Сергей Струговец - Естественная механика природы

Сегодня мы считаем, что в природе существуют четыре фундаментальных типа взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Два последних действуют лишь на очень небольших расстояниях, поэтому их невозможно философски связать с системой, основанной на взаимодействии каждой частицы вещества с каждой. Значит, существует второй, принципиально иной способ взаимодействия? Это, конечно, полностью согласуется с принципом двоичности (дважды два – четыре), но ведь мы рассмотрели, похоже, все возможные механистические способы взаимодействия и пришли к выводу, что лишь один из них прост, рационален и логичен, а остальные нет.

Примечание. «После экспериментального подтверждения существования бозона Хиггса, поле Хиггса стали называть пятым фундаментальным взаимодействием» [5] (статья «Поле Хигсса»). Но давайте пока оставим это «поле» без внимания.

В чём же дело? Разрешить эту проблему, признаюсь честно, философски я не смог. Но, чтобы не загонять наши с Вами, читатель, рассуждения в тупик ненужных сомнений, забегу немного вперёд. То, с чем не смогла справиться философия, сравнительно легко сделала физика, к которой мы перейдем в следующей главе. Математический аппарат, основанный в первую очередь на комбинаторике, позволил объединить сильное и слабое взаимодействия (по признаку их проявления только на сверхмалых расстояниях) в один тип, названный ядерным взаимодействием (это обобщающее название используется в современной научной терминологии), связав его, в свою очередь, с взаимодействием электромагнитным, а его дуализм с дуализмом электрических и магнитных свойств электромагнитного взаимодействия, вытекающим из сущности и самого названия последнего. Пространственная ограниченность ядерного взаимодействия нашла своё объяснение в том, что, имея дуализм направленности, электромагнитное взаимодействие может либо проявляться сильно (например, в ядрах атомов) либо компенсировать само себя так, что это воспринимается нами за признак его слабости или даже отсутствия. В действительности же (по абсолютной величине) электромагнитное взаимодействие между любыми частицами вещества существует всегда, и оно намного сильнее любых типов взаимодействия, представления о которых сложились в современной физике.

Примечание. Во мнении, что в природе существует только два фундаментальных типа взаимодействия вещества – гравитационное и электромагнитное, нет ничего нового. Это было мнение большинства учёных девятнадцатого века. В настоящей книге лишь приводятся аргументы в пользу необходимости вернуться к этому мнению.

Но если силы взаимодействия, согласно принципу двоичности, делятся на типы, то и такая характеристика вещества, как масса, скорее всего, должна быть чем-то дополнена. Кандидат, из существующих в современной физике понятий, здесь практически один – это электрический заряд. Он единственный логически может быть связан с дополняющим гравитацию электромагнитным взаимодействием, так как магнитный заряд, наиболее вероятно, есть лишь следствие существования заряда электрического. Ведь магнитный монополь (гипотеза Поля Дирака) экспериментально до сих пор не обнаружен. Таким образом, мы вводим дуализм и в характеристики вещества, мерой количества которого в классической физике считалась только масса. Будем считать, что масса и электрический заряд неразделимы и вместе являются характеристиками вещества,а, скорее, материи в целом, так как законы тяготения и Кулона связывают массу и электрический заряд и со второй основой материи – силой, которая, в свою очередь, может быть создана силовыми линиями гравитационного и электромагнитного взаимодействия (четвёртый философский вывод). Независимость произведений масс и электрических зарядов легко может быть объяснена взаимной компенсацией взаимодействия зарядов с противоположными или одинаковыми знаками.

Теперь попробуем разобраться, какую из основ материи, вещество (массу-заряд) или силы взаимодействия (гравитационную и электромагнитную), использует природа для ограничения основ движения – скорости и ускорения?В том, что такие ограничения существуют, мы убедились, наблюдая их у скоростей звука, света, а также у тел и потоков, движущихся со скоростями, близкими к этим критическим величинам. Маловероятно, что природа использует оба способа. Она должна была «выбрать» тот из них, который более прост и рационален, и «применять» его везде.

Используем наглядный пример. Вы не задумывались, почему скорость вылета пули из ствола пневматического оружия существенно ниже, чем из ствола аналогичного огнестрельного? Дело в том, что указанная скорость не может превысить критическую скорость звука для выталкивающего пулю из цилиндрического ствола расширяющегося газа, а эта скорость прямо пропорциональна корню квадратному из абсолютной температуры газа. Поэтому скорость вылета пули из ствола огнестрельного оружия за счёт высокой температуры пороховых газов может в разы превосходить скорость звука в атмосферном воздухе, тогда как для пневматического оружия, где температура выталкивающего пулю рабочего тела (воздуха) при расширении становится ниже атмосферной, такое невозможно ни при каком давлении.

Примечание. Воздух в стволе перед пулей не создаёт в огнестрельном оружии критического барьера, так как пуля (или даже фронт расширяющихся горячих газов при холостом выстреле), выталкивая этот воздух, сжимает и нагревает его, соответственно повышая в нём скорость звука, а, следовательно, и скорость выхода его из ствола.

Технически обеспечить сверхзвуковую скорость пули в стволе, конечно, можно. Для этого надо сделать конец ствола в форме сопла Лаваля, а пулю (для большей эффективности) сделать саморасширяющейся (упругой). Но мы решаем не техническую проблему, а просто рассматриваем необходимый для обоснования наших рассуждений (даже не физических, а философских) наглядный пример, поэтому оставим ствол цилиндрическим. Когда фронт выталкивающего пулю газа достигает критической скорости звука, он уже не может её превысить ни при каком полном давлении газа. Даже если какой-то внешней силой увеличить скорость пули выше этой величины, то между ней и фронтом газа образуется разряжение, которое, уже наоборот, будет «тормозить» пулю (при выстреле в атмосфере). Итак, существует хорошо известная нам прямая взаимосвязь между скоростью распространения звуковых волн в газе и критической скоростью движения газовых потоков в цилиндрических каналах.

А теперь, рассматривая физику выстрела с позиции второго закона Ньютона, постулируем, что дело здесь не в газе (в данном примере аналоге силы), а в пуле (массе), свойства которой не позволяют ей достичь предельной скорости в канале ствола. Несмотря на очевидность того, что это не так, в рамках философских рассуждений мы имеем на это право. На основании указанного постулата не остаётся ничего иного, как применить к скорости пули тот же принцип ограничения, который в СТО признан причиной невозможности для любого тела, обладающего массой, превысить скорость света. Придётся считать, что масса пули начинает асимптотически стремиться к бесконечности уже при достижении критической скорости звука. А раз это не так, то почему же не предположить, что природа и при ограничении движения тел со скоростью света использует принцип похожий на тот, с помощью которого она ограничивает движение со скоростью звука? Ведь свет, как и звук, явно имеет волновую сущность (пусть даже и дополненную корпускулярными свойствами). Зачем природе, уже имеющей в своем распоряжении одну способную изменяться основу материи – силу, наделять такими же свойствами и вторую – массу, раз она может без этого обойтись? Такая сложность законов природы, безусловно, противоречит постулату о рациональности и простоте мироздания. Можно привести и ещё один логический довод в пользу взаимосвязи относительного движения тел с силой их взаимодействия друг с другом, а не массами этих тел. Согласно третьему закону Ньютона, центральные силы действуют одинаково, в противоположных направлениях и являются векторными величинами. То есть к силе может быть применён тот же принцип симметрии, который мы применяем к скорости или к ускорению (тоже величинам векторным). Сила центрального взаимодействия двух тел принадлежит им, и только им, в точности также как этим телам принадлежат скорость и ускорение их движения относительно друг друга.