3.16. Полевая физика и классическая механика
Принято считать, что при любых переменах в развитии физики классическая механика всегда останется верной. Своеобразным частным случаем любой более общей теории. Так было с теорией относительности, когда классическая механика была расширена сначала на область больших скоростей, а потом – сильных гравитационных полей, описанных в рамках неевклидовой геометрии. Аналогичные слова можно сказать и о квантовой механике, когда произошло обобщение классических законов на случай малых расстояний и малых частиц. Но теперь мы, похоже, разрушили и эту иллюзию.
Полевую физику вряд ли можно считать обобщением классической механики. Безусловно, вся классическая физика является важным шагом в развитии нашего понимания устройства Мира, и мы должны отдать должное как ей, так и ее создателям. Однако в отличие от предыдущих расширений полевая физика в своем построении практически не использует никакие представления классической механики. За исключением, быть может, только двух достаточно общих свойств поведения сплошных сред, которые в равной мере можно рассматривать как характерный результат большинства наблюдений, а не следствие какой-то теоретической концепции.
Помимо этого, полевая физика не обобщает, а полностью заменяет практически все руководящие принципы и представления классической механики. Вместо абсолютного пространства классической механики (или относительного неевклидового пространства-времени теории относительности) полевая физика использует полевую среду. Ориентирами для движения перестают быть системы отсчета, в том числе инерциальные, и их место занимают другие объекты, условно называемые источниками полей, с которыми взаимодействует исследуемый объект. Для большинства явлений таким ориентиром служит система неподвижных звезд нашей Галактики, и прежде всего, ее наиболее массивный центр, по отношению к которым и выполняется принцип инерции. А эквивалентность движущихся равномерно и прямолинейно друг относительно друга инерциальных систем отсчета пропадает, потому что такое движение, как нам стало понятно, можно разделить даже экспериментально.
В полевой физике претерпели существенное изменение ключевые понятия массы, заряда и силы. Все они оказались параметрами, характеризующими полевую среду, а не сами объекты. Концепция неизменной классической массы тела (или неизменной массы покоя), его внутренней «врожденной» характеристики – меры количества материи в этом теле, заменилась концепцией динамической массы, обусловленной только взаимодействием двух тел. Помимо этого, в полевой физике возникло понятие гравитационного заряда. И стала очевидной несостоятельность принципа эквивалентности двух типов масс, а также возникла возможность экспериментального обнаружения этого обстоятельства.
Другими словами, от прежней классической физики, какой мы ее знали до того момента, как открыли первую страницу этой книги, почти ничего не осталось. Мы могли бы вообще дальше не развивать полевую физику и не рассматривать релятивистское, квантовое и иные типы движения. Потому что полевая физика уже состоялась даже на базе существенного пересмотра одного только классического поведения! Сделав только краткий обзор данной области, мы уже нашли достаточно новых явлений в самых обычных классических условиях, каждое из которых может быть обнаружено и проверено экспериментально. Вот почему мы можем считать, что полевая физика – это принципиально новый этап в развитии всего нашего мировоззрения и представлений об устройстве нашего Мира.
И все же, в чем основная разница между классическим уравнением движения:
и полевым уравнением движения
адаптированным к классическому случаю?
Ведь по сути дела оба этих уравнения идентичны. Как и их результаты. При этом классическое уравнение движения выглядит более простым. В него входит меньше величин. По сути оно говорит нам о том, что для определения ускорения тела надо действующую на него силу поделить на его массу и все!
С полевым уравнением движения все выглядит намного сложнее. Хотя бы потому, что теперь вместо измеряемой обычными средствами (например, величиной растяжения пружины) силы и массы нам приходится напрячь воображение и представить себе некую функцию плотности W, характеризующую невидимую полевую среду. Пусть даже в данном случае эта функция плотности крайне проста и совпадает с видом обычного кулоновского (или ньютоновского) потенциала, но это уже заметный шаг за пределы классической механики в область теории поля.
Помимо этого, все не ограничивается взаимодействием только локальных тел, расположенных в нашей земной лаборатории. Потому что для описания даже таких элементарных процессов, как колебание груза на пружине или движение бильярдного шара, нам следует принять во внимание существование множества звездных систем и всей нашей Галактики, которые определяют величину Wg! Хотя в обычном классическом случае эта функция – всего лишь константа, но чувство некоторого смятения такая глобальность подхода все же создает.
Более того, для классической механики представляет явную неприятность величина скорости света c, потому что в данном разделе физики такой константы, вообще говоря, нет. И хотя ее примерное значение было измерено Ремером уже достаточно давно, введение этой величины в механику требует привлечения еще и оптических представлений, а лучше – уравнений электродинамики, что снова выводит нас за рамки чистой классической механики.
Вот почему большинство людей предпочли бы более простую первую формулу. Для студента ее проще запомнить и после написать на экзамене. С помощью нее легче решать обычные задачки из учебника. Для инженеров и экспериментаторов этого выражения вполне хватит для расчета более сложных задачек, где тел побольше да и связаны они посложнее. Но всем этим телам уже приписаны массы и другие классические параметры, поэтому необходимости в полевом уравнении движения вроде как не возникает.
По большому счету мы можем указать всего две основные причины, делающие полевое уравнение движения более предпочтительным, нежели классическое. Это те самые причины, по которым необходимо поменять обычную гоночную машину, более удобную и приспособленную для езды по автостраде, на неуклюжий внедорожник, без которого нам не удалось бы достичь тех мест, куда автострада не ведет.
Первая причина связана с неизбежным выходом за рамки классических приближений. И к большому сожалению для стройной классической физики, это оказалось возможным не только где-то в далеком космосе, но и в большинстве земных явлений. (Будь иначе, люди могли бы вообще никогда не узнать о нарушении классических законов!) Новые эксперименты на рубеже XIX–XX веков привели к сильному шоку в физической науке, когда ученым после столетий классического успеха пришлось вдруг столкнуться с совершенно абсурдными явлениями. Ведь любая идиллия когда-нибудь кончается. И именно в рамках полевого уравнения движения становится очевидным, как естественным образом перейти к описанию новых неклассических явлений, чем мы и займемся в следующих главах.
Второй важной причиной, делающей полевое уравнение движения более предпочтительным, является скрытая в нем возможность продвинуться в глубь понимания устройства нашего Мира. Ведь хотя величины массы, силы или заряда являются удобными для решения простых задачек из учебника, они не позволяют понять того, что стоит за этими характеристиками объектов, как у тел возникают подобные свойства, с чем они связаны и как их менять. Мы переходим на совершенно иной, новый уровень понимания физики, когда расшифровываем величину, обозначаемую буквой M, и начинаем понимать, с чем связано это свойство тела, и как им можно управлять!
Эта вторая причина является, пожалуй, наиболее важной. Ведь именно для этих целей и создавалась полевая физика. В конце концов, неклассические явления можно с тем или иным успехом рассчитать и на базе теории относительности или квантовой теории. Но только в полевой физике мы смогли, наконец, понять природу массы, а также природу возникновения других физических величин и внутренние механизмы протекания казалось бы давно известных процессов. И в этой главе мы постарались увидеть, как много нового может принести полевая физика даже в области обычных классических явлений.
И тем не менее, что-то вечное в классической механике все-таки есть. Наверное, это ее тесная связь с нашими обыденными представлениями, жизненным опытом, привычным положением дел. Ведь даже несмотря на существенный пересмотр подоплеки всех классических процессов, соотношения классической механики в обычной жизни все равно остались примерно правильными.
Пусть инертная масса – не мера количества материи, и она не «сидит» внутри тела. И в особых условиях массы объектов можно изменять на целые порядки. Но вряд ли из-за этого люди перестанут оперировать количеством килограммов при покупке товаров в магазине, потому что в обычных земных явлениях большинству тел мы по-прежнему можем приписать давно известный параметр m, и в первом приближении он будет неплохо описывать ситуацию. Пока дело не дойдет до быстрых частиц, сильных полей и прочих, искусственных с точки зрения обывателя условий. Пусть инертная и гравитационная массы – совершенно разные вещи. Но опять же, на поверхности Земли массы тел вполне можно определять простым взвешиванием на весах, и падать они будут примерно с одним и тем же ускорением. Проще говоря, «гастрономический» смысл массы, который мы используем, когда идем после работы в магазин, чтобы купить два кило картошки и полкило мяса, вряд ли когда-нибудь изменится.
Человеку свойственно воспринимать Мир в согласии со своими органами чувств, привычными ассоциациями, понятными примерами. И классическая физика – это буквальный взгляд на наш Мир. Описание того, как он выглядит, каким он нам кажется. Поэтому данная ступень человеческого знания останется вечной. Уже потом отдельные люди могут захотеть разобраться в том, что же на самом деле стоит за этим видимым поведением, каковы его внутренние механизмы, и как все устроено на самом деле. Тогда становится понятно, что даже классические явления имеют совсем не ту подоплеку, как нам казалось в классической механике. Но, может быть, для счастливой и спокойной жизни лезть в дебри устройства нашего Мира вовсе и не надо? А следует относиться к нему совсем по-другому? Воспринимать его таким, каким он нам кажется? Быть может, счастье в неведеньи?
Мы живем в Мире, где многие люди предпочитают ездить на хороших машинах, но при этом редко интересуются тем, что находится под капотом. Любят смотреть зрелищные спецэффекты на экране кинотеатра или компьютера, не заботясь о том, чтобы покопаться в компьютерных кодах этой графики. Хотят выглядеть красиво и оставаться вечно молодыми, не утруждая себя тем, чтобы заглянуть в глубины биологии. Наш Мир наполнен «пользователями», которые как бы «включают компьютер», рождаясь на этот свет. Они хотят, чтобы Система работала максимально просто и надежно, показывала им красивые картинки, запускала увлекательные игры, дарила приятные ощущения и оставляла хорошие впечатления вплоть до своего «выключения» в момент смерти человека.
Люди приходят в этот Мир с желанием радоваться жизни и получать удовольствие, любоваться красивыми вещами и найти счастье. Им не очень-то хочется разбираться в том, из какой субстанции все это сделано, как поля создают какие-то массы, и к каким траекториям движения все это приводит. Людей больше заботит любовь и ненависть, красивая одежда и вкусная еда, азарт и острые ощущения. Но наш Мир выглядит мало приспособленным для счастья. Хотя, может быть, дело даже не в его физическом устройстве. А в том, как люди используют предоставленные им возможности.
Бывает, что отдельных людей не устраивает роль быть просто «пользователями» этой Системы. И тогда они начинают искать внутренний механизм ее устройства. Они пытаются отодвинуть в сторону внешнюю «обложку» и добраться до внутреннего «кода», в согласии с которым работают «программы». Таких людей можно условно назвать «программистами», которые со временем приобретают понимание элементов «кода» «операционной системы Мира» и становятся способными «допрограммировать» небольшие собственные «модули». Одни из них научились передавать мысли на расстоянии с помощью радио и телефонов. Другие научились летать с помощью подъемной силы крыла или реактивной струи газа. И даже смогли долететь до соседней планеты. А кто-то смог побороть серьезные болезни и продлить жизнь другим людям. Мы называем этот процесс наукой. Хотя, как и следовало ожидать, таких «программистов» совсем немного на фоне народных масс простых «пользователей».
Есть в нашем Мире еще и другие персонажи. Мы можем условно назвать их «системными администраторами». Это люди, которые тоже предпочли подняться над уровнем обычного «пользователя». Но не путем постижения устройства Мира, а благодаря занятию в нем выгодных позиций. Они взяли на себя роль администраторов, призванных упорядочить общее сосуществование в Системе. Эти люди понаставили в Системе множество «паролей», разграничили «права доступа» к тем или иным «ресурсам», создали различные службы контроля. И хотя все подобные манипуляции всегда проводились под эгидой благих намерений, как показывает история, чаще такие «сисадмины» приносили «пользователем» и Системе больше вреда, нежели пользы.
Крайне редко в нашем Мире появляются личности еще одного типа – «разработчики» этой Системы. Те, кто создал и запустил ее. Возможно, самый яркий пример подобного «явления», о котором помнит история, произошел около 2000 лет назад. Хотя личности подобного рода неоднократно появлялись в разные времена у разных народов. Мы на самом деле очень мало знаем о них, и еще меньше понимаем их цели и мотивы. Возможно, они стремятся что-то проверить или исправить в Системе нашего Мира. Или научить людей правильно ею пользоваться, не во вред себе. И все это создает крайне разнообразный круговорот событий, благодаря которому наш Мир трудно назвать скучным. Хотя и нередко он вызывает разочарования.