8894-1 (734802), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

До сих пор мы рассматривали соотношения подобия между отдельными величинами, физическими переменными или параметрами, такими как размеры и массы тел, энергии, времена протекания процессов, распространенность в природе, характерные скорости движения. Но имеется и другая сторона принципа подобия, а именно соотношения между уравнениями состояния и движения объектов различных групп и видов. Особенно это важно учитывать и использовать для различного рода взаимодополняющих объектов или форм движения материи (принцип дополнительности, по которому в каждом явлении имеются две противоположности; познание явления в целом требует выяснения законов движения каждой противоположности; данные законы также являются взаимодополнительными друг к другу). Примеры взаимодополняющих противоположностей: вещество и антивещество; корпускулы и волны; частицы и поля вокруг них, основные объекты и их спутники (большие и карликовые галактики, звезды и планеты, атомные ядра и электроны).

Принцип дополнительности можно использовать для того, чтобы полностью перевернуть картину эволюции Метагалактики. В начале статьи уже говорилось о том, что стандартная теория рождения Вселенной из сингулярности с последующим расширением вещества сталкивается с рядом трудностей. Однако практически все они исчезают, если мы будем считать, что Метагалактика как и звезды и галактики образовалась не путем расширения, а путем сжатия вещества или гравитационного скучивания. Правда при этом мы должны дать иное истолкование красному смещению спектров далеких галактик, реликтовому излучению, содержанию гелия и тяжелых металлов в звездах, то есть тем фактам, которые обычно истолковываются в пользу модели Большого взрыва и расширяющейся Вселенной. Как правило в астрономии красное смещение спектров объясняется эффектом Допплера, который проявляется например в том, что если источник звука удаляется от наблюдателя, то частота слышимого им звука уменьшается. Но возможен и иной подход. В самом деле, кванты света или фотоны, проходя неимоверно длинный путь в космическом пространстве, просто обязаны терять свою энергию. Это следует из второго закона термодинамики, по которому процесс преобразования упорядоченного движения тела как целого в неупорядоченное движение частиц самого тела и окружающей среды является необратимым. Тогда потеря энергии фотонами как раз и проявляется в сдвиге их частоты в длинноволновую область, то есть в красном смещении.

Теперь о реликтовом излучении. Делая мысль о гравитационном скучивании вещества общей для всех объектов, приходим к тому, что не только звезды и галактики образовались из газово-пылевых облаков с малой начальной плотностью (это факт подтверждается наблюдательной астрономией), но и Метагалактика, и более того, сами элементарные частицы также должны были возникнуть из отнюдь не пустого физического вакуума, окружающего их. Хорошо известно, что любое скучивание вещества в более плотные объекты сопровождается выделением энергии связи. Поскольку наблюдаемое реликтовое излучение практически изотропно, то есть идет на Землю с одинаковой интенсивностью со всех сторон, соответствуя черному телу с температурой 2,7 Кельвина, то можно предположить, что это излучение появилось тогда, когда выделялась энергия связи при образовании нуклонов в Метагалактике.

Зная плотность энергии реликтового излучения и его температуру, энергию связи нуклонов можно связать с их концентрацией в пространстве и затем оценить плотность вещества Метагалактики, которая оказывается близкой к наблюдаемой величине. Что касается содержания гелия и тяжелых металлов на Солнце и в звездах Галактики, то достаточно убедительным выглядит предположение о том, что оно получилось не в результате Большого взрыва, а как следствие взрывов первичных сверхновых звезд Галактики.

Подобие противоположностей и принцип дополнительности проявляются также в корпускулярно-волновом дуализме. По де Бройлю каждую движущуюся частицу сопровождает так называемая материальная волна, длина волны которой зависит от величины механического импульса частицы и может быть измерена экспериментально. Несколько усложняет ситуацию принцип неопределенностей Гейзенберга, по которому чем точнее известна скорость частицы, тем менее точно мы знаем ее положение в пространстве. Что же это такое – материальная волна? Согласно статистической интерпретации, это волна вероятности нахождения частицы в той или иной точке пространства. Но возможно и другое объяснение результатов экспериментов. Попробуем рассматривать волновые колебания внутри самой частицы, а не за ее пределами. Нетрудно представить себе пульсации частицы, вызванные ее взаимодействием с другими объектами. После таких многократных взаимодействий энергия внутренних колебаний частицы может возрасти до своего предельного значения – и тогда согласно самым строгим расчетам в эксперименте как раз и проявится наблюдаемая длина волны де Бройля.

О подобии и взаимодополнительности уравнений электричества и магнетизма было написано множество книг, в конце концов уравнения Максвелла утвердили понятие о едином объекте – электромагнитном поле. По теории Лоренца любые магнитные поля вызываются направленным движением зарядов или электрическим током. Но что можно сказать о самом электрическом заряде элементарных частиц, как вообще понять его существование? И вот оказывается, что электрический заряд частицы можно оценить, зная лишь угловую скорость ее собственного вращения и величину магнитного поля на ее поверхности. То есть для того, чтобы частица казалась нам заряженной, она должна иметь и механический и магнитный моменты. У нас получается полный замкнутый круг – ток или движение зарядов создает магнитное поле, а движение магнитного поля создает не только индукционный ток, но и заряды частиц (или в более общем виде – заряды порождают электромагнитное поле вокруг себя, а наличие электромагнитного поля во внутренних частях частиц порождает общий видимый извне заряд этих частиц).

Со школьной скамьи мы слышим об электромагнитном поле и об его квантах – фотонах. При распространении электромагнитной волны в ней закономерно изменяются величины электрической и магнитной напряженностей поля. И все-таки хотелось бы представить движение фотона более наглядно. Для этого используем следующий подход: электромагнитная волна, как известно, действует на заряженные частицы, через которые проходит, вовлекая их в определенное движение. А теперь изменим задачу – пусть заряды двигаются так, чтобы они поддерживали саму волну. Тогда волна существует, пока есть движение этих зарядов (так волна на поверхности воды бежит до тех пор, пока не иссякнет направленный импульс движения частиц воды). В результате можно получить простейшую модель фотона как пучка заряженных частиц с «вмороженным» магнитным полем, с вращением частиц вдоль оси пучка при наличии в нем стоячих волн.

Выше уже говорилось о том, что протон можно считать аналогом нейтронной звезды, а мюон – аналогом белого карлика. Какой же объект может быть аналогом электрона? Рассмотрим эволюцию достаточно массивной звезды. В конце концов такая звезда превращается в нейтронную звезду, а все обращающиеся вокруг нее планеты с течением времени будут приближаться к ней все ближе и ближе, пока не будут разорваны на части ее мощным гравитационным полем. Ядра планет состоят в основном из тяжелого и сильномагнитного химического элемента – железа, поэтому можно ожидать, что вокруг нейтронной звезды возникнет устойчивое замагниченное облако. Интересно, что если вычислить то расстояние, на котором планеты разрываются на части, и разделить его на коэффициент подобия по размерам, то мы получим радиус Бора для главной орбиты электрона в атоме водорода. Отсюда следует, что электрон в атоме должен быть каким-то замагниченным облаком, и действительно в квантовой механике это так, причем электрон обладает собственным магнитным моментом. Перенося эволюцию звезды на эволюцию атома водорода, можно понять факт электронейтральности вещества, когда на один протон в среднем приходится один электрон.

Уже не одно поколение физиков-теоретиков пытается построить единую теорию поля, объединив в одном уравнении сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное взаимодействия. Определенные успехи уже есть – в 60-ых годах слабые и электромагнитные силы были описаны теорией электрослабого взаимодействия. Классический электромагнетизм практически полностью определяется уравнениями Максвелла, которые лоренц-инвариантны, то есть при переходе в другую движущуюся инерциальную систему отсчета с помощью преобразований Лоренца уравнения поля не изменяют своего вида. Достигается это тем, что в электромагнетизме имеется две напряженности поля – электрическая и магнитная, и соответственно два потенциала поля – скалярный и векторный, так что при изменении скорости движения системы отсчета электрическая и магнитная компоненты поля, измеряемые наблюдателем, будут меняться по вполне определенному закону. В противоположность этому имеющаяся теория гравитации кажется незавершенной – в ней присутствует только лишь скалярный потенциал и одна напряженность поля, а лоренц-инвариантность отсутствует. Что же происходит с гравитационным полем при изменении состояния движения наблюдателя?

Очевидно, что реальное физическое поле само по себе не может зависеть от движения наблюдателя, но может лишь выглядеть для него по-разному в зависимости от условий наблюдения. В общей теории относительности предполагается, что гравитационная и любая другая энергия тел в некотором объеме пространства изменяет кривизну этого пространства, его метрику. Тем самым задача движения тел в гравитационном поле сводится к определению геометрии пространства-времени. Более того, по принципу эквивалентности поле тяготения по своему проявлению тождественно ускоренной системе отсчета. А что если предположить, что гравитационное поле на самом деле лоренц-инвариантно и не может быть до конца сведено к геометрии пространства-времени? Тогда необходимо ввести еще одну напряженность поля – кручение, и соответствующий векторный потенциал. При этом оказывается, что уравнения гравитационного поля по своей форме напоминают уравнения Максвелла для электромагнетизма, причем все экспериментальные следствия теории относительности Эйнштейна остаются в силе. Взамен мы получаем логически замкнутую теорию гравитации.

Кроме этого, становится возможным говорить об едином электрогравитационном поле – ведь уравнения электромагнетизма и гравитации имеют одинаковую форму. Вспоминая, что сильное взаимодействие можно связать с ядерной гравитацией и электромагнитным взаимодействием частиц, приходим к тому, что искомая единая теория поля вполне может быть основана на теории электрогравитации.

Дополнительность частиц и полей заключается в том, что частицы так или иначе порождают поле, а поле в свою очередь является причиной возникновения частиц. Так возле закрепленных или движущихся зарядов наблюдается статическое или переменное электромагнитное поле, а гравитационное поле буквально формирует круглую форму у планет и звезд. Все это означает еще и следующее: если есть взаимодействие частицы и ее окружения, то картина не изменится, если убрать частицу, а вместо нее рассматривать ее поле. И наоборот – если есть поле, действующее на какие-то объекты, то это поле можно заменить действием особым образом движущихся частиц. Исходя из этого, попробуем представить гравитационное поле как следствие взаимодействия потоков мельчайших частиц – гравитонов, пронизывающих пространство в разных направлениях, с материальными телами. Если считать, что гравитоны подобно нейтрино слабо взаимодействуют с веществом, почти полностью проходя через него, но за счет их большого числа все-таки подталкивают частицы вещества друг к другу, то можно вывести закон тяготения Ньютона целиком в концепции частиц-гравитонов, а таке оценить плотность их энергии в пространстве.

Одной из проблем современной термодинамики является то, что в ней используются идеализированные соотношения (например, закон сохранения энергии в первом начале термодинамики). Ситуация здесь такая же, как в механике Декарта-Ньютона, когда используется идеальная геометрическая система координат. Подход Эйнштейна заключался в том, что он ввел реальные системы отсчета. В конце концов это привело к тому, что время в движущихся телах замедляется, а движущиеся координатные оси кажутся более короткими при их ориентации вдоль скорости. Тем самым появились новая более точная механика и теория относительности. Возвращаясь к термодинамике, запишем ее уравнения не формально, а с помощью конкретных выражений для энергий, взятых из теорий электромагнетизма и гравитациии. Соответственно полученные результаты приобретают конкретный вид и имеют ясный физический смысл. Так, количество теплоты, переданное некоторому объему вещества за определенное время, есть не что иное, как поток в этот объем гравитационной и электромагнитной энергий за это же время. Новое определение получает энтропия.

Характеристики

Список файлов реферата