Первым из них следует назвать великого немецкого математика, физика, астронома и топографа К.Гаусса. В 1832 году он опубликовал работу «Напряжение земной магнитной силы, приведенное к абсолютной мере», в которой показал, что, выбрав независимые друг от друга единицы измерений нескольких основных физических величин, можно с помощью физических законов установить единицы измерений всех физических величин, входящих в тот или иной раздел физики. Совокупность единиц, образованных таким путем, получила название «системы единиц», и первой из них стала предложенная Гауссом система СГС, в которой в качестве основных фигурировали единицы длины, массы и времени – сантиметр, грамм и секунда. Все же прочие легко выводились из них. Скажем, скорость – путь, пройденный за единицу времени, – должна измеряться в см/с; ускорение – изменение скорости в единицу времени – в см/с2. Сила, определяемая по второму закону Ньютона как произведение массы на ускорение, – в см·г/с2; работа – произведение силы на путь – в г·см2/с2; а мощность – работа в единицу времени – в г·см2/с2 и т.д.
Ясно, что совокупность основных и всех мыслимых производных единиц системы СГС представляет собой не что иное, как сверхкраткий курс механики, закодированный в размерностях. Возникает естественный вопрос: может ли дать ценных для науки результатов их математический анализ?
В «перекрестиях» длины и времени
Сложность цивилизации, как в зеркале, отражается в сложности, используемых ею единиц измерения.
Потребности античного мира легко удовлетворялись считанными единицами – угла, длины, веса, времени, площади, объема, скорости. А в наши дни Международная система единиц измерений, помимо семи основных единиц (длина, масса, время, количество вещества, температура, сила тока и сила света), содержит две дополнительные (плоский и телесный угол) и около 200 производных, используемых в механике, термодинамике, электромагнетизме, акустике, оптике. Кроме Международной системы, используется на практике и ряд других систем; СГС – сантиметр, грамм массы, секунда; английская FPS – фут, фунт, секунда и т.д. Хотя с 1963 года Международная система является предметом законодательных актов во многих странах, среди ученых продолжаются споры о наиболее обоснованном выборе числа и вида основных единиц.
В самом деле, почему в свое время Гаусс принял в качестве основных именно три единицы, а, скажем, не пять или одну? Почему их число впоследствии пришлось увеличить до семи? Есть гарантии, что в будущем не придется расширять этот список дальше? Имеется ли строгое обоснование у всех существующих систем, или в основе их лежат не поддающиеся строгому определению соображения удобства пользования? Мысль о том, что для построения всей системы единиц измерений достаточно всего двух величин – длины и времени, – не нова; в 1873 году об этом говорил Дж. Максвелл, а с 1941 года ее пропагандировал и отстаивал английский ученый Б.Браун. В 1965 году опубликовал свою первую работу в этой области известный советский авиаконструктор Р. ди Бартини, который позднее получил ряд важных и интересных результатов совместно с кандидатом химических наук П.Кузнецовым.
Разработанная ими кинематическая система физических величин состоит из бесконечных вертикальных столбцов, представляющих собой ряд целочисленных степеней длины (на рисунке их количество ограничено интервалом от L–3 до L+6) и бесконечных горизонтальных строк – целочисленных степеней времени (в нашем случае от Т–6 до Т+3). Пересечение каждого столбца и каждой строки автоматически дает размерность той или иной физической величины.
| Dim. | L–1 | L0 | L1 | L2 | L3 | L4 | L5 | L6 |
| T–6 | Скорость переноса мощности (мобильность) | |||||||
| T–5 | Мощность | |||||||
| T–4 | Удельный весГрадиент давления | ДавлениеНапряжение | Поверхностное натяжениеЖесткость | Сила | Энергия | Скорость переноса момента импульса (тран) | ||
| T–3 | Массовая скорость | Вязкость | Массовый расход | Импульс | Момент импульса | |||
| T–2 | Угловое ускорение | Линейное ускорение | Потенциал гравитационного поля | Масса | Динамический момент инерции | |||
| T–1 | Угловая скорость | Линейная скорость | Скорость изменения площади | |||||
| T0 | Кривизна | Безразмерные величины (радиан) | Длина | Площадь | Объем | Момент инерции площади плоской фигуры | ||
| T1 | Период | |||||||
| T2 |
Становым хребтом таблицы можно считать столбец L0 и строку Т0, на перекрестии которых находится своеобразная опорная точка системы; совокупность всех безразмерных физических констант. (Примером последних может служить угол, выраженный в радианах.) Идя от этой точки по горизонтали вправо, мы получаем все чисто геометрические величины – длину, площадь, объем, перенос объема вдоль прямой, перенос объема на анизотропной площади и перенос объема в анизотропном пространстве. Перемещение же от нее влево дает распределение каких-либо безразмерных величин на единицу длины, площади и объема. (Простейшим примером величины L–1 · T0 может служить изменение угла поворота на единицу длины – кривизна.)
Сложнее понять смысл величин, находящихся в клетках столбца при перемещении по вертикали. Двигаясь вверх, мы получаем сначала частоту – изменение безразмерной величины за единицу времени. В простейшем случае это угловая скорость – изменение во времени угла поворота, выраженного в радианах. Затем следует изменение изменения безразмерной величины за единицу времени. В случае вращательного движения это представляет собой изменение угловой скорости, то есть угловое ускорение, и т.д.
Перемещение вниз от опорной точки дает «временную длину», то есть время, в течение которого происходит то или иное изменение безразмерной величины. В простейшем случае колебательного или вращательного движения это период. Считая время их, не зависящим от направления перемещения, мы можем ограничиться только «временной длиной», которая в совокупности с изотропным трехмерным пространством образует всем нам знакомое по учебникам четырехмерное пространство – время. Но могут существовать и более сложные случаи. Скажем, два скрепленных взаимно перпендикулярных маятника в зависимости от направления ускорения будут давать различные показания. Для учета этого обстоятельства требуется представление о «временной площади». Добавив третий маятник, перпендикулярный к первым двум, необходимо ввести представление о «временном объеме».
Уяснив себе суть изменений, происходящих при перемещении по горизонтали и вертикали, поняв, что смещение вверх на одну клетку эквивалентно изменению величины за единицу времени, а вправо – переносу величины на единицу длины, нетрудно заполнить все клетки кинематической системы. Скажем, в столбце L1 переход на этаж над единицей длины дает линейную скорость, то есть изменение длины во времени. Поднявшись выше, мы получаем изменение этой величины за единицу времени – то есть линейное ускорение. Еще выше расположено логически представимое, но не использующееся в физике понятие – изменение линейного ускорения за единицу времени, и т.д. Ниже клетки L1T0 расположена встречающаяся в физике, но не имеющая специального названия величина – время, необходимое на изменение длины на единицу. Построив точно таким же образом все остальные столбцы, мы получим таблицу, в которой перемещение по диагонали вправо и вверх эквивалентно умножению исходной величины на линейную скорость.
Не правда ли, стройная и логическая система! Но в ней скрыты два подводных камня. Прежде всего: при выбранных нами пределах в целиком заполненной таблице насчитывается сто физических величин. По самому скромному подсчету, более половины из них пока не используется в науке. В то же время, как мы уже указывали, в научном обиходе сейчас применяется не менее 200 основных и производных единиц измерений, большей части которых мы не видим в нашей логично построенной системе.
В чем же дело? Почему возникает столь значительное количественное расхождение?
Причина в том, что одну и ту же размерность могут иметь различные физические величины. Скажем, в метрах измеряется и длина отрезка, и путь, пройденный точкой, и величина радиус-вектора, соединяющего движущуюся точку с полюсом. Поэтому каждая клетка таблицы определяет не одну, а целый набор разных физических величин, имеющих, однако, одинаковую размерность.
Второй подводный камень – отсутствие привязки таблицы к физической реальности, выражающееся в том, что в ней есть пока только «изменения», «скорости» и «ускорения», но нет таких фундаментальных величин, как масса, сила, энергия и др. Однако метод преодоления этой трудности был подсказан Дж. Максвеллом еще в 1873 году, когда он в своем трактате «Электричество и магнетизм» установил, что размерность массы – L3 · Т–2. Основой для этого важнейшего выражения послужил третий закон И.Кеплера, чисто эмпирически установившего: отношение куба радиуса орбиты, по которой планета обращается вокруг Солнца, к квадрату периода ее обращения есть величина постоянная. Позднее Ньютон объяснил, что означает этот факт: формула доказывала существование некой величины, которую он назвал массой и которая сохраняется постоянной в планетных движениях...
От массы нетрудно перейти к размерности импульса – количества движения – путем умножения ее на скорость: для этого достаточно переместиться в клетку по диагонали вверх и вправо. Клетка вверх по вертикали дает изменение импульса во времени – силу, а клетка по горизонтали вправо – две величины, получающиеся умножением импульса на длину. Если произведение векторное, мы имеем векторную же величину – момент импульса. А если скалярное – то опять-таки скалярную, часто используемую в теоретической физике, – действие.