|
НОВОСТИ
|
Принцип эквивалентности.Часть 2В школьных учебниках законы Ньютона излагаются как истина в последней инстанции, хотя для их формулировки Ньютону пришлось ввести пять новых сущностей. Этими пятью сущностями являлись масса, как мера материи, сила гравитации, силы инерции, и инерциальные и гравитационные свойства массы. Все эти пять сущностей были введены Ad hoc, (ад хок от лат. ad hoc - к этому, для данного случая, для этой цели). Так, например, силы гравитации и гравитационные свойства масс были введены для объяснения падения тел на Землю и объяснения космических явлений, а центробежные силы инерции объясняли почему космические тела вращаются друг вокруг друга, а не падают друг на друга под действием гравитации. Соответственно, очередной задачей науки стало независимое подтверждение существования каждой из введенных сущностей. Самым существенным шагом в этом направлении был принцип эквивалентности, открытый в ходе эксперимента. Экспериментально было доказано, что центробежная сила действительно существует, что ее величина равна по величине центростремительной силе, вызывающей движение тела с ускорением, т.е. Fцс = Fцб.= MV2/R, где M, V и R масса, скорость и радиус круга вращения. Давайте рассмотрим легко осуществимый эксперимент.
Во времена Ньютона единственной силой, действующей на расстоянии, существование которой признавалось и Коперником, и Галилеем, и Гуком, и Ньютоном, была сила гравитации. Масса считалась мерой количества вещества, соответственно, равенство массы инерционной и массы гравитационной между собой и массой как мерой количества вещества, являлось и является самым весомым во всей истории физики доказательством реального существования всех перечисленных выше нововеденных сущностей. Мы упоминали что, принцип эквивалентности был открыт в ходе эксперимента 320 лет назад, в то время в решении физических проблем уже доминировал математический подход. Согласно этому подходу основной задачей науки является составление математического уравнения, описывающего наблюдаемые явления. Основной парадигмой была парадигма, что в науке столько науки, сколько в ней математики. Значимость теории определялась возможностью в рамках теории, не столько объяснить явления, необъясненные прежде, сколько рассчитать такие явления, которые до открытия этого закона не могли быть просчитаны. Так, например, принцип эквивалентности позволял и позволяет до настоящего времени рассчитывать силу притяжения планет к Солнцу без знания физической природы сил гравитации. В рамках принципа эквивалентности расчитывались и расчитывается первая, вторая и третья космические скорости и массы микрочастиц. Поэтому вопросы как и почему центробежная сила равна центростремительной и, почему масса инерциальная равна массе гравитационной, даже не возникали. Т.е. принцип эквивалентности являлся фактически пятым законом Ньютона. К этому следует добавить, что если бы эти вопросы даже возникали, то дать ответит наука еще не могла. Тем не менее, противоречивость законов Ньютона, на наш взгляд, очевидна. К силам инерции Ньютон относил, как силы инерции при линейном движении, так и центробежные силы. Основанием для этого положения было то, что эти силы расчитываются по аналогичным уравнениям. При круговом движении центробежная сила (сила инерции), была равна силе, вызвавшей движение тела с ускорением, что подтверждалось экспериментально. Соответственно, ожидалось, что и в случае линейного движения сила инерции должна быть равна силе, вызвавшей ускорение. Однако в этом случае тело, двигающееся линейно, нельзя было бы ускорить в принципе. С другой стороны, при круговом движении, при распространении законов линейного движения на круговое, следовало ожидвть, что ускорение движения не может быть вызвано, силой, направленной под 900 к прямолинейному движению тела.
В открытом Ньютоном в 1678 г. Законе Всемирного тяготения (универсальное взаимодействие между любыми видами материи) предполагалось дальнодействие между телами. Основным недостатком этого закона являлось то, что системы, построенные согласно этому закону (в первую очередь, Солнечная система) не могут быть неустойчивыми, т.е. не могут существовать в принципе. Как указывалось в статье, посвященной гравитации, в механике различают три состояния равновесия: безразличного равновесия, устойчивого и неустойчивого равновесия.
В космических и атомных системах при малом отклонение тела из положения равновесия возникают силы, стремящиеся увеличить это отклонение. Т.е при малейшем отклонении тела (например, электрона в атоме), вращающегося вокруг центра (увеличение или уменьшение расстояния между протоном и электроном), центростремительные силы увеличивают это отклонение.
Согласно Википедии, Ньютон знал об этом противоречии в его теории гравитации и ограничился следующей фразой: " ...поддержание настоящего вида Солнечной системы требует вмешательства каких-то посторонних сверхъестественных сил". Характеризуя современное состояние проблемы взаимодействия материальных объектов, Р. Фейнман [Характер физических законов, Лекция 1, Пример физического закона- закон тяготения] писал: «До сих пор никому не удалось представить тяготение и электричество как два различных проявления одной и той же сущности. Сегодня наши физические теории, законы физики - множество разрозненных частей и обрывков, плохо сочетающихся друг с другом. Физика ещё не превратилась в единую конструкцию, где каждая часть - на своём месте. Пока что мы имеем множество деталей, которые трудно подогнать друг к другу... Со времён Ньютона и до наших дней никто не мог описать механизм, скрытый за законами тяготения, не повторив того, что сказал Ньютон, не усложнив математики или не предсказав явлений, которых на самом деле не существует. Так что до сих пор у нас нет иной модели для гравитации, кроме математической» [Характер физических законов, Лекция 2, Связь математики с физикой]. «Ньютон не строил об этом догадок. Ему было достаточно открыть, что происходит, не входя в механизм происходящего. Но и никто другой с тех пор никакого механизма не открыл. Все физические законы отличаются в этом отношении своим абстрактным характером. Почему мы можем пользоваться математикой для описания законов, не зная их причины? Никто и этого не знает. Мы продолжаем идти по этой дороге, потому что не ней всё ещё происходят открытия» [Р.Фейнман, Р.Лейтон, М.Сэндс, Фейнмановские лекции, том 1. Современная наука о природе. Законы механики, с. 132]. «Если бы существовал только один закон такого характера, то это было бы интересным, хотя и досадным исключением. Но, оказывается, чем больше мы исследуем, чем больше законов мы открываем, чем глубже проникаем в природу, тем более хронической становится болезнь. Каждый наш закон - чисто математическое утверждение, причём довольно сложное и малопонятное» [Характер физических законов, Лекция 2, Связь математики с физикой]. Как видите, высказывание о сверхъестественных силах звучит как минимум двусмысленно. В своей теории гравитации Ньютон описал законы неустойчивого существования Солнечной системы. Трудно представить, чтобы Фейнман и авторы подавляющего большинства учебников не знали об этом противоречии. Попытки разрешения этого противоречия предпринимаются в течении последних 300 лет. Обзор этих работ описан, в книге Демина В. Г. "Судьба солнечной системы. Популярные очерки по небесной механике". В предисловии к этой книги мы читаем: "Немногим менее двух столетий отделяет нас от поры, когда выдающиеся французские ученые Жозеф Луи Лаг-ранж и Пьер Симон Лаплас, чьи имена вызывают почтительное и восхищенное уважение ученых всех времен, продолжая великое дело Исаака Ньютона и славной плеяды его последователей, создали величественное здание небесной механики. Около полувека, поддерживая непрерывную связь друг с другом, в духе постоянного творческого соперничества самозабвенно трудились Лагранж и Лаплас над общей проблемой построения теории движения больших планет. Им обоим по праву принадлежит постановка знаменитой задачи механики - задачи об устойчивости Солнечной системы, породившей ряд более частных задач об эволюции орбит и фигур небесных тел.
Лагранж и Лаплас пробили первую брешь в неприступной математической крепости, какой оказалась задача об устойчивости Солнечной системы, получив первое приближенное ее решение. Многие десятилетия виднейшие математики и механики штурмовали проблему Лагранжа-Лапласа. Медленно, шаг за шагом ученые шли вперед, вынужденные преодолевать постоянно встававшие на их пути сложнейшие математические преграды, одну за другой вырывая у природы тайны движения небесных тел. Одна за другой решались частные задачи об эволюции движений отдельных тел Солнечной системы. Но строгое решение знаменитой проблемы оставалось по-прежнему столь же далеким, как и во времена Лагранжа и Лапласа". 100 лет назад в рамках физики и химии было доказано:
В рамках электродинамики было доказано: Заряд, двигающийся с ускорением, вызывает появление электродвижущей силы (далее ЭДС), действующей на заряд, двигающийся с ускорением: 1) с силой равной по величине силе, вызвавшей движение заряда с ускорением; 2) прямо противоположной этой силе по направлению. Величина электродвижущей силы не зависит от вида силы, вызвавшей движение заряда с ускорением. Этой силой может быть и ньютоновская сила гравитации (притяжение масс), и кулоновская сила (взаимодействие зарядов), и сила Лоренца (взаимодействие движущихся с ускорением зарядов с магнитным и электрическим полем). Это может быть и центробежное ускорение, и линейное. Эти открытия позволяют ответить на те вопросы, которые возникли у нас и которые не могли быть сформулированы три столетия назад. Примером такого вопроса является вопрос: почему в экспериментах центробежная сила равна гравитационной? В рамках электродинамики это объясняется тем, что в этих экспериментах заряды, составляющие материю, двигаются с ускорением. Такое ускорение, в свою очередь, приводит к появлению ЭДС, действующей на заряд с силой равной по величине и противоположной по направлению действию центростремительной силы. В рамках электродинамики исходной сущностью является заряд, а не масса. Ответ на вопрос, почему центробежная сила равна центростремительной, количественно объясняется без привлечения массы и ее свойств, что является демонстрацией того, что масса и, соответственно, ее гравитационные и инерционные свойства излишние сущности. Наше объяснение принципа эквивалентности является иллюстрацией широко известного высказывания Бэкона, что новая теория дитя времени, а не авторитета. В результате работ последних 15 лет мы пришли к выводу, что как сама сущность масса, а также масса гравитационная и масса инерционная являются данью времени такой же как флогистон и теплород. Законы Ньютона и принцип эквивалентности были открыты за двести лет до открытия Фарадеем его законов, атомарно-молекулярного строения веществ и выяснения природы химической связи. Об этом мы пишем многие годы на английском и русском языках. Трудность с восприятием наших объяснений связана, в первую очередь, с инерцией мышления. Мы предполагаем, что более простые объяснения помогут преодолеть инерцию мышления научного сообщества. Нам удалось объяснить целый ряд физических явлений без использования такой сущности как масса. Эти объяснения были опубликованы в книгах, размещенных на amazon.com и на нашем сайте. 20 лет назад мы поняли, что такой сущности как масса не существует. Это понимание даже у нас не сразу перешло в веру, не только из-за инерции мышления, но также из-за существования принципа эквивалентности. Только несколько лет назад (примерно в 2007 г) нам удалось понять физический смысл принципа эквивалентности. Как обычно, объяснение оказалось очень простым. Убедило нас следующее: согласно законам Фарадея заряд, движущийся с ускорением, порождает ЭДС, которая действует на заряженную частицу с силой равной по величине и прямо противоположной по направлению. С одной стороны это было объяснение (ответ на вопрос почему) физического смысла уравнения Ньютона, а с другой объяснение принципа эквивалентности, т.к. равенство центробежных сил и сил, вызвавших движение заряда с ускорением, не зависело от природы сил (это Ньютоновская гравитация, или Кулоновские силы, или силы Лоренца) и от вида ускорения. Т.е принцип эквивалентности уже 100 лет назад мог быть сформулирован следующим образом. В поле центральных сил, условие устойчивости орбиты движущегося материального тела, есть равенство центробежной центростремительной сил. Первопричиной сил Лоренца является взаимодействие заряда, двигающегося с ускорением, с магнитным и электрическим полем. Незаряженная материя (Ньютоновская масса) с этими полями не взаимодействует. Центробежная сила в этих экспериментах количественно равна силам Лоренца, т.е. для инерциальных свойств механической (ньютоновской незаряженной) материи количественно не остается места. 300 лет назад была известна только одна центростремительная сила гравитации (притяжение масс) и, соответственно, экспериментальные данные по принципу эквивалентности доказывали существование массы. Количественное равенство центробежных сил силам Лоренца демонстрирует, что такой сущности как незаряженная материя (Ньютоновская масса) не существует. Почему же научные сотрудники, занимающиеся масс-спектроскопией и измеряющие относительную массу заряженных частиц, не обратили внимание, что они определяют инерционную силу заряда, двигающегося с ускорением в магнитном поле? Почему они по ньютоновскому принципу эквивалентности переносят ее на инерционную массу молекул и микрочастиц? Одной из основных причин может являться то, что заряд они рассматривают как способ, позволяющий придать частице ускорение. Пример - определение массы нейтрона, который нельзя разогнать в электрическом поле до нужных скоростей. Аналогично в простейшем случае, когда центростремительные силы являются кулоновскими. Расчет начинается с равенства mv2/r =E q2/r2 , где m - масса электрона, которая была определена в масс-спектрометре, как инерционная сила заряда, двигающегося с ускорением в магнитном поле. По принципу эквивалентности ее относят к массе гравитационной. История с флогистоном, теплородом, массой и Богом показала, что когда, какую-то вводимую сущность нельзя определить экспериментально, то естествоиспытатели отправляют ее либо в историю, либо в церковь. 18-08-2010 |
