textarchive.ru

Главная > Документ

1

Смотреть полностью

Термодинамика реальных процессов

Издается за счет средств автора и в авторской редакции.

УДК 536.7 +"7"+ (201) +53+57 +577.4+211

Вейник А.И., «Термодинамика реальных процессов», Мн.: "Навука i тэхнiка", 1991. 576 с. - ISBN 5-343-00837.

В монографии приводятся ряд новых законов термодинамики, нетрадиционное определение времени и пространства и способы управления последними, описаны устройства, нарушающие второй закон термодинамики Клаузиуса, третий закон механики Ньютона и закон сохранения количества движения. Установлен факт существования сверхтонких миров и объектов, которые живут вне времени и пространства и взаимодействуют с нами по законам добра и зла. В новом свете предстают суть человека, свобода воли, цель жизни, мышление, память, сновидения, нарушения психики и интересующая всех проблема здоровья. Дается объяснение физического механизма так называемых аномальных явлений (парапсихология, полтергейст, НЛО и т.п.), показано, что все они суть некий единый феномен, порождаемый сверхтонким миром зла, который проникает в нас и манипулирует нашими сознанием и здоровьем.
Предназначена для научных и инженерно-технических работников, преподавателей, аспирантов, студентов и широкого круга читателей, интересующихся этими вопросами.

Табл. 7. Ил. 42. Библиогр.: 91 назв.

Рецензенты;
акад. АН БССР Г. А. Анисович,

д-р техн. наук Н. Н. Виноградов,

д-р техн. наук Е. М. Макушок,

д-р техн. наук Э. X, Одельский,
д-р техн. наук П. К. Ощепков.

Предисловие.

Мир (и человек) устроен совсем не так, как мы думаем. Чем глубже я проникался этой мыслью и чем дальше продвигался на пути раскрытия реальной картины мира, тем неуютнее мне становилось и тем меньшее понимание я встречал со стороны своих ученых коллег. Первые же скромные успехи на этом пути, выразившиеся в опубликовании монографии "Термодинамическая пара" [21], оказались и последними в том смысле, что после этого мне уже не удавалось обнародовать ни одной своей работы, если не считать нескольких кратких заметок, которые я посвящал всевозможным посторонним предметам и посылал в различные малоизвестные провинциальные сборники трудов только с единой целью, чтобы эзоповским языком высказать одну-другую новую идею одной-двумя фразами; примерами могут служить статьи [7-10, 19, 22-30]. Эти статьи я именовал мистификациями. Иногда меня разоблачали, и тогда статья оказывалась изъятой.

Сейчас положение начало изменяться, ибо открывается возможность обойти иногда "научную цензуру коллег-ученых", которая "предотвращает появление новых идей", как выразился известный шведский ученый лауреат Нобелевской премии X. Альвен, если опубликовать работу "за счет средств автора и в авторской редакции", как выражается новый закон о печати.

Однако ощущение неуюта продолжает сохраняться: и даже переросло в страх, когда я заметно продвинулся в расшифровке истинной картины мира, ибо эта картина оказалась органически связанной и целиком обусловленной природой самого человека и его ролью и назначением в этом мире. Именно так, я не оговорился - все вертится вокруг человека, и наша трагедия заключается в том, что мы этого не понимаем и живем, полностью игнорируя указанное обстоятельство.

Все начиналось с термодинамики. Мне удалось получить многие неизвестные ранее принципиально важные результаты, особенно после того, как было дано новое определение понятий времени и пространства. В результате были найдены соответствующие общие законы, одновременно управляющие поведением как термодинамических "железок", так и живой природы, венцом которой служит человек. Обнаружена интереснейшая картина информационных и иных взаимодействий между всеми живыми объектами. Начала вырисовываться ошеломляющая суть человека и сопутствующих ему сверхтонких миров, без которых фактически не обходится ни один шаг нашей жизни. Это заставит глубоко задуматься многих из нас.

Классическую термодинамику Клаузиуса издавна называют королевой наук. Это замечательная научная система, детали которой ни по красоте, ни по блестящей законченности не уступают всей системе в целом. Последние слова принадлежат М. Планку. Такую славу она снискала благодаря предельной широте и универсальности своего фундамента - первого и второго начал, которым призвано подчиняться все сущее. Именно поэтому термодинамике было суждено сыграть роль стартовой площадки при разработке общей теории природы.

Но классическая термодинамика не знакома со временем и пространством: она признает только такие понятия, как покой (равновесие), для которого не существует времени, и однородность, для которой безразлична протяженность в пространстве. Этот недостаток особенно ощутим для инженера, сильно стесненного рамками времени и пространства.

Чтобы справиться с указанной трудностью, Онзагером была предложена термодинамика необратимых процессов, уже содержавшая и время, и пространство, и эффекты выделения теплоты трения в необратимых (неравновесных) процессах. Это был революционный шаг принципиальной важности. Однако теория Онзагера по-прежнему имеет в своей основе второй закон классической термодинамики, с помощью которого вводится понятие энтропии, справедливой только для состояния равновесия. Поэтому, строго говоря, применение термодинамики Онзагера ограничивается лишь процессами, бесконечно мало отклоняющимися от состояний равновесия. Это направление получило широкое развитие, особенно в рамках нидерландско-бельгийской школы; термодинамика необратимых процессов стала именоваться термодинамикой неравновесных процессов, но фундамент ее не претерпел, изменений.

Параллельно мною был предложен другой путь, на котором я прежде всего отказался от услуг энтропии, а следовательно, и второго закона термодинамики. При этом сразу же отпали все диктуемые ими ограничения и запреты. Иное звучание приобрело и само понятие необратимости, ибо все реальные процессы с трением в конечном итоге оказываются полностью обратимыми. Новая термодинамическая теория применима для любых реальных процессов при любом их отклонении от состояния равновесия. В ходе развития термодинамика реальных процессов благодаря своей универсальности постепенно, по мере накопления теоретических выводов и подтверждающих их экспериментальных фактов переросла в общую термодинамическую теорию природы.

Этому способствовало главным образом новое понимание времени и пространства, которые вошли в теорию в составе неизвестных ранее хронального и метрического явлений. В результате видимый мир резко преобразился: из одномерного, каким казался, он вдруг превратился в многомерный, с этажами различной тонкости, способными проникать друг в друга и взаимодействовать друг с другом по определенным правилам, среди которых решающую роль играют уже не физические законы, а духовные, моральные и нравственные установления - это нечто принципиально новое, с чем ранее сталкиваться не приходилось.

В настоящей монографии все эти вопросы детально расшифровываются в той последовательности, как это происходило на самом деле. В ней обобщается моя сорокадвухлетняя работа над созданием общей термодинамики реальных процессов, или общей теории (ОТ) природы. Это первая из опубликованных монография, в которой систематически излагается ОТ. До этого мне приходилось (удавалось) вклинивать в различные статьи-мистификации и в книги (общим числом двадцать) лишь отдельные идеи и фрагменты ОТ, из которых чрезвычайно трудно составить достаточно полное, связное и ясное представление о сути моей теории.

В ОТ я попытался сформулировать предельно широкую парадигму-постулат, находящийся на уровне философских обобщений. На этом фундаменте и построено все здание ОТ, благодаря чему впервые удалось собрать под одной теоретической крышей самые разнородные дисциплины, такие, как механика, термодинамика, электротехника, металлургия, биофизика, экология, теория информации и т.д. Книга содержит достаточно подробное теоретическое и экспериментальное обоснование ОТ, экспериментальную проверку многочисленных прогнозов ОТ, включая весьма экзотические, не укладывающиеся в существующие представления, особенно это касается времени и пространства, сверхтонких миров, аномальных явлений и т.п.

Я стремился использовать предельно простой язык и математический аппарат исследования с целью привлечь к новым . идеям максимально широкий круг читателей. Из упомянутых сорока двух лет я половину потратил на то, чтобы спланировать и осуществить как можно более простые устройства и эксперименты, доступные всем желающим, включая даже старшеклассников, чтобы каждый интересующийся мог убедиться в справедливости сделанных мною выводов. Я надеюсь, что все это поможет ускорить внедрение методов ОТ в повседневную научную, инженерную и учебную практику.

В заключение я хочу выразить сердечную признательность всем многочисленным доброжелателям, которые помогали, а также великодушно дарили мне различные экзотические материалы, детали и приборы, необходимые для выполнения экспериментов в домашних условиях, они же снабжали меня и соответствующей измерительной техникой. Особенно я хочу подчеркнуть мою благодарность файнмеханику В.В. Качмареку, помогавшему мне в изготовлении самых сложных устройств [ТРП, стр.3-6].

Введение.

При построении общей теории (ОТ) природы я воспользовался гениальными идеями Т. Куна [52], начав с формулировки предельно универсальной новой парадигмы (основных мировоззренческих концепций) науки (см. гл. I). У меня парадигма одновременно служит исходным постулатом теории, утверждающим факт объективного существования Вселенной, которая охватывает все сущее. Кстати, к сущему относятся и такие категории, как время и пространство. Всеобъемлющий характер исходной посылки рассуждений заставил меня развить наиболее общий метод дедукции (способ рассуждений от общего к частному), ибо их пришлось начинать со Вселенной.

Чтобы совладать с таким громоздким предметом, как Вселенная, потребовалось вначале прибегнуть к методу анализа - мысленному расчленению Вселенной на отдельные составляющие ее части. Первый шаг на пути анализа заключается в предположении, что Вселенная состоит из вещества и его поведении, в совокупности представляющих собой явление. Вещество и его поведение, в свою очередь, распадаются на соответствующие количества и качества, то есть явление состоит из количества вещества и его качества (структуры), количества поведения вещества и качества (структуры, способа) этого поведения.

Дальнейшее расчленение Вселенной особенно плодотворно в том случае, если для всех этих понятий ввести специальные количественные меры - в этом заключается важнейшая характерная особенность метода ОТ. С помощью введенных мер путем соответствующего уменьшения их числовых значений Вселенная последовательно расчленяется на отдельные составляющие ее более простые формы явлений. Таким способом можно в конце концов прийти к наипростейшему явлению, не поддающемуся дальнейшему расчленению.

Естественно, что при анализе каждая выделенная форма явления представляет собой "черный ящик", состав и структуру которого мы никогда не знаем до конца. Только для наипростейшего явления все количественные меры известны заранее, они равны нулю (кроме меры количества вещества). Поэтому далее приходится идти в обратном направлении - методом синтеза, строить отдельные усложняющиеся формы явлений, начиная с наипростейшего и пользуясь прежними количественными мерами. В синтезированных таким образом формах уже все известно - и состав и свойства, благодаря чему формы, найденные методом анализа, перестают быть черными ящиками. Из полученных бесчисленных форм можно составить различные усложняющиеся эволюционные ряды явлений, главный макроскопический ряд включает в себя человека. Так Вселенная была разложена по качественным и количественным полочкам (см. гл. II и III). Такой подход позволяет ответить на многие бывшие ранее неясными вопросы и более четко классифицировать, различные научные дисциплины (с.м. гл. IV).

В главном ряду исходным явлением служит абсолютный вакуум, или парен, он есть вещество без структуры и поведения, ибо соответствующие этим характеристикам количественные меры равны нулю. Парен представляет собой как бы первозданный кисель, служащий неограниченным источником строительного материала для всех, объектов Вселенной, он олицетворяет собой абсолютный покой, абсолютную смерть. Отсутствие структуры и поведения сильно затрудняет непосредственное наблюдение и измерение свойств парена, (см. гл. V и XVII).

Первый, начальный шаг эволюции, общий для всех рядов, связан с сообщением абсолютному вакууму определенного количества поведения (энергии), в результате мертвое вещество оживает, у него появляются, структура, а также качество (структура, способ) поведения - это первый знаменательный этап на пути становления жизни. Такое оживленное простое вещество уже становится видимым, его нетрудно наблюдать и измерять.

Поскольку существование вещества и его поведения постулируется, постольку найти его можно только из опыта. Эксперименты показывают, что на простом уровне вещество имеет много различных форм. Мне пока удалось обнаружить и более или менее подробно изучить, семь таких разнородных простых форм вещества и сопряженных с ними простых форм поведения:

  • хрональная (связана со временем),

  • метрическая (связана с пространством),

  • ротационная (связана с вращением),

  • вибрационная (связана с колебаниями),

  • вермическая, или термическая (связана с теплотой),

  • электрическая,

  • магнитная;

  • сейчас я пытаюсь наблюдать проявления восьмой сверхдейственной для биологических объектов формы (СД-вещество).

Простое вещество и сопряженное с ним поведение образуют истинно простое явление (см. гл. XIV, XV, XVIII-XX).

Каждое из перечисленных истинно простых явлений специфично, неповторимо и в принципе несводимо ни к какому другому явлению. Все они являются Исходными первокирпичиками храма Вселенной, его строительным материалом и обладают калейдоскопически разнообразными и необычайно интересными специфическими свойствами. Важнейшим из них служит специфическое силовое взаимодействие, проявляющееся в пределах каждой данной простой формы явления, например гравитационное притяжение, электрическое и магнитное притяжение или отталкивание и т.д. Не менее важную роль призвано играть универсальное силовое взаимодействие, которое, подобно цементу, скрепляет в единое целое все первокирпичики; без универсального взаимодействия Вселенная рассыпалась бы, как карточный домик, на составляющие ее разнородные вещества (см. гл. VI, XX).

Рассмотрение начального шага эволюции с применением упомянутых количественных мер приводит к математической формулировке (выводу) семи всеобщих универсальных количественных принципов, или начал (законов), которым обязаны подчиняться все эволюционные ряды. Эти начала следующие: сохранения энергии, сохранения количества вещества, состояния, взаимности, переноса, увлечения и обобщенного заряжания ("диссипации"). Закон сохранения энергии (первый закон классической термодинамики Клаузиуса) был открыт в опытах Р. Майером в 1842 г. Законы переноса и увлечения сформулированы Л. Онзагером в 1931 г., за что в 1968 г. он был удостоен Нобелевской премии. Остальные четыре начала - сохранения количества вещества, состояния, взаимности и обобщенного заряжания - новые (см. гл. VI-XIII, XVI). На этом практически завершаются построение общего метода дедукции и формулировка основного количественного аппарата общей теории (ОТ) природы (см. гл. XIII).

Среди выведенных начал нет второго закона классической термодинамики Клаузиуса. Оказывается, природа его не знает. Следовательно, вместе с ним теряют силу и все его запреты, включая тепловую смерть мира, неосуществимость вечного двигателя второго рода, по терминологии В. Оствальда (вечного реального самопроизвольного движения с трением), невозможность практического использования теплоты одного источника (источника одной температуры) - земли, воды или воздуха, невозможность преобразования теплоты в работу механическую или электрическую с КПД 100% и т.д. (см. гл. XXIII, XXIV).

Каждый следующий шаг эволюции сопровождается появлением новых специфических законов, которым подчиняются только данная и все последующие более сложные формы явлений. Сейчас эти законы установлены лишь для нескольких начальных форм ряда (см. гл. XXV). Замечательнейшими свойствами обладает так называемая термодинамическая пара: она способна вечно самофункционировать в реальных условиях наличия трения и полной изоляции от окружающей среды, то есть безо всяких внешних воздействий, - это второй важнейший этап становления жизни (см. гл. XXIII-XXV). Все формы, следующие за термодинамической парой, тоже являются самофункционирующими (см. гл. XXV-XXVI).

Однако самые важные принципиальные результаты, на мой взгляд, были получены благодаря нетрадиционному определению времени и пространства, которые по необходимости подчиняются семи началам ОТ (см. гл. XV, XVIII, XIX). Время входит в состав хронального явления, определяющего темп всех процессов, происходящих в любом - макроскопическом, микроскопическом и т.д. - теле. Здесь важно подчеркнуть, что речь идет о реальном физическом времени, обратном хроналу, который является важнейшей характеристикой любого тела - живого и неживого, - подобно давлению, температуре, электрическому потенциалу и т.п. Следовательно, ходом реального времени можно управлять так же просто, как мы управляем изменениями этих последних (см. гл. XV, XVIII, XXI, XXII, XXVI). В противоположность этому наше привычное время, передаваемое по радио, - это реально в природе не существующее, условное, эталонное, ньютоновское, социальное время, придуманное человеком для рациональной организации жизни общества; оно всегда течет равномерно, и его ходом управлять в принципе невозможно (см. гл. XVIII). Что касается пространства, то оно входит в состав метрического явления и представляет собой метрическое вещество. Такое определение времени и пространства позволило совершить прорыв в неизведанные ранее миры и как следствие по-новому взглянуть на человека и его роль в нашем тварном хронально-метрическом мире.

Действительно, хрональное вещество, входящее в состав тела, наделяет его свойствами длительности и порядка последовательности, а метрическое - свойствами протяженности (размерами и массой) и порядка положения. Следовательно. если тело не содержит хронального вещества, то оно не зависит от времени, существует вне его, как бы "размазано" по нему (см. гл. XXVI). Если тело не содержит метрического вещества, тогда оно не имеет размеров и массы, то есть "размазано" внутри нашего пространства, нашего объема (см. гл. XXVII).

Особенно экзотическими свойствами обладают сверхтонкие внехронально-внеметрические тела и объекты: они способны проникать сквозь любые наши преграды и воспринимать нас, представителей хронально-метрического мира, как некие целостные системы с нашим прошлым, настоящим и будущим одновременно. От них-то мы и получаем информацию из будущего. Свойствами этих объектов объясняются все так называемые аномальные явления, включающие эффекты парапсихологии, полтергейст, НЛО и т.п.; ныне ими полнятся средства массовой информации.

Наличие тонких и сверхтонких миров, которые в нас есть, конкуренция между ними, взаимодействия между ними и нами заставляют в корне изменить наши представления о человеке и его роли в этом мире. На первый план выступают законы духовности и нравственности, оттесняя на второй план законы физические. Этот новый аспект научного знания становится особенно актуальным в наше смутное время (см. гл. XXVII).

Монография и рассмотренная в ней общая теория (ОТ) завершаются попыткой количественной оценки уровня эволюционного развития сложного явления с помощью особого информационного подхода, который тоже подчиняется законам ОТ (см. гл. XXVIII).

Всякая новая теория, обладающая необходимой жизнеспособностью, должна удовлетворять, на мой взгляд, следующим трем главным критериям: корректности (не содержать внутренних противоречий), адекватности (объяснять все известные опытные факты, включая и те, которые не поддаются объяснению традиционными методами) и перспективности (предсказывать существование большого множества неизвестных ранее явлений природы, поддающихся опытной проверке, в том числе таких, которые не могут быть объяснены и даже противоречат общепринятым теориям). Поэтому новую теорию всегда следует оценивать с помощью именно этих критериев, а не с позиций общепринятых теорий.

Из настоящей монографии должно быть ясно, что ОТ хорошо удовлетворяет всем трем указанным критериям. Например, с целью соблюдения критерия корректности было сформулировано седьмое начало ОТ: оно есть результат устранения противоречий между остальными началами (см. гл. XIII). По той же причине пришлось упразднить закон сохранения количества и момента количества движения (импульса и спина), второй закон термодинамики, уравнение Томсона-Кельвина и некоторые другие, ибо они внутренне противоречивы. Определенные известные законы пришлось уточнить, ограничив область их применения, например третий закон Ньютона, закон Вольта и т.д.

Что касается критерия адекватности, то этот вопрос рассматривается в гл. XVI и во многих других главах, где сопоставляются теоретические и экспериментальные данные. Он освещается также в предыдущих моих книгах и статьях.

Однако наибольший интерес представляет критерий перспективности, поэтому ему я уделил максимум внимания. Очевидно, что самые неожиданные, интересные и важные новые результаты можно получить с помощью неизвестных ранее законов и явлений; таких результатов в ОТ большое множество. Два из них я выделил в качестве решающих экспериментов, которые призваны определить судьбы старой и новой теорий. К ним относятся "движение за счет внутренних сил", нарушающее закон сохранения количества движения (см. гл. XXI, XXII), и "получение КПД устройств, равного единице", нарушающего второй закон термодинамики (см. гл. XXIII, XXIV). Мой выбор объясняется тем, что "Указания по составлению заявки на открытие" Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий запрещают принимать заявки на подобные устройства, как противоречащие законам природы, точнее, общепринятым представлениям. Таким образом, своим выбором решающих экспериментов я в лобовой атаке столкнул старые, защищенные "Указаниями" и запретами, и новые никем и ничем не защищенные представления, создав более тридцати устройств первого типа и более двадцати - второго. Результаты всех экспериментов подтверждают справедливость теоретических выводов ОТ [ТРП, стр.7-12].

Глава I. Новая парадигма науки.

1. Ведущая роль парадигмы.

Понятие парадигмы впервые ввел в науку Т. Кун [52]. Парадигма в науке выполняет функции ложа знаменитого разбойника Прокруста, который в стародавние времена хватал путников на большой дороге и укладывал на эту кровать. Коротких он растягивал, а длинных обрубал до размеров кровати.. Другими словами, повседневная роль парадигмы заключается в том, чтобы служить меркой, или эталоном, с помощью которого отбираются, оцениваются и критикуются факты, идеи и теории. Благодаря наличию устоявшейся парадигмы ученым при изучении различных явлений природы уже не приходится каждый раз начинать всё с самого начала - с формулировки основных принципов. Теперь, приняв на веру парадигму, они могут сосредоточить все свое внимание на решении конкретных головоломок науки. Это крайне повышает продуктивность научных исследований. Смена парадигмы, по Томасу Куну, неизбежно влечет за собой смену теории, то есть научную революцию, ибо каждая новая парадигма всегда бывает частично или полностью несовместимой со старой. Последовательная смена парадигм характеризует ход исторического развития теории, науки, техники, а значит, и общества в целом. Таким образом, помимо повседневной, парадигма играет также существенную историческую роль.

В теории Т.Куна важное значение приобретает концепция прогресса, утверждающая неизбежность последовательной смены парадигм. Главной причиной развития, считает он, является соревнование, конкуренция ученых внутри каждой группы научного сообщества, исповедующей одну и ту же парадигму, а также между различными группами, исповедующими неодинаковые парадигмы. В ходе конкуренции решаются конкретные головоломки науки и накапливаются факты, среди которых всегда обнаруживаются аномалии (противоречия), приводящие впоследствии к смене парадигмы, а с нею и всей теории.

Любопытно, что "ученые... никогда не отказываются легко от парадигмы, которая ввергла их в кризис" [52, с.106]. Более того, "революции оказываются почти невидимыми", ибо существующая процедура перекраивания учебников "маскирует не только роль, но даже существование революций" [52, с.174]. Обычно ломают парадигмы молодые и новички в данной области, так как они связаны с этой областью менее сильно [52, с.183]. Большая заслуга Т. Куна заключается в том, что ему впервые удалось вскрыть все эти интересные закономерности.

Любая очередная парадигма по необходимости должна быть шире и глубже предыдущей: она обязана объяснять не только все известные факты, но и аномалии, а также предсказывать новые явления природы. В противном случае новая парадигма не устоит в отчаянной борьбе со старой, в борьбе, которая ведется не на жизнь, а на смерть. Однако не исключены и ситуации, когда по тем или иным, например, искусственно воздвигнутым причинам победу - Пиррову победу - может одержать отжившая или менее совершенная парадигма. Но такая победа всегда является временной и на общий исторический ход- развития науки и общества заметного влияния оказать не может.

Каждая новая парадигма вначале играет прогрессивную роль: с ее помощью происходит интенсивное развитие науки и техники. Но одновременно накапливаются и аномалии, которые в конечном итоге ввергают старую теорию в кризис. При этом роль парадигмы изменяется на обратную: она начинает тормозить развитие науки. Возникший кризис неизбежно завершается сменой парадигмы и появлением новой теории, не совместимой со старой, то есть научной революцией: примерами могут служить замены теории Птолемея теорией Коперника, теории теплорода современной термодинамикой, теории флогистона современной химией и т.д. К подобного рода научным революциям сводится концепция развития науки по Т. Куну.

На основе анализа парадигм прошлого Т. Кун всю историю развития науки разбил на два периода-допарадигмальный и парадигмальный. В допарадигмальный период наука представляла собой простой набор фактов (Плиний, Бэкон и др.). При отсутствии парадигмы ученые не располагали принципами, которые бы допускали отбор, оценку и критику имеющихся фактов. Это наложило печать беспомощности на многие воззрения древних ученых и сильно тормозило развитие науки.

В парадигмальный период, по Т. Куну, в каждой области знаний и в каждой группе научного сообщества можно обнаружить большое множество различных частных парадигм, которые не всегда хорошо стыкуются друг с другом. Этот период весьма подробно описан и иллюстрирован большим числом примеров в работе [52]. Примеры связаны с именами и физическими теориями Коперника, Ньютона, Лавуазье и многих других. Нетрудно также привести дополнительные примеры из области биологии, геологии, географии и других дисциплин.

Однако два периода Т. Куна не объясняют, например, почему именно в наше время наблюдается необыкновенно бурный рост научно-технических достижений, которые дали основание говорить о так называемой научно-технической революции. Для объяснения этого феномена, привлекающего столь пристальное внимание ученых и общественности, одного факта наличия парадигм еще недостаточно. Чтобы понять истинные причины и характер научно-технической революции, надо обратиться к анализу исторического развития парадигм в их взаимной связи.

Соответствующий анализ приводит к заключению, что парадигмы существовали, существуют и будут существовать всегда, то есть допарадигмального периода развития науки как такового никогда не было и быть не могло. Кроме того, становится ясно, что классификация научных периодов должна исходить прежде всего из содержания, числа одновременно функционирующих парадигм и характера их распространения. При этом двумя периодами развития обойтись уже, конечно, невозможно: они не объясняют всего многообразия наблюдаемых в истории науки закономерностей.

Действительно совершенно очевидно, что история науки неразрывно связана с историей общества: зачатки научных знаний можно обнаружить уже на заре развития последнего, когда человек впервые пытался осмыслить окружающий мир. У первобытных народов положительные знания облекались в религиозно-мифологическую оболочку, то есть парадигмами служили религиозные верования, мифы, легенды, предрассудки и т.п. Хотя первобытные представления и не являются научными с современной точки зрения, но в свое время они верой и правдой ("огнем и мечом") выполняли функции эталонных мерок (прокрустова ложа), то есть парадигм. Поэтому мы вынуждены считаться с ними как с соответствующими наивными парадигмами и теориями, в противном случае через некоторое время и наши теперешние теории рискуют попасть в разряд предрассудков. Рассматриваемый период вполне заслуживает названия наивно-парадигмального. В этот период каждая первобытная община, каждое племя имели большое множество своих собственных парадигм. Различные племена исповедовавшие неодинаковые парадигмы, обычно враждовали друг с другом.

Человек продолжал пристально наблюдать природу, чтобы выжить. Накапливались знания, развивалось общество. Предрассудки заменялись опытными фактами. Эти факты стали выполнять роль парадигм, то есть каждый отдельный факт служил парадигмой для самого себя. Соответствующий период может быть определен как факт-парадигмальный. Это наименование подчеркивает то обстоятельство, что речь идет об отдельных парадигмах-фактах. Они обладали очень конкретным содержанием, их было много, и они имели ограниченное распространение, как и в случае наивно-парадигмального периода. Таким образом, допарадигмальный период Т. Куна в действительности состоит по меньшей мере из двух парадигмальных периодов: наивно-парадигмального и факт-парадигмального.

В ходе дальнейшего развития науки и общества одновременно изменяются содержание, число и характер распространения парадигм. Разумеется, главное значение имеет содержание. По мере накопления научных знаний парадигмы, обобщались, они стали охватывать все больший набор конкретных фактов. Это приводило к сокращению числа парадигм. Развитие коммуникаций постепенно вовлекало в сферу действия господствующих парадигм новых людей и новые регионы.

Важным этапом в развитии науки и общества, как справедливо отмечает Т. Кун, служит появление законов и теорий Коперника, Ньютона, Лавуазье и т.д. Именно этот момент Т. Кун предлагает считать началом парадигмального периода. Однако, как мы убедились, действительное начало отодвигается в седую глубь веков. Обсуждаемый период правильнее было бы назвать полипарадигмальным. Этим подчеркивается множественность парадигм и большое число фактов, охватываемых каждой из них.

Прогресс науки и техники приводит к тому, что земной шар покрывается разветвленной сетью коммуникации и средств массовой информации. В результате конкуренция научных групп и парадигм приобретает ярко выраженный глобальный характер. В ходе этой конкуренции наиболее плодотворные из парадигм одерживают верх и вытесняют все остальные.

Господствующие парадигмы становятся глобальными, то есть превращаются в панпарадигмы. Они принимают на себя функции единственных регулировщиков прогресса на Земле. Господствующие группы разрастаются до мировых размеров. При этом государственные границы никакого значения не имеют. Впервые происходит глобальная концентрация сил и средств каждой мировой группы на решении очередных головоломок науки, диктуемых панпарадигмами. Это и только это является истинной причиной наблюдаемого ныне скачка в развитии науки, а затем - с известным вполне естественным запозданием - и техники, то есть причиной так называемой научно-технической революции.

Глобальный характер распространения парадигм - важнейшая веха в истории развития науки и общества. Соответствующий период может быть назван панпарадигмальным.

Первые панпарадигмы зародились на Земле в прошлом веке. В конце прошлого и начале нашего столетия была завершена их формулировка. С этого момента началась наблюдаемая сейчас научно-техническая революция. Роль панпарадигм играют основные положения теории информации, теории относительности, квантовой механики, астрономии, химии, биологии и т.д. Из них в лидеры вырвались первые три дисциплины, которые принято именовать основой современного естествознания. Именно эта основа служит ныне прокрустовым ложем науки.

Панпарадигмальный период отличается от полипарадигмального особенной напряженностью событий, поскольку на арену борьбы каждый раз выступает вся мировая научная группа одновременно. Драматизм ситуации усугубляется тем, что конкурирующим парадигмам спрятаться уже негде: старые парадигмы обладают глобальной властью, в их руках находятся все средства информации, поэтому они, шутя, удушают ростки новых парадигм еще в стадии зарождения. Отсюда должно быть ясно, что гласность, о которой сейчас так много говорят, имеет для науки, а в конечном итоге и для общества в целом особенно важное значение.

Но панпарадигмальным периодом далеко не исчерпывается история развития науки и общества. Дальнейшая непрестанная смена парадигм, согласно Т. Куну, неизбежна. В ходе этой смены рано или поздно острая конкурентная борьба приведет к победе наиболее общей парадигмы, которая охватит одновременно все отрасли знаний. В результате количество господствующих на Земле парадигм уменьшится до одной. Господствующая группа, исповедующая эту единственную парадигму, впервые разрастется до размеров уникального научного сообщества, в которое вольются все разрозненные прежде мировые группы. Произойдет предельно высокая концентрация сил и средств единого сообщества на решении очередных головоломок науки. Это вызовет новый взрыв научно-технических достижений, о масштабах которого судить сейчас пока еще очень трудно. В этот период, который можно назвать монопарадигмальным, находят логическое завершение идеи обобщения содержания, уменьшения числа и расширения области распространения парадигм. Более того, в этот период, на мой взгляд, должно произойти поистине "великое объединение". Под этим хорошо известным термином я понимаю и объединение различных научных дисциплин, и объединение науки с культурой, включая искусство, философию и т.д., и объединение на этой основе человечества, и объединение - что крайне интересно- общих более верных представлений о мироздании древних людей с современными конкретно-научными знаниями. Не исключены также мегапарадигмальный, гигапарадигмальный и т.п. периоды, если будет установлена связь с внеземными цивилизациями различного уровня развития.

Таким образом, история развития науки должна содержать по меньшей мере следующие различные периоды: наивнопарадигмальный, факт-парадигмальный, полипарадигмальный, панпарадигмальный, монопарадигмальный, мегапарадигмальный, гигапарадигмальный... Тогда станет понятным многое из того, что происходит сейчас вокруг нас.

Разумеется, не все ученые, научные группы и целые сообщества или регионы обязательно и одновременно должны следовать (и следуют) описанной схеме развития. Эта схема определяет лишь основную стремнину научно-технического прогресса. Отдельные ученые, группы и сообщества или регионы вполне могут исповедовать отжившие, не соответствующие современному уровню знаний парадигмы. Это явление, которое можно назвать научным атавизмом, особенно большие печальные последствия способно вызвать в пан- и монопарадигмальный периоды. Но в ходе конкурентной борьбы оно рано или поздно себя изживет и неизбежно будет преодолено.

Подведем некоторые итоги. Мы убедились, что парадигмы играют ведущую роль в истории развития науки и общества. Повседневно они служат рабочим эталоном при решении конкретных головоломок науки. Смена парадигм вызывает смену теорий, то есть научные революции, которые являются движущей причиной прогресса. Глобализация парадигм представляет собой переломный момент в истории развития науки и общества. Наступает панпарадигмальный период. С этого момента наука осязаемо становится производительной силой общества и прогресс начинает осуществляться весьма быстрыми темпами, которые принято определять термином "научно-техническая революция". Следующего еще более грандиозного скачка в развитии надо ожидать при переходе к единой глобальной парадигме, когда произойдет максимально возможная концентрация сил и средств всего мирового научного сообщества. Наступит монопарадигмальный период. В условиях монопарадигмального периода роль и значение парадигмы предельно возрастают. При этом также повышается ответственность за ее правильную формулировку.

После опубликования теории Т. Куна уже невозможно игнорировать открытые им законы и тем более обходиться без понятия парадигмы [ТРП, стр.13-19].

2. Определение понятия парадигмы, данное Т. Куном.

Очевидно, что от правильной формулировки парадигмы зависят все последующие успехи теории. Однако определение понятия парадигмы, данное Т. Куном в первом издании его книги [52], которая была опубликована Чикагским университетом в 1962 г., грешит излишней многозначностью. Вот некоторые из его формулировок: парадигма - это концептуальные рамки науки, ее общепринятые ценности, основные установки; общепризнанные образцы, наборы предписаний для научной группы, конкретные традиции научного исследования; совокупность убеждений, ценностей, технических средств; модели, примеры, образцовые достижения прошлого; главные философские элементы; работа, проделанная однажды и для всех, и т.д. Согласно приведенным формулировкам, под парадигмой мы вправе понимать очень многое: и основные концепции науки, и отдельные детали конкретной теории (например, законы Ньютона [52, с.52, 228]), и даже целые теории (например, теорию электричества Франклина [52, с.36]).

Дополнение 1969 г., включенное автором во второе издание книги [52, с.219-264], не сделало понятие парадигмы менее расплывчатым. Уточнению формулировок не помогли даже недвусмысленные замечания "благосклонного читателя" Мастермана, что Куном "этот термин используется по крайней мере двадцатью двумя различными способами" [52, с.228] [ТРП, стр.19].

3. Парадигма - это мировоззренческие концепции теории.

По моему мнению, под парадигмой следует понимать только основные и наиболее общие мировоззренческие концепции, лежащие в фундаменте данной теории или науки в целом.

Действительно, выше уже отмечалось, что парадигмы существовали всегда. В ходе исторического развития их роль оставалась неизменной, но содержание непрерывно деформировалось и обновлялось. В условиях наивно-парадигмального и факт-парадигмального периодов мировоззренческие концепции непосредственно заключались в самих мифах, предрассудках, фактах и т.д.; их было много, и они не поддавались обобщениям. В полипарадигмальном периоде отдельные факты уже группировались вокруг некоторой парадигмы, ее и следует рассматривать как соответствующую общую для этих фактов мировоззренческую концепцию; таких парадигм - концепций было множество.

Панпарадигмальный период характеризуется малым количеством парадигм-концепций, каждая из которых охватывает огромное число конкретных фактов. Естественно, что такой множественный охват возможен только в том случае, если исходные концепции отличаются определенной широтой и универсальностью. К сожалению, пока нет публикаций, в которых были бы четко сформулированы соответствующие мировоззренческие концепции современных теорий.

Наконец, монопарадигма должна выражать предельно общие мировоззренческие концепции, находящиеся на уровне философских обобщений; они в равной мере должны охватывать все разнородные отрасли знаний [ТРП, стр.19-20].

4. Формулировка новой парадигмы.

Мне представляется, что в состав парадигмы должны входить объект познания и наиболее общие свойства этого объекта. Эти объект и свойства задаются априори, до опыта. Они принимаются на веру и поэтому фактически служат исходным постулатом теории.

Чтобы парадигма могла удовлетворять требованиям, предъявляемым к монопарадигме, объект познания должен быть всеохватывающим, а приписываемые ему свойства должны представлять собой категории широкого философского плана, ибо на современном этапе развития науки, когда объектом изучения становятся самые глубинные свойства мироздания, уже недопустимо обходиться без философских представлений. Первому требованию вполне удовлетворяет понятие Вселенной, а второму - такие философские категории, как объективизм, детерминизм, необходимость [24, с.7]. В результате предлагаемая парадигма науки выглядит следующим образом.


1.Объект познания: Вселенная. Вопрос о происхождении Вселенной я (пока)
оставляю открытым.
2.Наиболее общие свойства объекта: объективизм, детерминизм, необходимость.

3.Вселенная состоит из вещества и его поведения, в том числе вещества и
поведения взаимодействия.
4.Вещество первично, его поведение вторично.

Нетрудно заметить, что все пункты парадигмы органически между собой связаны. Вселенная существует объективно, это свойство Вселенной отражено в философской концепции объективизма, все другие толкования этого термина я оставлю в стороне. Таким образом, объективизмом я утверждаю факт существования объективной реальности, не зависящей от свойств субъекта: наблюдателя, измерительного прибора и т.п.

Вселенная состоит из вещества и его поведения. Между веществом и его поведением объективно существует однозначная закономерная (детерминистская) связь. Это свойство Вселенной заложено в философскую концепцию детерминизма. Характер имеющейся связи определяется пунктом 4 парадигмы.

При формулировке парадигмы я умышленно обхожу вопрос о том, как связаны вещество и его поведение с материей и движением, чтобы не вовлекать в рассмотрение большой круг философских проблем, которые для инженерных расчетов не существенны. Инженеру привычно иметь дело с веществом, из которого он строит свои машины, и с поведением этого вещества, причем поведение понимается мною в самом широком смысле этого термина. При такой постановке вопроса вполне очевидным становится и пункт 4 парадигмы. Не исключается также возможность отождествлять вещество с материей (по-латински материя - вещество), а поведение - с движением, понимаемым в широком смысле, если это встретит благосклонное отношение со стороны философов...

Поскольку Вселенная состоит только из вещества и его поведения, постольку за взаимодействие объектов природы также должны быть ответственны свои особые вещество и поведение взаимодействия. Каждому данному основному веществу, испытывающему взаимодействие, соответствует определенное сопряженное с ним вещество взаимодействия. Расчленение вещества и поведения на основные и взаимодействия - это существенный шаг в развитии представлений ОТ.

Придание явлению взаимодействия смысла вещества взаимодействия и его поведения имеет не менее важное принципиальное значение, чем расчленение Вселенной на вещество и поведение. Такое понимание позволяет сделать решающий шаг в направлении от независимого рассмотрения явлений природы к рассмотрению, при котором все явления оказываются между собою связанными и взаимно обусловленными, обязанными непрерывно изменяться и развиваться (эволюционировать).

Но всеобщая связь может быть обеспечена единственным способом, если наделить явление взаимодействия свойством предельной универсальности. Только благодаря такой универсальности каждое явление в отдельности и вся их совокупность в целом способны и вынуждены влиять друг на друга и самопроизвольно (спонтанно) развиваться. Поэтому признание наличия в природе универсального взаимодействия должно быть обязательным требованием, предъявляемым к теории.

Помимо универсального существуют еще и специфические взаимодействия. Например, в настоящее время под этими последними принято понимать сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное взаимодействия.

Как видим, согласно ОТ, необходимость развития заключена в самой сущности вещей - в веществе и его поведении.

Таким образом, взаимодействие, как известное специфическое, так и вводимое мною универсальное, связывающее между собой все разнородные вещества Вселенной, приводит к объективной причинной обусловленности и обязательности изменения и развития всевозможных явлений природы. При этом обязаны изменяться и развиваться не только основные вещество и поведение, но и сопряженные с ними вещество и поведение взаимодействия. Это свойство Вселенной выражает философская концепция необходимости.

Таково содержание предлагаемой мною парадигмы, одновременно являющейся исходным постулатом ОТ. Как и всякий постулат любой теории, постулат-парадигма ОТ не доказывается, а принимается на веру; в частности, он не может быть обоснован средствами самой теории. Нетрудно видеть, что обсуждаемая парадигма отличается максимальной универсальностью, это делает ее справедливой для любой конкретной дисциплины, следовательно, она вполне может рассматриваться в качестве монопарадигмы.

Любая теория способна и вынуждена развиваться в рамках своей парадигмы. При этом парадигма есть исходный фундамент всякой данной теории, наиболее незыблемая ее часть; с этим прокрустовым ложем постоянно сверяются все последующие рассуждения. Благодаря этому парадигма зримо или незримо, явно или неявно обязательно присутствует на всех ярусах теории. Иными словами, различные конкретные детали любой данной теории всегда в той или иной форме и степени отражают влияние парадигмы. Вместе с тем практическая реализация парадигмы допускает известные вариации и изменения. Сильнее всего способны деформироваться и изменяться отдельные частные детали аппарата конкретной теории, что станет ясно из последующего изложения [ТРП, стр.20-22].

5. Методы дедукции и индукции.

Предельная универсальность принятой монопарадигмы объясняется тем, что последняя содержит весьма общие философские концепции - объективизм, детерминизм, необходимость, которые фактически реализуются с помощью не менее объемлющих физических концепций, таких, как Вселенная, вещество его поведение, взаимодействие. Эти физические концепции играют в ОТ роль коммуникативного уровня, связывающего философию с собственно научным уровнем методологии. Последовательная расшифровка и детализация физических концепций позволяют в конечном итоге опуститься до уровня конкретных свойств изучаемого реального явления.

Чтобы представить себе путь, который надо пройти от физических концепций до конкретных свойств, достаточно рассмотреть типичный пример изучения какого-либо явления природы.

Изучение обычно начинается с выбора количественных Законов, или принципов, которым подчиняется данное явление. Например, при определении теплопотерь через стенку в качестве количественных принципов используются законы теплопроводности Фурье и теплоотдачи на поверхности тела Ньютона. Затем высказывается предположение (качественная модельная гипотеза) о конкретном способе (схеме) приложения этих законов к изучаемому явлению. Например, объектом приложения может служить бесконечно длинный круглый полый цилиндр определенных размеров - в данном простейшем случае это и есть качественная модельная гипотеза. В ходе рассуждений принятая качественная модель согласовывается с выбранными физическими принципами. В результате получаются количественные соотношения, позволяющие вычислить конкретные свойства интересующего нас явления, в частности найти количество переданного через стенку тепла. Теоретически вычисленные свойства сопоставляются с измеренными свойствами реального явления. По степени расхождения расчетных и опытных данных можно судить о добротности проведенных рассуждений.

Такова типичная последовательность перехода от количественных принципов через качественные модельные гипотезы к конкретным свойствам явления. Принципы, в свою очередь, находятся путем соответствующей расшифровки и детализации физических концепций. В совокупности перечисленные звенья рассуждений выстраиваются в стройную цепочку, которая выражает собой не что иное, как метод дедукции, то есть Метод рассуждений от общего к частному, от общих положений к конкретным выводам.

Таким образом, впервые удается развить теоретический метод дедукции в его наиболее общей форме, ибо рассуждения простираются от весьма общих философских концепций и до выраженных числом свойств конкретного явления. При этом парадигма по необходимости дополняется следующими звеньями цепочки: количественные принципы, качественные гипотезы, конкретные свойства явления.

При индуктивном способе рассуждений вначале накапливаются конкретные факты (данные), относящиеся к свойствам изучаемого явления. Затем эти данные обобщаются в форме качественного предположения о сущности физического механизма явления, то есть высказывается модельная гипотеза. На основе изучения модели делается обобщающий вывод о существовании неких количественных физических принципов, управляющих явлением. Справедливость найденных принципов проверяется на множестве других аналогичных явлений. Путем обобщения физических принципов - формулируются соответствующие физические, а затем и философские концепции теории. Таков схематический путь рассуждений, от частного к общему.
Как видим, в общем случае цепочка рассуждений должна включать в себя следующие основные звенья.

1. Вселенная.
2. Объективизм, детерминизм, необходимость.
3. Вещество и его поведение, в том числе вещество и поведение взаимодействия.

4. Вещество первично, его поведение вторично.
5. Количественные принципы.
6. Качественные гипотезы.
7. Конкретные свойства явления.

Движение по этой цепочке в прямом направлении соответствует общему методу дедукции, в обратном - общему методу индукции. Оба способа рассуждений - дедуктивный и индуктивный - осуществляются на одном или нескольких языках одновременно. Чаще всего в рассуждениях используются словесный, математический, алгоритмический и т.д. языки.

Так я расшифровываю общие методы дедукции и индукции. К этому следует добавить лишь некоторые пояснения по поводу содержания пятого и шестого звеньев цепи, от которых в конечном итоге зависит добротность проведенных рассуждений, то есть точность согласования теоретических и опытных данных.

Под количественными принципами понимаются законы, которые в наиболее концентрированном и абстрактном виде с количественной стороны определяют самые общие, важные характерные свойства изучаемого явления. Примерами могут служить законы теплопроводности Фурье, всемирного тяготения Ньютона и т.д.; первый количественно характеризует процессы теплопроводности, а второй - процессы гравитационного притяжения тел. Это законы частные, сфера их действия ограничена определенными конкретными явлениями. Но существуют законы и более общие. Наиболее общие, универсальные и достоверные количественные принципы, которые обнаруживаются на первом - начальном - этапе эволюции вещества и его поведения, я буду именовать началами. Примером может служить закон сохранения энергии. Особенность начал заключается в том, что им подчиняются вещество и его и поведение на всех этапах эволюции, включая самые сложные. Начала играют роль абсолютных истин, которые не могут быть опровергнуты в будущем в ходе исторического развития науки, им обязана подчиняться вся природа.

Из сказанного должно быть ясно, что при изучении какого-либо конкретного явления и правильном выборе количественных принципов они не могут служить источником ошибок в рассуждениях, особенно если речь идет о началах. Причиной ошибок может быть либо неправильный выбор принципов (например, распространение законов, которым подчиняются сложные формы явлений эволюционного ряда, на более простые формы), в том числе неполнота их списка, либо ошибочность самих принципов, что также случается. Но главным источником Ошибок и погрешностей в рассуждениях, как правило, являются качественные, или модельные, гипотезы. Модельные гипотезы призваны определять физический механизм (структуру, схему) изучаемого явления. В цепи рассуждений они перекидывают мост между количественными принципами и детальными свойствами конкретного явления.

Модельные гипотезы характеризуют наши представления сущности физического механизма изучаемого явления, то, есть наше понимание этого явления. В ходе исторического развития науки имеющиеся модельные представления непрерывно изменяются и уточняются, ибо они отражают упомянутый механизм лишь с большим или меньшим приближением, отвечающим данному уровню знаний и никогда не способны, отразить его абсолютно точно. Иными словами, модельные представления всегда суть относительные истины, поэтому для них естественно было принять наименование гипотез.

Модельные гипотезы в равной мере необходимы при изучении макромира, мегамира, микромира и т.д. В общем случае модельные гипотезы могут быть самыми разнообразными. Например, выделение из всей совокупности тел природы данного изучаемого тела (системы) уже есть определенная простейшая модельная гипотеза. Одну такую простейшую макромодельную гипотезу мы уже упомянули, когда говорили о передаче теплоты через стенку. Ее можно уточнить, если вместо бесконечно длинного цилиндра рассматривать цилиндр конечной длины, но тогда все рассуждения усложняются, хотя задача и выигрывает в точности. Еще более задача уточняется и усложняется, если учесть взаимное влияние теплового, кинетического, электрического и т.д. явлений, однако при этом приходится обращаться уже и к другим количественным принципам.

К более сложным моделям, охватывающим одновременно несколько тел. приходится прибегать, например, при попытках описать устройство Солнечной системы. В качестве иллюстрации таких мегамодельных гипотез можно сослаться на геоцентрическую и гелиоцентрическую теории Птолемея и Коперника соответственно.

Модельные гипотезы усложняются многократно при переходе к микромиру. Характерным примером может служить микромодель атома. Первоначально атом рассматривался как мельчайшая неделимая частица. Затем обсуждалась модель Дж. Дж. Томсона, представлявшая собой смесь положительных и отрицательных зарядов ("сливовый пудинг"). На смену сливовому пудингу пришла модель Резерфорда, в которой положительное ядро окружено облаком из отрицательно заряженных электронов. Эта модель трансформировалась в планетарную модель Бора, где вокруг положительного ядра движутся по определенным орбитам электроны. Сейчас обсуждаются более сложные модели, и этой смене моделей в принципе не может быть конца.

Модельные гипотезы находятся различными способами. Их можно высказать умозрительно, не опираясь на опытные данные; такой подход характерен для мыслителей древности. Модельные гипотезы могут явиться результатом обобщения мышлением (опосредствования) наблюдений, касающихся свойств данного конкретного явления. Нет сомнений, что этот способ определения модельных гипотез предпочтительнее предыдущего. Наконец, модельные представления могут быть "угаданы" с помощью математических уравнений. Иными словами, при математическом подходе качественной моделью физического явления служит формула. Этот частный способ установления гипотез, именуемых математическими, широко распространен в настоящее время; вспомним, например, угаданные уравнения Гейзенберга, Дирака. Фейнмана. Шредингера, за что перечисленные авторы были удостоены Нобелевских премий. Математическая формула-модель обладает рядом специфических особенностей и недостатков; в частности, любая формула есть носитель определенной математической идеи, сущность которой не обязательно совпадает с сущностью изучаемого физического явления, кроме того, формула-модель не наглядна. В результате возникает проблема интерпретации "угаданного" уравнения, как это было, например, в случае Бора, статистически интерпретировавшего волновую функцию и получившего за это Нобелевскую премию.

Приведенные рассуждения наглядно свидетельствуют об ограниченности всякой модельной гипотезы: во-первых, она недолговечна и, во-вторых, качественно характеризует только данное конкретное явление. Частный характер модели резко ограничивает сферу ее применения. Например, мы не можем модель явления обращения планет вокруг Солнца распространить на явление теплопроводности или электропроводности, и, наоборот, каждое конкретное явление должно быть сопоставлено со своей особой модельной гипотезой.

Все сказанное позволяет четко уяснить относительную роль различных звеньев рассуждений при попытках замкнуть парадигму на конкретные свойства явления. При этом также важно понимать, что два перечисленных звена - принципы и гипотезы - принципиально необходимы для рассуждений. Например, цепочку невозможно замкнуть, если отсутствуют принципы. То же самое получается, когда отсутствуют гипотезы.

Становится понятным прежнее утверждение о том, что на каждом данном этапе развития науки мировоззренческие концепции (парадигма) остаются неизменными, а все остальные детали любой конкретной теории, базирующейся на этой парадигме, способны изменяться и уточняться. Например, известные изменения, могут претерпеть количественные принципы. Но сильнее всего подвержены изменениям качественные гипотезы. При этом возможные вариации тем существеннее, чем дальше мы отходим от простейшего явления эволюционного ряда [ТРП, стр.23-27].

6. Особенности метода общей теории (ОТ).

Главной особенностью ОТ является то, что в ней впервые на практике реализуется общий метод дедукции. В ходе рассуждений удается перекинуть мост от философских концепций к физическим и далее к количественным принципам, или началам, которые теперь уже формулируются не методом индукции, как обычно, путем обобщения опытных данных, а методом дедукции, путем последовательной расшифровки физических концепций.

Благодаря математическому выводу полной (замкнутой) совокупности начал общий метод дедукции получает свое завершение, он неизбежно займет подобающее место в системе наших знаний, что откроет новые перспективы в деле познания окружающей действительности. Ранее должный набор начал был неизвестен, что сильно затрудняло правильное понимание метода дедукции и принижало его значение.

Условимся под термином "теория" понимать дедуктивные (или индуктивные) рассуждения в совокупности с использованным языком рассуждений. Тогда полную цепочку (2) общего метода дедукции совместно с началами и языком рассуждений естественно будет назвать общей теорией природы, что я и сделал. Если изучается какое-либо конкретное частное явление, выделенное определенным набором принципов и гипотез, то полученные совокупные результаты будут представлять собой уже конкретную, частную, теорию [ТРП, стр.27-28].

7. Метод принципов и метод гипотез.

Теперь, после формулировки парадигмы, при решении различных головоломок науки уже нет надобности каждый раз повторять весь пройденный путь - от философских концепций до конкретных свойств явления. Достаточно воспользоваться следующей укороченной цепочкой рассуждений, в которой опущены наиболее общие звенья.


1. Количественные принципы.
2. Качественные гипотезы.
3. Конкретные свойства явления.

Укороченные дедуктивные рассуждения будем именовать методом принципов, в нем идут от количественных принципов через качественные гипотезы к конкретным свойствам явления. Укороченные индуктивные рассуждения назовем методом гипотез, в нем идут в обратном направлении.

В методе принципов модельные гипотезы служат для реализации имеющихся принципов, причем последние играют роль верховного судьи, призванного выбраковывать те из моделей, которые не удовлетворяют хотя бы одному принципу. В результате рассуждений, осуществляемых на математическом или ином языке, гипотезы согласовываются с принципами и на этой основе вырабатываются количественные соотношения, которые связывают между собой конкретные свойства изучаемого явления. В методе гипотез, наоборот, в рассуждениях вырабатываются принципы путем осмысливания конкретных свойств явления с помощью гипотез и последующего обобщения большого множества модельных представлений. На практике при наличии парадигмы в методах принципов и гипотез рассуждения следует выполнять, время от времени с опаской поглядывая на "законодательницу мод" (прокрустово ложе) - парадигму.

Все эти определения должны внести необходимую ясность в вопрос о чрезвычайно важной разнице, существующей между методом принципов и самими принципами, а также между методом гипотез и самими гипотезами. Принципы и гипотезы суть непременные составные части обоих подходов: метод принципов невозможен без гипотез, а метод гипотез бесперспективен без принципов, ибо конечной целью метода гипотез является именно выработка принципов. Наука долгое время развивалась по методу гипотез. После выработки необходимых принципов пальму первенства придется отдать методу принципов как наиболее эффективному.

В заключение несколько слов о достоверности получаемых результатов. Мы видели, что начала суть абсолютные истины, а гипотезы - относительные. Следовательно, начала вносят в рассуждения абсолютную достоверность, а гипотезы снижают ее до уровня достоверности применяемых моделей. Иными словами, в условиях, когда в рассуждениях участвуют начала, достоверность результатов целиком определяется степенью достоверности слабого звена - модельных гипотез. Если в рассуждениях применяются не начала, а ограниченные или даже ошибочные принципы, тогда общая достоверность результатов снижается дополнительно на ту величину, которая определяется этими неполноценными принципами. Достоверность результатов сильно падает также из-за неполноты списка используемых принципов или начал. Таким образом, достоверность результатов, методов и теорий в лучшем случае соответствует степени достоверности модельных гипотез, которые, как мы убедились, никогда не способны отразить изучаемое явление абсолютно правильно и до конца. В худшем случае недостатки гипотез плюсуются с недостатками принципов (ограниченность, неполнота списка, ошибочность и т.д.). Самым большим грехом любого рассуждения и любой теории следует признать нарушение одного или нескольких начал. Всякое такое нарушение резко сокращает достоверность и срок жизни соответствующих рассуждений и теорий [ТРП, стр.28-29].

Глава II. Анализ Вселенной.

1. Метод анализа.

Согласно монопарадигме, предметом изучения ОТ служит Вселенная. В соответствии с философской концепцией объективизма Вселенная - это объективная реальность, она охватывает всю систему мироздания, весь мир со всеми его атрибутами. Будучи объективной реальностью, Вселенная не зависит и в принципе не может зависеть ни от каких свойств субъекта-наблюдателя или измерительного прибора. Следовательно, Вселенная, как и все ее атрибуты есть категория строго абсолютная.

Вселенная - это слишком твердый орешек, чтобы его можно было непосредственно и просто разгрызть и извлечь таким образом все нужные сведения, которые могли бы составить содержание ОТ. Поэтому ввиду всеобъемлющего характера и исключительной сложности Вселенной имеется только один доступный путь подхода к ее изучению - это путь применения метода анализа, заключающегося в разложении, расчленении данного сложного целого на его составные, более простые части.

Очевидно, что Вселенная представляет собой самый благодарный объект для анализа. Ничего лучше и интереснее выдумать вообще невозможно, ибо более сложное, емкое и многообещающее целое трудно себе даже вообразить. Благодаря всеобъемлющей сущности Вселенной и не очень обременительным рамкам парадигмы создаются реальные предпосылки для разработки предельно общей и универсальной теории.

Приняв условия игры методом анализа, мы встали на путь мысленного расчленения Вселенной уже в стадии формулировки парадигмы: вначале Вселенная была разложена на вещество и его поведение, благодаря чему реализовалась философская концепция детерминизма. При этом вещество первично (аргумент), а поведение вторично (функция). Расчленение Вселенной на вещество и поведение - это первый и вместе с тем исключительно важный принципиальный шаг, сделанный в ОТ на указанном пути.

Надо сказать, что термин "поведение" весьма точно отражает физическое существо проблемы. Он заведомо предполагает наличие некоего объекта-вещества, поведение которого подвергается изучению: поведение немыслимо без объекта этого поведения, оно неотделимо от него. Благодаря этому автоматически исключаются двусмысленные ситуации, при которых поведение может быть отделено от вещества, подобно улыбке Чеширского кота, способной существовать вне самого кота.

Далее в той же парадигме вещество и его поведение разложены на две составные части - основное вещество и поведение, а также вещество и поведение взаимодействия; этим реализуется философская концепция необходимости. Расчленение вещества и его поведения на две части - это следующий исключительно важный принципиальный шаг, имеющий решающее значение для всего последующего. Основное вещество служит строительным материалом для всех объектов Вселенной, включая атомы, молекулы, нас с вами, планеты, звезды, галактики и т.д. Вещество взаимодействия ответственно за изменение, развитие, эволюцию Вселенной, то есть основных вещества и поведения, а следовательно, и за изменение самих вещества и поведения взаимодействия. Поведение взаимодействия неотделимо от вещества взаимодействия. При этом вещество взаимодействия первично (аргумент), а поведение взаимодействия вторично (функция). Именно поэтому вещество взаимодействия однозначно, детерминистски определяет поведение взаимодействия, а также диктует Вселенной необходимость и характер изменения, развития, эволюции [ТРП, стр.30-31].

2. Форма явления.

Предстоит дальнейшее разложение выделенных категорий на более простые составные части теперь уже за пределами парадигмы, но при неукоснительном соблюдении ее требований. В ходе этого разложения будут уточняться и наполняться конкретным содержанием все понятия, входящие в состав парадигмы, начиная от главной физической концепции - Вселенной и кончая взаимодействием; так будет формироваться аппарат ОТ. Например, ниже будет показано, что взаимодействие - это тоже составное понятие, оно расчленяется на взаимодействия специфические и универсальное, каждому из них отвечают свои особые вещества и поведения взаимодействия. Однако не будем забегать вперед, чтобы не прерывать логическую нить рассуждений, здесь важно лишь знать, что такие взаимодействия существуют, - об этом говорит непосредственный эксперимент.

Главное внимание придется уделять веществу и его поведению. Условимся совокупность вещества и сопряженного с ним поведения называть явлением. Под веществом мы будем понимать все виды вещества - основное и взаимодействия, то же самое относится и к поведению. В рамках ОТ термин "явление" не содержит никакого другого смысла, кроме упомянутого здесь, - это совокупность сопряженных между собой вещества и его поведения.

Когда мы пытаемся наблюдать природу, перед нашим взором обычно предстает именно явление - совокупность вещества и поведения. В свойствах явления заключены наиболее сокровенные тайны природы, поэтому на изучении явления будет сосредоточено главное внимание ОТ. Именно в пределах явления осуществляется однозначная связь между веществом и его поведением. Введение понятия явления есть характерный пример уточнения в ОТ смысла широко распространенного термина. Еще одним примером служит термин "теория". В ходе изложения ОТ другие известные понятия и термины будут подобным же образом наполняться четким и ясным содержанием. В частности, под свойством мы будем понимать любую из характеристик вещества, поведения и явления в целом.

Очевидно, что Вселенная - это явление, отличающееся предельной сложностью своего устройства. Вместе с тем не требуется большой проницательности, чтобы убедиться в том, что Вселенная дискретна, для этого достаточно оглядеться вокруг себя. Все видимые объекты природы, большие и малые, всегда так или иначе ограничены в пространстве и поэтому могут быть по каким-то признакам мысленно отделены друг от друга. В частности, сказанное относится к космическим объектам, земным телам и даже микроскопическим частицам: мы имеем множество свидетельств в пользу того, что молекулы, атомы и элементарные частицы тоже как-то локализованы в пространстве.

Дискретность окружающего мира имеет принципиальное значение для теории, для правильного понимания Вселенной и законов, которым она подчиняется. К идее дискретности придется обращаться не однажды, она относится к числу кардинальных понятий ОТ. Именно идея дискретности положена в основу дальнейшего расчленения Вселенной на более простые составные части. В данном случае речь пойдет о мысленном разделении Вселенной на отдельные дискретные объекты, то есть на отдельные более простые формы явлений.

Следовательно, под формой явления мы будем понимать некий дискретный объект Вселенной, состоящий из определенного вещества и присущего ему (сопряженного с ними) поведения - основных и взаимодействия. Разумеется, такое выделение объекта есть акт в известном смысле условный, ибо все в мире между собой связано и взаимно обусловлено, в чем мы будем иметь возможность убедиться. Однако эти связи осуществляются по линии взаимодействия, причем вещество и поведение взаимодействия существенно отличаются от основных вещества и поведения, поэтому применяемое расчленение вполне закономерно.

Вместе с тем явление взаимодействия представляет собой частный случай явления вообще, поэтому к нему применимы все понятия, справедливые для основного явления. Отсюда следует, что явление взаимодействия тоже существует в виде различных конкретных форм, сопряженных с соответствующими основными формами явлений. Каждой основной форме явления сопоставляется своя особая форма явления взаимодействия. В соответствии с этим мы вправе говорить о формах основного вещества и поведения, а также о формах вещества и поведения взаимодействия, составляющих данную форму явления или данный дискретный объект Вселенной.

В свою очередь, каждую форму вещества и каждую форму поведения можно определить (разложить) с помощью таких двух понятий, как количество и качество. Содержание понятия количества вещества формы особых пояснений не требует. Что касается качества вещества формы, то под этим термином понимается структура вещества, его строение, устройство, организация. Похожий смысл имеют количество и качество поведения формы. Количество поведения - это очень важная характеристика вещества, ибо ресурсы поведенческого проявления любого объекта всегда строго ограничены. Качество поведения есть структура, способ, специфические особенности поведения вещества. Следовательно, форма явления включает в себя количество и качество вещества формы, а также количество и качество присущего этому веществу поведения. Все эти понятия в равной мере относятся как к основному веществу и поведению, так и к веществу и поведению взаимодействия.

Вселенная представляет собой сложную форму явления, ей отвечают предельно сложные формы вещества и поведения - основные и взаимодействия, разложенные на соответствующие количества и качества. При этом возникшие новые понятия вполне укладываются в прокрустово ложе - парадигму ОТ. Кроме того, ясно, что отдельные части (вещество, поведение - основные и взаимодействия, количество и качество вещества и поведения), полученные в результате расчленения сложного целого (Вселенной), должны обладать теми же общими свойствами, что и Вселенная: они суть объективные реальности и абсолютны по своей природе, то есть не зависят от свойств субъекта - наблюдателя или измерительного прибора [ТРП, стр.31-34].

3. Количественные меры.

При практическом расчленении Вселенной на более простые формы явлений возникают огромные трудности, и мы не располагаем признаками, по которым можно было бы выделять эти простые формы. Заранее лишь ясно, что необходимые признаки должны носить количественный характер, ибо всякая уважающая себя и уважаемая теория должна быть количественной, приводить в конечном итоге к числовым оценкам явления. Поэтому следующий принципиальный шаг в развитии аппарата ОТ должен быть посвящен выработке нужных мер, которые с количественной стороны определяли бы все введенные понятия. Это в равной степени относится к формам явления, вещества, поведения, взаимодействия. Обозначать все вводимые меры будем одной и той же буквой N с различными индексами.

Первым и наиболее важным физическим понятием ОТ служит вещество, причем главенствующая роль по праву принадлежит количеству формы вещества; обозначим это количество через N1. Мера качества (структуры) формы вещества есть N2. Тогда мера формы вещества

N3 = N1 + N2(4)

Мера количества формы поведения есть N4, мера качества (структуры, способа) формы поведения N5, мера формы поведения

N6 = N4 + N5 (5)

Очевидно, суммарная мера формы явления

N7 = N3 + N6 = N1 + N2 + N4 + N5 (6)

Все эти количественные меры относятся к основному явлению. Для сопряженного с ним явления взаимодействия количественные меры содержат дополнительный индекс "в". Имеем N - мера количества формы вещества взаимодействия; N - мера качества формы вещества взаимодействия;

N = N + N (7)

- мера формы вещества взаимодействия; N - мера количества формы поведения взаимодействия; N - мера качества формы поведения взаимодействия;

N = N + N (8)

- мера формы поведения взаимодействия;

N =N + N = N + N + N + N (9)

- мера формы явления взаимодействия.

Если объединить количество вещества с количеством его поведения, а также качество вещества с качеством его поведения, то получатся две новые характеристики, одна из которых определяет количественную сторону явления, а другая - качественную. Это относится как к основному явлению, так и к явлению взаимодействия.

Все количественные меры N имеют одну и ту же размерность, какую именно - это сейчас не имеет значения: для анализа Вселенной важно лишь располагать количественными мерами, для начала им будут приданы крайние значения. С целью определения этих мер в свое время была развита особая теория информации [5], она кратко излагается в гл. XXVIII. В дальнейшем при пользовании введенными понятиями для простоты слово "форма" часто будет опускаться, ибо в основном мы будем иметь дело с формами явлений [ТРП, стр.34-35].

4. Связь между веществом и его поведением.

В противоположность Чеширскому коту и его улыбке вещество и его поведение представляют собой единое безраздельное целое. Как невозможно отделить предмет от его тени, так нельзя отделить и вещество от его поведения. Органическая связь между веществом и поведением определяется парадигмой. Если предыдущие рассуждения только мысленно примерялись к парадигме с целью не впасть в противоречие, то теперь придется прямо воспользоваться ее формулировкой - четвертым пунктом, чтобы определить свойства формы явления, служащей главным объектом изучения в ОТ.

Согласно парадигме, вещество первично, а его поведение вторично, то есть веществу должна быть отведена роль аргумента (независимой переменной), а поведению - роль функции (зависимой переменной). Следовательно, если воспользоваться приведенными выше обозначениями количественных мер, то эту мысль аналитически можно выразить следующим образом:

N6= 6(N3) (10)

Мера формы поведения есть однозначная функция ф6 меры формы вещества.

Для явления взаимодействия аналогичное уравнение имеет вид

N = (N) (11)

где - соответствующая функция.

Соотношения (10) и (11) представляют собой уравнения явлений основного и взаимодействия. Это самые важные в ОТ количественные связи, развитие которых в дальнейшем приведет к необозримому множеству следствий, в том числе к формулировке количественных принципов, или начал. Для целей анализа Вселенной целесообразно несколько преобразовать эти уравнения, сократив число входящих в них характеристик.

Здесь уместно сразу же оговориться, что величины N3, N , N6 и N входящие в уравнения (10), (11) и характеризующие данное явление с качественной и количественной стороны, в общем случае могут иметь весьма сложный вид и смысл. Ведь явление может содержать самые разнообразные вещества, образующие крайне замысловатые структуры с не менее замысловатыми взаимодействиями между ними и их отдельными частями. Это неизбежно накладывает соответствующий отпечаток и на способы поведения подобных структур. В результате крайне усложняется также смысл функций 6 и , связывающих упомянутые величины равенствами (10) и (11). Однако все эти сложности нас не коснутся, так как мы будем решать поставленную проблему не в общем виде, а для одного простейшего, но весьма принципиального и важного для теории и практики частного случая, где все ясно [ТРП, стр.35-36].

5. Основное уравнение ОТ.

Воспользуемся расчленением конкретных форм вещества и поведения на соответствующие количества и качества, в частности применим обозначения (4) и (5). Тогда равенство (10) примет вид

N4 + N5 = 6 (N1 + N2) (12)

Главенствующая роль всегда принадлежит количеству, ибо качественные (структурные) характеристики данной формы вещества и его поведения находятся в прямой зависимости от количественных, поэтому можно записать

N2 = Ф2(N1) (13)

N5 = 5(N4)

где Ф2 и 5 - соответствующие функции.

Подставив эти меры в предыдущее равенство, будем иметь

N4 = Ф4(N1) (14)

где Ф4 - соответствующая функция. Мера количества формы поведения N4 есть однозначная функция меры количества формы вещества N1. Это окончательный вид основного уравнения ОТ.

В основном уравнении (14) фактически заключены все количественные связи между всеми характеристиками явления. Если пожелать детализировать основное уравнение, то можно добавить к нему следующую систему уравнений:

N2 = Ф2(N1)
N
5 = Ф5(N1) (15)
X
i= Фi(N1))

где Ф2, Ф5 и Фi - соответствующие функции.

В системе уравнений (15) первые два получены из выражений (13) и (14). Под свойством (характеристикой) Xiможно понимать любую из характеристик явления, например N3, N6 и т.д. Таким образом, любое свойство данной формы явления есть функция меры количества формы вещества N1 .

Меру количества формы вещества N1, являющуюся аргументом в уравнениях (14) и (15), условимся именовать экстенсором. Происхождение этого термина станет ясным из дальнейшего изложения.

Все сказанное справедливо также для явления взаимодействия, применительно к которому можно написать аналогичные равенства, но уже с индексом "в". Вместе с тем явление взаимодействия однозначно определяется основным явлением, то есть фактически величиной экстенсора основного явления. Следовательно, каждая характеристика явления взаимодействия тоже есть функция экстенсора N1, поэтому под свойством Xiмы вправе понимать также любую из характеристик явления взаимодействия.

Весьма существенно, что в равенствах (14) и (15) все характеристики данной формы явления (основного и взаимодействия) связаны между собой монотонно возрастающими функциями. Это непосредственно вытекает из того факта, что увеличение количества вещества N1 сопровождается усложнением его структуры N2, ростом количества N4 и качества N5 поведения. Монотонно возрастающий характер основных функций позволит в будущем сделать далеко идущие выводы, в частности cформулировать особый принцип минимальности.

В заключение необходимо сделать следующие замечания. Должно быть ясно, что уравнения (14) и (15) в известном смысле условны, ибо в самой общей форме отражают лишь принципиальную сторону проблемы. При желании расшифровать и конкретизировать входящие в эти обобщенные уравнения характеристики и связывающие их функции приходится сталкиваться с серьезными трудностями, обусловленными, в частности, наличием большого числа разнородных веществ с их калейдоскопически разнообразными свойствами и сложнейшими условиями взаимодействия и т. д. Для простых случаев такая расшифровка приводится, например, в гл. XV. Для более сложных случаев развит весьма эффективный на практике приближенный метод условного сведения этих сложных случаев к простым (гл. XIV) [ТРП, стр.36-38].

6. Уравнение Вселенной.

Основное уравнение (14) и вытекающие из него равенства (15) справедливы для любой формы явления, в том числе для наисложнейшей, то есть для Вселенной. Следовательно, основное уравнение ОТ вполне можно рассматривать как уравнение Вселенной: в нем заключены все существующие характеристики и связи мира. Именно о таком уравнении в свое время мечтал Лаплас [53, с. 241]. Этой его мечте впоследствии было присвоено наименование мирового уравнения Лапласа. Разумеется, Лаплас имел в виду механический мир.

Из сказанного должно быть ясно, что основное уравнение ОТ, представляющее собой уравнение Вселенной, обладает предельной общностью, эта общность есть естественное следствие монопарадигмы. Более того, можно даже утверждать, что основное уравнение выражает саму парадигму, то есть философские концепции, сформулированные в физических терминах. Объективизм представлен в уравнении веществом и его поведением, которые суть объективная реальность. Согласно тому же уравнению, объективно существует органическая внутренняя однозначная (детерминистская) причинная связь между веществом и его поведением. Как следует из равенств (15), объективно существует органическая внешняя однозначная (детерминистская) причинная связь между всеми явлениями природы, понуждающая последние взаимодействовать, а следовательно, и изменяться (развиваться). Так переплетаются между собой объективизм, детерминизм, необходимость.

Условимся совокупность наиболее существенных для явления характеристик и функциональных связей, объединяющих эти характеристики, именовать законом. Основное уравнение содержит необходимый набор наиболее важных характеристик и соответствующие связи между ними, следовательно, оно в наиболее общем виде выражает основной закон ОТ. Поскольку основное уравнение (основной закон) может быть отнесено ко всей Вселенной, постольку мы вправе говорить о том, что оно заключает в себя идею единства природы и ее законов, идею всеобщей связи явлений.

Идею единства природы и ее законов высказывали философы древности. Впоследствии не раз делались попытки использовать эту идею для обоснования различных физических теорий. Но подобного рода апелляции к единству всего сущего никогда не считались убедительными: древняя идея единства природы носила умозрительный характер не содержала количественных определений и поэтому не могла служить основой для строгого доказательства чего бы то ни было. Теперь к идее единства прямо приводит аппарат ОТ: в нем содержатся прямые доказательства этой идеи. Ниже эти общие идеи получают конкретное количественное выражение.

Мы убедились, что в основное уравнение оказались переплавленными все философские и физические концепции ОТ. Это дает право в дальнейшем при осуществлении анализа Вселенной оперировать только основным уравнением, не забывая, конечно, прокрустово ложе - парадигму ОТ. Благодаря выводу основного уравнения удалось преодолеть важнейший рубеж и встать на новый путь - путь анализа количественных характеристик и связей между ними, то есть законов, содержащихся в этом уравнении. Именно язык количественного анализа в конечном итоге приведет к заветной цели - созданию расчетного аппарата ОТ.

Задача существенно облегчается но той причине, что вместо большого числа характеристик мы теперь вполне можем ограничиться мысленным расчленением только количества вещества (экстенсора N1) Вселенной. На первых порах нам даже не потребуется знать функциональные связи между экстенсором и остальными количественными мерами форм явлений, на которые распадается Вселенная.

Нетрудно сообразить, что начальный шаг на пути количественного расчленения Вселенной ограничен очень жесткими рамками. Априори (до опыта) мы можем непосредственно задать экстенсору лишь два крайних значения - самое большое и самое малое. Никакие другие промежуточные значения нам заранее не известны. Однако, несмотря на это, указанный шаг приобретает исключительно важное принципиальное значение: он позволяет выделить и количественно определить две самые примечательные конкретные формы явлений - наисложнейшую и наипростейшую.

Начнем с определения наисложнейшей формы явления, каковой без сомнения служит Вселенная. Для Вселенной практически можно положить N1= . Из уравнений (14) и (15) следует, и это вполне очевидно, что и все остальные меры тоже равны бесконечности. Таким образом, в целом первая конкретная - наисложнейшая - форма явления характеризуется такими значениями количественных мер:

N1= , N2= , N3= (16)
N4= , N5= , N6= , N7=

Количество вещества Вселенной N1 равно бесконечности, ее структура N2 бесконечно сложна, количество поведения N4 бесконечно велико способов поведения N5 тоже бесконечное множество. Неограниченно велико также и число функциональных связей между количественными мерами, но этот вопрос для нас не существен.

Наисложнейшей форме явления, или Вселенной, отвечает наисложнейшая форма явления взаимодействия. Для нее тоже следует положить

N3= (16’)

Все остальные меры также равны бесконечности, поэтому для явления взаимодействия можно воспользоваться равенствами (16), если в них каждой мере приписать индекс "в". Равенства (16) и (16') представляют определенный интерес, на них придется еще ссылаться [ТРП, стр.38-40].

7. Уравнение элементарного явления.

В противоположность Вселенной вторая конкретная - наипростейшая - форма явления характеризуется предельно малыми значениями всех количественных мер. Как и прежде, важнейшей из них служит экстенсор, поэтому требуется обсудить вопрос о возможных минимальных значениях этой величины. Заранее лишь ясно, что

N1 = min. (17)

Найти эту минимальную порцию вещества пока не представляется возможным. Но утверждать, что такая порция в природе реально существует, вполне закономерно. Этот вывод непосредственно вытекает из концепции дискретности окружающего мира.

Действительно, концепция дискретности служит основанием для мысленного расчленения Вселенной на различные частные формы явлений. Она же дает право говорить о существовании некой наипростейшей формы явления, которая не поддается дальнейшему расчленению на более простые, более мелкие формы. Этой наипростейшей форме должно отвечать вполне определенное конкретное минимальное значение экстенсора, которое условимся обозначать буквой n , то есть

N1 = n (18)

Если бы в противоположность дискретности вещество обладало свойством непрерывности, континуальности, тогда его можно было бы дробить неограниченно долго на сколь угодно мелкие (бесконечно малые) порции. В пределе мы получили бы нуль (N1= 0), что лишено смысла, ибо при нулевом экстенсоре вещество отсутствует и, следовательно, нет предмета разговора.

Вывод о необходимости существования в природе минимальной конечной порции количества вещества впоследствии неоднократно обсуждается и подвергается экспериментальному подтверждению для определенных конкретных условий. этот вывод свидетельствует о том, что существует некий минимальный шаг для перехода, так сказать, от бытия к небытию (и наоборот), при минимальном значений экстенсора n имеется некая объективная реальность, представляющая собой вещество, а следовательно, и явление, при скачкообразном уменьшении экстенсора до нуля явление исчезает, нет ничего. В дальнейшем идея минимальности шага, приводящего к скачкообразному изменению свойств, нам еще потребуется.

Очевидно, что остальные меры вещества и его поведения у наипростейшей формы явления способны приобретать нулевые значения. Нетрудно, например, представить себе порцию n в виде определенного бесструктурного образования, некоего первородного киселя, играющего роль первокирпичика мироздания. Мера качества формы вещества такого бесструктурного киселя N2 равна нулю; меры количества поведения N4 и качества (способа) поведения N5 тоже должны быть равны нулю, то есть он никак себя не проявляет ни с количественной, ни с качественной стороны. В целом конкретная наипростейшая форма явления определяется следующим набором значений количественных мер:

N1 = n ; N2 = 0 ; N3 = n ; (19)

N4 = 0 ; N5 = 0 ; N6 = 0 ; N7 = n.

Что касается наипростейшей формы явления взаимодействия, то при отсутствии у наипростейшей формы вещества какого-либо поведения взаимодействие также должно отсутствовать. Это означает, что у наипростейшей формы явления взаимодействия мера количества формы вещества взаимодействия, или экстенсор взаимодействия, равна нулю, то есть

N = 0. (19')

Все остальные количественные меры явления взаимодействия также равны нулю (N = 0) .

Равенства (19) и (19'), полученные из основного уравнения, содержат все характеристики и связи наипростейшего явления, то есть определяют закон этого явления, ибо в равенствах (19) первая функция имеет вполне определенный конкретный и вместе с тем простейший вид, чего нельзя сказать о функции в первом равенстве соотношений (16).

Как видим, наипростейшая форма явления - это такая форма, все главные количественные меры которой, кроме экстенсора, равны нулю. Образующая ее наипростейшая форма вещества не имеет структуры. Поведение у наипростейшего вещества отсутствует, взаимодействие - тоже. В свете изложенного наипростейшая форма явления вполне заслуживает наименования элементарной.

Элементарная форма явления представляет собой антипод Вселенной, что прямо следует из сопоставления равенств (16) и (19). Мы убедимся, что для ОТ понятие элементарной формы явлений имеет не менее важное принципиальное значение, чем понятие Вселенной. После того как возможности анализа, которому подвергается Вселенная, будут исчерпаны, нам придется обратиться к прямо противоположному методу - методу синтеза, и здесь отправной точкой послужит именно элементарная форма явления. В методе синтеза элементарное явление играет такую же ведущую, исходную роль, какую в методе анализа играет Вселенная.

Итак, мы с количественной стороны определили содержание двух самых замечательных форм явлений природы - наисложнейшей (Вселенная) и наипростейшей (элементарная). Это содержание есть закономерное следствие основного уравнения ОТ оно вытекает из последнего при вполне определенных конкретных значениях главных характеристик вещества, поведения и взаимодействия. Обе формы опоясывают мироздание с двух противоположных сторон: сверху и снизу - со сторон предельной сложности и со стороны предельной простоты. Очевидно, что в мироздании не может быть явления более сложного, чем Вселенная, и более простого, чем элементарное. Все существующие формы явлений укладываются в вилку, образованную этими двумя понятиями [ТРП, стр.40-42].

Глава III. Классификация миров.

1. Количественные уровни мироздания.

Любопытно отметить, что развитие любой теории, как и науки в целом, всегда сопровождается прогрессирующим ростом числа новых вопросов, которые возникают одновременно с расширением и углублением наших знаний. Например, в ОТ анализ, расшифровка, детализация и конкретизация физических концепций, реализующих парадигму, привели к постановке следующих новых вопросов: как и по каким признакам следует мысленно вычленять из Вселенной конкретные формы явлений, как в числах выражаются для них основные количественные меры, каков конкретный вид функций, связывающих эти меры, какова минимально возможная величина элементарной порции вещества (экстенсора) и т.п. Ниже постепенно будут разрешены все эти и многие другие вопросы, но одновременно возникает еще большее количество новых...

Очевидно, что определение Вселенной и элементарной формы явления с помощью уравнений (16) и (19) еще не дает ответа на поставленный выше вопрос о способах выбора (идентификации) интересующих нас конкретных форм явлений, ибо мы по-прежнему не знаем всех промежуточных форм, располагающихся в упомянутой вилке, причем общее количество неизвестных форм продолжает оставаться равным бесконечности. Вместе с тем без знания установленных нами конкретных наисложнейшей и наипростейшей форм построение ОТ тоже немыслимо.

Поставленная задача чрезвычайно сложна. Дальнейшее расчленение мироздания в промежутке между наисложнейшей и наипростейшей формами явлений и разложение его по соответствующим количественным и качественным полочкам уже невозможно, как прежде, осуществить априори, до опыта. По необходимости придется опереться на опытные факты, что, конечно, сделает рассуждения менее строгими. В ходе рассуждений будут сформулированы необходимые и достаточные признаки и методы расчленения и таким образом задача найдет свое разрешение.

Как уже упоминалось, согласно основному уравнению ОТ, главенствующая роль всегда принадлежит количеству вещества, .определяемому экстенсором N1, который входит во все уравнения в качестве аргумента. Следовательно, экстенсор может и должен служить ведущим признаком мысленного расчленения Вселенной на более простые промежуточные формы явлений, что крайне упрощает поставленную задачу.

Заранее ясно, что существенно различающимся значениям экстенсора должны отвечать сильно разнящиеся формы явлений и управляющие ими законы (наборы характеристик и связей между ними). Например, бревно и Солнце имеют очень неодинаковые экстенсоры и поэтому по необходимости подчиняются весьма различным законам. В соответствии с этим первая и вполне естественная мысль, возникающая в данной ситуации, состоит в том, чтобы попытаться начать расчленение мироздания с выделения определенных количественных уровней вещества. Все конкретные формы явлений, или объекты, каждого такого уровня должны обладать значениями экстенсоров одного порядка, величины экстенсоров объектов различных уровней должны отличаться друг от друга на много порядков, тогда есть уверенность, что им будут соответствовать и разные законы.

Поскольку экстенсор определяет количество вещества, образующего данный объект, постольку речь может идти, например, о выделении уровней мироздания с объектами различной тонкости или грубости. Одновременно величина экстенсора характеризует сложность организации объекта и законов, которым он подчиняется, поэтому отдельные количественные уровни можно было бы также различать по сложности их устройства и по отвечающим им законам. Однако более простой и наглядной характеристикой все же следует признать тонкость и грубость уровня, а законы можно использовать для уточнения и корректировки расчленения. Например, мы с полным правом можем утверждать, что атомы, бревна, звезды и галактики принадлежат к различным количественным уровням мироздания, ибо перечисленные объекты определяются радикально неодинаковыми значениями экстенсоров. В соответствии с этим все атомы можно отнести к одному из количественных, уровней мироздания, объекты типа бревен - к другому, звезды - к третьему, галактики - к четвертому и т.д.

Атомы, бревна, звезды, галактики и тому подобные объекты различаются своими размерами, массами и другими характеристиками. Указанные характеристики, как будет показано в дальнейшем, суть конкретные виды экстенсоров, например, размер, объем и масса - это частные меры количества метрического вещества (см. гл. XV и XIX). Следовательно, искомые уровни мироздания необходимо и достаточно мысленно выделять по признаку размеров, масс и других экстенсоров, характеризующих объекты этих уровней. При такой постановке вопроса использованные термины - "тонкий" и "грубый" уровни мироздания - наполняются четким содержанием.

Короче говоря, для начала Вселенную предстоит мысленно расчленить на различные по тонкости (или грубости) миры. Экстенсоры объектов выделенных миров должны различаться между собой весьма существенно. Благодаря этому обеспечивается гарантия того, что объекты различных миров будут подчиняться заведомо неодинаковым законам, что и требуется для наших целей. Трудность вопроса заключается в том, что в природе всегда можно обнаружить объекты самых различных размеров и масс, и если всех их расположить по любому из указанных признаков в правильный ряд, то практически не удастся заметить каких-либо существенных разрывов в значениях экстенсоров. Иными словами, естественной группировки объектов не произойдет. В результате может даже сложиться впечатление, что соответствующего расчленения Вселенной сделать невозможно.

Однако более внимательное рассмотрение вопроса показывает, что это не так. Для преодоления возникшей трудности вполне возможно выработать особые правила, которыми целесообразно руководствоваться при раскладке миров по количественным полочкам. В свое время соответствующие правила были сформулированы и названы мною принципами (правилами) проницаемости и отторжения [18, с.131; 20, с.268; 21, с.24]. Эти правила существенно упрощают рассуждения, делают их конкретными и предельно наглядными [ТРП, стр.43-45].

2. Правила проницаемости и отторжения.

Согласно правилу проницаемости, уровни мироздания должны выбираться таким образом, чтобы каждый последующий, более грубый мир, содержащий повышенное количество вещества, был бы при определенных условиях и в определенной мере проницаемым (прозрачным) для всех предыдущих, более тонких миров, содержащих меньшее количество вещества.

Согласно правилу отторжения, каждый последующий, более грубый мир должен быть способным и вынужденным при определенных условиях и в определенной мере отторгать (излучать, рождать) без особого ущерба для себя, а также поглощать вещество из всех предыдущих, более тонких миров.

Предлагаемые правила имеют под собой глубокие опытные основания, они подсказаны самой окружающей действительностью. В принципе не исключены и другие подходы, в которых могут быть использованы иные правила расчленения Вселенной. Однако применение правил проницаемости и отторжения вполне себя оправдывает и оказывается весьма плодотворным. С их помощью удается легко разложить мироздание по полочкам, причем эти полочки кардинально различаются количествами вещества, образующего соответствующие объекты.

Правда, в отдельных конкретных случаях, если данный объект располагается где-то между двумя близлежащими полочками, то подчас бывает трудно предпочесть одну их них. Возможно и такое, когда определенного вида объекты могут существовать в разных вариациях, например микромолекулы и макромолекулы. Однако совершенно ясно, что такого рода затруднения должны быть присущи любым классификациям, которые попытались бы подразделить общую картину мироздания на отдельные характерные уровни. Поэтому подобные затруднения принципиального значения не имеют [ТРП, стр.45-46].

3. Перечень миров.

Можно предположить, что существует неограниченное множество различных количественных уровней вещества, составляющих Вселенную. Это предположение невозможно ни подтвердить, ни опровергнуть. Некоторые основания для такого предположения содержатся в соотношениях (16). Однако этот вопрос для нас не существен: в ОТ по необходимости рассматриваются лишь те из уровней, которые в той или иной форме доступны для изучения.

Если воспользоваться изложенными выше правилами и теми приставками, которые применяются в Международной системе единиц измерений (СИ) для обозначения величин, различающихся в 1000 и т. д. раз, то можно предложить следующие названия для отдельных уровней Вселенной [18, с.64; 20, с.268; 21, с.24]:

1. Аттомир 6. Макромир
2. Фемтомир 7. Мегамир
3. Пикомир 8. Гигамир (20)
4. Наномир 9. Терамир
5. Микромир 10. Цетамир и т.д.

Начальные ступени этой классификации соответствуют тонким мирам, последующие - более грубым. Приставки из системы СИ применяются чисто символически, поэтому не следует думать, что один мир отличается от другого по размерам, массам и другим характеристикам объектов именно в 1000 раз б этом говорится ниже.
Известные представления об очень тонких мирах (атто-, фемто- и пико-) мы получим при обсуждении сложных форм явлений в гл. XXVII.

К наномиру относятся так называемые поля - электрическое (электростатическое), гравитационное и т.д. Эти поля хорошо известны. Но слово "поле" слишком многозначно, поэтому, чтобы отличить этого рода поля от других, будем именовать их нанополями.

Следующий более грубый мир классификации принадлежит микроскопическим объектам (микромир). К числу таких объектов относятся фотоны; электроны, позитроны, протоны, атомы молекулы и т.п.

Макромир составляют привычные нам объекты, к которым принадлежим и мы сами.

Мегамир - это наблюдаемые космические объекты типа звезд с планетами, туманностей и т.д.

Гигамиру соответствуют космические образования типа галактик.

Терамир - это совокупности (скопления) галактик, объединенных в сложные системы, о свойствах которых сейчас можно делать лишь самые общие предположения.

Цетамир - сверхскопления галактик.

Не исключено, что Вселенная не ограничена ни в одном из указанных направлений: ни со стороны тонкости объектов, ни со стороны их грубости. Во всяком случае галактики не являют собой предельно грубые образования, равномерно разбросанные в пространстве, как иногда думают, ибо известны крупные скопления галактик, сверхскопления скоплений, а также огромные "дыры" - "пустые" пространства между отдельными галактиками. Таковы последние данные астрономов. Как бы там ни было, но все это должно свидетельствовать в пользу иерархического строения Вселенной, однако для нас этот вопрос не принципиален.

Нетрудно видеть, что предлагаемая классификация миров хорошо удовлетворяет правилам проницаемости и отторжения. Например, гигаобъекты (галактики) при определенных условиях и в определенной мере прозрачны для мегамиров (звезд с планетами) и способны их излучать и поглощать. Точно так же мегаобъекты ведут себя по отношению к макрообъектам (обычным телам), макрообъекты - по отношению к микрообъектам (так называемым элементарным частицам, атомам и молекулам), микрообъекты - по отношению к нанообъектам (электрическому, гравитационному и т.п. нанополям).

Если ограничиться очень грубой оценкой, то наиболее характерные объекты миров различаются по размерам примерно десятью порядками, а по массам - тридцатью. К нанополям это относится лишь предположительно, но нам хорошо известен следующий факт: нанополя - электрическое и гравитационное (наномир) - излучаются микрообъектами, например электронами, в течение миллиардов лет без заметного ущерба для электронов, отсюда можно сделать вывод о колоссальной разнице, существующей между размерами и массами нано- и микрообъектов.

Размеры и массы микрообъектов имеют следующий порядок: L = 10-10 м и m = 10-30 кг. Макрообъекты имеют размеры порядкаL = 100 м и массы порядка m = 100 кг. Для объектов мегамира характерны следующие значения экстенсоров: L = 1010 м и m = 1030 кг.
Размеры гигаобъектов могут быть приблизительно оценены величиной 1020 м. Но в вопросе об их массе пока еще нет достаточной ясности. Если считать, что средняя галактика содержит около 1010 звезд, как об этом думали совсем недавно, то получится масса порядка 1040 кг. Однако последние астрономические данные заставляют значительно увеличить это число. Например, сейчас уже считается, что наша Галактика имеет более 1,51011 звезд. Кроме того, наблюдения Дж. Лейси, Ф. Баасома, Ч. Таунсома и Т. Джебалле (Калифорнийский университет, Беркли и обсерватория им. Хэйла Института Карнеги, США) показали, что в центре Галактики сосредоточено ядро, масса которого превышает 8106 солнечных масс. К этому надо добавить объекты, излучающие в радио-, рентгеновском и других диапазонах. Все это позволяет высказать довольно реальное предположение, что для галактик характерны аналогичные числа порядка L = 1020 м и m = 1060 кг. Что касается тера- и более грубых объектов, то сейчас о них пока ничего сказать нельзя.

Любопытно отметить, что если характерный линейный размер возвести в куб, то получится некоторый объем V = L3.Объем и масса дают плотность p = m/V кг/м3. Сопоставление полученной таким образом плотности для характерных объектов на различных уровнях мироздания позволяет обнаружить интереснейшее грубо приближенное свойство, заключающееся в приблизительном постоянстве величиныр, которая в среднем равна 1 кг/м3. В указанном свойстве повинно и то обстоятельство, что размер, объем и масса - это частные количественные меры одного и того же метрического явления. Все изложенное наводит на мысль о наличии в обсуждаемой череде миров более глубокого смысла, чем кажется на первый взгляд. В частности, высвечивается любопытнейшая закономерность, согласно которой Вселенная оказывается в среднем однородной даже и при иерархическом ее строении.

Разумеется, все приведенные числа весьма приближенны, верен лишь их порядок. Но они очень наглядно выражают идею тонкости и грубости выделенных уровней мироздания. При этом разница между значениями экстенсоров, характеризующих объекты на неодинаковых уровнях, колоссальна. Поскольку количество вещества объекта однозначно определяет его структуру и поведение, постольку объектам на разных уровнях должны отвечать кардинально неодинаковые числовые меры качества вещества, а также количества и качества его поведения. Перечисленные уровни мироздания существуют во Вселенной как один подле другого, так и один внутри другого. В этом смысле расчлененная нами Вселенная напоминает кукол-матрешек, которые вкладываются одна в другую либо располагаются рядом.

Не исключено, что строительным материалом для всех уровней мироздания служит один и тот же наиболее тонкий из миров. Но обнаружить этот мир нам не дано, ибо мы никогда не можем быть до конца уверены, что найденный тонкий мир является последним и не поддается дальнейшему расчленению на еще более тонкие уровни [ТРП, стр.46-49].

4. Множественность форм явлений данного уровня.

Анализ Вселенной привел нас к большому числу уровней мироздания, объекты которых сильно различаются значениями своих экстенсоров. Теперь при выборе конкретных форм явлений мы должны расчленять по признаку величины экстенсора не Вселенную в целом, а только ее определенные интересующие нас количественные уровни. Задача расчленения отдельного уровня оказывается неизмеримо легче, чем общая проблема расчленения необозримой Вселенной, ибо в рамках каждого данного уровня экстенсор может вменяться лишь в некотором ограниченном интервале, определяемом свойствами самого уровня. Одновременно резко сокращается число наиболее важных характеристик явления и связей между ними, то есть число действующих законов. Однако в общем случае в конечном интервале изменения экстенсора может поместиться невообразимое множество его значений и, следовательно, каждый количественный уровень мироздания в принципе может содержать огромное количество разных форм явлений.

Совершенно ясно, что на любом выделенном уровне миро здания существуют свои частные наипростейшая и наисложнейшая формы явлений. Экстенсоры этих форм имеют определенные наименьшие и наибольшие значения. Задавая экстенсору последовательный ряд значений в пределах от минимального до максимального, можно перебрать все множество частных форм явлений данного уровня. Именно такой последовательный ряд усложняющихся форм явлений составляет предмет наших забот и исканий.

В настоящее время мы не знаем ни одного полного ряда ни для одного из уровней мироздания. Нам известны лишь разрозненные конкретные формы явлений, принадлежащие различным уровням и рядам. Например, в микромире отдельными формами явлений служат конкретные элементарные частицы, атомы и молекулы. В макромире можно упомянуть конкретные неорганические тела, растения, животных. В мегамире существуют конкретные звезды различного класса и т. д. Анализ всех известных конкретных форм явлений позволяет сделать еще несколько выводов, которыми фактически исчерпываются возможности метода анализа [ТРП, стр.49-50].

5. Формы разного рода.

Прежде всего мы замечаем, что на любом уровне мироздания все многочисленные конкретные формы явлений могут быть сгруппированы по определенным родовым признакам, существенно отличающим один род от другого. Например, в микромире род элементарных частиц сильно разнится от рода атомов и рода молекул. В макромире можно различать роды минералов, растений, вирусов, бактерий, человекообразных обезьян, обществ и т.д. То же самое можно сказать о звездах и туманностях в мегамире [ТРП, стр.50].

6. Формы разного вида.

В общем случае каждая совокупность форм явлений данного рода распадается на множество одноименных форм разного вида. Например, род элементарных частиц включает в себя электроны, позитроны, протоны, нейтроны и другие частицы. В макромире существуют разные виды минералов, растений, вирусов, бактерий, человекообразных обезьян; обществ. В мегамире есть немало видов звезд и туманностей [ТРП, стр.50].

7. Вариации форм данного вида.

Существует большое множество вариаций любой конкретной формы явления данного вида. Например, электроны могут отличаться один от другого по каким-то своим признакам, что станет ясно из дальнейшего изложения. На свете нет двух совершенно одинаковых людей. Точно так же в пределах своего класса не существует двух абсолютно одинаковых звезд и т.д.

Множественность вариаций индивидуальных признаков на уровне единичной формы явления можно определить термином изменчивость. Именно изменчивость делает природу бесконечно разнообразной и наделяет каждое конкретное явление способностью приспосабливаться ко всевозможным условиям существования, а также свойством устойчивости в определенном диапазоне изменения этих условий.

Из всего сказанного должно быть ясно, что Вселенная бесконечно разнообразна на любом количественном уровне мироздания. Она неисчерпаема даже в пределах любого данного конкретного вида формы явления. Все это невообразимое количество разнообразных реальных форм явлений привести в определенную систему не так-то просто. При желании с этой целью можно было бы воспользоваться, например, достаточно развитыми общими теориями систем (ОТС) М. Месаровича [56], А.И. Уемова [78], Ю.А. Урманцева [72, с.38-130] и т.д.; в частности, много точек соприкосновения с ОТ можно найти в теориях А.И. Уемова и Ю.А. Урманцева, однако в этом нет особой необходимости. Уместно также добавить, что конкретно-научные проработки ОТ неизбежно должны повлечь за собой известную корректировку всех ОТС, в особенности такая потребность возникает в связи с новыми трактовками в ОТ понятий пространства и времени.

На этом можно закончить классификацию миров. Разумеется, эта классификация, подобно классификации Линнея, не является исчерпывающей, но в отличие от линнеевской она базируется на количественных характеристиках, которые входят в состав основного уравнения ОТ. Вместе с тем дальше развивать и углублять предлагаемую классификацию нет смысла, ибо для наших целей вполне достаточно различать миры (и формы явлений) по указанным здесь признакам. Изложенной классификацией фактически исчерпывается излагаемый нами метод анализа Вселенной, начатый в гл. II [ТРП, стр.50-51].

Глава IV. Эволюция явлений.

1. Метод синтеза.

Недостаток метода анализа заключается в том, что о свойствах выделенных частей Вселенной, как правило, мы можем иметь лишь самые общие рассуждения, ибо не знаем точного состава и строения этих частей; мы не знаем также, поддаются ли эти части дальнейшему расчленению и на какие именно составляющие. Другими словами, каждая такая выделенная часть представляет собой «черный ящик». Исключение составляет лишь наипростейшее (элементарное) явление, которое не поддается дальнейшему расчленению; его состав и свойства, вообще говоря, известны (см. уравнения (18) и (19)), поэтому оно уже не есть черный ящик.

Очевидно, что после вычленения наипростейших элементов Вселенной дальше разлагать уже больше нечего. С этого момента метод анализа становится бессильным. Но теперь перед нами открывается новый, единственно возможный в данной ситуации, прямо противоположный путь – путь синтеза. Им мы и воспользуемся.

Метод синтеза, то есть соединения, составления простых частей в более сложное целое, является тем завершающим аккордом, который позволит достроить физическое здание ОТ. При этом главным объектом синтеза, в ходе которого простые части соединяются в более сложное целое, служат наипростейшие элементы, полученные методом анализа; их можно рассматривать как исходный строительный материал Вселенной, первокирпичики мироздания. Эти первокирпичики представляют собой те "первоначала всех вещей", из которых складывается се сущее. Их мечтали найти древние философы, ставя перед собой общие проблемы мироздания" [53].

Поскольку упомянутые первокирпичики не являются черным ящиком, постольку составленное из них более сложное целое (объект) тоже не есть черный ящик: синтезируя данное целое, мы всегда бываем в курсе его состава, а значит, можем судить о его свойствах. Найденные более сложные объекты, в свою очередь, тоже включаются в процесс синтеза, а в результате могут быть получены еще более сложные объекты и т.д. Здесь очень важно обратить внимание на следующее принципиальное обстоятельство: во всех случаях при синтезе сложных объектов исходными конструктивными элементами строительства служат не вещества более простых объектов, как иногда думают, а целиком более простые явления, состоящие из количеств и качеств вещества и количеств и качеств поведения этого вещества. Это в корне меняет всю картину синтеза, в чем мы будем иметь возможность вскоре убедиться.

Таким образом, общая проблема изучения Вселенной фактически распадается на два этапа: первый из них посвящен анализу мироздания, а второй – его синтезу, начиная с наипростейших элементов. Ни один из этих этапов в отдельности не в состоянии послужить основой для успешного решения поставленной задачи, ибо первый этап вплоть до элементарного явления имеет дело только с черными ящиками, то же самое происходит во втором этапе при отсутствии элементарного явления. В свете изложенного очень четко вырисовываются сравнительная роль и решающее значение таких категорий, как анализ и синтез. Неразлучность этих категорий – непременное условие достаточно глубокого проникновения в суть объективной реальности. Без них и их единства невозможны ни общая теория природы, ни теория познания вообще. Известно, что до настоящего времени наука шла в основном по пути анализа. Теперь ей предстоит решительно встать на путь синтеза [ТРП, стр.52-53].

2. Парадигма ОТ и эволюция.

Приняв условия игры методом синтеза и разложив Вселенную по полочкам, мы теперь должны научиться выстраивать для любого данного количественного уровня мироздания ряды усложняющихся форм явлений, начиная от наипростейшего и кончая наисложнейшим. Юмор ситуации можно было бы усмотреть в том, что сейчас мы стоим перед проблемой, которая значительно сложнее исходной, когда пытались мысленно расчленить Вселенную на отдельные частные формы явлений. Может даже показаться, что все предыдущие рассуждения ни на йоту не сдвинули нас с места. Это впечатление еще более усиливается, если обратить внимание на следующее чрезвычайно важное обстоятельство, о котором я прежде умышленно умалчивал.

Суть его заключается в том, что все реальные формы явлений непрерывно изменяются, эволюционируют. Чтобы убедиться в неуклонном изменении количественных и качественных характеристик всех объектов природы, достаточно внимательно оглядеться вокруг себя: в ходе наблюдаемых изменений простейшие формы явлений постоянно трансформируются в более сложные, а сложные, в свою очередь, распадаются на более простые. Подобная калейдоскопическая картина не очень обнадеживает. Однако было бы преждевременным впадать в пессимизм, ибо возникшие осложнения вполне можно обратить себе на пользу. Но для этого надо прежде определить смысл, который мы будем вкладывать в термин "эволюция".

В ОТ под эволюцией я буду понимать изменение набора существенных для явления характеристик и связывающих их функций, то есть изменение законов, управляющих конкретными формами явлений. Следовательно, эволюционные – это только такие изменения, которые сопровождаются сменой действующих законов, поэтому не всякие изменения явления могут считаться эволюционными в строгом смысле этого слова; например, на практике слово "эволюция" иногда употребляется для обозначения любых изменений явления, в том числе не входящих за рамки действия определенных законов.

Фатальная неизбежность эволюции диктуется парадигмой ОТ и заключена в философской концепции необходимости, реализуемой с помощью физической концепции взаимодействия. В ходе эволюции изменяется как основное явление, так и явление взаимодействия, поскольку они представляют собой единое целое, поэтому понятие эволюции охватывает оба эти явления одновременно.

Таким образом, посредством новой монопарадигмы идеи эволюции с самого начала заложены в основу построения ОТ, они играют в ней ведущую, направляющую роль. Раньше я по возможности избегал говорить об эволюции, дыбы не затруднять осмысливание вводимых понятий. Теперь без понятия эволюции вообще невозможно дальнейшее продвижение вперед: эволюция есть очередное неизбежное, органически вытекающее из всего предыдущего звено в цепи наших логических рассуждений. Именно эволюция явлений дает нам в руки ключ к успешному решению поставленной задачи.

Очевидно, что наблюдаемый в природе бесконечный набор всевозможных форм явлений – это результат их эволюционного развития на данный момент. Следовательно, проблема построения конкретного ряда усложняющихся форм явлений для данного количественного уровня мироздания может быть сведена к проблеме эволюции вещества и его поведения на этом уровне: зная закон эволюции и ее отправные точки – наипростейшее и наисложнейшее (либо какое-нибудь промежуточное) явления, мы всегда сможем синтезировать искомый ряд и прийти к интересующему нас явлению. Беда заключается в том, что нам не известны ни законы эволюции, ни ее отправные точки для различных уровней мироздания; мы только можем предполагать, что наисложнейших форм на каждом уровне должно быть много, а наипростейшая – всего одна; основанием для такого предположения служит пример расчленения Вселенной. Но мы располагаем основным уравнением ОТ, связывающим главные количественные меры явления, попытаемся реализовать этот аппарат [ТРП, стр.53-55].

3. Основное уравнение эволюции ОТ.

Выше уже отмечалось (см. уравнения (14) и (15)), что все свойства Вселенной определяются экстенсором N1 . Значит, экстенсор можно использовать также и для количественного выражения законов эволюции.

Само по себе абсолютное значение экстенсора N1 определяет уровень эволюционного развития явления, причем под абсолютным в термодинамике понимается значение, отсчитываемое от некоторого абсолютного начала (абсолютного нуля) отсчета. Нас же в первую очередь должен интересовать не уровень, а изменение этого уровня, ибо эволюция – это изменение законов, управляющих явлением, причем законы могут претерпеть качественное (скачкообразное) изменение только в условиях конечного, скачкообразного изменения величины экстенсора. Следовательно, на роль критерия, однозначно определяющего эволюционное (скачкообразное) изменение всех характеристик Хiэ явлений, надо избрать не экстенсор N1 , а его изменение N1э . Но в силу сказанного выше сами эволюционные скачки экстенсора N1э также определяются экстенсором. Поэтому основное уравнение эволюции ОТ можно записать в виде

Хiэ = Fiэ(N1э), (21)

или

Хiэ = Фiэ(N1).

Здесь Fiэ и Фiэ - соответствующие функции, где под Хiэ можно понимать скачки любой из характеристик эволюционирующих явлений, включая количества и качества вещества и его поведения.

Уравнение (21) характеризует основной закон эволюции ОТ. В нем отражены все интересующие нас конкретные законы эволюции. Они, в свою очередь, определяют все возможные эволюционные ряды на всех количественных уровнях мироздания. Преимущество уравнения (21) по сравнению с прежними уравнениями (14) и (15) заключается в том, что на практике обычно легче находится изменение некоторой величины, чем ее абсолютное значение, ибо тогда данную величину можно отсчитывать уже от любого условного, а не абсолютного нуля отсчета. Например, в термодинамике изменения внутренней энергии, энтропии, температуры и других характеристик определяются значительно проще, чем абсолютные значения этих величин, причем существуют различные условные нули их отсчета. Тем не менее и в данном случае трудность проблемы заключается в том, что непосредственно извлечь законы эволюции из уравнения (21) практически невозможно вследствие предельной общности последнего. Кроме того, оно, как и уравнения (14) и (15), в известном смысле условно, ибо в обобщенной форме выражает лишь принципиальную сторону имеющихся связей (об этом уже говорилось в гл. II) [ТРП, стр.55-56].

4. Принцип минимальности эволюционного шага.

Ранее при анализе Вселенной определяющим критерием служило абсолютное значение экстенсора N1 (см. уравнения (14) и (15)); например, придав ему сильно различающиеся значения, удалось расчленить мироздание на отдельные количественные уровни, что заметно продвинуло нас на пути анализа. Теперь при синтезе явлений мы можем уже пользоваться не абсолютными значениями экстенсора N1 , а его скачками N1э (см. уравнение (21)). Это тоже несколько облегчит нашу участь.

Действительно, согласно определению понятия эволюции, все явления данного эволюционного ряда различаются между собой конечными величинами N1э . Ясно также, что для двух любых рядом расположенных явлений должно соблюдаться условие

N1э = min. (22)

Разность значений экстенсора между двумя соседними формами явлений ряда должна быть минимальной из всех возможных, но в то же время она должна обеспечивать смену действующих законов.

Следовательно, требование (22) выражает идею выбора минимального эволюционного шага, при котором устраняется риск перепрыгнуть через несколько промежуточных форм ряда. Эту идею будем именовать принципом минимальности эволюционного шага, или просто принципом минимальности.

Из основного уравнения эволюции (21) и условия (22), приняв во внимание монотонно возрастающий характер соответствующих функций, можно получить новое требование

Хiэ = min, (23)

которое говорит о том, что разница между всеми основными характеристиками двух соседних явлений эволюционного ряда должна быть равна минимально возможной величине. Например, это относится к количеству и качеству вещества и количеству и качеству его поведения, включая явление взаимодействия. При этом решающее значение имеют изменения количества вещества (требование (22)), изменения же других характеристик являются следствием изменений экстенсора.

Попутно отметим, что из общего равенства (22) в качестве наипростейшего частного случая вытекают прежние выражения (17) и (18), в которых величина N1 представляет собой самую первую минимальную разность (скачок) N1э , отсчитываемую от некоего абсолютного нуля, абсолютного ничто. Поэтому равенства (17) и (18) фактически характеризуют не только конечный шаг на пути анализа, но также и изначальный шаг на пути всякой эволюции; этому шагу предшествует ничто, небытие. Принципиально важно, что этот изначальный шаг является единым и общим для всех количественных уровней мироздания и всех эволюционных рядов на них.

Как видим, для построения какого-либо конкретного эволюционного ряда требуется знать скачки N1э , удовлетворяющие требованию (22). Но это требование, подобно основному уравнению эволюции (21), отличается слишком большой общностью. Конкретизировать и определить числом скачок N1э , как и абсолютное значение N1 , мы еще не научились. Поэтому принцип минимальности придется далее расшифровать так, чтобы им можно было пользоваться на практике без знания разности N1э .

С аналогичной ситуацией мы столкнулись ранее при определении абсолютной величины N1 с целью расчленения Вселенной. Чтобы справиться с возникшими новыми трудностями, придется искать обходные пути построения соответствующих эволюционных рядов усложняющихся форм явлений. Как и прежде, предстоит воспользоваться опытными фактами, что сделает рассуждения менее строгими. При этом вместо прежних правил проницаемости и отторжения придется сформулировать новые, тоже почерпнутые из наблюдений окружающей действительности. В свое время эти новые правила были установлены и получили наименование принципов (правил) своеобразия и вхождения [18, с.439; 21, с.23] [ТРП, стр.56-57].

5. Правила своеобразия и вхождения.

Согласно правилу своеобразия, каждая данная форма явления своеобразна (специфична, неповторима и не сводима ни к какой другой форме), и этому своеобразию отвечают свои специфические законы, то есть свои наборы существенных характеристик и связывающих их функций. Переход от одной формы явлений к другой сопровождается изменением этих законов. Поэтому необходимым и достаточным признаком отнесения данного явления к той или иной конкретной форме служит подчинение его определенным специфическим законам, присущим исключительно данной форме.

Следовательно, правило своеобразия точно отражает содержание условия (22) в той его части, где говорится о смене действующих законов, диктуемой определением понятия эволюции. Что касается минимальности эволюционного шага, то этому требованию, необходимому для построения какого-либо эволюционного ряда, приходится удовлетворять на опыте методом проб и ошибок, ибо числовых значений скачков N1э для различных конкретных форм явлений мы не знаем.

В связи с этим правило своеобразия подкрепляется вторым правилом – вхождения, непосредственно продиктованным условиями реализации метода синтеза. Согласно правилу вхождения каждая сложная форма явления состоит, а следовательно, и может быть сконструирована из соответствующего набора более простых форм. Поэтому, например, наипростейшая форма явления всегда должна входить во все остальные, более сложные, без каких бы то ни было исключений.

Из правила вхождения непосредственно следует, что любая сложная форма явления должна подчиняться всем законам, которые характерны для более простых форм, входящих в состав сложной. В этой связи также становится ясной особая важность наипростейшей формы явления и законов, которыми она руководствуется, ибо эта форма входит во все остальные. Следовательно, ее законы обязательны для всех форм без исключения, то есть этим законам должно починяться все мироздание.

Хотя каждая сложная форма явления состоит из определенного набора менее сложных, ее свойства не могут рассматриваться как простая сумма свойств этих менее сложных форм. В данном случае имеет место интереснейший пример сложения, когда сумма не равна совокупности слагаемых: составленная из простых сложная форма явления приобретает новые специфические свойства, которых не было у простых форм. Этот эффект незримо присутствует в правиле своеобразия, которое имеет в виду именно такие вновь возникшие специфические законы.

В терминах системного подхода отмеченный эффект можно интерпретировать так: свойства системы не тождественны простой сумме свойств отдельных ее элементов (подсистем). Как видим, данный вывод из правил своеобразия и вхождения полностью совпадает с аналогичным выводом общей теории систем (ОТС), при этом понятие системы оказывается аналогичным понятию формы явления. Благодаря наличию обсуждаемого эффекта бессмысленно искать специфические законы функционирования сложного явления, например живого организма, на основе законов поведения молекул и атомов, из которых состоит этот организм [88].

Весьма интересно, что синтез сложного явления из простых сопровождается еще одним замечательным эффектом, на который ранее не обращали внимания. Суть его заключается в том, что каждое из простых явлений, входящих в состав сложного, тоже изменяет свои свойства по сравнению со случаем, когда оно рассматривается изолировано, вне связи с другими простыми явлениями. Этот эффект изменения свойств каждого отдельного слагаемого суммы усиливается по мере усложнения всех явлений, участвующих в синтезе, и практически не проявляется у наипростейших явлений. В дальнейшем будут приведены соответствующие примеры.

Правила своеобразия и вхождения предназначены для замены требований (22) и (23), когда не известны числовые значения скачков N1э и Хiэ . На практике для построения какого-либо конкретного эволюционного ряда требуется найти из опыта законы, которым подчиняется большой набор разных по сложности явлений. Затем с помощью указанных правил эти явления выстраиваются в ряд так, чтобы каждое последующее явление подчинялось всем законам, характерным для предыдущих, но в тоже время располагало некоторыми своими собственными специфическими законами. Конечно, с первого захода это сделать нелегко, ибо можно что-то пропустить или, наоборот, учесть какие-либо лишние явления из чуждых рядов, однако после некоторых проб и ошибок каждое явление в конце концов становится на свое место.

С помощью построенного таким образом ряда можно получить известные представления и о законах эволюции, то есть о законах перехода простых явлений в сложные. Этим представлениям можно придать количественное выражение, если определить явления ряда с помощью особых универсальных количественных мер N , например, о которых говорится в гл. XXVIII . Такие попытки количественного выражения законов эволюции неизбежно будут способствовать и уточнению самого эволюционного ряда – по методу последовательных приближений. Однако это дело будущего, причем здесь открывается широкое поле деятельности для приложения и оценки границ применимости известных ОТС [ТРП, стр.58-60].

6. Множественность эволюционных рядов.

На основе изложенного подхода можно сделать некоторые далеко идущие выводы, имеющие важное теоретическое и практическое значение. Прежде всего сопоставление основного уравнения эволюции (21) и соотношений (16) показывает, что всего во Вселенной существует бесконечное множество форм явлений, которые различаются своими законами. Это объясняется тем, что общий интервал возможных изменений экстенсора N1 =  содержит в себе бесконечное множество конечных отрезков N1э . Все эти формы явлений группируются в эволюционные ряды, общее число которых тоже равно бесконечности. Каждому из таких конкретных рядов соответствует свой определенный закон эволюции.

Что касается отдельных количественных уровней мироздания, то для находящихся на них различных форм явлений характерно конечное изменение экстенсора в пределах от некоторого наименьшего и до некоторого наибольшего. Соответственно и каждый эволюционный ряд должен содержать ограниченное количество явлений, хотя общее число рядов может быть крайне велико: ведь вследствие изменчивости каждая вариация конкретного явления может послужить родоначальником для специфического эволюционного ряда. При этом не исключаются случаи, когда ряд может состоять только из одного тупикового явления.

Хочется обратить внимание еще на следующее любопытное обстоятельство. Мы убедились, что абсолютное значение экстенсора определяет общий уровень эволюционного развития явлений, а соответствующие изменения экстенсора – законы эволюции. Значит, явления на разных количественных уровнях мироздания, резко различающихся абсолютными значениями своих экстенсоров, должны характеризоваться радикально неодинаковыми уровнями развития, а следовательно, и законами эволюции.

Этот теоретический вывод ОТ представляет научный и философский интерес. Идею неодинакового развития природы на разных уровнях высказывали уже древнеиндийские, древнекитайские и древнегреческие философы. Эту идею они противопоставляли мнению, согласно которому все уровни примитивно повторяют один и тот же путь развития: например, предполагалось, что люди существуют не только в макромире, но и в микромире (микролюди), мегамире (мегалюди) и т.д. Парадоксально, но это мнение продолжает находить своих приверженцев и в наши дни. Оно было остроумно высмеяно Дж. Свифтом в следующих стихах:

На спинах блох блошата есть,

Кусают блох они там,

Блошонок у блошат не счесть –

И так ad infinitum.

Не исключено, что это ошибочное представление зародилось на основе интуитивной идеи, вообще говоря, правильной, согласно которой явления на разных количественных уровнях мироздания должны иметь какие-то сходные черты – подчиняться неким общим законам. Однако это сходство является весьма своеобразным.

Действительно, на любом уровне мироздания, как уже отмечалось, существуют вполне определенные свои наипростейшие и наисложнейшие явления. При этом, например, у всех наипростейших явлений всех уровней можно обнаружить некие общие черты и законы (см. гл. V). Нечто похожее можно наблюдать и у более сложных явлений. Явления, принадлежащие неодинаковым уровням мироздания, но имеющие определенные общие свойства, будем называть одноименными. Если мысленно сгруппировать все одноименные явления различных уровней, например все наипростейшие явления, то получится некий разномасштабный эволюционный ряд. Свойства таких разномасштабных рядов представляют известный теоретический и практический интерес. Однако здесь важно подчеркнуть, что разномасштабные эволюционные ряды, как и их свойства, ничего общего не имеют с упомянутым выше примитивным представлением о тождественном развитии природы на неодинаковых количественных уровнях мироздания.

Мы, наконец, подошли к тому рубежу, когда перед нами открывается наиболее полная общая картина Вселенной и становится очевидной ее невообразимая сложность. Завершающие мазки в этой грандиозной картине удается нанести благодаря последовательной расшифровке философской концепции необходимости, диктующей обязательность эволюционного развития, таким образом, в рассуждения привносятся элементы динамики – изменения, развития, роста; концепция эволюции становится ведущим направлением теории. При этом выявляется глубинная сущность безграничных эволюционных возможностей природы. В частности, это выражается в наличии неограниченного множества всевозможных форм явлений и способности каждого из них порождать свой эволюционный ряд, свое эволюционное направление.

Намечающаяся общая картина мироздания заставляет поражаться тому, сколь ничтожно мало мы еще знаем о природе в настоящее время. Попытка осмыслить возникающую перед нами картину с неизбежностью приводит к однозначному выводу, что не существует и в принципе не может существовать никаких пределов для развития, углубления и совершенствования теории, объясняющей природу. Этот вывод полностью отвергает высказываемые иногда суждения об ограниченных возможностях познания, об отсутствии перспектив дальнейшего развития теоретических представлений ввиду завершенности той или иной теории, достигшей, наконец, своего потолка. Подобные суждения обычно характерны для периода, когда господствующее миропонимание себя исчерпывает и возникает настоятельная потребность заменить старую парадигму на новую, не совместимую со старой.

Ограниченность наших теперешних знаний о природе не позволяет в полной мере использовать на практике изложенный выше подход и построить эволюционные ряды для различных уровней мироздания. Мы принадлежим макромиру, поэтому знакомы с ним лучше всего. Чем дальше отходим от макромира, тем наши представления становятся более скудными. Например, мы слабо знаем микро- и мегамиры и очень плохо ориентируемся в свойствах нано- и гигамиров. Об остальных уровнях мироздания говорить уже не приходится. Поэтому для построения соответствующих рядов у нас просто нет достаточного количества изученных форм явлений. Лишь в отдельных частных случаях мы располагаем более или менее обширными сведениями. Например, в микромире нам известен даже целый эволюционный ряд для атомов, каковым служит Периодическая таблица элементов Д.И. Менделеева. В макромире имеются система классификации растительного и животного мира Линнея, классификация и эволюционные представления Ламарка, теория эволюции Дарвина и т.д. – все это может быть привлечено для построения соответствующих рядов. Существуют также многие другие попытки классифицировать всевозможные объекты и явления природы на разных уровнях мироздания, они тоже окажутся полезными для наших целей.

Естественно, может возникнуть вопрос: для чего нужны были все эти долгие рассуждения, если в конце концов мы не в состоянии ими воспользоваться. Ответ может быть только один – очень нужны: они позволили обрисовать общую картину мироздания и предложить некоторые конкретные пути ее широкоохватного изучения.

Но самое главное заключается в другом. С помощью изложенного подхода удается на строгой основе построить здание общего метода дедукции (2) и, таким образом, завершить формулировку новой термодинамики реальных процессов (ТРП) с ее семью началами и прочим необходимым аппаратом исследования – именно это является нашей первоочередной задачей. ТРП позволит в дальнейшем накопить необходимые систематические знания о свойствах различных конкретных форм явлений, рассортировать их с помощью какой-либо особой теории информации (например, критериев N ), с помощью ОТС или изложенным выше приближенным способом, включающим метод последовательных приближений, и подойти, таким образом, к решению интересующих нас вопросов эволюции.

Специфика обсуждаемой проблемы заключается в том, что для завершения общего метода дедукции и формулировки новой ТРП вовсе не надо знать законы эволюции на различных уровнях мироздания. Достаточно лишь располагать такими крайними понятиями, как Вселенная и элементарное явление, и знать результаты начального шага метода синтеза (начального шага эволюции), соответствующие конечному шагу метода анализа. А эти знания являются весьма строгими, следовательно, и построенные на их основе выводы тоже должны быть вполне строгими.

Однако при изложении термодинамики реальных процессов (точнее, ОТ) я все же не удержусь от соблазна и попытаюсь изобразить, хотя бы отрывочно, в меру того, что мы знаем о различных формах явлений, один из эволюционных рядов на уровне макромира, который нам известен лучше других. Очевидно, что макромир, как он существует в данный момент, есть результат определенно направленного развития природы в целом. В этом общем эволюционном потоке целесообразно на макроуровне выделить для изучения некую стремнину, или главный макроряд. Под главным рядом я буду понимать эволюционную цепочку, в состав которой входит человеческое общество. В процессе эволюционного развития человек постепенно захватывает континенты, моря и Землю в целом. Он начинает по произволу вмешиваться в эволюцию всей остальной природы, а следовательно, и самого себя. Человек становится необходимой составной частью так называемой пневматосферы, или сферы разума, по П.А. Флоренскому. Все это оправдывает сделанный выбор главного эволюционного ряда и одновременно возлагает на человека повышенную ответственность за себя и природу. Овладение законами эволюции главного ряда дало бы возможность делать важные прогнозы на будущее.

Здесь, естественно, напрашивается еще один каверзный вопрос: а как ко всему этому в реальных условиях относится сама природа, следует ли она неукоснительно тому пути, вехи которого намечают обсуждаемые эволюционные ряды. Это – трудный вопрос. На него нелегко ответить даже в простейшем частном случае Периодической системы Д.И. Менделеева, которая определяет набор возможных усложняющихся элементов, но из нее вовсе не следует обязательность последовательного перехода атомов в направлении от водорода к урану или наоборот. В более сложных случаях приходится также принимать во внимание, что на некотором этапе развития разум начинает диктовать природе и самому себе определенные цели и задачи этого развития. Более того, Землю нельзя отрывать от Космоса, вследствие чего благодаря всеобщей связи явлений эволюция неизбежно испытывает на себе его воздействие, а скорее всего, и управление. Все это крайне усложняет проблему. Но как бы там ни было, систематизация существующих знаний в виде соответствующих эволюционных рядов всегда оказывает плодотворное воздействие на науку – помогает лучше осмыслить общую картину, классифицировать научные дисциплины, находить рациональные пути решения различных конкретных задач и т.д. Примерами могут служить та же Периодическая система Д.И. Менделеева, классификации Линнея и Ламарка и т.д. [ТРП, стр.60-64].

7. Перечень форм главного макроряда.

Попытаемся теперь в первом приближении составить предварительный список усложняющихся явлений главного эволюционного макроряда. Последующее изучение этого ряда методами ОТ позволит установить многие интереснейшие свойства входящих в него форм, это, в свою очередь, должно способствовать уточнению самого ряда – так будет выглядеть метод последовательных приближений.

При составлении списка, вообще говоря, явления можно характеризовать по разным признакам. Например, в основу характеристики можно положить форму явления в целом, определяемую критерием N7 . Можно также воспользоваться мерами одного только вещества N3 или одного только поведения N6 либо экстенсором N1 , ибо все они однозначно связаны между собой основным уравнением. Однако эти критерии нам не известны.

На практике явление чаще всего выступает перед нами как черный ящик, мы заставляем его каким-то образом функционировать, и по его поведению либо только по отрывкам этого поведения пытаемся судить обо всем остальном. По этому пути мы и пойдем. В начале придется пользоваться известными сведениями о явлениях. Потом будет добавлено то, что дает ОТ, - это должно способствовать уточнению местоположения явлений в ряду. При наименовании форм учитываются известные устоявшиеся названия, указывающие на определенные характерные признаки явлений.

Сортировке форм явлений очень помогают правила своеобразия и вхождения. Но при этом важно знать из опыта специфические законы, управляющие рассматриваемыми явлениями. Поиск специфических законов сильно облегчается благодаря существованию разномасштабных рядов и вариаций одноименных форм явлений данного вида. Сопоставление одноименных явлений на различных уровнях мироздания и в пределах одного уровня позволяет в каждом конкретном случае выделить главное, общее, отбросить второстепенное и таким образом вывить искомый специфический закон.

К сожалению, однако, пока необходимые специфические законы достаточно хорошо изучены только для нескольких наиболее простых начальных форм. Поэтому последующие более сложные формы могут быть включены в классификацию лишь предположительно. Несомненно, между ними имеются пробелы. Эти пробелы будут заполняться по мере накопления конкретных знаний. Сама классификация позволит более целенаправленно вести поиск новых форм явлений и отвечающих им новых специфических законов.

Разумеется, ограничение одним главным макрорядом сильно сужает общую теоретическую картину мироздания, однако это не может служить поводом для разочарований. Мы убедимся, что изучение свойств главных объектов на уровне макромира вполне хватает, чтобы установить потребный минимум законов, необходимых для завершения ОТ в ее принципиальных чертах. Этот минимум выясняется при обсуждении уже первого (начального) шага эволюционного развития явлений.

Составление макроскопического участка главного эволюционного ряда мы начнем с синтеза наипростейшего явления на уровне макромира. Это можно сделать с помощью элементарного явления (19) и (19’), представляющего собой как бы кирпичик первоматерии, или первовещества. Из таких элементарных первокирпичиков можно построить любое наипростейшее явление применительно к любому из количественных уровней мироздания. В самом простом случае для этого необходимо взять лишь достаточное количество первокирпичиков, однако этот вопрос нуждается в дополнительных пояснениях.

Ранее мы условились рассматривать лишь хорошо известные сейчас количественные уровни мироздания. В перечне (20) макромиру предшествуют микро- и наномиры (о более тонких мирах речь пойдет впереди), следовательно, на них также существуют свои наипростейшие формы явлений, причем наипростейшие явление микромира должно служить исходным материалом для построения наипростейшего явления применительно к макромиру, а первое может иметь в своей основе наипростейшие явление наномира, ибо последний более тонок, чем микромир, как микромир более тонок, чем макромир. Является ли наномир наитончайшим и наипростейшим из всех возможных, то есть служат ли первокирпичики наномира истинными элементарными явлениями, - этого мы не знаем; нам не известны также сами первокирпичики наномира. Поэтому мы вынуждены не только ограничиться перечисленными уровнями, но и для дальнейшего продвижения вперед обратиться к имеющимся на сегодняшний день в нашем распоряжении опытным фактам.

На уровне микромира опыт четко фиксирует наличие наипростейших явлений в виде порцийквантов (слово «квант» я употребляю только в указанном здесь смысле) различных веществ: электрического, теплового и т.д. [18, 21]. Эти наипростейшие явления микромира в совокупности образуют наипростейшее явление макромира, именуемое абсолютным вакуумом, или пареном (см. гл. V, XVII). Парен, в свою очередь, служит тем исходным строительным материалом, из которого могут быть синтезированы все остальные формы явлений главного макроряда. таким образом, опытного знания наипростейших явлений микромира оказалось вполне достаточно для наших целей, ибо это позволяет разорвать разномасштабный ряд наипростейших явлений и отсечь от него более тонкие уровни.

Что касается наномира, то не зная образующих его первокирпичиков, а также состава и структуры квантов, мы не можем уверенно судить о закономерностях перехода одних в другие. Не исключено, что здесь кроются какие-либо усложняющие проблему обстоятельства, но это может выясниться лишь в ходе последующего изучения явлений методами ОТ. Однако все это для нас несущественно, коль скоро нам удалось успешно вклиниться в разномасштабный ряд наипростейших явлений на уровне микромира.

После всех предварительных замечаний приведем цепочку усложняющихся форм явлений главного макроряда. Первые две формы дадут возможность завершить общий метод дедукции (2), остальные будут кратко рассмотрены в ходе последующего изложения ОТ.

Следует заметить, что приводимый здесь ряд не есть самое первое приближеение. Он уже обсуждался в работах [18, с.438; 21, с.21] и подвергся с тех пор некоторым изменениям. Уточненный ряд выглядит следующим образом.

1. Наипростейшее макроявление, или абсолютный вакуум, или парен.

2. Ансамбль простых явлений, или макротело.

3. Взаимодействие тел.

4. Термодинамическая пара, или принцип самофункционирования.

...

5. Самоорганизующееся явление.

...

6. Биологическое явление, или жизнь.

...

7. Общество.

...

8. Цивилизация.

...

9. Совокупность земных цивилизаций, или глобальное экологическое явление,

или принцип самоуничтожения.

...

Этот перечень форм далеко не исчерпывает главного эволюционного макроряда. В нем имеются известные пробелы, особенно во второй его половине, они обозначены точками. Только четыре первых явления сформулированы более или менее удовлетворительно. Смысл многих явлений понятен из самих наименований. С разной степенью подробности они рассматриваются ниже, кратко о них можно сказать следующее.

Абсолютный вакуум, или парен, состоит из большого числа наипростейших микроявлений в виде порций веществ, или квантов; он соответствует абсолютному покою, или абсолютной смерти. Свойства парена разбираются в гл. V и XVII.

Ансамбль простых явлений, или тело, тоже состоит из множества порций (квантов) различных веществ, но теперь эти кванты находятся между собой во взаимодействиях, что в корне изменяет всю картину (см. гл. VI-XXIV). У этой формы явления вещество уже имеет структуру, количество и качество поведения, не равные нулю, - это первый знаменательный шаг становления жизни, пока еще очень примитивной. На уровне микромира ансамблю представляет собой так называемую элементарную частицу материи, атом или молекулу, а на уровне макромира – обычное тело, например камень или кусок железа.

Взаимодействие тел сводится к взаимодействию ансамблей макроскопических размеров. Число специфических законов калейдоскопически возрастает. Помимо всеобщих законов, или начал, эта форма явления содержит также любопытнейший принцип, который в кибернетике именуется управлением с прямой связью, в химии – принципом Ле Шателье и имеет также хождение под названием принципа адаптации. Явление рассматривается в самых различных дисциплинах, некоторые его аспекты обсуждаются в гл. XXV.

Термодинамическая пара включает в себя обширный класс явлений, эффектов и законов, включая кибернетический закон управления с обратной связью, имеющих важное теоретическое и практическое значение и играющих существенную роль в живых организмах. Обобщенное понятие термодинамической пары было впервые сформулировано в рамках ОТ. Более того, сама общая теория в известной мере разрабатывалась параллельно с изучением свойств пары, ибо никакая другая теория не в состоянии объяснить наблюдаемых в паре закономерностей. Этому вопросу была даже посвящена специальная монография [21]. Самый важный специфический закон термодинамической пары состоит в ее скачкообразно возникающей способности вечно самофункционировать, будучи абсолютно изолированной от окружающей среды. В этом заключается второй кардинальнейший шаг становления жизни в ходе эволюционного развития явлений природы – это ее фундамент. Закон самофункционирования есть последний из специфических законов, которые четко прослеживаются в обсуждаемом эволюционном ряду усложняющихся явлений (см. гл. XXV). Все остальные формы ряда тоже являются самофункционирующими.

Явление самоорганизации вещества и его поведения представляет собой следующее важнейшее звено в формировании живого организма. Специфических законов самоорганизации, как и жизни (биологическое явление), мы пока не знаем (см. гл. XXV, XXVI).

Определенная совокупность одноименных биологических объектов составляет общество. В частном случае говорят о человеческом обществе. Совокупность одноименных обществ на Земле представляет собой цивилизацию. Следует различать цивилизации людей, насекомых, дельфинов, приматов, птиц, рыб, растений и т.д. Все цивилизации Земли, вместе взятые, образуют сложную экологическую систему, специфические законы функционирования которой нам не известны. Знание этих законов крайне необходимо для сохранения указанной системы в равновесии. В этот период в эволюцию начинает вмешиваться развившийся разум. У совокупной цивилизации планеты впервые зарождается такое важное специфическое, крайне любопытное и вместе с тем роковое, можно даже сказать, апокалипсическое свойство, как способность к глобальному самоуничтожению. Дальнейшее развитие жизни возможно лишь только в том случае, если могущество разума уравновешивается спасительной мудростью [63].

Приведенная классификация удовлетворяет правилам своеобразия и вхождения: каждое данное явление подчиняется своим вполне определенным специфическим законам и включает в себя все более простые явления (об этом еще речь впереди). Самым простым явлением, входящим во все остальные, служит наипростейшее макроявление. Здесь уместно также добавить, что затронутая проблема эволюции далеко не решается во всей ее полноте приведенным макрорядом, ибо при такой постановке вопроса не принимается во внимание корректирующая роль упомянутого выше космического фактора (о нем будет сказано далее применительно к хрональному явлению). Вместе с тем обсуждаемый макроряд весьма полезен, так как позволяет систематизировать имеющиеся знания.

Приступим теперь к последовательной расшифровке свойств усложняющихся форм явлений главного макроряда. Параллельно будет формироваться аппарат термодинамики реальных процессов (общей теории) [ТРП, стр.64-69].

Глава V. Наипростейшее макроявление.

1. Парен.

Наипростейшее макроявление представляет собой отправную точку эволюции природы на уровне макромира. При определении свойств этой формы придется начать с выяснения некоторых особенностей разномасштабного ряда наипростейших явлений. Очевидно, что самым простым из них служит элементарное (19) и (19'). Но мы не знаем, к какому из уровней мироздания оно фактически относится. Например, оно может быть более тонким, чем наномир, либо принадлежать самому наномиру. В обоих случаях порции (кванты) вещества на уровне микромира могут иметь сложное строение и состоять из большого множества элементарных порций. Однако пока мы не имеем достоверных сведений о составе и структуре квантов. Более того, мы не знаем даже самих некоторых квантов. Поэтому с целью дальнейшего продвижения вперед нам остается только одна возможность: на первых порах принять, что наипростейшими служат микропорции вещества (кванты), а вопрос об их составе и структуре оставить открытым до лучших времен, когда будет накоплено достаточное количество соответствующих опытных фактов. При этом остается открытым и вопрос о составе и структуре нановещества.

Таким образом, в основу дальнейших рассуждений мы кладем, как уже говорилось, разорванный на уровне микромира разномасштабный эволюционный ряд наипростейших явлений, то есть кванты вещества мы условно рассматриваем как некие элементарные бесструктурные образования. Если в ходе дальнейших исследований у квантов не удастся обнаружить сложного строения, то тем самым будет подтверждена справедливость этого предположения, останется лишь решить вопрос о нановеществе. Но если даже будет обнаружен сложный состав квантов, то и в этом случае теория не утратит свою силу, став частным случаем более общих представлений. Например, аналогичный частный случай являет собой механика Ньютона по отношению к ОТ.

Приняв все эти допущения, мы вполне можем отнести уравнения (19) и (19') к наипростейшему микроявлению. Тем более что в разномасштабном ряду максимальным сходством обладают именно начальные одноименные (наипростейшие) его формы, принадлежащие различным количественным уровням мироздания, включая интересующие нас микро- и макромиры (см. параграф 5 гл. IV). Поэтому для перехода от микро- к макромиру достаточно взять большое число j порций вещества n. Совокупность из j квантов образует тело макроскопических размеров, следовательно, уравнение этого тела

N1 = jn ; N2 = 0 ; N4 = 0 ; N5 = 0 ; N = 0 . (25)

Кроме экстенсора, все остальные характеристики наипростейшего макроявления, как и наипростейшего микроявления, равны нулю. Поскольку природа располагает веществами различного сорта, постольку в общем случае для определения экстенсора надо соответственно просуммировать все кванты по всем сортам.

Как видим, синтез наипростейшего макроявления из наипростейшего микроявления заключается в простом суммировании квантов. Следовательно, он вполне отвечает принципу минимальности эволюционного шага, ибо более простое макроявление синтезировать невозможно. Специфический закон наипростейшего макроявления, определяемого уравнением (25), как и специфический закон наипростейшего микроявления, определяемого уравнениями (19) и (19'), состоит в отсутствии у вещества структуры, поведения и взаимодействия. Такими специфическими свойствами не обладает никакое другое явление макроскопического эволюционного ряда. Этим удовлетворяется принцип своеобразия. Согласно принципу вхождения, наипростейшее макроявление должно входить в состав всех остальных явлений ряда (в этом мы еще будем иметь возможность убедиться). Кстати, из уравнений для макромира в частном случае получаются уравнения для микромира, если положить j = 1.

Условимся об особом наименовании для наипростейшего макроявления. В работах [20, с.275; 21, с.22] оно было названо пареном. По-латински paren - рождающий, производящий на свет, создающий, добывающий, приобретающий и т.п. Мы будем пользоваться этим термином, мотивы его принятия выяснятся в ходе дальнейшего изложения [ТРП, стр.70-71].

2. Абсолютный покой и ненаблюдаемость парена.

Начальные сведения о сущности парена можно приобрести, если углубиться в анализ уравнения (25) совместно с уравнениями (19) и (19'). Эти уравнения говорят о том, что парен представляет собой совокупность большого множества порций вещества, которые никак между собой не связаны - об этом свидетельствует отсутствие взаимодействия (N7B = 0) - и поэтому не могут образовать какую бы то ни было структуру (N2 = 0).

Согласно соотношению N6 = 0, у вещества в состоянии парена не имеется никакого поведения. Отсутствие поведения есть необходимый и достаточный признак того, что вещество пребывает в покое. Состояние вещества с нулевыми количествами и качествами поведения и взаимодействия условимся именовать абсолютным покоем. Вывод о существовании в природе вещества, находящегося в состоянии абсолютного покоя, - это чрезвычайно важный вывод, имеющий фундаментальное теоретическое и практическое значение. Этот вывод интересен также и в философском плане. Очевидно, что вещество в состоянии абсолютного покоя представляет собой абсолютно неживую материю, олицетворяет собой абсолютную смерть.

Вещество без поведения и взаимодействия никак себя не проявляет. Это значит, что его практически невозможно непосредственно обнаружить ни органами чувств, ни приборами, например, его нельзя увидеть, услышать, измерить и т.д. Именно благодаря отсутствию какого-либо взаимодействия парен не может подействовать на себе подобные и другие вещества, включая органы чувств, приборы и т.д.

Принципиальная ненаблюдаемость парена - это исключительно важное свойство вещества в состоянии абсолютного покоя. Ненаблюдаемость такого рода не следует смешивать, например, с ненаблюдаемостью, вызванной малыми размерами объекта и плохой вооруженностью глаз или недостаточной чувствительностью прибора. Однако о наличии в природе парена можно очень хорошо судить по определенным косвенным признакам [ТРП, стр.71-72].

3. Неисчерпаемый источник вещества.

Один из важнейших косвенных признаков, подтверждающих факт существования парена, заключается в следующем. Парен представляет собой ненаблюдаемое вещество без поведения. Но если ухитриться каким-нибудь способом сообщить этому веществу некоторое количество поведения (N4  0), тогда оно приобретет способность как-то себя проявлять и его уже можно будет наблюдать, ибо оно начнет взаимодействовать (N7В  0) с окружающими телами, например с измерительными приборами.

Если, забегая вперед, сказать, что парен есть не что иное, как абсолютный вакуум (см. гл. XVII), тогда становится понятным физический смысл известных опытов, в которых из вакуума получаются различного рода элементарные частицы материи. Следовательно, факт перехода вещества из ненаблюдаемого состояния в наблюдаемое, подтверждаемый экспериментами, - это и есть тот косвенный признак, по которому можно судить о существовании в природе парена. Этот признак дает основание рассматривать парен как источник вещества в указанном выше смысле.

Отсюда должно быть ясно, сколь принципиально важное значение приобретает вывод-прогноз ОТ о способности парена служить источником вещества. Ведь космическое пространство располагает неограниченными запасами вакуума. Следовательно, парен - это неисчерпаемый источник вещества.

Необходимо отметить, что парен играет исключительно важную роль в природе, поэтому его изучению следует уделить максимум внимания. Например, кроме перечисленных парен обладает еще очень многими другими интереснейшими свойствами, однако вывести их из уравнений (19), (19') и (25) не представляется возможным. Для этого надо обратиться к уравнениям, описывающим более сложные формы явлений, тогда из этих более сложных форм свойства парена будут вытекать в качестве простого частного случая. При этом как нельзя нагляднее проявляется разница, существующая между методами индукции и дедукции. Метод индукции здесь практически бессилен. Вместе с тем задача решается очень просто и точно методом дедукции - путем рассуждений от сложного к простому (см. гл. XVII) [ТРП, стр.72-73].

Глава VI. Ансамбль простых явлений.

1. Общее уравнение ансамбля.

Мы подошли к самому ответственному моменту в рассуждениях - нам предстоит сделать первый и наиболее важный шаг в направлении синтеза сложных форм явлений из простых на макроскопическом уровне в соответствии с эволюционным рядом (24). Ранее наипростейшее микроявление послужило основой для синтеза наипростейшего макроявления, или парена (см. уравнение (25)). Теперь, взяв за отправную точку эволюции парен, мы должны получить новое более сложное явление, которое именуется ансамблемпростых явлений, или телом. При этом должны быть соблюдены принципы минимальности эволюционного шага, своеобразия и вхождения. Для нового макроявления (макроансамбля) надлежит найти все существенные характеристики и связывающие их функции, то есть законы. Эти законы должны вытекать как частный случай из основного уравнения (14) и, в свою очередь, при определенных условиях давать частное уравнение (25).

Первый шаг эволюционного развития природы всегда должен заключаться в переходе от наипростейшего явления к более сложному, и этот изначальный шаг эволюции должен быть единственным для всех рядов данного количественного уровня мироздания и всех более грубых миров. Отсюда вытекает предельная универсальность первого эволюционного шага и отвечающих ему законов. Следовательно, найденные для начального, или главного, шага законы (главные законы, или начала) должны быть справедливы для всех рядов на этом количественном уровне. А если в ходе дальнейшего развития науки не будет обнаружено каких-либо осложнений, связанных со структурой микропорций (квантов) вещества, тогда начала будут справедливы для всех количественных уровней мироздания и всех рядов на них. Осложнения быстрее всего проявят себя в виде аномалий (противоречий) в том случае, если с самого начала исходить из универсальной применимости начал ко всем количественным уровням мироздания и всем эволюционным рядам.

Универсальность (единственность) первого шага эволюции интересна в том отношении, что ошибиться при его формулировке и количественном определении практически невозможно. Однако по мере усложнения форм явлений картина существенно изменяется. Каждый новый шаг в ходе синтеза связан с резким возрастанием количества возможных рядов, форм явлений и отвечающих им специфических законов. Одновременно растет и вероятность ошибки при выборе из их числа очередного нужного звена главного эволюционного ряда. Отсюда и многоточия в ряду (24).

Очевидно, что при синтезе интересующего нас нового явления - ансамбля простых явлений - мы уже не можем воспользоваться прежним приемом усложнения экстенсора путем простого суммирования наипростейших элементов: этот путь не в силах вывести нас за пределы уже известного наипростейшего разномасштабного ряда. Поэтому у нас остается только единственная возможность - наделить вещество искомого явления определенным количеством поведения N4. Это вдохнет душу в вещество парена, и возникший новый ансамбль в буквальном смысле оживет - у него появятся структура, поведение, взаимодействие, он начнет функционировать, развиваться, то есть превратится в живой ансамбль простых явлений.

Количественно оценить это волшебное превращение можно, если всем главным характеристикам явления, непосредственно следующего за наипростейшим, присвоить некие конечные числовые значения, но величина их нам пока не известна. Поэтому на данном этапе рассуждений мы вправе лишь написать следующие неравенства:

N1 0 ; N2 0 ; N4 0 ; N5 0 ; (26)

N 0 ; N2B 0 ; N4B 0 ; N5B 0

Таков общий вид уравнения ансамбля простых явлений. Связь между входящими в него характеристиками, как всегда, определяется основным уравнением (14).

Ансамбль простых явлений, как и парен, состоит из большого множества микропорций вещества (квантов). Но если в парене все кванты мертвы, пассивны, никак между собой не связаны, то в ансамбле, наоборот, они оживают, активно взаимодействуют между собой и в результате образуют некое тело. В микромире это может быть элементарная частица материи, атом или молекула, в макромире - одно из привычных нам тел, например воздух, вода или кусок железа. Пассивныеразрозненные кванты парена, определяемые уравнениями (19), (19') и (25), мы назвали наипростейшимиявлениями. В отличие от этого те же, но активные, взаимодействующие кванты ансамбля, определяемые уравнением (26), мы будем именовать простымиявлениями.

Неравенства (26) несколько напоминают соотношения (16) и (25) для Вселенной и парена. Очевидно, что явление (26) располагается где-то между ними. Ничего более определенного о свойствах интересующего нас явления сказать невозможно. Чтобы это сделать, надо нули заменить соответствующими конкретными значениями характеристик и таким образом неравенства (26) превратить в равенства.

Избавиться от нулей в соотношениях (26) практически нельзя, если предварительно не выяснить физическую сущность величин, скрывающихся за этими нулями. Подобная же проблема возникла ранее при попытках определить конкретные свойства парена. Теперь уклониться от решения этой проблемы уже невозможно.

Так перед нами встает новый чрезвычайно важный и сложный вопрос о физическом смысле главных количественных мер, которые входят в основное уравнение (14) применительно к частному случаю (26), то есть вопрос о выборе этих мер и способах их числового выражения. Чтобы правильно ответить на этот вопрос, надо прежде всего четко и ясно сказать, что вообще следует понимать под числовым выражением количественных мер.

Анализ показывает, что при числовом выражении мер надо различать два основных аспекта. Первый аспект касается обобщеннойчисловой оценки введенных понятий. На обязанности обобщенного подхода, вообще говоря, лежит решение следующей задачи: необходимо уметь найти в самых различных, не похожих друг на друга явлениях нечто общее, что объединяло бы эти явления. Иными словами, обобщенный подход призван находить общее в частном.

При обобщенном определении количественных мер требуется оперировать числами, имеющими либо нулевые, либо какие-нибудь другие одинаковыеразмерности. Благодаря этому найденные числа допустимо сопоставлять между собой, а также суммировать. Обобщенная оценка предназначена для сравнения всевозможных свойств в пределах одного понятия, разных понятий, а также явлений неодинаковой физической природы. Она особенно необходима при попытках количественного осмысливания процессов эволюции.

Второй аспект связан с определением конкретныхчастных свойств различных явлений. Обязанность конкретного подхода, вообще говоря, заключается в том, чтобы находить в явлениях те специфические черты, которые делают эти явления непохожими друг на друга, то есть конкретный подход больше интересуется тем, что разделяет явления, а не тем, что их объединяет: он призван находить частное в общем.

При конкретном определении количественных мер непосредственно сопоставлять все частные свойства различных явлений уже не представляется возможным, так как мы вынуждены иметь дело с числами, которые обладают неодинаковыми размерностями. Например, мы не можем сравнить число, выражающее массу, с числом, выражающим электрический заряд, поскольку результаты этого сравнения будут зависеть от произвольно выбираемых единиц измерений. Но такой конкретный подход очень важен для практических целей, ибо он позволяет легко выполнять необходимые инженерные расчеты. На него опирается все современное естествознание, поэтому он не нуждается в дополнительных комментариях. Именно конкретный подход вызвал к жизни и узаконил существующее разделение научных дисциплин и явился причиной их независимого развития в течение многих веков. Разобщенность и отсутствие преемственности и связи между различными отраслями знаний, порожденные конкретным подходом, нашли предельно четкое отражение в широко известных классификациях наук и научных дисциплин.

Обобщенный подход в настоящее время достаточно широко представлен в различных вариантах общей теории систем (ОТС). Общая теория (ОТ) тоже позволяет, но на несколько иной основе наметить определенные пути решения этой задачи. В фундаменте обобщенного подхода ОТ, оперирующего количественными мерами нулевой размерности, лежит специально созданная для этих целей энергетическая теория информации, подчиняющаяся тем же единым законам, что и остальная природа [5]. С ее помощью можно пытаться количественно оценить эволюционный процесс. Кратко эта теория излагается в гл. XXVIII.

Очевидно, что самой универсальной и плодотворной должна оказаться теория, которая сочетает в себе оба подхода одновременно, ибо в ней они органически дополняют друг друга. Конкретное рассмотрение задачи позволяет детально расшифровать физический механизм изучаемого явления и, таким образом, дать ему наилучшую обобщенную числовую оценку. Знание обобщенных характеристик, в свою очередь, дает возможность рационально выбрать метод и расчетный аппарат конкретного числового выражения различных частных особенностей этого явления. Сама природа велит встать именно на такой универсальный путь сочетания обоих подходов, поскольку мир едини подчиняется единым законам, вместе с тем он бесконечно разнообразен благодаря наличию неисчерпаемого множества неповторимых конкретных явлений. Картина никогда не будет полной, если ограничиться только одним каким-либо подходом.

Основное содержание ОТ составляет специфический универсальный метод, одновременно сочетающий в себе обобщенный подход, который оперирует количественными мерами одинаковой размерности, и конкретный подход, оперирующий величинами неодинаковой размерности, но которые либо прямо соответствуют, либо в определенной комбинации приводятся к размерностям обобщенного подхода. Благодаря такой постановке вопроса идея единства природы и ее законов получает конкретное количественное выражение, в равной степени справедливое для самых различных дисциплин, которые ранее рассматривались независимо друг от друга. Здесь уместно подчеркнуть принципиальную разницу, существующую между ОТ (и ОТС) и известной теорией подобия (и размерностей). Первые пекутся главным образом о выявлении наиболее общих, глубинных законов природы, а вторые занимаются в основном формальным обобщенным представлением имеющихся закономерностей.

Вернемся теперь к решению вставшей перед нами задачи о расшифровке конкретного физического смысла величин, количественные меры которых содержатся в соотношениях (26). Начнем с выбора самой важной из количественных мер - экстенсора, ибо все остальные меры являются его функциями (см. уравнения (14) и (15)) [ТРП, стр.74-78].

2. Мера количества вещества, или экстенсор.

При выборе экстенсора мы должны руководствоваться принципом минимальности, а также правилами своеобразия и вхождения. Согласно принципу минимальности, изменения экстенсора на уровне макромира должны отвечать начальному, наипростейшему из всех возможных эволюционному шагу. Только при этом условии мы не рискуем, паче чаяния, перескочить от наипростейшего макроявления сразу через несколько ступеней лестницы эволюции. Чтобы успешно справиться с решением поставленной задачи, предоставим слово конкретному подходу, истоками которого служит повседневный опыт.

К сожалению, мы пока не располагаем достаточно простыми, надежными и универсальными приборами, которые позволили бы сообщить парену нужное количество поведения, с тем чтобы ненаблюдаемая наипростейшая форма вещества превратилась в наблюдаемую, уже более сложную, и мы смогли бы четко определить все ее характеристики, включая экстенсор, а также детально изучить сам процесс превращения. Думаю, что со временем необходимые приборы будут созданы и мы сможем синтезировать отдельные сложные формы эволюционирующего вещества, вплоть до живых людей-роботов, из более простых, в том числе из парена. Но сейчас, не имея возможности непосредственно вызвать из парена интересующую нас форму вещества, мы вынуждены довольствоваться пассивным наблюдением того, что было вызвано ранее без нашего участия.

Иными словами, нам необходимо присмотреться к окружающим явлениям и выбрать из них такое, которое, по нашему мнению, отличалось бы наибольшей простотой и неделимостью. Именно это самое простое явление из числа наблюдаемых должно удовлетворять принципу минимальности, то есть содержать нужную нам форму вещества, мера количества которой (простой экстенсор) определяет вторую стадию (ступень) эволюции.

Не следует, однако, думать, что при таком пассивном выборе экстенсора мы легко можем впасть в ошибку. Отнюдь нет. Сделанная ошибка очень скоро себя обнаружит при дальнейшем использовании неудачно выбранного экстенсора. Но обо всем этом речь впереди.

Внимательное наблюдение окружающего мира позволяет сделать интереснейшие выводы. Оказывается, что наибольшей простотой и неделимостью обладают не одно, а много различных по своей физической сущности явлений. Следовательно, в природе имеются различные формы простого вещества и сопряженные с ними различные формы его поведения. Эта множественность одноименных форм явлений нашла свое отражение в классификации гл. IV, она же служит одной из исходных причин наблюдаемого в природе изоморфизма (аналогичности).

Каждая простая форма явления отличается от всех остальных физическим смыслом и размерностью определяющих ее характеристик. Отсюда понятно, почему в рассматриваемых условиях особо важную роль приобретает конкретный подход. Без него пассивный выбор экстенсоров был бы крайне затруднен. Конкретный подход позволяет для каждого простого явления найти свою особую форму вещества и выразить количество этого вещества с помощью своего особого экстенсора.

Среди бесконечного набора разнообразных наблюдаемых форм явлений природы обращают на себя внимание семь следующих, самых простых: хрональное (связано со временем), метрическое (связано с пространством), вращательное, колебательное, тепловое, электрическое и магнитное; сейчас мое внимание привлекли проявления еще одного, восьмого, СД-явления, обладающего специфическим биологическим действием. Некоторые из этих явлений были известны давно, другие получили в ОТ новое толкование, наконец, третьи впервые обнаружены методами и в рамках ОТ. Все они обеспечены своими специфическими веществами, поэтому суть истиннопростые явления.

Здесь я не упомянул большую группу других явлений, таких, как химическое, фазовое, диффузионное, гидродинамическое и т.д. В термодинамике эти явления принято считать простыми, однако у них нет своих родных специфических веществ, следовательно, они суть не истинно, а условнопростые (см. гл. XIV).

Общее число истинно простых разнородных форм явлений, существующих во Вселенной, нам не известно, и мы его никогда не сможем определить. Однако этот вопрос должен волновать скорее философа, чем инженера. По мере развития наших знаний это число может увеличиваться. Но сейчас для нас важно только то, что количество истинно простых явлений и определяющих их экстенсоров превышает единицу. Подробные сведения обо всех перечисленных истинно простых явлениях приводятся ниже, в частности в гл. XV.

Чтобы конкретизировать дальнейшие рассуждения и сделать их более наглядными, я воспользуюсь, например, такими хорошо известными в термодинамике простыми явлениями, как кинетическое, механическое и электрическое. Экстенсоры для них также хорошо известны: это масса m, объем Vи электрический заряд Ψ. Далее будет показано, что кинетическое и механическое явления суть частные случаи метрического, то есть фактически они не истинно, а условно простые, однако сейчас это не существенно.

В термодинамике величины, подобные массе, объему, электрическому заряду и т.д., именуются факторами экстенсивности, или обобщенными зарядами, или координатами состояния. Латинское extensivus - расширяющий, удлиняющий, в противоположность интенсивному, означает не качественное, а лишь количественное увеличение, расширение, распространение. В работах [20, с.235; 21, с.296] для факторов экстенсивности принято сокращенное название «экстенсор». Следуя этим работам, слово «экстенсор» можно использовать при конструировании наименований для различных частных явлений. При этом новые названия получаются путем прибавления к наименованию явления окончания «ор», например кинетиор, механиор, электриор и т.д. В настоящей монографии такой способ конструирования новых производных терминов благодаря его простоте и наглядности принят в качестве основного.

В дальнейшем мы не раз будем пользоваться аналогичной эстафетой передачи различных величин, буквенных обозначений, размерностей, терминов, понятий, законов и даже целых теорий в ОТ из других известных дисциплин, когда это не входит в противоречие с принятой нами новой парадигмой. ОТ строится не на голом месте. Поэтому если какая-либо найденная новая величина окажется уже знакомой, мы не будем пренебрегать знанием тех ее свойств, которые могут потребоваться для наших рассуждений. Ведь нужные нам свойства любого конкретного понятия всегда могут быть установлены путем его соответствующего теоретического и экспериментального изучения. Поэтому такое заимствование нисколько не нарушает целостности и стройности логических рассуждений, но значительно ускоряет продвижение вперед.

Еще одно замечание. Экстенсор представляет собой меру, и только меру, количества вещества некоторого явления. Следовательно, смешивать эти два понятия - количество вещества и его меру - ни в коем случае нельзя. Однако иногда не делают различия между мерой и тем, что стоит за этой мерой. Например, когда говорят о переносе массы, то это звучит как перенос меры, что лишено смысла. Кстати, о массе. Масса есть мера количества одной из частных форм простого вещества. Поэтому отождествлять массу с материей (веществом) в целом невозможно. Столь же недопустимо отнимать у массы право служить мерой количества вещества (материи) применительно к простому кинетическому (метрическому) явлению.

Условимся простые экстенсоры обозначать буквой Е. Тогда полный экстенсор ансамбля простых явлений определится суммой

N1 = (27)

где число веществ ансамбля равно l. Каждый экстенсор Ek, включает в себя большое множество порций веществ данного сорта (по типу уравнения (25)), причем в общем случае отдельные кванты данного вещества могут различаться между собой [ТРП, стр.78-81].

3. Взаимодействия универсальное и специфические.

Следующей важнейшей характеристикой, входящей в основное уравнение ОТ (14), служит мера количества поведения N4 , которую необходимо найти применительно к явлению (26). Поскольку в данном случае речь идет об ансамбле простых явлений, постольку с целью решения поставленной задачи нам придется обратить внимание на механизм образования такого ансамбля. Очевидно, что в основе этого механизма должно лежать какое-то специфическое поведение вещества, обусловленное процессом взаимодействия между отдельными его квантами. Взаимодействие, в свою очередь, предполагает стремление различных разрозненных квантов друг к другу и их сближение посредством перемещения. В результате образуется ансамбль в виде соответствующей грозди квантов - порций веществ.

Здесь мы опять обратимся к методу эстафеты и вспомним то, что уже было известно ранее о взаимодействии. Взаимодействие - это довольно сложное понятие даже для второй, весьма простой ступени эволюции. Поэтому целесообразно взглянуть на него в историческом плане, отметив отдельные этапы становления этого понятия в целом и его конкретных элементов.

Уже в седой древности человек сталкивался со всевозможными взаимодействиями объектов природы. Пытаясь осмыслить механизм наблюдаемых взаимодействий, он постепенно пришел к пониманию силы, которая, как мы убедимся, обусловливает появление взаимодействий самого простого вида. Именно этот наипростейший вид взаимодействий был изучен с количественной стороны прежде других.

Количественно сила была определена значительно раньше, чем материя и движение, вещество и его поведение. Первоначально это было сделано в механике с позиций статики. Например, уже в трудах гениального Аристотеля (384-322 гг. до н.э.) содержатся намеки на условия равновесия рычага. Очень четко законы рычага были сформулированы Архимедом (287-212 гг. до н.э.)в виде золотого правила механики, согласно которому сила обратно пропорциональна длине рычага.

Что касается качественного, структурного, физического содержания понятия силы, то это вопрос более трудный. Например, Леонардо да Винчи (1452-1519) так сформулировал суть силы: «Силой я называю духовную способность, невидимую потенцию, которая через случайное внешнее насилие вызывается движением, помещается и вливается в тела, извлекаемые и отклоняемые от своего естественного бытия, причем она дает им активную жизнь удивительной мощности; она принуждает все созданные вещи к изменению формы и положения, стремится с яростью к желанной ей смерти и распространяется с помощью причин... Будучи принужденной, всякая вещь принуждает. Ни одна вещь не движется без нее» [53, с.51].

Впоследствии в механике было дано новое количественное определение силы, основанное на принципах динамики. Например, понятие силы как причины движения ввел Кеплер (1571-1630), но силу он измерял через скорость. Галилей (1564-1642) силу считал эквивалентной весу и измерял ее вызванным ускорением. Ньютон (1642-1727) писал: «Приложенная сила есть действие, производимое над телом, чтобы изменить его состояние покоя или равномерного прямолинейного движения... Сила проявляется единственно только в действии и по прекращении действия в теле не остается... Происхождение приложенной силы может быть различное: от удара, от давления, от центростремительной силы» [53, с.131]. Ньютон лучше других понимал разницу между количественным и качественным определениями силы. Он разъяснял, что рассматривает «эти силы не физически, а математически» [53, с.131]. Физических определений он избегал: «Причину этих свойств силы тяготения я до сих пор не мог вывести из явлений, гипотез же я не измышляю» [53, с.129].

В ходе дальнейшего развития науки помимо механических были весьма подробно исследованы также многие другие взаимодействия: электрические, магнитные, тепловые и т. д., но особого прогресса в понимании силы (и взаимодействия) не наступило. Такое положение длилось вплоть до начала нашего столетия, когда появилась квантовая механика.

Квантовая механика силу как таковую, по существу, упразднила, заменив ее взаимодействием. Под взаимодействием теперь понимается обмен соответствующими частицами, которые получили наименование виртуальных. «Виртуальные частицы существенно отличаются от обычных частиц, которые называются реальными. Их нельзя непосредственно наблюдать в эксперименте - такое наблюдение означало бы нарушение закона сохранения энергии... Однако виртуальные частицы нельзя понимать и как некие фикции... - это ... возможные (объективно возможные), еще не «родившиеся» частицы...» [81, с.81].

Всего квантовая механика допускает существование в природе только четырех видов «еще не родившихся частиц» и соответствующих им специфических взаимодействий: сильного, электромагнитного, слабого и гравитационного. С каждым из перечисленных взаимодействий часто принято сопоставлять некую специфическую силу, имеющую особую физическую природу, сопряженную с природой данной «не родившейся» частицы. Таковы вкратце современные представления о взаимодействии и силе.

Из сказанного должно быть совершенно ясно, что без существенных изменений мы не можем использовать ни одно из приведенных определений, Прежде всего необходимо принять во внимание тот факт, что природа располагает веществами различного сорта. Это значит, что должно существовать некое универсальноевзаимодействие, без которого порции веществ разного рода не смогли бы удерживаться друг подле друга, образуя ансамбль. Да и сама Вселенная без универсального взаимодействия должна была бы рассыпаться, как карточный домик, на образующие ее разносортные составляющие.

Более того, здесь уместно вспомнить, что взаимодействие призвано реализовать философскую концепцию необходимости парадигмы ОТ, то есть оно ответственно за всеобщую связь и обусловленность явлений, а значит, и за процесс их развития (эволюции). Всеобщая связь на уровне простых явлений может быть обеспечена единственным способом - с помощью универсального взаимодействия, которое объединяет все разносортные вещества Вселенной. При этом простые явления составляют фундамент мироздания. Следовательно, универсальное взаимодействие - это важнейшее, фундаментальнейшее свойство природы. Вместе с тем факт его существования отвергается современной теорией. Эксперименты, в которых с качественной и количественной стороны определяется универсальное взаимодействие, приводятся в работе [21, с.352]. Ниже (см. гл. XX) кратко излагаются некоторые результаты этих экспериментов.

Помимо универсального в природе на уровне простых явлений существует еще и целый класс других взаимодействий; непосредственный опыт говорит о том, что каждому сорту вещества присуще свое особое специфическоевзаимодействие. Например, порции электрического вещества способны притягиваться или отталкиваться в зависимости от их знака. Причем специфическое взаимодействие каждого данного рода протекает независимо от всех остальных взаимодействий. Например, не влияют друг на друга специфические кинетическое, тепловое и электрическое взаимодействия. Число таких взаимодействий равно числу простых явлений. В обычных условиях специфические взаимодействия отличаются много большей интенсивностью, чем универсальное, может быть, поэтому последнее так долго дожидалось своего часа.

Согласно парадигме ОТ, взаимодействие есть объективная реальность, за него ответственны свои особые вещество и поведение, то есть явление взаимодействия. Следовательно, на уровне простых явлений тоже должны существовать некие особые явления, вызывающие универсальное и специфические взаимодействия. Очевидно, что связующими явлениями - объектами обмена - между квантами ансамбля не могут служить сами эти кванты. По-видимому, должны иметься какие-то более тонкие структуры, в результате обмена которыми осуществляются обсуждаемые взаимодействия.

Опыт показывает, что для квантов роль более тонких структур выполняют объекты наномира. Например, специфическое взаимодействие между порциями (квантами) электрического вещества обеспечивается так называемым электростатическим полем (электрическим нанополем). Применительно к квантам пространства (мера - масса) аналогичную роль выполняет гравитационное нанополе. Что касается универсального взаимодействия, то его механизм нам пока не известен.

Таким образом, на уровне простых явлений взаимодействие между квантами вещества ансамбля сводится к обмену объектами нанополей. Здесь нам нет надобности вникать в структуру этих объектов. Для нас вполне достаточно знать только то, что нанополя реально существуют и обладают силовыми свойствами. Именно силовые свойства нанополей обеспечивают стремление квантов вещества сближаться и объединяться в ансамбли.

Отсюда можно сделать вывод, что при образовании ансамбля простых явлений универсальное и специфические взаимодействия проявляются одинаково, в форме некоего явления силовоговзаимодействия, общего для всех перечисленных взаимодействий. В этом смысле силовое взаимодействие тоже можно рассматривать как универсальное.

Следовательно, универсальное силовое взаимодействие определяет стремление порций вещества друг к другу благодаря наличию силы и взаимное сближение этих порций посредством перемещения. Очевидно, что все особенности силового поведения квантов вещества полностью исчерпываются этими двумя признаками - притяжением (или отталкиванием) и сближением (или отдалением), мерами которых служат сила и перемещение. Ничего другого в силовом взаимодействии обнаружить невозможно.

Благодаря взаимодействию отталкивания отдельные порции простого вещества стремятся рассредоточиться и равномерно распределиться в пространстве. Они как бы ищут себе партнеров по притяжению. Противоположное взаимодействие - притяжения - заставляет соседних партнеров сближаться и собираться в особые букеты - ансамбли. Именно поэтому в природе обычно нельзя наблюдать отдельных «холостых» партнеров: все они уже давно слиплись в соответствующие букеты, присоединились к близлежащим ансамблям. Я думаю, что это является одной из причин, которая в течение длительного времени затрудняла правильное угадывание физической картины мира.

У образовавшихся подобным образом ансамблей в общем случае может оказаться нескомпенсированной определенная способность притяжения или отталкивания. В результате происходит образование новых более сложных ансамблей и распад последних на менее сложные. Этот круговорот самопроизвольных превращений вечен, и причина ему одна - наличие силового взаимодействия притяжения и отталкивания. Оно обеспечивает всеобщую связь простых явлений и служит движущей причиной их эволюции. В устройстве окружающего мира природа (и ОТ) уделяет силовому взаимодействию исключительно важную роль. Фундаментальность этой роли подчеркивалась мною неоднократно, с этой целью был даже сформулирован некий всеобщий принцип притяжения и отталкивания [20, с.296; 21, с.31].

Взаимодействие притяжения и отталкивания сопровождается образованием из парена ансамбля простых явлений, или так называемой элементарной частицы материи: совершается первый шаг эволюционного развития вещества и его поведения. Согласно принципу минимальности, этот первый шаг должен заключаться в появлении у вещества самой простой наблюдаемой формы поведения из всех возможных. Очевидно, что поведение притяжения и отталкивания - это единственная наипростейшая наблюдаемая форма поведения, доступная для вещества на второй ступени эволюции. Более простую форму поведения после абсолютного покоя, то есть нулевого поведения, придумать невозможно. Поэтому надо полагать, что таким способом принцип минимальности соблюдается, причем не только для основного явления, но и для явления взаимодействия.

Одновременно для силового взаимодействия соблюдаются также правила своеобразия и вхождения. Будучи наипростейшей среди всех наблюдаемых, изначальной, специфичной для простого уровня эволюции, примитивная форма силового взаимодействия, согласно правилу вхождения, должна быть присуща также всем без исключения более сложным формам. Другими словами, от силового взаимодействия не свободны явления на любом эволюционном уровне развития, кроме парена, который проще ансамбля. Например, силовое взаимодействие проявляется не только между отдельными квантами вещества, но также и между самими элементарными частицами, атомами, молекулами, макро-, мега-, гига- и другими телами, между живыми организмами, обществами, цивилизациями и т.п.

Таким образом, на примере перехода от парена к ансамблю простых явлений нетрудно убедиться, что параллельно с развитием основного явления эволюционирует и его явление взаимодействия. Парен представляет собой совокупность разрозненных пассивных квантов вещества без структуры и поведения. Для него характерно специфическое нулевое взаимодействие. Ансамбли простых явлений - это грозди активных квантов вещества. Спецификой ансамблей служит внезапное появление силового взаимодействия.

В ходе последующей эволюции у каждой новой формы основного явления, согласно правилу своеобразия, скачкообразно возникают свои особые признаки, включая специфические взаимодействия. Но согласно правилу вхождения, каждая данная форма основного явления содержит в себе также все более простые явления совместно с их взаимодействиями, включая нулевое и силовое. Поэтому, например, живые организмы и человеческое общество способны взаимодействовать с себе подобными не только посредством силы. Причем с повышением уровня эволюционного развития основного явления растут число и роль более сложных форм явлений взаимодействия, а роль примитивных нулевого и силового соответственно снижается [ТРП, стр.81-87].

4. Универсальная мера экстенсивности силового взаимодействия,

или перемещение.

Согласно предыдущему, универсальное силовое взаимодействие отличается двумя характерными признаками - притяжением или отталкиванием и сближением или отдалением и поэтому определяется одновременно двумя количественными мерами. Одной из мер - притяжения или отталкивания - служит сила. Мерой сближения или отдаления является перемещение, или пройденный путь dx.

Из этих двух мер, с количественной стороны однозначно определяющих силовое взаимодействие, роль фактора экстенсивностииграет величина dx,измеряемая в метрах. Она представляет собой экстенсор, ибо подчиняется, например, правилу аддитивности, суммирования (см. гл. XIV) [ТРП, стр.87].

5. Универсальная мера интенсивности силового взаимодействия, или сила.

Вторая количественная мера - сила - характеризует интенсивностьуниверсального силового взаимодействия; сила измеряется в ньютонах; мы ее будем обозначать Рх . Такого рода величины в термодинамике принято именовать факторами интенсивности, или обобщенными потенциалами, или обобщенными силами. Латинское intensio - напряжение; напряженный, усиленный; в противоположность экстенсивному определяет не количественную, а качественную сторону явления. В работах [20, с.235; 21, с.296] для факторов интенсивности принято сокращенное название «интенсиал». Это слово служит ключевым, его окончание используется для образования терминов применительно к самым различным явлениям, например кинетиал, механиал, электриал и т.д.

Интересно, что вопрос о физическом содержании хорошо всем известного понятия силы с давних времен занимает умы ученых. Отголоски былых горячих споров, иногда доходивших до рукоприкладства, можно встретить в тех дискуссиях, которые не утихают до наших дней при попытках определить смысл силы инерции или центробежной силы. При этом силу-меру иногда отождествляют с той сущностью, мерой которой служит сила, то есть считают, что сила это и есть сама сущность. Другой пример неправильного понимания силы являют собой выражения типа: «сила действует», «под действием силы» и т.п. Я тоже иногда употребляю подобные слова. Однако в таких случаях надо отдавать себе ясный отчет в том, что сила-мера как таковая не способна действовать, ибо мера не вещественна. Действует только силовое вещество, и интенсивность этого действия измеряется в единицах меры-силы.

Теперь должно быть ясно, что сила есть универсальная количественная мера - и только мера! - интенсивности (качества) простого силового поведениявещества, она выполняет роль меры N5 в соотношениях (26) для ансамбля простых явлений. Это поведение заключается в притяжении и отталкивании различных форм явлений. При этом требуется четко различать силу как меру и ту материальную сущность - вещество силового взаимодействия, или нанополе, - которая стоит «за спиной» силы [ТРП, стр.87-88].

6. Универсальная мера силового взаимодействия, или работа.

Зная меры экстенсивности dxи интенсивности Рх простого силового (механического) взаимодействия, нетрудно найти комплексную характеристику, которая с количественной стороны определяла бы это взаимодействие в целом. Очевидно, что ни одна из мер в отдельности не в состоянии отразить сути, а значит, не может служить мерой этого взаимодействия. Здесь нам опять придет на помощь метод эстафеты - передачи в ОТ известных понятий.

Соответствующая комплексная характеристика была известна уже Архимеду, который сформулировал свое знаменитое золотое правило механики. Эта характеристика именуется работой, обозначается через dQxи измеряется в джоулях. Она равна произведению силы Рх(Н) на перемещение dx(м), то есть

dQx = Рхdx Дж (28)

Отсюда видно, что работа есть универсальная мера, так как обе составляющие ее меры - сила и перемещение - тоже универсальны.

Работа представляет собой количественную меру простого силового взаимодействия между ансамблем и квантами, то есть определяет количество воздействияквантов на ансамбль и наоборот. Она может быть как положительной, так и отрицательной: все зависит от направления силы - к ансамблю или от него. При этом образование ансамбля и его распад сопровождаются совершением работ прямо противоположных знаков.

Очень важно подчеркнуть, что работа совершается именно в процессе образования или распада ансамбля, то есть в процессепереноса квантов. При отсутствии перемещения квантов (dx = 0) работы нет (dQx = 0).Следовательно, в готовом и неподвижном ансамбле работа равна нулю, ибо там нет перемещения. В связи с этим уместно вспомнить следующие слова великого Ньютона: «Сила проявляется единственно только в действии и по прекращении действия в теле не остается».

Таким образом, в теле (ансамбле) нет работы, перемещения и силы. Но зато есть явление силового взаимодействия, обеспеченное соответствующим веществом, оно цементирует кванты в единое целое и одновременно берет на себя заботу о том, чтобы при распаде ансамбля вновь совершалась работа. Иными словами, благодаря этому явлению ансамбль вначале как бы аккумулирует внешние воздействия со стороны присоединяющихся квантов вещества. При распаде ансамбля, наоборот, аккумулированные воздействия вновь возвращаются квантам в виде работы противоположного знака. Необходимо с количественной стороны определить это свойство ансамбля, то есть найти соответствующую меру [ТРП, стр.88-89].

7. Мера количества поведения вещества.

Мы убедились, что ансамбль простых явлений формируется в процессе силового поведения квантов, однозначно определяемого работой взаимодействия dQх. Очевидно, что количество поведения, аккумулированного ансамблем, должно быть как-то связано с работой dQx,но как именно, мы пока сказать не можем, это выяснится лишь в ходе последующих рассуждений. Обозначим меру количества поведениявещества ансамбля через U. Эта величина соответствует характеристике N4 в основном уравнении ОТ (14) применительно к ансамблю простых явлений (26), то есть

N4 = U (29)

Таким образом, у нас есть две главные меры, входящие в уравнение (14). Согласно этому уравнению, мера N4 из равенства (29) является функцией экстенсора NI из соотношения (27). Поэтому все интересующие нас сведения о свойствах величины Uмы легко можем получить путем анализа основного уравнения, записанного через новые меры (27) и (29). Заранее можно лишь сказать, что мера U, подобно работе, перемещению и силе, должна быть в определенном смысле универсальной.

Подведем некоторые итоги. Определение физического содержания главных количественных мер, входящих в уравнение (26), мы начали с экстенсора N1, который характеризует количество вещества ансамбля. На второй ступени эволюции таких экстенсоров оказалось несколько, именно l (см. уравнение (27)). Сложнее было с определением меры количества поведения вещества. С целью выяснения смысла меры N4 пришлось рассмотреть механизм силового взаимодействия между квантами вещества в ансамбле и привлечь для этого такое понятие, как универсальная мера количества воздействия, или работа dQx ,распадающаяся на экстенсивную и интенсивную Рх составляющие. Параллельно были уточнены некоторые формулировки - в этом следует видеть главную пользу от проведенных рассуждений.

Одновременно хорошо высветилось физическое содержание ансамбля простых явлений, или так называемой элементарной частицы материи. Оказалось, что элементарная частица далеко не элементарна: она состоит из большого множества порций (квантов) веществ различного сорта, которые связаны между собой силовым взаимодействием. Этим и объясняются все известные экзотические свойства частиц, не находившие ранее объяснения. Например, данная частица в зависимости от условий может по-разному распадаться на другие частицы, которые, в свою очередь, не являются более элементарными, нежели исходная; при этом исходная частица явно не состоит из частиц, на которые распадается, и т.д. [18, с.56, 434; 19; 21, с.35, 231].

Всю эту экзотику легко понять, если элементарными считать не частицы, а порции веществ, из которых они составлены. Тогда становится ясно, что данную частицу - гроздь квантов - можно разорвать разными способами, при этом ни один из осколков не будет более элементарным, чем другие или даже частица в целом, ибо частица не состоит из осколков, которые внутри ансамбля имели бы вид самостоятельных образований, но все они - и частица и осколки - на равных основаниях построены из многих элементарных порций различных веществ [ТРП, стр.89-90].

Глава VII. Первое начало ОТ.

1. Вывод основного уравнения ОТ для ансамбля простых явлений.

Мы теперь располагаем экстенсорами Ε (см. соотношение (27)), играющими роль аргумента N1 в уравнении (14). Этого вполне достаточно, чтобы написать основное уравнение ОТ применительно к ансамблю простых явле­ний и определить все остальные величины, входящие в уравне­ния (14) и (15), в частности найти неизвестную меру N4 , обозна­ченную нами через U (см. выражение (29)). Благодаря этому мы, наконец, сформулируем наиболее общие, универсальные и достоверные количественные принципы, или начала, которые обнаруживаются на первом - начальном - этапе эволюции вещества и его поведения. Таким образом, будет замкнута цепочка дедуктивных рассуждений (2) и завершено построе­ние обещанного выше общего метода дедукции, который берет свое начало от весьма общих философских концепций и затем в ходе рассуждений опускается до уровня числового выражения свойств конкретных явлений.

Мы убедимся, что основное уравнение (14), написанное для ансамбля простых явлений, представляет собой не что иное, как первое начало ОТ. Дальнейшая расшифровка характеристик и связей, содержащихся в первом начале, приведет к формули­ровке остальных шести начал. На этом завершится построение общего метода дедукции. Разработанный таким способом аппа­рат ОТ будет использован для изучения отдельных явлений эволюционного ряда (24).

Основное уравнение ОТ применительно к ансамблю простых явлений получается из соотношений (14), (27) и (29). Имеем

U = F(E1 ; E2 ; ... ; Ei) (30)

Мера количества поведения вещества ансамбля U есть одно­значная функция всех мер Ε количества вещества; число ве­ществ различного сорта, из которых построен ансамбль, равно l . Как уже отмечалось, нам пока известно семь таких разно­родных веществ. Вида функции F мы не знаем.

Абсолютные значения многих характеристик явления обычно найти труднее, чем изменения этих характеристик. Поэтому уравнение (30) надо преобразовать таким образом, чтобы в него входили только изменения (разности) соответствующих вели­чин. Для этого достаточно продифференцировать выраже­ние (30).

В соответствии с хорошо известными правилами дифферен­цирования функции нескольких переменных полное изменение меры U (полный дифференциал dU )определяется в виде суммы произведений скорости приращения функции с аргументом на приращение этого аргумента, то есть

dU = Дж, (31)

или

dU = Дж, (32)

где Pk = (U/Ek)Ein (33)

dQk = PkdEk Дж (34)

Индекс Еin стоящий внизу скобки, говорит о том, что при диф­ференцировании все остальные экстенсоры, кроме данного, k-того,остаются постоянными (инвариантными).

Равенство (31) в аналитической форме выражает общее дифференциальное уравнение первого начала ОТ. Определен­ные совокупности найденных величин обозначены буквами Ρ и Q ; смысл этих символов, как и самого уравнения, включая его размерность, выясняется ниже.

Для большей наглядности свои рассуждения мы нередко будем иллюстрировать самыми простыми примерами, в которых ансамбль состоит всего из двух разнородных веществ, опреде­ляемых двумя экстенсорами (l = 2). При этом основные идеи ОТ сохраняют свою силу, но дифференциальные уравнения оказы­ваются наименее громоздкими.

Итак, в частном случае, когда 1 = 2, уравнения (31)-(34) приобретают вид

dU = P1dE1 + P2dE2 Дж, (35)

или

dU = dQ1 + dQ2 Дж, (36)

где P1 = (U/E1)E2 ; P2 = (U/E2)E1 (37)

dQ1 = P1dE1 ; dQ2 = P2dE2 (38)

Индекс Е2 внизу первой скобки означает, что при дифферен­цировании меры U по Е1 постоянной считается величина Е2 ;индекс Е1 у второй скобки говорит о постоянстве величины Е1 .

В еще более простом гипотетическом частном случае, если ансамбль содержит только одно вещество (l = 1), то основное дифференциальное уравнение ОТ записывается следующим образом:

dU = PdE Дж (39)

или dU = dQ Дж (40)

где P = dU/dE (41)

dQ = PdE (42)

Мы добились того, что в найденном дифференциальном уравнении первого порядка (31) отсутствует неизвестная функ­ция F .Кроме того, главные количественные меры входят в это уравнение в виде интересующих нас изменений (разностей). Теперь нам предстоит внимательно рассмотреть физический смысл самого уравнения и всех содержащихся в нем характе­ристик [ТРП, стр.91-93].

2. Виды работы.

В уравнении (31) хорошо нам известными характеристиками являются только экстенсоры Е . Но для одного частного слу­чая - силового взаимодействия - мы знаем также фактор интенсивности, или интенсиал, каковым служит сила Рх . В этом частном случае произведение интенсиала на изменение экстенсора dEx (перемещение dx)равно работе dQx ,которая изме­ряется в джоулях (см. формулу (28)). Следовательно, все остальные слагаемые правой части уравнения (31) также дол­жны представлять собой работы, измеряемые в джоулях. Этот факт отражен в уравнении, записанном в форме (32).

Интересная особенность вопроса заключается в том, что каждая из работ сопряжена со своим специфическим экстенсором, имеющим особую размерность. В любом таком конкрет­ном случае экстенсор «окрашивает» работу в свой специфи­ческий «цвет». Например, приходится различать работы кинети­ческую, механическую, электрическую и т.д. В этом смысле обсуждаемые работы можно рассматривать как специфические.

Вместе с тем любая данная работа в целом есть универсальная мера силового взаимодействия данного вещества с ансамблем, ибо измеряется в одних и тех же единицах - джоулях - и состоит из универсальной меры интенсивности силового взаимодействия, или силы, измеряемой в ньютонах, и универсальной меры экстенсивности силового взаимодействия, или перемещения, измеряемого в метрах. Это дает основание считать работу некоей универсальной мерой количества воздей­ствияна ансамбль. В термодинамике величину dQ часто именуют обобщенной работой.

Здесь мы сталкиваемся с удивительно органичным сочета­нием универсального (обобщенного) и специфического (кон­кретного), одновременно присутствующих в одном из основных понятий теории. Это хорошо перекликается с высказанной ранее идеей о целесообразности и плодотворности синтеза обобщен­ного и конкретного подходов.

Работа совершается в процессе подвода или отвода от ансамбля определенного количества вещества, мерой которого служит экстенсор dE .Этот подвод или отвод можно рассматри­вать как некое специфическое воздействие на ансамбль вещест­вом определенного сорта. Следовательно, специфической мерой количества воздействияна ансамбль является изменение экстенсора dE .

Таким образом, изменение количества вещества ансамбля, определяемое экстенсором dE , одновременно сопровождается двумя видами воздействий - специфическим и универсальным. Мерой количества специфического воздействия служит экстен­сор dE ,а мерой количества универсального - работа dQ .

Нетрудно сообразить, что специфическая мера количества воздействия на ансамбль, или величина dE , одновременно явля­ется специфической мерой экстенсивности силового взаимо­действиямежду ансамблем и квантами подводимого или отводимого вещества определенного сорта. Здесь также сталки­ваются между собой две противоположные сущности - кон­кретная и обобщенная, ибо специфическая особенность вещества накладывается на универсальное свойство перемещения: ведь обе величины - dE и dx , - будучи аргументами в основном уравнении ОТ, с равным успехом определяют одну и ту же обоб­щенную работу dQ (см. формулы (28) и (34)).

Хотя работы, определяемые выражениями (28) и (34), друг другу равны, у них имеется и существенное различие. Разуме­ется, оно касается только правых частей уравнений, ибо левые тождественны между собой. Имеющееся различие заключается в том, что работа (28) выражена через предельно универ­сальные характеристики процесса - силу и перемещение, а работа (34) - через специфические характеристики того же процесса. О специфичности экстенсора говорилось уже доста­точно, теперь предстоит заняться мерой Р [ТРП, стр.93-95].

3. Специфическая мера интенсивности силового

взаимодействия, или интенсиал.

Очередной важной характеристикой уравнения (31), смысл которой подлежит расшифровке, является величина Р. Как уже упоминалось, в частном случае эта величина представляет собой универсальную меру интенсивности силового взаимо­действия, или силу Рх , то есть служит фактором интенсивности, или интенсиалом. Поэтому и во всех остальных случаях вели­чина Ρ тоже должна выполнять роль интенсиала. Однако при­менительно к каждому конкретному экстенсору интенсиал при­обретает свою специфическую «окраску», включая специфи­ческую размерность, отличную от размерности Рх ,и т.д. В этих условиях интенсиал является специфической мерой интенсив­ности силового взаимодействиямежду ансамблем и квантами вещества.

Специфичность, в частности, проявляется в том, что данный интенсиал избирательно воздействует только на сопряженное с ним вещество и не влияет на все остальные. Например, элек­трический потенциал способен воздействовать только на элек­трический заряд и безразличен к массе. В свою очередь, квадрат скорости воздействует на массу и оставляет в покое электри­ческий заряд.

Следовательно, каждый конкретный интенсиал служит спе­цифическим аналогом силы. Аналогом, но не самой силой, ибо единицей измерения силы является ньютон, а каждый интен­сиал, сопряженный с соответствующим веществом, имеет свою собственную специфическую размерность, отличную от размер­ности силы.

Для каждого конкретного вещества мера Ρ легко определя­ется из общего выражения (34), где известны экстенсоры и раз­мерность работы. Например, для упомянутых выше экстенсоров – массы m (кг), объема V3) и электрического заряда, или электриора, (Кл) интенсиалы имеют следующие раз­мерности:

[Pm] = Дж/кг = (Нм)/(Нс2/м) = м22 ;

[Pv] = Дж/м3 = (Нм)/м3 = Н/м2 ;

[P] = Дж/Кл = (ВАс)/Кл = (ВКл)/Кл = В .

Как видим, интенсиал применительно к массе имеет смысл квадрата скорости (Рm = 2), применительно к объему - давления (Рv = р) и применительно к электрическому заряду - электрического потенциала (Ρψ = φ). Произведение каждого из этих интенсиалов на изменение сопряженного с ним экстенсора дает соответствующую работу. Со всеми этими частными характеристиками различных явлений мы хорошо знакомы.

Кроме того, ранее мы убедились, что интенсиал Рх опреде­ляет силовое поведениевещества в процессе образования или распада ансамбля, то есть является мерой качества поведения вещества Ν5 применительно к ансамблю простых явлений. Сле­довательно, и все остальные частные интенсиалы также явля­ются каждый мерой качества поведениясоответствующего вещества. Например, 2 - это мера качества поведения кинети­ческого вещества, φ - электрического и т.д. [ТРП, стр.95-96].

4. Универсальная мера количества силового поведения ансамбля, или энергия.

Следующей, самой важной характеристикой уравнения (31) служит мера U,играющая роль величины Ν4 в уравнениях (14) и (26).

Известно, что у любого правильно составленного уравнения все слагаемые имеют одинаковую размерность. Поэтому мера U тоже должна иметь размерность работы (Дж). Кроме того, мы знаем, что при образовании и распаде ансамбля совер­шаемая работа каким-то образом аккумулируется ансамблем и затем может вновь проявиться в виде работы. Иными словами, величина U определяет количество силового поведения, заклю­ченного в ансамбле. Перечисленными свойствами обладает хорошо известная мера, именуемая энергией.

Хотя работа и энергия имеют одну и ту же размерность, Они по сути дела представляют собой совершенно различные харак­теристики. Работу можно назвать мерой количества поведения, обусловленного перемещением порций веществ в процессе обра­зования или распада ансамбля; когда процесс прекращается, тогда перемещения нет и работа равна нулю. Энергия - это мера количества поведения, которое накапливается в ансамбле в ходе его образования и совершения работы. Количественная связь между обоими этими видами поведения определяется уравнением (31).

Весьма примечательно - об этом свидетельствует непосред­ственный опыт, - что аккумулированная энергия обычно сохра­няет в ансамбле свою специфическую «окраску», сопряженную с «окраской» совершаемой работы, которая, в свою очередь определяется сортом подводимых или отводимых квантов ве­щества. Поэтому, как и в случае работы, требуется разли­чать кинетическую, электрическую и другие составляющие энер­гии; об исключениях из этого правила говорится ниже. Вместе с тем сама по себе мера U обладает предельной универсаль­ностью.

По своей универсальности энергия стоит на одном уровне и органически связана с такими характеристиками, как сила и перемещение. Поэтому сила есть универсальная мера качества поведения вещества, причем поведение проявляется в виде притяжения и отталкивания, а энергия - это универ­сальная мера количества силового поведения ансамбля,которое проявляется в удержании квантов друг подле друга. Следова­тельно, меру U можно назвать также энергией связи между квантами, заключенной в ансамбле.

Универсальность понятия энергии обусловлена еще и тем, что оно применимо не только ко всем разнородным простым ве­ществам, но и ко всем без исключения более сложным формам явлений. Это прямо вытекает из правила вхождения, согласно которому всякое сложное явление включает в себя более про­стые. Поэтому с помощью энергии можно оценивать количество примитивного силового поведения, заключенного в любом слож­ном явлении, включая общество и т.д. Разумеется, на сложном уровне наряду с силовой явления располагают также возмож­ностями использовать и другие, более совершенные формы пове­дения, для оценки количества которых впоследствии будет най­дена своя особая мера. Что же касается простого уровня, то на нем силовой примитив - это единственно возможный, един­ственно доступный для явления способ поведения, а энергия - единственная мера, определяющая количество этого поведения.

Весьма важно, что за спиной энергии, как и силы, всегда стоят свои особые вещества, которые цементируют ансамбль в единое целое. Однако энергия-мера и упомянутые вещества суть принципиально различные вещи. Поэтому энергию недо­пустимо отождествлять ни с веществом, ни с какими бы то ни было иными объектами или понятиями. Согласно ОТ, ника­кого другого смысла, кроме указанного - быть универсальной мерой количества поведения на уровне ансамбля простых явле­ний, - энергия не имеет и иметь не может.

В связи с приведенной здесь формулировкой понятия энер­гии необходимо обратить внимание на то разнообразие во взгля­дах и определениях, которое господствует в современной науке. Впервые понятие энергии возникло в механике. Намеки на это понятие содержатся уже в комментариях Филопона (VI в.) на труды Аристотеля - речь идет об «импето» [53, с.25]. В XVII в.Гюйгенсом, Лейбницем и другими кинетическая энер­гия, или «живая сила», была определена как произведение массы на квадрат скорости [53, с.94]; в XIX в. Кориолис испра­вил это выражение, введя в него множитель, равный одной вто­рой [53, с.95]. Так энергия оказалась связанной с кинети­ческими представлениями.

Примерно в тот же период формировалось понимание теп­лоты как движения внутренних частей тел (Бэкон, Кеплер). В частности, в 1752 г. Эйлер писал: «То, что теплота заключа­ется в некотором движении малых частиц тела, теперь уже достаточно ясно» [53, с.168]. Создание Кренигом, Клаузиусом, Максвеллом и другими кинетической теории теплоты [53, с.237] послужило основанием отождествлять энергию с теплотой (че­рез кинетическую энергию молекул).

Далее при анализе законов излучения абсолютно черного тела Планк ввел понятия кванта действия и квантов (порций) энергии, которые излучаются телом в окружающую среду [53, с.338]. Эти порции энергии были затем отождествлены с кван­тами света, или фотонами. В результате под энергией теперь часто понимают просто фотоны, или так называемое электро­магнитное поле.

Таким образом, в ходе исторического развития науки энер­гия превратилась в одну из наиболее трудно доступных для по­нимания категорий. Согласно традиционному мышлению, энер­гия есть одновременно кинетическая энергия, теплота, фотоны (свет), электромагнитные волны; ее принято выражать (а ино­гда и отождествлять) через массу, считать, что она порождается гравитацией, и т.д. В некоторых из имеющихся определений можно видеть явное отождествление энергии-меры с той сущ­ностью, которую эта мера призвана определять. Нечто похожее мы наблюдали ранее в случае определения понятия силы. Все это, конечно, не способствует выявлению истинного физического смысла понятия энергии.

Теперь должно быть совершенно ясно, что энергия - это универсальная мера (и только мера!) количества простого сило­вого поведения, заключенного в теле. Энергия сопоставляется с работой в уравнении (31) и измеряется в джоулях. Будучи мерой, энергия, как и всякая другая мера, предназначена для подстановки в расчетные формулы; фотоны в формулу не под­ставишь.

Подведем некоторые итоги. Перед нами стояла задача - определить физический смысл количественных мер, входящих в общее уравнение ансамбля простых явлений (26), и таким образом, избавившись от нулей, придать этому уравнению доступную для практического использования форму. Непосредственно глядя на уравнение (26) и готовый ансамбль, этого сде­лать было нельзя. Пришлось рассмотреть физический механизм (процесс) образования ансамбля из отдельных порций вещества. Такой подход представляется наиболее простым, наглядным и экономным из всех возможных. В ходе рассужде­ний логика привела к детальному ознакомлению с особен­ностями таких понятий, как универсальное и специфические взаимодействия, перемещение, сила и работа. На этом фунда­менте с помощью известных экстенсоров (см. формулу (27)) было выведено основное уравнение ОТ для ансамбля простых явлений (31), параллельно был уточнен смысл некоторых из упомянутых понятий, особенно это касается энергии. В резуль­тате такие количественные меры уравнения (26), как N4 и N5 , получили для ансамбля простых явлений конкретное выражение и толкование.

Предстоит дальнейшая расшифровка выведенного уравне­ния (31) и содержащихся в нем связей. Однако теперь в логику рассуждений целесообразно ввести весьма плодотворные поня­тия и методы, выработанные в течение последнего столетия в термодинамике [ТРП, стр.96-99].

5. Контрольная поверхность, система и окружающая среда.

Анализ уравнения (31) очень сильно облегчается, если ввести такие понятия, как контрольная поверхность, система и окру­жающая среда. Под контрольнойпонимается некая замкнутая поверхность, мысленно окружающая данный ансамбль. Понятие контрольной поверхности играет важную роль, поскольку с ее помощью изучаемый ансамбль отделяется от всех остальных ансамблей Вселенной. Разумеется, такое отделение можно совершить только мысленно, ибо в реальных условиях все ан­самбли связаны друг с другом веществом взаимодействия.

В термодинамике данный ансамбль, ограниченный контроль­ной поверхностью, принято называть системой, или телом, авсе, что находится за пределами контрольной поверхности, - окру­жающей средой.Изучая систему, мы вправе не интересоваться свойствами окружающей среды. Окружающая среда должна волновать нас только в той мере, в какой она служит источником специфических и универсальных воздействий на систему. Такой подход к изучению ансамбля очень плодотворен, поэтому мы будем широко использовать его в дальнейшем.

В общем случае система может состоять из одного ансамбля, совокупности многих ансамблей или даже фрагмента отдель­ного ансамбля. При этом система может принадлежать любому из количественных уровней мироздания: микро-, макро-, мега- и тому подобным мирам.

Известны различные виды специфических и универсальных воздействий окружающей среды на систему. Один из них заклю­чается в переносе через контрольную поверхность определен­ного количества вещества dE .Сам по себе процесс переноса говорит о наличии специфического воздействия. Но одновре­менно совершается работа dQ ,равная произведению экстенсора dE на интенсиал Р . Следовательно, перенос вещества свидетель­ствует также и о наличии универсального воздействия. Процесс переноса сравнительно легко обнаруживается, если наблю­дать за тем, что происходит непосредственно на контрольной поверхности.

Второй вид воздействия связан с эффектом экранирования веществами друг друга в пределах системы. В состоянии экрани­рования и после нарушения этого состояния вещество ведет себя по-разному, что существенно влияет на свойства системы. Прекращение экранирования во многих отношениях равно­сильно появлению в системе вещества. Например, соответ­ствующие условия возникают, если нейтрон, в котором взаимно скомпенсированы (экранированы) положительный и отрица­тельный электрические заряды, распадается на протон и элек­трон. При этом в системе как бы появляются положительное и отрицательное электрические вещества. С другими весьма рас­пространенными примерами экранирования придется столк­нуться в гл. XIII.

Очень большой интерес представляет также третий вид изме­нений экстенсора системы - за счет парена. Этот процесс пока наименее исследован, но ему предстоит большое будущее.

При изучении и расчетах второй и третий виды воздействий могут быть сведены к первому путем соответствующего выбора контрольной поверхности, системы и окружающей среды. При этом экранированное вещество и вещество парена мысленно относятся к окружающей среде, хотя на самом деле они нахо­дятся в пределах системы. Нарушение экранирования и появле­ние вещества из парена условно рассматриваются как перенос вещества через контрольную поверхность. С похожими услов­ными методами выбора контрольной поверхности, системы и окружающей среды приходится сталкиваться также при изу­чении химических и фазовых превращений [17, с.303; 21, с.205].

Следовательно, в качестве основного вида воздействий окру­жающей среды на систему можно принять первый, который со­провождается переносом через контрольную поверхность ве­щества в количестве dE .Этот вид является наиболее общим, к нему могут быть сведены все остальные, поэтому ниже его изучению уделяется наибольшее внимание.

Введение понятий контрольной поверхности, системы и окру­жающей среды, а также установление основного вида воздей­ствий позволяют очень четко обозначить принадлежность вели­чин, содержащихся в уравнении (31), то есть определить, какие из них относятся к системе, какие - к контрольной поверхности и окружающей среде. Например, совершенно очевидно, что величина dU должна принадлежать системе, поскольку энергия определяет связь между всеми веществами, образующими сис­тему. В термодинамике энергию U принято называть внутрен­ней. Однако в ОТ существует только одна энергия - мера, поэ­тому такая конкретизация названия не имеет особого смысла.

В противоположность энергии экстенсор dE относится к окружающей среде, ибо в процессе взаимодействия вещество в количестве dE переходит из окружающей среды в систему. Этот процесс сопровождается совершением работы dQ .Работу совершает окружающая среда над системой, поэтому величина dQ также принадлежит окружающей среде.

Следовательно, в целом левая часть уравнения (32), а зна­чит, и (31) относится к системе, а правая - к окружающей среде. При этом положительному приращению величины экстенсора системы dE (переходу вещества из окружающей среды в систему) соответствует положительная работа dQ (окружаю­щей среды над системой) и положительное приращение (воз­растание) энергии dU системы. В этом заключается правило знаков для энергии, работы и экстенсора.

Необходимо отметить, что в термодинамике в качестве некоего исключения принято считать так называемую механи­ческую работу, связанную с изменением объема системы. В этом случае положительное приращение dU получается при отри­цательном приращении объема dV : при совершении положи­тельной работы система сжимается - ее объем уменьшается. Поэтому механическую работу обычно записывают в виде

dQv = - pdV Дж, (43)

или dL = pdV Дж,

где использовано известное обозначение

dQv = - dL Дж.

О
днако ниже по мере расшифровки физического смысла введенных понятий станет ясно, что во всех случаях положи­тельному dU отвечают положительные dQ и dE .Причина кажу­щегося исключения для механических явлений заключена толь ко в неадекватном способе традиционного выбора механическо­го экстенсора, то есть объема V (см. параграфы 2 и 4 гл. XV). Кстати, на примере механической работы легко показать органическую связь, существующую между уравнениями (28) и (43) и таким образом перекинуть мост к общему уравнению (34). Для этого достаточно обратиться к рис. 1, где изображена система, изменившая свой объем на величину dV под действием давления р ; площадь контрольной поверх­ности равна F.

Рис.1. Схема для определения связи между формулами (28) и (43).

Находим

dQx = Pxdx = pFdV/F = pdV = dQv = dQk (44)

где Px = pF ; dx = dV/F .

Здесь знак минус опущен (рассматривается абсолютное значе­ние работы); давление р, равномерно распределенное по пло­щади F ,выражено через силу Рх; приращение объема dV,отне­сенное к площади, дает перемещение контрольной поверхности на расстояние dx [ТРП, стр.99-102].

6. Внутренние и внешние степени свободы системы.

Установим далее физический смысл величины l, которая входит в правую часть уравнения (31), принадлежащую окружающей среде.

Допустим, что данная система, определяемая уравнением (27), внутренне восприимчива к l конкретным веществам, она способна приобретать и терять через контрольную поверхность эти вещества. Тогда такую систему можно определить как обла­дающую l внутренними степенями свободы.Следовательно, под внутренними степенями свободы мы будем понимать располага­емые, потенциально заложенные в системе возможности вза­имодействий с окружающей средой.

Однако реализация имеющихся возможностей зависит не только от свойств системы, но не в меньшей мере и от свойств окружающей среды. Ведь последняя на границе с системой - на контрольной поверхности - располагает вполне определен­ными своими внутренними степенями свободы. В общем слу­чае количество этих степеней, внешних по отношению к системе, равно lе , причем не все степени из числа lе обязательно совпада­ют со степенями из числа l . Очевидно, что взаимодействие меж­ду системой и окружающей средой возможно только по сопря­женным степеням свободы, когда система и среда одновременно способны воспринимать и терять соответствующие вещества.

Если число сопряженных между собой степеней свободы системы и среды обозначить через n , то должно соблюдаться требование [18, с.61; 21, с.47]

n 1 (45)

Величина n характеризует фактически реализуемые взаимодей­ствия между системой и окружающей средой, то есть опреде­ляет внешние степени свободы системы, зависящие от свойств окружающей среды.

Отсутствие какой-либо конкретной степени свободы - вну­тренней или внешней - говорит о внутренней или внешней изо­ляциисистемы по отношению к соответствующему веществу. Например, жидкости и твердые тела практически несжимаемы, то есть внутренне изолированы по отношению к объему, поэ­тому они не могут быть использованы в качестве рабочего тела в тепловом двигателе; фарфор и стекло внутренне изолированы по отношению к электрическому заряду, значит, они не могут служить проводниками электричества. Аналогично внешняя изоляция системы по отношению к объему может быть достиг­нута путем применения жесткой окружающей среды (обо­лочки), как в калориметрической бомбе; внешняя электрическая изоляция обеспечивается с помощью оболочки из фарфора, стекла и т.п.

Теперь должно быть ясно, что уравнение (31) выведено при условии, когда l = le = n .Это соответствует крайнему частному случаю полного совпадения всех внутренних и внешних степе­ней свободы системы. В противоположном крайнем случае, когда все степени свободы не совпадают между собой, величина n = 0 ,при этом система полностью внешне изолирована, взаимо­действие между нею и окружающей средой невозможно.

Из сказанного следует, что в уравнение (31) вместо вели­чины l правильно подставлять величину n , которая является характеристикой не только системы, но и окружающей среды и однозначно определяет условия взаимодействия системы с последней [ТРП, стр.102-103].

7. Первое начало ОТ, или закон сохранения энергии.

Теперь все величины, входящие в основное уравнение (31) для ансамбля простых явлений, нам известны. Необходимо обоб­щить полученные результаты и установить смысл уравнения в целом.

Мы убедились, что левая часть соотношения (31) определяет изменение энергии системы, а правая - внешние работы, кото­рые на контрольной поверхности совершает окружающая среда над системой. Работы совершаются в процессе переноса веществ через контрольную поверхность. Для этих условий ура­внение (31) утверждает факт существования однозначной связи между изменением энергии системы и суммой внешних работ, причем сумма работ, совершаемых над системой, равна изме­нению энергии последней.

Уравнение (31) с равным успехом может быть применено также к окружающей среде. По отношению к последней совер­шаемые работы оказываются отрицательными. Поэтому изме­нение энергии среды dUc тоже должно быть отрицательным. Поскольку в обоих случаях рассматриваются одни и те же работы, постольку должно быть справедливо равенство

dU + dUc = 0 (46)

Как видим, на сколько увеличивается энергия системы, на столько же уменьшается энергия окружающей среды. Иными словами, суммарное изменение энергии системы и среды равно нулю, то есть совокупная энергия системы и среды остается неизменной при любых процессах их взаимодействия.

Следовательно, соотношение (31) представляет собой не что иное, как уравнение закона сохранения энергии, или просто закона энергии. Это уравнение выведено для первого - началь­ного - шага эволюционного развития явлений. Поэтому закон энергии заслуживает наименования первого начала ОТ. Из уравнения (31) в качестве частных случаев получаются все из­вестные уравнения этого типа: уравнение первого закона термо­динамики, уравнение Гиббса и т.д. (см. параграфы 19 гл. XV и 3 гл. XX).

Первое начало в наиболее общем виде выражает идею сохра­нения количества поведения вещества при любых взаимо­действиях системы и окружающей среды. Оно справедливо для любого уровня мироздания и любой по сложности формы явле­ния, то есть представляет собой предельно универсальный, абсо­лютный закон природы. В самой общей формулировке первое начало гласит: энергия(количество поведения вещества) Вселенной постоянна.

Впервые идея сохранения в самом общем виде как основной принцип развития мира зародилась еще в древности. Например, греческий философ Эмпедокл (450 лет до н.э.) учил, что ничего не может происходить из ничего и ничто не может быть уничто­жено. В простейшей форме эта идея получила количественное выражение в законе рычага Архимеда. Согласно этому закону, сила обратно пропорциональна перемещению (золотое правило механики), что соответствует постоянству их произведения, то есть работы. Леонардо да Винчи распространил этот закон на вращательное движение (ворот). При этом постоянным оказывается произведение вращательного момента на угол пово­рота. В 1842 г. Р. Майер экспериментально открыл закон экви­валентности теплоты и работы и определил числовое значение механического эквивалента теплоты. В 1843 г. Д. Джоуль и не­зависимо от него в 1844 г. Э.X. Ленц установили закон сохра­нения энергии применительно к термическим и электрическим явлениям (закон Джоуля-Ленца). Наконец, в 1847 г. Гельмгольц обобщил этот закон, распространив его на все формы движения материи. Термин «энергия» происходит от греческого слова energeia - деятельность.

Таким образом, закон сохранения энергии был установлен экспериментально и всегда считался чисто опытным законом, который невозможно получить теоретически. Однако парадигма ОТ позволяет по-новому взглянуть на мир, благодаря чему уда­ется аналитически вывести уравнение, определяющее одно из важнейших свойств природы. В данном случае упомянутый выше метод эстафеты сопровождается передачей в ОТ самого замечательного закона естествознания.

Чтобы не возникало неясностей при практическом использо­вании уравнения (31), надо сделать несколько пояснений, касающихся математических символов d ,входящих в это ура­внение; о них еще не говорилось. Очевидно, что d перед U пред­ставляет собой полный дифференциал, то есть бесконечно малое изменение, бесконечно малую разность; в данном случае име­ется в виду разность значений энергии между двумя состоя­ниями системы. Аналогичный смысл полного дифференциала имеет знак d перед Е . Величина dE определяет количество пере­несенного через контрольную поверхность вещества, в соот­ветствии с этим изменяется и экстенсор системы.

В противоположность этому знак d перед Q не является диф­ференциалом, ибо работа dQ есть не изменение чего-либо, а про­сто бесконечно малая величина. Работа совершается в процессе переноса вещества через контрольную поверхность. В момент окончания процесса работа прекращается. О качественной и количественной стороне совершенной в закончившемся процессе работы можно судить только по косвенным признакам: по изменениям экстенсоров и энергии системы. Иными словами, работа не может содержаться в системе, поэтому она не может изменяться и, следовательно, dQ не есть дифференциал работы (не есть разность каких-то двух значений величины Q в сис­теме).

Отмеченное различие в физическом смысле знаков d в урав­нении (31) имеет принципиальное теоретическое и практическое значение. Например, оно делает невозможным одинаковый под­ход при определении величин Е , U и Q ,что будет ясно из даль­нейшего изложения.

Как видим, знак d перед Q имеет условный смысл. Но опреде­ленная условность содержится также и в знаках d перед энер­гией и экстенсорами. Ведь исходное уравнение (30) найдено для макроскопической системы, его дифференцирование связано с устремлением в пределе к нулю каждого экстенсора. При этом система как бы последовательно переходит из макромира в ми­кромир, наномир и т.д., которые обладают неодинаковыми свой­ствами: континуальными (непрерывными), дискретными (кван­товыми) и т.д. Поэтому во избежание неясностей и недоразуме­ний надо четко представлять себе, что устремление dE к нулю происходит мысленно, условно, на том уровне свойств, которые рассматриваются в каждом данном конкретном случае, например на уровне макромира. Если фактические размеры системы при­ближаются к величинам отдельных порций (квантов) веществ, тогда скачкообразно начинают изменяться энергия и интенсиалы, а также коэффициенты А и К , которые появляются в третьем и пятом началах ОТ. Это обстоятельство необходимо учитывать. При этом следует различать дискретность экстенсоров и скачки в значениях величин U , P , А и К . Эти скачки применительно к каждой данной степени свободы уменьшаются с ростом числа квантов соответствующего вещества в системе. При решении подобных задач большую помощь могла бы оказать особая дискретная алгебра, сейчас делаются попытки ее разработки [ТРП, стр.104-106].

Глава VIII. Второе начало ОТ.

1. Вывод уравнения.

Приступим теперь к систематическому анализу основного уравнения ОТ для ансамбля простых явлений. Это позволит обнаружить у некоторых из введенных характеристик многие важные свойства, вывести дополнитель­ные уравнения и сформулировать новые законы. Такое углуб­ление содержания основных понятий теории будет осущест­вляться в ходе всего последующего изложения.

Обратим внимание на одну чрезвычайно важную особен­ность процесса переноса вещества через контрольную поверх­ность. При этом будет выявлено второе замечательное свойство природы, которое позволяет существенно расширить наши представления о веществе и его мере Е . Для количественного определения этого свойства выведем соответствующее диф­ференциальное уравнение.

Предположим, что система 2мысленно отделена от окру­жающей среды 1 оболочкой 3толщиной dx (рис. 2, а). Свойства системы, оболочки и окружающей среды будем считать одина­ковыми. Следствием этой одинаковости, как мы убедимся в дальнейшем, является то, что кривая распределения данного интенсиала Ρ не претерпевает изломов или скачков на поверх­ностях соприкосновения оболочки с системой и окружающей средой. Предположим далее, что из окружающей среды в оболочку входит определенное количество вещества, мерой которого служит экстенсор dEс .Одновременно из оболочки в систему выходит то же вещество в количестве dE .Опишем этот процесс с помощью первого начала, причем уравнение составим применительно к оболочке.

Для простоты будем считать, что система, оболочка и среда обладают одной сопряженной степенью свободы (n = 1). В этих условиях общее уравнение (31) первого начала приобретает вид

dU = PcdEc + PсиdE , (47)

где Рс - интенсиал поверхности окружающей среды; Рси - интенсиал поверхности системы.

Если теперь толщину dx устремить к нулю, то оболочка превратится в обычную контрольную поверхность. При этом изменение энергии оболочки

dU = 0 , (48)

так как геометрическая поверхность не способна накапливать или отдавать энергию, а интенсиалы Рс и Рси , станут равными интенсиалу Рп контрольной поверхности, то есть

Рс = Рси = Рп (49)

ибо величина Рп является общей для системы и среды (рис. 2, а и б). С помощью соотношений (48) и (49) выражение (47) преобразуется к виду

dE + dEc = 0 (50)

Это и есть искомое уравнение. Аналогичное равенство можно составить для любой сопряженной степени свободы системы и окружающей среды. Следовательно, уравнение (50) в общем случае справедливо для произвольного числа n [ТРП, стр.107-108].



2. Второе начало ОТ, или закон сохранения количества вещества.

Дифференциальное уравнение (50) напоминает соответ­ствующее уравнение для закона сохранения энергии (46); оно говорит о том, что в процессе взаимодействия системы и окружающей среды количество вещества, вышедшего (или вошедшего) из окружающей среды через контрольную поверх­ность, равно количеству вещества, вошедшего (или вышедшего) в систему через ту же поверхность. Это значит, что общее количество вещества в системе и окружающей среде остается неизменным: на сколько уменьшается количество вещества в окружающей среде, на столько же увеличивается это коли­чество в системе и наоборот.

Следовательно, равенство (50) выражает закон сохранения количества вещества,или, короче, закон вещества. Этот закон является вторым законом природы, относящимся к началь­ному шагу эволюции явлений, поэтому его можно назвать вторым началом ОТ.

Второе начало выражает идею сохранения количества вещества. Оно справедливо для любого вещества, включая все известные, перечисленные в параграфе 2 гл. VI, в том числе термическое (вермическое), и все неизвестные, которые, возможно, еще будут открыты, для любой по сложности системы и для любого уровня мироздания, поэтому представляет собой предельно универсальный, абсолютный закон природы. В самом общем виде второе начало может быть сформулировано сле­дующим образом: количество вещества Вселенной постоянно. Увеличение этого количества в одном месте Вселенной всегда неизбежно сопровождается его уменьшением в другом и на­оборот.

Второе начало ОТ в совокупности с первым определяет все то, что сохраняется в этом мире. Оказывается, что в общем случае сохранению подлежат только количества - вещества и его поведения (количества материи и движения). Все осталь­ное способно и вынуждено при определенных для каждого конкретного случая условиях претерпевать соответствующие изменения. Этим самым уточняется и конкретизируется древняя идея сохранения, принадлежащая еще Эмпедоклу: свойством не происходить из ничего и не быть уничтоженными обладают лишь две категории: количество вещества и количество пове­дения последнего. Все остальное преходяще.

Второе начало является новым законом, впервые сформу­лированным в рамках ОТ; об этом говорится, например, в рабо­тах [17, с.11 и др.; 18, с.66, 246; 20, с.236; 21, с.48]. Ранее были известны лишь две частные формы этого начала. Речь идет о законах сохранения массы и электрического заряда. Первый из них применительно к химическим явлениям был экспериментально установлен М.В. Ломоносовым в 1756 г. и французским ученым Лавузье в 1770 г. и поэтому иногда именуется законом Ломоносова-Лавуазье. Масса и электри­ческий заряд служат мерами количеств соответствующих веществ - кинетического и электрического; согласно второму началу ОТ, они подлежат обязательному сохранению при любых процессах взаимодействия системы и окружающей среды. Обязаны сохраняться также объем Ω , являющийся мерой количества метрической (пространство) формы вещества (см. параграф 2 гл. XV), количество термического (вермического) вещества и количества всех остальных веществ [ТРП, стр.109-110].

3. Особенности применения второго начала ОТ.

Использование второго начала ОТ для изучения и расчета реальных объектов требует известной осмотрительности, ибо на практике часто приходится иметь дело с совокупностью контактирующих между собой разнородных тел, а также с эффектом экранирования, обсуждаемым в гл. XIII. В первом случае на контрольной поверхности наблюдается либо излом кривой распределения интенсиала (рис. 2, б),либо даже скачки последнего (рис. 2, в и г) -все зависит от конкретных свойств контактирующих тел. В этих условиях, чтобы при­менение закона вещества не вызывало затруднений, скачок интенсиала и все, что происходит в этом скачке, надо рас­сматривать как окружающую среду по отношению к системе. При этом интенсиалом, через который определяется работа, служит величина Рп , находящаяся на контрольной поверх­ности со стороны системы (рис. 2, виг).

Эффект экранирования связан с кажущимся появлением или исчезновением вещества, в частности электрического, теплового (вермического) и т.д. Это появление или исчезно­вение учитывается с помощью дополнительного слагаемого dEэ, вводимого в уравнение (50) второго начала ОТ. Имеем

dE + dEc dEэ = 0 (51)

Знак плюс перед последним слагаемым говорит о появлении в системе некоторого, дополнительного количества вещества, знак минус - об исчезновении этого количества.

Здесь очень важно еще раз подчеркнуть, что появление и исчезновение вещества в системе являются кажущимися; они связаны с экранированием одних веществ другими. В ре­зультате экранирования данное вещество начинает или пере тает участвовать в силовом поведении, а это участие обычно служит для нас тем признаком, по которому мы только и можем судить о наличии в системе того или иного вещества. Поэтому эффект экранирования ни в коем случае нельзя рассматривать как нарушение второго начала ОТ. Просто в процессе экрани­рования начинают или перестают проявляться силовые свойст­ва определенного вещества, что отражается на величине совершаемой работы, которая входит в уравнение первого начала [ТРП, стр.110-111].

Глава . Третье начало ОТ.

1. Вывод уравнения.

Следующей важнейшей характеристикой, входящей в основное уравнение ОТ для ансамбля простых явлений, служит интенсиал Р , который является мерой качества поведения вещества. Анализ этой меры позволяет уста­новить третье интереснейшее свойство природы.

Согласно второй строчке общего уравнения (15), интенсиал, играющий роль меры N5, есть однозначная функция экстенсора N , (см. формулу (27)). Следовательно, для системы с n сте­пенями свободы можно написать

Pk = fk(E1 ; E2 ; ... ; En) (52)

Общее количество этих равенств равно n ,то есть k =1,2, ... , n - по числу интенсиалов; вид функций fk нам неизвестен.

Уравнение (52) напоминает прежнее соотношение (30) для энергии, в частности у этих соотношений одинаковы аргу­менты. Однако между указанными уравнениями имеются и существенные различия. Одно из них заключается в том, что абсолютное значение энергии найти невозможно, поэтому нам пришлось ограничиться определением ее изменений. Применительно к интенсиалам таких затруднений не возникает: имеется реальная возможность определять как абсолютные значения интенсиалов, так и их изменения. Оба эти случая играют важную роль в теории и практических расчетах.

Разумеется, изменения интенсиалов находятся много проще, чем абсолютные их значения, поэтому начать придется с опре­деления изменений. С этой целью, как и прежде, необходимо продифференцировать функцию (52) [17, с.28; 18, с.21; 21, с.52]. Однако с целью экономии места целесообразно рассмот­реть только две степени свободы. Для n = 2уравнение (52) выглядит следующим образом:

P1 = f1(E1 ; E2) ; (53)

P2 = f2(E1 ; E2) .

Дифференцирование этих равенств дает

dP1 = A11dE1 + A12dE2 (54)

dP2 = A21dE1 + A22dE2

где

A11 = (P1/E1)E2 = 2U/E21; A22 = (P2/E2)E1 = 2U/E22; (55)

A12 = (P1/E2)E1 = 2U/(E1E2) ; A21 = (P2/E1)E2 = 2U/(E2E1) ; (56)

Индекс внизу скобки указывает на экстенсор, который при дифференцировании сохраняется постоянным. В соотношениях (55) и (56) использованы значения интенсиалов, определяемых равенствами (37).

В случае гипотетической системы с одной внутренней степенью свободы (n = 1) имеем

P = f(E) (57)

dP = AdE (58)

где

A = dP/dE = d2U/dE2 (59)

Выведенные соотношения (54) и (58) представляют собой дифференциальные уравнения второго порядка, в них отсут­ствуют неизвестные функции f , f1 , f2 . Эти уравнения определяют изменения интенсиалов в функции изменений экстенсоров. В термодинамике экстенсоры и интенсиалы обычно принято именовать параметрами состояния системы. Следовательно, найденные уравнения тоже могут быть названы уравнениями состояния.

Однако из уравнений состояния видно, что в них роль независимых переменных - аргументов играют экстенсоры, а роль зависимых переменных - функций - интенсиалы. По­этому истинными параметрами состояния правильно считать только экстенсоры, интенсиалы же являются функциями состоя­ния. В соответствии с этим должна быть уточнена и вся остальная терминология.

Под свойствамисистемы я буду понимать различные ее характеристики, такие, как Е , U , Р , А и т.д. Состояние - это полная совокупность всевозможных свойств системы. Очевидно, что для однозначного определения состояния системы необходимо и достаточно задать значения только параметров состояния, или экстенсоров Е . Все остальные свойства явля­ются функциями состояния.К числу функций состояния относятся величины U , Р , А и т.д. Всего существует бесчисленное множество различных функций состояния.

В противоположность этому работа Q не является ни параметром, ни функцией состояния, поскольку она не опре­деляет какое-либо свойство системы. Работа представляет собой характеристику процессавзаимодействия системы и окру­жающей среды, поэтому она является функцией процесса [ТРП, стр.112-114].

2. Третье начало ОТ, или закон состояния.

Уравнения (54) и (58) связывают между собой параметры и функции состояния системы, поэтому они фактически выра­жают закон состояния. Уравнения выведены применительно к начальному шагу эволюции, следовательно, закон состояния заслуживает наименования третьего начала ОТ.В общем виде третье начало можно сформулировать следующим обра­зом: изменение любого данного качества поведения пропор­ционально изменениям количеств всех веществ системы.

Из уравнений (52)-(59) явствует, что каждый интенсиал зависит от всех экстенсоров одновременно. Следовательно, третье начало ОТ с качественной и количественной стороны определяет всеобщую связь простых явлений - это третье замечательное свойство природы. Но, согласно правилу вхож­дения, эта связь должна также наблюдаться во всех более сложных явлениях (системах). Поэтому уравнения типа (54) в наиболее общей и универсальной форме выражают закон всеобщей связи явлений.Нетрудно сообразить, что всеобщность придается этой связи упомянутым выше универсальным взаимодействием.

В общем случае под системой можно понимать всю Вселен­ную. Однако с расстоянием, как будет ясно из дальнейшего, взаимное влияние веществ ослабевает. Это служит реальным основанием для рассмотрения ограниченной системы и для мысленного отделения ее от окружающей среды.

Третье начало - это новый всеобщий закон природы, впервые сформулированный в ОТ. Все известные уравнения состояния являются частными случаями общего уравнения состояния (52). Из последнего могут быть получены также многие новые частные уравнения, представляющие большой интерес |17, 18, 21].

При практическом использовании третьего начала необ­ходимо не упускать из виду, что любое данное конкретное уравнение состояния справедливо только для определенного ансамбля. Если в ходе изменения состояния изменяются состав и структура ансамбля, то одновременно должно измениться и Уравнение состояния. При этом изменения могут коснуться не только характеристик А , но и вида самого уравнения. В частности, такая ситуация может возникнуть из-за появления у системы дополнительных степеней свободы, например, в результате эффекта экранирования, диссоциации вещества и т.п.

Разумеется, всякое изменение состояния всегда сопровож­дается изменением экстенсоров, а следовательно, и состава системы. Однако в данном случае речь идет о принципиальных изменениях состояния, требующих изменения вида уравнения. Не очень кардинальные изменения состояния отражаются лишь на характеристиках А , при совсем несущественных из­менениях состояния величины А можно считать постоянными.

В уравнении (54) характеристики А играют роль коэф­фициентов пропорциональности, связывающих между собой интенсиалы и экстенсоры. Эти характеристики именуются коэффициентами состояния. Коэффициенты состояния типа А11 и А22 определяют влияние количества данного вещества на сопряженное с ним качество поведения системы, эти коэф­фициенты называются основными.Коэффициенты состояния типа Α12 и А21 определяют влияние количества данного ве­щества на несопряженные с ним качества поведения системы и именуются перекрестными, или коэффициентами взаимности [20, 21]. Очевидно, что именно коэффициенты взаимности характеризуют количественную сторону взаимного влияния - всеобщей связи - различных явлений природы.

В настоящее время описано большое множество эффектов взаимного влияния разнородных физических явлений. Вспом­ним органическую связь, существующую между термической и механической степенями свободы в газе. Хорошо известны так­же термоэлектрические, термомагнитные, электромагнитные, пьезоэлектрические и многие другие эффекты. Благодаря боль­шим значениям коэффициентов взаимности все эти эффекты лег­ко бросались в глаза и были обнаружены в опытах задолго до того, как появилось третье начало ОТ. Однако без третьего начала было практически невозможно понять истинную физи­ческую природу наблюдаемых эффектов. Теперь должно быть ясно, что все эффекты взаимного влияния суть не что иное, как результат проявления всеобщей связи явлений, опреде­ляемой третьим началом. Кстати, известные эффекты взаимного влияния хорошо подтверждают справедливость третьего начала. Но еще лучшие подтверждения можно найти в тех прогнозах, которые непосредственно вытекают из третьего начала. Третье начало позволяет предпринять систематический поиск новых эффектов, которые не были известны ранее и ко­торые характеризуются, быть может, не столь броскими значениями коэффициентов взаимности. Некоторые из таких эффектов описаны в работах [17, 18, 21] [ТРП, стр.114-116].

3. Емкость системы по отношению к веществу.

В уравнении третьего начала ОТ особого внимания заслу­живает характеристика А. Чтобы лучше разобраться в свойст­вах коэффициента состояния А , введем новую величину К , обратную этому коэффициенту. С учетом формулы (59) имеем

К = 1/А = dЕ/Р ; А = 1/К . (60)

Отсюда видно, что величина К численно равна количеству вещества, которое изменяет интенсиал системы на единицу. Такого рода величины нам хорошо известны, они именуются емкостямисистемы по отношению к веществу. Например, количество подведенного электричества dΨ , изменение элек­трического потенциала системы d и ее электроемкость ΚΨ связаны между собой следующим известным соотношением, вытекающим из (60) в качестве частного случая:

ΚΨ = Ф(dΨ/d) (61)

Согласно формулам (60) и (61), чем выше емкость К , тем больше вещества надо подвести к системе, чтобы ее интенсиал увеличился на единицу.

Наличие емкости К предполагает существование у системы способности как-то заполняться веществом, поглощать его. При этом уже имеющиеся в системе запасы вещества могут быть охарактеризованы таким понятием, как содержание. Очевидно, что понятия емкости и содержания дополняют друг друга, они органически связаны между собой.

Необходимо отметить, что специфичность и неповторимость каждого простого явления неизбежно накладывают на введен­ное понятие емкости свой характерный отпечаток, без знания которого иногда можно прийти к неверным выводам. Из-за указанной специфики, например, слишком упрощенным было бы представление, что система - это как бы капиллярно-пористое тело, пустоты которого заполняются подводимым веществом. В частности, такая трактовка не согласуется с данным в ОТ определением метрического явления. Однако подобное грубо схематическое, условное представление все же может оказаться полезным для лучшего понимания вопроса.

Характерным примером влияния специфики может служить известное выражение (61) для электроемкости, которое в опре­деленных условиях приобретает отличное от традиционного толкование. При этом выражение (61) приходится относить не к системе в целом, а к каждому ее атому; учитывать тот факт, что заполняющее систему вещество по-разному влияет на ее состояние, когда оно двигается или остановилось, и т.п. [12, с.198; 17, с.137; 18, с.280].

Благодаря введению характеристики К коэффициент состоя­ния А предстает перед нами в новом свете: он является величиной, обратной емкости системы по отношению к ве­ществу определенного сорта. В свою очередь, благодаря коэф­фициенту А расширяются наши представления и о емкости. Теперь мы уже должны различать емкости основные типа

К11 = 1/А11 ; К22 = 1/А22 (62)

и перекрестные (взаимности) типа

К12 = 1/А12 ; К21 = 1/А21 (63)

При определении перечисленных емкостей надо помнить, что математические производные берутся при постоянных значе­ниях всех экстенсоров, кроме данного. Перекрестные емкости ответственны за взаимное влияние различных степеней свободы системы, они суть следствия универсальных взаимодействий [ТРП, стр.116-117].

4. Другие виды емкости системы.

Рассмотренная здесь трактовка понятия емкости представля­ется наиболее простой, естественной и строгой. Однако на практике в термодинамике обычно используются две другие емкости - по отношению к энергии и работе, которые содержат много условностей. Например, емкость по отношению к энергии

C = dU/dP (64)

откуда

dU = CdP Дж,

условна в том смысле, что система и окружающая среда в процессе взаимодействия обмениваются между собой не энергией, а веществом. Энергия-мера, как и интенсиал, способна лишь изменяться в этом процессе.

В термодинамике выражение (64) обычно употребляется в следующем виде:

C = dU/dТ Дж/К, (65)

где

dU = CdТ Дж, (66)

В этих равенствах изменение энергии сопоставляется с изме­нением температуры, а величина С именуется теплоемкостьюсистемы.

Понятие емкости по отношению к работе, то есть

C = dQ/dP (67)

откуда

dQ = CdP Дж,

носит еще более условный характер, чем понятие емкости по отношению к энергии. Это объясняется тем, что работа, как и энергия, не является субстратом обмена между системой и окружающей средой. Кроме того, понятие емкости естественно предполагает наличие у системы соответствующих запасов работы. Но применительно к работе бессмысленно говорить о запасах, то есть о содержании: работа не способна содер­жаться, она может только совершаться в процессе переноса определенного количества вещества через контрольную по­верхность, с окончанием этого процесса прекращается и работа. На практике емкость (67) обычно применяется только для термических явлений. При этом роль термической работы играет так называемое количество тепла dQQ .В соответствии с этим

C = dQQ/dТ Дж/К (68)

dQQ = CdТ Дж, (69)

Величина С называется теплоемкостью.В термодинамике имеет хождение также термин «теплосодержание», которым определяются либо запасы энергии в теле, либо энтальпия [ТРП, стр.117-118].

5. Специфическая мера качества, или структуры, вещества.

Вникнув достаточно глубоко в содержание понятия емкости, мы можем теперь на новой основе вернуться к обсуждению коэффициента состояния. Из предыдущего ясно, что емкость характеризует способность системы заполняться посторонним веществом, или, условно говоря, ее некие пустотные, полостные свойства. В качестве упомянутого выше грубого примера можно сослаться на капиллярно-пористое тело, объем пор которого, или пористость, определяет емкость тела, его спо­собность заполняться, например, влагой.

Следовательно, коэффициент состояния, обратный емкости, должен характеризовать прямо противоположные свойства системы - способность последней препятствовать проникно­вению в нее постороннего вещества, то есть фактическую заполненность собственным веществом, распространенность, или полноту, структуры этого вещества. В примере с капил­лярно-пористым телом коэффициент состояния допустимо сопоставлять с объемом вещества самого тела, этот объем не может быть заполнен влагой. Чем больше объем собствен­ного вещества, выше плотность упаковки структуры тела, тем меньше его емкость и больше коэффициент состояния.

Рассмотренные соображения позволяют довольно четко представить себе физический смысл коэффициента состояния и найти ему надлежащее место в системе взглядов ОТ. Очевидно, что коэффициент состояния есть не что иное, как мера качества, структуры веществаансамбля (системы). Поэтому коэффициент состояния можно также назвать коэф­фициентом структуры, или просто структурой. И, следовательно, коэффициент структуры играет роль характеристики N2 в урав­нении (15) применительно к ансамблю простых явлений (26), то есть

N2 = А (70)

С каждым специфическим простым веществом сопряжена своя определенная совокупность основного и перекрестных коэффициентов структуры (см, формулы (55) и (56)). Следо­вательно, коэффициент структуры представляет собой специ­фическуюмеру качества вещества. Эта специфичность выра­жается в том, что система с l внутренними степенями свободы, состоящая из l простых веществ, имеет l2 самостоятельных структурных характеристик, из которых l основных, а остальные перекрестные (коэффициенты взаимного влияния, или взаим­ности). Каждой их этих структур соответствует своя спе­цифическая емкость.

На этом круг главных количественных мер ОТ примени­тельно к ансамблю простых явлений замыкается: найдена последняя характеристика, она определяет структуру простого вещества. Согласно уравнениям (14), (15) и (26), всего таких мер четыре; все они, кроме энергии, специфические, вот эти меры:

N1 = Е ; N2 = A ; N4 = U ; N5 = Р (71)

Следовательно, система с l внутренними степенями свободы определяется l экстенсорами Е , причем функциями экстенсоров являются l2 структурных характеристик А , одна универсальная мера U - энергия и l интенсиалов Р . Ниже, однако, будет показано, что коэффициент А далеко не исчерпывает всех особенностей структуры, поэтому главная мера N2 будет дополнена еще другой, равноправной с А характеристикой.

Таким образом, физический смысл мер, входящих в урав­нение ансамбля (26), более или менее прояснился: вместо неравенств (26) мы пришли к равенствам (71). Однако прежде чем продолжить анализ основного уравнения (31) с целью вывода оставшихся четырех начал ОТ и выяснения многих других важных свойств перечисленных характеристик, целесо­образно рассмотреть соотношения, с помощью которых можно находить величины А [ТРП, стр.118-120].

6. Закон качества, или структуры, вещества.

Воспользуемся первой строчкой уравнений (15) и выразим, с учетом равенств (27) и (70), основные и перекрестные коэффициенты А в виде соответствующих функций f от экстенсоров Е . Имеем

А11 = f11(E1 ; E2)

А12 = f12(E1 ; E2) (72)

А21 = f21(E1 ; E2)

А22 = f22(E1 ; E2)

Для простоты мы ограничились только двумя степенями свобо­ды (n = 2); этого вполне достаточно, чтобы отразить все осо­бенности взаимного влияния различных явлений.

Не желая иметь дело с абсолютными значениями величин и неизвестными функциями f, мы, как и прежде, воспользуемся формальным математическим приемом дифференцирования функций нескольких переменных. Находим

dA11 = B111dE1 + B112dE2

dA12 = B121dE1 + B122dE2 (73)

dA21 = B211dE1 + B212dE2

dA22 = B221dE1 + B222dE2

где

В111 = (А11/E1)E2 = 2Р1/E21 = 3U/E31 ;

В112 = (А11/E2)E1 = 2Р1/(E1E2) = 3U/(E21E2) ;

В121 = (А12/E1)E2 = 2Р1/(E2E1) = 3U/(E21E2) ;

В122 = (А12/E2)E1 = 2Р1/(E22) = 3U/(E1E22) ; (74)

В211 = (А21/E1)E2 = 2Р2/(E21) = 3U/(E2E21) ;

В212 = (А21/E2)E1 = 2Р2/(E1 E2) = 3U/(E22E1) ;

В221 = (А22/E1)E2 = 2Р2/(E2 E1) = 3U/(E22E1) ;

В222 = (А22/E2)E1 = 2Р2/E22 = 3U/E32

В гипотетических условиях системы с одной степенью свободы (n = 1) имеем

А = f(E) (75)

dА = ВdE (76)

где В = dА/dE = d2Р/dE2 = d3U/dE3 (77)

В формулах (74) и (77) производные от структур А определены через производные от интенсиалов Ρ с помощью равенств (55) и (56), а производные от интенсиалов - через производные от энергии с помощью равенств (37). Из формул (37), (55), (56) и (74) видно, какие экстенсоры при дифференцировании остаются постоянными.

Выведенные соотношения (73) и (76) представляют собой дифференциальные уравнения третьего порядка. Они опреде­ляют изменения структур А в зависимости от изменений экстенсоров Е .

В общем случае при nстепенях свободы системы изменение любой данной структуры А складывается из n величин, каждая из которых пропорциональна изменению соответствующего экстенсора Ε ; коэффициентами пропорциональности служат структуры В . Этот результат составляет содержание закона качества, или структуры, вещества.



Таким образом, мы определили специфические меры качества, или структуры, вещества А , играющие в уравнении состояния (54) роль коэффициентов пропорциональности. Конкретные зависимости величин А от экстенсоров (см. урав­нение (72)) можно наблюдать на примере рис. 3, а и б,где приведены мольные, отмеченные индексом μ, значения коэффициентов взаимности А12 (сплошные линии 1) и А21(штриховые линии 2)в функции объема V (при S = 126 кДж/кмоль·К.) и энтропии S (при V = 18 м3/кмоль); коэффициенты найдены по известным справочным данным для водяного пара [17, с. 132]; соответствующие значения основных структур в функции тех же экстенсоров приведены в табл. 2 работы [17, с.126]. В рассматриваемом примере роль экстенсора для термических явлений играет энтропия S .

Из дальнейшего изложения станет ясно, что на процесс структурообразования системы решающее влияние оказывают интенсиалы, входящие в уравнение состояния (54) в виде разностей и производных первого порядка (см. соотношения (55) и (56)). Поэтому закон, позволяющий определять неиз­вестные коэффициенты структуры А уравнения состояния с помощью равенств (73) и (76), можно также назвать законом структуры первого порядка [ТРП, стр.120-122].

7. Законы структуры второго и более высоких порядков.

Коэффициенты пропорциональности В , входящие в уравнения (73) и (76), тоже выражаются через интенсиалы, но уже в виде производных второго порядка (см. соотношения (74) и (77)). Поэтому они представляют собой коэффициенты структуры второго порядка, или просто структуры второго порядка, ибо связаны с силовым поведением вещества и, следовательно, характеризуют соответствующие более тонкие особенности процесса структурообразования, причем структуры В111 и В222 - основные, а остальные (В112 , В121 и т. д.) - перекрестные, или взаимности.

Для определения неизвестных величин В можно восполь­зоваться третьей строчкой основного уравнения (15). При этом структуры В играют роль свойств Xi, то есть

Xi = В (78)

Из соотношений (15), (27) и (78) получаем следующую систему уравнений, охватывающих все восемь коэффициентов В , входящих в равенства (74) (для простоты выписываем
только первую строчку этой системы):

В111 = f1111 ; Е2) (79)

...

Продифференцировав уравнения (79), находим

dB111 = C1111dE1 + C1112dE2 (80)

...

где

С1111 = (В111/Е1)Е2 = 2А11/Е21 = 3Р1/Е31 = 4U/Е4 (81)

...

В частном случае

В = f(Е) (82)

dВ = СdЕ (83)

где

С = dВ/dE = d2А/dE2 = d3Р/dE3 = d4U/dE4 (84)

Дифференциальные уравнения четвертого порядка (80) и (83) определяют коэффициенты структуры второго порядка В через более тонкие свойства С - основные и перекрестные, - являющиеся коэффициентами пропорциональности при экстенсорах. Из этих уравнений видно, что изменение любого данного коэффициента структуры второго порядка складывается из n величин, каждая из которых равна произведению соответству­ющего коэффициента структуры третьего порядка С на измене­ние сопряженного с ним экстенсора.

Найденный результат составляет содержание закона струк­туры второго порядка. С его помощью находятся структуры В , входящие в уравнения (73) и (76) закона структуры первого порядка (закона качества, или структуры, вещества).

Эту цепочку законов структуры различных порядков можно было бы продолжить, выразив коэффициенты структуры третьего порядка С через экстенсоры по типу равенств (78) и (79), при этом появятся коэффициенты структуры четвертого порядка D и т.д. [18, с. 20, 73; 21, с. 52]. Каждый последующий закон характеризует все более тонкие особенности процесса структурообразования, причем число этих особенностей непре­рывно возрастает, особенно сильно сказывается состав системы, в частности величина n. Например, при n = 1мы имеем по одному коэффициенту А , В и С ; при n = 2 количество этих коэффициентов соответственно равно 4, 8 и 16. Среди всех этих законов наиболее важное значение имеет первый, соот­ветствующий третьему началу ОТ: он связывает две главные характеристики вещества и его поведения – интенсиал Ρ (мера качества поведения) и структуру А (мера качества вещества).

На практике роль отдельных свойств А, В, С, D и т. д. определяется тем, насколько заметно они изменяются с экстенсорами. Например, если в первом приближении можно считать, что структура А (или емкость К) есть величина постоянная, тогда коэффициенты структуры В , С , D и т.д. обращаются в нуль. Если точность первого приближения недостаточна, то во втором приближении для определения теперь уже пере­менной структуры А (или емкости К) используются уравнения (73); при этом коэффициенты структуры В считаются постоян­ными, а величины С и т.д. равны нулю. В третьем прибли­жении нужно пользоваться уравнениями типа (80) при по­стоянных значениях коэффициентов С и нулевых D и т.д. [ТРП, стр.123-124].

Глава Х. Четвертое начало ОТ.

1. Вывод уравнения.

Дополнительный анализ третьего начала позволяет уста­новить новые интересные особенности взаимного влияния различных степеней свободы системы. Эти особенности легко обнаруживаются путем сопоставления правых частей равенств (56).

Как известно из математики, величина смешанной произ­водной типа (56) не зависит от порядка переменных, например Е1 и Е2 , по которым берется производная. Поэтому из соотношений (56) непосредственно вытекает следующее равенство:

(P1/E2)E1 = (P2/E1)E2 (85)

или

А12 = А21 (86)

Это равенство представляет собой дифференциальное урав­нение второго порядка в частных производных. Оно определяет симметричный характер взаимного влияния любой пары сте­пеней свободы системы. Поэтому равенства указанного типа называются уравнениями, или соотношениями, взаимности.

Соотношения типа (85) имеют важное теоретическое и прак­тическое значение. В частности, с их помощью существенно сокращается общее число коэффициентов состояния, которые необходимо определять при изучении свойств любой данной системы [ТРП, стр.125].

2. Четвертое начало ОТ, или закон взаимности (симметрии структуры).

Уравнения (54) и (86) определяют количественную сторону взаимного влияния различных явлений ансамбля. Согласно этим уравнениям, количество данного вещества влияет на качество поведения любого другого вещества точно так же, как количество этого другого вещества влияет на качество поведения данного. Этот результат составляет содержание закона взаимности.

Закон взаимности относится к начальному этапу эволюции, поэтому его можно назвать также четвертым началом ОТ. Закон взаимности выражает четвертое фундаментальное свой­ство природы. В соответствии с принципом вхождения этому закону обязано подчиняться любое явление, находящееся на произвольном уровне эволюционного развития.

Справедливость четвертого начала ОТ легко может быть проверена экспериментально. Для этого достаточно восполь­зоваться многочисленными опытными данными, имеющимися в справочной литературе применительно к самым различным веществам. Например, для газа, который рассматривается как термомеханическая система, соотношение взаимности (86) приобретает вид

- А12 = А21 (87)

где

А12 = (Т/V)s К/м3

А21 = (р/S)v НК/(Джм2).

Здесь роль экстенсора для термических явлений играет энтро­пия S ; знак минус говорит о том, что при положительном приращении объема V и уменьшении давления р ; (при рас­ширении газа) приращение температуры Т оказывается отрица­тельным, то есть газ охлаждается; это делает коэффициент А12 отрицательным.

На рис. 3, а и б были приведены конкретные значения коэффициентов А12 и А12 для водяного пара. Из рисунка видно, что коэффициенты взаимности равны друг другу с удовлетво­рительной степенью точности. Имеющиеся расхождения не вы­ходят за пределы ошибок опыта и графических построений. Это прямо подтверждает справедливость закона взаимности и косвенно - закона состояния.

Симметрия во взаимном влиянии различных явлений, опре­деляемая соотношениями типа (86), может быть наглядно про­иллюстрирована на простейшем примере системы с двумя сте­пенями свободы (n = 2). Из уравнений (54) видно, что коэф­фициент взаимности А12 определяет влияние второго экстенсора Е2 на первый интенсиал Р1 , а коэффициент А21 - влияние первого экстенсора Е1 на второй интенсиал Р2 . Согласно фор­мулам (56), величина А12 численно равна изменению первого интенсиала при изменении второго экстенсора на единицу, величина А21 - изменению второго интенсиала при изменении первого экстенсора на единицу. Соответствующие изменения первого и второго интенсиалов между собой равны. Это прямо следует из равенства (85), если в нем изменения экстенсоров, стоящие в знаменателе, положить равными единице. Например, в случае газа изменение объема на единицу вызывает измене­ние температуры на такую же величину, на какую изменяется давление при изменении энтропии на единицу.

Таким образом, мы вплотную подошли к интереснейшему вопросу, который непосредственно вытекает из четвертого начала ОТ и касается, в частности, проблемы симметрии в природе. Эта проблема издревле привлекала к себе присталь­ное внимание ученых. Теперь появилась возможность вникнуть в детали физического механизма этого удивительного и все­охватывающего явления.

Коэффициенты взаимности А12 и А21 фактически определяют симметричный характер силового поведения вещества, ибо мы находимся на эволюционном уровне простейшего силового взаимодействия. Поэтому первоначальное формирование ансамбля из соответствующих квантов неизбежно должно сопровождаться возникновением симметричных вещественных структур. Следовательно, коэффициенты взаимности можно назвать также коэффициентами симметрии структуры, или просто коэффициентами симметрии.

Обсуждаемая симметрия непосредственно определяется производными первого порядка от интенсиалов (см. уравнение (85)), поэтому заслуживает наименования симметрии первого порядка; она наиболее ярко выражена в ансамбле. В соответ­ствии с этим величины А12 и А21 , суть коэффициенты симметрии первого порядка, а закон взаимности - четвертое начало ОТ - можно назвать также законом симметрии структуры первого порядка, или просто законом симметрии первого порядка.

Обращает на себя внимание разнообразие свойств, кото­рыми одновременно обладают коэффициенты А , и определяю­щих эти свойства терминов. Все это разнообразие есть следствие той важной роли, которую играют в природе третье и четвертое начала ОТ, а также универсальное взаимодействие. Более тонкие виды симметрии (более высоких порядков) выявляются в ходе дальнейшей расшифровки смысла коэф­фициентов А методами ОТ [ТРП, стр.125-127].

3. Закон симметрии структуры второго порядка.

В уравнениях (73) количественная сторона влияния любого данного экстенсора на любую из структур А определяется коэффициентами пропорциональности В . Среди них особый интерес представляют перекрестные коэффициенты, так как именно они характеризуют механизм образования тонкой сим­метричной структуры второго порядка.

Набор перекрестных коэффициентов в законе структуры (73) оказывается значительно более обширным, чем в третьем начале (54). В законе (73) перекрестные коэффициенты определяют как влияние данного экстенсора на несопряжен­ную с ним основную структуру (В112 и Β221), так и совместное влияние обоих экстенсоров на перекрестные структуры (В121 , B122 , B211 и В212).

Сопоставление правых частей формул (74) позволяет прий­ти к интереснейшему заключению о том, что в случае закона (73) тоже имеется определенная симметрия во взаимном силовом влиянии веществ и их структур. Эта симметрия в усло­виях, когда η = 2, может быть выражена с помощью следующих соотношений взаимности, вытекающих из уравнений (74):

В112 = В121 = В211 ; B122 = B212 = B221 (88)

С увеличением числа степеней свободы nколичество таких соотношений резко возрастает.

Из равенств (73) и (88) видно, что второе вещество Е2влияет через коэффициент В112на первую основную структуру А11 в количественном отношении точно так же, как первое вещество Ε1 влияет через коэффициенты В121 и В211 на обе перекрестные структуры А12 и А21 . В свою очередь, влияние первого вещества Ε1 на вторую основную структуру А22 в точ­ности равно влиянию второго вещества Е2 на каждую из перекрестных структур А12 и А21 , причем количественная сторона этого влияния определяется перекрестными коэффи­циентами B221 , B122 и B212 .

Результат (88) составляет содержание закона симметрии структуры второго порядка.В данном случае действует преж­ний механизм силового взаимодействия между квантами вещества в ансамбле, но при этом проявляются более тонкие, чем прежде, особенности структурной симметрии. Перекрест­ные величины В являются коэффициентами симметрии вто­рого порядка [ТРП, стр.127-128].

4. Законы симметрии структуры третьего и более высоких порядков.

Равенства (81), определяющие коэффициенты структуры третьего порядка С , которые входят в уравнения закона структуры второго порядка (80), позволяют найти уравнения закона симметрии структуры третьего порядка.Для этого надо сопоставить правые части развернутых равенств (81). Имеем

С1112 = С1121 = С1211 = С2111 ;

С1122 = С1212 = С1221 = С2112 = С2121 = С2211 ; (89)

С1222 = С2122 = С2212 = С2221 .

Из соотношений (80) и (89) следует, что общее число коэф­фициентов структуры С равно 16, из них коэффициентов сим­метрии 14.

Если пойти по этому пути дальше и выразить коэффициенты структуры третьего порядка С через коэффициенты структуры четвертого порядка D , то последних будет 32, из них коэффи­циентов симметрии 30 и т.д. С увеличением тонкости структуры и числа степеней свободы системы nколичество признаков симметрии возрастает многократно. Продолжить эту цепочку законов симметрии структуры не составляет большого труда [18, с.23, 184; 21, с.60].

Таким образом, проясняется физический механизм форми­рования симметричных структур. Этот механизм проявляется уже на первом этапе эволюционного перехода явлений от парена (абсолютного вакуума) к простым явлениям и рас­пространяется далее в соответствии с правилом вхождения на все без исключения более сложные формы явлений природы. Причина механизма заключается в действии третьего и четвер­того начал ОТ, что позволяет по-новому взглянуть и на сами эти начала.

Теперь должно быть ясно, что третье начало не только характеризует всеобщую связь явлений, обусловленную нали­чием универсального взаимодействия, но одновременно опреде­ляет также важнейшие особенности этой связи, которые за­ключаются в симметричном способе воздействия одних веществ на другие. Симметричное силовое взаимодействие имеет своим следствием обязательный симметричный характер формиро­вания структуры любого ансамбля. Количественная сторона определенных наиболее заметных сторон этой симметрии зафиксирована в четвертом начале ОТ и вытекающей из него цепочке законов симметрии. При этом третье начало играет роль силового дирижера, управляющего симметрично направленным процессом объединения порций разнородных веществ в ансамбли. Четвертое начало определяет всевозмож­ные подробности симметрии на различных потонкости уров­нях ансамблей. Завершающие мазки в этой калейдоскопически разнообразной картине будут нанесены при рассмотрении пятого и шестого начал ОТ.

В течение последних столетий многие ученые с различных позиций подходили к проблеме симметрии и внесли в ее реше­ние весомый вклад. Вспомним, например, работы таких клас­сиков естествознания, как В.И. Вернадский, Л. Пастер, А. Пуанкаре и др. Термодинамика позволяет заложить под эту проблему наиболее общий фундамент и на этой основе вывести необозримое множество новых теоретических следствий и прогнозов, отражающих взаимное влияние различных сте­пеней свободы системы и поддающихся непосредственной экспериментальной проверке.

Обычно поражает воображение и радует глаз бесконечно разнообразная и красочная картина симметрии структуры у кристаллов. Здесь может быть получено особенно много новых полезных для практики результатов, в частности, при искусственном выращивании кристаллов, при управлении про­цессами формирования структуры металлургических отливок и слитков и т.д. Симметричный характер процессов кристал­лизации объясняется следующим образом.

Ансамбль состоит из множества порций разнородных про­стых форм вещества (см. формулу (27)). Все эти порции связаны между собой универсальным и специфическими взаимо­действиями, причем последние значительно интенсивнее первого. На микроуровне отдельные порции вещества создают вблизи себя очаги специфических силовых взаимодействий, так как в этих очагах наблюдаются резкие изменения интенсиалов в соответствии с уравнениями состояния типа (54). Поэтому в процессе кристаллизации присоединение квантов, а также ориентация и объединение микроансамблей в более сложные системы происходят избирательно именно по этим очагам. В результате образуются сложные симметричные системы. Вид симметрии этих систем определяется цепочками уравнений законов структуры и симметрии структуры, согласно которым интенсивность локальных специфических взаимодей­ствий изменяется симметрично под действием любой из под­веденных порций вещества.

Не меньший интерес представляет симметрия, наблюдаемая в живых организмах. Этот вопрос тоже может быть успешно обсужден в рамках изложенных соображений. Суть дела сво­дится к тому, что строение любого живого организма всегда бывает запрограммировано на уровне микромира - в генах. Но атомные и молекулярные структуры, ответственные за про­грамму развития организма, формируются по изложенным выше законам симметрии. Следовательно, симметрия организма тоже есть результат действия третьего и четвертого начал.

Из сказанного должно быть ясно, что симметрия окружаю­щего нас органического и неорганического мира обязана своим происхождением третьему и четвертому началам, которые, в свою очередь, суть непосредственные следствия наличия универсального взаимодействия. Наблюдаемые случаи откло­нения от строгой симметрии объясняются различными привхо­дящими обстоятельствами: изменениями внутренних и внешних условий в процессе образования микроансамблей, включая действие всевозможных полей; наличием посторонних примесей вещества в этих микроансамблях и т.д. [ТРП, стр.128-131].

5. Обобщенный закон взаимодействия, или обобщенный третий закон Ньютона.

Детальный разбор третьего и четвертого начал ОТ позволил по-новому взглянуть на проблему симметрии и тем самым заметно расширить наше понимание соотношений взаимности. Физическое содержание этих соотношений еще лучше прояс­няется, если равенство (85) переписать в виде

Р1Е1 = Р2Е2 Дж, (90)

где

Р1Е1 = dQ1 ; Р2Е2 = dQ2 (91)

При такой записи надо не забывать, что изменение каждого данного экстенсора рассматривается в условиях постоянства всех остальных.

Из выражений (90) и (91) видно, что величины dQ1 и dQ2 представляют собой некие работы, и это вполне естественно, ибо речь идет о силовом механизме взаимного влияния раз­личных степеней свободы ансамбля. Именно поэтому симмет­ричное изменение состояния системы требует равенства между собой работ, которые совершаются в ходе реализации взаимо­действий.

Взаимодействие происходит между подводимым веществом и неподвижным ансамблем системы. Отмеченная закономер­ность (90) наблюдается в момент присоединения (или отрыва) вещества к ансамблю на завершающем (начальном) участке пути вещества. Так что фактически все осуществляется вблизи неподвижного ансамбля и сопровождается изменением состоя­ния системы.

После прекращения этого процесса утрачивают смысл такие понятия, как работа, сила и перемещение. Результатом совершенной работы является энергия (см. уравнение (31)), которая представляет собой количественную меру связи порций веществ в ансамбле. Следовательно, равенство работ (90) можно рассматривать как равенство энергий связи первого вещества со вторым и второго с первым, что вполне зако­номерно.

Сделанный вывод имеет огромное теоретическое и практи­ческое значение. Во-первых, он позволяет понять глубинный смысл соотношений взаимности. Во-вторых, он говорит о том, что при взаимодействии двух веществ (ансамблей, тел) должно соблюдаться не равенство сил действия и противодействия, как того требует известный третий закон механики Ньютона, а равенство соответствующих работ или энергий связи. Этот чрезвычайно важный результат, который будет иметь необозри­мое количество всевозможных последствий для науки и техники, мы будем именовать обобщеннымзаконом взаимодействия, или обобщенным третьим законом Ньютона.

Обобщенный третий закон Ньютона, утверждая равенство работ взаимодействия (энергий связи), ни слова не говорит о действующих силах и пройденных путях. Это можно тракто­вать и так, что для процессов взаимодействия важны только работы и энергии и не существенны силы и пути. Такое пони­мание в принципе не исключает возможности несоблюдения равенства сил действия и противодействия, если окажутся неодинаковыми пройденные пути, которые пребывают в прямой зависимости, например, от хода реального физического времени на взаимодействующих телах. Таким образом, особую ценность полученного результата надо видеть в том, что он в принципе позволяет нарушать третий закон механики Ньютона. Все эти вопросы более подробно и наглядно излагаются в гл. XXI, где находятся необходимые и достаточные условия для такого нарушения - посредством управления ходом времени.

Из обобщенного третьего закона Ньютона также следует, что порции веществ (ансамбли, тела) удерживаются друг подле друга не силами, ибо сила есть мера качества поведения тел в процессе их сближения или отдаления (то есть в процессе совершения работы) и после прекращения этого процесса в телах не остается, а энергией (соответствующее понятие энергии связив свое время было выработано в физике). Что касается собственно третьего закона Ньютона, то он справедлив в том случае, когда при равенстве работ оказываются равными между собой также пройденные пути. Вместе с тем равенство по абсолютной величине сил действия и противодействия еще не может служить основанием для утверждения, что тела удерживают друг друга силами (такую терминологию нередко можно встретить в механике) [ТРП, стр.131-132].

6. Нелинейность дифференциальных уравнений ОТ.

В законах структуры и ее симметрии обращает на себя внима­ние удивительно симметричная, простая и удобная форма записи соответствующих дифференциальных уравнений. По-видимому, только такая форма и способна наиболее эффективно отразить все многообразие существующих в природе явлений структурной симметрии. Однако симметричная форма основ­ных уравнений может навести на неверную мысль о том, что в них каждое данное свойство (Р , А , В , С , D и т.д.) линейно (в первой степени) зависит от всех экстенсоров и свойств более высоких порядков, а сами уравнения являются линейными дифференциальными уравнениями.

Действительно, надо отдавать себе ясный отчет в том, что эта линейность является кажущейся. На самом деле в общем случае обсуждаемые дифференциальные уравнения в частных производных с математической точки зрения далеко не линейны из-за тех связей, которые имеются между упомянутыми свой­ствами и экстенсорами. Чтобы в этом убедиться, достаточно подставить в уравнения (54) значения свойств А , В и С из выражений (55), (56), (73), (74), (80) и (81) и принять во внимание, что приращения аргументов (экстенсоров) в дей­ствительности зависят от приращений интенсиалов. Это послед­нее обстоятельство выясняется при выводе уравнения пятого начала ОТ. В результате множители при производных от неиз­вестных функций Ρ содержат сами эти неизвестные функции и уравнения оказываются нелинейными.

Следовательно, симметричная (по виду линейная) форма записи уравнений еще не означает линейности самих уравне­ний. Благодаря существенной нелинейности дифференциальных уравнений математический аппарат ОТ приобретает исключи­тельные гибкость и универсальность [21, с.55]. Это замечание в равной мере относится к уравнениям всех семи начал ОТ.

Принятая симметричная форма записи уравнений не случай­на. Она потребовалась для того, чтобы специально выделить в уравнениях те их части, то есть те свойства А , В , С , D и т.д., которые подчиняются законам симметрии структуры типа (86), (88), (89) и т.д. При другой форме записи было бы зна­чительно труднее установить эти законы [ТРП, стр.133].

7. Идеальная система.

Нелинейные дифференциальные уравнения ОТ становятся линейными лишь в отдельных частных случаях, например когда свойства А в уравнениях типа (54) оказываются вели­чинами постоянными, при этом структуры В , С , D и т.д. обращаются в нуль. Систему, обладающую такими свойствами, будем называть идеальной.

Существует много различных определений понятия идеаль­ной системы, из них логически оправданными можно считать два. Первое предполагает отсутствие в системе трения. Это понимание сыграло в науке свою положительную роль. Однако такого рода идеализация большого интереса для нас не пред­ставляет, ибо в ОТ сформулирован всеобщий закон диссипа­ции - седьмое начало, поэтому пренебречь трением значит пренебречь одним из важнейших законов природы, то есть вместе с водой выплеснуть из ванны и ребенка.

Второе определение к идеальным относит системы, у кото­рых физические коэффициенты типа А , К и т.д. не зависят от экстенсоров и, следовательно, являются величинами посто­янными. Именно такое определение мы будем использовать в качестве основного. Преимущество его заключается в том, что математический аппарат исследования предельно упро­щается, вместе с тем все главные свойства системы, харак­теризуемые началами ОТ, не выпадают из поля зрения иссле­дователя. Этого рода идеализация является значительно более общей и важной для теории и практики, чем первая; в частности, она позволяет крайне упростить изучение реальных систем с трением. Вторая идеализация, как и начала ОТ, может быть применена к любому количественному уровню мироздания (нано-, микро-, макро- и т.д.) и любому агрегат­ному состоянию системы (твердому, жидкому, газообразному).

Разумеется, в действительности не существует идеальных систем, они являются предельной абстракцией. Однако в пер­вом приближении допущение о постоянстве свойств типа А , К и т.д. сделать часто возможно. Возникающая в расчетах ошибка будет тем меньше, чем ближе реальная система подходит по своим свойствам к идеальной.

В качестве простейшего примера проинтегрируем диффе­ренциальное уравнение состояния (54) применительно к иде­альной системе (А = const; n= 2).Имеем

Р1 = А11Е1 + А12Е2 (92)

Р2 = А21Е1 + А22Е2

где

А12 = А21

Постоянные интегрирования положены равными нулю, так как при Е = 0 интенсиал системы Р = 0, что прямо следует из свойств парена (см. параграф 1, гл. XVII).

В условиях одной степени свободы (A = const; n = l) из дифференциального уравнения (58) с учетом равенства (60) получаем

Р = АЕ ; Е = КР (93)

Из уравнений (92) видно, что каждый интенсиал зависит от всех полных экстенсоров системы, при этом сохраняется симметрия во взаимном влиянии степеней свободы. Из выра­жения (93) следует, что у идеальной системы интенсиал про­порционален экстенсору, например, электрический потенциал пропорционален электрическому заряду, температура - энтро­пии, сила - деформации (закон Гука), момент силы - углу закручивания и т.д.; в трех последних примерах использованы не истинно простые, а условно простые экстенсоры (см. пара­графы 5, 9 и 16 гл. XV) [ТРП, стр.133-135].

Глава ХI. Пятое начало ОТ.

1. Состояние и перенос.

Продолжим анализ интенсиала Р , входящего в основное уравнение (31) для ансамбля простых явлений и пред­ставляющего собой специфическую меру интенсивности силового взаимодействия вещества. Это позволит обна­ружить следующее - пятое - важнейшее свойство, одно­временно присущее также всем явлениям, находящимся на более высоких уровнях эволюционного развития.

Из закона состояния должно быть ясно, что в готовом ансамбле интенсиал характеризует интенсивность, напряжен­ность, активность поведения сопряженного с интенсиалом вещества. Эта активность сохраняется в течение всего времени существования системы в данном состоянии и реализуется в ходе изменения этого состояния.

Вместе с тем ранее было установлено, что при образова­нии и распаде ансамбля интенсиал определяет интенсивность процесса, является специфическим аналогом силы. Это прямо следует из сопоставления формул (28) и (42), то есть

Рх = Р(dE/dx) ; Р = Рх(dx/dE) (94)

Поэтому интенсиал оказывает соответствующее влияние и на интенсивность, скорость переноса вещества, причем специфика заключается в том, что с каждым данным веществом сопряжен свой особый интенсиал, ответственный за перемещение только этого вещества.

Таким образом, выясняется новая роль интенсиала - служить движущей причиной переноса, распространения веще­ства. Об интенсивности этого переноса можно было бы на­глядно судить, например, по величине универсальной силы Рх , если бы ее удалось выразить через такие специфические меры, как интенсиал и экстенсор. Однако в этом вопросе имеются и определенные тонкости, ибо интенсивность поведения вещества в данном состоянии и интенсивность его перемещения в ходе изменения указанного состояния - это принципиально различные вещи. Поэтому в рассматриваемых условиях найти необходимую универсальную меру Рх , например, по формуле (94) не представляется возможным. Требуется разобраться в этих тонкостях.

Каждое основное вещество излучает и окружено веществом взаимодействия. Это значит, что основное вещество взаимо­действует одновременно со всех сторон и приобретает способ­ность перемещаться только в том случае, если разнонаправ­ленные воздействия на него не уравновешивают друг друга. Иными словами, для переноса вещества существенна не абсолютная величина активности, а равнодействующая, или разность, этих величин. Именно эта разность участвует в процессе переноса данного вещества.

Обсуждаемая разность определяется в зависимости от характера распределения интенсиала. Например, если на инте­ресующем нас участке нет скачка интенсиала, тогда разность dP берется на расстоянии dx (похожие условия изображены на рис. 2, а), где

dР = Рс - Рси (95)

При наличии скачка в данном сечении разность составляет величину δΡ (такие условия для контрольной поверхности показаны на рис. 2, в и г). Имеем

Р = Рс - Рси (96)

где Рс - значение интенсиала окружающей среды; Рп - зна­чение интенсиала на поверхности системы. Величина dP именуется перепадоминтенсиала на участке dx , а δΡ - напором интенсиала на поверхности.

Следовательно, чтобы определить искомую силу Рх , надо пользоваться не формулой (94), а приравнять работы типа (28) и (91). Например, с учетом разности (95) находим

Рхdх = - dРdЕ ,

откуда

Рх = - (dР/dх)dЕ . (97)

Универсальная сила Рх , участвующая в процессе переноса, пропорциональна градиенту интенсиала dP/dx и количеству переносимого вещества dE .Знак минус говорит о том, что сила направлена в сторону уменьшения интенсиала, то есть градиент и сила смотрят в противоположные стороны.

Из сказанного должно быть ясно, что равнодействующая, суммарная сила, определяемая формулой (97) и ответственная за перенос вещества, не равна силе (94). Благодаря этой раз­нице большая активность поведения не обязательно сочета­ется с высокой интенсивностью распространения вещества, а малая активность - с низкой. Для переноса важен не уро­вень активности Р , а разность уровней dP (см. формулу (97)). Например, при высокой активности разность интенсиалов может быть небольшой, тогда интенсивность процесса переноса будет незначительной. Наоборот, вблизи нуля интенсиала, когда активность поведения невелика, разность интенсиалов может быть сравнительно высокой и процесс распространения веще­ства окажется более интенсивным, чем в первом случае.

Установленная разница между активностью поведения и интенсивностью распространения вещества имеет важное принципиальное значение для всего последующего. Она за­ставляет рассматривать отдельно эти две категории отноше­ний, а также позволяет по-новому взглянуть на полученные ранее результаты, в частности на третье начало ОТ.

Становится ясно, что интенсиал, входящий во все преды­дущие уравнения, фактически является характеристикой активности, напряженности, интенсивности поведения (состоя­ния) системы. Что касается интенсивности переноса, то этот вопрос упомянутыми уравнениями непосредственно не решает­ся. Сказанное относится и к третьему началу ОТ, которое опре­деляет только активность состояния системы.

Таким образом, мы пришли к интереснейшему выводу о не­обходимости различать состояние и перенос, который является причиной изменения состояния. Более того, анализ показывает, что в природе существуют только эти две основные категории отношений - состояние и изменение состояния. Поэтому теория приобретет необходимую законченность только в том единствен­ном случае, если она сможет с исчерпывающей полнотой описать одновременно обе указанные категории.

Детально оценивать состояние системы с помощью интен­сиала и выведенных ранее уравнений мы уже умеем. Теперь предстоит научиться то же самое проделывать с изменением состояния. Для этого надо вывести соответствующие урав­нения переноса, которые бы связали с интенсиалом количество перенесенного вещества. Очевидно, что без интенсиала и здесь обойтись невозможно, ибо именно через него определяется суммарная сила, ответственная за перенос вещества (см. фор­мулу (97)) [ТРП, стр.136-138].

2. Вывод обобщенного дифференциального уравнения переноса.

Из равенства (97) и комментариев к нему видно, что интенсив­ность процесса переноса, а значит, и количество перенесенного вещества dE должны зависеть от разности интенсиалов dΡ . Следовательно, в уравнении переноса в отличие от уравнения состояния экстенсор dE должен быть выражен через разность интенсиалов dP .Чтобы найти соответствующую функциональ­ную зависимость, необходимо обратиться к третьему началу ОТ.

Согласно третьему началу, имеет место однозначная связь между интенсиалами и экстенсорами (см. уравнение (52)). Отсюда прямо следует, что экстенсоры можно выразить через интенсиалы, для этого из каждой строчки уравнения (52) находится соответствующий экстенсор и подставляется в остальные строчки. В результате выполнения указанной процедуры получается совокупность следующих так называе­мых обращенныхзависимостей:

Ek = fk(Р1 ; Р2 ; ... ; Рn) (98)

где k = 1, 2, ... , n ; fk - некие новые неизвестные функции.

В обращенном уравнении (98) роль аргументов играют интенсиалы, а роль функций - экстенсоры. Однако отсюда вовсе не должно вытекать, что интенсиалы, подобно экстенсорам, являются первичными величинами и их можно именовать параметрами состояния. В действительности, как мы видели, первичность и вторичность тех или иных характеристик опреде­ляются из других соображений.

По-прежнему для простоты ограничимся системой с двумя степенями свободы. В этом случае уравнение (98) приобретает вид (n = 2)

E1 = f11 ; Р2 ) (99)

E2 = f21 ; Р2 )

Путем дифференцирования находим

dE1 = KP11dР1+KP12dР2 (100)

dE2 = KP21dР1+KP22dР2

где

KP11 = (Е1/Р1)Р2;KP22 = (Е2/Р2)Р1; (101)

KP12 = (Е1/Р2)Р1;KP21 = (Е2/Р1)Р2. (102)

Индекс, стоящий внизу скобки, указывает на интенсиал, ко­торый при дифференцировании сохраняется постоянным. В наиболее простом частном случае, когда n = 1, получаем

Е = f(Р) (103)

dЕ = КdР (104)

где

К = 1/А = dЕ/dР (105)

Выражения (100)-(102) несколько напоминают уравнения состояния (54)-(56). Вместе с тем между ними имеется и существенная разница.

Прежде всего необходимо отметить, что в новое уравнение (100) входят емкости Кр , найденные при постоянных значениях интенсиалов; это обстоятельство подчеркивается индексом Р . В уравнениях состояния, где емкости К и структуры А опреде­ляются при постоянных экстенсорах, соответствующий индекс Ε при них опущен.

Как и прежде, емкости Кр обратны характеристикам Ар , которые тоже берутся при постоянных Р, то есть

Ар = 1/Кр (106)

Характеристики Кр и Ар в принципе отличны от характеристик К и А . Неучет этого обстоятельства может привести к серьезным ошибкам, особенно если система находится вблизи нуля интен­сиалов. Разницы между указанными характеристиками нет только в том гипотетическом частном случае, когда система располагает всего одной степенью свободы (см. формулы (60) и (105)).

Экстенсоры dE в уравнениях (54) и (100) имеют один и тот же смысл - они характеризуют количества переданных веществ. Что касается разностей dP ,то в первом случае они определяют изменение состояния системы, а во втором - те перепады или напоры, которые служат причиной переноса веществ. Естественно поэтому, что разности dP в уравнениях (54) и (100) не равны между собой.

Дифференциальное уравнение (100) связывает количества перенесенных веществ с имеющимися разностями интенсиалов, следовательно, его допустимо трактовать как некое обобщен­ное дифференциальное уравнение переноса. Согласно этому уравнению, количества перенесенных веществ dE пропорцио­нальны разностям интенсиалов dP , причем коэффициентами пропорциональности служат емкости Кр , найденные при постоянных значениях интенсиалов. Эти емкости именуются обобщенными проводимостями [17, с.37; 18, с.142; 21, с.64]. Из выражений (100), (101) и (102) видно, что существуют два типа обобщенных проводимостей: основные, индексы которых составлены из одинаковых цифр, и перекрестные, их индексы содержат разные цифры. В частном случае из равенств (100) и (104) могут быть получены все известные уравнения переноса [ТРП, стр.139-141].

3. Термодинамический поток и «сила».

Обобщенное дифференциальное уравнение переноса (100) весь­ма примечательно, ибо оно в самом общем виде описывает процесс распространения любого вещества, в том числе метри­ческого и хронального, которые имеют отношение к простран­ству и времени. Но вопрос о пространстве и времени требует особого, более глубокого рассмотрения. Поэтому в настоящей главе мы ограничимся лишь приведением уравнения (100) к общепринятому виду, в котором пространство и время играют роль неких вспомогательных, опорных, эталонных характери­стик.

Чтобы иметь возможность перейти к традиционной записи уравнения (100), необходимо вначале ввести понятия термо­динамических потока и «силы», как это делается в термоди­намике необратимых процессов. Для практических целей в работе [17, с.37-53] рекомендуются восемь различных основных вариантов выбора потоков и сил. Из них здесь рас­сматриваются четыре наиболее употребительных. В случае распространения метрического и хронального веществ при­ходится принимать во внимание также некоторую их специ­фику (см. параграфы 1 и 2 гл. XV).

Термодинамический поток, или просто поток, пропорциона­лен количеству перенесенного вещества, характеризуемого экстенсором dE .Наибольший практический интерес представ­ляют два весьма характерных выражения для потока. В первом случае количество вещества dE относится к единице площади поверхности dF и единице времени dt .Такой удельный поток обычно обозначается буквой J . Имеем

J = dE/(dFdt) (107)

Во втором случае количество вещества относится только к единице времени и обозначается буквой I . Получаем

I = dE/dt (108)

Потоки J и I , характеризующие конкретные условия пе­реноса, широко применяются на практике: первый поток на­иболее известен в теории теплопроводности, второй - в элек­тротехнике, где именуется силой тока.

Термодинамическая сила, или просто сила, ответственная за перенос вещества, пропорциональна разности интенсиалов (об этом уже говорилось). Применительно к силе тоже пре­дусмотрены два характерных варианта, отражающих конкрет­ные условия переноса. В первом случае сила обозначается через X , она представляет собой напор интенсиала δΡ , опре­деляемый формулой (96). Имеем

Х = - Р = - (Рс – Рп) (109)

Вторая конкретная сила, обозначаемая буквой Υ , пред­ставляет собой градиент интенсиала dР/dх ,то есть

Y = - dP/dx (110)

Знак минус в правых частях равенств (109) и (110) сви­детельствует о том, что вещество распространяется от боль­шего значения интенсиала к меньшему, при этом разности Р и dP оказываются отрицательными. Но потоки веществ J и I , а следовательно, и силы X и Υ должны быть положи­тельными. Поэтому знак минус компенсирует отрицательные значения разностей δΡ и dP .

Заметим, что термин «термодинамическая сила», или «сила», является общепринятым в термодинамике необрати­мых процессов. Однако он ничего общего не имеет с истин­ным понятием силы. Именно поэтому упомянутый термин был заключен нами в кавычки. В дальнейшем кавычки опу­скаются, но нужно не забывать об имеющейся в этом тер­мине условности. Теперь мы располагаем уже тремя сход­ными по названию понятиями: сила, специфическая сила (интенсиал) и термодинамическая сила (разность или гра­диент интенсиала). Только первое понятие является силой в истинном смысле этого слова, два других понятия - это условные силы, они связаны с истинной силой соотношениями (94) и (97). Еще более условный смысл имеет понятие сила тока в электротехнике. Отметим также, что в принятых ра­венствах (107)-(110) по традиции в качестве опорных, эталонных использованы следующие пространственные и вре­менные характеристики: площадь F , протяженность х и время t [ТРП, стр.141-142].

4. Четыре частных уравнения переноса.

Воспользуемся теперь конкретными потоками J и I и силами X и Υ и преобразуем обобщенное уравнение (100) к виду, удобному для практического использования. При этом всего получаются четыре частных варианта дифференциальных уравнений переноса, ибо каждый из потоков J и I может сочетаться с каждой из сил X и Υ .

В первом варианте сочетаются поток J и сила X . В про­стейших условиях двух степеней свободы (n = 2) из выра­жений (100), (107) и (109), заменив разность dPна Р , получим

J1 = 11X1 + 12X2 (111)

J2 = 21X1 + 22X2

где

11 = - KP11(1/(dFdt)) ; 22 = - KP22(1/(dFdt)) (112)

12 = - KP12(1/(dFdt)) ; 21 = - KP21(1/(dFdt)) (113)

В гипотетических частных условиях, когда n = 1,имеем

J = X (114)

где

= - К(1/(dFdt)) (115)

В уравнениях переноса (111) и (114) величина пред­ставляет собой частную проводимость, которая играет роль, например, коэффициента отдачи вещества на контрольной поверхности системы. В частном случае из равенства (114) получается известное уравнение закона теплообмена на по­верхности тела Ньютона (см. параграф 2 гл. XX).

Во втором варианте сочетаются поток I и сила X . Ограничи­ваясь двумя степенями свободы (n = 2), из выражений (100), (108) и (109) находим

I1 = 11X1 + 12X2 (116)

I2 = 21X1 + 22X2

где

11 = - KP11(1/dt) ; 22 = - KP22(1/dt) (117)

12 = - KP12(1/dt) ; 21 = - KP21(1/dt) (118)

При n = 1 получаем

I = X (119)

где

= K(1/dt) (120)

В уравнениях переноса (116) и (119) частная проводи­мость есть, например, коэффициент отдачи вещества на контрольной поверхности системы. В отличие от коэффициен­та , относящегося к единице площади поверхности, вели­чина относится к поверхности в целом.

В третьем варианте сочетание потока J и силы Υ при двух степенях свободы (n = 2) позволяет получить из выражений (100), (107) и (110) следующее частное дифференциальное уравнение переноса:

J1 = L11Y1 + L12Y2 (121)

J2 = L21Y1 + L22Y2

где

L11 = - KP11(dx/(dFdt)) ; L22 = - KP22(dx/(dFdt)) (122)

L12 = - KP12(dx/(dFdt)) ; L21 = - KP21(dx/(dFdt)) (123)

При n = 1 имеем

J = LY (124)

где

L = - K (dx/(dFdt)) (125)

В уравнениях (121) и (124) коэффициент L представляет собой удельную проводимость системы по отношению к веще­ству. В частных случаях выражение (124) дает известные уравнения законов теплопроводности Фурье, электропровод­ности Ома, диффузии Фика и фильтрации Дарси [17, 18, 21].

Наконец, в четвертом частном варианте сочетаются поток I и сила Υ . Для двух степеней свободы (n = 2) из равенств (100), (108) и (110) находим

I1 = M11Y1 + M12Y2 (126)

I2 = M21Y1 + M22Y2

где

M11 = - KP11(dx/dt) ; M22 = - KP22(dx/dt) (127)

M12 = - KP12(dx/dt) ; M21 = - KP21(dx/dt) (128)

При n = 1 имеем

I = MY (129)

где

M = - K (dx/dt) (130)

Частная проводимость Μ отличается от L тем, что отно­сится не к единице площади сечения системы, как L , а ко всему сечению. Именно в такой форме обычно используется закон электропроводности Ома.

Перечисленные частные дифференциальные уравнения пе­реноса позволяют охватить самые характерные и наиболее часто встречающиеся на практике условия распространения вещества [ТРП, стр.143-145].

5. Пятое начало ОТ, или закон переноса.

Из дифференциальных уравнений переноса - обобщенного (100) и частных (111), (116), (121) и (126) - следует, что в процессе распространения вещества наблюдается взаимное влияние всех nпотоков и термодинамических сил. Даже при наличии только одной какой-либо силы ни один из потоков не обращается в нуль. Отсюда можно сделать интересней­ший вывод о том, что всеобщая связь присуща не только явлениям состояния, но и явлениям переноса. Выведенные уравнения позволяют детально разобраться в характере и причинах имеющейся связи.

В случае явлений состояния всеобщая связь сводится к тому, что происходит взаимное влияние всех nвеществ, на­ходящихся в системе. Это влияние с качественной и коли­чественной стороны определяется третьим и четвертым на­чалами ОТ, оно прежде всего сказывается на величине интенсиала, характеризующего активность, напряженность, ин­тенсивность поведения системы, причем интенсиал определя­ется уравнением состояния.

В случае явлений переноса речь идет о том, что каждое данное вещество распространяется под действием сопряженной с ним термодинамической силы (разности или градиента интенсиала). Но одновременно наблюдается также перенос всех остальных веществ из числа n ,на которые данная тер­модинамическая сила непосредственно не влияет. Конечно, имеются в виду условия, когда все прочие термодинамиче­ские силы, кроме данной, равны нулю. Это значит, что осталь­ные вещества увлекаются данным и в этом может быть по­винно только универсальное взаимодействие, присущее всем веществам без исключения. Следовательно, не только систе­ма, но и объект переноса обладает свойствами ансамбля, в котором связанны между собой разнородные вещества.

Как видим, всеобщая связь явлений приводит к объеди­нению порций веществ в ансамбли, составляющие систему, а также в ансамбли, служащие объектами переноса. Однов­ременно происходит взаимное влияние указанных двух типов ансамблей, что находит соответствующее отражение в уров­нях активности поведения системы и интенсивности распро­странения вещества. При этом интенсивность распростране­ния сказывается на величине потоков, которые определяют­ся уравнениями переноса.

Всеобщая связь явлений, проявляющаяся в процессах рас­пространения вещества, составляет замечательное свойство природы, оно может быть сформулировано в виде особого закона переноса. В общем случае закон переноса, или пятое начало ОТ, выглядит следующим образом: поток любого ве­щества складывается из nвеличин, каждая из которых про­порциональна соответствующей термодинамической силе, ко­эффициентами пропорциональности служат проводимости - основные и перекрестные, обобщенные или частные.

Пятое начало ОТ - это известный физический закон, впервые сформулированный Онзагером в его термодинамике необратимых процессов. Однако в ОТ этот закон приобрел наиболее общую и универсальную форму: он был распрост­ранен на все разнообразные вещества природы. Ему также дано новое физическое толкование. Благодаря этому появ­ляется возможность дополнительно сделать большое число теоретических прогнозов, не доступных для традиционной те­ории и поддающихся непосредственной экспериментальной про­верке. В частности, пятое начало ОТ позволяет эксперимен­тально подтвердить факт существования универсального вза­имодействия и определить конкретные значения величины универсальной силы, которая ответственна за объединение разнородных веществ в переносимые ансамбли (см. параг­раф 7 гл. XX) [21, с.352].

Следует заметить, что любое конкретное уравнение переноса справедливо только для условий, при которых в ходе процесса не изменяются существенно ни свойства системы, ни особенно состав переносимых ансамблей. Всякие такого рода изменения прежде всего сказываются на значениях ко­эффициентов состояния и переноса, а в отдельных случаях могут привести даже к изменению числа степеней свободы системы. Такие условия могут возникнуть, например, при очень больших перепадах интенсиала в системе, если ее свой­ства и свойства переносимых ансамблей сильно изменяются с изменениями этого интенсиала. Соответствующие достаточ­но подробные оговорки были сделаны ранее в параграфе 2 гл. IX применительно к третьему началу ОТ.

На практике обычно пользуются частными уравнениями переноса. В некоторых дисциплинах отдельные виды проводимостей именуются по-разному, в частности коэффициента­ми переноса (например, коэффициент массопереноса, теплопереноса), коэффициентами отдачи, если речь идет о поверхности тела (например, коэффициент массоотдачи, теплоотдачи), коэффициентами передачи, когда в процессе участвует цепочка типа среда - тело - среда (например, коэффициент массопередачи, теплопередачи) и т.д. Мы не будем прене­брегать традиционными наименованиями, но все же пред­почтение будем отдавать терминам, которые ближе отвечают духу ОТ.

Во всех уравнениях переноса - обобщенных и частных - основные проводимости,или основные коэффициенты перено­са, отражают влияние данной силы на сопряженный с нею поток, а перекрестные проводимости, или перекрестные ко­эффициенты переноса, - на несопряженные с нею потоки. Основные проводимости имеют индексы, составленные из одинаковых цифр, перекрестные - из разных. Перекрестные проводимости именуются также коэффициентами увлечения[20, 21]. Коэффициенты увлечения определяют количествен­ную сторону взаимного увлечения различных потоков [ТРП, стр.145-147].

6. Проводимость и сопротивление.

Дополнительные интересные сведения о пятом начале ОТ можно получить, если углубиться в анализ физического смыс­ла коэффициентов переноса КР , , , L и М .При этом вполне достаточно ограничиться рассмотрением только одной величины КР , ибо через нее выражаются все остальные.

Уже отмечалось, что в уравнениях переноса характеристика КР играет роль обобщенной проводимости. Очевидно, что по своей физической сути проводимость, грубо говоря, должна определять некие пустотные, полостные свойства системы, ее способность пропускать сквозь себя постороннее веще­ство. Это значит, что проводимость сродни емкости, именно поэтому в уравнениях переноса роль проводимости играет емкость.

Однако должно быть совершенно ясно, что способность про­пускать вещество, определяемая емкостью КР, не тождественна способности заполняться веществом, определяемой емкостью К (см. параграф 3 гл. IX). Имеющуюся разницу легко себе представить на условном примере двух капиллярно-пористых тел, обладающих одинаковыми суммарными объемами пор, но различными по размерам и конфигурации капиллярами. У этих тел способности заполняться влагой окажутся оди­наковыми, но пропускательные способности будут между собой не равны из-за неодинаковых гидродинамических сопро­тивлений капилляров. Несходство этих двух способностей находит свое отражение в разнице между емкостями при по­стоянных интенсиалах и постоянных экстенсорах.

Следовательно, коэффициент АР , обратный обобщенной проводимости КР (см. формулу (106)), должен характери­зовать свойство системы сопротивляться прохождению сквозь нее вещества. Иными словами, характеристика АР представ­ляет собой коэффициент обобщенного сопротивления систе­мы, или просто обобщенное сопротивлениесистемы. Чем большей проводимостью обладает система, тем меньше ее сопротивление и наоборот. Отдельные частные виды сопро­тивлений обозначим через А , А , AL и АМ , они обратны со­ответственно проводимостям , , L и М.

На практике находит применение следующая частная форма полного сопротивления проводника длиной х и сече­нием F :

R = AMх = х/M = AL(х/F) = х/(FL) (131)

Через полное сопротивление R потоки J и I выражаются так:

J = P/(RF) (132)

I = FJ =P/R (133)

E = JFt = It = Pt/R (134)

где ΔΡ - разность интенсиалов на концах проводника; Ε - количество перенесенного вещества; t - длительность процес­са. В форме (133) обычно записывается закон электропро­водности Ома.

Все сказанное позволяет хорошо уяснить смысл вели­чин, входящих в равенство (106) [ТРП, стр.147-149].

7. Вторая специфическая мера качества, или структуры, вещества.

Очевидно, что величина АР , тождественная сопротивлению и обратная емкости, по сути дела должна характеризовать заполненность системы собственным веществом, полноту структуры этого вещества, причем эта полнота рассматри­вается под углом зрения способности системы пропускать переносимое вещество. Следовательно, величина АР тоже представляет собой некую меру качества, структуры веще­ства, или просто структуру вещества.

Одна структура нам уже известна - эта величина А , она определяется формулой (60). Очевидно, что структуры А и АР не тождественны: первая подчеркивает заполненность си­стемы собственным веществом, оставляя открытым вопрос о возможности проникновения постороннего вещества в си­стему, вторая, наоборот, делает упор на проницаемость системы для постороннего вещества, не подчеркивая роли заполненности. В совокупности обе величины хорошо опре­деляют главные свойства структуры системы, дополняя друг друга.

В силу сказанного величину АР в отличие от А целесооб­разно именовать второй мерой качества вещества, или вто­рой структурой. При этом вторая мера качества АР , как и первая А , является мерой специфической, сопряженной с каждым отдельным специфическим веществом системы.

Таким образом, коэффициент АР играет роль второй ха­рактеристики, входящей в состав меры Ν2 уравнения (15) применительно к ансамблю простых явлений (26). Теперь вместо выражения (70) мы должны записать

N2 = f(А ; АР) (135)

где f - некоторая функция, зависящая от особенностей структуры системы.

В соответствии с этим полная совокупность главных ко­личественных мер (71), характеризующих ансамбль простых явлений, должна быть несколько дополнена. Имеем

N1 = E ; N2 =f(А ;АР) ; N4 = U ; N5 = P (136)

Полученный результат интересен с познавательной точки зрения. Оказывается, хорошо известное понятие сопротивле­ния является второй количественной мерой структуры, бла­годаря чему оно попадает в разряд главнейших характерис­тик вещества. Такая новая окраска сопротивления, прово­димости и емкости при постоянных интенсиалах позволяет по-новому взглянуть на пятое и третье начала, на их взаим­ную связь и на проблему единства окружающего мира и его законов [ТРП, стр.149-150].

8. Второй закон качества, или структуры, вещества.

Продолжим обсуждение пятого начала, сделав уклон, как и в случае третьего начала, в сторону определения струк­турных характеристик вещества. С этой целью нетрудно не­посредственно выразить вторые структуры АР (основные и перекрестные) через экстенсоры, согласно первой строчке уравнения (15), либо через интенсиалы, согласно уравне­ниям (15) и (98); при этом можно получить много полезных результатов. Однако, имея в виду шестое начало ОТ, мы для краткости пойдем по пути определения проводимости КР , ко­торая обратна второй структуре АР , следовательно, мы здесь мало что теряем.

Для удобства рассуждений проводимость выразим через интенсиалы. Например, для системы с двумя степенями сво­боды (n = 2) из уравнений (15) и (98) имеем

КР11 = fР111 ; Р2)

КР12 = fР121 ; Р2) (137)

КР21 = fР211 ; Р2)

КР22 = fР221 ; Р2)

Дифференцирование этих общих уравнений дает

dКР11 = ВР1111 + ВР1122

dКР12 = ВР1211 + ВР1222 (138)

dКР21 = ВР2111 + ВР2122

dКР22 = ВР2211 + ВР2222

где

ВР111 = (КР11/Р1)Р2 = 2Е1/Р21 = 3А2/Р31

ВР112 = (КР11/Р2)Р1 = 2Е1/(Р1Р2) = 3А2/(Р21Р2)

ВР121 = (КР12/Р1)Р2 = 2Е1/(Р2Р1) = 3А2/(Р21Р2)

ВР122 = (КР12/Р2)Р1 = 2Е1/Р22 = 3А2/(Р1Р22) (139)

ВР211 = (КР21/Р1)Р2 = 2Е2/Р21 = 3А2/(Р2Р21)

ВР212 = (КР21/Р2)Р1 = 2Е2/(Р1Р2) = 3А2/(Р22Р1)

ВР221 = (КР22/Р1)Р2 = 2Е2/(Р2Р1) = 3А2/(Р22Р1)

ВР222 = (КР22/Р2)Р1 = 2Е2/Р22 = 3А2/Р32

Здесь величина А2 представляет собой некую функцию, которая в термодинамике применительно к термомеханичес­кой системе именуется свободной энтальпией. Более подробно об этой функции говорится в следующей главе (см. параг­раф 1 гл. XII).

В гипотетическом частном случае, когда n = 1, из преды­дущих уравнений находим

КР = fР(Р)

dКР = ВРdР (141)

где

ВР = dКР/dР = d2Е/dР2 = d3А2/dР3 (142)

Уравнения (137)-(142), выведенные для явлений пере­носа, напоминают соответствующие уравнения (72)-(77), найденные для явлений состояния. Равенства (139) и (142) получены с учетом зависимостей (101) и (102). Индекс при скобках по-прежнему указывает на то, какие величины оста­ются при дифференцировании постоянными.

Закономерности, выраженные уравнениями (138) и (141) и определяющие свойства обобщенных проводимостей, дей­ствительны также для всех остальных проводимостей, по­скольку обобщенные и конкретные проводимости связаны между собой простейшими соотношениями (112), (113), (117), (118), (122), (123), (127) и (128).

Указанные закономерности представляют большой интерес по той причине, что проводимость КР есть величина, обрат­ная второй структуре АР . Следовательно, уравнения (138) и (141) можно рассматривать как выражающие второй закон качества,или структуры, вещества.При n степенях свободы системы изменение каждой данной проводимости dKР (отно­шения l/dAР) складывается из n величин, каждая из кото­рых пропорциональна изменению соответствующего интенсиала dP ,коэффициентами пропорциональности служат вторые ко­эффициенты структуры второго порядка ВР , основные и пе­рекрестные, или увлечения.

Второй закон структуры принципиально отличается от первого, описываемого уравнениями (73) и (76). Первый закон относится к явлениям состояния, он характеризует структуру с точки зрения способности системы заполняться веществом. Второй закон относится к явлениям переноса, он характеризует структуру с точки зрения способности системы пропускать сквозь себя вещество [ТРП, стр.150-152].

9. Вторые законы структуры второго и более высоких порядков.

Разовьем далее цепочку вторых законов структуры. По ана­логии с первыми законами коэффициенты ВР можно выра­зить через экстенсоры. Однако для целей шестого начала в качестве аргументов целесообразно воспользоваться интенсиалами, тогда применительно к системе с двумя степе­нями свободы (n = 2)можно написать (ограничиваемся толь­ко первыми строчками уравнений)

ВР111 = fР1111 ; Р2) ; (143)

...

Продифференцировав эти уравнения, получаем

dВР111 = СР1111dР1 + СР1112dР2 ; (144)

...

где

СР1111 = (ВР111/Р1)Р2 = 2КР11/Р21 = 3Е1/Р31 =4А2/Р41 ; (145)

...

В гипотетическом частном случае системы с одной сте­пенью свободы (n = 1) имеем

ВР = fР(Р) (146)

ВР = СРdР (147)

где

СР = Р/dР = d2К/dР2 = d3Е/dР3 = d4А/dР4 (148)

Уравнения (143)-(148) напоминают прежние выражения (79)-(84), они определяют вторые коэффициенты структу­ры второго порядка ВР через более тонкие свойства СР - вторые структуры третьего порядка, основные и перекрест­ные, или увлечения, являющиеся коэффициентами пропор­циональности при изменениях интенсиалов – dP .Полученный результат составляет содержание второго закона структуры второго порядка.

Если выразить коэффициенты пропорциональности СР че­рез интенсиалы, то можно продолжить цепочку вторых зако­нов структуры и получить новые, более тонкие вторые струк­туры четвертого порядка DР , которые являются коэффици­ентами пропорциональности в уравнении второго закона структуры третьего порядка, и т.д. В случае идеальной си­стемы обобщенные проводимости КР являются величинами постоянными, а коэффициенты ВР , СР , DР и т.д. обраща­ются в нуль. Результаты, полученные для обобщенной про­водимости КР , в равной мере справедливы также и для част­ных проводимостей , , Lи М , входящих в частные урав­нения переноса [ТРП, стр.152-153].

10. О теореме Кюри.

При практическом использовании уравнений переноса необ­ходимо принимать во внимание некоторые тонкости. В част­ности, это связано с тем, что между конкретными потоками J и I , а также термодинамическими силами X и Υ с матема­тической точки зрения имеется существенная разница. Например, сила X представляет собой скаляр, а сила Υ - век­тор. Это накладывает на уравнения переноса известный отпе­чаток и, кроме того, служит причиной возникновения опре­деленных заблуждений, имеющих принципиальное значение. Ввиду важности затронутого вопроса остановимся на нем более подробно.

Принято считать, что возможность сочетания в одном уравнении потоков J и I и сил X и Υ определяется известной теоремой Кюри (также Генрио) [4, с.11; 36, с.100]. Согласно этой теореме, потоки и силы в уравнениях переноса должны иметь одинаковый тензорный ранг или разница в рангах должна быть четной. В противном случае потоки и силы подставлять в уравнения нельзя. Принято также думать, что при несоблюдении теоремы Кюри потоки не способны влиять друг на друга [4, с.19; 36 с.129, 152].

Различают тензоры нулевого, первого и второго рангов. К тензорам нулевого ранга относятся скалярные величины. Скалярами, в частности, являются интенсиалы - температу­ра, давление, электрический и химический потенциалы и их разности. Следовательно, сила X - напор интенсиала - есть типичная скалярная величина, или тензор нулевого ранга.

К тензорам первого ранга относятся векторные величины. Векторами являются градиенты скаляров, в частности гра­диенты интенсиалов - температуры, давления, электрическо­го и химического потенциалов и т.д. Следовательно, сила Υ - градиент интенсиала - представляет собой вектор, или тензор первого ранга.

Тензорами второго ранга являются обычные тензоры. В частности, поток вязкой жидкости, определяемый законом вязкостного трения Ньютона, является тензорным потоком.

Что касается потоков J и I , то они могут рассматривать­ся либо как скаляры - тензоры нулевого ранга, если имеется в виду только их абсолютная величина, или модуль, либо как векторы - тензоры первого ранга, если имеются в виду их модуль и направление одновременно.

Запрет, налагаемый теоремой Кюри на сочетание в урав­нении переноса тензоров, разница в рангах которых нечет­на, рассматривается как запрет на возможность взаимного влияния соответствующих потоков. Например, считается, что поток вязкой жидкости, определяемый тензорным законом Ньютона, в принципе не способен взаимодействовать с пото­ками теплоты, электричества, диффундирующей массы и т.д., поскольку последние описываются векторными законами Фурье, Ома, Фика и т.п. и, следовательно, разница в ран­гах для них равна единице - величине нечетной.

Однако такой запрет игнорирует факт существования универсального взаимодействия, благодаря которому все ве­щества без исключения способны и вынуждены влиять друг на друга. Поэтому поток вязкой жидкости обязан взаимо­действовать с потоками теплоты, электричества, диффунди­рующей массы и т.д. Этот вывод ОТ содержит в себе про­гноз исключительной принципиальной важности, прямо за­трагивающий теорему Кюри, особенно в части запрета ве­ществам влиять друг на друга [ТРП, стр.153-155].

11. Некоторые эксперименты. подтверждающие вывод ОТ.

Для подтверждения теоретического прогноза ОТ о наличии взаимодействий между всеми разнородными потоками веще­ства, включая поток вязкой жидкости, были поставлены специальные эксперименты. Простейшие из них описаны в работе [12, с.251], где говорится о взаимном влиянии по­токов вязкой жидкости и теплоты, а также в работах [14, с.266; 17, с.290; 18, с.323], где дополнительно рассматри­вается электрическая степень свободы системы. В опытах изу­чается трубчатый стеклянный замкнутый циркуляционный контур, на двух контрольных участках которого, заполнен­ных капиллярно-пористыми телами (песок, торф и т.д.), со­зданы разности температур и электрических потенциалов. В рассматриваемых условиях при отсутствии посторонней разности давлений в контуре возникает круговая циркуляция воды. За циркуляцией наблюдают вне контрольных участков с помощью микроскопа. При этом вода перемещается в на­правлении от меньшей температуры к большей и от плюса к минусу. Действие разностей температур и электрических потенциалов в полном согласии с уравнением типа (121) подчиняется простейшему закону аддитивности - оно сумми­руется с учетом знаков имеющихся разностей.

Результаты соответствующих экспериментов с циркуляци­ей жидкости и газа под влиянием разностей электрических потенциалов и температур приведены в работе [17, с.278-293]. Движение газа через капилляр под действием разно­сти электрических потенциалов описано в работе [17, с.247]. Например, скорость переноса паров воды от плюса к минусу через стеклянный капилляр диаметром 8,7 мкм и длиной 20 мм при разности потенциалов около 1300 В составляет 10-8 г/с, воздух из системы не удалялся. Скорость переноса воды от плюса к минусу в пристеночном слое стеклянного капилляра диаметром 0,2 мм и длиной 10 мм при разности потенциалов 4000 В и Т = 293 К равна 0,4 мм3/с [17, с.237]. Движение (скольжение) газа вдоль поверхности неравномерно нагретой пластины или капилляра наблюдал и измерял 3.Ф. Слезенко, его опыты описаны в работах [17, 18, 21). Например, на рас­стоянии 2,5 мкм от твердой поверхности и при градиенте темпе­ратуры вдоль этой поверхности, равном 5 К/см, сухой воздух при давлении около 133 Н/м2 скользит в сторону возраста­ющей температуры со скоростью 0,8 мм/с [17, с.222]. В своих опытах по термическому скольжению газов 3.Ф. Слезенко во всех случаях фиксировал также факт возникновения раз­ности электрических потенциалов. О взаимном влиянии раз­личных других потоков, обусловленных явлениями смачива­ния, диффузии, вибрации и т.д., говорится в работах [12, 14, 17, 18, 21].

Полученные экспериментальные результаты убедительно подтверждают справедливость пятого начала ОТ и вытека­ющего из него вывода о реальности эффектов взаимного вли­яния самых разнообразных потоков вещества, в том числе потока вязкой жидкости. Одновременно эти эксперименты должны свидетельствовать о наличии универсального вза­имодействия, которое характерно в равной мере как для явлений состояния, так и для явлений переноса.

Кроме того, из экспериментов следует, что теорема Кюри не выдерживает испытания опытом, когда речь идет о нала­гаемом ею формальном математическом запрете на взаим­ное влияние потоков, ибо возможность взаимного влияния определяется не способом аналитического выражения пото­ков и сил, а физическим механизмом изучаемых явлений, в данном случае фактом наличия универсального взаимо­действия.

И вообще, должен заметить, что искусственное смещение акцентов с физической стороны на математическую всегда чревато разного рода недоразумениями и ошибками. Именно поэтому в ОТ я с самого начала решительно встал на путь подчинения математики физике (природе). Главная забота - это физическая суть явления, а способ математического опи­сания может варьироваться в зависимости от конкретных об­стоятельств. В частности, чтобы избежать неудобств, связан­ных с применением тензорного закона движения вязкой жид­кости Ньютона, я в свое время сформулировал новый век­торный закон, уравнение которого является частным случаем общего выражения (124) и напоминает известное уравнение фильтрации Дарси. Новое уравнение переноса вязкой жид­кости приводится в работах [12, с.150; 14, с.172; 17, с.129]. Там же даются значения соответствующих проводимостей, найденных на основе известных опытных законов гидроди­намики. Благодаря такой постановке вопроса легко находят­ся, например, с помощью уравнения переноса типа (121) все необходимые эффекты взаимного влияния потоков вяз­кой жидкости, теплоты, электричества и т.д.

Обсуждая теорему Кюри, нельзя не коснуться еще одно­го вопроса - о ее значении для термодинамики необрати­мых процессов Онзагера, где потоки и силы выбираются на основе чисто формальных соображений и, следовательно, правильность того или иного способа выбора не очевидна (см. параграф 4 гл. XX). Казалось бы, что в данном случае формальный подход к выбору потоков и сил должен хорошо сочетаться с возможностью формальной оценки правильно­сти сделанного выбора. Не случайно ведь принцип Кюри иногда считают неотъемлемой составной частью принципов Онзагера.

Однако более глубокое рассмотрение вопроса приводит к заключению, что и в этом случае теорема Кюри не оправ­дывает возлагаемых на нее надежд. Анализ показывает, что обсуждаемая проблема в конечном итоге сводится к вопро­су о взаимном влиянии истинно и условно простых явлений. С истинно простыми явлениями, обеспеченными своими спе­цифическими веществами, все ясно - они всегда взаимо­действуют независимо от способа выбора потоков и сил, то есть независимо от теоремы Кюри. Что касается условно про­стых явлений, то в их основе не обязательно лежит какое-либо вещество, поэтому при выборе потоков и сил даже с соблюдением требований теоремы Кюри часто никакого взаимного влияния потоков не наблюдается. При этом ответ на вопрос о влиянии может дать только опыт. Примером условно простого явления, когда нет взаимного влияния, может служить процесс производства, хранения, распрост­ранения и реализации товаров (товарное явление [21, с.99]). Своеобразный характер взаимного влияния наблюдается в процессе распространения информации. Гидродинамическое явление тоже условно простое, но оно участвует во взаимо­действии потоков.

Таким образом, приходится отказать теореме Кюри в пра­ве быть верховным судьей и налагать запреты на возмож­ность взаимного влияния потоков. С этой задачей отлично справляется сама теория Онзагера, согласно которой требу­ется прежде всего убедиться на опыте в применимости к изу­чаемым явлениям линейных уравнений переноса Онзагера [41, с.44] [ТРП, стр.155-157].

12. Возможность сочетания потоков J и I и сил X и Y.

Из сказанного должно быть ясно, что при написании урав­нений переноса надо прежде всего руководствоваться физи­ческим существом рассматриваемых явлений. В случае ис­тинно простых явлений взаимодействие присутствует всегда, требуется только найти подходящую форму их выражения. Если к истинно простым явлениям добавляется какое-либо условно простое, тогда следует в опыте установить способ­ность этого явления взаимодействовать с остальными. То же самое приходится делать, если речь идет о многих услов­но простых явлениях. Надо иметь в виду, что чем сущест­веннее условно простое явление отличается от истинно про­стого, тем меньшим количеством общих признаков они рас­полагают; к числу последних относится и способность ко вза­имному, влиянию (см. гл. XIV).

В простейшем случае одномерных (однонаправленных) потоков при составлении уравнений можно в равной мере использовать как скалярные, так и векторные величины. Если речь идет о двухмерной или трехмерной задаче, тогда приходится обращаться к векторным потокам и силам; их суммирование, включая взаимное влияние, подчиняется пра­вилам оперирования с векторными величинами.

На практике иногда возникает потребность сочетать в од­ном уравнении переноса потоки J и I и силы X и Υ . Что каса­ется потоков, то они различаются только площадью F , по­этому переход от одного потока к другому осуществляется с помощью равенства (см. выражение (133))

I = FJ , (149)

которое позволяет все строчки уравнения записать в едино­образной форме.

Что касается сил X и Y , то такой вопрос возникает, когда система одновременно участвует в процессах проводимости и отдачи. Согласно теореме Кюри, силы X и Υ сочетать нельзя и, следовательно, эффектов взаимного влияния между пото­ками проводимости и отдачи быть не может. На самом же деле эти потоки отлично между собой взаимодействуют. У этого взаимодействия имеются свои конкретные особенности, за­висящие от свойств системы, например от наличия конвекции и турбулентности в ее объеме и т.д. Однако здесь мы не будем углубляться во все тонкости этого сложного вопроса, а обратим внимание лишь на то, что определенную картину взаимного влияния потоков можно все же получить, если воспользоваться приемом условной подмены отдельных конкретных явлений отдачи явлениями проводимости и наоборот. Благодаря этому в уравнение переноса по-прежнему подставляются либо только силы Y , либо только силы X . Подмена осуществляется на основе следующих соображений [17, с.54; 18, с.149; 21, с.74].

Предположим, что рассматривается система длиной х , проводимость которой равна L или М .На конце системы через площадь F под действием напора интенсиала Р = РС- Рппроисходит отдача вещества с коэффициентом или . Необ­ходимо данное конкретное явление отдачи на поверхности системы подменить явлением проводимости, то есть перейти от силы X к силе Υ .

С указанной целью мысленно продолжим систему на рас­стояние хф примем, что напор интенсиала на поверхности системы δΡ равен перепаду РФ = РС- Рп в воображаемом слое толщиной хф , именуемом фиктивным. Если толщину фиктивного слоя выбрать таким образом, чтобы поток веще­ства, теряемого с поверхности Fвследствие явления отдачи, был равен потоку вещества, теряемого этой поверхностью через фиктивный слой посредством явления проводимости, тогда вместо явления отдачи вполне допустимо рассматривать явление проводимости. Равенство между собой потоков веще­ства обеспечивается соотношениями

J = X = LY = - P = - L(РФ/хФ) (150)

I = X = MY = - MP = - L(РФ/хФ) (151)

где

= F ; M = FL (152)

Проводимость фиктивного слоя принимается равной проводи­мости системы. Из выражений (150) и (151) определяется искомая толщина фиктивного слоя. Находим

хФ = L/ = M/ (153)

Равенства (150)-(153) используются для условной под­мены явления отдачи явлением проводимости. В результате в уравнение переноса подставляются только силы Υ .

Для обратного перехода, когда некоторое данное явление проводимости надо заменить явлением отдачи, используются аналогичные соотношения. При этом система длиной х мыс­ленно заменяется контрольной поверхностью F , на которой под действием условного (фиктивного) напора Ρф , равного дей­ствительному перепаду в системе ΔΡ , происходит отдача (или подвод) вещества с фиктивным коэффициентом ф или ф . Эти фиктивные коэффициенты находятся из равенств типа (150) и (151). Имеем

J = - фΡф = - L(Р/х) (154)

I = - фΡф = - М(Р/х) (155)

откуда

ф = L/х ; ф = M/х (156)

Найденные коэффициенты позволяют для данной степени свободы системы силу Υ заменить на силу X , в результате в уравнение переноса подставляются одни только силы X . Во всех случаях подмены явлений часть сил в уравнениях переноса имеет условный смысл, но при этом эффекты взаим­ного влияния потоков не утрачиваются. К такого рода подмене можно прибегнуть, например, если рассматривается твердая система, взаимодействующая с жидкой или газообразной сре­дой, либо при последовательном соединении систем, когда теку­чая система располагается между двумя твердыми, и т.д. В по­следнем случае проводимость текучей системы определяется как величина, обратная полному сопротивлению, которое складывается из двух сопротивлений отдачи и эффективного сопротивления проводимости. Возможны и другие подходы [ТРП, стр.158-160].

13. Дифференциальное уравнение нестационарного переноса.

Необходимо подчеркнуть, что все выведенные уравнения пере­носа являются строгими только для стационарного режима. При нестационарном процессе, когда интенсиалы претерпевают изменения, внутри системы наряду с переносом происходит также накопление или убыль вещества. В этих условиях важную роль приобретают емкости, причем для определения свойств системы требуется вывести особые уравнения нестационарного переноса.

В общем случае система располагает nстепенями свободы, а интенсиалы изменяются вдоль всех трех координат х , у и z одновременно; такое поле интенсиалов именуется трехмерным. Для вывода простейших уравнений нестационарного переноса используются второе и третье начала ОТ, а также третье частное уравнение пятого начала. В системе мысленно вы­деляется элементарный объем dV .Количество данного веще­ства, вошедшего в этот объем за время dt ,сопоставляется с количеством вещества, вышедшего из этого объема за то же время. Разница между этими количествами идет на изменение интенсиалов рассматриваемого объема. В результате полу­чается дифференциальное уравнение нестационарного переноса вещества [12, с.303; 14, с.348; 16, с.41; 17, с.104; 18, с.414; 21, с.195]. Здесь для простоты мы ограничимся случаем, когда система располагает всего двумя степенями свободы (n = 2), а ее интенсиалы изменяются только вдоль одной координаты х(одномерное поле интенсиалов). В этих условиях дифферен­циальное уравнение нестационарного переноса приобретает вид

U1 = L11Z1 + L12Z2 (157)

U2 = L21Z1 + L22Z2

где

U1 = P11(P1/t) ; U2 = P22(P2/t) ;

Z1 = 2P1/x2 ; Z2 = 2P2/x2 ;

P11 = KP11/m ; P22 = KP22/m ;

 - плотность вещества системы, кг/м3; - удельная массо­вая емкость системы по отношению к данному веществу; m - масса системы, кг.

Для гипотетического частного случая, когда n = 1 и поле интенсиала одномерное, находим

U = LZ

или

P/t = D(2P/x2) (158)

где D - диффузивность:

D = L/() (159)

Из выражения (158) в частном случае получаются извест­ные дифференциальные уравнения теплопроводности Фурье, второго закона Фика и т.д. Методы решения дифференци­альных уравнений типа (157) разрабатывались Н.А. Буткевичюсом [6] [ТРП, стр.160-161].

14. Особенности применения нестационарного уравнения.

По поводу дифференциального уравнения нестационарного переноса типа (157) требуется сделать несколько замечаний. Прежде всего надо сказать, что границы применимости этого уравнения неодинаковы для различных форм явлений. Эти границы определяются конкретной спецификой явлений и степенью отклонения системы от состояния равновесия.

Если система находится вблизи состояния равновесия, когда перенос осуществляется под действием малых разностей интенсиалов, то уравнение (157) справедливо для любых явле­ний. С увеличением степени неравновесности результаты рас­смотрения отдельных явлений с помощью уравнения (157) заметно искажаются, так как возникают дополнительные сте­пени свободы, начинает заметно сказываться неучтенная специфика распространения и взаимодействия соответствую­щих веществ и т.д. Например, вблизи равновесия механическая степень свободы, определяемая равенством (43), ничем не осложняется. С увеличением разности давлений появляется скорость перемещения объектов, заметно отличающаяся от нуля, а с нею и новая кинетическая (метрическая) степень свободы. Неучет этой новой степени может привести к сущест­венным ошибкам. Другой пример: при малой скорости жидкость движется ламинарно, при большой движение становится турбулентным, вихревым, то есть появляется дополнительная вращательная степень свободы. Третий пример: распростра­нение электрического заряда вблизи состояния равновесия не влечет за собой никаких неприятностей. С возрастанием разности электрических потенциалов движение заряда сопро­вождается возникновением кинетической степени свободы и магнитного поля, которыми уже невозможно пренебречь.

В противоположность этому для некоторых других явлений уравнение (157) оказывается справедливым при очень больших отклонениях системы от состояния равновесия. К числу таких явлений относятся вермические (термические), диффузионные и некоторые другие.

Очевидно, что с целью избежания ошибок надо заранее учесть в уравнениях необходимые специфику и дополнитель­ные степени свободы, то есть должны быть заранее выведены более общие и полные уравнения. Тогда при любом отклоне­нии системы от состояния равновесия будут получены правиль­ные результаты. Вблизи состояния равновесия эти общие уравнения должны приводить к более простым частным урав­нениям типа (157). Все эти вопросы подробнее затрагиваются при выводе уравнений Максвелла [21] [ТРП, стр.162].

Глава ХII. Шестое начало ОТ.

1. Вывод уравнения.

Согласно пятому началу ОТ, распространение любого данного вещества сопровождается увлечением всех остальных, входящих в переносимый ансамбль. Эффект увлечения одних веществ ансамбля другими определя­ется перекрестными проводимостями, или коэффициентами увлечения, причем указанному эффекту присущи многие интересные особенности. Чтобы установить эти особенности с количественной стороны, надо вывести соответствующие дифференциальные уравнения. Целесообразно это сделать в самом общем виде, введя группу особых, важнейших для структуры и ее симметрии и, вообще, для термодинамики характеристик А , которые являются функциями главных не­зависимых переменных, входящих в качестве аргументов в основные уравнения ОТ, и измеряются в единицах работы или энергии (в джоулях). Смысл этих характеристик зависит от конкретных значений аргументов и конкретных условий взаимодействия системы и окружающей среды. Для простоты рассуждений ограничимся системой с двумя степенями свободы (n = 2). В термодинамике применительно к термомеханической системе величины А принято именовать характеристическими функциями, или термодинамическими потенциалами.

Выше было показано, что аргументами уравнений могут служить не только экстенсоры, но и интенсиалы. Следовательно, при двух степенях свободы число независимых переменных у каждой из функций должно быть равно двум, а общее число экстенсоров и интенсиалов - четырем. Поэтому коли­чество возможных вариантов аргументов, а значит, и искомых функций А должно соответствовать числу сочетаний из четырех по два, то есть шести. Получается следующий набор аргументов:

1 ; Е2) , 1 ; Р2) , 1 ; Р2) , (160)

2 ; Р1) , 1 ; Р1) , 2 ; Р2) .

Третий и четвертый, а также пятый и шестой аргументы дают попарно тождественные результаты, если поменять местами индексы 1 и 2. Применим эти аргументы для опре­деления функций А и вывода на их основе соответствующих законов симметрии структуры.

Нетрудно сообразить, что первый аргумент 1 ; Е2) при­водит к первой характеристической функции Α1 ,которая представляет собой не что иное, как энергию U ,то есть

А1 = U = F11 ; Е2) Дж (161)

dА1 = dU = Р1dΕ1 + Р2dЕ2 Дж (162)

Это соответствует прежним уравнениям (30) и (35). Далее автоматически следуют законы структуры (73) и ее симметрии (85) и т.д. Равенство (85) служит исходным звеном в первой цепочке законов симметрии, фактически являющейся следст­вием применения первого аргумента перечня (160). Кстати, такого типа равенства получили название дифференциальных соотношений, или тождеств, термодинамики, или соотношений Максвелла.

Первое дифференциальное тождество термодинамики (85) мы выводили, когда исходная характеристическая функция Α1 (энергия U )была уже известна из чисто физических сообра­жений. В отличие от этого при использовании второго аргумента 1 ; Р2) нам предстоит найти не только второе тождество, но также и саму исходную функцию А2 . Общий вид второй характеристической функции следующий:

А2= F11 ; Р2) Дж (163)

dА2= (А2/Р1)Р21 + (А2/Р2)Р12 Дж (162)

С учетом размерности величина Α2 выбирается таким образом, чтобы соблюдались требования

Е1 = (А2/Р1)Р2; Е2 = (А2/Р2)Р1 (165)

При этих условиях уравнение (164) приобретает вид

dА2= Е11 + Е22 Дж (166)

Функция Α2 хорошо известна в термодинамике, примени­тельно к термомеханической системе она именуется свободной энтальпией, а также изобарным, или термодинамическим, потенциалом, обозначается буквой Φ и конструируется сле­дующим образом [18, с.182]:

Ф = U + pV – TS Дж (167)

dФ = dU + pdV + Vdp – TdS – SdT = Vdp – SdT Дж (168)

где р – давление; V – объем; Т – температура; S – энтропия.

При написании выражения (167) использовано правило зна­ков параграфа 5 гл. VII, правая часть формулы (168) получена с учетом уравнения первого начала ОТ.

С помощью функции Α2легко выводится искомое дифферен­циальное тождество. Для этого продифференцируем равенства (165) по Р1 и Р2 , находим

(Е1/Р1)Р2 = 2А2/Р21; (Е2/Р2)Р1 = 2А2/Р22; (169)

(Е1/Р2)Р1 = 2А2/(Р1Р2) ; (Е2/Р1)Р2 = 2А2/(Р2Р1) (170)

Сравнение между собой правых частей равенств (170), а также выражений (102) приводит к следующему тождеству:

(Е1/Р2)Р1 = (Е2/Р1)Р2 (171)

или

КР12 = КР21 (172)

Выражение (171) есть дифференциальное уравнение второго порядка в частных производных.

Равенство между собой перекрестных обобщенных проводимостей (172) делает обязательным также равенство всех частных перекрестных проводимостей. Имеем

12 = 21 ; 12 = 21 ; L12 = L21 ; М12 = М21 (173)

Соотношения типа (172) и (173) представляют собой иско­мые дифференциальные уравнения, они справедливы для любого числа степеней свободы n , стационарного и неста­ционарного режимов и т.д., ибо на их вывод не накладываются какие-либо ограничения. Частными случаями уравнений (172) и (173) являются так называемые соотношения взаимности Онзагера в его термодинамике необратимых процессов [ТРП, стр.163-165].

2. Шестое начало ОТ, или закон увлечения (второй симметрии).

Уравнения (172) и (173) определяют количественную сторону взаимного влияния различных потоков. Из этих уравнений видно, что для процессов переноса характерно симметричное увлечение одних веществ другими. Симметричный характер взаимного увлечения потоков составляет содержание закона увлечения, или шестого начала ОТ.

Согласно закону увлечения, данная, например первая, термодинамическая сила влияет на любой другой, например второй, поток в количественном отношении точно так же, как вторая термодинамическая сила влияет на первый поток. Этому закону подчиняется любое явление, находящееся на простом и более сложных уровнях развития.

Симметричное увлечение потоками друг друга неизбежно должно сказаться на симметричном характере первоначаль­ного формирования структуры системы. Поэтому по аналогии с четвертым началом ОТ (закон симметрии структуры первого порядка) закон увлечения можно назвать также вторым законом симметрии структуры первого порядка.

В настоящее время нет надобности экспериментально под­тверждать справедливость шестого начала, ибо это известный закон, впервые сформулированный Онзагером и достаточно хорошо обоснованный в термодинамике необратимых процес­сов. Новые толкования и обобщения, содержащиеся в ОТ, логически вытекают из всего предыдущего и поэтому тоже не нуждаются в дополнительных подтверждениях.

Соотношения увлечения (172) и (173), найденные для явлений переноса, напоминают соотношение взаимности (86), определяющее состояние системы. Это говорит о сходстве законов, которыми руководствуются переносимые ансамбли и ансамбли, находящиеся в системе. А это, в свою очередь, должно свидетельствовать о том, что указанные два типа ансамблей по необходимости имеют много общего.

При этом, однако, нельзя забывать, что равенство (86), а также (172) и (173) получены в различных условиях: первые - путем дифференцирования интенсиалов по экстенсорам при постоянных прочих экстенсорах, а вторые - путем дифференцирования экстенсоров по интенсиалам при постоян­ных прочих интенсиалах. Иными словами, соотношение (86) утверждает факт равенства между собой перекрестных структур при постоянных экстенсорах, а соотношения (172) и (173) - факт равенства перекрестных проводимостей (емкостей)» при постоянных интенсиалах. Отсюда должно следовать, что между ансамблями, проходящими через систему, и ансамблями, усвоенными системой, имеются также и весьма существенные различия.

Проблема установления конкретных специфических особен­ностей переносимых и усвоенных, подвижных и неподвижных ансамблей имеет исключительно важное теоретическое и прак­тическое значение. Она может быть успешно разрешена на основе детального сопоставления таких категорий, как состоя­ние и изменение состояния (перенос), которые определяются соответственно третьим и пятым, четвертым и шестым началами ОТ. Поэтому необходимо продолжить анализ указанных начал, особый упор сделав на их сравнение. На этой основе будут получены многие новые весьма интересные результаты.

Из уравнения (121) видно, что коэффициент увлечения L12характеризует влияние второй силы Y2на первый поток J1 , а коэффициент L21 - влияние первой силы Υ1 на второй поток J2 . При этом величина L12численно равна изменению первого потока при изменении второй силы на единицу, а величина L21- изменению второго потока при изменении первой силы на единицу, то есть

L12 = (J1/Y2)Y1 ; L21 =(J2/Y1)Y2 (174)

Согласно равенствам (173), эти изменения первого и второго потоков между собой равны. Например, в проводнике единич­ный градиент температуры приводит к возникновению такого же по величине потока электричества, какой поток, термического вещества возникает под действием единичного градиента электрического потенциала.

С помощью выражений (174) соответствующее соотношение увлечения (173) можно представить следующим образом:

J1Y1 = J2Y2 (175)

Это уравнение утверждает факт равенства произведений сопряженных между собой потока и силы.

Соотношения (173) можно также переписать по-другому, если принять во внимание уравнения (171) и (172). Находим

Р1Е1 = Р2Е2 (176)

Здесь левая и правая части определяют некие работы, то есть

Р1Е1 = dQ1 ; Р2Е2 = dQ2 (177)

Равенства (176) и (177) очень похожи на прежние выра­жения (90) и (91). Однако мы помним, что равенства (90) и (91) получены при постоянных экстенсорах, а выражения (176) и (177) - при постоянных интенсиалах.

Принципиальное значение имеет то обстоятельство, что в обоих случаях - в соотношениях взаимности и увлечения - речь идет о силовом механизме взаимного влияния различных степеней свободы ансамбля. Об этом свидетельствует возмож­ность представления соотношений (86) и (172) в виде равенства соответствующих работ (90) и (176). В свою очередь, работы непосредственно равны изменениям энергии ансамбля (см. уравнение (35)). Следовательно, не только изменения состоя­ния, но и перенос должны сопровождаться энергетическими изменениями ансамбля и системы в целом.

Но выше было установлено, что энергия является коли­чественной мерой, определяющей прочность связи порций вещества в ансамбле. Поэтому должно быть ясно, что сим­метрия во взаимном увлечении различных потоков, характе­ризуемая соотношениями (173) и (176), есть не что иное, как равенство между собой энергий связи в переносимом ансамбле первого вещества со вторым и второго с первым. Вернее здесь фактически речь идет не о двух, а об одной и той же энергии, которая может быть реализована либо с помощью работы, совершаемой первым веществом при увле­чении им второго, либо с помощью работы, совершаемой вторым веществом при увлечении им первого, причем увлечение веществ сопровождается их отрывом друг от друга. Например, перенос термического вещества под действием разности температур сопровождается увлечением электрического вещества и отры­вом последнего от термического, а перенос электрического вещества под действием разности электрических потенциалов - увлечением термического вещества и его отрывом от электри­ческого. Вполне естественно, что в переносимом ансамбле энергия связи термического вещества с электрическим в пер­вом случае не отличается от энергии связи электрического вещества с термическим во втором. Таков глубинный смысл соотношений увлечения (и взаимности), из него вытекают интереснейшие следствия.

Прежде всего сказанное позволяет лучше понять реальный физический механизм процессов переноса. В частности, можно утверждать, что не существует жесткой связи между порциями веществ внутри переносимого ансамбля. Если бы связи были жесткими, тогда, например, данный поток термического ве­щества всегда сопровождался бы переносом определенного количества электрического и, наоборот, в полном соответствии с составом жесткого ансамбля и независимо от того, под действием разности каких интенсиалов происходит перенос. Опыт же показывает совсем иную картину. В действительности данный поток термического вещества, обусловленный наличием некоторой разности температур, увлекает за собой очень малый поток электрического вещества. Точно такой же малый поток электрического вещества, но вызванный соответствующей разностью электрических потенциалов, способен увлечь за собой лишь сверхмалый поток термического вещества, который на много порядков меньше упомянутого выше первого потока термического вещества, и т.д. Это убедительно свидетель­ствует в пользу вывода о нежестком соединении между собой порций веществ в переносимом ансамбле.

В связи с изложенным возникает также любопытный вопрос о разнице, существующей между веществом, которое участ­вует в переносе (подвижным), и веществом, которое расхо­дуется на изменение состояния системы (неподвижным). Оказывается, вещество в подвижном и неподвижном состояниях обладает различными свойствами: подвижное определяет величину потока и практически не влияет на состояние си­стемы, а неподвижное, наоборот, определяет состояние, но практически не влияет на перенос (последнее влияние сказыва­ется лишь через изменение интенсиалов системы). При этом появляется ряд эффектов, обусловленных превращением внутри системы подвижного вещества в неподвижное и наоборот. Более подробно все эти вопросы рассматриваются в работах [12, с.196; 18, с.251, 279; 21, с.64, 354] [ТРП, стр.166-169].

3. Второй закон симметрии структуры второго порядка.

В уравнении (138) второго закона структуры каждая емкость, обратная второй структуре, - основная и перекрестная - складывается из величин, которые пропорциональны измене­ниям первого и второго интенсиалов. Коэффициентами пропор­циональности служат величины ВР основные (ВР111 и ВР222) и перекрестные (все остальные). Эти величины мы будем называть вторыми коэффициентами структуры второго порядка. Вторые коэффициенты структуры определяют количественную сторону влияния данного интенсиала на соответствующую структуру (через емкость).

Симметрия во взаимном влиянии интенсиалов и вторых структур находится из равенств (139), которые есть следствие выражений (101), (102), (169) и (170). Сопоставление правых частей равенств (139) дает

ВР112 = ВР121 = ВР211 ; ВР122 = ВР212 = ВР221 (178)

Эти новые соотношения взаимности, полученные на основе анализа процессов переноса, аналогичны прежним (88), отно­сящимся к явлениям состояния.

Соотношения взаимности (178) определяют симметрию второй структуры по отношению к веществу, пронизывающему систему. Они выражают второй закон симметрии структуры второго порядка [ТРП, стр.169-170].

4. Вторые законы симметрии структуры третьего и более высоких порядков.

Перекрестные коэффициенты пропорциональности СР , явля­ющиеся множителями при изменениях интенсиалов в уравнении (144), обладают свойством симметрии, которое обнаруживается при сопоставлении правых частей равенств (145). Имеем

СР1112 = СР1121 = СР1211 = СР2111 ;

СР1122 = СР1212 = СР1221 = СР2112 = СР2121 = СР2211 ; (179)

СР1222 = СР2122 = СР2212 = СР2221 .

Эти соотношения очень похожи на уравнения (89). Они представляют собой уравнения второго закона симметрии структуры третьего порядка.

Если выразить коэффициенты пропорциональности СР через интенсиалы, то можно продолжить цепочку законов симметрии и получить новые, более тонкие свойства DР и т.д. Рас­сматриваемая вторая цепочка законов в совокупности с пре­дыдущей, определяемой третьим и четвертым началами, свидетельствует об исключительном разнообразии свойств (признаков) симметрии в природе. Это разнообразие много­кратно расширяется с ростом числа степеней свободы системы.

Как видим, обсуждение пятого и шестого начал с позиций ОТ позволяет обнаружить у вещества и его поведения новые интересные свойства. Прежде всего это касается всеобщей связи явлений, обусловленной универсальным взаимодействием и нашедшей свое выражение в специфических особенностях таких характеристик, как экстенсор, интенсиал, емкость, сопро­тивление, структура и т.д. Однако самое замечательное следует усмотреть в том, что пятое и шестое начала раскрывают перед нами еще одну сторону физического механизма формиро­вания симметричных структур.

Действительно, если третье и четвертое начала опреде­ляют через интенсиалы силовые особенности процесса объеди­нения порций разнородных веществ в симметричные ансамбли, то пятое и шестое обеспечивают транспорт этих веществ к месту их объединения. Подвод необходимых веществ тоже регламен­тируется определенными законами симметрии и требует для своего осуществления соответствующей симметричной внутрен­ней организации самих формирующихся структур. При этом очень важно подчеркнуть, что имеет место полное согласование составов сформированных и подводимых ансамблей. Это прямо следует из сопоставления уравнений третьего и пятого начал.

Другими словами, пятое начало играет роль «извозчика», приводимого в движение силовыми свойствами сформирован­ных ансамблей. Этот «извозчик» строго следит за тем, чтобы вещества доставлялись в нужных количествах и направлениях, точно соответствовали природе потребителя и при объединении с последним образовали транспортные магистрали, вполне отвечающие природе самого «извозчика». Шестое начало под­сказывает состав транспортируемых веществ и управляет эстетической стороной строительства магистралей, то есть требует, чтобы архитектура магистралей удовлетворяла высоким вкусам самой природы, основанным на принципах гар­монии и симметрии.

Шестое начало - второй закон симметрии структуры первого порядка - определяет самые крупные и поэтому самые заметные архитектурные элементы сооружений. Менее броса­ющиеся в глаза, но более многочисленные элементы характе­ризуются вторыми законами структуры и симметрии структуры второго порядка. Еще более тонкие и крайне многочисленные «архитектурные излишества» выявляются при анализе после­дующих звеньев второй цепочки законов симметрии третьего и более высоких порядков.

Однако первая и вторая цепочки законов далеко не исчер­пывают всех возможных признаков (законов) симметрии в природе. На самом деле этих законов значительно больше, в чем нетрудно убедиться, если обратить внимание на другие так называемые характеристические функции и дифференци­альные тождества термодинамики [ТРП, стр.170-171].

5. Третьи законы структуры и ее симметрии.

С помощью третьего аргумента 1 ; Р2) перечня (160) полу­чается следующая характеристическая функция:

А3 = F31 ; Р2) Дж (180)

или

dА3 = (А3/Е1)Р2dЕ1 + (А3/Р2)Е12 (181)

С учетом размерности величина А3 выбирается так, чтобы соблюдались требования

Р1 = (А3/Е1)Р2 ; Е2 = (А3/Р2)Е1 (182)

Тогда из выражений (181) и (182) находим

dА3 = Р1dЕ1 + Е22 Дж (183)

Эта функция сочетает в себе слагаемые уравнений (162) и (166), она реально существует и имеет вполне определенный физический смысл. В термодинамике применительно к термо­механической системе функция А3 именуется энтальпией, если индекс 1 относится к термической, а индекс 2 - к механи­ческой степени свободы; функцию ввел Гиббс, термин при­надлежит Гельмгольцу. Энтальпия обычно обозначается бук­вой I и конструируется следующим образом [18, с.182]:

I = U + pV Дж (184)

dI = dU + pdV + Vdp = TdS + Vdp Дж (185)

Физический смысл энтальпии легко выясняется, если рас­смотреть взаимодействие системы и окружающей среды в условиях, когда р= const (dp = Q). При этом из формулы (185) получаем

dI = TdS

Следовательно, энтальпия численно равна количеству пере­данного тепла (совершенной термической работе) в изобарном процессе взаимодействия (при постоянном давлении).

Связь между энтальпией и свободной энтальпией опреде­ляется формулами (167) и (184). Имеем

Ф = I – TS (186)

dФ = dI – TdS – SdT (187)

Для определения интенсиала Р1 и экстенсора Е2 , входящих в уравнение (183) и играющих роль функций, воспользуемся тем же аргументом 1 ; Р2) и составим равенства типа преж­них (53), (54), (99) и (100). В результате получаются сле­дующие смешанные уравнения состояния [18, с. 82]:

Р1 = f11 ; Р2) (188)

Е2 = f21 ; Р2)

или

1 = АР11dЕ1 + КРР122 (189)

2 = АЕЕ21dЕ1 + К222

где

АР11 = (Р1/Е1)Р2 ; К22 = (Е2/Р2)Е1 ; (190)

КРР12 = (Р1/Р2)Е1 ; АЕЕ21 = (Е2/Е1)Р2 .

функции f1 и f2 в уравнениях (53), (99) и (188) имеют разный смысл.

В новых уравнениях коэффициенты взаимности КРР12 и АЕЕ21 равны между собой. Для установления этого факта продифференцируем равенства (182) по Е1 и Р2 . Имеем

(Р1/Е1)Р2 = 2А3/Е21 ; (Е2/Р2)Е1 = 2А3/Р22 (191)

(Р1/Р2)Е1 = 2А3/(Е1Р2) ; (Е2/Е1)Р2 = 2А3/(Р2Е1) (192)

Сопоставление правых частей последних выражений и срав­нение их с равенствами (190) позволяет написать соотношение

(Р1/Р2)Е1 = (Е2/Е1)Р2 (193)

или

КРР12 = АЕЕ21 (194)

Как видим, третий аргумент дает третью характеристи­ческую функцию А3 ,которая приводит к смешанному (третьему) уравнению состояния (189), то есть к третьему закону состоя­ния, отражающему определенные условия сопряжения (взаимо­действия) системы с окружающей средой. Из этого уравнения непосредственно следует третье соотношение взаимности (см. тождество (193)), оно является исходным звеном третьей цепочки законов симметрии и выражает третий закон симметрии структуры первого порядка.

Третий закон симметрии структуры второго порядка типа (88) и (178) можно найти, если входящие в уравнение состояния (189) характеристики АР11 , ΚΡΡ12 , ΑΕΕ21 и К22 выра­зить в виде функций от аргумента 1 ; Р2) . После дифферен­цирования этих функций получатся уравнения типа (73) и (138) с необходимыми третьими коэффициентами структуры второго порядка типа В . Далее с помощью этих коэффициен­тов и аргумента 1 ; Р2) выводится третий закон симметрии структуры третьего порядка типа (89) и (179) с коэффициен­тами типа С и т.д. Так строится третья цепочка законов структуры и ее симметрии [ТРП, стр.171-173].

6. Четвертые и другие законы структуры и ее симметрии.

Четвертому аргументу 2 ; Р1) перечня (160) соответствует характеристическая функция

А4 = F42 ; Р1) Дж; (195)

dА4 = (А4/Е2)Р1dЕ2 + (А4/Р1)Е21 (196)

С учетом размерности функцию А4 приходится выбирать таким образом, чтобы соблюдались требования

Р2 = (А4/Е2)Р1 ; Е1 = (А4/Р1)Е2 (197)

В результате из выражений (196) и (197) находим

dА4 = Р2dЕ2 + Е11 Дж (198)

Эта функция получается из (183), если в последней поме­нять местами индексы 1 и 2. В термодинамике применительно к термомеханической системе (индекс 1 по-прежнему отнесен к термической, а индекс 2 - к механической степени свободы) величина А4 именуется свободной энергиейи обозначается буквой F .Этот термин был введен в термодинамику Гельмгольцем. Свободная энергия конструируется следующим образом [18, с.182]:

F = U – TS Дж (199)

dF = dU – TdS – SdT = - SdT – pdV Дж (200)

Физический смысл свободной энергии легко установить, если рассмотреть взаимодействие системы и окружающей среды в условиях, когда Т =const (dT = Q).При этом из фор­мулы (200) получаем

dF = - pdV

Отсюда видно, что свободная энергия численно равна меха­нической работе системы в изотермических условиях (при постоянной температуре).

В противоположность свободной энергии F произведение TS именуют связанной энергией, причем

TS = U - F

Принято считать, что связанная часть внутренней энергии TS на может быть преобразована в механическую работу, а может быть передана только в форме теплоты. Однако ниже будут показаны условия, при которых так называемая связанная энергия свободно преобразуется в механическую, электрическую или иную работу (см. параграф 2 гл. XXIII).

Интенсиал Р2 и экстенсор Ε1 уравнения (198) находится с помощью аргумента 2 ; Р1) (но удобнее взять 1 ; Е2)) в виде следующих новых смешанных уравнений состояния [18, с.82]:

Е1 = f11 ; Е2) (201)

Р2 = f11 ; Е2)

или

1 = К111 + АЕЕ122 (202)

2 = КРР211 + АР222

где f1 и f2 - некоторые функции;

К11 = (Е1/Р1)Е2 ; АР22 = (Р2/Е2)Р1 ; (203)

АЕЕ12 = (Е1/Е2)Р1 ; КРР21 = (Р2/Р1)Е2 .

Продифференцировав равенства (197) по Р1 и Е2 и сравнив их с нижней строчкой (203), будем иметь

(Е1/Е2)Р1 = (Р2/Р1)Е2 (204)

или

АЕЕ12 = КРР21 (205)

Это есть четвертое тождество, оно выражает четвертый закон симметрии структуры первого порядка и служит исход­ным звеном четвертой цепочки законов симметрии. Если в ра­венствах (201)-(205) поменять местами индексы 1 и 2, то получатся прежние соотношения (188)-(194). Аналогично могут быть построены и все остальные звенья четвертой цепочки законов структуры и ее симметрии.

Оставшиеся пятый и шестой аргументы перечня (160) также весьма интересны. Пятому аргументу 1 ; Р1) соответ­ствует пятая характеристическая функция

А5 = F51 ; Р1) Дж (206)

или в дифференциальной форме

dА5 = (А5/Е1)Р1dЕ1 + (А5/Р1)Е11 (207)

С учетом размерности функция А5 выбирается таким обра­зом, чтобы соблюдались требования

Р1 = (А5/Е1)Р1 ; Е1 = (А5/Р1)Е1 (208)

В результате она приобретает вид

dА5 = Р1dЕ1 + Е11 = d1Е1) Дж (209)

Уравнение (209), как и (183), сочетает в себе слагаемые двух других функций (162) и (166), однако в его состав входят только величины, относящиеся к одной определенной степени свободы системы. Новая функция А5 не имеет аналога в клас­сической термодинамике, вероятно потому, что трудно было дать ей необходимую интерпретацию. Вместе с тем она обла­дает четким и ясным физическим смыслом и очень интересна с теоретической и практической точек зрения.

Прежде всего надо напомнить, что система с двумя связан­ными степенями свободы однозначно определяется двумя любыми характеристиками типа Ε и Ρ из числа наличных четырех, поэтому аргумента 1 ; Р1) вполне достаточно, чтобы найти недостающие характеристики Е2 и Р2, относящиеся ко вто­рой степени свободы. Из равенств (208) следует, что искомая функция А5 соответствует процессу, когда рост первого экстенсора Ε1 происходит при постоянном интенсиале Р1 (это должно сопровождаться уменьшением второго экстенсора Е2), либо процессу, когда рост интенсиала Ρ1 осуществляется при постоянном Ε1 , что должно сопровождаться ростом второго экстенсора Е2 ; разумеется, в обоих процессах претерпевает изменение также второй интенсиал Р2 . Например, в условиях термомеханической системы (индекс 1, как и ранее, отнесем к термической степени свободы, а индекс 2 - к механической) в первом случае подвод термического вещества (нагрев) соответствует обычному изотермическому процессу, он сопро­вождается увеличением объема и уменьшением давления; во втором случае процесс является адиабатным: в системе температура возрастает при постоянной энтропии, то есть без подвода или отвода теплоты, при этом объем уменьшается, а давление растет.

В рассматриваемых условиях функция А5 определяет энергию U1 ,приходящуюся на данную - первую - степень свободы системы. Эта энергия может быть выражена через соответствующие интенсиал и экстенсор путем интегрирования уравнения (209). Находим

А5 = U1 = Р1Е1 (210)

Постоянную интегрирования, как и в случае уравнения (92), принимаем равной нулю.

Для термической степени свободы это уравнение приводит к соотношению

А5 = U1 =TS (211)

Дифференциальное соотношение (тождество) термодина­мики, выражающее пятый закон симметрии структуры первого порядка, находится прежним способом - путем дифферен­цирования равенств (208) по Ε1 и Р1 .В окончательном виде имеем

(Р1/Р1)Е1 = (Е1/Е1)Р1 (212)

или

КРР11 = АЕЕ11 (213)

где

КРР11 = (Р1/Р1)Е1 ; АЕЕ11 = (Е1/Е1)Р1

В этих равенствах приращения интенсиала и экстенсора не сокращаются, так как относятся к совершенно различным условиям взаимодействия (сопряжения) системы и окружаю­щей среды.

Пятая характеристическая функция, подобно третьей, имеет своего двойника. Он получается, если воспользоваться шестым аргументом набора (160). Это равносильно тому, что во всех равенствах пятой функции индекс 1 заменяется на индекс 2. Шестая характеристическая функция имеет вид

dА6 = Р2dЕ2 + Е22 = d2Е2) (214)

А6 = U2 = Р2Е2 (215)

Для механической степени свободы термомеханической системы последнее уравнение дает вторую составляющую энергии U2 .Имеем

А6 = U2 =pV (216)

Очевидно, что суммарная энергия U для системы с двумя степенями свободы должна быть равна сумме первого U1 и второго U2 компонентов энергии, то есть

U = А5 + А6 = U1 + U2 = Р1Е1 + Р2Е2 (217)

Для термомеханической системы в целом

U = U1 + U2 = TS + pV (218)

Шестое тождество термодинамики, выражающее шестой закон симметрии структуры первого порядка, имеет следующий вид, аналогичный тождеству (212):

(Р2/Р2)Е2 = (Е2/Е2)Р2 (219)

Из пятой и шестой характеристических функций уже не получаются так же просто, как прежде, новые цепочки законов симметрии структуры более высоких порядков. Но зато удается обосновать не менее интересные соотношения (210), (211), (215)-(218), которые хорошо объясняют физический смысл и относительную роль четырех известных характеристических функций термодинамики U , Ф , I и F и оправдывают принятый способ их конструирования с помощью выражений (167), (184) и (199), где функции Ф , I и F сопоставляются с энергией U .Именно благодаря тому, что произведение интенсиала на сопря­женный с ним экстенсор определяет соответствующую состав­ляющую энергии системы (см. формулы (210), (211), (215) и (216)), такое конструирование не наталкивается на проти­воречия вот уже в течение почти векового практического применения этих функций.

Здесь важно обратить внимание на тот факт, что аргументы набора (160) далеко не равноценны: из них только первый 1; Е2) дает главную характеристическую функцию (энергию), которая входит в состав основного уравнения ОТ. Все осталь­ные аргументы приводят к частным функциям, соответствую­щим различным конкретным условиям взаимодействия системы и окружающей среды, и поэтому не могут служить аргументами основного уравнения. Это подтверждает справедливость преж­него вывода о том, что параметрами состояния, независимыми переменными, аргументами основного уравнения могут быть только экстенсоры, интенсиалы же являются функциями состоя­ния, хотя формально уравнения (52) и (98) допускают взаим­ную подмену экстенсоров и интенсиалов. Следовательно, такая подмена возможна не всегда, в частности, она недопу­стима при составлении основного уравнения ОТ, определяю­щего энергию системы. В этом смысле было весьма поучи­тельно рассмотреть характеристические функции, которые под­черкнули исключительные роль и значение величин, входящих в основное уравнение ОТ. Характеристические функции позво­ляют также глубже осмыслить особенности процессов форми­рования симметричных структур.

Проведем некоторые итоги решения загадочной проблемы симметрии. Оказывается, дифференциальные соотношения (тождества) термодинамики, получаемые из соответствующих характеристических функций, представляют собой определен­ные законы симметрии. Сами эти функции в удобной и нагляд­ной форме отражают наиболее характерные специфические особенности взаимодействия системы и окружающей среды. Задавая по произволу те или иные условия взаимодействия, мы можем чрезвычайно эффективно влиять на процесс структурообразования и, следовательно, получать изделия с наперед заданными свойствами. Такая возможность представляет исключительный теоретический и практический интерес при выращивании кристаллов, затвердевании отливок и слитков и т.д. Однако для использования изложенных законов на практике надо знать значения всех коэффициентов, аргументов и функций, входящих в расчетные формулы.

Разумеется, характер структуры определяется не только условиями взаимодействия системы и окружающей среды. Не менее важное значение имеют также составы и структуры исходных ансамблей - зародышей, затравок, подводимых ансамблей и т.д., из которых синтезируется данная структура. В частности, от этого в значительной мере зависит возникно­вение правых и левых структур, что, несомненно, должно определяться истинно простой вращательной (ротационной) формой явления, то есть наличием у ансамблей порций веществ с правым или левым вращением, - таково объяснение этого экзотического феномена, привлекавшего в свое время внимание Л. Пастера, В.И. Вернадского и многих других исследователей.

Множество вариантов симметричных и асимметричных структур возникает, если отдельным интенсиалам или экстенсорам - давлению, температуре, электрическому потенциалу, объему, энтропии и т.д. - задавать постоянные значения; соответствующие признаки симметрии легко определяются с помощью характеристических функций. Еще большего раз­нообразия можно достичь, если интенсиалы, экстенсоры или их совокупности изменять по произвольной, заранее заданной программе. Такой подход таит в себе колоссальные возмож­ности. Помимо получения разнообразных структур он позволяет также резко интенсифицировать все процессы. При этом удается не только повысить величину ожидаемого эффекта, но и многократно сократить время его достижения; особенно сильно это проявляется при осуществлении периодически повторяющихся процессов.

Действительно, в условиях постоянных интенсиалов система всегда стремится достичь состояния равновесия, когда интен­сиалы выравнивают свои значения в ее объеме, а их градиенты уменьшаются. Скорость всех процессов при этом постепенно замедляется, асимптотически приближаясь к нулю. Практи­чески здесь работает классическая, равновесная термодина­мика. Если же интенсиалы периодически изменяют свои зна­чения, то каждый раз возникают их большие градиенты, это импульсами повышает потоки веществ и их взаимное влияние, все процессы ускоряются. При этом действует уже термоди­намика реальных процессов. Здесь важно подчеркнуть следую­щее обстоятельство: благодаря взаимному влиянию импульс­ное воздействие даже на какое-либо одно явление неизбежно вызывает активизацию, интенсификацию всех остальных. Это сильно упрощает и облегчает достижение многих полезных эффектов, некоторые из них на первый взгляд кажутся даже трудно объяснимыми. Приведу несколько примеров.

Начну с метрического (кинетического) явления. Около 35 лет назад замечательный эстонский ученый и изобретатель И. Хинт получил авторское свидетельство на принцип механи­ческой активации веществ быстро следующими друг за другом ударами. Этот принцип получил наименование дезинтеграции[85, 86], для его практического использования в народном хозяйстве автором был создан специальный научно-производ­ственный кооператив «Дезинтегратор».

В ходе механической активации изменяются все физико-химические, термофизические, в том числе хрональные и дру­гие свойства веществ. Было установлено, что активирован­ные продукты оказывают благотворное влияние на организм, поэтому они использовались для лечебных целей; теперь ясно, что основную роль при этом играет хрональное явление, акти­вированное метрическим. Активация строительных материалов позволила создать новую высокоэффективную технологию производства крупных блоков, например, из силикальцита; эта технология строительства с большим успехом внедрялась у нас в стране и за рубежом.

К сожалению, в то время обсуждаемые эффекты взаимного влияния были мало известны, поэтому не находили должного признания в научных сферах; особенно много нареканий вызы­вало трудно объяснимое лечебное действие активированных продуктов. Да и сама кооперативная форма организации труда шла вразрез с бытовавшими тогда порядками. В резуль­тате все это закончилось трагично для автора и его дела - тюрьмой, смертью и т.д.

Другой пример касается термического явления и его влия­ния на процессы, происходящие при термообработке чугуна и стали. Пионером в этой области следует считать В.К. Федюкина, который воспользовался уравнениями ОТ [79, с.6; 80, с.35] и разработал новую высокоэффективную технологию, она заключается в многократном быстром нагреве и еще более быстром охлаждении чугуна, соответствующий процесс назван термоциклированием. Возникающие при термоциклировании большие градиенты температуры в соответствии с законом увлечения способствуют быстрому протеканию нужных про­цессов термодиффузии и микроликвации. В результате, на­пример, при пяти циклах теплового воздействия на колен­чатый вал длительность термообработки снижается с 16 до 2 ч при существенном повышении всех механических свойств чугуна [79, с.23]. Аналогичные ценные результаты были получены при термоциклировании стали (В.К. Пустовойт, 1972 г.).

Третий пример тоже связан с термическим явлением и диф­фузией. Изотермическое насыщение поверхности стальных изделий азотом (азотизация), углеродом (цементация), азо­том и углеродом (нитроцементация), алюминием (алитирование) и т.д. обычно длится 4-8 ч. Но если поверхность изделия покрыть специальной пастой, содержащей нужное вещество, и создать большой градиент температуры, например, в электрическом поле токов высокой частоты, тогда длитель­ность процесса насыщения сократится до нескольких минут. Например, для нитроцементации была использована паста следующего состава мас. % [17, с.233]:

Красная кровяная соль 15

Барий углекислый 20

Сажа голландская 45

Поташ 20

Паста разводится до густоты сметаны 15-процентным водным раствором патоки. В поле токов высокой частоты поверхность образца из армко-железа нагревается до температуры 1270- 1470 К за 10-15 с. При однократном нагреве толщина насы­щенного слоя составляет 0,1-0,2 мм, при повторных нагревах она возрастает.

Периодическое воздействие позволяет также интенсифици­ровать многие другие процессы. Например, таким способом в несколько раз сокращается общая длительность заряжания электрического аккумулятора и т.п. [ТРП, стр.174-181].

7. Еще раз об обобщенном законе взаимодействия и третьем законе Ньютона.

Из пятого и шестого начал ОТ можно сделать еще ряд других интереснейших выводов принципиального характера. Мы убедились, что соотношения увлечения, как и взаимности, утверждают факт равенства работ взаимодействия и соответ­ствующих им энергий связи. Требование равенства работ и энергий при взаимодействии веществ (ансамблей, тел) в условиях переноса в принципиальных своих чертах не отличается от аналогичного требования в условиях изменения состояния системы; это хорошо видно, например, из сопостав­ления уравнений (90) и (176), содержащих каждое произведе­ния некоторых разностей интенсиалов Р на количества пере­несенных веществ Ε . Однако физический механизм, отвечаю­щий этим двум случаям, различается весьма существенно. Разберемся в этом вопросе более подробно.

Мы установили, что в процессах изменения состояния работа совершается в момент присоединения (или отрыва) порций вещества к неподвижному ансамблю системы, нахо­дящемуся в определенном ее месте (точке), при этом изменя­ется интенсиал этого, ансамбля (соответствующей точки). Следовательно, в данном случае основное внимание приковано к неподвижному ансамблю, принадлежащему системе: именно он изменяет свое состояние.

Во втором случае речь идет о движущемся ансамбле, который перемещается между двумя точками системы, обла­дающими различными значениями интенсиала. При этом порции переносимого вещества, сопряженного с данным интенсиалом, отрываются или присоединяются к подвижному ан­самблю на пути между указанными точками. На этом же пути веществом совершается работа отрыва или присоединения, определяемая равенством (176). Такой механизм переноса, свидетельствующий о нежесткой связи порций веществ между собой в подвижном ансамбле, подтверждается опытом (об этом уже говорилось в параграфе 5 гл. X).

Как видим, наличие большого сходства между уравнениями (90) и (176), характеризующими законы взаимности и увле­чения, не исключает важного принципиального различия, существующего между этими двумя категориями отношений. Другое из таких интересных различий уже упоминалось в параграфе 2 гл. XII. Оно заключается в том, что вещество в подвижном и неподвижном состояниях обладает весьма неодинаковыми свойствами: движущееся вещество определяет эффекты переноса, но практически не влияет на состояние системы. В противоположность этому оседлое вещество определяет состояние системы, но в процессе переноса само не участвует. Это обстоятельство может служить причиной возникновения ряда эффектов, связанных с превращением подвижного вещества в неподвижное (и наоборот) внутри изолированной системы [21, с.164, 354].

Благодаря отмеченным и некоторым другим различиям мы вынуждены рассматривать соответственно, два самостоя­тельных начала - третье и пятое, причем ведущая роль при­надлежит третьему, ибо оно определяет главные количествен­ные и качественные признаки системы (количество вещества, пошедшего на ее образование, структуру этого вещества и т.д.), то есть характеризует состояние системы. На долю пятого начала ложится обязанность обеспечивать условия, необходимые и достаточные для изменения этого состояния.

Сходство уравнений (90) и (176) в столь различных физи­ческих ситуациях лишний раз подтверждает справедливость прежнего вывода, содержащегося в параграфе 5 гл. X, о том, что для взаимодействия порций веществ (ансамблей, тел) важны не силы и перемещения, а работы и энергии, со всеми вытекающими отсюда последствиями. Другими словами, не только четвертое, но и шестое начало ОТ не запрещает нарушать третий закон механики Ньютона. Шестое начало в этом смысле не отличается от четвертого, поэтому его, как и четвертое, вполне можно назвать (вторым) обобщенным законом взаимодействия, или обобщенным третьим законом Ньютона.В частном случае из обобщенного закона вытекает собственно третий закон Ньютона, согласно которому сила действия по абсолютной величине равна силе противодействия.

Интересно, что оставшиеся четыре дифференциальных тождества термодинамики (193), (204), (212) и (219) тоже приводят к соотношениям, аналогичным (90) и (176). Это должно свидетельствовать о справедливости обобщенного закона взаимодействия, или обобщенного третьего закона Ньютона, для самых различных условий сопряжения системы и окружающей среды.

В связи с изложенным хочется обратить внимание на ту глубокую связь, которая существует между различными явле­ниями природы и описывающими эти явления законами. Например, мы установили, что состояние и перенос, симметрия мира, эффекты взаимности и увлечения, новый обобщенный закон взаимодействия, третий закон механики Ньютона и т.д. - все это различные стороны проявления одних и тех же законо­мерностей, содержащихся в началах ОТ. При этом полезно не забывать, что мы делаем еще только первые шаги на неиз­веданном пока пути, в дальнейшем будут обнаружены неизме­римо более удивительные связи, обусловленные единством окружающего нас мира и управляющих этим миром законов.

В заключение по поводу рассмотренных выше уравнений переноса требуется сделать те же замечания, которые были сделаны в конце гл. X применительно к уравнениям состояния. Все дифференциальные уравнения переноса являются суще­ственно нелинейными из-за тех связей, которые имеются между свойствами АР , КР , ВР, СР, DP и т.д. и экстенсорами, интен-сиалами и их производными различных порядков. В этом нетрудно убедиться, если подставить значения всех этих свойств в уравнения переноса. При этом достаточно рассмотреть только обобщенное дифференциальное уравнение (100), из которого вытекают все частные. Следовательно, частные уравнения обладают теми же свойствами нелинейности.

Сказанное справедливо не только для уравнений переноса, но и для всех цепочек законов симметрии, а также для всех остальных законов симметрии, которые могут быть получены помимо характеристических функций путем задания особых условий взаимодействия системы и окружающей среды.

Фактическая нелинейность дифференциальных уравнений состояния, переноса и симметрии свидетельствует о большой гибкости и универсальности аппарата ОТ. Симметричная (линейная) форма записи уравнений делает результаты легко обозримыми и удобными для применения и анализа. Уравне­ния становятся действительно линейными в отдельных частных случаях, например когда свойства А и К оказываются величи­нами постоянными. Этот простейший частный случай пред­ставляет большой теоретический и практический интерес; соответствующую ему систему мы условились именовать идеальной (см. параграф 7 гл. X) [ТРП, стр.181-184].

Глава ХIII. Седьмое начало ОТ.

1. Совместное применение первых двух начал

к процессам изменения состояния.

Теперь настало время окинуть взглядом пройденный путь. Всего было сформулировано шесть начал. Первое из них, непосредственно диктуемое основным уравнением ОТ, утверждает факт сохраняемости энергии в процессах эволюционного развития вещества и его поведения, в том числе в процессах синтеза и распада ансамблей; уравнение первого начала дает конкретное числовое выражение для изменения энергии системы, находящейся во взаимодействии с окружающей средой. Второе начало, вытекающее из первого, говорит о сохраняемости количества вещества во всех этих процессах. Оба началахарактеризуют наиболее общие и важ­ные свойства Вселенной. Третье и четвертое начала выражают правила, которыми регламентируется поведение системы, ее состояние; эти правила связывают между собой изменения экстенсоров с изменениями интенсиалов. Наконец, пятое и шестое начала определяют условия и количественную сто­рону процесса проникновения и распространения вещества в системе, эти процессы проникновения и распространения служат причиной изменения состояния последней. В ходе формулировки начал удалось выявить очень многие чрезвы­чайно интересные подробности физического механизма вза­имодействия системы и окружающей среды, а также механизма формирования простого ансамбля, при этом раскрылась удивительная по своему калейдоскопическому разнообразию картина формирования симметричных и асимметричных структур.

Однако нарисованную к данному моменту картину еще нельзя считать завершенной до тех пор, пока мы не попытались замкнуть круг, то есть согласовать между собой все перечис­ленные начала. При этом не исключена возможность выявления некоторых новых, не учтенных пока специфических особен­ностей протекания упомянутых выше процессов синтеза и распада ансамблей. Вспомним, например, что второе начало обязано своим происхождением именно взаимной увязке первого начала с выявившимся в ходе анализа последнего общим физическим механизмом переноса вещества через контрольную поверхность системы. Теперь нам предстоит увязать первое и второе начала с тем же физическим меха­низмом, но уже детализированным с помощью третьего и четвертого, а также пятого и шестого начал. В результате будет выведено седьмое начало ОТ, оно замкнет круг главных законов, которым обязана подчиняться природа на уровне простых и более сложных явлений. Седьмое начало в каком-то смысле повторяет первое, с той только разницей, что первое начало определяет энергию через внешние по отношению к системе факторы, а седьмое определяет ту же энергию через параметры самой системы, но при этом появится много существенно нового.

Очевидно, что задачу придется решать в два этапа. Сперва согласуем первые два начала с процессами изменения состояния, а затем и с процессами переноса. При решении поставленной задачи будут получены важные результаты. В частности, будет дана дальнейшая расшифровка физичес­кого механизма процессов изменения состояния и переноса и будут установлены дополнительные принципиальные разли­чия между этими двумя типами процессов. Кроме того, будут обнаружены весьма любопытные свойства у термического вещества, уточнено понятие энергии связи и т.д.

Взаимную припасовку первых четырех главных законов ОТ для простоты начнем с вывода соответствующего дифферен­циального уравнения в предположении, что система распола­гает всего одной степенью свободы (n = 1).Рассматривается процесс изменения состояния системы (ансамбля), к которой подводится вещество в количестве dE .Этот процесс будем именовать заряжаниемсистемы соответствующим веществом.

Согласно третьему началу ОТ, подвод к ансамблю вещества dE сопровождается повышением интенсиала на величину dP ,а отвод - снижением; в первом случае приращение dP положительно, во втором отрицательно, причем величина приращения dP= P" - Р' , где Ρ' - начальное значение интенсиала; Р" - его конечное значение.

Подвод и отвод вещества связаны с совершением работы, равной произведению интенсиала на экстенсор (см. уравнение (42)). Если процесс протекает при интенсиале ансамбля Р' , то работа dQ' = P'dE ,если при интенсиале Р" , то работа dQ" = P"dE .

Согласно первому началу ОТ, изменение энергии в про­цессе заряжания системы от интенсиала Р' до интенсиала Р"

dU3 = dQ" – dQ' = dQ3 = dPdE (220)

где

dQ3 = dQ" – dQ'

Знак в правой части этого уравнения выбирается в зависи­мости от конкретных условий процесса: знака совершаемой работы, знака вещества, если оно имеет своего антипода, как, например, электрический заряд, и т.д.

Приращения dP и dEсвязаны между собой уравнением состояния (58) или (60) третьего начала ОТ. Поэтому ра­венство (220) можно также переписать в виде

dU3= dQ3 = dPdE = АdE2 = КdР2 (221)

Если система располагает n степенями свободы, то расчет­ные формулы можно получить с помощью уравнений типа (31) и (53). Первое из этих уравнений говорит о том, что работы, совершаемые различными веществами, подчиняются простей­шему правилу аддитивности: они суммируются алгебраически с учетом приписываемых им знаков. Второе уравнение застав­ляет учитывать взаимное влияние степеней свободы, когда помимо данного изменяются также все остальные интенсиалы и при этом совершаются сопряженные с ними работы. Все эти остальные работы не сопровождаются (не обусловлены) подводом или отводом соответствующих веществ. Это исклю­чительно интересный процесс, который можно понять, только обратившись к эффекту экранирования, изложенному ниже в настоящей главе. Он таит в себе возможность взаимных преобразований различных форм энергии внутри отдельного тела [ТРП, стр.185-187].

2. Закон заряжания.

Согласно дифференциальному уравнению (220), приращение энергии системы dU3 при заряжании ее данным веществом равно произведению приращения интенсиала dP на прира­щение количества этого вещества dE .Полученный результат составляет содержание закона заряжания.Это всеобщий закон природы, применительно к n степеням свободы впервые сформулированный в ОТ [29, с.6]. Он стыкует (взаимно при­пасовывает друг к другу) первые четыре начала ОТ.

Особый интерес представляет случай, когда n > 1. При этом первое начало заставляет суммировать энергии и работы заряжания, относящиеся к различным степеням свободы системы. Согласно второму началу, в процессе заряжания суммарные количества веществ системы и окружающей среды сохраняются неизменными. В равенствах (220) и (221) приращения dP и dE связаны между собой уравнением состояния типа (54) третьего начала, а симметрия во взаимном влиянии степеней свободы определяется четвертым началом ОТ. Однако во взаимной припасовке первых четырех начал еще не все ясно определено, это выяснится лишь при обсуждении эффекта экранирования.

Из общего закона заряжания в качестве частных случаев вытекают те знания, которые известны применительно к n = 1 , например, в учении об электричестве и калориметрии. При заряжании электричеством приходится учитывать как знаки работ (заряжание-разряжание), так и знаки самих зарядов. В случае калориметрирования учитываются только знаки термических работ (нагрев или охлаждение), но зато здесь тоже имеются некоторые тонкости, связанные с эффектом экранирования. Интересные особенности присущи также про­цессу заряжания системы массой (см. параграф 6 гл. XIII).

Таким образом, совместное применение первых двух начал к процессам изменения состояния приводит к формулировке нового всеобщего закона заряжания и дальнейшему углуб­лению наших знаний о физическом механизме изучаемых явлений. Теперь предстоит то же самое проделать для процес­сов переноса, при этом будут получены дополнительные сведения о свойствах закона заряжания [ТРП, стр.187-188].

3. Совместное применение первых двух начал к процессам переноса.

Процессы переноса всем нам более привычны, а связанные с ними основные эффекты давно и хорошо известны. Но толкую я их по-новому в полном согласии с парадигмой ОТ. Именно парадигма повинна в необходимости нового подхода для объяснения процессов переноса и связанных с ними эффектов. При этом формулируются многочисленные теоре­тические прогнозы, не доступные для старой парадигмы. А опыт успешно подтверждает справедливость как нетради­ционного толкования известных эффектов, так и вытекающих из ОТ новых выводов-прогнозов.

Взаимную увязку первого, второго, пятого и шестого законов ОТ начнем с вывода соответствующего дифферен­циального уравнения [12, с.165; 17, с.67; 18, с.197; 21, с.86]. Для простоты будем считать, что система (заштрихованный участок на рис. 4, а) обладает всего одной степенью свободы (n = 1).Согласно пятому началу ОТ, перенос вещества проис­ходит под действием градиента интенсиала dP/dx . Обмен веществом на боковой цилиндрической поверхности системы отсутствует, так как поле одномерное, то есть градиент интенсиала в направлении, перпендикулярном к оси х ,равен нулю. Распределение интенсиала вдоль системы отвечает прямой АВ.Режим переноса стационарный, поэтому экстенсор, интенсиал и энергия системы со временем не изменяются. Следовательно, количество вещества dE ,вошедшего в систему за время dt ,должно быть равно количеству вещества dE ,вышедшего из нее за то же время, - это прямо вытекает из второго начала ОТ. Получается, что система как бы пронизывается веществом, не оказывающим влияния на ее состояние. Это как раз тот самый случай, когда подвижное вещество определяет эффекты переноса, но не влияет на состояние, а неподвижное определяет состояние (создает нужное распределение интенсиала вдоль системы), но не сказывается на переносе.

В сечении хконтрольная поверхность имеет значение интенсиала P' = P" + dP. Входя в систему через это сечение, вещество совершает работу

dQ" = P'dE = (P" + dP)dE

Согласно ранее принятому правилу знаков, работа dQ' положительна, она совершается окружающей средой над системой. В соответствии с первым началом ОТ (см. урав­нение (39)) работа dQ' должна повысить энергию системы на величину

dU' = dQ' = P'dE = (P" + dP)dE

На противоположной стороне системы, в сечении x + dx , контрольная поверхность имеет значение интенсиала Р" . Вещество, выходящее через это сечение, совершает работу

dQ" = P"dE

Эта работа отрицательна, она совершается системой над окружающей средой. В результате энергия системы должна понизиться на величину

dU" = dQ" = P"dE

Энергии dU' и dU" между собой не равны. Их разность

dUЭ =dU" - dU' = dQ" - dQ' = dQЭ = - dPdE (222)

где

dQЭ = dQ" - dQ'



Мы получили совершенно замечательный результат, в котором требуется внимательно разобраться. Согласно равенству (222), работа на входе в систему превышает работу на выходе на величину dQЭ .Это значит, что пронизывание системы веществом в количестве dE должно было бы повысить ее энергию на величину dUЭ =dQЭ . Однако в условиях стацио­нарного режима энергия системы, а также ее интенсиал и экстенсор обязаны сохраняться неизменными. Следовательно, ответственность за наличие дисбаланса (222) должна взять на себя не система, а переносимое вещество. Именно оно должно потерять энергию dUЭ на пути dx , чтобы не нарушилось первое начало ОТ.

Что касается переносимого вещества, то его количество в процессе пронизывания остается постоянным, а интенсиал уменьшается от значения Р' на входе в систему до значения Р" на выходе из нее. В данном случае мы предполагаем, что в каждом сечении системы имеет место равновесие, при котором интенсиал переносимых ансамблей равен интенсиалу ансамблей системы. Если такого равновесия нет, то задача заметно услож­няется и здесь мы ее рассматривать не будем.

Таким образом, получается, что в процессе переноса с веществом системы не происходит никаких изменений, а переносимое вещество при постоянном его количестве изме­няет лишь свое качество - интенсиал. Следовательно, ни система, ни поток не дают повода заподозрить рассматривае­мую степень свободы в том, что она ответственна за умень­шение энергии переносимого вещества. Поэтому причину надо искать не в данной степени свободы, а за ее пределами. Чтобы разобраться в этом вопросе, надо обратиться к опыту и выяснить, не сопровождаются ли процессы переноса вещест­ва какими-либо дополнительными, побочными эффектами, и если да, то какими именно.

Опыт с несомненностью свидетельствует о том, что перенос, например, электрического заряда сопровождается тепловыми эффектами. То же самое наблюдается при переносе вязкой жидкости, трении твердых тел, диффузии и других процессах. Следовательно, приходится констатировать, что .перенос данного вещества связан с появлением дополнительной, по­бочной по отношению к этому веществу степени свободы, причем эта степень свободы всегда оказывается тепловой. Именно она участвует в снижении и выделении энергии из последнего.

После установления этого исключительно интересного факта не представляет никакого труда определить количественную сторону наблюдаемого термического эффекта. Обозначим меру количества термического вещества через Θ . Интенсиалом для простого термического явления служит абсолютная тем­пература Т ,следовательно, термическая работа (см. уравне­ние (34))

dQ = Td

В нашем случае термическое вещество в количестве dЭвыделяется на пути dх . Если температура системы равна Т , тогда работа, совершаемая термическим веществом:

dQ = TdЭ

Согласно первому началу, эта термическая работа должна быть равна избыточной работе dQЭ или энергии dUЭ . В резуль­тате количество термического вещества, выделенного потоком на участке dx :

dЭ = dQЭ/Т = dUЭ/Т = - (dPdE)/T (223)

Благодаря появлению этого вещества в процессах переноса соблюдается первое начало ОТ. Но одновременно должно соблюдаться также и второе начало ОТ - закон сохранения количества вещества. Следовательно, термическое вещество dЭне возникает из ничего, не самозарождается, а присутствует в переносимом ансамбле с самого начала, оно лишь выделяется из ансамбля в связи с уменьшением его интенсиала.

Этот факт весьма примечателен, он говорит о том, что термическое вещество призвано выполнять по меньшей мере две различные функции. Во-первых, согласно третьему началу ОТ, оно изменяет сопряженное с ним состояние, будучи под­веденным или отведенный от системы. Но то же самое проде­лывает и любое другое вещество. В этом смысле термическое не отличается от всех остальных. Во-вторых, термическое вещество способно избирательно воздействовать на качество, активность поведения (интенсиал) любого данного вещества, каким-то образом фокусируясь, концентрируясь на нем. В этом смысле термическое вещество отличается от всех остальных, что составляет важное его специфическое свойство.

Весьма существенно, что указанная избирательная кон­центрация сравнительно мало сказывается на общем терми­ческом состоянии ансамбля. Это дает основание говорить о существовании некоего эффекта экранированиятермического вещества на любой данной степени свободы, практически не затрагивающего все остальные степени. Замечу, что науке известны и некоторые другие эффекты экранирования. Например, со специфическим экранированием мы сталкива­емся в частице нейтроне, где электрически нейтрализуют друг друга положительно заряженный протон и отрицательно заряженный электрон.

При использовании расчетных формул (222) и (223) будем руководствоваться следующим правилом знаков: если термическое вещество (теплота) выделяется из движущихся ансамблей в окружающую их среду, в том числе в систему, то оно условно считается положительным, если поглощается из окружающей среды или системы, - отрицательным. Это правило находит свое отражение в знаке минус, который стоит в правой части уравнений (222) и (223). Например, при переносе вещества в направлении убывающего интенсиала, что отвечает линии АВ на рис. 4, а, приращение dP отрица­тельно, и поэтому величины dUЭ , dQЭ и dЭ положительны, то есть экранированное термическое вещество выделяется из потока в окружающую среду.

При переносе вещества в направлении возрастающего интенсиала (линия CD на рис. 4, б) приращение dP поло­жительно и, следовательно, величины dUЭ , dQЭ и dЭ отри­цательны, то есть термическое вещество поглощается из окружающей среды, экранируется в потоке. Замечу, кстати, что процессы второго направления встречаются в природе столь же часто, как и первого; об этом много говорится ниже.

Весьма важно, что в уравнениях (222) и (223) разность интенсиалов dP и количество перенесенного вещества dE никак между собою не связаны, к ним не применимы уравнения состояния типа (58) и (104). Чтобы лучше уяснить это обстоятельство, надо четко различать переносимые ансамбли и неподвижные ансамбли системы.

Приращение dP относится к системе и определяется ее уравнением состояния. В противоположность этому вели­чина dE принадлежит потоку, причем она не является прира­щением, дифференциалом в математическом смысле, а есть просто малое количество. Следовательно, приращение dP не зависит от величины dE .Например, при одной и той же разности dP количество перенесенного вещества может быть любым, ибо оно пропорционально времени процесса (см. вы­ражения (108) и (119)). Именно поэтому величины dP иdE нельзя связать уравнением состояния третьего начала ОТ. Лишь формулу (223) можно условно рассматривать как некое уравнение состояния экранирования применительно к данному веществу потока.

Формулы (222) и (223) справедливы для системы с одной степенью свободы. В условиях n степеней каждая из них руководствуется теми же законами. Для получения общего уравнения, одновременно охватывающего все степени свободы, необходимо просуммировать соответствующие слагаемые для каждой степени с учетом присущего ей знака. Количества термического вещества, соответствующие положительным и отрицательным слагаемым, частично или полностью компен­сируют друг друга. При этом осуществляется переход (пере­излучение) вещества внутри подвижного ансамбля от одной степени свободы, у которой dP отрицательно, к другой, у которой dP положительно. Это значит, что никакого взаим­ного «уничтожения» положительных и отрицательных коли­честв не происходит и не может происходить, ибо речь идет об одном и том же термическом веществе, подчиняющемся закону сохранения, знак этого вещества условно определяется направлением его распространения.

Нескомпенсированное количество экранированного терми­ческого вещества Э частично или полностью заимствуется из системы или окружающей среды - все зависит от кон­кретных условий процесса. Та часть термического вещества ΘЭ , которая остается в системе или заимствуется из нее, должна обязательно учитываться при пользовании уравнением состоя­ния типа (54); эта часть служит аргументом уравнения наравне с другими подведенными или отведенными веществами [ТРП, стр.188-194].

4. Закон экранирования.

Количественный результат, выражаемый уравнениями (222) и (223), составляет содержание закона экранирования ОТ. Согласно этому закону, перенос ансамблей в системе сопро­вождается выделением или поглощением термического вещест­ва. Если перенос происходит в направлении убывающего интенсиала, то термическое вещество в количестве dЭ выде­ляется из движущихся ансамблей, если они переносятся в сторону возрастающего интенсиала, то термическое вещество поглощается. При экранировании термического вещества со­вершается работа dQЭ , которая изменяет энергию потока на величину dUЭ , причем работа dQЭ равна произведению при­ращения интенсиала dP на количество перенесенного вещества . Закон экранирования справедлив для процессов распро­странения любых веществ, включая термическое, по своей природе совпадающее с экранируемым веществом; возникаю­щие при этом тонкости обсуждаются в параграфе 2 гл. XX.

Закон экранирования представляет собой всеобщий закон природы, впервые сформулированный в ОТ. Его можно рас­сматривать как теоретический прогноз, непосредственно вытекающий из ОТ и недоступный для других известных теорий, особенно в части возможности распространения ве­ществ в направлении возрастающего интенсиала, когда терми­ческое вещество поглощается потоком из окружающей его среды, включая систему. Подобного рода процессы наблюда­ются во всех случаях, когда перенос осуществляется при наличии нескольких разностей интенсиалов одновременно. Согласно пятому началу ОТ, действие этих разностей суммиру­ется алгебраически с учетом их знаков. Ансамбли переносятся под влиянием результирующего взаимодействия, причем в на­правлении переноса некоторые из интенсиалов могут возра­стать. Сопряженные с этими интенсиалами вещества ансамблей поглощают термическое вещество в количествах, определяемых уравнением (223). Соответствующая схема процесса изобра­жена на рис. 4, б в виде прямой CD.

Поскольку в природе отдельно взятые вещества обычно не встречаются, а существуют только в виде ансамблей, постольку процессы поглощения термического вещества распространены очень широко. Например, такие условия возни­кают при переносе электрического заряда, когда помимо раз­ности электрических потенциалов имеются также обратные разности температур, давлений, химических потенциалов и т.д. В частности, подобная картина наблюдается в гальва­нических элементах и электрических аккумуляторах, где ансамбли (например, ионы) двигаются под действием разности химических потенциалов, преодолевая разность электрических потенциалов. То же самое происходит при движении жид­кости под действием разности давлений, если на ее пути имеются обратные разности температур, электрических и хи­мических потенциалов и т.д. Пример движения жидкости в сторону возрастающего давления описан в параграфе 5 гл. XIII.

Не менее интересны примеры распространения вещества при наличии в системе или на контрольной поверхности, отделяющей систему от окружающей среды, скачков интенсиалов типа ВС(рис. 4, в и г),где прямые АВ и CDсоот­ветствуют обычному процессу типа АВ (рис. 4, а). В частности, скачки интенсиалов всегда имеют место на поверхностях контакта разнородных тел (вспомним контактные разности электрических потенциалов, давлений, температур и т.д.). Если ансамбль распространяется под влиянием некоторого результирующего взаимодействия и на его пути встречается падение данного интенсиала, то сопряженное с этим интенсиалом вещество выделяет экранированное термическое вещество (рис. 4, в). Если ансамбль распространяется в противопо­ложном направлении, то термическое вещество на поверх­ности контакта экранируется, поглощается (рис. 4, г). Соответствующие процессы наблюдаются, например, в эффекте Пельтье, в гальваническом элементе и электрическом акку­муляторе и т.д.

Следует отметить, что процессы переноса, изображенные на рис. 4, а и б, в принципиальных своих чертах не отличаются от процессов переноса через скачок интенсиала (рис. 4, в и г). Оба вида процессов в равной мере подчиняются всем основным законам ОТ, включая законы переноса и экранирования. В первом случае процесс переноса рассчитывается по форму­лам типа (121) и (126), в которые входят градиенты интен­сиалов и проводимости. Во втором надо пользоваться уравнениями типа (111) и (116), которые содержат разности интенсиалов и коэффициенты отдачи вещества на поверхности. Скачки интенсиалов, вообще говоря, можно относить к системе или к окружающей среде, но в обоих случаях требуется повышенное внимание, чтобы не ошибиться при использовании первого и второго начал ОТ, особенно когда учитывается влияние ΘЭ .

Нетрудно сообразить, что процессы поглощения терми­ческого вещества суть прямое следствие наличия универсаль­ного взаимодействия, без которого они были бы невозможны. Универсальное взаимодействие связывает между собой в ансамбле порции разнородных веществ. Именно поэтому неко­торое данное вещество, распространяющееся под действием сопряженного с ним убывающего интенсиала, увлекает за собой остальные вещества, которые благодаря этому приобре­тают способность преодолевать возрастающие значения сопря­женных с ними интенсиалов. Таким образом, утрачивает силу известная идея одностороннего развития мира, выте­кающая из принципа возрастания энтропии во всех реальных процессах. Действительность такова, что процессы обратного направления - с убыванием энтропии - встречаются в приро­де столь же часто, как и прямого, - с возрастанием энтропии. Заботу об этом берут на себя закон экранирования, первое и второе начала ОТ и универсальное взаимодействие.

Работа dQЭ, совершаемая переносимыми ансамблями, является термической работой, или теплотой. В термодинамике ее принято называть работой, или теплотой, трения. Для обозначения процессов выделения теплоты трения применя­ется также термин «диссипация», что означает рассеяние. Еще со времен Клаузиуса утвердилось представление о том, что теплота трения способна только выделяться, поэтому в реальных процессах вследствие выделения теплоты диссипа­ции различные формы движения материи превращаются в теплоту, а последняя рассеивается в окружающей среде. Это и послужило основанием для принятия термина «дис­сипация».

Ранее закон (222) я тоже по инерции называл законом диссипации, хотя мне уже было известно, что мера коли­чества термического вещества в противоположность энтропии способна не только возрастать, но и уменьшаться; об этом говорится, например, в книге [11, с.143], где термическое вещество именуется термическим зарядом. Наконец, в моно­графии [21, с.86] я окончательно перешел к новому термину «экранирование», который лучше отражает реальную действи­тельность, чем прежний. Ведь фактически никакого рассеяния, обесценивания энергии в природе не происходит, так как экранированное термическое вещество способно не только выделяться, но и поглощаться: прежде чем выделиться, оно должно сначала где-то поглотиться в соответствующем про­цессе. Этим самым обеспечивается непрерывный и бесконечный круговорот энергии в природе.

Процессы прямого и обратного направлений можно трактовать как процессы плюс- и минус-трения, диссипации и минус-диссипации. Все это позволяет по-новому взглянуть на проблему обратимости и необратимости реальных процессов, возникшую на основе теории Клаузиуса, а также навести соответствующий порядок в имеющихся определениях, поня­тиях и терминах [18,20,21] [ТРП, стр.194-197].

5. Седьмое начало ОТ, или обобщенный закон заряжания.

В ходе стыковки первого и второго начал ОТ с четырьмя остальными были сформулированы законы заряжания и экра­нирования. В результате для определения энергии мы распо­лагаем уже тремя типами различных уравнений (31), (220) и (222). Требуется выяснить, не противоречат ли эти уравнения друг другу, не дублируют ли одно другое и как связаны между собой энергии U , U3 и UЭ .

Чтобы правильно ответить на эти и другие вопросы, попытаемся мысленно синтезировать нашу систему, последо­вательно заряжая ее различными чистыми веществами - не ансамблями, - начиная с нуля, то есть с единичного кванта какого-либо вещества. В данном случае контрольную поверх­ность по необходимости пронизывают все вещества, пошедшие на образование системы, включая термическое, которое частично расходуется на изменение теплового состояния, а частично экранируется, уже находясь внутри системы. Следовательно, в рассматриваемых условиях все вещества без исключения проигрывают на контрольной поверхности роль основных и поэтому в соответствии с уравнением (31) определяют полную энергию ансамбля U , полное количество его поведения. Те вещества, которые продолжают выполнять эту роль внутри системы, дают энергию заряжания U3 , опре­деляемую уравнением (220) закона заряжания. Часть терми­ческого вещества, которая не участвует в заряжании, экра­нируется в системе, она дает энергию UЭ , определяемую Уравнением (222) закона экранирования. Такова субордина­ция энергий U , U3 и UЭ .

Не менее наглядно суть величин U , U3 и UЭ выступает, если происходит распад ансамблей на отдельные простые вещества. При этом система совершает работу, проталкивая через контрольную поверхность все свои вещества. Работа совершается в процессе силового поведения вещества, причем мерами качества поведения служат интенсиалы, являющиеся аналогами силы, а мерой количества поведения — энергия, равная работе и определяемая уравнением (31). При полном распаде высвобождается вся энергия ансамбля U ,соответ­ствующая полному количеству его силового поведения. Из этого количества доля U3 принадлежит веществам, участво­вавшим в заряжании, а доля UЭ - термическому веществу, которое играло роль экранированного.

Следовательно, величина U состоит всего из двух частей: энергии заряжания U3 и энергии экранирования UЭ , то есть

U= U3 + UЭ (224)

или в дифференциальной форме

dU= dU3 + dUЭ = dQ3 + dQЭ = dPdE – dPdE (225)

Известное различие смысла слагаемых правой части этого уравнения делает нецелесообразным объединение их в одно слагаемое.

Если система располагает несколькими степенями свободы, то общее изменение энергии получается в виде соответствую­щей суммы, причем знак каждого из слагаемых определяется по правилам, изложенным выше применительно к уравнениям (220) и (222).

Дифференциальное уравнение (225) выражает седьмое начало ОТ.Оно определяет изменение энергии системы ввиде суммы двух слагаемых, первое из них соответствует изменению энергии, обусловленному работами заряжания, а второе - работами экранирования.

Таким образом, седьмое начало ОТ объединяет законы заряжания и экранирования. При этом оба рассматриваемых процесса - заряжания и экранирования - сопровождаются подводом (или отводом) к системе определенных веществ. Следовательно, если отвлечься от того факта, что в первом случае вещество может быть любым, а во втором - только термическим, а также от некоторых других тонкостей этих процессов, тогда термин «заряжание» можно условно распрост­ранить и на экранирование. В результате седьмое начало ОТ приобретает смысл обобщенного закона заряжания.

Седьмое начало похоже на первое тем, что оба они определяют энергию системы. Однако между ними имеются и существенные различия. Первое начало выражает энергию через работы (34), которые совершаются на контрольной поверхности и представляют собой универсальные меры коли­чества воздействия на систему со стороны окружающей среды. Иными словами, первое начало определяет энергию через внешние по отношению к системе характеристики. В проти­воположность этому седьмое начало определяет энергию через работы, которые выражаются с помощью внутренних характеристик системы (см. формулы (220) и (222)). Отсюда должно быть ясно, что первое и седьмое начала не противо­речат и не дублируют, а дополняют друг друга.

Седьмое начало найдено в ходе взаимной припасовки шести предыдущих, без него совокупность начал оказывается незамкнутой, ибо в ней отсутствует самое важное, обобщаю­щее, связующее звено, которое призвано объединить первые шесть начал в единое гармоничное целое. Кроме того, благо­даря седьмому началу удается по-новому взглянуть на первое и обнаружить в нем определенные существенные недостатки. Вследствие этого седьмое приобретает не меньшую, если не большую, ценность для теории и практики, чем первое. Седьмое начало впервые было сформулировано в ОТ [29, с.6], оно особенно необходимо для целей переосмысливания прежней теории и получения на этой основе новых результатов, не доступных для традиционных представлений.

В свете изложенного становится ясно, что величины U , U3 и UЭ различаются между собой весьма существенно. Энергия U сохраняет за собой право именоваться универ­сальной мерой количества поведения, которым располагает ансамбль. Энергии U3 и UЭ тоже являются мерами количества поведения, но каждая из них характеризует только ограничен­ные частные свойства ансамбля, связанные с эффектами заряжания и экранирования, на частный характер этих энергий указывают индексы «З» и «Э».

Таким образом, в общем случае система располагает энергией U . Впроцессах заряжания запасается часть этой энергии, равная U3.Величина U3 поэтому является в извест­ном смысле свободнойэнергией, ибо она получается в актах простого подвода или отвода различных веществ. В проти­воположность этому энергия UЭобусловлена эффектом экра­нирования, связывания термического вещества внутри ансамб­ля. Это может служить основанием для того, чтобы наиме­новать величину UЭсвязаннойэнергией.

Данное здесь определение понятий «свободная и связанная энергии» существенно отличается от того, что в свое время было введено в термодинамику Гельмгольцем. Новое опреде­ление является вполне естественным, простым и наглядным, тем более что энергия UЭ имеет прямое отношение к связыва­нию между собой всех веществ ансамбля.

Действительно, при обсуждении обобщенного третьего закона Ньютона (параграфы 5 гл. X и 7 гл. XII) отмечалось, что порции разнородных веществ удерживаются друг подле друга в ансамбле не силами, а энергией. Соответствующие ей работы совершаются в ходе как специфических, так и универсального взаимодействий. Первые могут не только упрочнять ансамбль, но и ослаблять имеющиеся связи. Например, гравитационное взаимодействие между порциями массы упрочняет связи, а электрическое между одноименными квантами зарядов их ослабляет. Универсальное взаимодейст­вие упрочняет ансамбль. При прочих равных условиях с ростом количества экранированного термического вещества энергия UЭ и интенсиалы, а следовательно, и интенсивность всех взаимо­действий, включая универсальное, возрастает, а значит, растет и энергия связи внутри ансамбля, его прочность.

В общем случае соотношение между энергиями U3 и UЭможет быть самым различным. В первую очередь это зависит от свойств ансамбля, определяемых уравнением состояния, от условий взаимодействия системы и окружающей среды и т.д. В отдельных частных случаях удается легко найти указанное соотношение. Одновременно очень четко выявляется ограниченность в известном смысле первого начала термодинамики.

Чтобы лучше разобраться в этом вопросе, проинтегри­руем правую часть уравнения (220) по Р , а уравнения (222) – по Е . Тогда из выражения (225) получается следующий любопытный результат:

dU= PdE – ЕdР (226)

Применив это выражение к условиям образования ан­самбля, когда его интенсиал возрастает, а экранированное термическое вещество поглощается, будем иметь

dU= PdE + ЕdР = d(РЕ) (227)

Проинтегрируем это уравнение и положим константу интегри­рования равной нулю. Находим

U = РЕ (228)

Формула (228) хорошо проясняет смысл прежних равенств (210) и (215), найденных с помощью пятой и шестой харак­теристических функций. Одновременно становится понятным, почему длительное применение в термодинамике свободной энтальпии (167), энтальпии (184) и свободной энергии (199) не столкнулось с противоречиями - ведь эти характеристичес­кие функции сконструированы из слагаемых, в число которых входит энергия и произведения интенсиала на экстенсор. Причина здесь простая: структуры энергии (см. формулу (228)) и указанных произведений тождественны между собой. В последнее время, опираясь на такую структуру энергии, много весьма ценных результатов получил болгарский ученый М. Механджиев [54, 57].

Теперь должно быть совершенно ясно, что возможность выражать энергию с помощью слагаемых типа (228) есть следствие существования одновременно двух эффектов: заряжания и экранирования. Интересующее нас соотношение между энергиями U3 и UЭ приобретает самый простой вид в частном случае идеальной системы, когда коэффициенты уравнения состояния А и К постоянны. В этих условиях энергия заряжания U3 в точности равна энергии экраниро­вания UЭ , в совокупности они составляют полную энергию U (об этом более подробно говорится в параграфе 3 гл. XVI). В других случаях разница между величинами U3 и UЭ оказывается весьма значительной, как это имеет место, например, в условиях лазерной накачки, когда система дости­гает высокой степени неравновесности. Луч лазера - это и есть выделяющееся термическое вещество, которое входит в состав ансамблей, именуемых фотонами. В общем случае выделение (и поглощение) термического вещества может происходить не только с фотонами: все зависит от конкретных свойств системы и окружающей среды, в частности, известные различия в механизме переноса могут наблюдаться в газах, жидкостях и твердых телах. В химии часто соблюдается условие (228), этим и объясняются результаты М. Механджиева [54, 57].

Первое начало термодинамики, определяющее энергию через внешние работы, не способно различать эффекты заря­жания и экранирования, происходящие внутри системы. Поэтому оно не позволяет судить о состоянии последней, ибо остается неясным вопрос о том, какая часть подведенного термического вещества расходуется на эффект заряжания, а ка­кая - на эффект экранирования. В результате с помощью пер­вого начала можно легко определить изменение энергии dU ,но нельзя - полную энергию U ,если только не учесть все работы, затраченные на образование ансамбля, начиная с нуля, что, однако, сделать очень трудно. От этого недостатка свобод­но седьмое начало ОТ.

При решении различных конкретных задач с применением седьмого начала важно внимательно относиться к физической сути изучаемых процессов, это позволит избежать ошибок в расчетах и заключениях. В качестве простейшего примера можно сослаться на процесс стационарного течения несжима­емой вязкой жидкости, рассмотренный в работах [18, с.226; 21, с.39]. В условиях двух степеней свободы - кинетической и гидродинамической (механической), - если жидкость дви­жется по цилиндрическому каналу постоянного сечения, то давление с расстоянием уменьшается, что свидетельствует о наличии эффекта экранирования. Работа экранирования (плюс-трение, теплота трения выделяется) равна разности давлений, умноженной на объем протекшей жидкости. При этом скорость потока не изменяется, то есть кинетическая степень свободы себя не проявляет, эффект кинетического заряжания жидкости отсутствует. Эффект механического заряжания также отсутствует, ибо жидкость несжимаема.

Если канал необходимым образом расширяется, тогда скорость потока с расстоянием уменьшается, а давление возрастает и на выходе может стать даже больше, чем на входе. Однако это вовсе не значит, что жидкость должна потечь в обратном направлении, в сторону уменьшающегося давления. Это только означает, что в дело вмешался эффект кинетического заряжания жидкости и надо быть начеку, чтобы не ошибиться. При этом эффект механического заря­жания по-прежнему отсутствует из-за несжимаемости жидкос­ти. Во всех случаях отделить эффект заряжания от эффекта экранирования помогает уравнение состояния, определяющее первый эффект, и знание сопротивления системы, характери­зующего второй эффект. В нашем примере роль уравнения состояния играет известное основное уравнение гидродинамики Бернулли, связывающее квадрат скорости (кинетический интенсиал) с давлением (механический интенсиал). Рассматри­ваемый расширяющийся канал интересен в том отношении, что жидкость в нем движется в сторону возрастающего меха­нического интенсиала под действием достаточно большой разности второго - кинетического - интенсиала. Некоторые другие подобные примеры излагаются в цитированной выше работе [18].

Дополнительные интересные свойства энергий U , U3 и UЭ выясняются, если рассмотреть один чрезвычайно любопытный пример возможного - гипотетического пока - поведения пол­ностью изолированной системы. Изолированной, или замкну­той, мы называем систему, если через ее контрольную поверхность не проходят никакие вещества (dEk = 0).В этих условиях уравнение первого начала (31) дает dU = 0 ,а из уравнения седьмого начала (225) получается

dU3 + dUЭ = 0 (229)

и

U3 + UЭ = U = const (230)

Отсюда видно, что в изолированной системе не запрещены процессы взаимного преобразования энергий U3 и UЭ , при этом возрастание энергии U3 должно сопровождаться умень­шением UЭ и наоборот. Кроме того, согласно второму началу ОТ, в изолированной системе количества всех веществ сохра­няются неизменными, то есть Еk = const , где под Еk допустимо понимать соответствующее полное количество любого данного вещества системы в целом. Тогда из уравнений (220) и (222) должно непосредственно следовать, что изменение энергий U3 и UЭ возможно только за счет изменения соответствующих интенсиалов. А это значит, что уравнения (220) и (222) в принципе допускают взаимные преобразования активностей различных степеней свободы изолированной системы, то есть изменения одних интенсиалов за счет других и наоборот.

Процессы взаимного изменения интенсиалов равносильны «перекачиванию» экранированного термического вещества из каналов одних степеней свободы системы в каналы других, ибо в одних каналах количество этого вещества уменьшается, а, в других возрастает и наоборот. В этом смысле степени свободы несколько напоминают сообщающиеся сосуды, запол­ненные экранированным термическим веществом. Перекачи­вание осуществляется при неукоснительном соблюдении семи начал ОТ, причем во всех этих процессах особая роль принад­лежит, как непосредственно ясно, термическому веществу, которое может превращаться из экранированного в основное и наоборот, но его общее количество сохраняется строго неизменным.

Напомню, что интенсиалами служат квадрат скорости, температура, давление, электрический и химический потен­циалы и т.д. Следовательно, седьмое начало в принципе раз­решает изменять скорость, температуру, давление, электри­ческий и химический потенциалы и т.д. изолированной системы с помощью ее внутренних средств («сил»). Этот вывод хорошо перекликается с обобщенным третьим законом Ньюто­на, допускающим при взаимодействии неравенство сил дей­ствия и противодействия. Неравенство сил имеет своим следствием возможность нарушения закона сохранения коли­чества и момента количества движения, что может сопро­вождаться изменением скорости изолированной системы - ее «движением за счет внутренних сил». Ниже, в гл. XXI, рассматриваются некоторые конкретные способы осуществле­ния подобных экзотических процессов, что подтверждает справедливость всех этих выводов.

Седьмое начало позволяет сделать еще один интереснейший вывод-прогноз, касающийся конкретных условий осуществле­ния процессов преобразования энергии внутри отдельно взятого тела, но уже с участием окружающей среды, из кото­рой заимствуется теплота и непосредственно, с КПД 100%, превращается в другие формы энергии. Для определенности предположим, что к системе, например электрическому кон­денсатору, извне подводится электрический заряд. Надо, чтобы у системы электрическая степень свободы была сильно связана с термической, то есть соответствующие коэффициен­ты уравнения состояния были бы значимыми и подвод элект­рического вещества сопровождался бы ростом температуры. Тогда при заряжании система несколько разогревается, а при разряжании охлаждается, но происходит это с определенной инерцией, запозданием. В результате заряд подводится к кон­денсатору при пониженном по сравнению с безынерционным случаем потенциале, а отводится при повышенном. На диаграммах в осях координат «электрический потенциал - электрический заряд» и «температура - мера количества термического вещества» образуются как бы своеобразные петли гистерезиса. Площадь электрической цепи гистерезиса соответствует приращению электрической энергии за цикл, а площадь термической петли - убыли количества тепла за тот же цикл, причем эти количества между собой равны. Итогом кругового процесса является охлаждение конденса­тора и подвод к нему из окружающей среды эквивалентного количества тепла.

Для получения ощутимого эффекта преобразования опи­санный круговой процесс заряжания-разряжания необходимо повторять многократно, например, путем организации неза­тухающего колебательного контура с конденсатором и индуктивностью. Выбирая подходящий конденсатор, надо иметь в виду, что на величину эффекта влияют свойства - уравне­ния состояния - обкладок и диэлектрика, а также носителей электрического вещества, ибо все эти элементы внутри системы органически между собой связаны. В принципе таким способом можно осуществить самоподдерживающийся процесс, без внеш­него возбуждения колебательного контура, но с обязательным начальным пусковым электрическим импульсом на обкладках конденсатора.

Чтобы нагляднее представить себе процесс в конденсаторе, можно провести некоторую аналогию с газом, сжимаемым в цилиндре с поршнем. Роль электрического заряда условно играет газ, обладающий термической и механической степеня­ми свободы, а роль конденсатора - цилиндр с поршнем. При сжатии, что соответствует заряжанию конденсатора, температура газа растет, от газа несколько нагреваются цилиндр с поршнем. При последующем расширении газа, потерявшего определенную энергию, давление следует уже другому закону, чем при сжатии. В результате на механи­ческой и термической диаграммах тоже образуются соответ­ствующие петли гистерезиса.

Для подтверждения высказанного вывода-прогноза можно сослаться на исключительно интересные опыты И.Е. Заева с нелинейным керамическим конденсатором варикондом. Эти опыты показывают, что при циркуляции в колебательном контуре 1 кВт электрической мощности приращение последней за счет подведенной к конденсатору извне теплоты составляет 200-250 Вт (см. намек в статье [44]).

Таким образом, седьмое начало ОТ открывает двери в совершенно новую область энергетической инверсии, свя­занную с возможностью изменения одних интенсиалов за счет других в изолированной системе, а также с возмож­ностью преобразования теплоты окружающей среды - воз­духа, воды или земли - в другие формы энергии (см. еще гл. XXIII и XXIV). Это приобретает особую ценность в совре­менных условиях, когда происходит быстрое истощение энер­гетических ресурсов планеты. Седьмое начало позволяет также по-новому взглянуть на проблему обратимости и необрати­мости термодинамических процессов и скорректировать бытую­щие в этой области представления, что имеет не менее важное теоретическое и практическое значение [ТРП, стр.197-205].

6. Некоторые экспериментальные результаты.

Из уравнений (220) и (222), обобщенных седьмым началом, видно, что процессы заряжания и экранирования описыва­ются внешне похожими формулами. Вместе с тем мы теоретически установили, что в физическом плане эти процессы имеют весьма существенные различия. При заряжании данным веществом происходит изменение сопряженного с этим вещест­вом интенсиала системы,никаких других побочных эффектов не наблюдается. При экранировании изменение данного интен­сиала потока сопровождается выделением или поглощением термического вещества, что является эффектом, дополнитель­ным по отношению к основной степени свободы системы. При экспериментальной проверке седьмого начала надо особое внимание обратить на вывод о независимости процесса заряжания от каких бы то ни было побочных эффектов, в частности от эффекта выделения или поглощения терми­ческого вещества. Именно это свойство сильнее всего отличает заряжание от экранирования, в дальнейшем оно окажет неоценимые услуги при объяснении многих кажущихся пара­доксальными явлений природы. Проверочные опыты целесо­образно спланировать так, чтобы основная степень свободы отличалась от термической. Тогда при наличии одновременно заряжания и экранирования невозможно будет спутать эти два процесса.

Указанным требованиям хорошо удовлетворяет процесс заряжания конденсатора электрическим зарядом. В этом опыте основная степень свободы - электрическая - не совпа­дает с экранируемой термической, что дает возможность легко отделить одно явление от другого. Кроме того, элект­рические и тепловые величины поддаются сравнительно точному измерению.

Будем считать, что конденсатор заряжается равновесно (см. параграф 1 гл. XVI), то есть практически при равно­мерном распределении потенциала в его объеме. Для этого в цепь конденсатора включается достаточно большое сопро­тивление R ,на которое приходится почти все падение потен­циала. В результате разностью потенциалов в сечении конденсатора допустимо пренебречь. Можно также пренебречь емкостью сопротивления. Это значит, что к конденсатору должен быть применен только закон заряжания, а к сопро­тивлению - только закон экранирования.

Согласно закону заряжания, подвод (или отвод) заряда Ψ к конденсатору связан с совершением работы Q3 и изменением энергии последнего на величину (см. уравнения (61) и (220))

U3 = Q3 = (1/2) = (1/2)К2 (231)

где - потенциал, до которого заряжается конденсатор; К - электроемкость этого конденсатора. Множитель 1/2 появляется вследствие того, что поступающие в конденсатор порции заряда d испытывают изменения потенциала в пре­делах от 0 до , поэтому для них среднее значение потенциала за процесс составляет (1/2).

Согласно закону экранирования, практически все терми­ческое вещество выделяется на сопротивлении R ,при этом совершаемая работа QЭ и изменение энергии находятся из соотношения (см. уравнение (222))

UЭ = QЭ = (1/2) (232)

Это количество тепла «диссипации» должно выделиться на сопротивлении Rза каждый акт заряжания (или разряжания) конденсатора. Как видим, величины Q3 и QЭ равны между собой, следовательно, полная электрическая составля­ющая энергии заряженного тела (конденсатора) U , как это и утверждается формулами (210), (215) и (228), равна произведению потенциала на величину заряда (φΨ).

Поместив конденсатор и сопротивление в два независимых калориметра, мы в первом не должны обнаружить изменения температуры, а во второй должно поступить количество тепла, определяемое формулой (232); при этом температура второго калориметра должна повыситься на величину, равную теплоте QЭ , поделенной на теплоемкость калориметра, то есть на его водяное число.

Были осуществлены многочисленные опыты в самых раз­личных вариантах; все они хорошо подтверждают теорию. Например, при заряжании лавсанового конденсатора емкостью 10 мкФ до потенциала 400 В совершается работа, равная 0,8 Дж (см. формулу (231)). Эта величина легко поддается измерению. Конденсатор и сопротивление погружены в сосуды Дюара с маслом, играющие роль калориметров; они изоли­рованы легковесным пенопластом и помещены в термостат. Температура калориметров определяется с помощью термо­столбика из десяти последовательно соединенных дифферен­циальных медь-константановых термопар, холодные спаи которых находятся в сосуде Дюара с тающим льдом. Для измерений использованы потенциометры типа Р309 или Р348 с ценой деления 10-8 В. Следовательно, термостолбик позволяет зафиксировать изменение температуры калори­метра с точностью 2·10-5 Κ, что почти на два порядка превышает эффект, создаваемый теплотой QЭ . Во всех случаях процесс заряжания сопровождается нулевым тепловым эффек­том, а процесс экранирования - эффектом, определяемым формулой (232). Что и требовалось доказать (из совместных опытов со студентом А.А. Вейником).

Повышение чувствительности приборов дало те же результаты. Неоднократное повторное заряжание и разряжание конденсатора в течение одного опыта не исказило резуль­татов, следовательно, в данном конденсаторе описанный в предыдущем параграфе эффект преобразования теплоты в электроэнергию практически не ощущается.

Для экспериментального подтверждения седьмого начала были проведены также многочисленные и разнообразные опыты, где в качестве основной степени свободы выступает кинетическая. В наиболее наглядной и характерной форме она проявляется при ударе тел, который можно рассматривать как процесс их объединения, то есть процесс заряжания системы массой. Кстати, даже простое качание маятника можно трактовать как упругое соударение его с Землей, движение космических тел по орбитам тоже есть упругое соударение соответствующих объектов и т.п.

Изучался удар двух маятников, вращающихся дисков, падающих и движущихся горизонтально тел и т.д. Резуль­таты некоторых из этих опытов описаны в работе [21, с.360]. Например, стальные грузы диаметром 75 мм и длиной 120 мм качаются вокруг общей оси на стальных подвесах длиной 2,6 м, в нижней точке они соударяются друг с другом. Хромель-копелевые термопласты зачеканены в свободные торцовые поверхности грузов, следовательно, чувствительность упомянутого выше потенциометра составляет около 1,5· 10-4 К. Все термопары, провода и грузы тщательно защищены никелевой лентой и заземлены во избежание посторонних электрических и магнитных наводок. Согласно закону экра­нирования, при падении стального груза с высоты 2,6 м изменение его температуры должно составить 0,055 К, или 3,7 мкВ, что на два порядка превышает чувствительность прибора. В данном, как и во всех других случаях удара, был получен нулевой температурный результат. Это значит, что процесс заряжания массой, как и электричеством, не сопро­вождается эффектом экранирования. Следовательно, главный вывод, касающийся различия процессов заряжания и экранирования, является правильным: при заряжании интенсиал системы изменяется без термических эффектов, в противопо­ложность этому при экранировании изменение интенсиала переносимых ансамблей сопровождается выделением или поглощением термического вещества, что наблюдается, например, при диффузии массы.

Необходимо добавить, что кинетическая степень свободы вообще слабо связана уравнением состояния с другими сте­пенями свободы. Именно поэтому удар при обычно достижимых небольших скоростях не вызывает тех изменений, температуры внутри тела, о которых говорилось в предыдущем параграфе. По той же причине механика в течение нескольких столетий существовала как самостоятельная, не связанная с другими дисциплина.

Что касается собственно закона экранирования, то на сегодня он располагает уже достаточным количеством надеж­ных и убедительных теоретических и экспериментальных обоснований и подтверждений [21]. Например, из закона экранирования в качестве частного случая вытекает известный опытный закон Джоуля-Ленца. Согласно этому закону, при распространении заряда в сторону убывающего потенциала количество выделяющегося тепла, так называемого джоулева тепла:

QЭ = It =  (233)

или в дифференциальной форме

dQЭ = -d d (234)

где - разность потенциалов; I - сила тока; t - время. Это равенство является частным случаем общего уравнения (222) закона экранирования и широко применяется на практике.

Открытие Р. Майером закона сохранения энергии тоже фактически связано с наблюдением эффекта экранирования, при котором происходит преобразование механической работы в термическую в ходе выделения экранированного терми­ческого вещества [18, с.223].

Если энтропию приравнять мере количества термического вещества, то можно провести аналогию между уравнением закона экранирования ОТ и известным уравнением Онзагера, которое определяет скорость возрастания энтропии в единице объема системы (см. параграф 4 гл. XX).

Перечисленные и некоторые другие опытные факты отно­сятся к процессам, сопровождающимся выделением теплоты диссипации. Они хорошо известны, и нет нужды продолжать перечень, чтобы убедиться в справедливости этой (первой) стороны закона экранирования. Но закон экранирования имеет еще и вторую сторону. Речь идет о том, что он допускает существование не только упомянутых выше прямых процессов, когда вещество распространяется в направлении убывающего интенсиала и экранированная теплота (трения) выделяется,но и обратных процессов, когда вещество распространяется в направлении сопряженного с ним возраста­ющего интенсиала и экранированная теплота (минус-трения) поглощается.Эта сторона закона экранирования ранее была не известна, поэтому заслуживает особого упоминания.

В этом вопросе также можно сослаться на хорошо известные опытные факты. Например, упомянутые обратные процессы содержатся в известных термоэлектрических эффектах Томсона и Пельтье. В эффекте Томсона, проявляющемся при наличии на концах проводника одновременно двух разностей - тем­ператур и электрических потенциалов, - экранированная теплота либо выделяется вдоль проводника по типу рис. 4, а, либо поглощается по типу рис. 4, б (см. параграф 3 гл. XIII). Теплота Пельтье в спае двух разнородных проводников тоже либо выделяется по типу рис. 4, в, либо поглощается по типу рис. 4, г (см. параграф 4 гл. XIII). В обоих процессах, изобра­женных на рис. 4, б и г,электрическое вещество преодоле­вает обратную разность электрических потенциалов под действием других степеней свободы носителей: в эффекте Томсона - под действием термической, а в эффекте Пельтье - под действием химической, магнитной или какой-нибудь другой.

Необходимо сразу же оговориться, что каждому из обсуждаемых эффектов в свое время было дано соответствую­щее толкование ad hoc - применительно к данному конкрет­ному случаю. Однако для нас это не существенно, для нас важен только сам голый опытный факт, согласно которому умень­шение энергии переносимого ансамбля сопровождается выделением теплоты или фотонов, а возрастание - их погло­щением. Следовательно, все эти эффекты имеют одинаковую физическую природу и могут быть объяснены с единых позиций ОТ. Например, эффекты Томсона и Пельтье принято называть «обратимыми» и противопоставлять их «необрати­мому» эффекту Джоуля-Ленца, хотя в основе их лежит один и тот же эффект экранирования, делающий все реальные процессы в конечном итоге обратимыми.

Особенно экзотично эффекты экранирования выглядят на уровне микромира, где для их объяснения приходится прибегать к различного рода микромодельным гипотезам. Например, известны эффекты Джозефсона, когда между двумя сверхпроводящими кусками металла, разделенными тонким слоем изолятора, проходят электроны. Они преодолевают ничтожный скачок потенциала типа ВС на рис. 4, в; этот процесс сопровождается излучением фотонов. По-видимому, если с помощью какой-либо другой степени свободы заста­вить электроны двигаться в обратном направлении (по пути ВС на рис. 4, г), то термическое вещество будет поглощаться и появится обратный эффект Джозефсона. Еще пример: экранированные фотоны выделяются при торможении заря­женной частицы электростатическим полем атомного ядра и атомных электронов. Должен существовать также и обратный тормозному излучению процесс экранирования термического вещества заряженной частицей при ее разгоне в этом поле. Аналогичную природу имеет известный эффект Черенкова, когда заряженные частицы излучают свет, если при движении в веществе их скорость превышает скорость света в этом веществе.

Следует заметить, что при обсуждении всевозможных эффектов, подвластных закону обобщенного заряжания, важно не спутать процессы экранирования и заряжания, чтобы не впасть в ошибку. Для этого надо четко различать отдельные степени свободы системы и носителя. И учитывать известную специфику, которая появляется при рассмотрении термической степени свободы. Например, во всех упомяну­тых эффектах, кроме эффекта Томсона, основная степень свободы отличается от экранированной - термической. Если же основной степенью свободы служит сама термическая, тогда все законы и соотношения сохраняют свою силу, но эксперимент теряет необходимую наглядность, ибо основную степень свободы уже невозможно отличить от экранируемой. В этом, как и во многом другом, заключается особенность термических явлений [ТРП, стр.205-211].

7. О построении системы начал.

Выводом седьмого начала замыкается круг главных принци­пов ОТ, описывающих свойства вещества и его поведения на простом уровне эволюции. Построена замкнутая система законов и уравнений, их необходимо и достаточно для коли­чественного определения всех свойств явлений на этом уровне. Нехватка любого из начал делает невозможным всестороннее рассмотрение проблемы.

Исключительность роли семи начал вытекает из общего анализа понятия Вселенной, которая состоит из вещества и его поведения, а последние, в свою очередь, распадаются на соответствующие количества и качества. В совокупности они определяются семью главными количественными мерами (см. гл. II), следовательно, им может быть сопоставлено семь уравнений и семь главных законов. Аналогичная картина наблюдается и на простом уровне эволюции. На этом уровне главными количественными мерами количества и качества вещества и количества и качества поведения этого вещества служат экстенсоры, емкости и проводимости, энергия и интенсиалы; они однозначно характеризуют все мыслимые категории отношений на этом уровне - состояние и изменение состоя­ния (перенос) [5, 7, 24]. Только эти меры входят в обсужда­емые семь начал. Дополнительные меры появляются лишь в дополнительных законах. Это дает полное право считать начала главными законами природы, а остальные законы - дополнительными, производными, частными.

Замкнутость системы из семи начал подтверждается тем фактом, что эта система получена в результате тщательной взаимной припасовки главных принципов. Например, седьмое начало обязано своим происхождением только преодолению физических неувязок между первыми двумя началами и че­тырьмя последующими. Благодаря этому система начал стано­вится внутренне логически непротиворечивой, завершенной, замкнутой.

Из хода вывода начал должно быть ясно, что все полу­ченные результаты фактически являются следствиями основ­ного уравнения ОТ, которое можно рассматривать как общее выражение первого начала. Поэтому в принципе при построении теории можно было бы ограничиться утверждением, что существует только одно начало, все остальное - это вытекающие из него частные результаты.

Однако для практики такое построение теории неприемлемо, ибо переход от первого к другим выведенным нами началам далеко не тривиален: для его осуществления понадобилось более ста лет, прошедших с момента открытия первого нача­ла - закона сохранения энергии. За это время был накоплен огромный экспериментальный материал, позволивший глубоко осмыслить физическое содержание закона и входящих в него характеристик, были открыты многие новые явления и харак­теристики и установлены связи между ними. Все это говорит о том, что первое начало не только желательно, но и необхо­димо дополнить другими, которые бы отражали наиболее характерные конкретные и вместе с тем принципиально важ­ные свойства вещества и его поведения. Однако при этом естественно возникает вопрос: как далеко должна пойти расшифровка и детализация первого начала, сколько вытека­ющих из него законов следует рассматривать как самостоя­тельные начала?

Ответить на этот вопрос было нелегко. В первых моих работах [11,15] изложение начинается с закона сохранения энергии (первое начало) и затем приводятся отдельные фрагменты теории без выделения дополнительных начал. Недостаток такого построения выявился очень скоро. Стало ясно, что необходимо различать по меньшей мере четыре основных закона - сохранения (энергии и вещества), состо­яния (состояния и переноса), взаимности (взаимности и увлечения) и диссипации. Соответствующее изложение теории приводится в работах [16, 17,18], где показано, что состояние и перенос фактически определяются однотипными уравнениями состояния - прямыми и обращенными.

Наконец, дальнейшее углубление в существо проблемы заставило различать уже семь самостоятельных начал [5, 20, 21], которые охватывают все главные идеи и характеристики вещества и его поведения. Так, например, идея сохранения энергии и вещества заложена в первое и второе начала. Состояние и перенос определяются третьим и пятым началами, они имеют принципиальные различия, поэтому рассматрива­ются отдельно одно от другого. Симметрия природы отражена в четвертом и шестом началах, более тонкие детали симметрии описываются частными законами, которые обладают меньшей общностью и поэтому не входят в перечень начал. Завершает принципиальную картину теории седьмое начало; оно, как и первое, определяет энергию, но в отличие от первого делает это не через внешние, а через внутренние характерис­тики системы. На этом круг замыкается. Семь начал наиболее полно отражают самые существенные свойства системы. Менее существенные свойства описываются дополнительными, частными законами, включающими в себя дополнительные, производные меры.

Таким образом, число начал непосредственно диктуется логикой развития событий: оно соответствует моменту завер­шения цикла рассуждений, когда приходится вновь возвра­щаться к их исходной точке - к энергии. Повторно энергия определяется уже на новом уровне, с учетом физического механизма явлений, выявившегося с помощью предыдущих начал. Цифра семь имеет еще и определенное психологическое значение, ибо ею ограничивается число слов или понятий, которые естественно фиксируются мозгом при первом предъ­явлении. Поэтому семь начал запомнить и применять значи­тельно легче, чем, скажем, шестнадцать. Даже вороны способны считать и выполнять простые арифметические дейст­вия в пределах числа семь...

Выведенные семь принципов ОТ определяют главные свойства простых форм вещества и его поведения на любом количественном уровне мироздания. Одновременно им должны подчиняться и более сложные формы явлений, это объясняется наличием правила вхождения, согласно которому сложные формы по необходимости состоят из простых и поэтому обязаны следовать также законам этих последних.

С помощью семи главных принципов могут быть найдены многочисленные другие частные законы, кроме изложенных выше, если привлечь необходимые модельные гипотезы, отражающие специфику изучаемых систем. Иногда приходится обращаться с вопросами к природе, которая корректирует высказываемые гипотезы. В результате находятся конкретные свойства этих систем. Так реализуется упомянутый выше общий теоретический метод дедукции, определяемый цепоч­кой (2).

Но теперь, сформулировав количественные принципы, или начала, уже нет надобности при решении различных практических задач каждый раз проходить весь путь общих дедуктивных рассуждений. Достаточно ограничиться укоро­ченной цепочкой (3), характеризующей метод принципов. Конкретные примеры применения метода принципов можно найти в работах [12,14].

Все последующие главы книги посвящены приложению метода принципов к изучению простых и некоторых сложных явлений природы. Но прежде целесообразно существенно расширить круг доступных нам простых явлений. Надо прежде всего их перечислить и определить все их главные характеристики и свойства. Это помогут сделать выведенные начала [ТРП, стр.211-214].

Глава XIV. Идентификация простых явлений.

1. Истинно простое явление.

При выводе начал и уточнении смысла характеристик, входящих в уравнения этих начал, мы лишь эпизодически ссылались на некоторые из простых форм явлений с целью более наглядной иллюстрации соответствующих положений теории. Теперь предстоит систематически описать упомянутые и другие простые формы, среди которых имеются
весьма экзотические. Это позволит «одеть» теорию «в плоть и кровь», наполнить ее дополнительным физическим содержанием и откроет перед нею новые перспективы, что даст возможность лучше ориентироваться в свойствах окружающего мира и глубже понять закономерности, которыми он руководствуется.

Однако квалифицированно перечислить простые явления невозможно без умения распознать и выделить их среди множества других, которые не являются простыми, но маскируются под них либо вообще находятся на более высоких уровнях эволюционного развития. Научиться этому можно только в том случае, если заранее выработать некие правила и критерии, которые позволили бы давать однозначную качественную и количественную оценку любому явлению, находящемуся на подозрении.

Для всего последующего крайне важно подчеркнуть, что истинно простое - это специфическое явление, состоящее из специфической простой формы вещества и сопряженной с ним простой формой поведения. Это определение должно быть центральным в вопросах идентификации простых явлений, оно не позволит спутать их с другими, например с несамостоятельными или более сложными явлениями. Весьма существенно, что порции (кванты) каждого данного истинно простого вещества, входящие в состав некоего ансамбля, наделяют его своими специфическими свойствами. Если у ансамбля отсутствуют порции какого-либо простого вещества, то он не обладает и соответствующими свойствами.

В нашей теории существование вещества и его поведения постулируется парадигмой. Следовательно, эти категории привносятся в теорию извне и поэтому средствами самой ОТ выведены быть не могут, как вообще не может быть доказан постулат с помощью законов, вытекающих из этого постулата. Стало быть, простые явления могут быть найдены только из опыта.

В связи с этим перед нами встает деликатный и трудный вопрос о способах распознавания в опыте простых форм вещества и его поведения, точнее, о способах нахождения соответствующих количественных мер. При этом главной из них служит экстенсор, однозначно определяющий все остальные. Следовательно, поставленный вопрос сводится к тому, чтобы на основании опытных данных научиться безошибочно выбирать экстенсор для различных простых форм вещества.

Необходимость при выборе экстенсора отправляться от наблюдательных фактов сильно усложняет проблему и вносит в нее серьезный творческий элемент. Правильно выбрать экстенсор - это значит обнаружить в природе новую форму вещества и его поведения, то есть фактически открыть новое неизвестное ранее явление, что представляет собой крупное научное достижение исключительной принципиальной важности. О трудности проблемы можно судить хотя бы по тому, какими длительными промежутками времени отделены друг от друга моменты открытия различных экстенсоров. Экстенсор для перемещения под действием силы был открыт 2200 лет тому назад (Архимед), экстенсор для вращения под действием момента силы - около 500 лет (Леонардо да Винчи), кинетический и гравитационный экстенсор - 300 (Ньютон), термический - 150 (Карно и Клаузиус), несколько раньше термического был открыт электрический экстенсор.

Следовательно, выбрать новый экстенсор не так-то легко и просто. Общая теория не может дать стандартного рецепта для обнаружения экстенсоров, но она может сформулировать четкие правила проверки безошибочности их выбора [18, с. 231; 21, с. 96]. Подозрение о существовании некоторой новой формы вещества может возникнуть, например, в том случае, если системе приписывается определенное число степеней свободы, но полученные с их помощью теоретические результаты заметно отличаются от экспериментальных. Это может указывать на то, что не учтено влияние какой-то дополнительной степени свободы. При выборе экстенсора для этой степени должны приниматься во внимание особые правила. Наличие таких правил, а также многих весьма характерных свойств, присущих только данному экстенсору, сильно облегчает выбор и делает его однозначным. Последующее применение найденного экстенсора позволяет убедиться в правильности (или ошибочности) сделанного выбора. Рассмотрим кратко указанные правила [ТРП, стр.215-216].

2. Применение правила своеобразия.

Любое простое вещество, как и его меры, должно обладать целым рядом специфических свойств, отличающих его от всех остальных веществ. Вместе с тем всем простым веществам должны быть присущи также некие общие свойства, допускающие единый подход при их изучении, то есть фактически дающие возможность создания единой, общей теории природы. При выборе экстенсора по необходимости придется использовать оба эти свойства вещества - его неповторимость и одновременно способность неукоснительно следовать единым законам и правилам.

Согласно правилу своеобразия (см. параграф 5 гл. IV), каждое простое явление специфично и неповторимо. Это значит, что специфичными и неповторимыми должны быть его главные количественные меры, кроме энергии, которая есть универсальная характеристика, определяющая количество поведения любого простого вещества. Следовательно, экстенсор, однозначно характеризующий данное явление с качественной и количественной стороны, также должен быть качественно и количественно своеобразным и отличным от всех остальных экстенсоров, в частности, указанное отличие должно распространяться и на размерность экстенсора. Это в принципе не оставляет никакой свободы для выбора экстенсора: каждому данному простому явлению отвечает только один вполне определенный специфический экстенсор, с этим экстенсором могут быть сопряжены только единственные вполне определенные специфические меры структуры вещества (коэффициенты А и Ар) и качества его поведения (интенсиал Р). Понятно, что такая определенность должна способствовать правильному выбору экстенсора.

С другой стороны, имеющиеся своеобразие и неповторимость экстенсора могут крайне затруднить его выбор, если мы предварительно не располагаем соответствующими понятиями и терминами, отражающими это своеобразие с качественной и количественной стороны. Например, для открытия перемещательного явления надо было иметь понятия перемещения и силы, вращательного явления - угла поворота и момента силы, кинетического - массы и скорости, электрического - электрических заряда и потенциала, термического - энтропии и абсолютной температуры и т.д. Иными словами, выбор экстенсора для нового явления всегда требует выработки соответствующих новых понятий, терминов, размерностей и т. д., а это представляет собой нелегкую задачу. Именно поэтому правильный выбор экстенсора равносилен открытию нового явления [ТРП, стр.217].

3. Применения начал.

От специфики перейдем к обсуждению общих свойств, которых у простых явлений великое множество. Главными из них надо считать те свойства, которые вытекают из начал ОТ. Следовательно, в качестве основных правил, облегчающих выбор или открытие нового экстенсора, по необходимости должны служить уравнения семи начал ОТ.

Если «кандидат» в экстенсоры уже намечен, то, согласно первому началу, переход вещества через контрольную поверхность должен сопровождаться совершением работы, определяемой формулой (34), при этом скорость изменения энергии с экстенсором должна быть равна сопряженному с ним интенсиалу (см. уравнение (33)), а произведение экстенсора на интенсиал должно иметь размерность энергии.

Согласно второму началу ОТ, экстенсор должен удовлетворять принципу сохранения. Связь между экстенсором и интенсиалом определяется уравнением (54) или (58) третьего начала. Влияние выбранного экстенсора на другие подчиняется закону симметрии (четвертое начало, уравнение (85)). Вещество, определяемое экстенсором, должно обладать способностью распространяться под действием сопряженного с ним интенсиала (пятое начало, уравнение (114) или (124)), а также увлекать за собой другие вещества ансамбля по закону симметрии (шестое начало, уравнение (173)). При подводе и отводе этого вещества система должна изменять сопряженный с ним интенсиал, а распространение вещества под действием разности значений этого интенсиала должно сопровождаться выделением или поглощением экранированного термического вещества (седьмое начало, уравнение (225)) [ТРП, стр.218].

4. Правило аддитивности.

В сомнительных случаях, чтобы быстро отличить экстенсор от интенсиала - такая необходимость иногда возникает, - можно воспользоваться так называемым правилом аддитивности:при мысленном дроблении системы ее вещество, а следовательно, и экстенсор также должны дробиться. Например, свойством аддитивности обладают объем, масса, электрический заряд, мера количества термического вещества и т.д.

В противоположность экстенсору интенсиал не обладает свойством аддитивности, то есть при мысленном дроблении системы он не дробится вместе с нею, а сохраняет одно и то же значение у всех частей раздробленной системы. Это относится, например, к давлению, скорости, электрическому потенциалу, температуре и т.п. [ТРП, стр.218].

5. Применение характерных свойств нано-, микро- и макромиров.

Наконец, при выборе экстенсора для проверки правильности этого выбора большую помощь может оказать знание определенных весьма характерных общих свойств простого вещества на различных количественных уровнях мироздания. Каждое простое вещество обязано присутствовать на всех уровнях и проявлять все необходимые общие свойства. Если этого не наблюдается, то соответствующее явление не может быть истинно простым. Здесь мы ограничимся только тремя количественными уровнями: нано-, микро, и макромирами, а также обратим внимание лишь на некоторые наиболее характерные общие свойства простого явления.

Главная особенность нановещества (нанополя) заключается в том, что оно обладает ярко выраженными силовыми свойствами, то есть представляет собой вещество взаимодействия. Примерами нанополей могут служить гравитационное и электрическое (электростатическое).

Наиболее характерная особенность микровещества состоит в его дискретности: на уровне микромира вещество имеет дискретную, зернистую, квантовую структуру (вспомним такие микроансамбли, как электрон, позитрон, протон, нейтрон и т.д., состоящие из определенного набора порций различных простых веществ). Дискретность вещества является причиной дискретности и его количественной меры - экстенсора: для каждого простого вещества всегда можно найти некую минимальную меру е, на которую скачкообразно изменяется экстенсор микроансамбля.

Однако дискретность вещества вовсе не означает, что дискретными должны быть и сопряженные с ним интенсиалы. Благодаря дискретности экстенсоров и всеобщей связи явлений, определяемой третьим началом ОТ, при подводе порции любого данного вещества все интенсиалы микроансамбля одновременно претерпевают скачкообразные изменения, но величины этих скачков зависят от размеров, а следовательно, и емкости микроансамбля. У малого микроансамбля скачки интенсиалов могут быть значительными. С увеличением числа квантов микроансамбля каждый последующий квант приводит к уменьшению скачков и в пределе они обращаются в нуль - вещество приобретает свойство непрерывности. Как видим, описанное свойство интенсиалов микроансамблей скачкообразно изменяться от порций вещества имеет совсем другую природу, чем дискретность экстенсоров. Поэтому ни о какой дискретности интенсиалов говорить нельзя, в частности, это касается и времени, которое является характеристикой, принадлежащей интенсиалу (см. параграф 1 гл. XV).

В макромире вещество может рассматриваться как непрерывная среда, или континуум (таким свойством обладает любая достаточно большая совокупность микрочастиц или достаточно большой микроансамбль). Даже песчинки в большом количестве обладают определенными свойствами континуума: способны течь, передавать давление во все стороны и т.д.

При проверке экстенсора иногда могут помочь правила проницаемости и отторжения (см. параграф 2 гл. III), согласно которым микромир в той или иной степени прозрачен для нанополей и способен их излучать и поглощать; макромир в определенной мере проницаем для нанополей и микрообъектов и тоже в состоянии их излучать и поглощать; вещество каждого данного истинно простого явления должно также обладать способностью участвовать в специфическом и универсальном взаимодействиях и т.д.

Этот перечень обязательных свойств, которые должны быть присущи каждому истинно простому явлению, можно было бы продолжить, но и сказанного вполне достаточно для всестороннего испытания и апробации любого экстенсора, даже когда отдельные его свойства проявляются не очень заметно. Если экстенсор для данной степени свободы выбран неверно, то это с первых же шагов его применения приведет к противоречиям и ошибкам, то есть не будут соблюдаться упомянутые выше правила и могут отсутствовать рассмотренные выше свойства.

Таким образом, изложенные правила и свойства крайне сужают рамки возможного выбора экстенсора и делают его весьма определенным и однозначным. Они также предельно облегчают главную трудность, связанную с открытием нового явления: речь идет о необходимости предварительной выработки соответствующих новых понятий, терминов, размерностей и т" д. Благодаря имеющимся правилам теперь достаточно вначале установить лишь одну из таких важнейших характеристик, как экстенсор или интенсиал, ибо их произведение дает энергию. Все остальные характеристики находятся без особых затруднений. Например, знание понятия времени помогло на новой основе подойти к изучению хронального явления, знание массы - метрического, температуры - термического и т.д. [ТРП, стр.219-220].

6. Метод подмены явлений.

К сожалению, на пути правильного понимания обсуждаемой проблемы стоят еще многочисленные трудности и помехи, обусловленные традиционными представлениями. Попытаемся разобраться в этом вопросе более подробно и в какой-то мере обратить эти трудности себе на пользу.

Сейчас известны экстенсоры, каждый из которых одновременно приписывается многим формам явлений. Известны также явления, каждое из которых может определяться несколькими экстенсорами сразу. Не меньше помех создают случаи, когда истинно простому явлению приписывается сложный экстенсор, либо, наоборот, когда сложное явление рассматривается как простое.

Характерным примером может служить масса, с помощью которой на практике принято определять кинетическую, гравитационную, химическую, фазовую, диффузионную, фильтрационную и гидродинамическую степени свободы системы. Однако в свете изложенного приходится признать, что масса не может характеризовать такое большое число разнородных явлений. Подобно всякому экстенсору, она специфична и поэтому должна принадлежать только одному явлению, как мы убедимся в дальнейшем, - кинетическому (точнее метрическому). Все остальные явления либо несамостоятельны, либо по своей сущности вообще не могут рассматриваться как простые.

Другого рода характерными примерами служат механическая, фильтрационная и гидродинамическая формы движения. Каждая из них может быть описана с помощью нескольких экстенсоров: массы m , объема V ,плотности ρ или удельного объема ν [21, с.98]. Такого рода подмена экстенсоров возможна, например, если они связаны между собой уравнением состояния или другим подобным соотношением.

Ситуация, когда простое явление рассматривается как сложное, вполне реальна; она может быть обусловлена, например, отсутствием должных понятий и терминов и соответствующего математического языка, необходимых для правильного выбора экстенсора [21, с.99], либо недостатками традиционных представлений. В этих условиях в качестве экстенсора приходится пользоваться подручными понятиями, которые неадекватно, недостаточно точно описывают истинную картину явления, либо применять сложные экстенсоры, включающие в себя различные характеристики других явлений. В первом случае примерами могут служить метрическое и ротационное явления, во втором - магнитное явление, если считать, что в его основе лежит электрическое [21, с.114].

Многие недоразумения объясняются неполнотой традиционных представлений и проистекают из факта существования в природе простых форм вещества в виде особых букетов - ансамблей. При этом не составляет труда спутать разные простые явления (экстенсоры), входящие в данный ансамбль, или даже целый ансамбль экстенсоров принять за один экстенсор. В первом случае примером может служить теплота, которая рассматривается как кинетическая (в молекулярно-кинетической теории теплоты), волновая (в волновой теории теплопроводности) или электрическая (в электронной теории теплопроводности) форма движения; а во втором - электрон (сложный ансамбль, состоящий из многих форм вещества), который рассматривается только как электрический заряд (электрическое вещество), либо фотон (тоже сложный ансамбль), который рассматривается как волна. В первом примере тепловое вещество переносимого ансамбля подменяется скрепленными с ним либо массой, либо электрическим веществом и т.д. В примере с электроном гроздь различных веществ подменяется одним его электрическим веществом. Ясно, что такой подход не будет приводить к ошибкам и противоречиям лишь до той поры, пока не придется столкнуться с ансамблями, имеющими иное сочетание порций веществ или изменяющими это сочетание в ходе изучаемого процесса. После этого теория неизбежно начинает конфликтовать с опытом, а сфера ее приближенного действия резко ограничивается.

Из сказанного должно быть ясно, что при изучении любого истинно простого явления требуется строго придерживаться его родного языка. Например, о тепловом явлении нельзя говорить на молекулярно-кинетическом языке и т. д. Вавилонскому смешению языков в упомянутых выше теориях способствовало существование простых форм вещества в виде ансамблей. Но одновременно оно сделало возможным взаимное влияние явлений и взаимные превращения различных форм энергии.

При изучении сложных явлений возможности заблудиться заметно расширяются, ибо каждое сложное явление подчиняется совокупности законов, характерных как для него самого, так и для всех более простых явлений, составляющих данное (принцип вхождения, см. параграф 5 гл. IV). Исторически сложилось так, что по неведению ко многим сложным явлениям стали применять известный аппарат термодинамики, относящийся к простым явлениям; примерами могут служить следующие сложные явления: химическое, каталитическое, поверхностное, фазовое, диффузионное, фильтрационное, гидродинамическое и многие другие. При такой постановке вопроса можно получить правильный результат, если рассматривается только та сторона сложного явления, которая подчиняется законам, выведенным для простых. Но если эти простые законы распространяются на главную специфику сложного явления, то неизбежны ошибки. Не зная природу этих ошибок, нельзя с уверенностью судить, где те границы, которые отделяют верный результат от неверного. Немалую лепту в эту неопределенность внесло понятие энтропии. В результате приходилось каждый раз продвигаться вперед медленно, на ощупь, вслепую, многократно проверяя и перепроверяя в опыте всякий новый шаг. Это чувство неуверенности хорошо знакомо каждому внимательному термодинамику, лучше всех его выразил биокибернетик Эшби: «Движение в этих областях напоминает движение в джунглях, полных ловушек. Наиболее знакомые с этим предметом обычно наиболее осторожны в разговорах о нем».

Теперь должны быть ясны причины ошибок, которые возникают при изучении сложных явлений с помощью аппарата, предназначенного для простых. Одновременно появляется соблазн пойти по этому пути несколько дальше и разработать особый приближенный метод подмены сложных явлений простыми, но уже так, чтобы он способен был охватывать достаточно широкую область собственно специфических свойств сложных явлений. Анализ показывает, что сделать это возможно, если использовать один или несколько неких сложных экстенсоров, которые применялись бы наравне с истинно простыми. Соответствующий метод описан в работах [5; 18, с.48-51; 20, с.265, 267; 21, с.99; 24]. В первой из этих работ я не оговаривал условности метода и в результате был неправильно понят, в остальных оговорки есть, особенно подробно они разбираются в двух последних. О плодотворности метода подмены можно судить, например, по результатам, полученным в свое время в классической термодинамике при изучении упомянутых выше сложных явлений, ибо некоторые из них, как будет ясно из дальнейшего, описываются именно сложными экстенсорами. К тому же типу относится пример создания теории информации, не содержащей понятий случайности и вероятности [5, с.96-183].

Приближенный метод подмены весьма эффективен, интересен и полезен для практики, однако принципиального значения он не имеет. Его целесообразно использовать во всех случаях, когда мы не умеем или не желаем разбираться во всех тонкостях физического механизма сложного реального явления. Особенно плодотворен этот метод при изучении очень сложных явлений, в которых участвует большое множество разнообразных объектов и детальное рассмотрение каждого из них было бы крайне обременительно. Например, задачу о приросте биомассы растений (или животных) практически невозможно решить, если скрупулезно вникать во все биохимические и биофизические процессы, происходящие в реальных условиях.

Еще более сложными и трудными представляются задачи экологического характера. По моему мнению, на современном уровне развития наших знаний задачи экологии можно успешно - всесторонне и достаточно полно и точно для практических целей - обсуждать только на основе метода подмены. Таким способом можно приближенно определить результаты взаимодействия города и окружающего ландшафта, завода и среды, водоема и берега, леса и поля, животных и растений, соперничающих популяций животных или людей, соперничающих растительных массивов и т.п. При этом анализом могут быть охвачены различные по масштабам регионы, начиная от единичного объекта в окружающей среде и кончая земным шаром в целом.

Таким образом, наиболее целесообразная и эффективная область использования метода подмены - это изучение сложных реальных явлений, которые условно замещаются совокупностью простых. Эта совокупность представляет собой некий ансамбль, к которому применим чрезвычайно могущественный аппарат термодинамики реальных процессов (ОТ), в частности ее начала, выведенные для простых явлений. В результате достигается максимальное упрощение задачи; иногда это единственный путь ее успешного приближенного решения с учетом взаимного влияния всех основных факторов, интересующих практику [ТРП, стр.220-244].

7. Условно простое явление.

Простое явление, которое предназначено для подмены сложного реального явления, будем называть условно простым. Главное отличие условно простого явления от истинно простого заключается в том, что оно не обеспечено сопряженным с ним специфическим простым веществом. Следовательно, всякое явление любой сложности, если оно рассматривается как простое, но не имеет своего родного вещества, автоматически попадает в разряд условно простых.

Для успешной реализации метода подмены необходимо научиться соответствующим образом выбирать условно простые экстенсоры. А это должно привить навык безошибочно отличать условно простое явление от истинно простого. Следовательно, метод подмены важен также для правильной идентификации истинно простых явлений, он позволяет на новой основе пересмотреть все известные явления и выделить среди них особый класс условно простых, определяемых соответствующими условно простыми экстенсорами.

Условно простому экстенсору нельзя сопоставить в окружающем мире определенное специфическое простое вещество, то есть условный экстенсор служит количественной мерой некоего условного вещества. Такое условно простое вещество может представлять собой одно из реально существующих простых веществ ансамбля, может объединять в себе множество простых веществ либо может вовсе не быть веществом, а являться какой-нибудь мерой или иным понятием, например энергией в новой теории информации [5]. Поэтому вполне естественно, что условно простой экстенсор в принципе не может обладать всеми свойствами истинного, реального.

Свойства условного и истинного экстенсоров различаются между собой тем сильнее, чем выше стадия эволюционного развития подменяемого явления. Например, химическое, каталитическое, фазовое и тому подобные явления ближе всего расположены к простым, именно поэтому их легко было спутать с последними и рассматривать с помощью такого чужого экстенсора, как масса, принадлежащая истинно простому метрическому явлению. У более сложных явлений, подменяемых простыми, эффективными, условные экстенсоры могут весьма существенно отличаться от истинных. К числу таких сложных явлений можно отнести, например, ощущательные [18, с.49-51], товарные [21, с.99], информационные [5] и т.д.

Конкретные формы проявления отличий условно простого явления от истинно простого могут быть самыми разнообразными. В частности, определенная специфика возникает в физическом механизме процессов переноса условного вещества, иногда сами эти процессы становятся весьма условными, как это имеет место, например, в информационном явлении. При этом распространение условного вещества не обязано сопровождаться выделением или поглощением теплоты диссипации, как того требует седьмое начало. Например, если под условным веществом понимать производимые товары (товарное явление), то их порча или пропажа («диссипация») не всегда связана с тепловыми эффектами. Аналогичного рода отличия можно обнаружить также в физическом механизме проявления условно простого и изучаемого сложного явлений.

Как видим, не все подробности условно простого явления совпадают с таковыми у истинно простого, а также с деталями подменяемого им сложного. Однако методом подмены вполне возможно приближенно определить некоторые наиболее характерные и важные свойства реального сложного явления с учетом различных привходящих факторов и их взаимных влияний. Причем, изменяя соответствующим образом состав и набор экстенсоров, всегда можно дополнительно уточнить определенные интересующие нас стороны изучаемого явления. Имеющаяся разница между конкретными условными и истинно простыми веществами, экстенсорами и явлениями определяет конкретные границы применимости каждого частного случая использования метода подмены. Об этом нельзя забывать, ибо в противном случае не избежать недоразумений и ошибок. Кстати, на основе анализа метода подмены становятся понятнее и те ловушки, которые подстерегают нас на пути применения в термодинамике неистинных экстенсоров, в частности энтропии.

Изложенные соображения, касающиеся взаимоотношений между истинными и условными (эффективными) экстенсорами, призваны помочь правильно осмыслить обсуждаемую проблему выбора экстенсора. Теперь должно быть понятно, почему не каждый применяемый на практике экстенсор обладает всеми требуемыми свойствами: некоторые из экстенсоров являются условными, неполноценными с принципиальной точки зрения характеристиками. Поэтому исполнение роли экстенсора есть необходимое, но далеко не достаточное условие для того, чтобы по свойствам данного экстенсора можно было бы судить о свойствах экстенсоров вообще. Правильные выводы можно сделать только в том случае, если удастся убедиться, что данный экстенсор является истинным, то есть служит мерой количества истинно простого вещества.

Высказанные соображения должны также облегчить задачу рассортировки простых и условно простых форм вещества и его поведения в приводимом ниже перечне. Подобный перечень я составлял неоднократно, но каждый раз ловил себя на том, что слишком поддавался влиянию устоявшихся традиционных представлений. Об эволюции взглядов, вызванной опытом многолетнего практического использования экстенсоров с позиций общей теории, можно судить, если сопоставить набор экстенсоров, которые упоминались в первых моих работах [11, 13, 15] и в последующих [18, 20, 21]. В настоящей монографии я иду еще дальше. Как и следовало ожидать, некоторые из ранее известных простых форм явлений оказались несамостоятельными, для других неправильно был выбран экстенсор, третьи имели неверное или слишком одностороннее толкование, четвертые относились к непростым явлениям и т.д. Однако и теперешний перечень преждевременно было бы считать окончательным. Меня радует лишь то, что с каждым разом вырисовывается все более четкая и стройная картина.

Должен заметить, что приведенных здесь простых и условно простых форм явлений вполне достаточно для подтверждения правильности основных положений ОТ. Поэтому дополнительное открытие новых явлений уже не может изменить принципиальных основ теории, подобно тому как и «закрытие» некоторых из известных явлений также не в состоянии внести в теорию что-либо принципиально новое. Под закрытием я понимаю, например, установление того факта, что данное известное явление не самостоятельно либо для него неправильно выбран экстенсор. Открытие новых и закрытие известных явлений - это неизбежный процесс, сопровождающий ломку старых представлений и развитие новых, основанных на ОТ. Поэтому полнота или неполнота списка простых явлений не может служить критерием качества или тем более критерием правильности общей теории.

Ниже приводится краткий перечень основных простых и условно простых явлений. Многие из них были открыты давно (перемещательное, вращательное, кинетическое, гравитационное, электрическое, магнитное, механическое, термическое, химическое, фазовое и т.д.), некоторые впервые сформулированы в рамках ОТ (хрональное, метрическое, каталитическое, дислокационное, информационное, группа ощущательных и т.д.), для других в ОТ дано новое качественное или количественное определение (термическое, гидродинамическое, кинетическое, гравитационное и т.д.). Моя задача сильно упрощалась благодаря наличию в современной теории готовых понятий, которыми можно было воспользоваться для новых определений. Например, применительно к хрональному явлению хорошо известно понятие времени, применительно к кинетическому - понятия массы и скорости, применительно к термическому – понятие абсолютной температуры и т.д. Но в некоторых случаях все приходилось начинать с самого начала; к таким случаям относятся, например, магнитное, информационное и некоторые другие явления. По-видимому, больше всего последствий для теории и практики должны иметь те определения, которые даны в ОТ для хронального, метрического и термического явлений, ибо в основном они составляют фундамент современных научных знаний. Самым важным среди них я считаю определение хронального явления, которое неизбежно опрокинет все наши привычные представления и послужит непреодолимым стимулом для развития многих новых отраслей науки и техники.

Хочу еще раз подчеркнуть, что простые формы явлений составляют фундамент мироздания (и ОТ), поэтому поиску новых и изучению и уточнению известных форм следует уделить максимум внимания. В этом вопросе центральное место отводится правильному выбору экстенсора. Ниже при описании различных явлений изложенные выше правила выбора и апробации экстенсора иллюстрируются конкретными примерами и должным образом комментируются [ТРП, стр.224-227].

Глава XV. Перечень простых и условно простых форм явлений.

1. Простое хрональное явление.

Перечень я начну с описания самого важного явления, которое сопровождает человека всю его жизнь – с момента рождения до самой смерти. Пожалуй, не никакого другого столь широко распространенного и столь хорошо всем известного понятия, как время. Во все исторические эпохи человек всегда умел как-то ориентироваться во времени – по солнцу, луне, звездам и т.д.; он создал для этой цели большое число самых разнообразных приборов. Но парадокс заключается в том, что физическая сущность времени и поныне остается за семью печатями.

Время являлось и является одной из самых жгучих загадок бытия. Обсуждению понятия времени посвящено неисчислимое множество страниц древних и более поздних авторов, однако понятнее оно от этого не стало. И только теперь мы подходим к рубежу, когда, наконец, появилась реальная возможность перейти от общих рассуждений к качественному и количественному анализу свойств этого удивительнейшего и ошеломляюще интересного понятия - времени. Вспомним В.И. Вернадского: "Наука ХХ столетия находится в такой стадии, когда наступил момент изучения времени, так же как изучается материя и энергия, заполняющие пространство" [32, с.81] (а также [31]). Здесь я упомяну еще две важные работы, посвященные времени, они имеют принципиальное значение.

Великий Ньютон в своих знаменитых "Математических началах натуральной философии" (кратко "Начала", 1686 г.) писал:

"1. Абсолютное, истинное математическое время само по себе и по самой своей сущности, безо всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью. Относительное, кажущееся или обыденное время есть или точная, или изменчивая (подчеркнуто мною. – А.В.), постигаемая чувствами, внешняя, совершаемая при посредстве какого-либо движения мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного, или математического времени, как-то: час, день, месяц, год.

2. Абсолютное пространство по самой своей сущности, без относительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным (подчеркнуто мною. – А.В.). Относительное есть его мера или какая-либо ограниченная подвижная часть, которая определяется нашими чувствами по положению его относительно некоторых тел и которое в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное...

Время и пространство составляют как бы вместилища самих себя и всего существующего. Во времени все располагается в смысле порядка последовательности, в пространстве – в смысле порядка положения. По самой своей сущности они есть места (говоря современным языком, они есть системы отсчета. – А.В.), приписывать же первичным местам движения нелепо. Вот эти-то места и суть места абсолютные (то есть абсолютные системы отсчета. – А.В.), и только перемещения из этих мест составляют абсолютные движения... " [53, с.132].

В этих трех абзацах содержится гениальное определение главных свойств времени и пространства и абсолютных систем их отсчета. К сожалению, последующими поколениями было неправильно понято начало третьего абзаца: оставлен без внимания смысл слов "вместилища самих себя". В результате теперь принято считать, что Вселенная существует во времени и пространстве, как в некоем пустом ящике без стенок, наподобие старого бабушкино