В физике мир рассматривается состоящим из физических объектов, взаимодействующих между собой через физические силы. Именно выделение объектов и описание разного рода взаимодействий физических объектов и является главной целью изучения мира в физике как науке.
Задачей же физического исследования какого-либо физического явления является описание явления в следующем виде:
1. Определение состава физических частиц или частей материи, представляющих исследуемое явление.
2. Описание стереометрической структуры выделенных частей материи, то есть взаимной пространственной ориентации этих частей.
3. Описание всех физических сил, обеспечивающих взаимодействие выделенных частей материи.
4. Построение результирующей математической модели.
В историческом ракурсе учеными при создании физики как науки были обнаружены различные типы физических объектов и их взаимодействий. Причем, как правило, физические объекты взаимодействуют одновременно несколькими физическими силами. Для внешнего наблюдателя такое взаимодействие носит единый, объединенный характер.
Для упрощения понимания мира физиками были проклассифицированы всевозможные объекты и их взаимодействия. Из совокупности объектов и их взаимодействий были выделены простейшие, такие, которые невозможно разложить на более простые. Например, гравитационные взаимодействия, которые действуют между физическими объектами, обладающими массами.
Суть физики заключается в том, чтобы выделенные объекты и их взаимодействия описать языком человека. Язык этот подразделяется на вербальный (словесно-языковой) и математический (специфически-символьный). Связи между терминами вербального языка обеспечивает логика. Связи между символами математического языка обеспечивают символы математических операций. Простейшими из последних являются знаки операций сложения и вычитания.
Математические символы, соединенные знаками математических операций, называются математическим выражением. Два математических выражения, соединенные знаком равенства, называются математическим уравнением.
Рассмотрим, для чего нужно применение математического аппарата в физике. Любое физическое явление можно описать феноменологически, т. е. качественно. Для этого используется вербальный язык. Можно изложить количественно, то есть используя аппарат математических правил (операций).
Как это делается? Вначале всегда любое физическое явление описывается на качественном уровне. «В начале было Слово…» (Евангелие от Иоанна). При этом стремятся все физические объекты и взаимодействия объектов описать параметрически.
На первом этапе исследования физик, исходя из своего профессионального опыта, определяет, с каким типом объектов и взаимодействий он имеет дело. Например, это гравитационное взаимодействие, объект обладает массой покоя. Здесь он выделяет гравитационное взаимодействие этих объектов из других типов взаимодействий и описывает стереометрическую физическую структуру рассматриваемого физического явления. На этом и заканчивается качественный уровень описания физического явления.
Для практических нужд, как правило, требуется точное количественное значение рассматриваемого физического явления, чего не дает качественный уровень описания. Как правило, количественный уровень описания необходим для точного прогнозирования событий физического явления, то есть для описания протекания конкретного физического процесса во времени. Например, мы хотим точно определить время наступления будущих солнечных затмений. Это можно сделать только на количественном уровне описания физического явления. В случае если при анализе объекта ему не получается подобрать адекватную математическую модель, то качество научного анализа такого объекта является сугубо половинчатым, неполным.
Для обеспечения возможностей перехода к математическому описанию физического явления физики решили любой объект характеризовать и идентифицировать набором физических параметров. Параметр – это выделенный типовой фактор, определяющий одно взаимодействующее свойство физического объекта, а точнее, это численное значение какой-либо выделенной физической величины. Параметр характеризует конкретное, простейшее взаимодействующее свойство физического объекта. Например, масса объекта.
Последним этапом перехода к математическому описанию физического взаимодействия является выделение эталонов и физических констант.
Эталон – это физический объект, у которого выделенный физический параметр, например, масса, принимается за единичное математическое значение. Например, если два эталонных физических объекта взаимодействуют выделенными физическими параметрами, то математически эти параметры автоматически принимаются за единичное значение. Физические константы – это такие физические величины, численные значения которых не изменяются в процессе вычисления искомых физических величин. Частным классом констант являются коэффициенты пропорциональности. Задачей коэффициентов является согласование размерностей физических величин, задаваемых произвольными эталонами, в математических выражениях.
Если взаимодействует произвольный физический объект с эталоном, то его выделенный параметр будет кратен эталонному. Именно в этом заключается суть параметрической физической характеристики любого физического объекта. Например, если масса физического объекта равна 5 кг, то математически это означает, что масса этого объекта ровно в 5 раз превышает массу эталонного физического объекта.
Таким образом, при физическом исследовании конкретного явления у взаимодействующих объектов:
– на первом этапе выделяют наборы, характеризующие их физические параметры;
– на втором этапе, путем соответствующего подбора математических операций между параметрами физических объектов, обозначенных соответствующими математическими символами, составляют такие математические выражения объектов (математическая модель), которые правильно отражают связи между физическими параметрами объекта;
– на третьем этапе стремятся выделить такие пары математических выражений, которые можно объединить знаком равенства, т. е. получить уравнение;
– на следующем этапе, используя уже чисто математические операции, т. е. абстрагируясь от первичного явления, через соответствующие вычисления можно получить тот результат, который необходим для практических нужд.
Для чего физика стремится к составлению математических уравнений физических явлений? Это нужно, потому что уравнение дает полную, законченную связь между параметрами физического явления. В уравнении любой параметр можно выразить через другие параметры, фигурирующие в уравнении. В частности, неизвестные параметры можно выразить через известные.
Дело в том, что на практике далеко не всякий физический параметр поддается прямому измерению. Например, как взвесить Землю, чтобы определить ее массу? Тем не менее, хотя Земля никем и никогда не взвешивалась, массу Земли физики знают с любой необходимой точностью. Определение тех параметров, которые нельзя измерить напрямую, осуществляется косвенно, через их математические вычисления. Значение таких параметров получают расчетным путем. Для расчета таких параметров, которые нельзя измерить на практике, используются соответствующие математические уравнения.
Подбираются такие уравнения для определения неизмеримых величин, которые содержат такое количество параметров, поддающихся прямому измерению, которые позволяют рассчитать искомый. Косвенные измерения – это получение искомой величины расчетным путем.
Таким образом, применение математического аппарата, в частности, позволяет получать значение таких параметров физических систем, которые не поддаются прямому измерению, причем количественное значение искомого параметра можно вычислить с любой практически необходимой точностью.
Вывод: при решении конкретной научной задачи вначале выделяется изучаемая система из окружающего мира. Определяется набор параметров, характеризующих ее состояние. Главной задачей ученого-теоретика является обобщение экспериментальных данных языком математических уравнений. Целью физика-теоретика является самообучение умению предсказывать изменение состояния исследуемой физической системы во времени. Анализ состояния физической системы сводится к нахождению решения искомого (главного) параметра, характеризующего состояние системы через подбор таких комбинаций математических операций, с помощью которых через численное значение известных параметров можно расчетным путем получить значение искомого параметра. В результате величина искомого параметра, экспериментально измеренная с приемлемой точностью, должна совпасть с теоретически рассчитанным значением. При совпадении результата подобранная математическая модель может оказаться адекватной.
В свою очередь, анализ состояния физической системы – это выделение параметров, определяющих ее состояние. Замер численных значений параметров осуществляется сопоставлением измеряемого параметра с однородным параметром, принятого за эталон. Сопоставление фиксируется в виде числа, кратность значения которого определяется относительно значения эталона. Величины самих эталонов берутся произвольно и закладываются в соответствующие измерительные устройства.
Ученый в области математической (теоретической) физики – это конструктор сугубо подбора математических приемов, которые он должен знать в виде соответствующих математических моделей. Эти модели должны максимально адекватно описывать реальные физические процессы в абстрактном виде. Отсюда следует, что модели всегда описывают реальный мир в приближенном виде. Вопрос здесь только в том, насколько удачно была подобрана та или иная математическая модель, т. е. насколько, с практической точки зрения, она приемлемо близка к реальности.
Физика – это наука об изучении наиболее общих свойств и структуры мира, общих законов природы, форм движения и правил преобразования материи.
Математика – это анализ таких величин количественных отношений и пространственных форм реального мира, которые необходимы для выполнения осознанных действий. Это упрощение реальных предметов до их идеальных, абстрактных моделей, через которые и осуществляется изучение соответствующих свойств объектов мира.
Отсюда следует первый вывод: математика – это предмет сугубо человеческого интеллекта, искусственный инструмент, облегчающий процесс познание мира. Никаких математических формул в реальной природе в принципе не существует и никогда не будет существовать. Не было бы человека, не было бы и этих формул. Более того, например, в любом конкретном физическом уравнении, описывающем физический закон, только путем изменения значений эталонов коэффициент пропорциональности всегда можно сделать равным единице.
Отсюда второй вывод: математические модели, описывающие взаимосвязи параметров, всегда приближенно описывают реальный мир. Только от уровня профессионализма физика-теоретика зависит, насколько удачно ему удалось подобрать такую математическую модель, которая описывает тот или иной физический процесс с достаточно приемлемой практической точностью.
Вот почему никакая математическая модель в принципе не способна заменить реальный мир. Именно отсюда проистекают корни бесконечной конкуренции всевозможных научных парадигм.
Третий вывод: объяснение физического явления – это его разбиение на совокупность более простых физических процессов. Никакие математические модели не дают объяснение физическим явлениям, но они переводят взаимоотношения физических параметров этих явлений в количественные значения. Не математика диктует физике, какой ей быть, а физика диктует математике, какую математическую модель необходимо применить для количественного описания конкретного физического явления. Физика, т. е. устройство материи, существовала вечно, а математика была придумана людьми.
Сайт: «Навигатор блога по основам строения Вселенной», где ссылка на книгу: «Человек и энергия Вселенной».