С человеческой точки зрения все рассматриваемые и анализируемые системы имеют функции, которые мы в зависимости от нашего к ним отношения делим на «полезные» и «вредные». Среди функций может быть выделена Главная полезная функция — ГПФ. В некоторых случаях можно использовать понятие Главная вредная функция — ГВФ, однако ГПФ и ГВФ вполне обратимы. Например, для палача ГПФ топора — «Рубить голову», а для того, кому голову рубят — это не ГПФ, а совсем наоборот. Главная полезная функция задается надсистемой системы. В первом случае надсистема — палач, во втором — осужденный.Понятие ГПФ предложено в ТРИЗ и ФСА для технических систем, но вполне применимо и для иных. Рассмотрим систему Заяц. В зависимости от наших интересов заяц может быть охарактеризован по-разному, т. е. ему можно дать разные определения. Например, заяц — род животных семейства зайцевых, отличающийся длинными ушами и разной длиной передних и задних лап. Другое определение: «заяц» — пассажир, не оплативший проезд. Третье: заяц — основа для блюда из боровой дичи, сочетающаяся с тонкими ингредиентами и требующая предварительного замачивания в холодной воде. Определения даны по одной схеме: система, являющаяся частью надсистемы, отличающаяся главной подсистемой (подсистемами).

Фактически в приведенном примере рассмотрены три разные системы, которые имеют разные ГПФ, отражающие принципиально различные интересы разных исследователей, разных людей. В первом случае ГПФ зайца — быть животным, во втором — ехать в общественном транспорте без оплаты проезда, в третьем — служить едой. Соответственно, в первом случае это система и ГПФ естествоиспытателя, зоолога, во втором — контролера, в третьем — гурмана. Три разных человека — три ГПФ — три системы.

Теперь рассмотрим системы, для которых нас интересует не только нынешнее состояние системы, но и путь ее развития. Например, линия развития системы Видеоролик при ГПФ «Передавать звук и изображение» от прошлого к настоящему можно представить так: поведение и обычаи — предания и легенды — сказители — барды и менестрели — театральное представление — фильм — видеоролик.

При ГПФ «Приукрашивать реальность» линия развития системы с тем же названием, скорее всего, будет выглядеть следующим образом: верования — сказки — мифы — барды и менестрели — театрализованное представление — радиопередача — немое кино — звуковой фильм — видеоролик.

Системы похожие, но нюансы есть, и существенные. В одном случае мы рассматриваем метод достижения цели, в другом упор делается на приемы достижения цели: спецэффекты, гиперболы, трюки, монтаж, анимация. Как видим, Видеоролик, как и ряд его предшественников, выполняли обе рассмотренные функции, и задача исследователя — выделить ту систему, которая его интересует.

Следует обратить внимание на кажущуюся неоднозначность в терминологии. С одной стороны, говорится о системе и предшествующих системах, т.е. о разных системах, с другой – о развитии одной системы. Противоречия здесь нет, всё определяется подходом. Если мы рассматриваем нынешнюю и предшествующие системы каждую саму по себе, то это разные системы. Если же мы говорим о системе с позиции ГПФ, то это одна развивающаяся система, имеющая разные проявления [12, с. 13].

Таким образом, ГПФ можно представить как основу потребности человека, путеводную нить, ось, на которую нанизываются конкретные системы с конкретными способами удовлетворения потребности. В развитии эти способы совершенствуются, обеспечивая всё лучшее удовлетворение потребности.

Надсистемы развивающейся системы в ее конкретных проявлениях также имеют свои ГПФ, причем, что важно, для всех этих надсистем она едина. Так, для ГПФ систем «Передавать звук и изображение» ГПФ надсистемы может быть, например, «Передавать информацию», а для ГПФ систем «Приукрашивать реальность» ГПФ надсистемы — «Изображать реальность». То же относится к конкретным соответственным подсистемам, характеризующимся своими ГПФ. Аналогичным образом можно рассматривать развитие над-надсистем, над-над-надсистем…, а также под-подсистем, под-под-подсистем и т. д., поскольку все они на своих уровнях являются системами.

Следовательно, мы имеем совокупность линий развития систем разных иерархических уровней, при этом каждая линия характеризует проявления реализации конкретной потребности со своей ГПФ. Для технических систем соответственными, прежде всего, будут линии основных подсистем, определяемых законом полноты частей системы: двигатель, трансмиссия, рабочий орган, орган управления [13, с. 122-123].

Творческое, талантливое мышление подразумевает мышление системное, причем системное как в пространстве, так и во времени. Система в пространстве — это иерархическая система. При этом обычно иерархия понимается не в управленческом, а в системном смысле, когда система состоит из подсистем, которые, в свою очередь, состоят из под-подсистем и т. д.

Системное мышление во времени можно понимать как рассмотрение развития — последовательной смены меняющихся систем с одной ГПФ. Поскольку рассматриваемые системы в пространстве и времени, как и образуемые ими линии не являются независимыми друг от друга, это дает возможность их совместного анализа. Это прекрасно показал Г. С. Альтшуллер, разработавший полиэкранную схему (системный оператор) для анализа систем [13, с. 66-67], и назвавший сильным мышление человека, владеющего анализом полиэкранных схем. Напомним его слова: «Обычное мышление, когда человек видит только то, что дано в задаче. Если задача, допустим, связана с деревом, и человек видит только это дерево. Сильное мышление – когда одновременно работают минимум девять мысленных экранов: человек видит систему, данную в задаче, надсистему, подсистему – три разных этажа. И на каждом этаже – прошлое, настоящее и будущее. То есть надо видеть не только дерево, но и лес, и клеточку дерева. И все это в развитии: прошлое, настоящее, будущее» [14, с. 28].

Таким образом, «вырезав» блок из трех систем, трех надсистем и соответствующих подсистем, мы получаем девятиэкранную схему. Если «вырезанный» блок включает более 9 «экранов», получается многоэкранная (полиэкранная) схема. Важнейшей особенностью этого метода является не только возможность анализа систем прошлого в их развитии, но и способность представлять будущее системы, то есть осуществлять научный прогноз.

В рассматриваемом нами контексте важнейшая задача полиэкранной схемы — эффективно снижать «привязанную» к анализируемой системе психологическую инерцию путем встраивания этой системы в специфическое окружение из восьми или большего числа «экранов». Красивое решение – переход от анализа «точечной» системы и «линии» систем к анализу целой «плоскости». Если вспомнить описанную систему Видеоролик с двумя рассмотренными ГПФ и частично совпадающими конкретными системами, то понятно, что говорить надо скорее не о «плоскостях», а о «поверхностях», образуемых совокупностями систем с их над- и подсистемами.

Как можно еще повысить эффективность такого системного анализа или, другими словами, как в еще большей степени ослабить психологическую инерцию при анализе системы для успешного представления о ее возможных проявлениях и будущем развитии? Судя по всему, надо к нашей системе добавить антисистему, естественно, с ее над- и подсистемами, и, конечно, в многоэкранном варианте. О такой возможности упоминал Г. С. Альтшуллер [13, с. 66-68], она рассмотрена авторами в работе [15].

Не анализируя более частные определения антисистемы, приведем определение, данное Г. Б. Френклахом и Г. А. Езерским: «Антисистема — система, выполняющая по отношению к данной противоположную функцию» [16, с. 26]. Следовательно, в рамках наших рассуждений каждой системе с ее ГПФ надо соотнести анти-ГПФ с соответствующей антисистемой.

Если продолжать рассматривать анализ систем в геометрической аналогии, то выявляется отчетливая тенденция: точка (система) — линия (совокупность систем во времени) — поверхность (совокупность систем, надсистем и подсистем во времени). Но если к рассмотренной поверхности добавляется еще одна — антисистемная, то что же характеризуют в этом случае две поверхности? Конечно, объем. Правда, объем какой-то ущербный, включающий всего две поверхности.

Проанализируем подробнее. Антисистема — это противоположность системе. Для окружности можно считать, что это поворот на 180 градусов. Но если можно на 180, то почему нельзя на 90? Или на еще меньший «угол»?

Рассмотрим пример. Имеется система Автомобиль с ГПФ «Служить для быстрого перемещения». Антисистема с ГПФ «Служить для медленного перемещения» — это, допустим, похоронная процессия. Всё понятно, всё очевидно.

Продолжим рассмотрение. Термин перемещение имеет свои антонимы. Например, неподвижность или фиксация. Тогда перечень ГПФ можно дополнить еще парой анти-ГПФ: «Обеспечить быструю неподвижность» и «Обеспечить медленную неподвижность». Очень необычные ГПФ, полученные из обыденной системы. Обеспечить «Быструю неподвижность» может, например, фотография. Обеспечить «Медленную неподвижность» способны тормозной путь автомобиля или просмотр события в замедленном темпе: событие зафиксировано и неизменно, однако медленно меняется.

Но ГПФ ведь можно уточнить, что часто бывает даже необходимым. В нашем примере уточненная ГПФ может звучать как «Служить для быстрого перемещенияпо городу». Соответственно появляется возможность рассмотреть более частную систему, например, легковой автомобиль. Анти-ГПФ: «Обеспечить быстрое перемещение за городом» — внедорожник, самолет. «Обеспечить быструю фиксацию в городе» может светофор, «Быструю фиксацию за городом» — овраг, глубокая лужа. «Медленное перемещение по городу» — это, например, экскурсия, дорожная «пробка», «Медленное перемещение за городом» — движение по пересеченной местности, бездорожью, «Медленная фиксация в городе» — штрафная автостоянка, «Медленная фиксация за городом» — непогода, грязь.

Иллюстрации, приведенные для каждой ГПФ, безусловно, не полны. Это всего лишь иллюстрации. В нашей геометрической аналогии последние примеры означают поворот на 45 градусов.

Можно пойти еще дальше, расширив ГПФ, например, до «Быстрое перемещение грузов по городу». Таких «22,5-градусных» систем-антисистем будет уже шестнадцать, т. е. с конкретизацией ГПФ количество возможных вариантов возрастает в геометрической прогрессии [15, с. 19].

Увеличение количества систем — антисистем не является самоцелью, но в результате подобного анализа выявляется некая сфера понятий, так или иначе сопряженных с заданной системой. Цель же остается прежней — снижение психологической инерции с соответствующим выявлением новых, иногда принципиально новых решений.

Эта задача чрезвычайно важна при анализе и решении любых творческих задач, при обучении творческой деятельности.

На одном из семинаров-тренингов учащиеся исследовали систему с ГПФ «Приготовить еду». Для формулировки антисистемы потребовалось найти антоним к системе Еда. Минут через пять общего замешательства разобрались: Работа! Ведь еда восполняет энергией, а работа эту энергию потребляет. Без комментариев.

Применительно к полиэкранным схемам описанный подход позволяет проводить анализ в нетривиальном режиме. В стандартном анализе полиэкранной схемы сопоставляются свойства надсистем, систем и подсистем в прошлом и настоящем, и тренды их изменения дают основание для прогноза будущей системы с ее надсистемами и подсистемами. При этом сопоставление подсистем и их свойств производится в определенном смысле «случайным» образом.

В предлагаемом варианте анализ становится более закономерным, а значит более алгоритмизируемым. Так, на уровне надсистемы рассматривается один объект, на уровне системы два: система и антисистема, подсистем в минимальном варианте уже четыре: две подсистемы и две подантисистемы, на уровне под-подсистем — восемь объектов. Таким образом, подразумевается выбор подсистем не «случайным» образом, а по заданному, описанному выше, принципу. В этом случае и выделение изменяющихся свойств, и сопоставление должно проводиться не вообще, а между конкретными парами или линиями объектов: система и системы в прошлом, антисистема и антисистемы в прошлом, надсистема и надсистемы в прошлом и т.д.

Проведенное исследование показывает, что системно-антисистемный анализ является самостоятельным методом, дающим разнообразие возможностей применения в теоретических работах и при решении конкретных задач как в технической, так и в иных областях человеческой деятельности.

Такой анализ может широко использоваться в педагогике, в том числе, для развития творческих способностей школьников, студентов и специалистов разных отраслей.

Выводы:

1. Системно-антисистемный анализ является самостоятельным методом научного исследования, он применим к любым системам.
2. Добавление антисистемных составляющих в полиэкранную схему означает переход к «объему» в мышлении и системных представлениях.
3. Систему и ее развитие определяет формируемая надсистемой Главная полезная функция этой системы. Соответственные системы, надсистемы и подсистемы в полиэкранной схеме должны иметь свои постоянные ГПФ. Нарушение этого правила — свидетельство неправильного построения схемы.
4. Системно-антисистемный анализ является прекрасным инструментом борьбы с психологической инерцией, он дает возможность получения спектра принципиально новых решений.
5. В педагогической деятельности системно-антисистемный анализ может служить для развития логического мышления и творческих способностей.

Таким образом, давление не может быть и не является параметром состояния. Однако эта величина входит в множество определений и формул и как бы выполняет роль параметра состояния. Но так же как нельзя «пощупать» энергию, а можно только оценить ее наличие и величину по результатам проявления, например, работе, так же нельзя «увидеть» параметр состояния, который проявляется в виде давления. Параметром, как бы сопряженным с давлением и имеющим с ним одинаковую размерность, является плотность энергии (объемная плотность энергии), то есть энергия, содержащаяся в единице объема. Следовательно, произошла подмена понятий. Фактически параметром состояния является плотность энергии, а давление — это проявление объемной энергии при наличии «стенок»: тел, площадок, поверхностей.

В развитие темы рассмотрим атмосферное давление. Во всех энциклопедиях, справочниках, учебниках и иной литературе говорится именно об атмосферном давлении как давлении столба воздуха на поверхность Земли и расположенные на ней предметы. Одновременно упоминается о том, что с удалением от земной поверхности вышележащий столб воздуха уменьшается и давление «убывает по закону, близкому к экспоненциальному» [2, с. 133]. Но если давление на поверхность Земли рассматривать можно, то говорить о давлении на высоте некорректно, поскольку давить там в общем случае не на что. Таким образом, Земля обладает атмосферой, то есть совокупностью газов, которая под воздействием земного гравитационного поля, убывающего с высотой, распределилась соответствующим образом и обладает на каждой высоте определенной величиной объемной энергии. Говорить же о давлении в отсутствие объектов, на которые можно давить, бессмысленно.

Еще одна тема, связанная с давлением, — так называемый гидростатический парадокс, заключающийся в том, что «вес жидкости, налитой в сосуд, может отличаться от давления жидкости на дно сосуда. Так, в расширяющихся кверху сосудах сила давления на дно меньше веса жидкости, а в суживающихся — больше. В цилиндрическом сосуде обе силы одинаковы. Если одна и та же жидкость налита до одной и той же высоты в сосуды разной формы, но с одинаковой площадью дна, то, несмотря на различный вес налитой жидкости, сила давления на дно одинакова для всех сосудов и равна весу жидкости в цилиндрическом сосуде. Таким образом, давление покоящейся жидкости зависит только от глубины под свободной поверхностью и от плотности жидкости. На сегодня гидростатический парадокс объясняется тем, что, «поскольку гидростатическое давление всегда нормально к стенкам сосуда, сила давления на наклоненные стенки имеет вертикальную составляющую, которая компенсирует вес излишнего против цилиндра объема жидкости в расширяющемся кверху сосуде и вес недостающего против цилиндра объема жидкости в суживающемся кверху сосуде» [2, с. 471]. Данное выше объяснение «парадокса» представляется несколько странным. Если для сосудов, сужающихся книзу, в которых часть силы давления жидкости передается стенкам, сказанное вполне разумно, то для сужающихся кверху, где для создания достаточной силы уже стенки должны давить на жидкость, выглядит не совсем корректно. В данном случае логично рассматривать не вес жидкости и давление, а объемную плотность энергии. Объемная энергия, фактически анализируемая в парадоксе, как и в случае с атмосферой определяется высотой «столба», поэтому для одинаковых по плотности жидкостей, имеющих одинаковую величину «столба» и находящихся в одном месте (точнее в одинаковом по величине гравитационном поле) величина объемной плотности энергии одинакова.

Сказанное выше не просто терминологический анализ, академические рассуждения на тему науки, оно имеет вполне определенный как понятийный, так и прагматический смысл. Некорректно расширенное использования понятия давление подчеркивает общую тенденцию недооценки роли объемной энергии и объемных величин в макрофизике, в целом принижения роли объемных величин, то есть величин, отнесенных к единице объема. Так, при расчетах и анализе в термодинамике обычно используются энергетические, иногда называемые «калорическими», величины массовые или мольные, т. е. отнесенные к единице массы или молю вещества. Это энтальпия, теплоемкость, энергия Гиббса и др., включая относимую к энергетическим величинам энтропию. Таким образом, традиционно применяются разные относительные единицы, но очень редко объемные. Казалось бы, какая разница? Однако объемные величины естественные,обусловленные параметром состояния вещества — объемной энергией. Многоплановое исследование вопроса одним из авторов настоящей работы показало, что использование массовых (весовых) и молярных величин в целом некорректно отражает зависимости и даже может приводить к заблуждениям, например, при оценке избыточных объемов смешения в твердых растворах [7, с. 41-42]. Следовательно, единственно разумным является использование объемных величин, то есть сопоставление и анализ величин, отнесенных к единице объема [7, с. 48]. Интересное дополнение: в соответствии с периодическим законом Д.И. Менделеева свойства химических элементов, а также формы и свойства образуемых ими простых веществ и соединений находятся в периодической зависимости от величины зарядов ядер их атомов. Однако анализ термодинамических свойств веществ — теплоемкости, энтальпии, изобарного потенциала, энтропии показал, что «периодического изменения атомных термодинамических констант в соответствии с законом Д.И. Менделеева нет. Не подчиняется периодическому закону и изменение удельных термодинамических констант» [7, с. 8], при этом «взаимосвязи, взаимозависимости и взаимообусловленности строения и термических свойств твердых неорганических веществ имеются только с содержанием атомов (г-атомов) или молекул (молей) в единице объема» [7, с. 21]. Поскольку сомневаться в справедливости периодического закона Д.И. Менделеева нет оснований, также как предполагать исключительность термодинамических свойств, следует считать, что только объемные термические свойства имеют право именоваться свойствами [7, с. 21].

Говоря о термодинамике, имеет смысл заострить внимание на термодинамике газов. Не концентрируя внимание на частных законах идеальных газов Гей-Люссака, Шарля и Бойля-Мариотта, рассмотрим обобщенное уравнение Клапейрона-Менделеева:

PV = RT (1)

где P — давление, V — объем, R — универсальная газовая постоянная, T — температура.

Смысл уравнения (1) как бы зашифрован, даже завораживающе мистичен. Действительно, что может быть общего, даже тождественного у произведения давления газа на его объем с температурой, умноженной на некий коэффициент? Однако понимание того факта, что фактически параметром состояния идеального газа является не давление, а объемная энергия, позволяет выразить уравнение в несколько ином виде:

QV = RT (2)

где Q — объемная энергия.

Поскольку Q = E/V, где E — энергия газа, то смысл левой части уравнения предельно ясен — это энергия. Следовательно и правая часть уравнения есть энергия и, поскольку R — не более чем коэффициент, это означает, что температура также является энергией. Уравнение Клапейрона-Менделеева, таким образом, отражает факт: энергия равна энергии.

Таким образом, широкое использование в макрофизике плотности энергии и в целом объемных величин правомерно, целесообразно и методологически даже необходимо для теории и практики физической науки, поскольку их применение дает более адекватный подход к анализу физических явлений и процессов.

К вышесказанному требуется существенное уточнение, связанное с необходимостью определить единообразие физических величин. Имеется в виду различие между величинами и обратными им, ведь имеются даже общеупотребительные обратные, например, время и частота, сопротивление и проводимость. Если бы под теплотой мы подразумевали величину обратную принятой, то она изменялась бы также от нуля до бесконечности, и принципиально в смысле самой величины ничего бы не менялось. Отличия проявились бы только в связях этой величины с другими, прежде всего с энергией, и было бы некорректно приравнять энергии величину обратную теплоте. Сказанное становится важным, когда соотносятся величины, связь между которыми не очевидна, то есть в случае, когда мы не знаем, единообразные это величины или обратные.

Для описания физических процессов и явлений разработан ряд систем единиц, при этом выбор единиц условен. В механике за основные обычно принимаются длина, время и масса. Рассмотрим их возможное единообразие. Считаем, что каждая из них имеет размерность 1, произведение двух дает «площадь» и, соответственно, размерность два, а отношение является коэффициентом пересчета с размерностью 0. Естественно, так же можно определить соотношения и других, производных от них величин. Поскольку современные знания не дают основания считать постоянную c (скорость света в вакууме) или обратную ей 1/c величиной дискретной, квантом, можно полагать, что c – это коэффициент пересчета, следовательно, длину и время следует считать единообразными. Квант действия ħ имеет размерность ml²/t. Поскольку это квант, то есть «площадь» с суммарной размерностью 2, то и масса получается единообразной с длиной и временем. Планковская плотность с точки зрения анализа размерностей оказывается «неправильной», поскольку имеет отрицательную размерность, следовательно, целесообразно рассматривать обратную ей величину с размерностью 2, являющуюся квантом с значением 2х10^-95 м³/кг.

Таким образом, рассматриваемые представления в совокупности с дискретностью действия, отражаемой его квантованием, показывают, что определяющими в микромире являются не привычные нам длина, время, масса, а их парные сочетания – «площади». При этом величины с размерностью 2 являются квантами и, следовательно, микромир имеет принципиально иную, чем макромир, «квадратичную» структуру.

Результатом рассмотренной гипотезы является вывод об отсутствии отождествляемых с планковскими минимальных величин времени, длины, массы. Минимальными, к тому же квантованными, величинами в микромире должны быть только «площади». Интересно привести мнение П. Г. Бергмана о том, что будущая теория «в конечном счете может привести к изменению современной модели пространства-времени как четырехмерного многообразия» [3, с. 69]. Проведенный анализ можно считать теоретическим подтверждением этого прогноза. При этом самое важное в предлагаемой гипотезе — ее принципиальная проверяемость. Нынешние темпы развития микрофизики позволяют ожидать экспериментального достижения уровня планковских величин в течение ближайших десятилетий, и тогда не нужно будет удивляться, что существуют промежутки длины и времени меньше планковских, в то время как превысить планковскую плотность окажется невозможным.

Еще две авторские разработки: о времени и о критике рассмотрены несколько более подробно. Время в нашей жизни занимает особое положение, оно очень важно, но какое-то оно двойственное: его казалось бы много, но так часто не хватает. С другой стороны, оно очень неоднозначное: то быстро пролетает, то тянется. В своей жизни мы привыкли к времени физическому-астрономическому, которое определяется обращением Земли вокруг Солнца — год и вращением Земли — сутки. Кроме того, мы используем их доли: часы, минуты, секунды. Однако специалисты рассматривают также «психологическое время, определяемое по субъективному восприятию человеком временных отрезков и количеству прожитых событий» [8, с. 109]. Конечно, это время трудно измерить, но мы его ощущаем и оценивать можем. Психологическое время для нас характеризуется количеством и сложностью получаемой информации [9], поэтому понятно, что с физическим оно однозначно связано быть не может. Но какова эта связь?

Можно сравнить интервалы времени физического с нашими ощущениями психологического времени. Вот малая частица времени — мгновение, которую можно сопоставить с секундой или даже ее долями. А в психологической оценке? Фраза из знаменитой трагедии И. Гёте «Фауст» подсказывает нам, что мгновения должны останавливаться. Интересно. Но поднимемся в физическом времени на ранг выше — минуты. Нетрудно вспомнить, как они тянутся и тянутся, эти минуты ожидания кого-то или чего-то. Часы, конечно же, идут. Это относится и к часам-механизмам, которые тикают, и к часам — отрезкам физического времени. Идя по временной иерархии выше, мы часто говорим, что дни бегут, а годы летят. И, наконец, века канут (в Лету). На основе проведенного мини-анализа можно построить схему взаимоотношений «истинного» физического и субъективного психологического времен:

• Мгновения — останавливаются

• Минуты — тянутся

• Часы — идут

• Дни — бегут

• Годы — летят

• Века – канут

Как видим, между физическим и психологическим временем выявляется отрицательная корреляция: увеличение интервалов физического времени соотносится с быстротечностью времени психологического. Мгновения «останавливаются», следовательно, длятся бесконечно, минуты долго тянутся, зато годы быстро летят, а века вообще канут, то есть исчезают без следа.

Не следует, разумеется, рассматривать систему приведенных соотношений как жестко детерминированную, однозначно определенную, ведь время, особенно психологическое — инстанция особая, многоликая. В.А. Москвин и В.В. Попович говорят: «Психологическое время значимо отличается от объективного, хронологического. Людям свойственны индивидуальные особенности восприятия времени например, как плавно текущего или скачкообразно, как сжатого или растянутого, пустого или насыщенного» [10, с. 164], а К. Белавич замечает, что «психологическое время может сжиматься или растягиваться, в зависимости от того, какой тип эмоции преобладает в деятельности индивида» [11]. Следовательно, человек в разных ситуациях может по разному ощущать физическое и психологическое время, и приведенная схема характеризует далеко не весь спектр их соотношений. С другой стороны, показанная зависимость дает возможность по-новому взглянуть на время, оценить его как главный и невосполнимый ресурс нашей жизни, дает импульс каждому обучающемуся задуматься о времени, о ценности каждой минуты, каждого мгновения.

Одной из воспитательных основ педагогики, как, впрочем, и любой управленческой деятельности, является Принцип кнута и пряника, который может быть применен разными способами [12]. Кнут в современной педагогике — это критика. Критика неприятна любому человеку, при этом, судя по всему, следует ненавидеть критику и тех, кто критикует. Критика может выражаться по-разному: словами, мимикой, жестами. Хороший психолог использует все эти возможности. При этом отмечается отчетливая тенденция уменьшения роли кнута при повышении качественного уровня педагога и его работы. У хорошего педагога кнут используется мало, он может быть незаметен, однако он есть и обязан быть всегда. Ведь даже сопоставление учащихся, явное или неявное, для отстающих есть кнут. Безусловно, критика должна быть корректной и ни в коем случае не выражаться оскорбительным образом. Однако этого часто бывает недостаточно.

Использование кнута, таким образом, включает в себя противоречие: кнут должен быть, но его быть не должно. Он должен быть для реального управления и его не должно быть, поскольку критика так или иначе оскорбляет или обижает человека, и даже справедливая критика может привести к отторжению учителя, предмета обучения или даже обучения в целом. К сожалению такие факты отмечаются. Как разрешить это противоречие? Как и для любого противоречия имеются разные варианты его преодоления [3, с. 199-200]. Применительно к педагогике они могут трактоваться следующим образом. Первый вариант — волевой, когда учитель принимает одно из противоположных решений: вообще не критиковать или критиковать, в том числе, «на всю катушку». При этом даже если учителем в разных ситуациях принимается одно или другое решение, то есть критика иногда используется, а иногда не используется, принципиально ничего не меняется. Второй вариант — компромиссный, примиренческий: сгладить противоречие, покритиковать, но как-то так слегка, чтобы не обидно. Вариант этот тупиковый, поскольку ситуации бывают разные, и каждая из них может требовать разного уровня критики. К тому же критика — необходимый элемент воспитания личности. Так что же делать, ведь отношение к критике практически всегда одинаково: критика — это негатив. Для исключения психологической инерции давайте вновь вспомним основной принцип творческого решения — Сделать наоборот [1]. Поскольку критика — это плохо, то наоборот — хорошо. Значит нужно критику в представлении учащегося сделать привлекательной. Это требует применения третьего варианта разрешения противоречий — творческого. Если есть противоречивые требования, то надо считать их одновременно правомочными [3, с. 200]. Следовательно, критика должна быть, и критики быть не должно. В данном случае это можно понимать так: критика есть, но она не воспринимается как критика, то есть не воспринимается негативно.

В процессе педагогической деятельности автором разработан довольно простой, но эффективный прием «гашения» негативных эмоций от критики. Методика состоит в следующем. Даются пять градаций — отношений к критике:

1. Ненавижу.

2. Терплю.

3. Не обращаю внимания.

4. Учитываю.

5. Люблю.

При проведении анкетирования учащихся большинство ответов обычно сводится к пунктам 2 и 3: Терплю и Не обращаю внимания, иногда к пунктам 1 и 4: Ненавижу и Учитываю. Смысл объяснений, даваемых учащимися каждому из перечисленных вариантов, примерно следующий:

1. Ненавижу, потому что критикующий пытается меня унизить, внушить мне всякие комплексы, неуверенность в себе.

2. Терплю. А что делать? «Бог терпел и нам велел». Тем более что критикуют часто люди, от которых зависишь: родители, преподаватели.

3. Не обращаю внимания. Да что мне эти критики с их критикой? Как говорится, собака лает — ветер носит, а караван идет.

4. Учитываю. Люди критикуют, возможно их критика в чем-то справедлива. Надо подумать.

5. Люблю. Критику?! Может быть, в этом есть какое-то мазохистское удовольствие?

После детального объяснения, сопровождаемого соответствующими примерами, у учащихся появляется понимание роли критики, состоящее в том что понятая и принятая критика позволяет исправить недостатки человека или его действий, может дать основы, направления будущего развития. Критика показывает — что именно не так делается, что недоделано, на что важное человек не обратил свое внимание. Как же в этом случае ее не любить?! Так у учащихся возникает отчетливое понимание роли критики. После этого на занятиях и вне занятий любая критика, порой жесткая, причем иногда с акцентированием внимания, что это критика, воспринимается совсем иначе. Такой подход важен и для улучшения отношений учащихся между собой, ведь во взаимоотношениях они учатся видеть позитив, пользу. Таким образом непримиримость в суждениях, свойственная юному возрасту, при наличии понимания важности и пользы критики, в значительной мере сглаживается.

Говоря о критике, хочется подчеркнуть, что совсем не обязательно использовать часто считающийся наилучшим вариант так называемой конструктивной критики, под которой обычно понимается, что в ней указываются не только недостатки, но что и как сделать лучше. Надо понимать, что в определенном смысле конструктивная критика даже оскорбительна для человека, поскольку она как бы подразумевает, что сам он не способен осознать, что ему делать. То есть, если человек сам поймет — что ему надо делать, как измениться, то это внутреннее, глубинное понимание, а не навязываемое извне, что гораздо продуктивнее.

Сказанное выше и приведенные примеры показывают, что современный педагог не может и не должен действовать по шаблонам даже самых хороших методик и рекомендаций. Педагогика — это всегда творчество. По Гераклиту «нельзя дважды войти в одну и ту же реку», так и учитель не может дважды войти в один и тот же класс, ведь группа учеников как совокупность людей даже более изменчива, чем река. Поэтому педагог должен быть многогранен, уметь по-разному, всегда интересно, познавательно и воспитательно вести занятия. Как известно, у творческого учителя — творческие ученики, личности.

(принцип индийской цивилизации, сформулированный за 5 тысячелетий до нашей эры)

Макхан Лал

Задача науки — объяснение окружающего мира. Это объяснение происходит через моделирование, при этом чем более адекватна модель, тем точнее отображается окружающий мир. Каждая отдельная наука создает свою модель определенного “среза” мира. Биология моделирует биологические его аспекты, астрономия — космические, а физика — физические  и т. д. При этом фактически единой физики на сегодня нет, а есть ряд наук, связанных между собой только словом “физика” в их названии. Это подчеркивает и химия, как бы “вклинившаяся” в ряд физических наук где-то рядом с физикой твердого тела и физикой жидкостей. В качестве науки, моделирующей общие принципы бытия, выступает философия. Рангом ниже находится системный анализ, позволяющий более конкретно, более объектно моделировать практически любые процессы и явления. Следующий ранг — конкретные науки, число которых неудержимо растет по мере развития познания, причем в них тоже можно выделить ряд иерархических уровней. Необходимо подчеркнуть, что упомянутая ранговость свидетельствует только об определенной соподчиненности наук, но никак не отражает значимость каждой науки, которая к тому же зависит от места и времени ее разработки и использования.

Понимание, что цель каждой науки — моделирование в своей отрасли знания, дает более рациональное понимание задач и принципов работы. Модель никогда не может полностью соответствовать оригиналу, и потому каждая модель, даже представляющаяся очень точной, лишь образ действительности, который с развитием науки неизбежно рано или поздно будет заменен на более адекватный оригиналу. Отсюда вытекает смысл подмоделей — теорий и гипотез — в науке. Как показывает многовековой опыт, каждая состоявшаяся теория в дальнейшем может явиться началом относительно новой науки, примеров чему множество, или основой более общей науки, как это произошло при преобразовании алхимии в химию.  Нередко в столкновении гипотез возникает обобщающая теория. Понадобились тысячи лет, чтобы понять, что борьба “атомистов” и сторонников стихий отражала лишь разные подходы, разные аспекты и, соответственно, разные модели одной и той же сущности. Такова, например, современная теория дуализма, по сути эклектичная, но прекратившая борьбу между сторонниками корпускулярной и волновой теорий света. В других случаях может происходить как бы поглощение одной теории другой, например, в случае дальтонидов и бертоллидов в химии. Поэтому “войны” противоборствующих гипотез нужно всегда рассматривать не как непримиримые концепции, а в качестве моделей, так или иначе дополняющих и развивающих друг друга, и актуальная задача — уже на ранних этапах сопоставления определить их возможное соотношение в будущей модели.

Современные науки достигли значительных успехов на многих направлениях. Однако их разобщенность, раздробленность, односторонность  препятствуют появлению и проявлению в полной мере системного синергетического эффекта. При всех нюансах каждой науки единая методология (в определенном аспекте) работы с научными моделями — насущная задача. Она может быть решена на основе системного подхода как естественной вышеранговой методологии. Система — всегда модель: модель объекта, явления, процесса, свойств, целей, отношений. Это относится к любым системам: природным, техническим, интеллектуальным или, например, к системам как совокупности принципов [1, с. 545]. При всем многообразии и разнообразии определений системы [2] и даже в представлении, что “систему можно трактовать только как отображение, т.е. как нечто, существующее лишь в сознании исследователя, конструктора” [3, с. 26], не принято указывать в явной форме, что система — это модель, а системный анализ — вид моделирования и анализа моделей. Можно, конечно, назвать системой всё что угодно, но анализируем мы всегда не сам природный или иной объект, а совокупность наших представлений о нем, обусловленную нашими органами чувств, работой нашего мозга, нашими знаниями и представлениями, то есть анализируем модель. Это необходимо четко понимать и осознавать. Даже для казалось бы полностью созданных людьми объектов описывающие их системы не полностью отражают сами объекты, то есть являются моделями. Это хорошо знают программисты, создающие достаточно сложные программы, начинающие “играть по собственным правилам”. Например, музыкальные произведения, однозначно записанные с помощью соответствующих знаков, или литературные, зафиксированные с помощью того или иного языка, не отражают всей совокупности вызываемых ими чувств и эмоций. Даже в математике, такой конкретной и формализованной, вдруг выявляются совершенно новые “не предусмотренные” закономерности, например, формулируемые законом Бенфорда [4], отражающим неожиданное поведение цифр, а фактически чисел [5] в числовых массивах, т.е. мы представляем и понимаем лишь совокупность математических моделей, а не всю “созданную нами” математику. Не случайно в математике наметилась тенденция осознанно переходить от алгоритмов к моделям [6]. Хотя фактически это лишь переход от “жестких” к “нежестким” моделям, само такое формулирование задачи отражает назревшую тенденцию, означает признание необходимости и целесообразности единого системного подхода.

Как естественное продолжение рассматриваемой темы следует рассмотреть вопрос научных языков. Для осуществления моделирования каждая наука создает свой неповторимый язык, который по имеющимся у специалистов представлениям наилучшим образом отображает создаваемые модели. Любой язык — это “система знаков, служащая средством человеческого общения, мышления и выражения” [7, с. 604]. В физике таких языков много, и, например, язык ядерной физики никак не сопоставим с языком термодинамики или физики плазмы. Свои языки имеют медицина, астрономия, экономика, теория решения изобретательских задач – ТРИЗ и даже языкознание, имеющее свой язык, отличный от всех изучаемых им языков. Что касается математики, то, по словам Н.И. Лобачевского, “математика — это язык, на котором говорят все точные науки”. Это дает понимание такого широкого применения и целесообразности всестороннего использования математики. Точнее, разумеется, говорить о совокупности языков математики, поскольку язык алгебры принципиально отличается от языка геометрии, а язык топологии от языка математической логики.

Создание каждой наукой своего языка преследует две цели: во-первых, облегчить, упростить общение и понимание между специалистами этой науки и, во вторых, обеспечить четкое определение-отграничение “свой-чужой”. Выполнение указанных задач важно, но создает свои трудности. В наш век динамичного развития наук имеются две взаимосвязанные сопряженные проблемы. Первая: принципиальное различие научных языков приводит к непониманию специалистов разных наук и, соответственно, к невозможности использования знаний и опыта, наработанных даже в близких областях науки. Как могут понять друг друга врач и геофизик, если один говорит “патология”, а второй “аномалия”, хотя имеют в виду одно и то же — определенное отклонение от нормы. Следовательно, языки науки фактически не являются полноценным средством общения, то есть не выполняют в полной мере одну из своих важнейших функций. Вторая проблема, вытекающая из первой, — обусловленное неинформированностью дублирование, порой многократное, научных разработок в различных областях науки, техники, жизни.

Таким образом, науки исследуют, анализируют и с помощью своих языков описывают окружающий мир, создавая свои независимые модели. Для существенного повышения качества работы науки в целом на нынешнем этапе отчетливо проявляется задача специфической унификации построения моделей, сопровождающейся унификацией получения, представления и передачи научных знаний.

Поскольку основным способом передачи информации являются публикации, интересно рассмотреть тенденции, тренд их развития. Это можно сделать, используя Системный оператор, предложенный в ТРИЗ Г.С. Альтшуллером для технических систем [8], но вполне применимый и для иных систем [9]. Методика заключается в том, что система представляется в виде “9-экранной схемы”, на которой на основе Главной полезной функции системы — ГПФ на трех “экранах” среднего столбца отражаются рассматриваемая система (средний “экран”), её надсистема (верхний “экран”) и подсистемы (нижний “экран”). После этого определяется предыдущая система с той же ГПФ с ее надсистемой и подсистемами, которые помещаются в левый столбец. При анализе “следует обратить внимание, что в терминологии имеется некоторая двусмысленность. С одной стороны, говорится о системе и предшествующих системах, т. е. о разных системах, с другой — о развитии одной системы. Противоречия здесь нет, всё определяется подходом. Если мы рассматриваем нынешнюю и предшествующие системы каждую саму по себе, то это разные системы. Если же мы говорим о системе с точки зрения ГПФ, то это одна развивающаяся система, имеющая разные проявления” [9, с. 13]. Таким образом, вначале рассматриваемая система отражается на 6 “экранах”, характеризующих прошлое и настоящее. Естественно, что в “экранах” показываются наиболее типичные системы. Следующий этап анализа — выделение свойств анализируемой системы, её надсистем и подсистем, которые изменились в процессе развития. Анализ тенденций изменения свойств позволяет экстраполировать полученные данные на будущее, то есть представить остальные 3 “экрана” — систему в будущем.

Главную полезную функция системы Научная публикация можно сформулировать как “Служить для передачи информации”. Изменение свойств отражается знаками: “+” — увеличение, “-” — уменьшение.

Таблица 1. Схема развития системы научных публикаций

Анализ изменения важных свойств системы Научная публикация показывает следующее:

1. Количество научных публикаций  +
2. Количество научных публикаций в одном издании  +
3. Количество изданий  +
4. Объем отдельной научной публикации  -
5. Сложность текста  +
6. Сложность восприятия текста  +
7. Обязательная сопроводительная информация  +
8. Разнообразие способов публикации (печатная, электронная, …)  +

Анализ тенденций развития системы Научная публикация позволяет  провести экстраполяцию в будущее, определив грядущие характеристики системы. Количество научных публикаций должно резко увеличиться с одновременным увеличением количества изданий и количества работ в одном издании, при этом каждая публикация будет небольшой по объему, с очень сложным языком, плохо воспринимаемым текстом, содержащая в основном сопроводительную информацию. Исходя из современных представлений, научная публикация будущего будет напоминать реферативную статью, опубликованную в одном из множества “реферативных” журналов, при этом обычные журналы должны исчезнуть. Возможно расширенный текст будет помещаться в отдельных приложениях, прообразом которых может служить, например, существующая система arXiv.

Полученный прогноз вызывает ряд вопросов и желание разобраться в причинах описанных тенденций. В прогнозируемом варианте понимать результаты чужих работ смогут только исключительно узкие специалисты того же профиля. Это обусловлено постоянным увеличением числа новых наук и направлений исследований и, соответственно, возрастающей специализацией ученых. С другой стороны, уменьшение объема научной статьи. Можно полагать, что публикация коротких статей может быть полезна, поскольку менее затратна по времени для ее авторов и читателей, то есть меньше отвлекает ученых от главной работы — творчества. Еще один аспект прогноза — резкий рост количества научных работ. Это связано уже с сегодняшней и продолжающейся развиваться ситуацией, поскольку всё большее количество публикаций имеют не научные, а другие, чисто формальные цели. Первая: служить необходимым условием для защиты диссертации. Вторая:  научные работы, в том числе их количество, оцениваемые индексами Хирша и другими, являются основой определения продуктивности ученого, что, в свою очередь, влияет или даже определяет научную карьеру. Таким образом, меняется цель научных работ с акцентом не столько на научный уровень и новизну, сколько на необходимое или желательное их количество. Это приводит к многократному дублированию текстов с незначительными нюансами. Здесь два грустных момента. Первый — засилье в публикациях научных графоманов, тиражирующих свои наукообразные, но не несущие новизны тексты. Второй касается талантливых ученых. Например, ученый уровня доктора наук должен иметь индекс Хирша на уровне 15-20, а уровень академика требует 40-50 [10]. (Бедный Сади Карно — основоположник всей термодинамики. С его единственной гениальной работой он имел бы индекс Хирша равный единице и не мог бы претендовать сейчас на приличное место ни в одном научном учреждении). К тому же индекс является отражением даже не количества публикаций, а количества ссылок на каждую из них, то есть требует большего количества публикаций. Это означает, что на протяжении своей творческой деятельности доктор наук должен генерировать новаторские идеи и публиковать их с интенсивностью не ниже одной идеи в два месяца, а академик — одной талантливой или гениальной идеи каждый месяц. Однако, как известно, ученых, способных подобно К.Ф. Гауссу творить такое множество новых идей, в современной мировой науке нет. Следовательно, необходимость получения высоких индексов “значимости” заставляет и талантливых ученых многократно тиражировать свои единичные идеи, то есть кратно увеличивать количество публикаций фактически одних и тех же данных. Поскольку при кратных дублированиях производство новых научных идей перестает быть первозадачей, то и необходимость для собственного развития знания и понимания чужих работ (которые можно цитировать и без понимания) отходит на второй план. Таким образом, уже существующее положение дел подтверждает выявленные тенденции публикований, обусловленные не наукой, но требованиями к ученым.

Если описанная нынешняя ситуация верна, то проведенный прогнозный анализ можно считать некорректным. Причем это относится не к результатам-выводам, а к ГПФ системы Публикация, которая фактически в настоящее время должна иметь формулировку “Служить для удостоверения деятельности ученого”. И здесь встает законный вопрос: насколько такая система с такой ГПФ адекватна задачам науки, насколько полезна для развития науки и общества в целом? Ответ представляется очевидным. Главных проблем, которые следует решить, видится две. Первая — организуемая нацеленность ученых не на получение новых научных результатов, а на доказательство собственной “продуктивности”, обеспечиваемое неразумным количеством публикаций. Вторая — нечитаемость и непонимаемость абсолютным большинством ученых разработок, идей и достижений других ученых в связи с языковой несовместимостью. Следовательно, для организации нормальной продуктивной работы науки необходимо сделать наоборот [11] для каждой из описанных проблем. Поскольку развитие науки является результатом работы конкретных ученых, то и решение первой проблемы лежит в этой плоскости. Нужно, чтобы критерии оценки ученых были изменены таким образом, чтобы значимость ученого не зависела от количества его научных публикаций, а определялась новизной и важностью научных разработок. Возможно, для этого окажется достаточным вернуться к использованию общего индекса цитирований конкретного автора.

На путях решения второй проблемы — передачи научной информации — остановимся подробнее. В библейской притче о Вавилонском столпотворении говорится о том, что люди возгордились и решили построить башню до неба. В этом строительстве они достаточно преуспели, и чтобы наказать за гордыню, Бог дал им разные языки. Люди перестали понимать друг друга, и стройка, естественно, остановилась. Создается отчетливое впечатление, что речь в этой притче идет именно о языках науки. Башню до неба мы уже не строим, значит с гордыней всё как-то нормализовалось. Пора что-то делать с языками. Учитывая, что две задачи научных языков, о которых говорилось выше, существенно важны, бороться с ними бессмысленно и вредно, они должны остаться. Готовить переводчиков — дело затратное и неблагодарное, поскольку количество языков будет только возрастать, и электронные переводчики ввиду количества наук и информации тоже окажутся невостребованными. Следовательно, требуется смена парадигмы публикаций. Лучший и, возможно, единственный способ — “переводить” все научные и специальные работы на единый всем понятный язык. Это означает издание научных работ в обезличенном, бестерминном и достаточно кратком варианте. Нет никаких сомнений, что такая идея будет отвергнута полностью и безоговорочно абсолютным большинством членов современного научного сообщества, поскольку это покушение на святая святых науки, ведь такие переводы “опошляют и принижают” научную деятельность и значимость науки, исключают так любимое многими наукообразие, а также позволяют выявлять истинное содержание и смысл научных работ, как и их новизну. Однако другого пути нет. Сегодняшня ситуация, когда работающие в одном отделе одного института, сидящие в соседних кабинетах и занимающиеся в принципе одинаковыми задачами ученые не понимают друг друга, нетерпимо. Критерием достаточности предлагаемого преобразования-упрощения работ может являться их понятность ученикам младших-средних классов общеобразовательных школ.

Достоинства предлагаемого подхода:

1. Унификация науки.
2. Возможность неограниченного получения информации в доступном виде по всем научным направлениям.
3. Исключение дублирования исследовательских работ даже в разных отраслях науки.
4. Исключение наукообразия как формы затушевывания отсутствия научных результатов.
5. Возможность реальной оценки научной деятельности ученого, группы ученых, научной организации и отрасли науки.
6. Упрощение процедуры и повышение достоверности оценки соискателей научных степеней и званий.
7. Понимание самим ученым или специалистом смысла выполненной работы.
8. Упрощение обучения людей всех возрастов и уровней образования.

Предлагаемые публикации не исключают необходимость и целесообразность публикаций полных результатов исследований с табличными данными, расчетами и иными необходимыми материалами, которые могут оформляться как приложения к рассматриваемым работам. Поскольку составление научных работ в предлагаемом виде является специфическим видом работ, то, по крайней мере на начальном этапе, этим могут заниматься обученные специалисты. Поскольку научные сотрудники, студенты и иные граждане всё реже пользуются услугами библиотек, то возможно для этой цели разумно сосредоточение специалистов по “переводу” в библиотеках с преобразованием библиотек в соответствующие научные учреждения.

Работа предстоит огромная, но возможна ее, по крайней мере частичная, автоматизация. При этом полученный эффект многократно превысит возможные затраты.

Стандартным является совместное рассмотрение колебаний и волн. Колебания — это “движения или состояния, обладающие той или иной степенью повторяемости во времени… С помощью распространяющихся механических колебаний плотности и давления воздуха, воспринимаемых нами как звук, а также очень быстрых колебаний электрического и магнитного полей, воспринимаемых нами как свет, мы получаем большую часть прямой информации об окружающем мире” [3, с. 399]. Странное сочетание слов “состояние” и “степень повторяемости во времени”, ведь последнее отражает динамику, в то время как “понятием «состояние» обычно характеризуют мгновенную фотографию, «срез» системы, остановку в ее развитии” [4, с. 39]. В свою очередь, “распространяющиеся колебания” — это уже не колебания, а волны. Более того, в физическом мире в связи с трением и иными сопротивлениями движению все свободные “колебания” являются затухающими, что опять же характеризует такие движения как волны. Таким образом, видно, что в понятийном аспекте для волновых явлений отмечаются определенные неточности и несоответствия.

Волна в отличие от колебаний характеризуется двумя типами взаимосвязанных движений: колебательным и “поступательным”, “линейным”. Это относится как к волнам, выделяемым по типам движения: продольные, поперечные или смешанные, так и к волнам, распространяющимся в разных средах: дискретных или непрерывных. Впрочем, в этих средах, возможно, нет принципиальной разницы, поскольку непрерывность субстанции может отражать лишь современный уровень нашего незнания. Формы фронта волны: плоская, сферическая, эллиптическая, спиральная и другие также не несут новой нагрузки в рассматриваемом нами аспекте.

Наиболее существенной, определяющей характеристикой волны является то, что колебательные и поступательное движения осуществляют различные компоненты. Например, в хрестоматийном примере механического волнового движения колеблются частицы вещества, а распространяется импульс (энергия). Упругие волны, например звуковые, характеризуются колебаниями плотности, скорости, давления и обычно осуществляют перенос энергии. В музыкальных произведениях звуки осуществляют ритмичные колебания, а в стихах ритмика колебаний отражается буквами и слогами, что в совокупности и в первом, и во втором случаях определяет “линейное” развитие темы. В экономическом законе К. Маркса “товар — деньги — товар” периодическая смена перечисленных параметров — это колебания, а изменение (рост, уменьшение) капитала — “линия”. Закон “товар — деньги — товар” — это, конечно, лишь схема волны, поскольку как товар, так и деньги в каждом периоде образуются и характеризуются конкретными единицами товара и соответствующими суммами денег. В популяционных волнах колебания количества особей в популяции обусловливают ее общее развитие. Все земные организмы живут в системе волн. Таковы волновые системы дыхания, кровообращения, температурного режима, волны эмоций и другие, при этом каждая из них и все в совокупности обеспечивают последовательное развитие организма. То же относится к экономическим волнам (циклам) Кондратьева, отражающим совокупность колебательных движений во времени различных экономических показателей и последовательным развитием промышленности [5]. В волне, характеризуемой Периодическим законом Д.И. Менделеева, колеблется количество электронов на внешних оболочках атомов, а поступательное движение характеризуется последовательным увеличением в атомах количества протонов и электронов. При этом свойства веществ отражают в себе участие как колебательной, так и линейной составляющих. Последние примеры показывают не множественную совокупность волн, а единичную волну. Такую же волну характеризует в физике солитон — “уединенная” волна [6], обусловленная колебаниями частиц и несущая структуру. Природа очень часто показывает не отдельные линейные или колебательные системы, а волновые, сочетающие линейную и колебательную составляющие. Например, дерево можно назвать “фрактальной мультиволной”, в которой на линейном дереве развивается “колебательная” совокупность дискретных веток, что дает волновую картину, многократно повторяющуюся на каждой ветке. «Застывшие» волны можно наблюдать на гранях кристаллов. Разнообразие наблюдаемых в природе волн позволяет предполагать определенную выгодность таких движений. Волны, которые можно назвать статичными, наблюдаемые, например, у деревьев, листьев, перьев птиц, характеризуются повышенной прочностью, то есть для структур также имеют преимущество. Приведенные примеры показывают, что в каждом случае основной — причинной или целеобразующей — является линейная составляющая, а колебательная служит для обеспечения эффективного протекания процесса.

Важен вопрос линейной составляющей, которая может переносить импульс (энергию), материю или информацию. Перенос импульса (энергии) в изученных волнах наиболее распространен. Перенос материи отмечается реже, например, в потоках. Так, волна движения автомашин по дороге характеризуется линейным движением самих автомашин, сопровождаемым колебаниями плотности автомашин — количеством машин на единице длины трассы. Акустические течения — это перенос вещества среды, возникающий при распространении интенсивных звуковых волн. Своеобразны волны плотности, наблюдаемые в астрофизике в спиральных галактиках, когда у спирали, образованной вращением галактики, скорость волны, формирующей спираль, совершенно иная, чем скорость вращения галактики [7]. Понятно, что линейная составляющая волны совсем не обязательно прямолинейная, а в ряде случаев понятие ее “линейности” вообще относительна, например, в случае волн во времени. Линейная составляющая характеризует каждую волну. При этом распространение в пространстве обычно вопросов не создает. Развитие волны во времени не столь наглядно, что нередко приводит к желанию считать такую волну простой совокупностью одинаковых колебаний, что, естественно, некорректно.

Кроме перечисленных можно рассмотреть еще некоторые типы волн. Своеобразными являются ударные волны, образующиеся, когда скорость распространения волны превышает скорость звука в данной среде. При этом фронтальная часть волны имеет поверхность (тонкую переходную область) разрыва непрерывности физических величин: давления, плотности, скорости движения. При этом происходит также переход разных видов энергии в тепловую [8, с. 146-232]. Ударные волны могут формироваться при взрывах, детонации, мощных электрических разрядах, сходе лавин. Отдельно следует рассмотреть автоволны, колебательный режим в которых обеспечивается не внешними, а внутренними источниками энергии, энергией среды. Это, например, перенос энергии в волне горения, импульса возбуждения в нервном волокне, информации в линии связи [9]. Еще один тип волн — это волны, образуемые системами с не связанными (слабо связанными) частицами. В этом случае воздействие внешнего “линейного” источника энергии при определенных условиях может приводить к появлению как бы “волновых”, в том числе, интерференционных, картин, наблюдаемых, например, на песке — на поверхности земли или в водоеме. Принципиальное отличие этих “волн” в том, что частицы не участвуют в колебательных движениях, лишь фиксируя свою “волновую” позицию [10, с. 111-116]. В колебательно-волновой совокупности можно выделить еще один тип движений, который можно назвать “движением по волнам”. Этот тип характеризуется тем, что одни и те же составляющие участвуют и в колебательном, и в поступательном движении. Простейшие примеры: плывущая по волнам лодка или щепка, идущий по холмам человек, или, например, скатывающийся по волнистой поверхности поток воды. В этих движениях характерно участие двух независимо воздействующих сил (в общем случае “сил”): колебательные обусловливают одни, а поступательные — другие. Для линейного движения лодки это воздействие мотора или весел, а колебательные движения вызваны совсем иными причинами. Для человека линейное движение обусловлено целью, а колебательное — рельефом местности. Для потока воды — это гравитационное поле и форма поверхности, по которой он движется, для щепки — ветер. Причем в последнем случае, даже если волны тоже вызваны ветром, то все равно ветер действует на щепку как бы независимо от них. Таким образом, два последних из перечисленных типов “волн” нельзя считать полноценными волнами, поскольку в системах с не связанными частицами эти частицы в волновых движениях не участвуют, а для “движения по волнам” не соблюдается условие осуществления линейных и колебательных движений разными компонентами. Предлагается указанные типы движений считать и называть псевдоволнами.

Волновое движение — существенно системное, и имеющиеся сложности в понимании волновых процессов в значительной мере могут быть обусловлены неучетом соответствующих специфических особенностей волн. Ведь “для волнового движения необходимо существование такого физического объекта, который состоял бы из многих одинаковых и вместе с тем тесно связанных друг с другом частиц” [10, с. 17]. То есть принципиальная особенность волны — наличие иерархических уровней, при этом можно рассматривать волну как трехуровневую систему. Первый уровень — это волна в целом, которая имеет две подсистемы второго уровня: колебательную и линейную. Третий уровень — это под-подсистемы, представленные отдельными колеблющимися частицами. Элементы линейной составляющей также иногда могут быть наглядно видны.

Волна характеризует движение, развитие системы. В общем случае, учитывая принципиальное различие и многогранность объектов волнового движения, можно понятия “линейное” и “колебательное”, взять в кавычки, а сам термин движение следует понимать не только как физическое, но обобщенно, в общеметодическом, почти философском смысле. Таким образом, во всяком волновом движении есть колебательная и линейная независимые составляющие, которые характеризуют принципиально разные объекты, выполняющие разные движения, описываемые разными законами.Говоря о свойствах волн надо понимать, что они имеют коллективный характер. Если отражение еще может относиться к единичному объекту, то, например, интерференция для единичного объекта в принципе невозможна. В волновом движении может участвовать и одно тело, но это вовсе не значит, что оно является волной. Волновые свойства — свойства групповые, они могут быть только у ансамбля, поэтому часто описываются статистически. В сложных музыкальных произведениях, особенно при использовании ряда инструментов, может одновременно развиваться несколько тем, характеризуемых разными волнами, в совокупности развивающими общую тему. В этом случае сочетание волн может приводить к их интерференции, усиливающей эмоциональный эффект. Сказанное относится и к определенным литературным произведениям. Если волна как явление в природе доминирует, то каждому колебательному движению может соотноситься линейное. Следовательно, каждое линейное движение может оказаться компонентом волнового, и такой подход может являться мощным исследовательским инструментом.

Интересно рассмотреть “вырождение” колебательной составляющей. Это возможно в двух предельных вариантах. Первый — когда длина волны стремится к бесконечности, а частота к нулю, второй обратный — когда длина волны стремится к нулю, а частота к бесконечности. Таким образом, можно рассматривать волну, в которой как линейная, так и колебательная подсистемы являются линейными (квазилинейными). В первом варианте колебания не фиксируются, но, зависимая от фазы, амплитуда колебания может быть разной. Во втором варианте имеется “полоса” значений, определяемая размахом волны. Следовательно, анализ систем с квазилинейным колебательным движением с большой или исчезающе малой длиной волны может приводить к непониманию сущности процессов и экспериментальным неточностям.

Понятие Волна имеет два смысла: во-первых, это форма движения, во-вторых, тип объектов, характеризуемых этим движением. При этом волновое движение подразумевается не только в физическом, но в широком, общенаучном смысле. Например, люди — тоже природное явление, поэтому естественно, что стихи и музыка как структурно-эмоциональные волны оказывают на нас мощное воздействие. Ту же цель усиления эффекта преследует деление прозаических произведений на главы и абзацы, то есть придание структуре некой “волнистости”. Ведь это не просто структурирование. Каждый блок текста или музыки — это период волны со своим началом, максимальной амплитудой и завершением.

Общенаучное значение волн обусловлено тем, что в них отражается действие основополагающих законов философии. В соответствии с Законом единства и борьбы противоположностей волна — это всегда борьба двух противоречивых тенденций: одна к увеличению амплитуды колебаний, вторая — к уменьшению с чередой последовательных “побед” той или иной тенденции. При этом каждый цикл колебания приводит к новому состоянию системы и одновременно к возникновению нового противоречия, что последовательно обеспечивает неуклонное движение и развитие системы в целом. Очень отчетливо проявляется и Закон перехода количественных изменений в качественные. В волновом движении количественные (дискретные) изменения при колебаниях в своей совокупности приводят к изменениям качественным, характеризующим тенденцию направленного развития. В полном соответствии с Законом отрицания отрицания каждый новый цикл волны как бы перечеркивает, отрицает предыдущий, при этом сохраняя преемственность движения, как в частном — колебания, так и в общем — развитие. Описанная связь и обусловленность волновых движений принципами основных философских законов позволяет понять наблюдающуюся общность и применимость волновых явлений для описания и понимания самых разных явлений и процессов в различных областях в многообразии человеческих интересов.

Волновое движение включает линейное в качестве своего компонента и, следовательно, является более общим видом движения. При этом широкая распространенность, причем в совершенно разных областях, показывает, что волны — эффективный путь развития. Поскольку в природе всё очень закономерно, это может указывать, что волна — оптимальный вид движения. Возможно в нашем мире простота и целесообразность имеют несколько иной чем нам думается смысл, и человеческие представления, что линейные движения более выгодны по сравнению с волновыми не более чем эффект антропомышления. Например, как показано Ю.Л. Климантовичем, “хаотичное” турбулентное движение жидкости является более упорядоченным, чем ламинарное [11]. Сказанное позволяет в целом по-иному взглянуть на понимание энергетики процессов. Возможно волновое движение требует относительно меньших затрат энергии чем, например, просто линейное, то есть оно энергетически более выгодно. В таком случае естественно считать, что природные движения принципиально не линейные. Если это так, то “линейные” законы физики и других наук, быть может, не совсем адекватно отражают природные взаимосвязи?

Наш мир един, в нем все взаимосвязано и взаимообусловлено, от кварков и лептонов до Метагалактики. Трудно, однако, мысленно охватить всё мироздание, поэтому человеческая наука разбита на множество конкретных наук, в числе которых физика и химия, история и география, математика и искусствоведение. Каждая выделившаяся наука обладает своим научным языком, то есть системой знаков, параметров и правилами оперирования с ними [1, с. 120], при этом каждый язык создается для адекватного отображения изучаемых объектов природного или искусственного происхождения. С учетом иерархичности мира языки науки могут быть многоуровневыми, соответственно, один и тот же параметр может менять свою размерность. Например, в размерной шкале для измерения атомов удобен ангстрем, а для изучения объектов на космических расстояниях парсек, энергию в микромире удобно измерять в электрон-вольтах, а на макроуровне в джоулях. При этом на разных иерархических уровнях могут меняться не только единицы, но и параметры, характеризующие свойства и состояния вещества.

Состав вещества

Триада состав — строение (структура) — свойства находится в основе всех наук. В системном аспекте это означает, что на разных иерархических уровнях имеются свои характеристики этих составляющих. Выделение этих уровней нередко неоднозначно, но они всегда существуют. В науках естественных и технических состав и свойства вещества на разных уровнях играют принципиальную роль. Однако именно здесь, где точность понимания имеет особое значение, эти грани бывают стерты. При восприятии и анализе объектов макроуровня микроуровень может оказывать существенное влияние, тем не менее любой объект определяется доминирующим образом его собственными характеристиками. Физикой и другими науками изучается огромный диапазон объектов и их взаимодействий, которые можно отнести к разным иерархическим вещественно-энергетическим уровням, в качестве которых можно выделить уровень элементарных частиц, атомно-молекулярный микроуровень, макроуровень и “астрономический” Мегауровень.

Обратим особое внимание на наиболее изученные микро- и макроуровень вещества. Микроуровень характеризуется атомами и молекулами, взаимодействие между которыми осуществляется с помощью электронов (объект химии) или обменом энергией (объект атомной и молекулярной физики). Макроуровень, хоть это и звучит тавтологически, включает объекты макроскопических размеров. Состав вещества на микроуровне, называемый химическим составом, характеризует относительное количество атомов в молекулах или соединениях элементов. Минеральный состав отражает как химический состав вещества, так и определенную его структурную организацию, но опять же в большей степени на микроуровне. Поскольку химический состав прекрасно характеризует вещества и динамику процессов их взаимодействий и взаимопревращений на микроуровне, это обусловливает желание распространить указанное понятие на описание объектов и процессов на макроуровне, что, естественно, неправомерно, поскольку состав и свойства всегда должны находяться в неразрывной связи. Представим, какой странной и не совсем адекватной стала бы химия, если бы вещества и их взаимодействия оценивались, например, по соотношению и взаимодействию кварков. Очень часто при упоминании состава подразумевается именно химический состав. Некорректность его использования по отношению к макрообъектам хорошо иллюстрируется сопоставлением полиморфных веществ, имеющих одинаковый химический состав, но существенно различающиеся свойства [2, с. 16]. Для примера достаточно рассмотреть аллотропные модификации веществ с химическим составом — углерод. Это алмаз, графит, графен, фуллерит, у которых механические, электрические, оптические, термодинамические свойства различаются кардинально.

Кроме химического на макроуровне используются разные способы отражения состава вещества с соответствующими единицами: это мольные, массовые, объемные величины, т. е. отнесенные, соответственно, к единице вещества, единице массы или единице объема. Отражение состава в мольных величинах отличается от химического состава чисто формально введением условного постоянного коэффициента, равного числу Авогадро, и в полной мере характеризует химический, то есть микросостав вещества. Присвоение этому числу статуса основной единицы в системе СИ, как и назначенное на 2018 год количественное определение, отвязанное от массы, никак не меняет понятийный смысл и не добавляет значимости этой псевдомакровеличине. Понятно, что мольные величины используются прежде всего в химии. Массовые величины, т. е. отнесенные к единице массы, очень удобны при проведении и анализе многих технологических процессов, в которых важно соотношение компонентов. Это обусловлено прагматическими причинами, поскольку в настоящее время определения массы, точнее веса веществ, хорошо отработано и имеет высокую точность. Эти величины обычно используются для анализа жидких и твердых растворов, но не анализа газов. Массовые величины, как и мольные, в определенной степени отражают состав вещества, если оно находится в однородном сплошном состоянии: жидкость, сплошное тело. Эти виды состава никак не отражают структуру вещества на макроуровне, поэтому в реальных условиях, например, для сыпучих или имеющих пористость веществ их использование может приводить к неоднозначным результатам. Это относится к изучению природных и многих производственно-технических процессов.

Наиболее адекватному отображению свойств вещества и происходящих процессов на макроуровне в большинстве систем удовлетворяет использование единиц, отнесенных к единице объема, таких как плотность, объемная плотность энергии. Во-первых, они без сомнений отображают макроуровень вещества, во-вторых, позволяют совокупно анализировать вещества, находящиеся в разных агрегатных состояниях, и соответствующие процессы. Кроме того, как показано на примере термодинамических величин, только величины, отнесенные к единице объема, в отличие от молярных и массовых изменяются периодически, то есть удовлетворяют требованию периодического закона Менделеева [2, с. 21]. Поскольку в современной науке закон Д. И. Менделеева сомнению не подвергается, это служит свидетельством правомерности использования объемных величин. Соответственно, для отражения состава на макроуровне целесообразно использование единицы моль/м³, которую в отличие от химического состава можно назвать макросостав.

Феноменологическая термодинамика — один из наиболее разработанных и логично построенных разделов современной физики, характеризующийся стройностью теории, красотой уравнений, глубиной выводов, являющихся результатом работы огромного труда выдающихся ученых. Обращаться к основам термодинамики в XXI веке представляется странным и не совсем актуальным, однако совокупность специфических понятий и терминов, а также некая таинственность, даже мистичность положений и законов термодинамики позволяют предположить, что в понятийном плане термодинамики нуждается в уточнении. “Термодинамику легко упоминать, трудно понять, невозможно применить” [3, с. 120]. Это высказывание Д. М. Шоу в вызывающей форме как бы призывает обратить внимание на базовые основы термодинамики.

Термодинамические процессы в настоящее время изучают две основные науки: термодинамика и статистическая физика. Несмотря на общий объект исследования они используют принципиально разные подходы и методы, что само по себе неплохо. Однако при этом и исследования, и результаты этих исследований как бы существуют достаточно независимо и не очень состыкуются друг с другом. С одной стороны, это представляется странным, с другой — едва ли способствует пониманию процессов. Стоит подчеркнуть, что задача науки давать всё более полное описание и понимание природных явлений и процессов, при этом вторая задача — упрощать это описание и понимание. Две перечисленные задачи характеризуют определенную последовательность, скорее даже чередование соответствующих этапов в развитии каждой науки. Судя по всему, в термодинамике существует необходимость внимания ко второй задаче.

Температура как энергия

Одна из важнейших термодинамических величин — температура. С одной стороны, очевидно, что температура — энергетическая величина. С другой стороны, температура имеет особенности, отличающие ее от энергии вообще, что дает возможность рассматривать ее как самостоятельную независимую величину. Налицо, следовательно, противоречие: температура — это энергия, температура — это не энергия. Логичное разрешение этого противоречия заключается в том, что температура — это энергия, но энергия специфическая.

В работе А. К. Кикоина и И. К. Кикоина сказано, что “…величина, давно известная под названием температуры, в действительности представляет собой среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекул… При таком определении температуры она, очевидно, должна измеряться в единицах энергии (в системе СИ — в джоулях, в системе единиц СГС — в эргах). Однако практически пользоваться такой единицей температуры неудобно. Даже такая малая единица температуры, как эрг, слишком велика, чтобы служить единицей измерения температуры. При пользовании ею обычно встречающиеся температуры выражались бы ничтожно малыми числами… По этой причине, а также потому, что величиной температуры пользовались еще задолго до того, как были развиты молекулярно-кинетические представления, разъяснившие истинный смысл температуры, ее все-таки измеряют в старых единицах — градусах, несмотря на условность этой единицы” [4, с. 29-30]. Таким образом, температура отражает среднюю кинетическую энергию линейного движения микрочастицы в ансамбле микрочастиц. При этом следует подчеркнуть определенную двойственность температуры. С одной стороны, это энергия единичной микрочастицы, которой может быть атом, молекула, электрон, то есть она характеризует микроуровень вещества. С другой стороны, эта энергия является усредненной в системе взаимодействующих частиц, и в этом смысле несет черты макрохарактеристики, что, правда, не меняет ее суть. При этом температура безусловно является энергией и должна измеряться в единицах энергии.

Необходимо подчеркнуть, что температура характеризует не любую, а вполне определенную энергию, а именно энергию независимого, свободного движения микрочастиц. При таком понимании снимаются ограничения, которые “не позволяют” температуре полноценно считаться энергией. Понятно, что если часть “несвободных” движений велика или даже преобладает, это создает впечатление несоответствия температуры энергии. Так, при приближении к абсолютному температурному нулю “свободное” кинетическое движение асимптотически уменьшается, при этом возрастает роль несвободных квантовых колебаний с температурой никак не связанных.

Если вещество представлено совокупностями различающихся частиц, то они могут иметь разные температуры. Например, в плазме ионы и электроны слабо обмениваются энергией между собой и могут иметь разные температуры. Однако сущность температуры от этого не меняется. Рассмотрение температуры как энергии микрочастиц обычно подразумевает движение частиц в трехмерном пространстве. Поскольку свободные движения микрочастиц в двухмерной и в одномерной средах существенно ограничены, это обусловливает отличие происходящих в них процессов и их описания. В качестве примеров двух- и одномерных сред можно рассматривать движения соответственно в тонкой пленке и ускорителе элементарных частиц. Следовательно, имеет смысл говорить о двухмерной или одномерной температурах, которые, естественно, к трехмерной напрямую не сводимы.

Температура характеризует энергию не всех, а только поступательных движений микрочастиц. Это обусловливает ее важность, поскольку именно эти движения обеспечивают взаимообмен кинетической энергией на микроуровне, что принципиально отличает ее, например, от энергии вращательных движений. Поэтому равенство температур двух систем означает равенство средних кинетических энергий линейных движений микрочастиц в этих системах.

Отдельно следует заострить внимание на современном расширительном понимании температуры. Для изучения процессов при низких ее значениях температура дополняется коэффициентом, позволяющим одновременно рассматривать и явления, связанные с квантовыми процессами. В практическом плане такие действия могут быть вполне оправданны, но не в теоретическом. Температура — это вполне определенный вид энергии и как вид он не может меняться в зависимости от каких-то условий. Например, трудно предположить, что в определенных условиях потенциальную энергию следует считать кинетической (разве что потенциально!). Другими словами, можно совместно использовать температуру с другими видами и типами энергии, но при этом всегда понимать ее отдельность, то есть определенную исключительность, специфичность. При существенном проявлении квантовых явлений применяется термин вырождение температуры. Термин удачный, он показывает, что температура при низких ее значениях вырождается, то есть перестает существовать, а ее место занимает совсем другая величина, обусловленная квантовыми свойствами вещества.

Термодинамические величины, константы, законы

В кинетической теории газов основным можно считать уравнение

pV = 2/3W,

где p — давление, V — объем, W — суммарная кинетическая энергия поступательного движения молекул газа, находящихся в объеме V. Так как W/V — это объемная плотность кинетической энергии — Ω, следовательно,

Ω = 3/2p

Ключевым для термодинамики является уравнение состояния идеального газа Менделеева-Клапейрона, которое для произвольного объема имеет вид:

pV = RT,

где Т — абсолютная температура, R — так называемая универсальная газовая постоянная, при этом

R = kN_А,

где N_А — число Авогадро, k — постоянная Больцмана.

Давление p считается одной из важнейших величин в макрофизике. Согласно современным представлениям, “давление, так же как плотность и температура, представляет собой основной макроскопический параметр состояния жидкости и газа” [5, с. 547]. Интересно, что в этом заявлении из трех указанных величин сказанное можно безусловно отнести только к плотности. Что касается температуры, то ее макроскопичность, как было показано выше, достаточно условна. Понятие давление также требует рассмотрения. Обобщая общую и частные формулировки этого термина [5, с. 547, 553], можно резюмировать, что давление — величина, характеризующая определенное воздействие на площадку, препятствие или тела. Следовательно, считать давление параметром состояния некорректно. Параметром состояния является объемная плотность энергииΩ, которая существует безотносительно к объектам воздействия, но при наличии препятствия, “стенки” может проявляться в форме давления [6, с 22]. Тот факт, что давление проще измерять, чем объемную плотность энергии, никак не меняет сущности этих величин. Понятно, что произведение объемной плотности энергии на объем — это энергия W, сосредоточенная в этом объеме.

Так как для идеальных газов Ω = 3/2р, тоуравнение Менделеева-Клапейрона можно выразить в форме:

ΩV = 3/2RT

или проще:

W = 3/2RT

Из этого уравнения следует, что “универсальная газовая постоянная” — это число Авогадро, несколько “замусоренное” дополнительными размерностями. В свою очередь, уравнение состояния идеального газа — это тавтология, поскольку очевидно, что произведение количества частиц в определенном объеме на их среднюю энергию – это общая энергия частиц в этом объеме, так же как и произведение объемной плотности энергии на данный объем. В свете сказанного понятно, что формулировки ряда законов и уравнений термодинамики должны быть скорректированы. Например, законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака и Шарля как частные случаи уравнения состояния идеального газа также не несут новой информации.

К сказанному следует добавить, что понятие температуры, вытекающее из закона Менделеева-Клапейрона, никак не ограничивается идеальным газом, поскольку сущность температуры как определенного вида энергии не меняется, например, при изменении агрегатного состояния вещества. То естьпредставление о температуре как кинетической энергии применимо не только к газам, но и к веществам в жидком и твердом состояниях [4, с. 30]. Следовательно, Кельвин должен стать внесистемной единицей, а “фундаментальная константа” постоянная Больцмана k автоматически теряет свой статус, поскольку является простым коэффициентом пересчета двух единиц энергии: Кельвина и Джоуля в полной аналогии с коэффициентом перевода калории в Джоуль. Настала, думается, пора завершить эпоху “теплорода XXI века” — температуры.

Некоторые термодинамические величины

Энтропия. На сегодня в науке имеются две “главных” энтропии: термодинамическая и информационная, имеющие разный смысл и, соответственно, разные размерности. Предложенная Р. Клаузисом термодинамическая энтропия служит “для определения меры необратимого рассеяния энергии [7, с. 616], а энтропия в теории информации “принимается в качестве меры неопределенности состояния объекта и меры недостатка информации о некоторой физической системе” [8, с. 690] или является “мерой неопределенности сообщений” [7, с. 617]. Информационная энтропия безразмерна, в то время как термодинамическая имеет размерность Дж/К. В ряде работ энтропия, как и ряд других величин, имеющих в размерности единицу калория, до сих пор называется величиной “калорической”, чем подчеркивается ее термическо-термодинамическая сущность. Не заостряя внимание на явной несуразности такого наименования (по аналогии, например, плотность следует называть величиной “килограммической” или даже “тоннической”), обратим внимание на сущность вопроса. В свете сказанного выше термодинамическая энтропия имеет размерность Дж/Дж, т. е. является безразмерной. Она, следовательно, несмотря на свое термодинамическое происхождение, имеет исключительно информационный смысл и, таким образом, полностью совпадает с информационной. Это означает, что энтропия всегда и везде имеет информационный смысл и измеряется в битах, байтах, Терабайтах и т. п. величинах, при этом “термодинамическая” энтропия отражает информационные свойства ансамбля микрочастиц. К счастью в термодинамике часто используется выражение ТS, фактически являющееся WS и действительно характеризующее величину необратимой диссипации энергии в системе.

Теплоемкость. Определения теплоемкости несколько различаются, при этом непонимание физического смысла термина нередко приводит к неточности формулировок. Например, определение, приведенное в солидном справочном издании: “Теплоёмкость – количество теплоты, поглощаемой телом при нагревании на 1 градус (1⁰С или 1 К); точнее отношение количества теплоты, поглощаемой телом при бесконечно малом изменении его температуры, к этому изменению” [7, с. 77]. В приведенном определении смещены акценты, поэтому несколько нарушены причинно-следственные связи. Теплоемкость — это не “количество теплоты, поглощаемой телом при нагревании на 1 градус”, а количество теплоты, необходимое для нагревания тела на 1 градус. С другой стороны, с учетом сказанного о смысле температуры теплоемкость, с размерностью Дж/Дж, фактически безразмерна. При этом нагляднее оперировать с величиной, обратной теплоемкости, т. е. 1/С. Эта величина характеризует относительное количество тепловой энергии, перешедшее в кинетическую энергию микрочастиц, которое, естественно, по величине не может превысить единицу. Понятно, что в изотермическом процессе, в котором не происходит переход тепловой энергии в энергию движения микрочастиц, величина 1/С равна нулю.

Таким образом, величину 1/С можно считать своеобразным “коэффициентом полезного действия” — КПД термодинамических процессов. Расширенное представление о коэффициенте 1/С позволяет понимать под ним перевод в кинетическую энергию микрочастиц не только тепловой, но и любой другой энергии, например, электромагнитной, что может существенно упростить и увеличить возможности описания и использования электро-магнитно-термодинамических процессов. Для идеальных газов, если оперировать с величиной объемной плотности энергии, а не давлением, получается, что равномерное распределение энергии по степеням свободы определяется не эмпирической R/2, а вполне понятными величинами. Для одноатомного газа, у которого 3 степени свободы, на каждую степень приходится, естественно, 1/3 поступившей энергии, что в сумме составляет 3/3 или 100%. Поскольку число “линейно кинетических” степеней свободы постоянно и равно 3, а общее число степеней свободы у двухатомных и многоатомных газов, составляет, соответственно, 5 и 6, то “коэффициент полезного действия” у них имеет значения 3/5 и 3/6. Для неидеальных газов в связи с рассеянием энергии этот коэффициент будет иметь еще меньшую величину. Таким образом, величина, обратная теплоемкости — коэффициент 1/С — это относительное количество кинетической энергии линейного движения микрочастиц в веществе. Теплоемкости веществ при низких и сверхнизких температурах, по современным представлениям составляющие малые величины и изменяющиеся в соответствии с теориями Эйнштейна и Дебая, определяются, как уже говорилось, некорректным сочетанием температуры с иными энергетическими величинами. Поэтому величины 1/C, то есть КПД процесса, стремящиеся к бесконечности, следует считать не столько вычислительным, сколько понятийным абсурдом.

Энтальпия. Энтальпия H обычно выражается уравнением:

H = U + pV,

где U — внутренняя энергия.

В рассматриваемом в настоящей работе контексте ситуация с энтальпией несколько запутана. С одной стороны, как уже говорилось, давление не является параметром состояния и вместо него должна использоваться объемная энергия. С другой стороны, внутренняя энергия по определению включает всю микроэнергию системы. Следовательно, энтальпия характеризует новую величину внутренней энергии системы и, следовательно, этот термин является излишним. Фактически приведенное уравнение должно иметь вид:

U₂ = U₁ + ΩV

где U₁ и U₂ соответственно начальная и конечная величины внутренней энергии в описываемом процессе. Конечно, большое практическое значение изобарических (изообъемноэнергетических) процессов в определенной мере оправдывает самостоятельно название этой величины, однако ее смысл понимать следует.

Заключение

Рассмотрение в настоящей работе некоторых вопросов науки в понятийно-методологическом аспекте позволяет уточнить понимание, а также возможность и целесообразность применения некоторых широко используемых величин и единиц измерения. Многое из сказанного в принципе известно и натыкается скорее не на непонимание, а на нежелание понять и признать очевидное. Необходимость использования на макроуровне самостоятельной величины, характеризующей состав вещества, отличной от химического состава, с предлагаемым названием макросостав соответствует не только практическим целям, но и общефилософским представлениям. Понятийный анализ термодинамики в полном соответствии с принципом бритвы Оккамы позволяет дать направление на упрощение ее величин и законов без привнесенных искусственных, не присущих ей понятий, обеспечить понимание. Есть надежда, что рассмотренные представления помогут как в развитии самой термодинамики, так и в ее преподавании. “Температурный теплород” вместе с сопутствующими понятиями и представлениями пора вынести из здания науки.