Бойко С.В. Основы механизма физических процессов, или "Как устроена природа (и как происходят природные явления)" и "Почему природа является именно такой, а не другой"

Оглавление

Введение

Термин "физика", в переводе с греческого, означает "природа" и был введен Аристотелем при философском описании визуально наблюдаемых природных закономерностей. Основной труд Аристотеля, озаглавленный как "Физика" или "наука о природе", содержит идею "перводвигателя" или "вечного двигателя", благодаря которому в природе осуществляется постоянное движение. Следует отметить, что и термин "энергия" (от гр. "действую, совершаю"), введен Аристотелем для обозначения "актуальной действительности предмета", в отличие от "потенциальной возможности его бытия". Идея несостоятельности "вечного двигателя" была доказана в XIX в. Карно, Клаузиусом, Томсоном и др., взамен которой была предложена концепция "тепловой смерти Вселенной", что будет рассмотрено в соответствующем разделе. Однако вопрос "вечного движения" и его "относительности" получил раз-витие в трудах Галилея, Кеплера и их последователей, получив в трудах Ньютона формулировку законов "классической механики".

Представления механики основано на движении материальных тел. "Все тела движутся, все, начиная от звезд, планет и искусственных спутников и кончая мельчайшими зернами вещества: молекулами и элементарными частицами. Механика – наука о законах движения тел – имеет отношение ко всем явлениям природы и творениям техники, ко всем естественным научным дисциплинам" (Ишлинский, 1985, с. 32). Согласно А.Ю.Ишлинскому: "Механика – глава физики. Однако между нею и другими разделами физики существует довольно четкий водораздел. В механике главное – сила. В других разделах физики – энергия. Разумеется, в исследованиях по механике энергетические соображения не противопоказаны. Однако нередко они могут провести мимо существенных особенностей движения или равновесия механических систем. Представляется, что силовой подход при решении задач механики, не связанных существенным образом с другими разделами физики и химическими реакциями, должен быть основным" (Ишлинский, 1985, с. 255). Так в квантовой механике "движение материальных тел (частиц)" заменяется "движением волн" и это движение носит механический характер.

Закон сохранения энергии трактовался его основателями – Майером, Джоулем и Гельмгольцем, как "закон сохранения движущей силы". И только Ранкин ввел термин "энергия" в этот закон, отождествляя ее с механическим движением тел, что совершенно не соответствует представлениям Аристотеля. На описании механического движения материальных тел (точек) основан современный аппарат дифференциального и интегрального исчисления современной математики. При этом различают векторную механику, основанную на законах Ньютона, где основными величинами являются сила, скорость и пр.; и аналитическую механику, основанную Лейбницем, где основными величинами являются объем, масса и пр. "Полное описание материальной точки в любой момент времени получается с помощью определения трех пространственных координат и указания скалярной постоянной, называемой массой точки" (Лич, 1961, с. 9). И там же: "Введение нового термина для каких-либо хорошо определенных величин, связанных с движением, является допустимым, если это каким-либо образом помогает в достижении указанной цели. В случае, когда различные величины именуются энергией, не может быть сомнения в том, что это существенно помогает процессу описания.

Практическое значение понятия энергии состоит в том, что все механические свойства сложной системы можно описать при помощи установления математической формы ограниченного числа скалярных функций – энергий. Аналитическая механика дает общее развитие этой идеи" (Лич, 1961, с. 16). Таким образом, термин "энергия", закрепился в механике и позволил дифференцировать "кинетическую" и "потенциальную" энергии как различные формы движения материальных тел или "точек".

Дальнейшее развитие механики связано с тепловыми процессами, описываемых термодинамикой и введением понятия "энтропия". Это понятие введено Клаузиусом, как "эквивалент превращения тепловой энергии в работу" и неизбежных, при этом, ее потерь, что исключается первым законом термодинамики, который постулирует эквивалентность энергии и работы.

Понятие "энтропия" исключает возможность существования "вечного двигателя", поскольку тепловая энергия не бесконечна и при выравнивании температур неизбежно наступление "тепловой смерти Вселенной". При этом один из основателей термодинамики – Виллиам Томсон (лорд Кальвин) пришел к выводу, что "тело животного работает не как термодинамическая машина", а выдающийся естествоиспытатель – В.И.Вернадский не без оснований утверждает, что в отношении природных процессов "Энтропия Клаузиуса не имеет реального существования".

Физическое описание тепловых процессов как беспорядочного движения частиц газа, привело к введению статистических представлений, основанных на трактате, ничего подобного не подозревавшего, Христиана Гюйгенса – "О расчетах при игре в кости", изданном в 1657 г.

Статистическое представление "энтропии", введенное Больцманом, глубоко укоренилось в современной физике и за ее пределами, в гуманитарных отраслях науки, как носитель информации. В физике оно привело к развитию таких разделов как кибернетика и синергетика, основой которых является математическое моделирование. Это моделирование основано на представлении всех природных процессов, в том числе, и биологических – как механических систем. (Примером является книга Д.С.Чернавского, Н.В.Чернавской "Белок – машина", в которой работа живой клетки описывается с позиций ТММ (теории машин и механизмов) и др.)

Особое место в физической механике занимают электростатика и электродинамика. Обе эти области физической науки не связаны в историческом развитии с классической механикой Ньютона и термодинамикой, поскольку являются результатом обнаружения электрических и магнитных свойств металлических предметов в древнем Китае, и Гильбертом в Европе. Теоретическое обобщение этих явлений Максвеллом основано на использовании существенно модернизированного математического аппарата аналитической механики. Дальнейшее развитие электродинамики Лоренцем связано с введением понятия "электрона" и выводом уравнений, получивших название "преобразований Лоренца", что привело к формулированию Эйнштейном Специальной теории относительности.

Общая теория относительности связана с искривлением светового луча в пространстве вблизи Солнца и соответствующей потери скорости распространения света. Визуальные наблюдения этого явления приводят к представлениям о наличии гравитационных полей. Однако экспериментальными доказательствами этого факта наука не располагает и "Общая теория относительности – блестящий пример великолепной математической теории, построенной на песке и ведущей ко все большему нагромождению математики в космологии (типичный пример научной фантастики)" (Бриллюэн, 1972, с. 28).

Наиболее глубоко развитым разделом Физической механики является – квантовая механика. Этот раздел механики описывает атомные и субатомные физические объекты – от ядер атомов, элементарных частиц и кончая "волнами вероятности". Последние "являются лишь математическим построением для вычисления вероятности нахождения частицы в определенных условиях" (Шредингер, 1971, с. 119). Суть в том, что современные экспериментальные методы изучения элементарных частиц, к которым относится и электрон, обнаружили двойственность физического существования как частицы и волны. Поэтому теоретическое их описание стало возможным только на базе отвлеченного математического аппарата аналитической механики и статистических представлений. "Поля и частицы – это не два различных объекта, а два способа описания одного и того же объекта, две различные точки зрения на один и тот же объект" (Дирак, 1971, с. 9).

Таким образом, Физическая механика, за исключением Электродинамики и Специальной теории относительности, является наукой о движении материальных тел, точек, "волн вероятности" и соответственно "полей" их движения. Но при этом совершенно не затрагиваются вопросы структурных энергетических превращений физических тел, а следовательно и их эволюции, т. е. спонтанных процессов развития. Это положение относится ко всей природе, т. е. ко всем физическим объектам и в первую очередь к живой природе, которая также является физическим образованием и подчиняется общим физическим законам, но не законам физической механики в том числе и квантовой механики, что отмечает Шредингер: "все известное нам о структуре живого вещества заставляет ожидать, что деятельность живого вещества нельзя свести к обычным законам физики: потому, что его структура отличается от всего изученного нами до сих пор в физической лаборатории" (Шредингер, 1947, с. 107). Поэтому лишены оснований и амбициозные попытки создания "искусственного интеллекта" на основе ЭВМ, которая нуждается во внешнем источнике энергии. Но совершенно очевидно, что Физические законы для всей природы (живой и неживой) должны быть едиными. В противном случае исключается возникновение жизни из абиогенной среды, что доказано экспериментально (Fox, Dose; Bernal; Ponnamperuma и многие другие).

Эта ограниченность физического аппарата классической, а также квантовой механики, не дает оснований для приближения "Мечты об окончательной теории" (Вайнберг, 2008). Физическая механика и ее математический аппарат способен отвечать только на вопрос первой части книги:

ЧАСТЬ 1. "Как устроена природа (и как происходят природные явления)".

Исключение составляют только электродинамика Фарадея-Максвелла и Специальная теория относительности, основным положением которой является эквивалентность энергии и массы, а также устранение понятия "эфира" и заменой его представлением об электромагнитном поле. Эти разделы включены в Часть 1 книги только в силу соблюдения исторического развития физики, как науки о природе.

Содержание второй части книги посвящено рассмотрению структурных энергетических процессов земной неорганической и органической природы (включая живую природу) на базе основных положений Специальной теории относительности. При этом первым и главным вопросом становится физическое определение понятия "энергия". И если в механике понятием "энергия" определяется характер и величина движения тел или точек, которые обобщенно описываются гамильтонианом, то в энергетических процессах структурных изменений (ядерного, химического, геохимического, биохимического синтеза и пр.) такое понятие энергии не состоятельно. Согласно Фейнману "физике сегодняшнего дня неизвестно, что такое энергия" (Фейнман и др., 1965, вып. 1, с. 73). Соответственно пересматриваются вопросы квантования энергии и принцип сохранения количества движения, а также понятие "природной системы", ее "внутренней энергии" и соответственно понятия "свободной энергии" и "энтропии энергетической системы". Рассматривается механизм самопроизвольности (спонтанности) природных процессов на основе "принципа концентрации внутренней энергии". В следующих разделах книги на конкретных примерах рассматриваются:

• процессы эволюции и энергетического баланса, в неорганической природе, как проявление "принципа концентрации внутренней энергии" и "закона сохранения энергии – массы и количества движения (Е = mс2)";
• процессы эволюции и биоэнергетики в органической природе, как "проявление принципа концентрации внутренней энергии" и "закона сохранения энергии – массы и количества движения (Е = mс2)";
• физическое обоснование биологической эволюции человечества как составной части органической природы.

Таким образом, вторая часть книги посвяшена ответу на "утопический" и "дерзкий" вопрос:

ЧАСТЬ 2. "Почему природа является именно такой, а не другой".

При этом имеется в виду земная природа, что имел в виду А.Эйнштейн (1965), поставивший эти вопросы, перед физической наукой в 1929 г. Что касается космической природы, то ее изучение находится в начальном состоянии и пока не может конкурировать с глубиной изученности земной природы.

Об авторе

Главным в своей научной биографии автор считает не служебную карьеру и получение различных степеней, а, говоря словами Карла Поппера, "критическое стремление к истине", неразрывно связанное с общением с высоконравственными и глубоко мыслящими людьми.

"Пожизненно заразил" автора физикой в довоенные годы школьный учитель – Борис Сергеевич Сафонов, который привил способность физически мыслить. После окончания войны автор экстерном закончил 10 классов в 1947 г., а в 1953 г. закончил биолого-почвенный факультет МГУ им. М.В.Ломоносова. Освоение физики началось в 1961 г., когда автор поступил в аспирантуру к Глебу Всеволодовичу Добровольскому, который поощрял его инициативу – овладеть основными разделами физики экстерном. Электродинамику автор сдавал М.А.Леонтовичу, теорию ядра – Л.А.Арцимовичу. Особенно автор обязан Михаилу Александровичу Леонтовичу, который убедил его в необходимости критического осмысления существующих постулатов физики.

Идея о "принципе концентрации внутренней энергии" возникла в 1961 г. при написании реферата по философии на тему "Роль физических и химических методов в биологии", который вызвал одобрение М.А.Леонтовича и Н.Н.Семенова, отметившего, что соображения автора могут быть очень полезны для атомной физики. Кандидатскую диссертацию С.В.Бойко защитил в 1968 г. Годом раньше в "Бюллетене МОИПА" была опубликована статья "Законы термодинамики и вопросы эволюции природы", в которой формулировался "принцип концентрации внутренней энергии". Тогда же судьба свела автора с Павлом Кондратьевичем Ощепковым – основателем отечественной радиолокации и создателем прибора ночного видения.