Разделы: Физика
Размещена 29.09.2023. Последняя правка: 26.09.2023.
Просмотров - 584

ПРИРОДА УПРАВЛЯЕТСЯ НАИБОЛЕЕ ПРОСТЫМИ ЗАКОНАМИ!?

Ивлев Виктор Иванович

Кандидат ф.-м. наук

Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарева

Профессор

УДК 53.02 

Введение

Среди физиков бытует поговорка «Физики– народ «ленивый». Юмор? Нет. На самом деле это высказывание означает то, что физики-исследователи стремятся открываемые ими законы выразить наиболее простыми средствами, в частности, наиболее простыми математическими формулами. А физики-практики для решения задач стремятся находить наиболее простые решения.

Актуальность

Физика изучает наиболее фундаментальные законы природы. Отсюда возникает естественный вопрос: может быть природа также «ленива» и управляется законами, которые могут быть сформулированы наиболее простыми средствами?

Цель настоящей статьи – показать, что, используя принцип «природа проста», можно получить интересные выводы.

Задачи

Вывести законы взаимодействия точечных объектов.

Будем считать, что твердо установлены следующие факты (принципы).

1. Действуют базовые законы природы, в том числе закон сохранения энергии и принцип минимума потенциальной энергии.
2. Пространство однородно.
3. Причина всех явлений в природе – взаимодействие объектов.
4. Основные характеристики взаимодействия (сила F и энергия Е) убывают с увеличением расстояния между объектами, обращаясь в нуль лишь в бесконечности.

 

Случай 1. Закон взаимодействия.

1. Анализируемая система. В пустом пространстве находятся два точечных материальных объекта.

2. Допущения.

2.1.  Способность к взаимодействию каждого объекта может быть оценена некоторой физической величиной μ (μ₁ и μ₂ соответственно).

2.2.  Количественные характеристики взаимодействия (энергия и сила) прямо пропорциональны произведению величин μ₁ и μ₂, так как прямая пропорциональная зависимость является в математике простейшей.

3.1.  Если пространство однородно, то зависимость характеристик взаимодействия от расстояния между объектами должна быть монотонной.

3.2.  Основная характеристика взаимодействия – энергия Е. С увеличением расстояния зависимость E(r) при r → ∞ приближается к нулю асимптотически. Следовательно, зависимость E(r) нелинейная. Простейшая кривая с асимптотами – гипербола, т. е. E(r) = а/r.

3.3.  Учитывая известное соотношение между энергией и силой, для модуля силы получим F(r) = b/r². Здесь а и b – константы.

3.4.  Из принципа минимума потенциальной энергии следует, что тела отталкиваются, если энергия взаимодействия уменьшается с увеличением расстояния, и притягиваются, если энергия уменьшается с уменьшением расстояния.

3.5.  Если принято, что энергия взаимодействия на бесконечности равна нулю, то на конечном расстоянии при отталкивании она положительна, а при притяжении может быть только отрицательной. Для этого необходимо, чтобы величины μ₁ и μ₂ в первом случае имели одинаковые знаки, а во втором разные.

3.6.  Заменив в п. 3.3. величину μ на массу m, получим закон всемирного тяготения при , где G – гравитационная постоянная.

3.7.  Заменив в п. 3.3. величину μ на электрический наряд q, получим закон Кулона при , где k – электрическая постоянная.

 

Случай 2. Второй закон Ньютона.

1. Анализируемая система. В пустом пространстве находятся два тела А и В – материальные точки. Единственная характеристика каждого тела – масса m.

2. Исходные положения.

2.1.   Единственная характеристика системы – расстояние между точками. Следовательно, благодаря взаимодействию изменяться может только расстояние: явление – механическое движение тел.

2.2.   Примем за тело отсчета тело А. Явление будем рассматривать в инерциальной системе отсчета.

2.3.   Основная характеристика механического движения – скорость. Действие тела А обязано изменить состояние тела В, т. е. изменить его скорость. Характеристика изменения скорости – ускорение а. Естественно, чем интенсивнее воздействие (сила F), тем быстрее будет изменяться скорость v, т. е. тем больше ускорение а. Чем больше его масса m (т. е. чем инертнее тело), тем меньше будет ускорение а.

3. Природа проста. Простейшие зависимости между двумя величинами – прямая и обратная пропорциональности.

3.1. Отсюда следует: a = F/m. Это не что иное, как второй закон Ньютона.

Замечание. Если бы две физические величины как понятия определялись независимо друг от друга, в полученной формуле должен быть какой-то коэффициент пропорциональности. Однако в учебных курсах одна из этих величин определяется самостоятельно, а определением второй величины служит формула второго закона Ньютона. В школьном курсе физики обычно сначала дается определение массы, как меры инертности. Затем уже силу определяют как величину, равную произведению массы на ускорение: F =ma. При этом искомый коэффициент оказывается равным единице.

На самом деле более логичным было бы обратное – сначала определить инструментально (аналогично определению таких величин как расстояние, угол, промежуток времени) физическую величину «сила», а затем уже понятие «масса» как коэффициент пропорциональности в формуле F =ma.

Научная новизна

Установленные на основе экспериментальных данных законы выведены с использованием гипотезы: природа проста.

Результаты

Получены формулы законов всемирного притяжения, Кулона, второго закона Ньютона.

Заключение

Фундаментальные физические законы, установленные на основе анализа экспериментальных данных, могут быть выведены исходя из принципа «природа управляется наиболее простыми законами».

Рецензии:

18.10.2023, 19:58 Тарханов Олег Владимирович
Рецензия: 1.Уважаемый Виктор Иванович! Полагаю, что на вполне корректное замечание Ильясова Фархада Назиповича (относительно Земли и Луны) необходимо ответить в рамках Вашего утверждения о природе, управляемой наиболее простыми законами. 2. Вместе с тем, очевидно, что простое по форме совпадение формул взаимодействия ЗАРЯДОВ (Закон Кулона)и МАСС, как некий закон Ньютона - не есть следствие выражения (гипотезы), сформулированной Вами. 3. Стало быть, выражение "природа управляется наиболее простыми законами" надо обосновать, ибо даже Закон Всемирного Тяготения "объясняется" Ньютоном не по "простому", а по весьма сложному математическому способу, не вытекающему из ваших размышлений. 4. Наконец, выражение "Природа управляется наиболее простыми законами?" не есть мысль обоснованная, как некий постулат о действующих В ПРИРОДЕ законах, а есть предположение, не обоснованное неким фактором ПРОСТОТЫ.

21.10.2023, 17:34 Ашрапов Улугбек Товфикович
Рецензия:  Автор пишет - "Причина всех явлений в природе – взаимодействие объектов". Однако, 4 фундаментальные силы природы: гравитационное, слабое ядерное, электромагнитное и сильное ядерное взаимодействия - это силы, которые образуют своего рода механизм взаимодействия между частицами и отвечают за управление Вселенной. 1. Гравитация является притяжением между двумя объектами, обладающими массой или энергией, будь то падение камня с моста, планеты, вращающейся вокруг звезды, или луны, вызывающей океанские приливы. 2.Электромагнитная сила (сила Лоренца), действует между заряженными частицами (электроны и протоны). Противоположные заряды притягиваются друг к другу, а одноименные отталкиваются. Чем больше заряд, тем больше сила. И, как и гравитация, эту силу можно ощутить на бесконечном расстоянии.3.Слабое ядерное взаимодействие ответственно за распад частиц. Это буквальное изменение одного типа субатомных частиц в другой. Так, например, нейтрино, подлетевшее близко к нейтрону, может превратить нейтрон в протон, а нейтрино — в электрон. 4. Сильное ядерное взаимодействие действует только тогда, когда субатомные частицы находятся очень близко друг к другу.Однако сильное взаимодействие является странным, потому что, в отличие от любых других фундаментальных сил, оно становится слабее по мере сближения субатомных частиц. В статье "Природа управляется наиболее простыми законами!?" автор пишет - "Пространство однородно". В космологии гомогенность подразумевает, что в большом масштабе средняя плотность Вселенной одинакова во всей Вселенной. Изотропия подразумевает, что Вселенная выглядит одинаково в любом направлении. Когда Эдвин Хаббл измерил количество галактик на небе, он обнаружил, что они в целом примерно одинаковы во всех направлениях. Равное распределение во всех направлениях, т.е. Вселенная изотропная.



Комментарии пользователей:

29.09.2023, 14:13 Ильясов Фархад Назипович Отзыв: Автор пишет: "тела отталкиваются, если энергия взаимодействия уменьшается с увеличением расстояния, и притягиваются, если энергия уменьшается с уменьшением расстояния". На самом деле: а) Тела отталкиваются, если энергия отталкивания больше энергии притяжения. б) Тела притягиваются, если энергия притяжения, больше энергии отталкивания. См.: Ильясов Ф. Н. Модификация закона Кулона, учитывающая феномен притяжения электричества телами. М.: ИЦ Орион. 2022,

29.09.2023, 19:38 Ивлев Виктор Иванович Отзыв: Уважаемый Фархад Назипович! Вы правы в том случае, если действуют одновременно и притяжение, и отталкивание. Я рассматриваю эти взаимодействия отдельно. Земля и Луна притягиваются, отталкивания нет. Два единичных электрона отталкиваются, притяжения нет.

30.09.2023, 13:21 Ильясов Фархад Назипович Отзыв: Виктор Иванович, если бы Земля и Луна притягивались, а отталкивания не был бы, - они бы притянулись друг к другу и были бы одно целое.

30.09.2023, 19:16 Ивлев Виктор Иванович Отзыв: Это либо шутка, либо незнание основ динамики?

1.10.2023, 15:11 Ильясов Фархад Назипович Отзыв: Факт остается фактом, даже если пытаться шутковать и ссылаться на магию динамики: - если бы Земля и Луна притягивались, а отталкивания не было бы, - они бы притянулись друг к другу и были бы одно целое. То, что вы не можете объяснить, а ссылаетесь на что-то, указывает - возможно вы в тупике и не можете найти ответа.

2.10.2023, 20:06 Ивлев Виктор Иванович Отзыв: Зачем я буду объяснять то, что объяснил еще Исаак Ньютон (первый закон Ньютона), и изложено в любом учебнике физике для 10-го класса!

18.10.2023, 20:37 Бабаев Алимжан Холмуратович Отзыв: Чем не угодил уважаемому Виктору Ивановичу очень строгий вывод закона всемирного тяготения из уравнений Эйнштейна? Или, хотя бы, из законов Кеплера, как это делается в теоретической механике?

19.10.2023, 12:40 Ивлев Виктор Иванович Отзыв: Уважаемый Олег Владимирович! 1. Замечание Ильясова Фархада Назиповича (относительно Земли и Луны) отнюдь не является корректным. Между Землёй и Луной действует сила гравитационного притяжения. Силы отталкивания нет. Движение по замкнутой траектории объясняется наложением движения под действием силы гравитации и движения по инерции - закон всемирного тяготения и первый закон Ньютона (закон инерции). 2-4. Целью моей заметки и было показать, что из предположения о простоте природы как раз получаются формулы, совпадающие с формулами Ньютона и Кулона. Я просто хотел обратить внимание коллег на этот факт. Уважаемый Алимжан Холмуратович! Я вовсе не покушаюсь на справедливость выводов, сделанных нашими великими физиками. С моей стороны это была бы великая глупость. Уважаемые коллеги! К сожалению (а может, наоборот, к счастью?) никто из приславших комментарии не смог указать на логические противоречия в моих рассуждениях, и, следовательно, опровергнуть сделанные мной выводы.

19.10.2023, 18:42 Ильясов Фархад Назипович Отзыв: Уважаемый Ивлев Виктор Иванович, хотите противоречить физике и говорить, что никакие силы не отталкивают Землю от Солнца? Никак не можете понять простой вещи - если бы сил отталкивания не было бы - Земля упала бы на Солнце. Центробежная сила - забыли школьный курс физики? "«Центробежная сила и центростремительная сила численно равны друг другу и направлены вдоль одной прямой в противоположные стороны, но приложены к разным телам, как силы действия и противодействия.»

20.10.2023, 8:48 Ивлев Виктор Иванович Отзыв: Дорогой Фархад Назипович! Прошу Вас больше не писать. Читайте нормальный учебник физики для 10 класса!

20.10.2023, 20:05 Ильясов Фархад Назипович Отзыв: Уважаемый Ивлев Виктор Иванович, пишу я не для вас, а для сообщества читателей, чтобы полнее понимали уровень авторов.

22.10.2023, 9:10 Кошкин Юрий Александрович Отзыв: Уважаемый Алимжан Холмуратович! Появление основного уравнения ОТО было бы невозможно без знания закона всемирного тяготения (ЗВТ). Поэтому Ваше выражение об "очень строгом выводе закона всемирного тяготения из уравнений Эйнштейна" некорректно. Здесь можно говорить лишь о том, что уравнение составлено правильно, если его решение с известными допусками не будет противоречить ЗВТ, который в данном случае первичен. То, что ЗВТ легко можно вывести из наблюдательных законов Кеплера совершенно справедливо. С уважением, Юрий Александрович.

22.10.2023, 9:15 Кошкин Юрий Александрович Отзыв: Мысль автора привлекательна, хотя она и идёт вразрез с известным выражением А. Эйнштейна "Творец изощрен, но не злонамерен" (если под творцом понимать природу). Ведь вся современная физика усложнена до предела, поэтому инстинктивно хочется чтобы многие природные явления находили своё простое объяснение. Возможно ли это и правильна ли мысль автора? Мне кажется, что нет. Я не буду здесь обсуждать вывод автором формул законов всемирного притяжения, Кулона, второго закона Ньютона. Похоже он логичен и правилен. Но сами введённые принципы - пространство однородно и причина всех явлений в природе взаимодействие объектов (если я не ошибаюсь, то под объектами автор понимает лишь вещественные тела и заряды) на мой взгляд полностью исключают возможность объяснения многих выявленных аномалий и явлений (гравитации и др.). Поэтому расширить область действия гипотезы "природа проста" вряд ли получится.

22.10.2023, 9:39 Кошкин Юрий Александрович Отзыв: Позабавили комментарии Ильясова Фархада Назиповича, особенно "... пишу я не для вас, а для сообщества читателей, чтобы полнее понимали уровень авторов". Да, уровень этого комментатора стал очевиден всем читателям, особенно после упорного непонимания им простой динамики двойной системы тел - Земли и Луны.

22.10.2023, 14:53 Бабаев Алимжан Холмуратович Отзыв: Спасибо за отзыв уважаемый Юрий Александрович! Если считать, что при выводе закона всемирного тяготения из уравнения Эйнштейна допускаются упрощения, подборка константы (гравитационной постоянной), то Вы правы – по сути, мы теорию «подгоняем» к экспериментальным фактам, что и логично. Т.е., пренебрегая пространственными компонентами и оставляя «временную» составляющую тензора энергии-импульса (т.е. массу), мы получаем уравнение Пуассона для слабого гравитационного поля. Интегрируя это уравнение, получим закон всемирного тяготения (Ландау, Лифшиц. Теория поля, том 2, стр. 381). Но смею возразить, что при выводе уравнений Эйнштейна (ОТО) не обязательно «опираться» на ЗВТ. Сам Эйнштейн вывел уравнения ОТО из принципа наименьшего действия, т.е. подбирая лагранжиан из действий гравитационного поля и материи (Ландау, Лифшиц, Теория поля, том 2, стр. 354). Есть и второй способ вывода уравнений Эйнштейна: из неоднородной системы Максвелла (точнее, из неоднородности векторного поля) с помощью обобщенной алгебры Клиффорда. Простите за нескромность (не хотел саморекламы), этот вывод есть в моей статье: https://sci-article.ru/stat.php?i=1696222150 Ни там, ни там выводы не опираются на ЗВТ. С уважением Алим Муратович (можно так). P.S. Насчет вывода из законов Кеплера Вы опять правы.

22.10.2023, 19:20 Ивлев Виктор Иванович Отзыв: Здравствуйте, Юрий Александрович! Спасибо за критический отзыв. Почему я написал эту небольшую заметку? Мои научные работы лежат не в теоретической физике, а в физическом материаловедении (последние работы по композиционным материалам). Но параллельно с работой в университете я занимаюсь физикой со школьниками. Одна из задач учителя - показать, что физика - наука не только интересная, но и доступная пониманию любого нормального ученика. В начале настоящей заметки (не хочу даже называть её статьёй) я привел высказывание, которое услышал много-много лет назад от своего университетского преподавателя физики. Именно это высказывание натолкнуло меня на мысль: попробовать посмотреть, что же может получиться, если... Получилось то, что и изложено выше. Естественно, мысль спорная, но, как Вы написали, интересная. Имеет ли смысл развивать её дальше - не знаю. А вдруг кого-то ещё заинтересует? Да, исходные положения об однородности пространства и всеобщем взаимодействии я не анализировал, а просто взял как наиболее распространенные среди не физиков-теоретиков.

23.10.2023, 8:09 Кошкин Юрий Александрович Отзыв: Уважаемый Алим Муратович! Большое спасибо за обстоятельный ответ. У меня остались некоторые вопросы, но так как они выходят за рамки обсуждения настоящей статьи, то задавать их здесь будет несколько некорректно по отношению к автору. Наверное я их задам при более подходящих обстоятельствах, например в процессе обсуждения Вашей статьи https://sci-article.ru/stat.php?i=1696222150. С уважением, Юрий Александрович.

Оставить комментарий