Настоящая книга посвящена теории взаимодействия. Что такое теория? Есть теории корабля, самолета, слесарного дела и есть физическая теория, например теория относительности, квантовая теория. В первых трех теориях описываются принципы и методы выполнения работы: постройка корабля, самолета, изготовление деталей, сборка изделий. Эти теории отличаются от практики тем, что они используются в последней. Например, строится самолет, корабль или слесарь берет напильник и в соответствии с теорией опиливает им деталь.
А что такое сегодня физическая теория? Это нечто иное. В физической теории принимаются исходные гипотезы (положения, принципы) и на них строится картина мира. Так, в теории относительности (ТО) на основании принципа относительности и принципа предельной скорости построен мир, в котором пространство, время и масса зависят от относительной скорости движения. Дополнение этих принципов гипотезой о световой скорости тяготения и замена алгебраической математики на геометрическую привело к общей теории относительности, в которой мир является искривленным четырехмерным пространством-временем. Таким образом, процесс развития физической теории является процессом создания мира.
Итак, существует две разновидности теории, два способа ее понимания. Одна - это описание рассматриваемых объектов: свойств природы, приемов и методов человеческой деятельности и т.д., а другая - процесс творения мира. Под теорией взаимодействия мы будем понимать первый вид теории. В ней будут описываться методы расчета взаимодействий. Традиционно эти вопросы рассматривались механикой. С появлением электродинамики, ТО, ядерной физики, теории элементарных частиц, квантовой механики, и других областей современной физики взаимодействия стали предметом исследования новых наук и вышли за рамки механики. В дальнейшем они должны вернуться в ее лоно. На данном этапе целесообразно определить всю область взаимодействий в виде отдельной науки - теории взаимодействия, подчеркивая ее общность в разных разделах физики.
Наука, в частности физика, развивалась не по заранее написанному сценарию. В ней одновременно существуют различные взгляды, различные подходы и приемы, которые иногда даже взаимно противоположны. Следовательно, имеются разные взгляды на теорию и тем самым на саму науку. Являясь сторонниками одного из них, мы не будем приводить необходимые и достаточные доказательства ошибочности других. Но отдельное обоснование нашего выбора попытаемся здесь изложить.
Все, что нас окружает и с чем мы постоянно имеем дело, можно разделить на две области. Первая - это окружающий мир, который не зависит от наших рассуждений: небо, звезды, деревья, наш дом, предметы в нем и т.д. Вторая область - это описание окружающего мира, его отражение в наших умах, его понимание. Оно содержится в книгах, изучается в школе, имеется в нашем сознании. Если окружающий мир мы своими рассуждениями изменить не можем, то наше понимание мира постоянно меняется. Например, раньше человек представлял, что Земля является центром Вселенной и небосвод вращается вокруг Земли. Сейчас мы знаем, что Земля вращается вокруг своей оси, обращается вокруг Солнца, Солнце совершает движение вокруг центра Галактики, а последняя совершает движение при взаимодействии с другими галактиками. Однако существует масса других представлений, которые наши потомки сочтут заблуждениями, и понимание мира коренным образом изменится. Кроме того меняются даже способы представления мира. Так, если в древности мир представлялся в виде понятных образов: богов, стихий, земли, огня, эфира, и т.п., то сейчас он представляется в виде математических объектов: волновых функций, сингулярностей, солитонов, струн, уровней энергии, тензоров энергии-импульса и т.д.
Как мы видим, описание мира может существенно отличаться от самого мира. Но тем не менее есть некоторые приемы описания, которые дают практически неизменные знания о нем. Мы знаем длительность года в днях и дня в часах, знаем высоту гор и глубину морей, знаем температуру замерзания воды и температуру плавления стали. В этих знаниях мы уверены. Они основаны на сопоставлении свойств объектов. Остановимся на этом более детально.
Вначале выделяют определенные свойства, которыми характеризуются объекты окружающего мира. Например, все объекты подвержены изменениям. Человек рождается ребенком, растет, превращается в юношу, становится зрелым, затем старится и умирает. На протяжении жизни человека происходят другие изменения. Ежедневно Солнце перемещается по небосводу, происходят смена дня и ночи, фаз Луны, сезонов года. Многие из изменений повторяются и являются циклическими, другие бывают уникальными - появление сверхновой звезды, столкновение кометы Леви - Шумекера с Юпитером. Свойства изменения и движения характеризуют все объекты окружающего мира.
Для определения меры изменения объекта человек сопоставляет это изменение с каким-либо эталонным изменением. В процессе человеческой истории изменения разных объектов выбирались в качестве эталонных: циклическая смена дня и ночи (сутки), смена фаз Луны (месяц), смена сезонов погоды (год), смена поколений, смена династий, вытекание воды или песка из емкости, повторяющиеся удары сердца. В результате сопоставления изменения объекта с изменением эталона определяется величина изменения. Она выражается в количестве эталонных изменений или в количестве их долей и называется временем. Например, изменение человека, т.е. его жизнь, проходит в среднем за 70 оборотов Земли вокруг Солнца, что идентично количеству циклов изменения сезонов. Существует несколько результатов сравнения изменений: длительность, промежуток времени, момент времени и т.д., которые являются синонимами либо уточняют особенности изменений. Промежуток времени обозначает количество циклов эталонного изменения, эквивалентных рассматриваемому изменению. А момент времени рассматриваемого изменения обозначает привязку его к определенному циклу эталонного изменения.
В зависимости от выбора эталона одно и то же изменение будет выражаться разной величиной. Например, возраст дуба равен 350 годам или 5 человеческим жизням. В процессе человеческой деятельности была создана система эталонов изменений: секунда, минута, час, сутки, год и т.д. и установлены точные соответствия между ними. В результате сопоставления изменений объектов с эталонными изменениями мы получаем знания о мире: черепаха живет 300 лет, секвойя - 5000 лет, а Земля существует 5 млрд лет. Эти знания никогда не станут заблуждениями. Они могут претерпевать некоторые количественные изменения, вызванные несколькими причинами. Во-первых, процесс сравнения впоследствии может выполняться с большей точностью. Например, продолжительность года была сначала определена в 365 дней, но по истечении многих лет она уточняется и теперь с точностью до пяти значащих цифр составляет 365.25 дней. Во-вторых, изменения изучаемого объекта или эталона могут зависеть от разных обстоятельств. При неблагоприятных жизненных условиях продолжительность жизни человека может быть не 70, а 35 лет и даже меньше. А маятниковые часы, перенесенные в точку с другим ускорением земного тяготения, или пружинные - в помещение с другой температурой, покажут другую длительность изменения. В-третьих, сами изменения также изменяются. По мере износа изменяется ход механических часов. С увеличением количества оборотов Земли вокруг Солнца изменяется продолжительность года в сутках. Поэтому результат сравнения изменений должен быть приведен к обстоятельствам, от которых он зависит, и к моменту сравнения. При экстраполяции его в будущее или прошлое необходимо провести дополнительные исследования по изменению изменений изучаемого объекта и эталонного и скорректировать результаты сравнения. Например, возраст Земли 5 млрд лет относится к нынешнему движению Земли вокруг Солнца. Возможно, от начала своего появления Земля совершила 100 млрд оборотов вокруг Солнца, а может всего 1 млрд. Возможно, что 2 млрд оборотов назад Земли как таковой не было, а существовало чечевицеобразное диффузное облако. Как мы видим, тщательное изучение методом сравнения может открывать нам многие знания о мире. И если мы будем учитывать обстоятельства сравнения, то такое описание мира будет оставаться верным до тех пор, пока они не изменятся или не встретятся обстоятельства, которые мы прежде не учитывали.
Второе свойство окружающего мира, с которым наиболее часто сталкивается человек, является величина объектов. При сопоставлении обнаруживается, что один объект меньше или больше другого. Так, палец меньше стопы, стопа меньше руки (до локтевого сустава), рука меньше человека, человек меньше дерева. Многие из перечисленных объектов выбирались в качестве эталонов: фут, локоть, шаг. Величина объекта определяется в результате сравнения его с эталоном и выражается количеством эталонов или их долями. Например, величина мужчины равняется 6 футам. В настоящее время большая часть человечества пользуется специально созданным эталоном величины или длины - платино - иридиевым брусом x-образного сечения, который хранится в Севре (Франция) в международном бюро мер и весов. Величина бруса при температуре 0 oC между двумя нанесенными на нем штрихами называется метром. Таким образом, величина объектов как в макро-, так и в микромире выражается в количествах или в долях метра.
Величина объектов, как и их изменение, зависит от многих обстоятельств: например, температуры, давления и др. Эталонный метр изготовлен из такого материала, который в некотором диапазоне температуры не изменяет свою величину. Однако изменение температуры в большем диапазоне или проведение измерений в особых обстоятельствах необходимо учитывать при определении величины объектов.
Величина одного человека может быть больше другого в направлении от пят до головы, больше третьего в направлении плеч и больше четвертого в направлении спина - живот. Это свойственно и для других объектов, т.е. им присущи три вида величины в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Однако для их измерения используется один и тот же эталон. При рассмотрении двух тел необходимо определить величину промежутка между ними. Промежуток, как и величина объекта , располагается в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Величины промежутков между объектами измеряются тем же эталоном длины. Объекты и промежутки между ними образуют их вместилище, которое называют пространством.
Существует много разновидностей мер величины объектов: размер, длина, ширина, высота, глубина, расстояние и т.д. Все они получаются при сравнении величины объекта с одним и тем же эталоном величины. Размер объекта - это результат сопоставления величины объекта с величиной эталона. Длина - наибольший размер объекта, ширина - средний размер, как правило в горизонтальной плоскости. Глубина - размер объекта по вертикали вниз. Расстояние между объектами - размер промежутка между ними. Существует ряд свойств объектов: площадь, объем, форма, которые определяются комбинацией размеров объекта.
В результате сравнения величины объектов мы узнаем расстояние между телами и городами, длины рек, высоту гор, площади стран, диаметр Земли, расстояние до звезд. Многие науки возникли благодаря измерению величин объектов: география, геометрия, астрономия. По-видимому, объем знаний, полученный в результате сравнения величин объектов, является самым большим. Величина - это основное свойство объекта. До тех пор, пока мы надежно не знаем его, мы сомневаемся в существовании объекта. Например, отсутствие знаний о величинах элементарных частиц в современной физике вызывает сомнение в их существовании.
Кроме изменчивости и величины существует много других свойств окружающего мира: тепло, свет, звук и др. Для их описания человек также ввел эталоны, в результате сравнения с которыми эти свойства определяются в градусах температуры, количестве свечей светимости, децибелах громкости и т.д. Это позволяет определять свойства объектов, устанавливать влияние одних свойств на другие: например, температуры тела на его светимость, длины струны на тональность звука, температуры и давления на объем газа. В результате человек находит соотношения между свойствами. Таким образом создаются области описания поведения объектов природы, например, термодинамика, оптика, электродинамика и т.д.
В дальнейшем выделяются более сложные свойства, которые являются комбинацией простых. Другие свойства, наоборот, детализируются и оказываются зависящими от ранее введенных величин. Так создается система описания окружающего мира, в которой определены величины свойств путем сравнения с эталонами и установлены зависимости между свойствами объектов в виде зависимостей между величинами.
Полученные таким образом знания об объектах окружающего мира позволяют предсказывать их поведение, ориентироваться среди них, воссоздавать их отдельные стадии или даже конструировать такие комбинации явлений, которые в мире не происходили. Например, человек создал объекты, которые преодолели земное притяжение и вышли в космос. В этом процессе результаты человеческих действий будут соответствовать намерениям с той точностью, с какой свойства объектов были сопоставлены со свойствами эталонов. При этом, естественно, должны быть соблюдены условия сопоставления.
В представленном процессе познания природы гипотезы и предположения о механизмах явлений не вводятся в рассмотрение. На них не строится картина мира. Здесь окружающий мир изучается, сопоставляется и измеряется. И под теорией здесь следует понимать описание свойств объектов природы, методов человеческой деятельности и их результатов.
Сложившаяся система безгипотезного описания создана человечеством в течение тысячелетий и является многогранной и многоплановой. Каждый человек изучает ее по отдельным элементам и никогда не познает всю систему целиком. Он, как правило, не участвует в выявлении новых свойств мира и введении новых эталонов. У него создается впечатление, что меры свойств представляют некоторый мир, который существует независимо от него, существует объективно и вечно. Ему представляется, что существует время, в котором все события развиваются, существует пространство, в котором размещаются все объекты окружающего мира. В результате такого представления у человека возникают вопросы: а что такое время? Это какая-то сущность? Может, оно дискретно? Или превращается в энергию как предполагал Н.А. Козырев, а может, в пространство? Аналогичные вопросы появляются в отношении пространства. Является ли оно какой-то сущностью? Материально ли оно? Искривлено оно или прямолинейно и изотропно? Две параллельные прямые пересекаются в нем или не пересекаются? Может пересекаются, а может и нет? Примем сначала одну парадигму, а затем другую. Эти и подобные гипотезы и сомнения овладевают людьми, если они теряют представление, где окружающий мир, а где его описание.
Введенные человеком меры свойств: пространство - для величины объектов, время - для их изменчивости и т.д. - являются описанием окружающего мира. Это описание могло быть другим. Могли быть выделены другие свойства, введены другие эталоны. Например, величину объекта можно характеризовать вместимостью или объемом, описание взаимодействий - энергией и силой, теплоту при описании тепловых процессов - энтропией и энергией. Способы описания изменяются со временем. У разных народов, в разные времена изменчивость объектов и их величина определялась по-разному. И то, что сегодня понимается под пространством и временем, представлялось другим. У древних народов мифические образы - боги, титаны, герои, асуры, дэвы; их области обитания - ад, рай и другие миры - существовали наряду с реальными личностями и географическими объектами. Изменялось также и описание других свойств. Об этом необходимо не забывать и при исследовании всегда задавать себе вопрос: это - окружающий мир или его описание? Например, эфир, материя, сознание, дух, масса, поле, энергия, сила, заряд, электрон, мюон, нейтрино, фотон, гравитон, солитон, планета, звезда, галактика, черная дыра, нейтронная звезда, Земля Санникова, Антарктида - что это? Описание окружающего мира? Или его объекты?
Когда мы сталкиваемся с чем-то неизвестным, то задаем себе вопрос: что это такое? Как оно устроено? и т.д. Однако не все вопросы уместны. Об объекте окружающего мира мы можем спросить: из каких частей он состоит, каковы его свойства? К описанию мы можем задать вопросы: как мы его определили, при каких обстоятельствах, как оно зависит от них. Ответы дополнят безгипотезное описание окружающего мира. Это будет объективное знание о природе, которое в последующем не будет отброшено потомками.
Часто говорят, что без гипотез невозможно познание окружающего мира. При этом считают, что принятые вначале догадки и предположения проверяются, а не подтвержденные отбрасываются. Остаются те, которые согласуются с наблюдаемыми явлениями.
Анализ работы человеческого мозга и процесса мышления показывает, что это самообман. Искушение поддаться влиянию яркой гипотезы возникает у человека в случае, когда все обстоятельства дела не выяснены. Последовать гипотезе можно сразу, а для выяснения обстоятельств могут потребоваться годы. Но опытный специалист не позволит себе увлечься гипотезой. Он продолжит сложную и тяжелую работу по изучению объекта, его свойств, влиянию на них других объектов и обстоятельств. В результате он достигнет такого понимания особенностей объекта, что может предвидеть и описать их, не привлекая гипотез.