60

К ЕДИНОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ МИРА

Виктор Пьянов

Автор выражает благодарность за спонсорскую помощь при издании работы

Арсеньеву Юрию Владимировичу

1. ВВЕДЕНИЕ

Целью, к которой с античных времён до настоящего времени стремится естествознание, является создание единой и неизменной картины мира на основе немногочисленных фундаментальных идей.

Около 2,5 тысяч лет назад древнегреческие философы Анаксимандр, Левкипп, Демокрит и др. создали философскую единую картину мира и сформулировали фундаментальные идеи о строении материи и природе взаимодействий.

Анаксимандр учил, что всё существуюшее в бесконечном прстранстве и бесконечном времени состоит из первовещества (апейрона), находящегося в вечном движении, в процессе которого из него беспрерывно выделяются противоположности, борющиеся друг с другом и в результате этой борьбы обратно возвращающиеся в первовещество, вновь выделяя противоположности и затем поглощая их.

Согласно учению Демокрита, материя состоит из бесконечного числа мельчайших неделимых частиц, благодаря соединению и разъединению которых образуется всё бесконечное разнообразие вещей и их свойств.

Излагая философские взгляды Анаксимандра и Демокрита Левкипп утверждал, что причиной возникновения бесчисленных миров являются вихревые движения составляющих их атомов.

Наряду с материей Демокрит признавал самостоятельное существование пустого пространства, как необходимого условия для возможности движения атомов и образования сложных тел. Он развил теорию истечений, которой объяснял явления магнетизма и другие случаи влияния одних тел на другие на расстоянии.

Даже с высоты достижений современной науки высказанные древними философами- атомистами основные идеи остаются непоколебимыми.

В результате развития естественных наук происходит смена картин мира, и система научных представлений о мире и происходящих в нём явлениях становится всё полнее с каждым естественнонаучным открытием.

В соответствии с философской концепцией преемственности знаний каждая новая картина мира (механическая, электромагнитная, полевая, вакуумная) сохраняет от своих предшественниц всё ценное, оправдавшее себя на опыте и в практике, отвечающее объективному устройству Вселенной.

Наиболее полный ответ на вопрос о любом физическом явлении становится возможным при включении этого явления в физическую картину мира, описывающую изучаемое явление вместе со множеством других, исходя из немногих фундаментальных принципов.

Совокупность физических знаний, накопленных человечеством к порогу XXI века, уже столь велика, что позволяет вплотную приблизиться к созданию единой физической теории, объясняющей и описывающей все явления и закономерности Природы на основе единых первых принципов. Физикам-теоретикам программа, пути и цели работ в этом направлении представляются следующим образом [1]: “Первый этап состоит в построении теории, которая была бы конечной. Другими словами, ценой фантастической логики необычных геометрических представлений нужно получить логически замкнутую теорию, не имеющую, по крайней мере, противоречий…

Следующая, вторая задача новой теории состоит в том, что она должна стать всеобъемлющей, притом не только на качественном, но и на количественном уровне. Это значит, что теория должна:

1. получить из первых принципов весь набор частиц и полей. Фактически оказывается, что все варианты новой теории предсказывают большее число сортов частиц и полей, чем мы наблюдаем;

2. получить – также из первых принципов – массы частиц или, точнее, безразмерные отношения масс частиц к планковской массе и безразмерные константы, характеризующие взаимодействия, такие как е²/ħс =1/137.”

Относительно надежд построения внутренне непротиворечивой теории на основе “фантастической логики необычных геометрических представлений” необходимо заметить, что пока физики будут руководствоваться призывами Эйнштейна и Бора к “безумным ” идеям и к отказу от здравого смысла решительного прогресса в физической науке не будет. Что касается ”второй задачи”, сформулированной академиком Зельдовичем, то на наш взгляд, совокупность не вызывающих сомнения теоретических знаний и имеющихся экспериментальных данных уже достаточна для её решения без выдвижения каких-либо новых “безумных” идей. Здравый смысл отражает вековой опыт человечества, поэтому на современном этапе развития науки для решения второй задачи необходимо лишь решительно отказаться от теорий, сводящихся к парадоксам, оскорбляющим здравый смысл, а из богатого наследия прошлого использовать только всё логически ясное и подтверждённое опытом. Нелишне помнить, что согласно одному из величайших мыслителей человечества – Декарту, ясность и отчётливость идеи – высший и решающий критерий истины.

Для того, чтобы объяснить любой физический процесс, любое явление необходимо знать: строение материи, уравнения движений и действующие силы, а высшей формой описания единства Природы будет являться объединение указанных трёх элементов в физической теории.

0. 1.1 О СТРОЕНИИ МАТЕРИИ

В настоящее время можно считать установленным, что все наблюдаемые в природе процессы происходят в конечном итоге в результате взаимодействия элементарных частиц материи, под которой понимается совокупность вещества и поля, а взаимодействие между двумя элементарными частицами осуществляется за счёт обмена третьей частицей, которая является переносчиком взаимодействия – квантом обусловленного им поля сил.

Под элементарной частицей на каждом этапе было принято понимать наименьшую неделимую частицу, структура которой была неизвестна. С переходом на новый уровень познания менялось представление о таких “кирпичиках” мироздания.

Первой ступенью в изучении строения вещества была молекулярная теория и до начала XIX века элементарными частицами считались молекулы.

В 1816г., после открытия атомов, У. Проут выдвинул гипотезу о том, что все атомы сложены из атомов водорода, а в 1911г. Э. Резерфорд предложил планетарную модель атома.

В течение XIX века в основном была завершена теория элементарных частиц на атомной ступени элементарности.

В конце XIX начале XX веков было установлено, что атомы имеют внутреннюю структуру и состоят из электронов, протонов и нейтронов. Эти три частицы занимают особое место среди элементарных частиц: поскольку все вещества состоят из атомов, то они являются как бы первичными элементами вещества, и вопрос о наличии у этих частиц внутренней структуры становится центральным вопросом строения вещества.

Эксперименты последних лет показали, что большинство известных сейчас “элементарных” частиц несомненно имеют какую-то внутреннюю структуру. В настоящее время большинство физиков считает установленным, что фундаментальными составляющими частиц вещества являются дробнозаряженные кварки, хотя все многочисленные попытки экспериментального подтверждения существования кварков оказываются безуспешными.

Параллельно с познанием строения вещества развивались гипотезы о материальной среде, заполняющей пустоту между неделимыми частицами вещества. Аристотель отрицал возможность существования абсолютной пустоты и считал, что пространство заполнено особой средой – эфиром; он видел в эфире основу для всех остальных элементов природы, праматерию, сущность всех вещей. Рене Декарт ввёл понятие о сплошной материальной среде, заполняющей всё мировое пространство. Исаак Ньютон высказывал мнение, что всё в мире – пустота между телами, как и сами тела, - пронизано мельчайшими частицами эфира. Д.И. Менделеев предполагал существование ”атома эфира”- ещё не открытой наименьшей частицы материи, химически инертной, вездесущей и всепроникающей. Он предпринимал попытки определения массы ”атома эфира”.

В XX веке стараниями А. Эйнштейна слово ”эфир” было дискредитировано, и в картине мира место эфира занял физический вакуум. В современной науке прослеживается тенденция рассмотрения вакуума как сплошной среды. Теории вакуума объясняют взаимодействия между элементарными частицами вещества обменом т.н. виртуальными частицами, рождающимися из вакуума и являющимися квантами- переносчиками взаимодействий. Во многих современных теориях сами частицы вещества рассматриваются как порождение электронно-позитронного вакуума, как его возбуждения, поэтому центральной проблемой строения материи стала теперь проблема строения вакуума. Некоторые авторы гипотез о строении вакуума считают, что фундаментальным ”кирпичиком мироздания” - ”атомом эфира”, возможно, является нейтрино – частица, ”изобретённая ” в 1930г. Паули для ”спасения” законов сохранения в процессах β- распада свободного нейтрона. Масса нейтрино до сих пор достоверно не определена, но считается, что она на несколько порядков меньше массы наименьшей из частиц вещества – электрона.

1.2 Об уравнениях движения

Результатом взаимодействия материальных частиц является изменение формы их движения.

В изданном в 1687г. труде ”Математические начала натуральной философии” И.Ньютон сформулировал законы механики и закон всемирного тяготения, которые позволяют в принципе ответить на все вопросы о движении материальных частиц и тел, обладающих массой.

Уравнения движения являются дифференциальными уравнениями изменения физических величин во времени и пространстве. Для широкого класса сил удаётся произвести интегрирование уравнений движения в общем виде и представить результат как постоянство численного значения определённой комбинации физических величин. Сохраняющиеся в процессе движения величины являются фундаментальными, а их законы сохранения – фундаментальными законами механики и физики. Вопреки этому даже авторы курсов физики, ссылаясь на соотношения неопределённостей Гейзенберга, утверждают, что в процессах обмена виртуальными частицами законы сохранения могут нарушаться. История с нейтрино, в последствии экспериментально обнаруженного, указывает на то, что ревизии подлежат не фундаментальные законы сохранения, а идеология соотношений неопределённостей [2].

Законы сохранения позволяют рассматривать свойства движения без решения уравнений движения и детальной информации о развитии процессов во времени.

В своём труде И.Ньютон постулировал существование абсолютного времени и абсолютного пространства. Согласно Ньютону, абсолютное время существует само по себе, независимо от материи, протекает непрерывно и равномерно, а абсолютное пространство не связано ни со временем ни с материей и также существует независимо. Геометрические свойства абсолютного пространства рассматривались Ньютоном как абсолютные, подчиняющиеся установленным почти две тысячи лет тому назад законам геометрии Евклида и как независящие от присутствия или отсутствия материальных тел в данной области пространства, а время рассматривалось им как независимый параметр, определяющий скорость движения материи в пространстве. Ньютон связывает проблему пространства с вопросом о системах отсчёта. Согласно ньютоновой механике, существуют инерциальные системы отсчёта, связанные с телами, движущиеся инерциально в абсолютном пространстве и абсолютном времени, в которых только и справедливы ньютоновы законы механики. В системе отсчёта, движущейся ускоренно относительно абсолютного пространства, появляются силы инерции. Силы инерции, по утверждению Ньютона, физически доказывают существование абсолютного пространства.

Трудно представить более простой, наглядный и убедительный опыт по демонстрации действия центробежных сил инерции во вращающейся относительно абсолютного пространства системе отсчёта, чем предложенный Ньютоном – вращение подвешенного на верёвке ведра с водой.

В XVIII веке Л.Эйлер развил идею Декарта о пространстве сплошь заполненном материей и, основываясь на законах механики Ньютона, вывел дифференциальные уравнения равновесия и движения сплошной среды, безупречные с математической точки зрения. Он указал интегралы уравнений движения сплошной среды и сформулировал закон сохранения массы применительно к текучей сплошной среде.

Развивая идеи Эйлера, Ж.Лагранж подробно рассмотрел два разных аналитических метода исследования движения сплошных сред, из которых один получил в дальнейшем наименование метода Лагранжа, а другой – метода Эйлера.

При лагранжевом задании движения среды скорости и ускорения точек среды определяются обычными для кинематики дискретной системы равенствами. В соответствии с методом Лагранжа каждой механической системе, под которой понимается совокупность материальных точек, сопоставляется т.н. функция Лагранжа, определяемая как разность между кинетической и потенциальной энергиями системы. Метод Лагранжа и функция Лагранжа в настоящее время широко используются в квантовых теориях физических полей.

Метод Эйлера нашёл широчайшее применение в механике сплошных сред, в частности, в гидромеханике. Кинематика движения сплошной среды в методе Эйлера определяется заданием поля скоростей в фиксированных точках абсолютного ньютонова пространства, при зтом вводится важное понятие о линиях тока, как линиях, вдоль которых в данный момент времени векторы скорости направлены по касательным к ним в каждой точке. При стационарности поля скоростей линии тока совпадают с траекториями частиц.

В 60-е годы XIX века Д.Максвелл разработал теорию электромагнитного поля, представляющую собой теорию сплошной среды, обладающей электрическими и магнитными свойствами. Система дифференциальных уравнений электромагнитного поля Максвелла математически аналогична системе дифференциальных уравнений равновесия и движения сплошной среды Эйлера в форме, представленной Громекой и Лембом. Уравнения Эйлера выражают взаимосвязь кинематических и динамических характеристик поля единичных масс, уравнения Максвелла – взаимосвязь характеристик поля единичных электрических зарядов. Отмеченная аналогия указывает на независящее от пространственных и временных масштабов математическое единство закономерностей движения сплошных сред, обладающих различными свойствами.

В начале XX века А.Эйнштейном была разработана теория относительности. Теория Эйнштейна отрицает существование абсолютного пространства, абсолютного времени и абсолютного движения. Согласно теории, при переходе в движущуюся систему координат меняются длины и массы движущихся тел, меняется течение времени, исчезает понятие одновременности, а геометрия пространства зависит от распределения в нём материи.

В ряду физических теорий теория относительности стоит особняком. Для любой теории возникновение даже единственного парадокса рассматривается как наличие внутреннего противоречия, ставящего под сомнение справедливость теории. Теория относительности, в которой смешаны в единое пространство и время, гравитация и инерция, энергия и масса, масса и ускорение (в этой теории массу делят на Лоренц-фактор ускорения, а полученное нечто, неподдающееся определению, называют массой движения), неисчерпаема на парадоксы [3], [4]. Многочисленные парадоксы теории относительности её апологетами кокетливо трактуются как доказательство уникальности и особого совершенства теории.