книги / Физика и философия подобия от преонов до метагалактик

в) Реликтовое излучение.

Вторым по важности после красного смещения спектров является открытие в 1964 году Арно Пензиасом и Робертом Вилсоном изотропного микроволнового (реликтового) фонового излучения, вариации изотропии которого не превышают 0,5 %. В настоящее время спектр фонового излучения хорошо исследован в диапазоне от 3 мм до 21 см и представляет из себя спектр черного тела со средней температурой 2,726 К. Плотность энергии, соответствующая данной температуре, по (171) равна:

здесь £ - плотность энергии,

а- постоянная плотности излучения,

Т—температура излучения.

Необходимо отметить, что плотность энергии фонового излучения достаточно велика. Допустим, что средняя плотность вещества в Метагалактике равна 4,2-1(Г28кг/м3. Тогда на каждый килограмм вещества приходится 10м Дж,что доста­ точно, чтобы нагреть это вещество до температуры 4 -109 К.

С помощью закона смещения Вина можно найти длину волны, на которую при­ ходится максимум чернотельного излучения, среднюю энергию фотона и среднюю концентрацию фотонов в пространстве:

"лаг

G= — = 2,2-10* и '3.

*w

Реальная концентрация фотонов близка к величине 4* 108 м~3, поскольку сущест­ вует много фотонов с энергией, меньшей чем W.

Измерения температуры показывают, что в направлении созвездия Льва фоновое излучение горячее, а в направлении созвездия Водолея - холоднее, с общей разни­ цей температур около 7* 1(Г3 К. Это можно объяснить, если считать, что Земля дви­ жется относительно источников фонового излучения со скоростью 360 —400 км/с, а возникновение разницы температур происходит за счет эффекта Допплера (смотри

§42, пункт в)).

Втеории Большого взрыва фоновое излучение называется реликтовым, поскольку считается, что оно является остатком высокотемпературного излучения, охладившегося в результате расширения с момента Большого взрыва.

Вкачестве альтернативы рассмотрим другой возможный источник фонового из­ лучения. Предположим, что выполняются следующие исходные положения:

1.Все вещество Метагалактики (все нуклоны) испытало хотя бы один акт бета-распада. В простейшем случае каждый протон образовался при бета-распаде свободного нейтрона (среднее время жизни свободного нейтрона составляет около 15,3 минуты) с испусканием антинейтрино.

2.Антинейтрино и нейтрино, образующиеся при слабых взаимодействиях, представляют собой пучки более мелких возбужденных частиц - преонов, которые с течением времени рождают фотоны микроволнового фонового излучения.

3.Распределение преонов в пространстве изотропно, откуда вытекает изотропность фонового излучения. Некоторой аналогией являются космические

спектром энергии, такой же спектр получается и у фотонов фонового излучения.

Тогда при каждом бета-распаде нейтрона образуется один протон, один электрон и некоторое количество возбужденных преонов, рождающих со временем фотоны. Суммарная энергия этих фотонов равна суммарной энергии возбуждения преонов или средней энергии одного антинейтрино при бета-распаде. Если обозначить сред­ нюю энергию антинейтрино через Ev, то среднее количество «активных» преонов при

одном бета-распаде равно среднему количеству фотонов:

гдеСф —концентрация фотонов в Метагалактике, G—концентрация вещества,

р - плотность вещества,

Mv = 1,66*1(Г27 кг —атомная единица массы, £ - плотность энергии фонового излучения,

W —средняя энергия одного фотона фонового излучения.

Сравнивая (352) и (353), можно приблизительно оценить плотность вещества

Согласно [19], средняя энергия антинейтрино при бета-распаде нейтрона равна:

Подставляя это значение в (354) с учетом (350), находим:

р = 9*10~28 кг/м3,

что действительно близко к наблюдаемой плотности вещества Метагалактики. Из (351), (352), (355) можно найти среднее количество возбужденных преонов в

гут составлять протон. Следовательно, и протон, и нейтрон, и нейтрино скорее всего состоят из одних и тех же частиц —преонов.

В работе [261] указывается, что скорость счета солнечных нейтрино перхлорэтиленовым детектором в эксперименте Дэвиса имеет явную антикорелляцию с солнеч­ ным циклом. Для объяснения этого явления авторы [41] предполагают наличие у электронного нейтрино магнитного момента величиной 10"1 - 10“10 магнетона Бора. Тогда из-за прецессии такого магнитного момента в магнитном поле Солнца ожида­ ется частичная деполяризация и стерилизация нейтрино. Вследствие этого

МРГ = 8,15*109 Мс. Как раз в этой области масс согласно наблюдениям исчезают небо­ льшие спиральные галактики, заменяясь при меньших массах на карликовые галакти­ ки, являющиеся аналогами электронов и планет. Массы больших эллиптических галактик с учетом подобия соответствуют массам самых тяжелых нуклидов химиче­ ских элементов и самым массивным звездам.

4. В пылинках и галактиках можно выделить по крайней мере 4 типа подобия:

-количество атомов в пылинках равно количеству звезд в соответствующих галактиках;

-формы и структура пылинок и галактик близки друг к другу;

-химический состав пылинок и галактик одинаков, если уподобить звезды в галактиках тем химическим элементам, которым они соответствуют по своей массе;

-наличие магнитных моментов, поддерживаемых разными механизмами.

5.Исходя из относительной энергии связи, большинство галактик можно уподо­ бить звездам главной последовательности.

6.Формулы для оценки полной энергии звезд главной последовательности и галактик (298) приблизительно совпадают.

7.Для описания звезд главной последовательности необходимы две характерные величины кванта действия:

hs = 2,8*1041 Дж*с - звездная постоянная (98),

Ь0 = 3,4-1056 Дж-с - орбитальная постоянная, характеризующая вращение звезд

вГалактике.

8.Зависимости спина от массы для галактик и планетных систем звезд, для карликовых галактик и планет Солнечной системы близки друг к другу, что говорит о подобии этих систем.

9.Различные оценки характерного момента импульса для нашей Галактики дают величину порядка 1068 Дж с.

10.Все вырожденные звезды минимальной массы имеют характерный спин, близ­ кий к звездной постоянной hs = 2я hs .

11.Между условной внутренней и поверхностной энтропиями черной дыры S g и SJJJ существует соотношение: Sm = У S], где У= 2,39 • 10"15 К/Дж.

12.Сравнивая степень упаковки атомов в твердом теле и галактик в Метагалакти­ ке, можно сделать вывод о том, что Метагалактика представляет из себя своеобразное твердое тело, удерживаемое гравитационными силами и вращением.

13.Вдополнение к космологическому принципу Эйнштейна вводятся следующие принципы, подчеркивающие основные черты эволюции Вселенной:

-принцип движения: все обьекгы Вселенной обладают движением, в том числе вращательным, при этом с течением времени характерные спины объектов уменьша­ ются до минимально возможных значений;

-принцип подобия: обьекгы Вселенной можно расположить по ступеням так, что они будут подобны друг другу в отношении массы и размеров. Отсюда вытекает возможность описания полной энергии объектов одной и той же формулой

«Вселенная есть суперсистема из вложенных друг в друга, подобных друг другу и взаимодействующих между собой систем объектов - носителей материи»;

—принцип стабильности: стабильность рождающихся объектов возможна лишь в таких движениях, относительные скорости которых не превышают характерной ско­ рости Сх этих объектов;

—принцип дополнительности, по которому объекты каждой ступени лестницы материи делятся на 2 класса - основные обьекты и дополнительные объекты (спутники). Принцип дополнительности работает не только в отношении массы и размеров объектов, но и в отношении других качеств, например, вещество - антивещество, волновые и корпускулярные свойства и так далее;

—принцип направленности эволюции, согласно которому эволюция Вселенной происходит таким образом, что каждая группа ее объектов образуется как в ходе не­ обратимого коллапса из более мелких объектов с выделением энергии связи, так и в процессах рассеяния вещества, причем полная энергия всех стабильных объектов с учетом энергии квантов поля равна суммарной энергии окружающего их фона.

14.Предложена космологическая модель сжимающейся Метагалактики, соответ­ ствующая космологическим принципам § 37. Вданной модели автоматически снима­ ются проблемы, характерные для теории Большого взрыва. Для объяснения содержания гелия и тяжелых элементов привлекается процесс нуклеосинтеза в пер­ вичных массивных звездах, взрывающихся как сверхновые.

15.Исходя из второго начала термодинамики сделан вывод о том, что энергии фо­ тонов (электромагнитных волн) в космологическом пространстве должны уменьша­ ться экспоненциально пропорционально времени движения фотона. Это позволяет описать красное смещение спектров далеких галактик, не прибегая к гипотезе разбегания галактик и эффекту Допплера.

16.Для объяснения реликтового фонового излучения предложены две гипотезы, связывающие фоновое излучение либо с образованием антинейтрино при бетараспаде нейтрона, либо с выделением энергии связи при образовании нуклонов из ок­ ружающей среды (из физического вакуума). Выведена формула (354), связывающая среднюю плотность вещества Метагалактики с плотностью энергии фонового релик­ тового излучения. Оценка количества частиц в нейтроне, связанных с фоновым излу­

чением, дает величину N > 108, а число вырожденных частиц в протоне ~ Ю10 с точностью до коэффициента порядка 10. Полученные результаты указывают на то, что нейтрино и нуклоны состоят из одних и техже частиц (преонов) также, как обыч­ ное вещество, планеты и звезды состоят из ядер и нуклонов.

ЧАСТЬ 4.

ФИЗИКО-ФИЛОСОФСКИЕ ПРОБЛЕМЫ

Глава 7. Основания физики

§40. Предмет физики

Впериод 1890 — 1912 гг. в физике были сделаны величайшие революционные от­ крытия [71]: в 1895 г. В. К. Рентген открыл новый вид лучей, названных впоследст­ вии его именем; в 1896 г. А. Беккерель обнаружил явление радиоактивности; в 1897 г. Дж. Дж. Томсон открыл электрон; в 1900 г. М. Планк пришел к первой формулиров­ ке теории квантов; в 1905 г. А. Эйнштейн предложил специальную теорию относите­ льности. К достижениям физиков-экспериментаторов следует отнести создание радиосвязи А, С. Поповым в 1895 г., экспериментальное измерение давления света

П.Н. Лебедевым в 1899 г., изобретение вакуумного диода Дж. А. Флемингом в 1904 г., отождествление альфа-частиц с ядрами атома гелия Резерфордом и Ройдсом в 1909 г., открытие сверхпроводимости X. Камерлинг-Онессом в 1911 г.

На Первом Сольвеевском конгрессе в Брюсселе в 1911 г. крупнейшими западно­ европейскими учеными было констатировано, что классическая физика не в состоя­ нии более адекватно интерпретировать новооткрытые явления. Выходами из тупика оказались квантовая механика и теория поля. Переход к новым идеям в описании природы вызвал к жизни следующий вопрос: какой подход является наиболее прави­ льным, целесообразным и достойным развития? В [228] А. Эйнштейн пишет, что «квантовая механика не выглядит способной дать фундамент, полезный для физи­ ки», из-за того, что она является статистической в своей основе. Далее можно найти следующее: «С другой стороны, теория поля до сих пор не в состоянии дать объясне­ ние молекулярной структуры материи и квантовых явлений...» «Пока мы должны признать, что не имеем для физики общей теоретической основы, которую можно было бы считать ее логическим фундаментом... » «Я еще верю в возможность созда­ ния модели, то есть теории, способной излагать сами сущности, а не только вероят­ ностные их проявления.»

Прежде чем обсуждать поставленный выше вопрос, сделаем историческое отсту­ пление и рассмотрим развитие основных направлений физических исследований.

Преимуществом классической механики является то, что если представлять реа­ льные объекты системами, состоящими из материальных точек (вспомним такие понятия, как идеальный газ, твердое тело), то можно получить идеальные физические законы, выполняющиеся для реальных тел с точностью, зависящей оттого, насколько они близки к своим идеальным моделям. Конечно, физические законы, как и матема­ тические теоремы, являются абсолютно строгими лишь в теории, а на практике часто получаются отклонения от теории, связанные с тем, что не совсем справедливы та или иная исходная аксиома или постулат. Например, при больших концентрациях атомов

имолекул в реальном газе нарушаются газовые законы из-за конечного размера

атомов, а в геометрии на поверхности шара сумма углов треугольника не равна л. В таких случаях в физике обычно вводятся соответствующие поправки на взаимодейст­ вие реальных частиц, отнюдь не являющихся материальными точками.

Установив законы движения материальной точки (кинематика и динамика Ньютона), механика перенесла некоторые свои понятия и на системы таких точек. Например, стационарное состояние идеального газа можно описать, зная его обьем, пространственную плотность и среднюю энергию частиц (или давление, температуру и молярный обьем).

их взаимной причинной связи, создание целостной картины мира, описание эволю­ ции отдельных объектов в пространстве-времени, то есть получение их координат в зависимости от времени при движении в пространстве, а также определение необхо­ димых параметров, характеризующих сущность объектов и систем (например, механическое напряжение в нагруженной балке, сила тока в цепи, давление газа, энергия тела и т. д .). Для материальной точки это можно сделать двумя способами: либо напрямую задать все действующие силы и использовать законы Ньютона, либо, зная зависимость всех видов энергии от координат и времени, получить уравнения движения с помощью вариационных принципов (например, используя принцип наименьшего действия).

Молекулярная физика, изучающая системы, состоящие из множества частиц, также использует два подхода: статистический метод, основанный на теории вероят­ ностей, и термодинамический метод, анализирующий превращения энергии. При­ менение статистического метода требует построения какой-либо конкретной модели строения тел и характера движения частиц, в то время как термодинамика оперирует только с макроскопическими характеристиками системы, используя свои законы (начала термодинамики).

Важным разделом классической механики является механика сплошных сред. Введение электрических и магнитных сил, действующих на заряженные частицы, расширило область применения механики, а установление законов генерации элект­ ромагнитных полей привело к созданию теории электродинамики Дж. Максвеллом в 1861 — 1873 гг. С этого момента понятие поля, наглядно изображавшегося М. Фарадеем силовыми линиями, окончательно входит в физику, являсь по Максвеллу «состоянием движения или напряжения среды».

Электромагнитное поле может быть охарактеризовано векторами электрической напряженности Е и магнитной индукции В с учетом удельной электропроводности и электрической и магнитной проницаемостей среды, где находится поле, что позво­ ляет определить силы, действующие на частицы. Другой подход заключается в зада­ нии скалярного <р и векторного А потенциалов, которые, как и потенциальная энергия частицы в гравитационном поле, определяются неоднозначно и требуют специальной нормировки.

Энергетический подход оказался очень удобным при построении общей теории относительности А. Эйнштейном в 1915 — 1916 гг. В этой теории эффективное искривление, метрика пространства определяется плотностью всех видов энергии и массы. В частности, если в какой-то области пространства присутствуют некоторые поля, но нет обычных массовых частиц, то в этой области все равно должны возникать гравитационные эффекты. Из равенства гравитационной и инертной масс и одинако­ вых ускорений тел в гравитационном поле следует, что вместо инерциальных систем отсчета можно рассматривать локально свободно падающие системы отсчета, кото­ рые все будут равноправны.

Явления фотоэффекта, теплового излучения черного тела, эффект Комптона, давление света, факт устойчивости атома, то есть все те явления, которые не могут быть объяснены в рамках обычной электронной теории и электродинамики, потре­ бовали введения в физику теории квантов. И снова мы встречаемся с двойственно­ стью методов описания движения, проявившейся в создании матричной механики В. Гейзенбергом в 1925 г. и волновой механики Э. Шредингером в 1926 г. В матрич­ ной механике каждой физической величине сопоставляется некоторая матрица, а в волновой механике — значения соответствующего оператора. Известное уравнение Шредингера позволяет находить волновую функцию в заданном силовом поле, то есть через определенные функции энергии, а уравнения Гейзенберга напоминают канонические уравнения Гамильтона и близки по смыслу к уравнениям для сил.

Зная волновую функцию, можно описать состояние микрообьекта, поскольку квадрат волновой функции дает вероятности значений тех величин, от которых она сама зависит.

Существенным вкладом в квантовую теорию явились открытие корпускуляр­ но-волнового дуализма частиц Луи де Бройлем в 1924 г ., принципа запрета В. Паули в 1925 г ., соотношения неопределенностей В. Гейзенбергом и обменных взаимодей­ ствий В. Гайтлером и Ф. Лондоном в 1927 г. Дальнейшее развитие теории квантов привело к созданию квантовой теории поля, основы которой были заложены ПДираком в 1927 г. его релятивистским уравнением для электрона. При этом кванто­ вое поле представляется в виде волн возбуждений (квазичастиц), которые могут рож­ даться и уничтожаться; вводятся понятия вакуумного состояния как одного из возможных состояний поля, виртуальных частиц, за счет которых происходит поля­ ризация вакуума и взаимодействие микрочастиц; вещество и поле становятся двумя сторонами единого квантового поля. В целом квантовая теория поля является синте­ зом квантовой механики, статистической физики, теории поля и теории относитель­ ности. Отметим, что характерной чертой всех современных физических теорий является то, что их основные уравнения удовлетворяют принципу релятивистской инвариантности, то есть инвариантности относительно преобразований Лоренца как следствие равноправия инерциальных систем отсчета в специальной теории относи­ тельности.

Вернемся теперь к вопросу о поисках теории, претендующей стать фундаментом физики, и рассмотрим недостатки в этом плане существующих теорий. Как класси­ ческая механика, так и ее релятивистское обобщение, сделанное А. Эйнштейном в специальной теории относительности (СТО), имеют ограничения в описании явле­ ний, связанные с идеализацией представления рассматриваемых объектов в виде ма­ териальных точек, абсолютно твердого тела и т. д. Игнорирование конкретных взаимодействий между частицами — материальными точками (чаще всего из-за сложности таких взаимодействий) не позволяет обычной механике быть полностью адекватной во всех ситуациях. Обычную механику можно сравнить с квантовой со­ гласно [151]: «Если классическая механика осуществляет пространственное разделе­ ние рассматриваемой физической системы на ее мельчайшие части и тем самым приводит движение произвольного материального тела к движениям его материаль­ ных точек, предполагаемых неизменными, т. е. к корпускулярной механике, то кван­ товая физика разбивает всякий процесс движения на отдельные периодические материальные волны, соответствующие собственным колебаниям и собственным функциям рассматриваемой системы и приводит тем самым к волновой механике. Поэтому в классической механике простейшее движение есть движение одной отде­ льной материальной точки, а в квантовой механике — движение одной простой пе­ риодической волны, и если первая трактует самое общее движение тела как совокупность движений его отдельных точек, то последняя рассматривает его как ре­ зультат взаимодействия всех возможных видов периодических волн материи.» «Если попытаться сформировать волновой пакет, соответствующий по размерам микрочастицам, то оказывается, что возникает связь между размерами пакета и его импульсом, то есть соотношение Гейзенберга ДхДр > Л.»

Основной принцип квантовой механики — принцип квантования энергии и дру­ гих физических величин — является следствием баланса разнополярных сил, дейст­ вующих в микрочастицах. Квантование имеет место и в классической механике — например, если в струне возбудить колебания, то она будет колебаться только на оп­ ределенных резонансных частотах. Полагая, что вещество состоит из множества ре­ зонаторов, квантовой (волновой) механике удалось объяснить основную часть макроскопических явлений, например, температурную зависимость теплоемкости