Lex Kravetski (lex_kravetski) wrote,
Lex Kravetski
lex_kravetski

Category:

Про понимание физики

Сейчас есть такая модная тема — отрицание гравитации. Там, если тему понимаешь, прямо кунсткамера — настолько клёвых ментальных уродцев люди порождают. Или, быть может, прямо стендап, поскольку очень смешно.

Кто-то, например, утверждает, что про разрыв космических тел гравитацией учёные всё врут: он формулу закона всемирного тяготения посмотрел, нет там никакой «силы разрыва».

Ну и вообще, люди с низа Земли не падают — и где эта ваша «гравитация»?

Какова же тогда альтернатива? О. Альтернатива — архимедова выталкивающая сила. Она, значить, более лёгкие тела выталкивает вверх, из-за чего кажется, что более тяжёлые, значить, падают.

Однако вот в чём тут парадокс. Я много раз наблюдал, как люди спорят по этому поводу, «отстаивая настоящую физику», и почти каждый раз ловил себя на мысли, что у борцов с гравитацией, разумеется, ошибки на поверхности, но они всё равно в некотором смысле больше физики, чем те, кто с ними спорит. Поскольку, да, борцы сумели как-то почти целиком пропустить последние несколько тысяч лет развития оной, но при этом хотя бы интуитивно понимают, что является «теорией» и «объяснением», а борцы с борцами при этом пропустили всё совсем целиком.

Они считают, что «теория» — это то, что написано в учебнике. Некий набор фраз, которые надо выучить наизусть, а потом время от времени повторять. И даже не просто повторять, а типа «отстаивать». Тоже, естественно, строго путём многократного повторения самой фразы со ссылкой на то, что она написана в учебнике, а значит правильная.

Такие, конечно, не все. Есть, например, дорогой товарищ invisiblekincajou, который не только прекрасно понимает физику, но и умеет её хорошо и правильно объяснять. Однако, блин, — сколько у него подписчиков, а сколько у школьного учебника? Сколько в интернетах таких кинкаджей, а сколько распространителей заученных фраз?

В общем, основная масса просто повторяет заклинание. Повторяет — с целью опровергнуть безграмотных долбодятлов, но, парадоксальным образом, себя при этом выставляя ещё более безграмотными долбодятлами (по крайней мере, в обсуждаемой области).

Ибо научное утверждение ценно не само по себе, а как итог некоторой последовательности рассуждений. Если рассуждений нет, то и утверждение ничего не стоит.

И тут что получается. И сторонники, и противники, значит, согласны с существованием архимедовой силы (ясен пень, она есть, поскольку они запомнили фразу о том, что она есть, но об этом чуть позже). Однако у тех, кто не верит в гравитацию, в наличии модель того, как некие наблюдаемые явления вызываются чем-то, с существованием чего согласны все собеседники. А у тех, кто «борется за науку», модели нет — есть только некая фраза–заверение. Со ссылкой вроде как на авторитет, однако противники гравитации-то тоже друг на друга ссылаются. «Слово вашего авторитета против слова нашего», как-то так.

Иными словами, позиция противников гравитации в таких дискуссиях не менее, а более научна, чем у тех, кто с ними спорит: у них на один довод больше, причём именно этот довод (построенная модель, объясняющая результаты экспериментов) и является в науке одним из двух имеющих значение (второй — собственно, эти самые результаты экспериментов, на примерах которых можно доказать прогностическую силу модели).

А учебник — не учебник пофиг. В учебниках девятнадцатого века был эфир и теплород, и где они теперь?

И такое, надо отметить, не редкость.

Беседовал как-то с одним челом по поводу одной занимательной физической задачи. Тот что-то затирал про силу Архимеда, причём у него — прямо как у борцов с гравитацией — упорно получалось, что эта сила существует как бы сама по себе.

Я сначала намекал, что без гравитации (или любого другого аналогичного «поля» — пусть даже созданного задней стенкой ускоряющегося космического корабля) её не будет. Потом прямым текстом это сказал — всё ещё наивно полагая, что человек «знал, но забыл».

Фиг там. Он не забывал, поскольку вообще никогда не задумывался, откуда эта сила берётся.

Я изложил ему причины её существования, которые довольно просты: из-за того, что гравитационное поле убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от центра масс, по чисто статистическим причинам оказывается, что чем ближе к центру, тем больше молекул газа. Если мы в эту среду помещаем какое-то тело, то в него тут же начинают активно долбиться молекулы. Однако снизу их несколько больше, чем сверху, а потому чисто статистически получается, что суммарный импульс от всех столкновений направлен от центра масс. Причём «низ» и «верх» — это не только самый топчик и самое дно, а любые два участка поверхности тела, один из которых дальше от центра масс, чем другой.

По многочисленным просьбам специально сообщу: убывать именно обратно пропорционально квадрату расстояния силе не обязательно — градиент плотности и/или импульсов можно вызывать и, например, наличием дна, которое не падает свободно в этом поле. Важен именно градиент плотности и/или среднего импульса частиц, который на Земле в большинстве случаев вызывается наличием гравитации.

Собственно, поэтому в формулу оного закона входят плотность вещества, из которого состоит среда (чем больше плотность, тем больше молекул будет долбиться в единицу площади за единицу времени), ускорение свободного падения (чем оно выше, тем сильнее будет меняться плотность среды при удалении от центра, и, соответственно, тем больше будет разность импульсов на единицу площади) и объём тела (чем он больше, тем больше одинаковых участков поверхности, в которые долбится разное количество молекул, и, следовательно, тем большую разность между «верхом» и «низом» можно обеспечить).

Конечно, то, как все эти величины входят в формулу в каждом конкретном случае, зависит от того, чем и как вызываются эти градиенты, и тем, что частицы ведут себя именно так, как они себя ведут (по поводу чего тоже можно очень долго рассказывать, подтягивая сюда, в том числе, теорвер), но сами величины входят в формулу закономерно, а не случайно. Физика явления — вот в этом.

Даст ис фантастиш, с моей точки зрения, но даже после этого он продолжал писать, что «это у меня наивное представление — выталкивающая сила устроена гораздо хитрее». «И как же?», — впорошал я риторически. Естественно, как же она устроена, с его точки зрения, я должен был искать где-то сам, почему-то отвергая при этом все источники, где совершенно закономерно излагаются вышеприведённые соображения (ну а как ещё-то — магии не бывает, поэтому импульс можно передавать только некой материей, а разность импульсов должна обеспечить некая статистика), а сам он не может даже обозначить источник этой «более хитрой силы» в общем виде — видимо, в ней всё настолько хитро, что в русском языке и в математике для этого словей не хватает.

Этот человек, надо отметить, не был борцом с гравитацией — нет, он просто надеялся при помощи расплывчатых фраз сделать вид, что он лучше остальных понимает физику. При том, что, естественно, понимал её даже хуже требований школьной программы.

В этом смысле, борцы с гравитацией ровно так же её не понимают: не отдают себе отчёта, что без градиента плотности среды не будет выталкивающей силы. И если градиент создаёт не гравитация, то надо объяснить, что его создаёт. И кроме того, почему без среды (то есть в вакууме) тела падают на поверхность примерно так же, как в воздухе (ну, с поправкой на сопротивление оного воздуха и сабжевую архимедову силу, конечно), что неоднократно проверялось в сосудах, из которых откачан воздух.

А так, да, в оригинале закона всемирного тяготения, конечно, не всё гладко — в частности, там никак не объясняется, каким чудесным образом эта сила передаётся от одного тела к другому — тем более, мгновенно. Есть чо копать, и общая теория относительности — пример того, как это можно копать.

Быть может, через градиент ненаблюдаемой пока что «среды» гравитацию правда объяснить будет проще, чем через мистическую «силу», действующую на расстоянии безо всякого контакта — общая теория относительности, вон, объясняет это дело через градиент в искривлении пространства. Но всё это явно не про архимедову силу воздуха, нет. Тем более, между Землёй и Солнцем воздух в основном отсутствует, но всё равно что-то заставляет Землю двигаться не по прямой, а почти что по окружности.

Однако, как уже говорилось, борцы с борцами в среднем ещё хуже. Поскольку они опровергают эти построения путём ссылки на то, что для них является заклинанием. Напиши им в школьном учебнике, что это божьей волей тела притягиваются, они точно так же бы ссылались на божью волю. И ведь кто-нибудь рано или поздно напишет — ведь такое уже писали же.

Пьяный, в общем, проспится, а дурак — никогда. Если человек правда интересуется физикой, то его с ненулевой вероятностью можно переубедить аргументами. Не за один раз, конечно, — скорее всего, если он это дело не бросит, а продолжит копать, то сработает совокупность аргументов, а не одна телега кого-то одного. Но вот тем, кто заучил и повторяет заклинания, аргументы вообще пох. Поэтому «переубеждение» может быть вызвано разве что заменой того, кто ими воспринимается, как авторитет, на кого-то, кто будет выглядеть в их глазах ещё большим авторитетом. И при этом всё целиком сведётся к замене одного заклинания другим. «Ой, раньше я повторял, что есть гравитация, а теперь я буду повторять, что есть искривление пространства, поскольку у Эйнштейна более прикольная причёска, чем у Ньютона».

Станет ли человек из-за смены заклинания лучше «знать» физику? О нет. Заклинание может быть каким угодно — со знанием оно никак не связано.

Понимание процессов не определяется красотой переплёта книжки, в которой что-то написано (издать в красивом переплёте можно что угодно). Оно не определяется научными степенями автора (Эйнштейн, например, в момент разработки специальной теории относительности степеней вообще не имел и даже не работал в НИИ — он служил клерком в патентном бюро, а Фарадей, изрядно вложившийся в теорию электромагнетизма и — косвенно — в ту же теорию относительности, вообще поначалу был переплётчиком и даже высшего образования в университетах не получал). Оно не определяется распространённостью тезиса (целая куча распространённых тезисов накернилась даже за последнее десятилетие, хотя большинство не в курсе, а некоторые даже до сих пор преподаются в школе — например, про «вкусовые зоны» на языке и про то, что оный различает всего четыре вкуса, а не пять).

Поэтому, таки да, в споре борцов с гравитацией и физиков я буду на стороне физиков, но вот в споре борцов с гравитацией и знатоков заклинаний, я поставлю на первых, а не на вторых. Физике и науке в целом гораздо полезнее те, кто пытается анализировать (пусть даже с ошибками, очевидными специалистам), а не те, кто повторяет «мэйнстримные фразы», совершенно не понимая, что за этими фразами стоит.

P.S. По многочисленным неявным просьбам желающих разобраться со взятым для примера процессом, что лично я всецело приветствую, уточню и подчеркну некоторые детали.

Для появления выталкивающей силы нужен градиент в плотности среды и/или в импульсах частиц этой среды. Он может быть вызван самыми разными способами, а не только переменностью поля силы тяжести (от конкретных способов будет зависеть вид формулы, но не само наличие или отсутствие выталкивающей силы) и даже не только силой тяжести (хотя на Земле оное обычно вызвано именно ей).

Так, например, градиент плотности можно вызывать в слое жидкости или газа, который находится в однородном или неоднородном поле силы (какой угодно), но при этом под ним находится дно, которое не движется под действием этой силы. Если слой — относительно тонкий, то за относительно небольшой промежуток времени мы придём к ситуации, когда неумолимое «падение» частиц под воздействием силы уравновесилось их плотностью: ниже дна частицы улететь не могут, а потому соударениями постоянно вышибают наверх (то есть против действия силы) даже те частицы, которые сами до дна не долетают. Соответственно, чем дальше от дна, тем ниже плотность.

Для организации такового не обязательно иметь «реальную» силу — достаточно будет и «виртуальной» — например, сабжевого ускорения космического корабля в инерциальной системе отсчёта: тут уже не сами частицы будут «падать» в сторону дна, а, наоборот, дно будет «наезжать на частицы». Двигайся корабль с постоянной скоростью, через какое-то время частицы в среднем стали бы двигаться со скоростью дна, и градиент плотности бы отсутствовал. Однако наличие ускорения в инерциальной системе отсчёта не даёт таковому произойти, а потому равновесное состояние устанавливается уже с градиентом.

Ещё один вариант обеспечения выталкивающей силы — начать подогрев какой-то из стенок сосуда, находящегося вне сил тяжести. В этом случае скорости частиц близ стенки будут возрастать по модулю и, таким образом, будет работать градиент в импульсах частиц. Да, про такое принято говорить, что «сила вызвана конвекционным потоком», но статистический смысл примерно тот же: «снизу» (со стороны подогреваемой стенки) частицы долбят не столько чаще, сколько «сильнее», чем «сверху» — во время соударения передают больший импульс.

Может возникнуть вопрос: быть может, для сего процесса в принципе необходимо твёрдое дно? Технически, да, на Земле оно у нас всегда есть — поверхность Земли, собственно. Однако есть в обозримой вселенной места, где дна, судя по всему нет — Солнце, например, его, видимо, не имеет, как его может и не иметь просто газовое облако, собравшееся под воздействием взаимного притяжения его частиц.

Однако градиент плотности в нём всё равно будет обеспечен — как раз вот этим самым уравновешиванием сил взаимного притяжения (сумма которых, в среднем, тянет все частицы к центру масс) и статистикой соударений молекул, выталкивающих друг друга и помещённые в эту среду твёрдые тела из центра к краям.

Отдельно следует отметить, что фразы вида «в жидкости/газе выталкивающая сила обеспечивается давлением» тоже верны. Пока их не дополнят словами «а не градиентом». Давление, если что, это тоже статистика соударений — средний импульс, передаваемый единице площади за единицу времени. Передают импульс частицы вещества, и они же обеспечивают давление.

Поэтому вариантов каждый раз не так много: чтобы обеспечить градиент силы, вызываемой соударениями, мы можем обеспечить градиент массы частиц, можем обеспечить градиент их скоростей и можем обеспечить градиент плотности. Ещё можем как-то это замиксовать, но дополнительных опций не предусмотрено: давление среды — это усреднённые соударения её частиц с чем-то, и ничто иное.

Например, при достаточно большой плотности среды и наличии дна даже в небольшом по толщине слое вполне возможно сделать так, что основное влияние будет оказывать не переменная плотность среды (приводящая к переменности частоты соударений), а градиент импульсов, вызванный тем, что верхние частицы, разгоняемые силой, направленной вниз, соударениями разгоняют нижние сильнее, чем нижние в ответ разгоняют верхние.

Тут, совершенно верно, между газом (свободно движущимися молекулами) и твёрдым телом (молекулами, находящимися в кристаллической решётке) существует некий плавный переход, в котором присутствует и состояние, называемое «жидким» — когда проигнорировать связи молекул уже нельзя, а считать их закреплёнными в некой структуре ещё нельзя.

Однако, обратите внимание, для жидкостей в основном считается верным закон Паскаля — возмущения в давлении передаются во все стороны одинаково. При этом твёрдое тело в поле силы тяжести безусловно давит вниз, но вот вбок давит на многие порядки слабее — два кубика, положенные на стол вплотную друг к другу, будут «расталкивать» друг друга совсем не с той силой, с которой давят на стол. Чем такая разница в поведении может быть вызвана, кроме как относительной свободой движения частиц в жидкости?

Если вам при этом кажется, что, например, «поскольку на стенки закрытого сосуда в невесомости жидкость и газ тоже давят, а потому гравитация не обязательна», то попробуйте ответить на вопрос: а откуда выталкивающая сила «узнает», в какую сторону ей в этом случае выталкивать?

С градиентом ли гравитации или без него, или даже без самой гравитации, но «узнать», в какую сторону «следует толкать», такая сила может что-то только по градиенту плотности и/или импульсов частиц, которые при этом должны иметь возможность двигаться хотя бы в какой-то степени независимо друг от друга — другого источника для «узнавания» просто нет.

В качестве ещё одного мысленного эксперимента, поясняющего, почему в однородном поле силы оказывается необходимым дно, которое не падает свободно в этом поле, представьте себе ванночку с водой, поставленную в лифт, который внезапно срывается с троса и начинает свободно падать. Будет ли в этих условиях находящаяся в ванночке вода выталкивать помещённые в неё тела? Если будет, то как она «узнаёт», в какую сторону толкать — ведь при свободном падении в однородном поле силы невозможно узнать, что ты находишься в однородном поле.

Отдельный вопрос, кстати про «несжимаемость» воды. Сия «несжимаемость» является неким приближением, которым действительно можно пользоваться в отдельных задачах. Скажем, если вы загребаете воду в большом водоёме веслом, то можно проигнорировать сжатие некоторых порций жидкости под воздействием весла — учёт этого даст пренебрежимо малые поправки. Однако если вы соберёте огромное количество воды в планету, то считать плотность жидкости в ней однородной уже не получится (чему примером служат ледяные газовые гиганты — Уран и Нептун).



doc-файл
публикация в блоге автора

Tags: контрманипуляция сознанием, наука, научный метод, философия
Subscribe

Recent Posts from This Journal

  • Вегетарианский парадокс

    Мне очень нравится занимательный парадокс, связанный с вегетарианством. Дело вот в чём. Вегетарианцы говорят, что люди очень зря убивают животных…

  • Неожиданные параллели

    В финском слове «sipuli» совершенно явно звучит «цибуля». И, таки да, это слово как раз и означает «лук». Ещё более неожиданно то, что «voi ei»…

  • (без темы)

    Роман Носиков, помнится, мне много раз рассказывал о том, как всё круто на Селигере. Что-де, не надо даже ездить в эти…

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 91 comments

Recent Posts from This Journal

  • Вегетарианский парадокс

    Мне очень нравится занимательный парадокс, связанный с вегетарианством. Дело вот в чём. Вегетарианцы говорят, что люди очень зря убивают животных…

  • Неожиданные параллели

    В финском слове «sipuli» совершенно явно звучит «цибуля». И, таки да, это слово как раз и означает «лук». Ещё более неожиданно то, что «voi ei»…

  • (без темы)

    Роман Носиков, помнится, мне много раз рассказывал о том, как всё круто на Селигере. Что-де, не надо даже ездить в эти…