Теории, модели и "понимание сути" в физике (да и в других науках)

В качестве пятничного офтопа ну и заодно разбавить политологию с вирусологией :)

Частично и кратко на "пальцах" разберем как же физики докатились до жизни такой, что какую их теорию не возьми - все какие то кривые, с кучей нерешенных вопросов и нестыковками в экспериментах. И пусть не обольщаются остальные - за исключением математиков в остальных науках все либо так же либо еще хуже.

Поскольку количество псевдонаучного бреда даже на АШ как то увеличивается - и поскольку меня уже тут не раз обвиняли что я мартышка без понимания - немного пройдусь как мартышка по этому самому пониманию "понимания сути" :) Изложу так сказать мартышкино виденье этой самой сути - может кому понравится или наоборот не понравится.

Как всегда данная статья не претендует на научность и прочую пафосную помпезность - просто еще раз попытаюсь объяснить на пальцах как не заблудиться в трех соснах и не пропустить рояль в кустах когда вам пытаются впарить какую то фигню - будь то теория эфира или теплорода или еще какая куча бреда

И прошу не обижаться когда я это все называю бредом - я человек простой и не скован рамками научной этичности - любители теплорода, пафосные знатоки сути и прочего будут забанены без предупреждения или с предупреждением в зависимости от моего настроения :)

 

Начнем издалека - любая теория строится на постулатах - неких предположениях считающихся истинными без каких либо доказательств, самый банальный пример - постулаты (или аксиомы) классической евклидовой геометрии (типа "Каковы бы ни были две точки A и B, существует прямая a, которой принадлежат эти точки")

упоминавшаяся МКТ - среди начальных постулатов вообще имеет жуткие "упругие соударения только со стенками сосуда", при "хаотичном движении" частиц "идеального газа"

Более сложный пример - предельность и постоянство скорости света в СТО (отметим сразу - это НЕ ЗАПРЕТ на движение со скоростью выше скорости света - это исходный постулат чтобы теорию можно было хоть как то натянуть на глобус)

Еще более сложные примеры - постулаты квантовой механики (но тут вообще взрыв мозга, так что не будем пока об этом)

 

После того как мы взяли что то как постулат - далее на основе этого выстраиваются различные теоремы теории и прочее. Постулаты они как фундамент. Выньте из под дома фундамент - и все просто разрушится. Так и с постулатами - если взять другие постулаты - появится например неевклидова геометрия, в обычной жизни неприменимая. Или получится дурацкая теория никакого практического применения не имеющая (это чаще).

При этом проверка хороша ли теория - как известно осуществляют на практике. Но происходит это для разных теорий по разному.

Например для реального газа изначально были получены эмпирические законы зависимости давления объема и температуры, и фактическое доказательство верности МКТ в том что в указанных случаях теория дает "достаточно полное соответствие" (об этом чуть ниже) с результатами эксперимента

Причем нередко теорию пытаются придумать (фактически подогнать) для уже наблюдаемых событий, а в некоторых случаях выводы сделанные на кончике пера пытаются пронаблюдать в реальном эксперименте (например гравитационные волны, черные дыры). 

Если есть хорошее соответствие результатам эксперимента - это хорошая, годная теория, и более того это означает что исходные постулаты для этой теории тоже корректны (именно корректны, т.е. более менее соблюдаются но не факт что всегда и не факт что так действительно происходит). Если же результаты расходятся с теорией то тут возможны варианты - либо теория в принципе негодная, либо в данном конкретном случае не применима, либо какие то паразитные эффекты в эксперименте ну и всякое подобное

 

Теперь о достаточно полном соответствии теории и эксперимента

Поскольку в основе теории изначально лежат достаточно спорные недоказуемые утверждения - сложно ожидать точного соответствия теории и эксперимента. И если основное уравнение состояния МКТ выведено для идеального газа - вполне логично предположить что для реального газа надо писать более сложное уравнение для более близкого совпадения результатов. При этом для разреженных газов - и уравнение для идеального газа дает очень хорошие результаты.

Так мы подходим к еще одной важной вещи - области применимости теории. Например классическая физика в принципе начала сбоить при больших скоростях движущихся объектов или при применении в микромире. После чего начали пилить уже квантовую механику и СТО. Таким образом при рассмотрении явления нам изначально необходимо решить какие теории соответствуют по своим граничным условиям для рассматриваемого явления. Попытка применить неподходящую теорию для какого либо явления приводит к серьезным ошибкам (смотри например проблемы фотоэффекта).

Так же здесь можно вспомнить одну из моих любимых баек о том что например сама планета Земля не является инерциальной системой отсчета - однако классическая механика дает вполне точные результаты для небольших скоростей и перемещений, ибо силы типа силы Кориолиса (которая вообще то не совсем сила) - не вызывают каких то серьезных возмущений. И старая классическая ньютоновская механика вполне применима в обычной жизни хотя и нарушены изначальные условия на область применимости этой классической механики. Но поскольку погрешности расчетов до определенного момента невелики - ими можно и нужно пренебречь.

 

И вот теперь давайте поговорим про модели.

Модель - некое качественное или формульное описание наблюдаемого явления, изначально упрощенное, для простоты понимания или простоты расчетов. Так вот любая научная теория - суть такая модель, какие то точнее какие то менее точные, но это именно модель наблюдаемого явления.

Условно говоря, наблюдаемое явление для нас - черный ящик - и мы пытаемся представить что у этого ящика внутри создавая модель. Далее смотрим на вход - выход черного ящика и уже на модели пытаемся получить те же параметры входа-выхода. С течением времени (и накапливания экспериментальных данных) модели эволюционируют, усложняются, все ближе приближаясь к тому что там есть на самом деле. 

Один из самых простых примеров - например ранее модель атома была как кекс с изюмом - оболочка и внутри натыканы электроны. Затем обнаружилось что атом фактически пустой - маленькое ядро и где то электроны, получилась планетарная модель атома - ядро вокруг которого крутятся электроны. Однако такая модель атома противоречила отсутствию излучения электрона на круговой орбите, поэтому модель еще раз усложнили - теперь электрон не то чтобы вертится вокруг атома а располагается где то в некоем облаке (непонятно где в районе ядра) и переходит с одного энергетического уровня на другой не абы как а по правилам квантовой механики. 

В дополнение к этому выяснили что протоны и нейтроны тоже из чего то состоят - и в итоге модель атома на сегодня это некий клубок волн струн, мембран взаимодействующих в многомерном пространстве причем некоторые размерности свернуты - в общем взрыв мозга обеспечен:)

При этом даже самая простая модель атома в виде кекса - вполне имеет право на жизнь в определенном классе задач где нас например волнует только размер этого атома, т.е. конечно было бы интересно как там все внутри на самом деле - но для решения задачи это может и не требоваться (в МКТ атомы идеального газа вообще как стальные шарики - но даже такое упрощение не мешает получать неплохую согласованность с экспериментами).

Так же модель атома в виде кекса хороша тем что ее можно объяснить например дошкольникам, а планетарную модель вполне поймут школьники, ну а бедным студентам уже придется лезть в квантовую механику.

При этом даже самая сложная модель - никак не гарантирует что она предельно точна, т.е. модель это модель а не рассматриваемое явление. Именно здесь кроется например загадка корпускулярно-волнового дуализма света. Утверждение что свет - электромагнитная волна - не совсем верно, так же как и утверждение что свет - частица. Многим очень не понравилось в прошлый раз но повторюсь - свет есть нечто что в одних случаях хорошо описывается моделью электромагнитной волны, в других лучше работает модель когда свет-частица. 

И именно приближенность обеих моделей и вызывает различные проблемы в разных условиях. Причем приближенность моделей вытекает практически сразу из постулатов теорий на которых они основаны. Та же теория струн уже рассматривает фотон не как частицу а как струну или даже мембрану которая колеблется в многомерном пространстве (N>10) при этом наблюдаемые нами явления упрощенно говоря проекция этих колебаний на наш ущербный четырехмерный мир. Однако сказать что свет - это струна - тоже не совсем точно :)

 

Итак как некий итог - любые теории и модели физики - изначально неточны и не всегда применимы. Более того в практической физике кучи формул с хитрыми поправочными коэффициентами и эмпирическими добавками. И с одной стороны можно понять интернетных сумасшедших которые кричат что физики ничего не понимают - в какой то степени тут есть зерно правды:)) но вот то что эти интернетные сумасшедшие предлагают - еще хуже

Те же теории теплорода и эфира - действительно проще и понятнее общепризнанных теорий если их рассматривать как КАЧЕСТВЕННЫЕ модели, однако самый большой минус этих теорий - они не дают никаких количественных моделей тех самых теплорода и эфира которые бы можно было сравнить с экспериментами, ибо ни эфир ни теплород не проявляют себя в экспериментах совершенно - однако это не смущает апологетов.

Это уже видимо классическое "видишь суслика - нет - а он есть". Хотя даже невидимый суслик в любом случае должен оставлять какие то следы.

Таким образом с одной стороны у нас есть пусть плохонькие неточные теории и модели дающие результат (измеримый что немаловажно) и достаточно точное совпадение с экспериментом а с другой непризнанные гении с правильным пониманием сути происходящих процессов с красивыми теориями и моделями но без результатов и с полным отсутствием хоть какого то совпадения с экспериментом.

И тут надо отметить что "общепризнанной" теория становится не потому что физики в неё свято верят, а потому, что ничего лучше (и точнее) на текущий момент нет. Да хотелось бы конечно точно знать что там реально происходит и иметь универсальную теорию всего сущего - но пока это только мечты. А в суровой реальности лучше выбрать плохонькую теорию дающую результат пусть и без серьезного обоснования и понимания сути, а не красивую но бесполезную хрень

Закончить хочу прикольным анекдотом почти в тему:

Эйнштейн умирает и попадает на небо.

— Альберт, сын мой, ты жил праведно и много сделал. Есть ли у тебя какая-то просьба?

— Господи, покажи мне формулу всего сущего!

Щелчок пальцами, появляется доска исписанная формулами. Эйнштейн, изучая написанное:

— Это еще Ньютон знал, это я знал, это похоже на правду... О, вот об этом я догадывался... Хм... Господи! По-моему, вот здесь у тебя ошибка!

— Я знаю...