики, являются такими же векторными величинами, как скорость тела.

Но самым неожиданным для автора оказалось то, что очень многие понятия и термины, к которым мы все привыкаем со школы, как выяснилось, не соответствуют их физическому содержанию. Школьники и студенты, скорее всего, не виновны в этом, им же надо было получать положительные отметки, а задумываться над физическим содержанием им просто не хватало знаний. А редким самостоятельно мыслящим студентам не хватало смелости выступать против общепринятого.

Тем же ученым, у кого и знаний хватает, и смелости достаточно, некогда заниматься подобными мелочами, они рвались и рвутся вперед, осваивая космос и микромир, изобретая новые технологии. И забывая о том, что армия, у которой непорядок в тылу, долго наступать не сможет. Так и получилось, в конце ХХ века только ленивые не говорят о кризисе, наступившем в теоретической физике, о засилье математического формализма, отодвигающего в сторону физическое содержание, о понятийной бессистемности в физике.

Вот вам примеры. Точка, как известно, размеров не имеет, но такое понятие, как материальная точка, почему-то имеет массу. Как же материя может уместиться в точке, не имеющей размеров? Или вот такое понятие – поток вектора. Но ведь вектор привязан к точке своего начала, с какой радости он станет куда-то течь?

А кто-нибудь задумывался над термином «постоянный ток»? Постоянный ток может быть равен и 2 Амперам, и 2000 Ампер, к тому же, его значение все время может меняться, почему же он постоянный? А потому что течет в одном и том же направлении. Так и надо называть его однонаправленным, а не постоянным.

Когда-то Х.Эрстед, наблюдая над тем, как поворачивается магнитная стрелка, над которой по проводу пропускался электрический ток, назвал это явление магнитной индукцией. Слово «индукция» в переводе означает воздействие. Но позвольте, ведь это электрический ток воздействовал на магнитную стрелку, а не наоборот. То есть это было электрическое, а не магнитное воздействие. В принятом же названии отразилось явное нарушение знаменитого принципа причинности: следствие всегда наступает после причины, его вызвавшей. С тех пор прошло больше двух веков, но никто не собирается устранять это нарушение причинности в названии термина. Автор приводит на своем сайте примеры 16-и нарушений принципа причинности только в одном электромагнетизме.

Д.Максвелл создал великую систему уравнений для электромагнитного поля и включил в нее два условно названные им понятия, две математически абстракции: электрическое вихревое поле, которое действительно вихревое, но вовсе не электрическое, и ток смещения, который связан со смещением, но током не является. А уж вследствие этого появилась ЭДС (электродвижущая сила) индукции, которая на самом деле является магнитной, а не электродвижущей силой. Вот так условность перешла в реально воспринимаемую действительность.

Популярный метрологический справочник говорит, что такие понятия, как угловой момент, момент импульса, момент количества движения и кинетический момент – это синонимы, только указанные в разных первоисточниках. Ведь у них в системе единиц СИ одинаковые размерности и единицы. Но оказывается, что это вовсе не синонимы, так как они определяются по разным уравнениям. А то, что у них оказались одинаковые единицы измерений, так в этом виновата система СИ, в которой набор основных единиц условен. И вообще о физическом содержании величин следует судить, в принципе, не по размерностям и единицам, а по их определяющим уравнениям.

Вот почему автор «энергодинамической системы физических величин», в конце концов, добавил к названию системы еще два слова «и понятий». Поскольку система, в которую входят неадекватные понятия, – это уже не система. И если отдельные термины физикам уже трудно или даже невозможно поменять, то их истинное физическое содержание следует, хотя бы, пояснять.

Что уж говорить об обозначениях, о символике. Там такой ералаш, что о нем в двух словах не скажешь. Надо заглянуть на сайт, там этому посвящена целая страница. Для электромагнетизма и гравитации автору пришлось даже составить свою собственную систему символов и индексов, так как привести в систему существующую символику ему так и не удалось. И он привел эту новую символику на сайте в отдельной таблице для величин физического поля.

А заодно в помощь преподавателям и студентам составил обобщенную таблицу упругих деформаций, обобщенную таблицу явлений переноса, таблицы напряженностей, восприимчивостей и проницаемостей сред в электромагнитном поле, таблицу величин теплового излучения, таблицу физико-экономических величин, схемы классификации форм и видов энергии и видов механического движения, схему классификации физических систем, схему классификации зарядов и диполей в электромагнетизме. Можно повесить эти учебно-наглядные пособия в школьных кабинетах физики, но, скорее, в специализированных аудиториях вузов. Автор сам преподавал 35 лет, и ему очень хочется помочь своим коллегам.

Что сказать в заключение? Таблицы системы физических величин совсем не похожи по форме ни на Периодическую систему элементов Д.И.Менделеева в химии, ни на систему Карла Линнея в биологии. Но кто сказал, что они должны быть похожи по форме? Они должны быть похожи по цели, а цель у них одна: продемонстрировать единство природы, чтобы лучше понять ее, чтобы создавать новое, подобное уже существующему в природе, и не тратить силы на создание того, что чуждо принципам систематизации.