Природа управляется наиболее простыми законами!?

Природа управляется наиболее простыми законами!?

Физики – народ «ленивый», а природа?

Среди физиков бытует поговорка «Физики – народ «ленивый». Юмор? Нет. На самом деле это высказывание означает то, что физики-исследователи стремятся открываемые ими законы выразить наиболее простыми средствами, в частности, наиболее простыми математическими формулами. А физики-практики для решения задач стремятся находить наиболее простые решения.

Физика изучает наиболее фундаментальные законы природы. Отсюда возникает естественный вопрос: может быть природа также «ленива» и управляется законами, которые могут быть сформулированы наиболее простыми средствами?

Цель настоящей статьи – показать, что, используя принцип «природа проста», можно получить интересные выводы.

Будем считать, что твердо установлены следующие факты (принципы).

1. В природе все объекты взаимодействуют друг с другом. Следовательно, любой объект обладает способностью к взаимодействию.
2. Явление – это изменение состояния объекта (системы объектов), т. е. изменение его (их) характеристик. Причина всех явлений в природе – взаимодействие.
3. Основные характеристики взаимодействия (сила F и энергия Е) убывают с увеличением расстояния между объектами, обращаясь в нуль лишь в бесконечности.
4. Результат взаимодействия зависит как от характеристик взаимодействия, так и от свойств самих взаимодействующих объектов.
5. Свойство тела, характеризующее его реакцию на внешнее воздействие – инертность. Мера инертности – масса m.
6. Действуют все базовые законы природы, в том числе закон сохранения энергии и принцип минимума потенциальной энергии.
7. Пространство однородно.

Случай 1. Закон взаимодействия.

1. Анализируемая система. В пустом пространстве находятся два точечных материальных объекта.
2. Допущения.
   1. Способность к взаимодействию каждого объекта может быть оценена некоторой физической величиной μ (μ₁ и μ₂ соответственно).
   2. Количественные характеристики взаимодействия (энергия и сила) прямо пропорциональны произведению величин μ₁ и μ₂.
   3. Величины μ₁ и μ₂ для выбранных объектов не могут изменяться: их изменение равносильно исчезновению исходных объектов (или замены новыми).
3. Анализ.
   1. Если пространство однородно, то зависимость характеристик взаимодействия от расстояния между объектами должна быть монотонной.
   2. С увеличением расстояния зависимость E(r) приближается к нулю асимптотически при r → ∞. Следовательно, E(r) - кривая линия. Простейшая кривая с асимптотами – гипербола E(r) = а/r.
   3. Учитывая известное соотношение между энергией и силой, для модуля силы получим F(r) = b/r². Здесь а и b – константы.
   4. Из принципа минимума потенциальной энергии следует, что при отталкивании энергия взаимодействия уменьшается с увеличением расстояния, оставаясь положительной. Величины μ₁ и μ₂ имеют одинаковые знаки.
   5. Из принципа минимума потенциальной энергии следует, что притяжение происходит, если энергия взаимодействия уменьшается при уменьшении расстояния. Если принято, что на бесконечности она равна нулю, то на конечном расстоянии может быть только отрицательной. Для этого необходимо, чтобы величины μ₁ и μ₂ имели разные знаки.
   6. Заменив в п. 2.1. величину μ на массу m, получим потенциал гравитационного поля при a=Gm  и закон всемирного тяготения при b=Gm1m2 .
   7. Заменив в п. 2.1. величину μ на электрический наряд q, получим потенциал электрического поля точечного заряда при a=kq1  и закон Кулона при b=kq1q2 .