Глава1 -- Физика и логика

Физика глазами системотехника или дорóгой Декарта.

ГЛАВА 1

ФИЗИКА И ЛОГИКА

Мы не должны принимать какое-либо положение как не подлежащее обоснованию, если только это не логический вывод, или нечто, проверенное на опыте...Уильям из Оккама (XIII - ХIVвека)

Выбор методологии в исследовании природы является принципиальным вопросом, влияющим на получение конечного результата. Современная физика основным методом исследования выбрала метод индукции, заключающийся в следующем: для того чтобы получить общие знания о каком-нибудь классе явлений или объектов, необходимо исследовать отдельные предметы этого класса, выделить в них обобщающие признаки, которые и послужат основой для знания об общем. В индуктивном умозаключении истинность выводов зависит от истинности посылок. Изучение единичных вещей, явлений и фактов не всегда даёт правильное обобщающее решение. Фундаментальные обобщающие признаки могут находиться за границей наших знаний, а наблюдаемые признаки могут являться лишь иллюзией закономерности. Наглядной иллюстрацией к индуктивному умозаключению может являться теория элементарных частиц. К настоящему времени количество частиц приблизилось к сотне, измерены их массы, время жизни, изотопический спин и вид взаимодействия. Однако раскрыть причину многообразия схем распада, различие во времени жизни одного класса частиц и их внутренней структуры не удалось.

Недостаток индуктивного метода в исследовании природы компенсирует метод дедукции, связанный с индукцией столь же необходимым образом, как писал Энгельс, как синтез и анализ. Теория дедукции была обстоятельно разработана Аристотелем. Суть метода заключается в переходе от знаний общих положений к знанию менее общих положений. Дедуктивное умозаключение применяется нами, когда необходимо рассмотреть какое-либо явление на основании уже известного нам общего положения, и вывести в отношении этого явления необходимое заключение. Например, известно, что движение жидкости и газа описываются одними и теми же дифференциальными уравнениями. Следовательно, для инженерных расчётов для выбранной физической жидкости можно использовать общие методики с поправками на вязкость среды.

Попутно следует отметить огромный вклад Аристотеля в развитие логики, в том числе и в исследование индукции, и в создание основ формальной логики. В частности, Аристотель дал определение силлогизму, как высказыванию, в котором при утверждении чего-либо, из него необходимо вытекает нечто, отличное от утверждаемого и именно в силу того, что это есть. Силлогизм - это умозаключение, в силу которого, признав истинность посылок силлогизма, нельзя не согласиться с истинностью заключения, вытекающего из посылок.

Исходя из системного подхода, можно утверждать, что весь окружающий нас мир охвачен процессами управления. На макроуровне эти процессы просматриваются явно. В живом организме поддерживаются обменные процессы, дыхание, сердечный ритм, температура тела. Атмосфера Земли, её океан и растительность обеспечивают стабилизацию климата планеты и химический состав атмосферы. Движение небесных тел детерминировано и поддаётся точным вычислениям. Химические реакции, электромагнитные излучения, радиоактивный распад происходят по законам, которые изучены и поддаются управлению, Управление в природе представляет собой .такую организацию процесса, которая обеспечивает стабилизацию и целостность структуры. В основе управления лежит принцип обратной связи, заключающийся в том, что причина, вызывающая изменение состояния объекта, вызывает реакцию системы, противодействующую изменению его состояния.

Первый шаг в исследовании явления или объекта природы заключается в представлении этого явления или объекта в форме "чёрного ящика". Термин "чёрный ящик" был введён и узаконен в кибернетике при исследовании характеристик неизвестных устройств, приборов и систем, Метод "чёрного ящика" заключается в создании возмущения на входе системы и измерении реакции на её выходе. По реакции на выходе "чёрного ящика" определяется принцип его работы, его математическая модель или ожидаемая реакция поведения в случае биологических систем. Методом "чёрного ящика" пользуются все живые организмы при исследовании опасностей или поиске пищи. Очевидно, многим приходилось видеть в фильмах о живой природе реакцию стада обезьян на чучело леопарда. Исследователь изучает поведение обезьян, создавая возмущение в стае присутствием чучела леопарда. Обезьяны в свою очередь изучают поведение чучела, швыряя в него палки, постепенно приближаясь к нему и, в итоге, набрасываются на него, кусают и повергают на землю. В данном примере метод "чёрного ящика" используется человеком для исследования поведения стада обезьян, и обезьянами - для исследования чучела леопарда.

Отношение реакции "чёрного ящика" к возмущению на его входе принято называть его передаточной функцией. Определение передаточной функции системы является непременным первым этапом исследования. Физические процессы в природе в большинстве случаев можно описать дифференциальными уравнениями. В теории автоматического регулирования любому дифференциальному уравнению соответствует динамическое звено, определяемое передаточной функцией ^(р) и записанное в операторной или форме изображения Лапласа. Понятие динамического звена позволяет рассматривать характеристики "чёрных ящиков" любой физической природы. При записи и преобразовании дифференциальных уравнений оператор р == d/dt, обозначающий операцию дифференцирования, рассматривают как алгебраический сомножитель. Причём, дифференцируемую функцию, например у(t), нельзя ставить перед знаком оператора и следует писать р-у, но не у-р. Если, например, имеется дифференциальное уравнение

а_о р²у + а₁ ру + а₂у = b₀рu + b₁u (1.1)

то его можно записать в виде

( а₀ р² + а, р + а₂)у = (Ь₀р + b₁)u (1.2)

Передаточная функция динамического звена, для данного уравнения, имеет вид:

Передаточные функции динамических звеньев имеют множество разновидностей и подразделяются на три основные группы: позиционные, интегрирующие и дифференцирующие. Простейшим позиционным звеном является безинерционное звено, передаточная функция которого имеет вид:

W(р) = к (1.4)

Простейшим интегрирующим звеном является идеальное интегрирующее звено вида:

W(p)=k/p (1.5)

Простейшим дифференцирующим звеном является идеальное дифференцирующее звено:

W(р) = kp (1.6)

Реальный "чёрный ящик" может описываться сочетанием двух и более звеньев, каждое из которых может описываться уравнениями, как первого, так и второго порядка включительно. Более подробно с типовыми звеньями можно познакомиться, например, в (Л 15). Известное релятивистское уравнение зависимости массы от скорости по внешнему виду является типичной передаточной функцией идеального безинерционного звена. В действительности все реальные физические процессы происходят не мгновенно от изменения внешних факторов, а с определённым запаздыванием, определяемым постоянной времени т для данного процесса. В данном уравнении постоянная времени вообще отсутствует, что говорит о полном незнании автором формулы механики явления. Уравнение не раскрывает динамики процесса, т.е. зависимости скорости изменения массы от изменения скорости движения, а так же физической природы явления, и лишь констатирует, что при достижении массой скорости V₁ её величина составит:

(1.7)

Следует заметить, что данное уравнение проверено до скоростей ~0,7С и можно ли им пользоваться для расчётов при больших скоростях неизвестно.

Современная физика оперирует в основном упрощенными передаточными функциями, из которых установить причинно-следственные связи и механизм явления подчас невозможно. Начальные временные интервалы переходных процессов -не изучаются по причине отсутствия теории взаимодействий и их математического описания. Например, первый закон Ньютона или закон инерции постулируется следующим образом: всякая материальная точка сохраняет состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не выведет его из этого состояния. Так как во всей Вселенной не существует материальных точек, на которые не действуют силы, то воздействие со стороны другого тела приведёт только к нарушению равновесия, что может привести к перемещению материальной точки. Если возмущающая сила прекратит своё действие, то ещё не очевидно, что тело будет двигаться с равномерной скоростью. Не известно как в новых условиях изменится действие внешних сил: то ли они будут стабилизировать новое состояние материальной точки, то ли будут оказывать тормозящее или ускоряющее действие. Простой пример - сход космической станции с орбиты. Тормозящий импульс приводит к необратимому процессу. Импульс силы уже не действует на станцию, но возрастает влияние аэродинамических сил, приводящих к падению станции на землю. Второй закон Ньютона можно записать в следующем виде:

В операторной форме, обозначив

импульс Fdt = К получим следующее выражение:

Передаточной функцией динамического звена, описываемого вторым законом Ньютона, является идеальное дифференцирующее звено вида:

В данном случае, импульс силы, действующий на входе "чёрного ящика", вызывает перемещение массы т, сообщая ей приращение скорости. Как возникает сила Р и, посредством какого носителя она воздействует на массу, закон Ньютона не отвечает. Природа гравитационных, электростатических, электромагнитных и квантово-механических сил в современной физике не рассматривается и лишь даётся их описание, как правило, статическими уравнениями или упрощёнными передаточными функциями. Целью настоящей работы является -^ раскрытие содержимого "чёрного ящика" и определение природы сил и их взаимодействия с весомой материей.

Вторым этапом исследования явления или объекта природы является исследование устойчивости математической модели явления или объекта при внешних возмущающих воздействиях. Понятие устойчивости связано со способностью системы возвращаться в состояние равновесия после исчезновения внешних сил, которые вывели её из этого равновесия. Если система неустойчива, то она не возвращается в состояние равновесия, а удаляется от него или совершает незатухающие колебательные процессы вокруг точки равновесия. Например, электрон и позитрон являются устойчивыми структурами. При соударении частиц (аннигиляция) они теряют устойчивость и переходят в колебательный режим, который мы принимаем за структуру фотона.

Наглядно устойчивость равновесия можно изобразить шарами, расположенными на вогнутой и выпуклой поверхности (рис. 1.1).

На левом рисунке, любое отклонение шара в гравитационном поле возвращает шар в нижнюю точку кривизны. На правом - отклонение шара от точки равновесия приводит к потере устойчивости. Впервые строгое определение устойчивости было дано русским учёным А.М.Ляпуновым в 1892г. в работе "Общая задача об устойчивости движения". Определение устойчивости А.М.Ляпунова оказалось настолько удачным и наилучшим образом удовлетворяющим многим техническим задачам, что в настоящее время оно принято как основное. В основе подхода лежит простая идея известная из механики: в положении равновесия система имеет минимум потенциальной энергии. Минимум потенциальной энергии всегда можно считать равным нулю. Тогда в любой окрестности положения равновесия потенциальная энергия будет положительной. Определение всех положительных функций в окрестности положения равновесия и лежит в основе метода, разработанного А.М.Ляпуновым.

Устойчивость системы определяется величиной обратной связи, Действующей в структуре, и её знаком. В теории автоматического регулирования структуру с обратной связью изображают как:

Как видно из структуры, часть сигнала с выхода системы подаётся на её вход и суммируется с входным сигналом. Передаточная функция звена в этом случае запишется как:

Знак (+) в знаменателе (1.11) соответствует отрицательной обратной связи, а знак (-) - положительной. Отрицательная обратная связь производит стабилизацию структуры, положительная - приводит её к распаду. Анализу устойчивости структуры, как очевидно, предшествует промежуточный этап выявления причин, образующих обратные связи и их математическое описание. В случае появления возмущающего фактора г" (рис. 1.1), может произойти потеря устойчивости структуры, сокращение времени её жизни и распад на иную структуру, устойчивую в новых условиях воздействия. Так происходит распад одних элементарных частиц с образованием других, более устойчивых при данных условиях. К примеру, физикам удалось зарегистрировать при распадах К-мезонов пи-мезоны: Π⁺ Π ^- Π⁰ . Все три частицы имеют приблизительно равные массы, однако время жизни у первых двух одинаковое, а у к° - на несколько порядков меньше. Если предположить, что структура у всех частиц одна и та же, то причина разного времени жизни может заключаться во внешних факторах, по-разному воздействующих на структуру, Устойчивость системы зависит так же от её линейности. Если передаточная функция системы описывается линейными дифференциальными уравнениями, то такая система называется линейной. Реакция структуры в этом случае пропорциональна величине возмущения. В нелинейной системе, описываемой нелинейными дифференциальными уравнениями, это же возмущение может привести к потере устойчивости системы. Поэтому в физике необходимо провести разграничение законов, - в какой системе определялась та или иная закономерность. Распространение законов, полученных в линейной системе, на нелинейную систему является принципиальной ошибкой,
приводящей к неверному толкованию явления природы.

Из описания материи через передаточную функцию с обратной связью следует важный вывод, который опишем качественно. Обратная связь, действующая во всех без исключения динамических структурах, имеет определённый порог чувствительности к отклонению системы от стабильного состояния. Обратная связь изменяет корректирующий сигнал (К-у) только при превышении порога чувствительности системы Дуо. В результате система стабилизации будет работать в колебательном режиме, который может усиливаться под влиянием W(р). Следовательно, все материальные объекты находятся в состоянии вибрации и имеют собственные волновые характеристики. Ниже, при выводе передаточной функции электрона, это явление будет рассмотрено более подробно.

Прежде чем перейти к составлению передаточных функций явлений или объектов природы необходимо провести их классификацию и анализ факторов участвующих в физическом процессе. Математическое описание объектов в теории управления неразрывно связано с характеристиками возмущающих воздействий, так же как неразрывны материя и движение. Возмущающими факторами в исследовании структур материи являются, прежде всего, внешние динамические воздействия гравитационных и электромагнитных полей и статическое воздействие давления эфира. Не раскрыв природу полей, нельзя описать механизм взаимодействия весомой материи и поля, и составить корректную математическую модель структуры материи. Идея объединения полей давно витает в умах физиков, и эфиродинамика даёт ключ к решению этой задачи, о чём пойдёт разговор в последующих главах.

По степени познания физических процессов современной физикой можно выделить три группы задач, в которых присутствуют объект регулирования и внешние воздействующие факторы. К первой группе задач относятся явления, физическая природа "чёрных ящиков" в которых известна, поддаётся вычислению и регулированию. К этим типам задач относятся гидродинамические и механические задачи с известными источниками силы и характеристиками весомой материи. Основной математический аппарат задач - дифференциальные уравнения,

Ко второй группе задач относятся явления, физическая природа "чёрных ящиков" в которых определена частично, поддается вычислению и регулированию. К этим типам задач относятся гравитационные и электромагнитные задачи. Основным математическим аппаратом задач так же являются дифференциальные уравнения. Дифференциальные уравнения для описания электромагнитных явлений были выведены по аналогии с описанием гидродинамических задач.

К третьему типу задач относятся явления, физическая природа которых в современной физике не объясняется, но поддаётся вычислению на основании статистических методов и частичному регулированию. К этому типу задач относятся квантово-механические явления. Основным математическим аппаратом этого типа задач является теория вероятности. первый и второй тип задач сближаются на основании общего математического аппарата описания. Следовательно, можно предположить, что во втором типе задач, где действуют те же гидродинамические законы, что и в первом, содержимым "чёрного ящика" может являться "физическая жидкость". А если в первом и втором типе задач в состав "чёрных ящиков" входит "жидкость", то и в третьем типе задач должны соблюдаться законы гидродинамики, и носителем процессов так же должна выступать "жидкость". Одновременно, в первом типе задач, должны наблюдаться квантово-механические явления. Так как в данной работе принята за основу эфиродинамическая концепция, то под "физической жидкостью", для второго и третьего типа задач, естественно подразумевается эфир. Выше изложенные заключения оформим в виде силлогизмов.

Силлогизм 1. Динамические характеристики жидкостей описываются дифференциальными уравнениями.

2. Динамические характеристики газов описываются теми же дифференциальными уравнениями.

3.Динамические характеристики электромагнитных полей так же описываются теми же дифференциальными уравнениями.

Электромагнитное поле является физической жидкостью. В этом силлогизме частный случай подводится под общее правило и делается вывод из общего правила для данного частного случая, Напомним, что Максвелл выводил свои уравнения электромагнитного поля на основании представления поля физической жидкостью.

Силлогизм 2 1 .Электромагнитное поле является физической жидкостью.

2.Квантово-механические явления являются одной из характеристик электромагнитного поля. В основе квантово-механических явлений лежат характеристики физической жидкости.

Далее, рассмотрим, на сколько предложенные силлогизмы могут быть истинными или ложными и как, на основании эфиродинамики, можно произвести объединение полей и придти к описанию структур материи через передаточные функции.