Опрос

Какие рубрики вам наиболее интересны?

View Results

Loading ... Loading ...

Наши партнеры

  • .

Последние комментарии

ТЯГОТЕНИЕ КАК ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ ЯВЛЕНИЕ.

Опубликовал Сергей 7 января 2011 в рубрике Гипотезы.

Закон всемирного тяготения сформулирован Ньютоном в его книге «Математические принципы натуральной философии», которая вышла в Лондоне в 1687 г. И вот уже более 300 лет человечество, используя простую математическую формулу, достигло поразительных успехов в вычислении любых движений во Вселенной.

Мы знаем популярную формулировку этого закона. Однако вот что ТОЧНО сказал Ньютон «Между двумя телами в пространстве наблюдаются явления, которые можно описать, предполагая, что два тела притягивают друг друга с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними». По этому поводу знаменитый физик Хвольсон в своем «Курсе физики» написал: «Колоссальное развитие небесной механики, полностью основанной на законе всемирного тяготения, признанного как факт, заставило ученых забыть чисто описательный характер этого закона и увидеть в нем окончательную формулировку существующего физического явления». Другими словами, гений Ньютона открыл нам явление или способ изучения законов движения, а сам закон нужно принимать только как точку сравнения при объяснении движений.

Принцип дальнодействия, т.е. передачи воздействия одного тела на другое без запаздывания, из тяготения изгнала общая теория относительности (ОТО) Эйнштейна Но, несмотря на то, что ОТО к настоящему моменту считается законченной физической теорией, твердо обоснованная установленными физическими фактами, она также не в состоянии объяснить причину возникновения гравитации. По сути, ОТО Эйнштейна внесла в ньютоновскую теорию тяготения релятивистские поправки и связала ее с кривизной пространства и времени. Недостаточность ОТО для полного понимания некоторых явлений часто обсуждается в серьезных научных источниках.

Некоторые считают, что возможность обращения в нуль локальной плотности энергии гравитационного поля является принципиальным дефектом ОТО. В отличие от электрического или магнитного поля, плотность энергии гравитационного поля можно всегда обратить в нуль подходящим выбором системы координат. Благодаря этому, в свободно падающем лифте никакой эксперимент не может обнаружить гравитационное поле.

ОТО не может объяснить и более принципиальный вопрос. Согласно общепризнанной модели нестационарной Вселенной (теория Большого Взрыва), возникла трудность в объяснении самого начального этапа эволюции Вселенной — порядка сотой доли секунды от «начала всего». Ведь в силу космологического принципа где-то в прошлом был момент, в который любая из наблюдаемых сейчас галактик была бесконечно близка к нашей, т.е. «любая к любой». Из-за такого сближения плотность вещества во Вселенной в «начальный момент» становится бесконечной но гравитация перестает работать. Эту неопределенность начального этапа ОТО объяснить не в состоянии, необходима разработка квантовых эффектов гравитации в сверхсильном гравитационном поле. Но такие подходы не определены, и квантовой теории гравитации не существует. Если гравитацию воспринимать как одно из фундаментальных взаимодействий, то выявляется еще одна неопределенность. В рамках ОТО предсказано существование черных дыр (ЧД) — тел, тяготение на поверхности которых настолько сильно, что вторая космическая скорость для них должна превышать скорость света. Из ЧД ничто не может вылететь — ни излучение, ни частицы, ибо в природе ничего не может двигаться со скоростью, большей скорости света. Физики образно говорят, что «ЧД не имеет волос». Границу области, из которой ничего не выходит, называют горизонтом событий.

В настоящее время считается, что все фундаментальные взаимодействия осуществляются благодаря обменным процессам частицами или полями. Но в случае ЧД вся масса ушла за горизонт событий, ни поля, ни частицы не могут покинуть эту область пространства. Почему же гравитационное поле от ЧД — наблюдаемый факт? Здесь явное противоречие, ибо горизонт событий пресекает все обменные процессы.

Как видим, получить ответы на некоторые неопределенности в рамках ОТО Эйнштейна трудно, но это не означает, что ОТО имеет внутренний дефект. От Ньютоновской теории тяготения она унаследовала описательный характер наблюдаемых физических явлений, и она не в состоянии ответить на главный вопрос — о физической интерпретации гравитации.

Необходимо отметить, что Эйнштейн предполагал возможность объединения электромагнитного взаимодействия с гравитационным. В связи с этим возникает естественный вопрос. Возможно ли в реально наблюдаемом 4-мерном пространственно-временном континууме, но в рамках общепринятых научных представлений, построить конструкцию гравитационного взаимодействия, которая даст удовлетворительное объяснение физической интерпретации гравитации как явления? И на основе этой конструкции выяснить причину возникновения неопределенностей и объяснить, почему ОТО в принципе не может на них ответить.

Отметим, что астрофизика рассматривает эволюционные процессы во Вселенной как события, происходящие в межзвездной среде. При этом под межзвездной средой понимаются газ, пыль, магнитные поля, космические лучи и др. Но такой упрощенный подход не может отражать истинной картины всех событий из-за отсутствия рассмотрения взаимодействия с другой материальной, но ненаблюдаемой средой, называемой физическим вакуумом (ФВ). Более справедливым будет утверждение, что вся наблюдаемая Вселенная погружена в другую квантовополевую среду, называемую ФВ. И только последовательный учет взаимодействия двух сред даст ясное понимание причины возникновения гравитационных явлений.

Вакуум в квантовой теории не допускает отсутствия частиц и полей. В нем происходят физические процессы с участием уже не реальных, а коротко- живущих (виртуальных) квантов поля В ФВ равны нулю только средние значения физических величин: напряженности полей, количества частиц. Сами же величины непрерывно флуктуируют (колеблются) около этих средних значений (нулевые колебания) Интенсивность вакуумных флуктуаций и плотность виртуальных частиц может измениться в результате взаимодействия с пробными зарядами и внешними полями. Это приводит, в частности, к эффекту поляризации вакуума, когда каждая элементарная частица оказывается одетой в шубу из виртуальных частиц и составляет с ней единое целое — наблюдаемую элементарную частицу (рис.1). С этих позиций понятие точечной частицы представляет собой физическую идеализацию.

В настоящее время, помимо флуктуационной модели ФВ, существует и модель Дирака. В ней ФВ представляет собой такую область ненаблюдаемой материальной среды, где все состояния с отрицательной энергией заполнены, образуя так называемое море Дирака. Очень важно, что введение в физику понятия моря Дирака позволило объяснить устойчивость атомов, где электронам запрещено сваливаться со стационарных орбит в «могилу» состояний с отрицательной энергией. Схематически море Дирака показано на рис. 2. Если континуум с отрицательной энергией полностью заполнен, то квантовые переходы сюда из состояния с положительной энергией запрещены, так как в этом случае должен быть испущен фотон (закон сохранения энергии), что в реальной жизни не наблюдается. Однако переход из состояния с отрицательной энергией в область положительных, т.е. через энергетическую щель шириной 2тсг возможен, например, под действием фотона с энергией 2тс2. В этом случае рождение пары частиц становится реальным процессом.

Известно, что во Вселенной все объекты состоят из элементарных частиц, имеющих заряды. Для электронов это электрический заряд, для кварков, помимо дробного электрического заряда, имеется цветовой Независимо от структурного построения объектов во Вселенной можно утверждать, что каждая такая фундаментальная частица вносит свой эффект поляризации в квантово- полевую среду, т.е. создает локальную неравновесность. ФВ при всех своих экзотических свойствах — материальная среда. А к любой материальной среде независимо применимы термодинамические подходы. Значит, такой среде свойственно стремление к термодинамическому равновесию (ведь всякавсякая представленная самой себе система всегда приходит в состояние равновесия). Подтверждением стремления к однородности и изотропности любой материальной среды может служить открытие в 1964 г. Р. Пензиасом и А. Уилсоном реликтового излучения во Вселенной с температурой 2,74 К, предсказанное теорией Большого Взрыва. В настоящее время точность измерения температуры реликтового излучения со спутников настолько высока, что удалось измерить анизотропию этого «нового эфира» в связи с движением Земли и вычислить скорость движения относительно фона реликтового излучения (порядка 600 км/с).

ФВ при отсутствии возмущений в высшей степени однороден и изотропен. Появление в такой системе неравновесности понижает порядок симметрии и уже не все точки пространства в ней и не все направления эквивалентны. Как отмечалось, плотность, и количество виртуальных пар из ФВ может изменяться при появлении внешних полей. Испущенные элементарными заряженными частицами фотоны выбивают из окружающего их моря Дирака ориентированные к заряду виртуальные электрон-позитронные пары, которые порождают эффект экранировки заряда. Строгая ориентация диполей к зарядам обусловлена инерционностью ФВ, которую интерпретируют как эффект памяти системы о своём предшествующем развитии. Повышенная плотность и интенсивность выходов виртуальных пар по сравнению с обычным невозбужденным состоянием ФВ создает локальную неравновесность в море. Море как материальная среда, имеющая сверхплотную заселенность, должна компенсировать возникшую неравновесность и восстановить симметрию в возбужденной области пространства, т.е. компенсировать образование лишних «дырок» в море Дирака.

И такая реакция моря обоснована термодинамическими представлениями. При возникновении неравновесных состояний образуются градиенты плотности, температуры, скорости. Существование градиентов параметров приводит к переносу массы, импульса и энергии, стремящемуся выровнять неоднородности в распределении, приближая систему к равновесию. Сами процессы переноса характеризуются соответствующими потоками, например градиент плотности — потоком массы. В общем случае говорят, что потоки вызываются термодинамическими силами.

При термодинамическом подходе к процессам в море Дирака становится очевидным, что нарушенная плотность (энергия) моря за счёт эффекта поляризации будет восстановлена со скоростью света (скорость электромагнитных полей в ФВ), и после устранения неравновесности термодинамические силы исчезнут.

Казалось бы, кратковременность возникновения и действия термодинамических сил в море Дирака приводит к более чем скромному результату. Однако при любой геометрии движения материальной среды, в каждой точке её траектории море создаёт кратковременное термодинамическое воздействие в виде термодинамических сил и потоков на область, где находится материальная среда, и из-за бесконечного числа таких точек траектории воздействие приобретает постоянный характер.

Эффект поляризации ФВ, принцип относительности движения говорят о прямом воздействии материальной среды на море Дирака. Вместе с тем, для построения конструкции объясняющей гравитацию как явление, необходимо установление обратного управляющего воздействия от процессов, возникающих в ненаблюдаемой материальной среде на наблюдаемую.

Для широкого класса необратимых явлений и в широком диапазоне экспериментальных условий потоки являются линейными функциями термодинамических сил. Но, наряду с этими основными (прямыми) процессами, существуют и побочные (перекрестные). Например, перенос массы под действием градиента плотности, если речь идет о системе заряженных частиц, одновременно означает и перенос заряда. Перенос заряда под действием электрического поля означает одновременно и перенос их кинетической энергии и массы. Рассматривая термодинамические силы и потоки, возникающие в море Дирака при эффекте поляризации, мы оперировали потоками массы (энергии), а значит, и системой заряженных частиц, как перекрестным процессом, неразрывно связанным с потоком массы. Для любой физической системы установлено, что, именно благодаря потокам, возникают равновесные состояния. Но в то же время появление в системе потоков нарушает статистически равновесное состояние. Ведь всякое возникновение потока связано с упорядоченностью (колпек- тивизированностью), то есть нарушением изначальной структуры.

Для ФВ возникновение термодинамических потоков, компенсирующих неравновесность, приводит к кратковременному нарушению эффекта памяти ФВ в области локализации одиночных элементарных зарядов. Попадание фотонов в область ФВ с частично нарушенным эффектом памяти приводит к рождению виртуальных пар с частично нарушенной ориентацией к заряду. Это утверждение обосновано тем, что в реакциях соударений электронов и позитронов, приводящих к образованию новых частиц, например кварк-антикварковых струи, полученных на коллайдерах Германии, США экспериментально доказано, что вылет квантов и последующих двух кварковых струй происходит всегда под зенитным углом к направлению полета е+ и е- (рис. 3). Эти и другие экспериментальные данные свидетельствуют в пользу того, что обратный процесс рождения электрон- позитронных пар под действием фотонов происходит также под зенитным углом к сталкивающимся фотонам. Равновероятное пространственное возникновение термодинамических потоков из моря для одиночного перемещающегося заряда означает равновероятное нарушение эффекта памяти ФВ в области локализации заряда.

Испущенные элементарным зарядом в область локализации с нарушенной памятью фотоны будут кратковременно рождать электрон-позитронные пары с нарушенной дипольной ориентацией к заряду. Поскольку такое частичное нарушение для одиночного заряда равновероятно во всех направлениях, то и плотность объемного заряда, создаваемая виртуальными диполями, будет во всех направлениях одинакова. При равной объёмной плотности заряда, создаваемого виртуальными парами из моря, элементарная заряженная частица не может приобрести заметного ускорения ни в каком направлении (принцип суперпозиции). Среднестатистический разброс в плотности заряда от виртуальных пар может привести лишь к дрожанию элементарной заряженной частицы в пределах области локализации. Предположение о влиянии заряда, создаваемого виртуальными парами, на элементарную заряженную частицу подтверждается экспериментально обнаруженным У. Яэмбом и R Резерфордом в 1947 г. фактом взаимодействия электрона в атоме водорода с нулевыми колебаниями в вакууме (лэмбовское смещение).Для одиночного перемещающегося элементарного заряда термодинамические потоки равновероятно изменяют пространство моря во всех направлениях. Однако в случае движения двух и более элементарных заряженных частиц, как физической системы, ситуация меняется. В пространственной области между зарядами термодинамические потоки в равноудаленной точке по прямой, соединяющей центры зарядов, равны нулю из-за взаимно противоположной их направленности (рис. 4). Отсутствие термодинамических сил не приводит к возникновению потоков, следовательно, эффект памяти ФВ в этой области пространства не нарушается. Испущенные в такую область фотоны рождают из моря более ориентированные к зарядам виртуальные диполи по сравнению с другими пространственными областями, окружающими заряды. Из-за частичного нарушения ориентации виртуальных пар в области локализации возникает асимметрия в объемном виртуальном заряде, которая приводит к локальному кулоновскому взаимодействию между элементарными зарядами и окружающими их объемными зарядами от виртуальных морских диполей. Такое локальное взаимодействие создаёт силы, приводящие к движению элементарных зарядов друг к другу, и мы воспринимаем это движение как гравитационное сближение. С увеличением расстояния между зарядами пространственная межзарядовая область увеличивает поступление в неё потоков из ФВ до уровня внешних областей, а значит, — снижает ориентацию виртуальных диполей до уровня, наблюдаемого у одиночного заряда.

Как отмечалось, перемещение заря­дов под действием электрического по­ля будет означать и перенос массы как

неразрывного перекрестного процесса, связанного с переносом заряда. Необходимо отметить, что соображения симметрии позволяют установить, что сила, действующая на пробное тело (заряд) со стороны другого тела (заряда) со сферически-симметричным распределением массы (заряда) является центральной. Гравитационная сила является центральной.

На примере взаимодействия двух элементарных заряженных частиц и при применении принципа суперпозиции несложно построить гравитационное взаимодействие для физической системы, состоящей из множества элементарно заряженных частиц. Всем им будет свойственно неудержимое стремление друг к другу. И чем больше плотность и объем такой физической системы (т.е. количество элементарных заряженных частиц в системе), тем больше термодинамические силы и соответствующие им потоки направлены из моря Дирака в локальную область пространства моря, занимаемую физической системой. Другими словами, каждая заряженная частица вносит свою неравновесность в море Дирака и характеризуется своим термодинамическим потоком из моря для компенсации вносимой неравновесности. Но общий термодинамический поток из моря для физической системы, состоящей из таких частиц представляет сумму этих потоков, т.е. его мощность. Разная мощность термодинамического потока при прохождении области локализации каждой частицы определяет вносимую степень нарушения памяти в ФВ, а значит, вносимую асимметрию в распределении плотности заряда от виртуальных диполей и как следствие силу локального Кулоновского взаимодействия. Такое свойство является фундаментальным для материальной среды при ее взаимодействии с ненаблюдаемой материальной средой, но проявляется только при относительном движении этих сред.

Конструкция гравитационного явления применима для протонов и нейтронов. К настоящему времени установлено, что в структуру андронов, помимо валентных кварков, которые определяют основные физические свойства частиц, входят морские кварки и глюоны. Морские кварки, или кварки моря Дирака, — это виртуальные пары кварков и глюонов, которые образуют шубу вокруг валентных кварков. Таким образом, наличие в составе андронов морских кварков и глюонов указывает на то, что им также свойствен механизм гравитационного явления по построенной конструкции.

В отличие от ОТО Эйнштейна, модель гравитации как явления более информативна в представлении искривления пространства, создаваемого объектами Вселенной, поскольку термодинамические потоки всегда направлены из внешних областей ФВ к поверхности гравитирующих масс.

Скорость относительного движения материального объекта приводит к раз­ной скорости восстанавливающих термодинамических потоков в море по ходу движения объекта и в обратном направлении, т.е. в шлейфе. По ходу движения скорость объекта ни при каких обстоятельствах не может увеличить скорость потока, так как скорость потока равна скорости света. Но в шлейфе движения объекта скорость потока будет меньше скорости света на величину скорости относительного движения. Разность скоростей потоков по ходу движения и в обратном направлении приводит к тому, что термодинамические потоки в этих направлениях проходят разное расстояние в море Дирака.

Если скорость относительного движения Земли принять за 600 км/с, а скорость света 3-х 105 км/с, то легко убедиться, что термодинамический поток по ходу движения Земли пройдет на 12 км дальше от геометрического центра Земли. Это указывает на то, что гравитационный центр не совпадает с геометрическим центром объектов. Например, для объектов типа нашего Солнца несовпадение составит почти 2000 км. Возникающее несовпадение приводит к реальной анизотропии гравитации, которую можно обнаружить со спутников Земли. И оно оказывается принципиальным для эволюции объектов Вселенной.

В настоящее время установлено, что нейтронные звезды имеют огромные скорости осевого вращения, возникающие из-за асимметрии при взрыве сверхновых. Причина возникновения асимметрии при гравитационном коллапсе не выяснена. Несовпадение гравитационного и геометрического центра объекта позволяет объяснить возникновение асимметрии при взрыве сверхновых. Поскольку сжатие направлено всегда в гравитационный центр объекта, расстояние между центрами создаёт плечо для гравитационных сил, приводящее к закрутке.

В общем случае несовпадение гравитационного и геометрического центров любых объектов можно интерпретировать как пространственное несовпадение инерционной и гравитационной (тяжелой) массы в зависимости от относительной скорости перемещения.

Искривление пространства термодинамическими потоками указывает на то, что в промежуточной среде, которой является ФВ, не все пространственные направления движения становятся равновероятны. Для фотонов искривление пространства изменяет геометрию возможного транспортного движения по сравнению с не искривлённым пространством. В результате луч света, проходя вблизи поверхности объектов, будет приобретать отклонение. При возникновении ЧД, когда объект сжимается до гравитационного радиуса, искривление пространства достигает своего предела в области горизонта событий, и такая область не будет иметь транспортных путей выхода из неё.

Читайте также:

Был ли отравлен Моцарт?
ПРАВДА ИЛИ ВЫМЫСЕЛ?
БЕССМЕРТНАЯ ЖЕМЧУЖНИЦА
Как обнаружить космическую цивилизацию?

Похожие записи:

  1. Читая классиков КАК ДЕФО ПИТМАНА ОБОДРАЛ.

Написать комментарий

RSS

rss Подпишитесь на RSS для получения обновлений.