Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
2. НЕОБХОДИМОСТЬ НОВЫХ КОНСТАНТ
В период создания квантовой механики А. Пуанкаре выразил мысль: «Удастся ли сохранить универсальную непрерывность физических процессов или введение требуемой квантовой гипотезой дискретности абсолютно неизбежно?» [1].
В то время квантовая механика уже стучалась в дверь, но даже сейчас самые передовые ученые не готовы поступиться собственным восприятием в угоду физическому требованию. В привычном для нас мире траекторию объекта однозначно определяют, выполнив измерения. При этом подсознательно понятно, что такое объект и пространство, в котором объект находится или движется. Человек сталкивается только с объектами и явлениями макромира, наблюдать движение объектов в микромире возможности не имеет. Измерения траекторий составили классические представления о движении тел.
В классической теории поля появился материальный объект – (электромагнитное) поле. Возможность измерения поля и в дальнейшем его идентификация с носителем – светом, вполне устроило исследователей.
В квантовой механике «действие» сопоставимо с константой Планка ? и противоречит нашему понятию о здравом смысле, измерению, наблюдению. Вместо привычных параметров, описывающих механическое движение, квантовая механика описывает объекты волновой функцией, то есть максимально вероятной траекторией и ее неопределенностью. Такая трактовка создана, чтобы угодить нашему восприятию пространства и времени. Пространство и время в современной науке остаются абсолютными математическими. Но траектория может трактоваться как критерий устойчивости рассматриваемого объекта.
Рассмотрим некоторые примеры показывающие различие этих теорий:
1) Если взять точечный источник света светимостью Lo, то можно утверждать, что на расстоянии r от него создан «потенциал» светового поля:
Все величины Lo, L и r можно измерить, так как «потенциал» создан «свободными» фотонами и наблюдатель понимает, как сформирован этот потенциал.
2) Если взять точечные заряды q1 и q2, то можно утверждать, что на расстоянии r сила их взаимодействия составляет:
(закон Ш. Кулона).
Все величины q1, q2, ?, ?o, r и F можно измерить, однако каким образом осуществляется взаимодействие зарядов исследовать невозможно. В этом случае предполагается взаимодействие зарядов посредством «поля» и величины ?, ?o характеризуют условия формирования этого поля. При этом предполагается, что параметры q1, q2 и r непрерывны, а q1, q2 – любые.
3) Ситуация меняется в случае атомов. В атомах «дискретны» и электрические заряды, и массы. Атом излучает фотон только в том случае, когда один из электронов атома дискретно изменяет свое пространственное положение. Энергии фотонов также дискретны. Более того, в микромире каждый атом занимает вполне определенный объем пространства, определяемый фундаментальной константой – числом Авогадро.
4) Условно связанный объект. Например, галактика воспринимается цельным объектом (так как считается связанной гравитацией), хотя состоит из звезд. Звезды и планеты также считаются объектами связанными гравитацией, однако для мелких тел сила такой связи мала.
Если в пункте 1 рассмотрен «свободный» объект, то в пункте 2 – «связанный». Отличие «связанного» объекта от «свободного» состоит в том, что вокруг заряда существует «поле». Из электродинамики известно, что «поле» характеризуется двумя компонентами. Каждая компонента поля характеризуется своей константой и обе константы вместе определяют скорость волны. Скорость волн не зависит от системы отсчета.
Если электрический заряд заменить массой и поставить соответствующие константы, то закон Ш. Кулона преобразуется в закон Всемирного тяготения. Размышляя об этом Дж. Максвелл пришел к загадке [1]: «Если рассматривать потенциальную энергию тяготения как находящуюся в среде, то энергия на кубическую ячейку в любом месте должна равняться ? – ?*R2, где ? и ? – положительные постоянные, а R – сила тяготения на грамм в данном месте. Поскольку энергия положительна, то постоянная ? должна быть ? > ?*R2 в любом месте Вселенной. Тогда, в любом месте Вселенной, где сила тяготения отсутствует, внутренняя энергия среды должна иметь чрезвычайно большое значение».
Это противоречие можно устранить, если предположить, что Вселенная представляет собой «частицу» со всеми соответствующими свойствами (теорема Э. Нётер). Человек воспринимает внутреннее поле Вселенной как пространство. В силу своих размеров человек является внутренним наблюдателем для макропроцессов и внешним наблюдателем для процессов в микромире. Таким образом, гипотеза о «Вселенной – частице» снимает противоречие между классической и квантовой механикой. При этом реализовать пункт 1 для массы невозможно, так как «Вселенная – частица» не может иметь источников свободных гравитонов. Пространство такой частицы является внутренним (гравитационным) полем, заданным изначально (в момент образования частицы).
Наш опыт показывает, что мир внутри частиц должен быть квантовым. Астрономы свидетельствуют, что Вселенная обладает строгой иерархией объектов по массам и размерам, с ограниченным количеством уровней иерархии. Массы и размеры наблюдаемых объектов (структур Вселенной) существенно разнятся между собой и характеризуются узкими распределениями.
Пункт 3 отличает очень важное свойство природы – вращение (спин). В этом пункте поле вокруг заряда представляет собой стоячие волны (в случае атома поле разлагается на волны Л. де Бройля), на которые накладывается осциллятор (резонатор). В результате получается набор квантовых чисел, определяющих структуру описываемого объекта. Траектории элементов рассматриваемого объекта не рассматриваются, так как нет инструмента для таких исследований. Это значит, что исследуемый объект должен иметь размеры меньшие периода волны создаваемого им поля (в этом отличие пункта 3 от пункта 2), и элементами его структуры служат не точечные объекты, а структуры иерархией ниже.
Например, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун являются не отдельными планетами, а системами, аналогичными Солнечной. Конечный период волны поля служит условием существования структур (а не точечных тел), условием неопределенности траектории элемента структуры и критерием устойчивости структуры. Так как длина волны поля (это «несжимаемая среда») определяется «зарядом» объекта, то массы и размеры элементов его системы строго определены.
Трудность восприятия квантовой (структурной) физики в том, что волны поля и осциллятор не могут быть измерены непосредственно в отличие от расстояния, времени, массы в классической физике.
Различие пункта 2 от пункта 3 состоит в том, что в пункте 2 волна поля не выходит за пределы размеров тела, а в пункте 3 волна поля выходит за размеры тела и условие сохранения момента импульса и вращения создает осциллятор.
Таким образом, Солнечная система относится к пункту 3 и является структурной (квантовой). Человек, в силу своих размеров и привычек, видит планеты – гиганты телами, но не структурами. Разница в том, что тело (в классической механике) может обладать произвольной массой, а структура (в квантовой механике) – строго определенной (поле не сжимаемое).
У человека возникли трудности в понимании квантовой механики из-за непривычного для него размера объекта, так же как возникли трудности при создании квантовой теории описания Вселенной. Собственно трудности в обоих случаях одни и те же – отсутствие натуральных характеристик описания объектов. Исследования электромагнитного поля привели к решению многих практических задач, но гравитационное поле остается загадкой.
Пункт 4 в современной физике практически не рассматривается. Этот пункт связан со свойствами «Вселенной – частицы», являющейся составной частью следующего уровня мироздания (Ойкумены).
И. Ньютон установил закон Всемирного тяготения, согласно которому в пространстве между телами с произвольными массами m и M действует сила притяжения:
(1)
где GN – гравитационная константа И. Ньютона; r – расстояние между массами [1, 2].
В классической механике: пространство – трехмерно и евклидово, время – одномерно, массы тел – произвольны. Перечисленные предпосылки необходимы для построения математического «образа» физического объекта. Предпосылки формулируются не на пустом месте, но и не на основе физики «на пальцах». Эти предпосылки отражают практический уровень знаний. Все функции, встречающиеся в динамике, считаются гладкими.
В случае устойчивой орбиты планеты необходимо приравнять центробежную силу силе притяжения:
(2)
Здесь V – средняя скорость движения планеты по орбите. Тогда удобная константа для астрономических измерений:
GN*M = V2*r. (3)
Полученная формула показывает, что масса M (заряд) через поле (GN) определяет орбиты и скорости планет V2*r, но не их массы. Приведенное тождество (2) устойчивой орбиты массы m в поле массы M содержит логическое противоречие, так как в тождестве справа сила определена полем массы M, а слева стоит механистическое соотношение (центробежного ускорения без учета поля). Изначально предполагалось произвольное значение масс M и m (но M > m), но тождество (2) не симметрично относительно M и m. Это подразумевает наличие устойчивой орбиты у массы m в поле массы M, без каких-либо условий на соотношение масс M и m (кроме изначальных условий). Наблюдение показывает, что распределение тел по массам дискретно. Следовательно, тождество (2) противоречиво и левая часть (или все тождество) требует обоснования в рамках (гравитационной) теории поля.
Выбор теории для данных экспериментальных исследований пришелся на теорию поля Дж. Максвелла именно потому, что это единственная эмпирическая теория, полученная благодаря объединению электричества и магнетизма, которая хорошо показала себя в квантовый век и выдержала многочисленные экспериментальные проверки. Следующий, и, казалось бы, очевидный шаг состоит в использовании этой теории при описании наблюдений хорошо изученной гравитационной Солнечной системы. То есть создать эмпирическую гравитационную теорию поля по данным устройства Солнечной системы, дополнив закон Всемирного тяготения необходимыми константами и еще одной компонентой поля. Это не было сделано своевременно, чему способствовало достаточно большое количество причин. Первой, и, по-видимому, самой важной причиной послужило отсутствие на тот момент знаний квантового поведения материи. Следующая причина актуальна и по сей день, и она состоит в осознании пространства как физической величины. Возможно, не последняя причина заключается в осознании того, что иногда прямые измерения невозможны в силу объективных обстоятельств, но наука сохраняет возможность развития благодаря наблюдениям («виртуальный» эксперимент). В этом смысле экспериментатору проще (и сложнее), ему следует видеть мир таким, каков он есть. Задача теоретиков разглядеть в пространстве физическую величину, а не математическую, и показать это экспериментатору.
Теория поля Дж. Максвелла достаточно проста и физически понятна. В случае распространения этой теории на гравитацию, физики получают одну теорию поля с двумя наборами констант (для гравитационного и электромагнитного поля), способную объяснить всю Вселенную в целом и каждую из её составляющих в отдельности. Отвечать за релятивизм будет константа структуры, равная отношению скоростей
фотона и гравитона. Такая теория (Эмпирическая Теория Вселенной) вполне может заменить мечту физиков – Единую Теорию Поля.
Дополнив гравитацию недостающими компонентами, принцип относительности движения позволил построить именно теорию Вселенной, так как гравитация совместно с электромагнитным полем объясняет всю структуру Вселенной. На основе релятивизма ЭТВ объяснила всю материю (вместе с волнами – носителями взаимодействий), как принято называть в современной науке окружающий мир, от сверхскоплений галактик до элементарных частиц (всю структуру Вселенной, включая принцип ее устройства).
Для того чтобы распространить теорию поля Дж. Максвелла на гравитацию необходимо вычислить самостоятельную «магнитную» гравитационную константу (в дополнение к существующей гравитационной константе) и скорость гравитона. Именно вычислить эти две константы по имеющимся данным наблюдений с использованием существующих теоретических соотношений. При этом следует показать, что гравитон на самом деле наблюдается (объективно существует) и обладает требуемыми свойствами.
Следующей проблемой, которую необходимо решить, это относительность движения. Когда Г. Галилей заложил основы экспериментальной физики и науки как таковой, ученые связывали системы отсчета (физическое пространство и время) с их математическими абсолютами. Даже учет относительности движения в электромагнитной теории поля Дж. Максвелла не изменил такого понимания пространства. Противники Общей теории относительности правы, утверждая, что для преобразования одной системы отсчета в другую необходимы законы природы, а не постулаты [3]. Математические преобразования не дают новых законов природы без физического эксперимента. Суть спора состоит в том, что физик – экспериментатор использует в своих исследованиях реальное пространство и время, тогда как должен использовать абсолютную, математическую систему отсчета. В таких реалиях измерений нельзя гарантировать универсальности и истинности устанавливаемых законов, так как пространство и время ведут себя по-разному в разных экспериментах. Тот факт, что время и пространство ведут себя по-разному в разных системах отсчета, установлен. Однако проблема обоснования этого факта остается, так как не установлен удовлетворительный физический закон, связывающий различные реальные системы отсчета через абсолютную, математическую систему отсчета. Привлечение закона сохранения энергии и импульса при переходе из одной системы отсчета в другую решило только часть проблем, так как свойства энергии и импульса также связаны с пространством и временем (теорема Э. Нётер), и со свойствами объекта (например, замкнутостью Вселенной).
В ЭТВ, в отличие от других теорий гравитации (теорий эфира или гипотез устройства Вселенной), в качестве пространства использована гравитационная волна, как носитель гравитационного поля. Идея о том, что пространство служит носителем гравитационного поля и, следовательно, волной – проста, но кажется необычной. В соответствии с теоремой Э. Нётер эту идею необходимо дополнить свойством замкнутости Вселенной. Остается показать необходимость и полезность подхода к пространству как суперпозиции гравитационных волн, а также раскрыть новые свойства конечной, замкнутой Вселенной. Волновые свойства пространства изменят также уравнения перехода между системами отсчета при учете относительности движения.
Ученые часто забывают об исходных предпосылках теорий, из-за чего возникают некоторые «сказочные» гипотезы. Например, гипотеза о Фаэтоне, существование планеты Нибиру, искривление математического пространства или революционные идеи преобразования планет под условия жизни человека на них.