О методологической проблеме определения базовых понятий классической физики

В основе современной классической физики лежат три фундаментальных закона Ньютона, которые используются в базовых определениях других физических понятий. Современный опыт наблюдения за реальностью позволяет утверждать, что все три закона Ньютона носят не универсальный характер, а локальный, в связи с чем создают непреодолимые трудности их использования в условиях реальных физических явлений.

Рассмотрим это на примере движения материального тела с постоянной скоростью, что характерно для любого вида транспорта.

Чтобы тело смогло передвигаться в пространстве к нему должна быть приложена сила, которая передаёт телу соответствующую энергию и позволяет ему перемещаться с определённой скоростью. Анализ движения между двумя состояниями покоя, когда скорость объекта равна нулю условно можно разделить на три этапа: ускорение, движение с постоянной скоростью, торможение.

Второй закон Ньютона устанавливает, что приложенная к телу в этом случае сила определяется как произведение массы тела на ускорение, которое испытывает тело при изменении своей скорости:

F = m*a     (1)

где, F – сила;

m – масса;

а – ускорение.

Анализируя характер движения тела на каждом этапе, мы видим, что тело обладает ускорением только на двух из них, а вот на этапе движения с постоянной скоростью ускорение тела равно нулю. Иными словами, несмотря на то, что к телу сила, для формирования движения, прикладывалась на всем его протяжении, вычислению поддаётся только движение с ускорением, а участок с постоянной скоростью остается вне вычислительных возможностей применённого закона.

Физическая природа такого положения кроется в Первом законе Ньютона, который гласит, что, если тело приобрело механический импульс, при условии отсутствия каких-либо препятствий для движения, тело будет двигаться с постоянной скоростью неограниченно долго. Иными словами, Второй закон Ньютона представляет собой описание движения тела исключительно с ускорением, Первый, соответственно, с постоянной скоростью, при условии, что тело не испытывает никакого сопротивления своему движению. Но в реальности, такого условия не существует. Где бы тело не двигалось ему всегда будет что-то мешать, даже в космическом пространстве оно вынуждено преодолевать различные гравитационные воздействия со стороны других тел. Таким образом, мы видим, что использование и Первого, и Второго законов Ньютона ограниченно локальными условиями их применяемости.

С другой стороны, для решения практических задач, часто необходимо знать величину израсходованной энергии на формирования движения с постоянной скоростью. Как видно из выше приведенного анализа, использование для этих целей Первого и Второго законов Ньютона невозможно.

В этом случае необходимо воспользоваться таким понятием как «количество движения», которое фактически тождественно понятию силы Второго закона Ньютона для движения с постоянной скоростью, но вычисляется оно по-иному:

p = m*v    (2)

где, р – количество движения;

m – масса тела;

v – скорость движения тела.

Как видим в этом случае, вычислительная возможность не ограничивается исключительно движением с ускорением, а может рассматриваться для любого вида движения, в том числе и для определения «силы», формирующей движения в любой материальной точке. Иными словам, это выражение позволяет определить механические характеристики объекта как в целом на всём протяжении его движения, так и непосредственно в интересующей нас пространственной точке.

В представленном в выражении (2) виде «количество движения» (силы) определяется как для движения с постоянной скоростью, так и его мгновенное значение для любой материальной точки, в которой объект обладает скоростью v. Для определения «количества движения» с ускорением мы должны воспользоваться средней скоростью объекта на всём интервале движения:

V_ср = ½(v₀ + v₁)    (3)

где, V_ср – средняя скорость объекта на всём протяжении движения с ускорением;

v₀ – скорость в начале движения;

v₁ – скорость в конце движения.

Тогда «количество движения» объекта будет определяться из выражения:

p = m*V_ср    (4)

В настоящее время энергия, израсходованная на формирование движения определяется из выражения:

Е = F*L = m*v_ср²    (5)

где, F – ньютоновская сила, определяемая по Второму закону Ньютона;

L – путь пройденный объектом во время движения;

m – масса объекта;

v_ср – средняя скорость объекта при движении с ускорением.

Иными словами, используя данное выражение (5) мы определяем мгновенную энергию объекта по значению его средней скорости на всём интервале движения.

Таким образом, мы видим, что энергия объекта вычисляется с использованием Второго закона Ньютона для средней скорости только в интервалах движения с ускорением. В практических задачах вычисление проводят исключительно для мгновенного значения расходуемой энергии при максимальной скорости в рассматриваемом интервале:

Е_ср = ½(Е₀ + Е₁)    (6)

При Е₀ = 0, а Е₁ = Е_max, данное выражение преобразуется к виду

Е_ср = ½Е_max = ½m*v_max²    (7)

Таким образом, мы видим, что используемое в настоящее время вычислительное значение кинетической энергии относится к определению средней энергии процесса, отнесенной к её максимальному значению в рассматриваемом интервале движения. Это важное замечание, так как сегодня ни в одном учебнике классической физики об это не сказано ни слово, и у специалистов, которые воспитывались на традиционных представлениях о кинетической энергии, сформировалось устойчивое представление, что в классической интерпретации мы можем говорить о кинетической энергии исключительно с приставкой (коэффициентом) ½. Фактически же используя приставку (коэффициент) ½ мы вычисляем среднюю энергию процесса, а скорость, участвующая в этом вычислении, соответствует максимальной скорости объекта в рассматриваем процессе.

Если в качестве основания формирования движения использовать так называемое «количество движения», то кинетическая энергия процесса вычисляется в этом случае из выражения:

Е = p*v = m*v²    (8)

где, Е – энергия, израсходованная на формирование движения;

m – масса объекта;

v – скорость, в зависимости от рассматриваемого процесса либо постоянная, либо максимальная.

Но надо понимать, что и в том (при постоянном движении), и в другом (при переменном движении) случаях формула вычисляет исключительно мгновенную энергию процесса за интервал равный единице времени. В системе СИ – это секунда.

Для вычисления фактически совершённой работы по формированию движения полученное значение мгновенной энергии необходимо умножить на время протекания процесса:

А = Е*t    (9)

И здесь мы вступаем в область противоречия с принятыми сегодня воззрениями на механическую работу, которая в настоящее время определяется из выражения:

А = Е₁ – Е₀    (10)

где, А – механическая работа рассматриваемого процесса;

Е₀ – энергия объекта (системы) в начале процесса;

Е₁ – энергия объекта (системы) в конце процесса.

В этом случае работа измеряется в тех же единицах, что и энергия, - Джоулях (Дж);

В случае если мы для определения объёма совершенной работы используем «количество движения» (р = m*v), то работа вычисляется уже в единицах Дж*с.

Это принципиальное различие в двух подходах определения фундаментальных понятий классической физики.

Как было показано выше современный подход лишает физику возможности определять энергию и работу в процессах, проходящих с постоянной скоростью, так как предложенный Ньютоном подход в определении силы формирования движения ориентирован исключительно на переменное движение и не может быть использован в процессах, проходящих с постоянной скоростью. Устранение этой ошибки возможно в изменении базовых формулировок.

Механическая сила – F = m*v (кг*м/с)

Механический импульс – Y = F/t = m*a (кг*м/с²)

Кинетическая энергия (кинергия) – К = F*v = Y*L (кг*м²/с²)

Механическая работа – А = К*t = Y*L*t = F*v*t = F*L (кг*м²/с)

Рассмотренные две системы подхода к определению базовых понятий классической физики позволяют по-разному использовать их возможности.

Появившаяся в конце XIX века физика элементарных частиц позволила Эйнштейну сформулировать принцип вычисления энергии субатомной частицы как произведение её массы на квадрат скорости света:

е = m*c²    (11)

Нетрудно видеть, что это выражение совпадает с формулой для вычисления кинетической энергии при движении объекта с постоянной скоростью:

Е = m*v²    (12)

Отсюда можно сделать принципиальный вывод о том, что границы применяемости классической физики не ограничены исключительно макрообъектами, а распространяются и на микромир. Следовательно, все законы физики, которые известны на сегодня для классической физики, могут успешно применяться в микромире квантовой механики. Каких-либо фундаментальных ограничений для этого не существует.

Этот вывод подкрепляется анализом уравнения Планка для элементарных частиц:

h*c = e*λ     (13)

где, h – постоянная Планка;

с – скорость света;

е – энергия частицы;

λ – длина волны частицы.

Преобразование выражения (13) относительно постоянной Планка приводит его к следующему виду:

h = m*v*λ     (14)

где λ = L – длина волны элементарной частицы.

Нетрудно видеть, что это соответствует выражению работы во втором подходе определения базовых понятий классической физики. Таким образом, постоянная Планка представляет собой работу, которую совершает элементарная частица при перемещении на собственную длину волны со скоростью света.

Сам факт признания такой работы, в виде постоянной Планка, говорит о природе красного смещения, которое фактически является потерей энергии фотона во время его движения в пространстве на выполнение «работы Планка». При этом надо учитывать, что постоянная Планка определялась для субатомных объёмов пространства и не может «слепо» транслироваться на межзвездные расстояния без корреляционной поправки, которая составляет около 3,9*10^-20 (h = 2,58*10^-53 Дж*с, для межзвёздного пространства).

Другим подтверждением универсальности законов классической физики является недавно обнаруженное красное смещение блеска звезды во время прохождения её вблизи черной дыры. В этом случае часть энергии фотонов поглощается гравитационным воздействием черной дыры, в результате чего мы наблюдаем смещение спектра блеска звезды в красную область. В то же время это наблюдение, наравне с явлением гравитационных линз, подтверждает наличие динамической массы у фотона [2].

1. Берклеевский курс физики в шести томах. М.: Наука, 1971–1974.
2. Войтюк А. Астрономы впервые проверили общую теорию относительности вблизи сверхмассивной черной дыры Интернет издание: https://nplus1.ru/news/2018/07/26/S0-2-gravity
3. Савельев И.В. Курс общей физики в трёх томах. М.: Наука, 1970 – 1971.
4. Сивухин Д.В. Общий курс физики в четырёх томах. М.: Наука, 1979.
5. Шубин А.С. Курс общей физики. М.: Высш. школа, 1976. – 480 с.
6. Элементарный учебник физики, под ред. Ландсберга, в трёх томах. М.: Шрайк, 1995.