Метод теоретической физики.

[jurij]

Здравствуйте уважаемые участники форума. С любезного разрешения администрации форума предлагаю вашему вниманию материалы моей книги «Физика ХХ века. Проблемы и альтернативы». Сейчас к обсуждению предлагается первая часть книги. Полную электронную версию книги я могу выслать желающим по электронной почте. Бумажный вариант книги не предлагаю. Для граждан бывшего СССР его цена (назначенная издательством) заоблачная.
Юрий Волков.

 
Введение.
 
Для метода теоретической физики, как способа научного описания мира,  сейчас характерны две системные  деформации:  излишняя математизация   и  интуитивность.
В рамках первой считается, что  все проблемы физики могут быть решены    методами математики. То есть негласно подразумевается, что все многообразие окружающего нас   мира может быть сведено к совокупности арифметических аксиом. Как следствие, знание физики подменяется сейчас знанием ее  математического аппарата, а собственно метод теоретической физики сводится к методу математического анализа.
 Вторая деформация, которая, по сути,  является следствием первой, связана с тем, что со времен Исаака Ньютона, который, собственно и создал метод теоретической физики, сам метод  сколько-нибудь существенно не развивался.  Выразилось это в том, что,  например,  до сих пор нет  сколько-нибудь   внятных определений таких фундаментальных понятий этого метода как:   измерение, физическая величина, размерность, опыт, закон и т.д.  Точнее, часть этих определений есть,    но они носят либо   отвлеченный, либо сугубо  прикладной характер. Поэтому каждый исследователь вынужден понимать   эти понятия  интуитивно, а значит каждый по-своему. В результате метод теоретической физики, как способ научного отображения мира, сколько-нибудь четко не определен, а физики напоминают    людей, которые  описывают мир на языке  (языке теоретической физики), у которого нет сколько-нибудь четких  правил.   
Можно    возразить, что   масса людей,  не знают ни   синтаксиса, ни   морфологии языка, на котором они разговаривают, но это не мешает им общаться друг с другом.  Потому  проблема метода теоретической физики и ее языка,  это надуманная проблема.
Чтобы показать, что это не так,   в части 2 книги   «Альтернативы»   предложены три альтернативные   физические теории. Их альтернативность    обусловлена тем, что в них  использованы уточненные и не во всем совпадающие с современными представления о методе и основных категорий теоретической физики.
 «Дальнодействие и электромагнетизм».
Показано, что принцип дальнодействия, как способ описания взаимодействия тел,  исключен из современной физики   лишь  потому, что сейчас нет определения   скорости взаимодействия тел.   В  статье   рассмотрена суть этого понятия и  предложено соотношение, описывающее скорость взаимодействия двух материальных тел в рамках принципа дальнодействия. Показано, что эта скорость  для реальных тел   будет конечной. 
Рассмотрен обмен  фотонами атомов и молекул с позиций  принципа дальнодействия. Показано, что в этом случае фотон будет иметь пакетную структуру,  которая   обуславливает дуализм его свойств. Предложено соотношение, в котором скорость света   выражена через параметры электрона (масса, заряд) и константы его состояния в атоме.    На основании этого соотношения показано, почему   скорость света является наибольшей скоростью обмена энергией электрически заряженных тел  и единой для радиоволн, света, рентгеновских и гамма-лучей.
В рамках принципа дальнодействия рассмотрено гравитационное взаимодействие тел. Показано, что оно не может осуществляться тем же способом,  что и электромагнитное.    В частности,  для    этого взаимодействия нельзя указать какую-то   единую скорость.   Для каждой пары   тел  она  будет определяться конкретными условиями их взаимодействия. Для примера рассчитана скорость гравитационного взаимодействия  Солнца и Земли, которая оказалась равной u = 4,71х10¹¹ м/с.       
 «Метрика пространства материальных тел».
Показано,  что отсутствие четких представлений о таком   понятии как   физическая величина,    привело к игнорированию в современной физике  проблемы тождественности гравитационных масс и электрических зарядов. Суть этой проблемы заключается в том, что сейчас в законах Всемирного тяготения Ньютона и взаимодействия электрических зарядов Кулона электрические заряды и гравитационные массы представлены как тождественные физические величины, что очевидно не так.
Показано, что решение этой проблемы тесно связано с процедурой измерения расстояний в пространстве. Учет (в этой процедуре) свойств тел, между которыми измеряется расстояние, приводит к тому, что реальное пространство распадается на три компоненты: Q-, G-, M- пространства, имеющие положительную, отрицательную и нулевую метрики, соответственно. Учет этого  обстоятельства  позволил не только устранить проблему тождественности гравитационной массы и электрического заряда, но и показать связь этих характеристик материального тела с его инертной массой.     
«Материальный заряд в материальном пространстве». 
Постулируется, что электричество является материей, а потому     обладает не только потенциальной, но и кинетической энергией. Мера электрического заряда, обуславливающая его способность обладать потенциальной энергией,  названа   кулоновской массой (компонентой). Мера   заряда, обуславливающая его способность обладать кинетической энергией,  названа инертной массой (компонентой) электрического заряда.   Кроме того постулируется, что  пространство существования электрических зарядов является материальной средой.  Совокупность этих двух  постулатов названа гипотезой МПЗ (материальности пространства и  электрического заряда).
Представление о пространстве как о материальной среде позволяет ввести в нем абсолютную систему отсчета (АСО).  В качестве электромагнитного эквивалента АСО в исследовании используется   особое электрическое Θ-поле.  Предполагается, что это поле является обобщенной характеристикой материальной среды,  и количественной  мерой ее влияния на состояние электрических зарядов в ней расположенных.
Показано, что   при переходе электрического заряда из одной инерционной системы отсчета (ИСО) в другую,  меняется его кулоновская компонента и (со стороны Θ-поля)   на   заряд начинают действовать силы инерции.
Не инвариантность кулоновской компоненты электрического заряда  приводит к возникновению ряда эффектов,  которые сейчас трактуются как магнетизм, эффекты СТО и ОТО. 
Показано, что магнетизм не является самостоятельной сущностью и может быть сведен к кулоновскому взаимодействию зарядов.  Эту же природу имеют ряд эффектов СТО и ОТО, которые являются следствиями неэквивалентности (для электромагнитных процессов) ИСО. 
Рассматривая энергию электрического заряда в Θ-поле удалось указать размеры электрону и позитрону (0,96х10^-20 см),  а также  описать   упругие свойства (зависимость dq/dr) этих и других электрически заряженных частиц.  Удалось  показать  связь упругих свойств электрического заряда ядерной материи с рядом электромагнитных явлений: ЭМИ ядерных взрывов,  электрическая активность атмосферы Земли  и др. 
 В частности,  показано,  что   звезды в процессе своего существования,    должны эмитировать в окружающее пространство положительный электрический заряд в форме   протонов и ядер других химических элементов. Для Солнца рассчитана доля электрически некомпенсированных протонов в потоке солнечного ветра (зарядовая аномалия солнечного ветра).    Высказано предположение, что   зарядовая аномалия звездного ветра   является причиной возникновения эффекта Хаббла.   Рассмотрен ряд других астрономических аспектов гипотезы МПЗ:    генерация (сверхновыми звездами) космических лучей,  гигантских электромагнитных импульсов, радиоволн и др.
 В книге «Физика ХХ века. Проблемы и альтернативы»  использован элементарный математический аппарат,  что делает изложенный  в ней материал доступным широкому кругу читателей,  начиная от школьников старших _изиисов.


 

Мы видим только то, что понимаем.

Метод теоретической физики.

Глава 1.

Измерения.
 В общем случае измерение   можно определить как   процедуру  информационного отображения объекта измерения.  Тогда измерение,  какого либо множества (объектов, явлений и т.п.)  будет  сводиться к  процедуре присвоению  каждому       элементу  этого множества  некого имени –    информационного   образа. По характеру   отображающих имен  все измерения можно разделить на два вида:   классифицирующие и метрологические.
Измерение является классифицирующим, если    между элементами измеряемого и именами отображающего множеств устанавливается  однозначное соответствие.
То есть при классифицирующем измерении каждому  элементу  измеряемого множества   присваивается индивидуальное, отображающее только его имя, которое,  тем или иным образом   характеризует его свойства. Первым и   самым фундаментальным классифицирующим измерением, которое сделал человек,   была устная речь. В этом измерении каждому предмету или явлению окружающего   мира ставится в соответствие  определенная совокупность звуков – слов или словосочетание  устной речи. 
 Письменная   речь является более поздним способом отображения  мира. Эта речь  формировалась в двух направлениях. В рамках первого изображения  животных, вещей и событий окружающего мира  постепенно упрощались до символических.  За тем эти символы –  иероглифы,  становились    элементами письменной речи,  символическим письмом.    Это  письмо  широко распространено  по сей день и не только как иероглифическая письменность.   Символическим письмом является техническое черчение,   дорожные знаки, пиктограммы и т.д.
Буквенное письмо является   классифицирующим измерением  собственно устной речи. В его рамках звукам и звуковым сочетаниям этой речи ставятся в соответствие графические символы – буквы.   
 
1.1. Материальные множества и метрологические измерения.

 Рассмотрим свойства материальных множеств на примере воинского отряда.  Признаки, по которым солдаты   являются элементами этого множества – это не только единая форма одежды и владение оружием, но и  единство   действий, определяемое совокупностью команд, отдаваемых воинским начальником.  Поэтому множество солдат нельзя считать воинским отрядом,  если они распределены на такой большой территории,  что не в состоянии слышать команды  своего начальника.  То есть,   

   Материальное множество – это   множество элементов, объединенных единым признаком и территорией, на которой этот признак является значимым.
 С точки зрения воинского начальника солдаты являются неразличимыми элементами войскового отряда.  Множество, которое состоит из неотличимых друг от друга элементов, является метрологическим. К такому множеству применима операция метрологического измерения, при которой  между  элементами измеряемого и именами отображающего множеств  устанавливается, только лишь  количественное соответствие.
Во времена, когда люди не умели считать, метрологическое   отображение войскового отряда  выглядело примерно так. Мимо специально выделенного человека – счетчика,  последовательно проходили солдаты, а он обозначал каждого из них условно одинаковыми палочками, камушками и т.п.  После того как все солдаты  прошли мимо счетчика связка таких палочек    становилась  метрологическим образом,  количественной мерой воинского отряда. Основное свойство метрологического измерения проявлялось   в том, что не суть важно, в каком порядке солдаты  проходили мимо счетчика.   Мера этого множества  - количество палочек в связке,  оставалась неизменной.   
 
 
1.2. Сложение и вычитание материальных множеств.

    Пусть  для выполнения какой-то задачи два войсковых отряда A и B были объединены в один отряд C.  В процессе объединения счетчик объединенного отряда отметил  каждого солдата палочкой. В результате он получил  связку, в которой было «c» палочек. Счетчик    сравнил эту связку со связками «a» и «b», которые были метрологическими мерами исходных отрядов. Для сравнения   он использовал процедуру наложение.  Для этого  он разложил связку «c» на отдельные палочки. Затем около каждой такой  палочки  стал класть по   палочке из связки «a». А когда   эта связка закончились, аналогично разложил  связку «b». В результате оказалось, что все палочки связок «a» и «b» без недостачи или излишка разложились по палочкам связки «c». То есть при наложении множество «c» совпало с суммой множеств «a» и «b»: 
 

a + b = c. 

                   

На основании этого сравнения счетчик сделал   важный вывод.   Оказалось, чтобы получить метрологическую меру   объединенного отряда не обязательно проводить утомительную процедуру метрологического  измерения солдат в него входящих.   Достаточно сложить метрологические меры исходных отрядов. 
Кроме этого счетчик заметил, что независимо от порядка, в каком солдаты объединенного отряда   проходили процедуру метрологического отображения, количество палочек в связке «c» оставалось неизменным.  Этот вывод подтвердился тем, что независимо от того, в каком порядке проводить сравнение     связок «a» и  «b» со   связкой «c», результат сравнения не менялся. То есть:
   

a + b = b + a = c

  После выполнения  поставленной задачи, объединенный отряд C  покинул отряд A.     Чтобы отобразить это событие счетчик отметил каждого уходящего солдата палочкой из   связки «c». В результате он получил две связки. Связку «y», отображающую солдат, покинувших объединенный отряд. И связку «x», которая осталась от связки «c». Он сравнил эти связки с имевшимися у него связками   «a» и «b».  Оказалось:  y = a; x =  b. На основании этого   счетчик  подтвердил ранее сделанный вывод.   Уход отряда A, можно  отобразить, используя метрологические  меры  отрядов  «a», «b», «c». При этом оказалось, что используя эти меры,    можно  отобразить разные способы разъединения объединенного отряда: 
 

c  - a = b;    c  - b = a

1.3. Деление  и умножение множеств.
 
В обязанность счетчика входило ежедневное распределение между солдатами отряда хлебных лепешек. Ранее эта процедура была длительной и утомительной: сначала солдатам раздавали по одной лепешке, затем по две и так пока лепешки не заканчивались.  Чтобы упростить эту процедуру счетчик решил заметить солдат их метрологическими образами. Для этого около каждой палочки, обозначающей солдата, он клал сначала по одной   лепешке, за тем по две и так далее. В результате возле каждой палочки получалась кучка лепешек. Раздав эти кучки солдатам,   он убедился, что порций оказалось ровно столько,  что они без остатка и недостачи распределились между солдатами. То есть первоначальный способ  распределения лепешек:

A/B = C,

Где: A – множество лепешек;
         B – множество солдат;
         C – число лепешек у одного солдата;

Он заменил процедурой, в которой солдаты не участвовали:
   

A/b = C

Здесь: A – множество лепешек;
            b – количество палочек, отображающее  солдат;
            C -  количество лепешек для одного солдата.   

Столь же  успешно удалось распределить между солдатами большие хлебные буханки.  Для этого счетчик около каждой буханки разложил сначала по одной палочке, за тем по две и т.д.:

b/A = d

Здесь  A – количество буханок;
            b – количество палочек, отображающее  солдат;
            d  -   количество палочек, отображающее солдат, на которое  выдавалась одна буханка хлеба.
Следующая проблема, состояла в следующем. Счетчику была известна суточная потребность одного солдата в лепешках, например три лепешки.  Но солдат в отряде было много, а потому общее число лепешек,   необходимое  для отряда помещалось только в большой корзине.   Столько лепешек   ни счетчик, ни пекарь количественно оценить не могли, т.к. они не умели считать. Количество они оценивали так: один, два,  три, много.  Операция (4) позволяла  поровну распределить     лепешки   среди солдат. Но поскольку день ото дня пекарь выпекал различное количество лепешек,   то возникали проблемы: либо не всем солдатам доставалось по три лепешки, либо их было в излишке.
 Чтобы точно отобразить количество лепешек, которое пекарь должен  печь для отряда, счетчик поступил так. Около каждой палочки, обозначающей солдата, он положил  по три камушка (столько лепешек необходимо  солдату на сутки). Затем он собрал все камушки в мешочек, отнес его пекарю и  объяснил, что он должен  каждый день печь столько лепешек, сколько камушков в мешочке. Считать пекарь не умел,  а вот сравнить два множества (камушки и лепешки) мог вполне. Поэтому, когда в последующем счетчик  распределял лепешки, то   убедился, что пекарь каждый раз выпекал, столько лепешек,  что каждому солдату  доставалось ровно  по три лепешки. 
Формально операцию, которую счетчик использовал для определения количества лепешек для отряда можно отобразить так:

a x b = c

Здесь: a – количество палочек, отображающих число солдат в отряде;
            b – количество камушков, равное суточной потребности солдата в лепешках;
            c – количество камушков, равное суточной потребности   отряда в лепешках.

1.5. Счет и числа.

Отображение материальных множеств в форме материальных имен (палочек, камушков и т.п.) было слишком громоздким. В дальнейшем материальные имена  стали заменять   символическими:  точками, черточками и т.п.  Однако  для больших множеств  и такое  отображение было слишком громоздким. Для решения этой проблемы в метрологических измерениях стали использовать счетные ряды.
 
Счетный ряд,   бесконечный ряд   имен,   каждое из которых является именем суммы всех предыдущих членов ряда.

Соответственно,  процедура измерения  метрологического множества  с использованием  счетного ряда называется счетом.

Счет – процедура последовательного присвоения имен  счетного ряда элементам измеряемого множества. 

Частным случаем счетного ряда является ряд натуральных чисел.  Например, чтобы пересчитать яблоки в корзине мы, внимая их из корзины, последовательно присваиваем  им имена этого ряда: один, два, три, четыре… В результате имя последнего яблока, например восемь, будет непосредственно указывать на количество яблок, которое было в корзине.
 Таким образом,  собственно числа, как имена счетного ряда, применительно к арифметике никакими свойствами не обладают. Предметом исследования этой науки являются свойства числовых  множеств, меры которых символически отображаются числами. Числовым множеством будем называть

множество  счетных элементов поименованных с помощью процедуры счета.
   
Соответственно,

 счетный элемент это  элемент, символически отображающий факт наличия элемента материального.

  Например, при подсчете яблок мы фактически подсчитываем не собственно яблоки, а операции по их извлечению  из корзины. То есть мы  отображаем этой операцией наличие   яблока   счетным элементом, с последующим их (этих элементов) подсчетом.  Замену яблок счетными элементами можно произвести иначе: коснуться или указать пальцем каждое яблоко, отследить каждое яблоко взглядом и т.п. и затем подсчитать эти действия.
  В показанном примере счетные элементы  существуют только в нашем сознании. Но они могут быть отображены   и    материально. Например,  костяшки счет,   ферримагнитные кольца ячеек  памяти ЭВМ, намагниченные или закрашенные полоски штрих кода и т.д. Все это счетные элементы, отображенные материально. Такие счетные элементы уже могут служить элементами информационными:

Информационный элемент, это  материально отображенный счетный элемент, который непосредственно или посредством промежуточного устройства (контроллера) воздействует на предмет управления.

Например,   колок в соответствующей позиции барабана шарманки – это материальный  счетный элемент. Но поскольку, при вращении барабана,  он,   цепляя язычки шарманки, непосредственно  воспроизводит запрограммированную мелодию,   он за одно,  является элементом информационным. Такими же  являются    колки барабана механического арифмометра, перфокарты ткацкого станка Жаккарда и т.д. 
 Информационные элементы, которые воздействуют на предмет управления  посредством  контроллера, являются, например,    костяшки счет.  Чтобы их положение   было отображено в бухгалтерской книге в виде соответствующей записи,    необходим контроллер – бухгалтер.   Или нотные знаки. Предметом их  управления   является музыкальный инструмент, а контроллером музыкант.
Кроме субъекта контроллером может быть и объект – механическое, электрическое, электронное устройство, биологическая система и т.п.. Например, в сливном бачке унитаза   предметом управления служит запорный клапан, по которому вода подается в бачек. Информационным элементом является  уровень воды в бачке.  Контроллером – рычаг с поплавком,  который преобразует значение уровня воды   в управляющее запорным клапаном действие.
  Наиболее распространенным способом генерации имен  счетного ряда является позиционная система счисления. Она позволяет, используя позиционный порядок размещения конечного набора исходных имен счетного ряда, компактно отображать  большие метрологические множества. Особенность   такой системы счисления заключается в том, что кроме исходных имен она нуждается в  особом имени, которое должно отображать отсутствие исходного имени в какой-либо позиции.  Например, в десятичной системе   исходными именами является: один, два, три, …девять. А отсутствие, в какой либо позиции одного из этих имен обозначается именем «ноль». 
 

1.6. Ноль и отрицательные числа.

Свойства нуля, как числа   можно показать так. Пусть мы подсчитываем яблоки в корзине. Для этого мы   выкладываем их на стол.  Пусть в начале,    на столе нет яблок.     Это «ничто»   обозначим именем «ноль».  Далее,  выкладывая яблоки,   мы присваиваем им имена: один, два, три…Очередной раз мы можем сунуть руку в корзину и вынуть ее, ничего не взяв. Это «ничего»  снова назовем «ноль». И, наконец, мы вынули восьмое яблоко. Но поскольку мы не знаем количества яблок в корзине, снова опускаем руку в нее. А так как яблок в корзине не осталось, то вынем пустую руку, т.е. снова ничего - «ноль». 
Формально совокупность  этих действий можно описать так: 0, 1, 2, 3, 0, 4, 5, 6, 7, 8, 0.  Очевидно,   сколько бы пустых  выемок   мы в процессе  счета не сделали, результат счета, т.е. имя последнего яблока не изменится.  Укладывая яблоки назад в корзину, мы также может делать пустые кладки. При этом очевидно, что,  сколько бы пустых кладок мы не делали, окончательное количество яблок в корзине останется неизменным. Отсюда следует основное свойство ноля:

A + 0 = A – 0 = A.

То есть,  ноль можно как прибавить к множеству, так и отнять Множество от этого не изменится. Однако совершенно очевидно, что если от материального множества можно отнять «ничто» (ноль), то обратное невозможно. Невозможно потому, что это противоречит закону сохранения материи. Тем не менее, есть реальные ситуации, которые формально описываются   соотношением:
 

0 – A = B

Здесь A и B – некие материальные множества. 
 
Например, из опытов по электризации, известно, что если от электрически нейтрального тела отнять электрический заряд одного знака, то тело приобретет заряд другого знака. А если отобранный заряд вернуть телу, то оно вновь станет электрически нейтральным. Из современных представлений   следует, что  электрически нейтральное тело  состоит из атомов и молекул. Их электрическая структура имеет вид: 0 = [(-q)+(+q)],  где –q и +q это частички, имеющие электрические заряды двух различных типов. То есть, чтобы  (7) не противоречило закону сохранения материи,  нолем следует  считать некое составное множество:

0 = [A + B]

От такого ноля уже можно вычесть как  множество A, так и множество B:

0 – A = [A + B] – A = B;   0 – B  = [A + B] – B = A

Таким образом, применительно к материальным множествам «ноль», можно  толковать двояко. 
1. Ноль, это отображение   отсутствия   материального множества.
2. Ноль, это составное множество, состоящее из двух видов элементов,      обладающих взаимно компенсирующими свойствами. Тогда «ноль» отображает отсутствие преимущества, какого либо, из этих свойств, применительно к составному множеству в целом. 
Например, атом  это электрический ноль – составное множество электрически компенсированных положительно и отрицательно заряженных частиц.  Вода, это составное множество двух взаимно компенсированных  кислых H+ и щелочных OH- ионов. То есть вода – это кислотно-щелочной ноль.   
Для количественного отображения двух типов взаимно компенсирующих свойств необходимо, очевидно,  два типа чисел. Ввести их можно так.    Обозначим в (8) меру свойства единичного элемента множества «A»  единицей 1. А  меру свойства единичного элемента множества «B»  особой единицей *1.   Поскольку A + B = 0,  то, соответственно, 1 + *1 = 0. Обозначение особой единицы может быть и иным. К настоящему времени общепринятым считается, что:   *1 = -1 . Такое обозначение удобно   тем, что в нем знак (-) имеет двоякий смысл. Он может обозначать особый (отрицательный) статус единицы:
 

(+1) + (-1) = 0.

 Либо отображать результат    вычитания  положительной единицы  самой из себя.

(+1) – (+1) = 0.

 Таким образом,  числа  могут быть определены как метрологические отображения материальных множеств, а операции над ними (числами), как свойства этих множеств. Можно  заметить, что таким способом не удастся определить мнимые числа, поскольку реальных тел, мерой свойств которых были бы мнимые числа, не существует. На самом деле это не так. То, что такие тела есть и с их свойствами  мы сталкиваемся повседневно, будет показано в разделе «Метрика пространства материальных тел». 
 
 

Глава 2.

Метод формального отображения.

2.1.Синтез физических величин.

 Отображение  чувственно воспринимаемого  свойства тела в виде числа осуществляется в процедуре метрологического измерения посредством измерительных приборов. Измерительный прибор позволяет количественно сопоставить измеряемое свойство  с эталоном – частью этого же  свойства, принятой в качестве единичной. В результате измеряемое свойство можно отобразить в виде метрологического множества – суммы одинаковых (эталонных) частей. 
Например, чтобы определить  вес тела D его необходимо поместить на одной чаше весов, а  на другой поместить такое количество одинаковых тел d, что их вес уравновесит вес тела D: 

D = nd,

где n – положительное безразмерное число.

В этой процедуре тело D – это объект измерения. Весы с разновесами d – это   измерительный прибор.  А результатом измерения является безразмерное
положительное число  n. То есть, процедура метрологического измерения отображает все свойства тел в виде множества метрических мер  – неотличимых друг от друга положительных безразмерных чисел. Чтобы различать эти меры им присваивают имена – названия физических величин. Каждое такое имя обозначает  определенное физическое понятие -  свойство тела, наблюдаемое в том или ином физическом явлении.
Например, понятие электрический заряд,  вводится из опыта Кулона, в котором наблюдается явление пространственного взаимодействия электрически заряженных тел.  Суть этого опыта состоит в следующем. Необходимо измерить величины зарядов q₁  и q₂  двух  тел и расстояние r и отделяющее. После этого измерить силу F, действующую на  тела. Опыт показывает, что результаты этих измерений будут соотноситься так:
   

F = q₁q₂/r²

Эта запись (закона Кулона) позволяет определить понятие «электрический заряд»     через совокупность других,  определяющих  этот опыт сущностей (понятий), в форме алгебраического соотношения так:

электрический заряд = (расстояние) ×(сила)^1/2.

Такое   определение  сути электрического заряда  называется физической размерностью электрического заряда. То есть,

физическая размерность это  способ    выражение сути физической величины в форме алгебраического выражения,  составляющими которого являются сущности опыта, в котором она вводится как понятие.

Если   для  какой либо физической величины нельзя указать   определяющий опыт, т.е. ее суть  нельзя  выразить посредством других (более простых)  понятий, то ее определяют априори.   В современной физике так определяются три физические величины: масса, длина и время.  Эти физические  величины определяются непосредственно через свои эталоны, имена которых используются в качестве их независимой размерности. 
    Физическую размерность,    как    алгебраическое выражение,  можно умножать,   на числа, вектора и т.д.  Синтезированная таким способом объект называется физическая величина. Она обладает всеми свойствами исходного математического объекта за _ исключением одного: физические величины, имеющие различные размерности не аддитивны, что является формальным признаком их отличия.
      Процедурно любой физический опыт сводится к совокупности изменений физических величин в нем участвующих. Отсюда следует, что  минимальное  число  независимых размерностей,  необходимое для конкретной теории, будет равно минимальному числу независимых  измерений, к которым можно свести   любой, описываемый этой теорией, опыт.
Например,   для геометрии достаточно лишь длины, поскольку  любые утверждения этой теории можно проверить в  опытах, все измерения которых сводятся к измерению этой величины.  Для кинематики достаточно длины  и времени.  Любые утверждения физики можно проверить в опытах, измерения которых сводятся, в конце концов, к измерению длины, времени и массы.   Теория, которая оперируют безразмерными величинами, в опыте не нуждается вовсе. Например, в математике справедливость тех или иных утверждений проверяется не в опытах, а в специальных логических процедурах, которые называются теоремами.
     Метрологические измерения и физическая размерность позволяют отобразить все свойства тел в виде множества положительных размерных чисел.  Такого отображения достаточно, например для масс.
Пусть число m  является мерой массы, какого либо тела, а числа m1 и  m2  меры масс его частей. Тогда   соотношения: m = m₁ + m₂;   m₁ + m₂  = m, можно рассматривать как  описания двух опытов, по делению тела  и его синтезу. Однако не все действия с   числами можно сопоставить с опытом.  Для масс нет опытного аналога соотношению: m₁ – m = - m₂, поскольку отнять от меньшей массы большую, нельзя. То есть, из опыта следует, что свойства масс таковы, что  для их отображения достаточно только  положительных чисел. 
 Есть величины, свойства которых отобразить, используя свойства положительных чисел, не удастся. Например, из опыта, известно, что если от электрически нейтрального тела отнять заряд одного типа, то тело  приобретет заряд другого типа. А, если отобранный заряд возвратить телу, то оно вновь станет электрически нейтральным. Формально отобразить  совокупность этих действий можно так: 0 – (+q) = -q;  0 – (-q) = +q;  (-q) + (+q) = 0,  где: +q, -q  -  положительные и отрицательные числа, меры электрических зарядов двух различных типов. То есть, чтобы в полном объеме отобразить наблюдаемые в опыте свойства электрических зарядов необходимо два типа чисел: положительные и отрицательные.   
  Кроме того есть свойства тел, быстрота перемещения в пространстве – скорость, мера их взаимодействия – сила,  свойства которой в полном объеме отобразить числом не удастся. Для этого нужен вектор.
Таким образом,  чтобы   отобразить то или иное свойство тела недостаточно определить лишь его суть (физическую размерность) и количественную меру (положительное безразмерное число). У материальных тел есть  множество свойств, которые выходят за рамки такого отображения. Потому, чтобы в полном объеме  отобразить их  необходимо  подобрать   такой формальный объект Ψ (число, вектор и т.д.), свойства которого  наиболее полно будут соответствовать  наблюдаемым в опыте свойствам  реального тела.
При этом, поскольку предметом исследования физики являются только те свойства тел, к которым применима метрическая мера,   отображающий объект должен иметь  структуру: Ψ = 1ψM, где 1ψ – формальный тип объекта, например единичный вектор. M – метрическая мера объекта, положительное безразмерное число.
Тогда, присвоив Ψ соответствующую физическую размерность N, получим синтетический формальный объект – физическую величину, который будет формально отображать свойства реального  тела:
 

F = 1ΨMN

Здесь: 1ψ –  формальный тип физической величины,  единичный скаляр,  вектор, и т.п. 
M – метрическая (количественная) мера  физической величины, положительное, безразмерное число, 
N – физическая размерность,  суть физической величины, ее формальное имя. 
 
Таким  образом,

 физическая величина – это синтезированный (исследователем) объект,  который своим формальным типом, метрической мерой и физической размерностью  отображает свойства реальных тел.

 Физические величины дифференцируют  отображаемые свойства тел   как  по сути,  которую отображает физическая размерность.   Так и по  свойствам, которые отображаются формальным типом физической величины.
Например, сила и скорость.  Эти  величины имеют одни и те же  свойства (правила действий с ними), что отображено в единстве их формального типа – обе эти величины вектора.  Отличаются   они по своей сути, что отображено в их размерностях. Сила – это мера взаимодействия   тел, а скорость быстрота их относительного перемещения
 Энергия и момент силы.  Эти величины имеют одну и ту же суть –   это меры действия силы  применительно к  какому-то расстоянию, что выражается в единстве их  размерностей. Отличаются эти физические величины по своим   свойствам, что выражается в отличии их  формального типа: энергия, это скаляр,   момент силы – вектор.
Электрический заряд и гравитационная масса.  Они имеют одну и ту же суть – отображают способность тел взаимодействовать в пространстве, что выражается в равенстве их физических размерностей. И обладают одними и теми же свойствами, что выражается в равенстве их формальных типов – обе величины являются скалярами. При этом очевидно, что по существу, а не по

[jurij]

При этом очевидно, что по существу, а не по формальной сути, это разные величины.  Причину этого противоречия и способы его  устранения будут рассмотрены в разделе «Метрика пространства материальных тел».     
 
2.2. Закон и опыт.

Будем считать, что

 физический опыт есть  способ наблюдения за физическим явлением путем измерения физических величин его определяющих.

То есть, в рамках физического опыта решается две задачи. Во-первых, явление квалифицируется, определяются  совокупность физических величин, его обуславливающих. И, во-вторых, путем измерения этих величин, явление отображается формально – в виде совокупности чисел. 
Если  связь между   этими числами  можно отобразить в виде математического соотношения, то такое   соотношение будем называть физическим законом:
 
физический закон это   способ  отображения физического явления  в   форме математического соотношения, которое описывает опыт, воспроизводящий явление, и количественную форму связи физических величин его определяющих.

Например, запись закона Кулона: F = q₁q₂/r². Состав физических величин, образующих эту запись формально отображает процедуру проведения опыта Кулона.  То есть, чтобы воспроизвести этот опыт необходимо измерить заряды двух тел q₁ и q₂ , расстояние между ними r, и силу F на них действующую. Математическая же формула закона показывает, как количественно будут соотноситься результаты этих измерений.   
На основании такого определения   физического закона  можно сформулировать условие корректности  отображения физического явления в форме физического закона:

закон, описывающий явление должен формулироваться (записываться) строго в рамках тех физических величин, которые измеряются в опыте, воспроизводящем это явление.

Сейчас молчаливо подразумевается, что запись физического закона – это всего лишь формально корректное математическое соотношение, которое   правильно  описывает результат того или иного физического опыта. Потому, в частности, запись может содержать любые, в т.ч.  никак не связанные с процедурой опыта величины. Иными словами не суть важно, каким способом исследователь описал результат опыта. Важно, чтобы результат был описан правильно и формально корректно. 
По сути это означает, что сейчас физический закон рассматривается   лишь как  описание результата опыта, но не явления, которое в этом опыте воспроизводится. То, что это не одно и то же можно показать на следующем примере.   
Закон всемирного тяготения часто записывают  в терминах  инертных масс взаимодействующих тел,  из-за чего в записи появляется размерный коэффициент γ – гравитационную постоянную:

F = γm₁ m₂ /r²

  Такая запись является формально корректной и правильно   описывает результат опыта (Кавендиша). Но она не отвечает условию корректности отображения явления в форме физического закона, поскольку содержит величину (гравитационную постоянную), значение которой в этом опыте не измеряется. Как следствие,  запись неверно описывает и само явление: из нее следует, что инертной массе присуще свойство гравитации, что, на само деле не так.

 

2.3. Физическая теория.

 Формализованная    теория (физическая, химическая, экономическая) –   это способ  описания окружающего нас мира, в котором свойства тел и их отношения друг к другу отображены посредством  формальных величин и математических уравнений из них составленных.  То есть формализованная теория описывает мир в категориях,  имеющих точное количественное выражение, чем принципиально отличается   от иных, художественного, философского и др.   способов описания  нашего мира.   
В физической теории в качестве  формальных  величин используются физические величины, которые делятся на две группы. 
Первая группа физических величин, образующих теорию, это физические величины, образующие ее фундамент,  исходные понятия теории.  Эти   величины отображают свойства  тел,  которые считаются на момент создания   теории,  объективно установленными,   подтвержденными наблюдениями в опыте. Отображение наблюдаемых в опыте свойств тел в форме физических величин осуществляется сейчас исследователями интуитивно.  Описанный выше «Метод формального отображения» призван заменить интуицию  конкретного исследователя  определенной процедурой.
Вторая группа физических величин отображает предмет исследования теории,  и  формулируются (создателем теории) так.
Пусть на момент создания теории существует совокупность  фактов,  которые не находят своего описания в существующих теориях. Например,  способность тел быть   холодными и горячими, накапливать и пропускать тепло, не могли быть описана в рамках   механики Ньютона, поскольку их нельзя было определить в рамках  основных сущностей этой теории:  масса, время,  расстояние. Поэтому создатели термодинамики   постулировали существование еще одной  фундаментальной сущности – теплород.   
 Свойства теплорода, как предмета исследования термодинамики,  отображаются в трех базовых (для этой теории) опытах.  Это опыт по измерению температуры, где она (температура)  выступает как мера содержания  в теле теплорода. Теплоемкости и теплопроводности, количественные меры тел, которые отображают их способность   накапливать и проводить теплород.
Температура, теплоемкость, теплопроводность в полном объеме определяют свойства теплорода как предмета исследования классической термодинамики.    Никаких иных свойств  теплород не имеет по определению. Потому тепловые явления,    которые выходят за рамки этих свойств, выходят за рамки   полномочий  этой теории. Например, известно, что     скорость движения броуновских частиц зависит от температуры среды, в которой они находятся. Однако, несмотря на то, что это явление формулируется в терминах  классической термодинамики (время, расстояние, температура),  оно выходит за рамки ее полномочий.    По определению теплород, содержащийся в среде, кроме температуры,  никаких  иных ее свойств  не меняет. Потому   классическая термодинамика  не отвечает на   вопрос, почему скорость броуновского движения зависит от температуры.
 
 
2.4. Свойства формализованных теорий.
 
Все явлений,   которые  формулируются в терминах   конкретной теории, условно  можно разделить на  внутренние и внешние. Будем называть явления и опыты, в которых они воспроизводятся, внутренними, если они   попадают в область полномочий теории.   То есть, внутренними для теории являются опыты,   в которых  воспроизводятся свойства ее предмета исследования. А поскольку   теория формулируется, собственно для описания этих опытов, то   корректно сформулированная теория  будет заведомо им  соответствовать.
То есть, 

любая корректно сформулированная теория  является заведомо верной, соответствующей своим внутренним опытам. 

По этой причине соответствие теории   внутренним опытам не   служит поводом  утверждать,  что предмет ее  исследования   является объективной реальностью. 
Например, соответствие выводов классической термодинамики своим внутренним опытам не   служит поводом для утверждения, что  теплород     является объективно существующей  реальностью.  Так же, как  соответствие опыту выводов СТО  не может  служить поводом для утверждения, что такой   реальностью является пространство-время.
Если же выводы теории не подтверждаются в опыте, то это свидетельствует,  лишь о том, что теория сформулирована некорректно, либо в ее рамках пытаются найти ответ на вопрос, который выходи за рамки ее полномочий. Второе является следствием некорректного толкования смысла ее исходных посылок, постулатов теории.
 Формальный анализ, как метод исследования, не меняет свойств физических величин,  из которых составлены соотношения теории. Потому любой ее  вывод, полученный на основе анализа этих соотношений,     будет ничем иным как   формой   описания   ее  предмета исследования. По этой причине

корректно сформулированная теория является внутренне непротиворечивой и ограниченной конструкцией.
 
Непротиворечивой своим исходным посылам,  и ограниченной  описанием   свойств предмета своего исследования.   Явления, которые выходят за эти рамки, корректно сформулированная теория в принципе описать не может. Потому выводы, которые   будут  противоречить опыту, в рамках   корректно сформулированной теории получить в принципе невозможно.   
Например,  классическая термодинамика в принципе  не может описать зависимость от температуры    скорости броуновского движения, диффузии и т.п. явлений.   Не может потому, что  она описывает  свойства теплорода  применительно к бесструктурным  телам.  Потому тепловые явления,   обусловленные наличием у тел   структуры,    не могут быть описаны этой теорией. 
   В СТО тела также являются бесструктурными, а потому эта теория  не может ответить на вопрос, как в   соотношении E = mc2 , осуществляется  преобразование энергии в массу и наоборот.  В рамках СТО это  преобразование лишь констатируется.   
 

2.5. Характер научной истины.

Если  физическая теория – это один из способов научного  описания мира, то цель этого описания можно определить так:

научное описание   мира   есть способ   его  подготовки для преобразования в среду обитания  человека  инженерными методами.

 Особенность инженерного метода   заключается в том, что инженер преобразует мир, используя количественное описание его свойств. Отличие  этого метода   от интуитивного можно показать так. Шалаш можно построить,  используя лишь качественные, интуитивные представление  о   свойствах  окружающих вещей. Но этот метод приведет к плачевным результатам, если его применить,  например,   при постройке многоэтажного дома. Для такой постройки необходимы прочностные расчеты,  основанные на количественных мерах   прочности материалов,  из которых строится дом. Поэтому физика, как собственно и другие точные науки, первоначально возникли,  и по сей день служат практической потребности инженеров в количественном описании   мира.
Из  вышесказанного вовсе не следует, что интуитивное восприятие мира является   второстепенным, а тем более бесполезным в задаче его преобразования   в среду обитания человека.  Такое восприятие является основой любой творческой деятельности человека, в частности, изобретательства. В отличие от     научной или инженерной деятельности, где мир представлен в количественных категориях,    изобретатель решает свои задачи, используя качественное видение мира. И лишь  для практической реализации изобретения требуются научные и инженерные методы.
Как предмет  научного описания,  окружающий нас мир   в каждый момент времени    представлен    всей совокупность  явлений,   отображающих его свойства.   Часть этих явлений нам известна и описана в рамках  соответствующих теорий. То есть эти явления получили количественное описание в рамках   некой совокупности понятий –  постулатов   теорий. Например, тепловые явления количественно описаны классической термодинамикой как проявления свойств особой жидкости – теплорода. Релятивистские явления описываются в СТО, как эффекты, возникающие при  деформации  пространства-времени, и т.д.
Есть явления, которые известны, но не имеют научного описания. Если это практически значимые явления, то их описывают инженерными методами. Отличие инженерного описания от научного заключается в том, что оно обязательно содержит   опытные коэффициенты,  посредством    которых   описание  количественно   «привязывается» к какой-либо теории.  Такая привязка всегда  является «точечной»,  а  потому попытка расширить границы применимости инженерного описания,  как правило, приводит к очень большим ошибкам. Например, типично инженерным   является современное описание ЭМИ ядерных взрывов.  Оно дает хорошую сходимость при описании наземных взрывов, но приводит к очень большим (в десятки и сотни раз) ошибкам при описании взрывов высотных.
Важно отметить, что независимо от способа описания явления:  научный, инженерный, интуитивный, его суть, в частности  применительно к практическому использованию не меняется.   В связи с этим возникает вопрос, а зачем, собственно,  нужны новые теории. Например, чем описание тепловых явлений современной термодинамики лучше,   описания этих же явлений термодинамики классической.
Если   говорить  об одних и тех же явлениях, то, с инженерной (практической) точки зрения,    ничем. Пример тому, инженеры-теплотехники по сей день пользуются   представлениями и формулами классической термодинамики,  отчего их технические расчеты не становятся неверными. 
Однако есть явления, и такие явления будут, очевидно,  всегда, которые нам не известны. Они могут быть открыты как  опытным путем, так и анализом существующих,  или предсказанием новых теорий. Аналитически  способ  является, очевидно, предпочтительнее,   чем  метод экспериментального «тыка». Примером   неэффективности     последнего  может служить поиск    «горячей» сверхпроводимости. Из-за отсутствия «хорошей» теории      «горячие» сверхпроводники  ищут этим  методом давно и пока безуспешно.
То есть, необходимость новых теорий обусловлена, в первую очередь, практической  потребностью общества.

Новая теория – это самый эффективный способ открытия новых, в первую очередь практически значимых явлений.
 
 Вторая задача новой теории – это развитие и уточнение научного мировоззрения общества. Собственно,  только  оно (научное мировоззрение) позволяет обществу правильно распределять свои ресурсы: понять нереальность одних и важность   других задач.  Например,   первоначально  Земля в  общественном сознании была плоской. Из такого  представления    следовала нереальная  цель  –  достичь края Земли. А практически  значимая    –  возможность обогнуть Землю, становилась совершенно нереальной. Представление о Земле как о шаре поменяло местами эти цели. При этом очевидно,  такие ситуации будут существовать всегда.  Например,   сейчас общество затрачивает немалые материальные и интеллектуальны ресурсы на поиски магнитных монополей, эфира, вакуумных вихрей и т.п. виртуальных сущностей,  существование которых  допустимо в рамках современного научного мировоззрения.
 Таким образом, новая теория – это, во-первых, новые материальные возможности обустройства среды обитания человеком. А во-вторых,    это новое мировоззрение, основанное на новых  представлениях  об  объективных сущностях, как совокупности понятий, определяющие наш взгляд на   окружающий мир. 
 Очевидно, что конкретная  физическая теория,  это лишь  один из возможных  способом  описания   окружающего   мира. Критериев,  по которым это способ   объявляется научной теорией, а ее постулаты   принимаются в качестве объективной истины – два.
Первый, соответствие теории  опытам. Выше было показано, что любая корректно сформулированная теория будет отвечать этому критерию. Второй и основной критерий, это  консенсус научного сообщества. То есть, если способ, которым теория предлагает описывать ту или иную группу явлений,   принят большей частью научного сообщества, то такая теория объявляется (этим сообществом) научной.
Характер первого критерия не позволяет, очевидно, какую-либо теорию объявить  истиной последней инстанции.    Потому мнение, которое негласно поддерживается в учебной и научной литературе  о том, что   физическая картина мира в рамках современной  совокупности фундаментальных теорий  завершена или, по меньшей мере,  в целом сформирована,  со всей очевидностью являются неверным

[aze1959]

с величайшим удовольствием прочитал. Давно не попадался материал в котором написано простым и понятным языком и видна нешуточная системная работа!