О единстве отталкивания и тяготения в теории поля

О единстве отталкивания и тяготения в теории поля

В. Гузей

Во всех существующих космологических моделях принимается, что материя Вселенной либо разлетается в бесконечность, либо циклически то разлетается, то сжимается. При этом с одной стороны, считается, что глубокие видоизменения материи происходили только на самых ранних стадиях "взрыва", а сейчас происходит только механическое разлетание "кусков" материи. С другой стороны, считается, что наша Вселенная – единственная в своём роде, возникла из первичного взрыва, заключает в себе всё, что есть в этом мире, и ничего больше кроме неё нет.

Рассмотрим два этих аспекта. При этом будем исходить из того факта, что скорость распространения электромагнитных колебаний (скорость света) напрямую зависит от величины гравитационного потенциала в данной точке пространства [1]. Ясно, что, если бы Вселенная имела четкую границу и ничего за ней не было бы, то она могла бы расширяться вовне с бесконечной скоростью. Ведь материя и гравитационный потенциал были бы только позади, внутри Вселенной, а спереди фронта расширения Вселенной, вне её, никакого гравитационного потенциала не было бы. Не может же материя формировать свойства среды впереди светового луча, летящего с максимально возможной в данном месте скоростью. Поезд не прокладывает рельсы перед собой. А поскольку Вселенная расширяется с определенной конечной скоростью, то понятно, что фронт её расширения проникает вперёд в материальном поле, уже сформировавшемся задолго до этого и имеющем определённый гравитационный потенциал (инерционность, упругость, диэлектрическую и магнитную проницаемость). Не будь его – пространственно-временной градиент скорости света был бы выражен гораздо заметнее.

Следует признать, что расширение Вселенной происходит в уже сформировавшемся поле с определённым гравитационным потенциалом, образованным другими вселенными, находящимися за пределами нашей Вселенной. Величина гравитационного потенциала в каждой точке внутри нашей Вселенной складывается, таким образом, из собственного гравитационного потенциала Вселенной, "нулевого" внешнего потенциала и местного гравитационного потенциала, образованного близко расположенными массивными телами.

С другой стороны, если бы Вселенная была замкнутой системой, не излучающей и не обменивающейся энергией с внешним миром, то не существовало бы вообще внутреннего давления и гравитационного потенциала.

Каждая элементарная частица (здесь и далее под частицами будут подразумеваться нуклоны – протоны и нейтроны, как наиболее распространённые элементарные частицы Вселенной) колеблется с частотой:

ν = mc2/h (1)

где: ν, m – частота и масса частицы, c – скорость света, h – постоянная Планка.

Если бы частица была одна во всем мире, то она быстро излучила бы свою энергию и диффундировала в бесконечность. Однако вокруг неё находится около 1080 других таких же частиц Вселенной [2], которые, в свою очередь, тоже колеблются и излучают энергию. В полностью замкнутой системе энергия, излучаемая одной частицей, поглощалась бы всеми другими частицами. В свою очередь, каждая частица поглощала бы свою часть энергии, излучаемой всеми другими частицами ( известно, что частица, находящаяся в поле с определённым потенциалом φ, приобретает кроме внутренней энергии дополнительную энергию, пропорциональную величине потенциала поля [1] ). В результате, сохранялся бы полный баланс излучаемой и поглощаемой энергий.

Приняв же, что наша Вселенная является хотя бы частично открытой системой, которая, расширяясь, излучает часть своей потенциальной энергии вовне, следует принять, что и для каждой отдельной частицы энергетический баланс нарушается. Разница между поглощенной и излучаемой энергиями должна при этом составлять для одной частицы 10-80 часть потенциальной энергии, излучаемой в результате расширения Вселенной.

Частица совершает одно колебание за время:

tn = r/c = h/mc2 = 4,41·10-23 с (2)

где: r – радиус частицы.

За этот период времени Вселенная успевает расшириться, плотность материи (а, следовательно, и гравитационный потенциал) несколько снижается. Следовательно, каждое следующее колебание частицы происходит уже в иных внешних условиях, чем предыдущее, что и приводит к дисбалансу излучаемой и поглощаемой энергий. Естественно, что при этом частицы реагируют на внешнее изменение потенциала поля с запаздыванием во времени, вызванным предельной скоростью распространения сигналов [1]. Именно эффект этого запаздывания ведёт к повышению инерционности в процессе расширения и излучения между микроуровнем (частицы) и макроуровнем (Вселенная), что приводит к появлению внутреннего давления во Вселенной. С каждым колебанием частица теряет часть своей энергии. Складываясь с энергией, излучаемой всеми другими частицами Вселенной, это излучение создаёт общее давление – силу, приводящую к ускоренному расширению Вселенной.

Какая часть энергии теряется за время одного периода колебания частицы? Соотнесём период одного колебания частицы с периодом расширения Вселенной Т:

tn/Т = hχ/mc2 = 6,87·10-42 (3)

где: χ – постоянная расширения Вселенной, Хаббла.

Оценим величину силы, приводящей к расширению Вселенной:

F = P·S = (Mc2/3V)·4πR2 = Mc2/R = Mcχ (4)

где: P, M, V, R, S – соответственно, давление, масса, объем, радиус (c/χ), площадь видимого горизонта Вселенной; cχ – ускорение расширения видимого горизонта Вселенной, а также – всех расстояний и размеров внутри Вселенной. При этом, видимый горизонт в период расширения Вселенной всегда меньше фронта расширения Вселенной, поскольку в этот период потенциал поля внутри Вселенной выше внешнего, а скорость света, соответственно, ниже. Хотя о резком фронте говорить нельзя. Это должна быть довольно широкая полоса, в несколько раз больше видимого горизонта, с постепенным спаданием плотности и потенциала поля вплоть до выравнивания его с внешним потенциалом.

Сила излучения одной частицы составляет:

f = F·(m/M) = mcχ (5)

Энергия волны, излучаемой при этом частицей, равна:

en = f·r = mcχ·(h/mc) = hχ (6)

Какую часть общей энергии частицы, с которой она колеблется, составляет эта энергия?:

en/mc2 = hχ/mc2 = χ/ν = r/R (7)

Как видим, эта величина совпадает с величиной, полученной в формуле 3. Также прослеживается зависимость между излучением частицы, параметрами Вселенной и её расширением.

Для уточнения смысла величины hχ, полученной в уравнении 6, воспользуемся формулой, приведенной в [1], о зависимости частоты волны от величины гравитационного потенциала поля, через которое проходит волна:

ΔE = h·(ν1 – ν2) = hν1·(φ1 – φ2)/c2 (8)

где: ν1 и ν2 – частота волны в двух точках поля с гравитационным потенциалом, равным, соответственно, φ1 и φ2, который в свою очередь, является функцией определённой переменной характеристики поля.

Для нашего случая такой переменной примем уменьшающуюся во времени плотность Вселенной:

φ =  ( (t)) (9)

В этом случае формула 8 примет вид:

ΔE = hν · k( 0 -  t)/c2 = 3kE0(M/R03 - M/Rt3)/4πc2 (10)

где: k – коэффициент пропорциональности; R0 и Rt – исходный (от некоторого выбранного момента времени) и текущий радиусы видимого горизонта Вселенной.

При этом:

Rt = R0 + ct = c/χ + ct = R0(1 + χt) (11)

Отсюда:

ΔE = 3kE0M((Rt3-R03)/Rt3)/4πR03c2 = kE0 0(((1+χt)3 -1)/( 1+χt)3)/c2 (12)

После преобразований и отбрасывания близких к нулю сомножителей высших степеней, получаем:

ΔE = 3kE0 0χt /c2 (13)

Таким образом, расширение Вселенной, приводя к снижению плотности материи и снижению величины общего гравитационного потенциала поля внутри Вселенной, ведёт к потере энергии у каждого электромагнитного колебания, создавая, с другой стороны, общее давление излучения этой энергии. Отсюда, и каждая частица, как замкнутое электромагнитное колебание, постоянно теряет свою энергию. Для одной частицы, исходя из формулы 13:

ΔE = 3km 0χt (14)

За время одного колебания частицы, согласно формулам 2 и 6:

ΔE = 3k 0 (hχ)/c2 = 3k 0en/c2 (15)

Если принять, что ΔE = en, то:

k = c2/3 0 (16)

Подставив это значение в формулы 13 и 14, получаем:

ΔE = E0 χt (17)

или:

Et = E0 (1 – χt) (18)

а отсюда:

νt = ν0 (1 – χt) (19)

mt = m0 (1 – χt) (20)

Mt = M0 (1 – χt) (21)

То есть, в процессе расширения Вселенной идёт постоянная потеря её потенциальной энергии и массы, переход их в излучение и кинетическую энергию ускорения внутреннего расширения.

Исходя из формулы 21, следует подкорректировать формулы 13-16. Выводя формулу 13, мы приняли сумму масс внутри видимого горизонта Вселенной M постоянной. Подставив в формулу 10 значение M(t) из формулы 21, получим для формулы 13:

ΔE = 4kE0 0χt /c2 (22)

Формула 19 даёт объяснение свойств волны излучения частицы en = hχ, период колебания которой 1/χ равен времени расширения Вселенной.

Частица колеблется с внутренней длиной волны, равной её радиусу. Однако, исходя из формулы 19, каждое следующее колебание отличается от предыдущего на величину χt. Следовательно, на внутреннее колебание частицы накладывается частотно модулированная волна, как бы веером разворачивающаяся до размеров видимого горизонта Вселенной. Именно эта волна становится внешней волной излучения частицы.

Излучение всех частиц Вселенной, складываясь, образует общее излучение Вселенной вовне под действием её расширения. Как и в случае с отдельной частицей, излучение Вселенной при её расширении можно рассматривать как результат превышения внутреннего потенциала поля (давления излучения) Вселенной над внешним потенциалом поля вне Вселенной. Процесс её ускоренного расширения с переходом потенциальной энергии в кинетическую приводит нас к модели Вселенной с синусоидальным колебательным характером её развития во времени – подобно процессу, происходящему внутри отдельной частицы.

Нынешнее состояние осциллирующей Вселенной на графике, приведенном в рис.1, находится в точке t2:



Рис.1. Изменение плотности Вселенной и гравитационного потенциала во времени 

На данном графике: время (to - t5) – это период одного полного колебания Вселенной; (t1 – t2) – период расширения Вселенной до сегодняшнего дня; точка (t1,  max) – тот момент, который многие ученые называют "большим взрывом", хотя он таковым совсем не является, а есть моментом максимального сжатия материи Вселенной; (t2 – t3) – период постепенного излучения всей потенциальной энергии частиц Вселенной до достижения "нулевой" плотности вещества (т.е., выравнивания величины потенциала поля внутри Вселенной и вне её) и переход всей потенциальной энергии в кинетическую с максимальной скоростью расширения Вселенной; (t3 – t4) – период торможения и образования анти-Вселенной с антивеществом до достижения максимума амплитуды отрицательного (по отношению к величине внешнего) потенциала поля и максимальной плотности сжатия антивещества; (t4 – t5) – период фактически ничем не отличающийся от нынешнего периода с ускоренным расширением анти-Вселенной и переходом антивещества в излучение и ростом кинетической энергии.

Цикл одного колебания Вселенной на этом завершится, при этом очевидно, что небольшая часть энергии Вселенной уйдет вовне безвозвратно, т.к. в результате определённых процессов вне Вселенной за время одного её колебания потенциал внешнего поля успеет на некоторую величину измениться.

Поскольку видимый горизонт Вселенной расширяется с ускорением, то должна изменяться и скорость света, с которой он расширяется:

ct = co + coχt = co(1 + χt) (23)

Исходя из такой зависимости, за 20 лет скорость света должна увеличиваться на 1 см/с. К сожалению, нынешняя точность измерения скорости света не позволяет пока что уловить это ускорение.

При этом, исходя из теории относительности, следует учитывать, в какой системе координат мы рассматриваем процесс расширения Вселенной. Если его рассматривать с точки зрения наблюдателя, находящегося внутри Вселенной, то расширение будет ускоренным с увеличением величины ускорения. Это связанно с тем, что падение величины общего гравитационного потенциала при расширении Вселенной ведёт к местному ускорению хода времени и скорости света. Если же за процессом расширения Вселенной наблюдать с точки зрения внешнего наблюдателя, имеющего стабильную (по отношению ко Вселенной) шкалу времени и скорость света, то расширение Вселенной для него будет протекать в соответствии с законами гармонического колебания, когда при ускорении расширения будет снижаться величина ускорения.

О том, каким образом потенциал поля излучающей материи, создавая давление и приводя к расширению Вселенной, в то же время приводит и к притяжению тел, более подробно описано в работах [3, 4].

Можно повторить, что давление внутри Вселенной, состоящее из суммы давления Вселенной и внешнего давления, благодаря взаимному экранированию двух частиц от этого давления, приводит к их сближению, подобному конденсации. Таким же образом, под действием внешнего давления, формируются параметры Вселенной в целом. Поэтому потенциал поля, являющийся с одной стороны, потенциалом давления излучения, ведущего к общему расширению Вселенной, с другой стороны, является гравитационным потенциалом, ведущим к сближению отдельных тел (а вернее – частиц, их составляющих).

Поскольку частица имеет две частоты колебания hν и hχ, то у неё и два радиуса. Первый радиус r, равный h/mc, в пределах которого происходит колебание частицы на основной частоте. Второй радиус:

ref = √(2Gm/cχ) (24)

где: G – гравитационная постоянная.

ref – это радиус сферы, на границе которой потенциал излучения частицы становится равным потенциалу поля Вселенной, а внутренний гравитационный потенциал между двумя частицами на этом расстоянии в два раза меньше потенциала внешнего излучения частицы (по видимому, это связано с теоремой вириала). При этом:

ref = r√(2/α) (25)

где: α – постоянная тонкой структуры.

Соответственно, потенциал поля на границе сферы радиуса r в 2/α раз больше, чем средний гравитационный потенциал Вселенной за пределами сферы радиуса ref.

В пределах сферы радиуса ref происходит изменение параметров поля и метрики пространства, торможение скорости света и частичное поглощение внешнего излучения, что приводит к эффекту экранирования гравитационного поля Вселенной.

Почему электромагнитное колебание с длиной волны λ = r = h/mc становится замкнутым (поляризованным в трёх плоскостях), образуя вещественную частицу?

Из оптики известно [5], что при переходе электромагнитной волны из среды с более высокой оптической плотностью в среду с меньшей оптической плотностью, т.е. когда:

n12 = n2/n1 = √(ε2μ2/ε1μ1) < 1 (26)

где: n – оптическая плотность соответствующей среды; ε – диэлектрическая проницаемость; μ – магнитная проницаемость;

существуют условия (когда угол падения превышает критическое значение), при которых падающая на поверхность раздела сред волна не переходит во вторую среду, а полностью отражается в первую среду. Это явление называется полным внутренним отражением. При этом, правда, часть энергии проникает во вторую среду и небольшой объём поля вдоль поверхности раздела сред приобретает потенциал, отличающийся от нуля. Но усреднено, за большой промежуток времени, поток энергии во вторую среду отсутствует. Во второй среде вдоль поверхности раздела бежит определённая сложная волна. В направлении, нормальном к поверхности раздела, энергия перемещается возвратно-поступательно с экспоненциальным падением амплитуды на глубину, не превышающую λ/2π.

При столкновении двух достаточно мощных электромагнитных квантов с энергией более mc2 и обладающих гораздо более высоким потенциалом поля по сравнению с потенциалом окружающей среды, может образоваться волновой вихрь в ограниченном объёме пространства. Если потенциал поля, а, следовательно, и оптическая плотность внутри объёма этого волнового вихря будут превышать определённую величину, то создаются условия для возникновения эффекта полного внутреннего отражения. В этом случае волновой вихрь замкнётся сам на себя, образуя замкнутое электромагнитное колебание, поляризованное в трёх плоскостях. Если бы не было расширения Вселенной, как уже говорилось в начале статьи, то частица была бы подобна "чёрной дыре". Но, поскольку из-за постоянного падения потенциала поля во второй среде (Вселенной), частица постепенно теряет свою энергию, то она больше похожа на слабо светящуюся "шаровую молнию".

Подобная модель применима и для Вселенной в целом. Она также может быть таким оптически замкнутым образованием, внутри которого происходит перемещение амплитуд максимальной плотности и максимального разрежения. В таком случае половину объёма этой замкнутой сферы каждый момент времени занимает Вселенная, а половину – анти-Вселенная, и они постепенно пространственно меняются местами.

Как уже говорилось, при полном внутреннем отражении часть энергии проникает во вторую среду, создавая на поверхности раздела сред бегущую волну. Такой же эффект должен наблюдаться и на поверхности частицы. Пульсации этих колебаний могут распространяться от поверхности частицы на расстояние:

Δr = r/2π ≈ 0,21∙10-13 cм (27)

При этом опять же из оптики известно, что, если на расстояние, меньшее, чем λ/2π, поместить ещё одну среду с высокой оптической плотностью, то первая и третья среды будут обмениваться энергией, переходящей туда и обратно через среду с низкой оптической плотностью. Таким же образом, если сблизить две частицы на расстояние между их центрами, не более:

rя = 2r + Δr = 2,85∙10-13 cм (28)

где: rя/2 ≈ 1,4∙10-13 cм – радиус действия ядерных сил;

то они также начнут обмениваться энергией, величина которой будет составлять:

eπ = mc2/2π (29)

Фактически две частицы будут обмениваться примерно 1/6 частью своей массы, что в электронных единицах массы составит около:

mπ = 1836/2π ≈ 290 (30)

что очень близко к массе π-мезона.

Как уже говорилось, при столкновении мощных квантов возможно образование частиц (исходя из принципа зарядовой симметрии, это может быть либо пара протон-антипротон, либо нейтрон, либо пара протон-электрон). Образование нейтрона, исходя из принципа Ле-Шателье, возможно при наличии в ближайшем окружении большого количества протонов или электронов (как продуктов реакции распада нейтрона). Образовавшиеся пары протон-антипротон будут снова аннигилировать, а нейтроны с временем распадаться на протоны и электроны. В период сжатия Вселенной баланс синтеза стабильных частиц будет на величину 1 + χt превышать сумму процессов образования-аннигиляции пар, что будет приводить к постепенному росту массы вещества во Вселенной, а в период расширения Вселенной, наоборот, процессы распада превалируют над процессами синтеза, приводя, наравне с процессом общего излучения частиц, к снижению массы вещества во Вселенной.

Электрон является "рудиментом" анти-Вселенной. По мере приближения к точке t3 (рис.1) масса протона постепенно падает, а масса электрона – растёт. В точке t3, когда все массы переходят в линейное излучение, массы положительных и отрицательных зарядов, естественно, сравниваются, а при образовании анти-Вселенной то, что называлось электроном, переходит в антипротон, постепенно растущий в массе. То, что называлось протоном, становится позитроном.

По мере приближения к точкам t1 и t4 масса электрона (позитрона) стремится к нулю, а протоны (антипротоны) постепенно переходят в становящиеся все более стабильными нейтроны (антинейтроны), что соответствует состоянию Вселенной в виде огромной нейтронной звезды.

Количество "рудиментарного" антивещества во Вселенной должно постепенно изменяться во времени и быть равным по отношению к количеству вещества в соотношении, равном на сегодняшний день:

me/m = 5,444∙10-4 (31)

где: me – масса электрона.

Это соотношение можно было бы проверить на орбитальных станциях по соотношению количества античастиц и частиц в космических лучах. Изменение этого соотношения во времени можно было бы зарегистрировать, исходя из формулы:

m/me = n/ñ = 1836,7((1-χt)/1+χt)) ≈ 1836,7(1-2χt) (32)

где: n и ñ – соответственно, количество частиц и античастиц в космических лучах.

Однако, для подтверждения столь малых изменений, необходимо как можно более точно измерить нынешнее соотношение m/me или n/ñ, При установлении этого соотношения с точностью до шестого знака, разницу в изменении последнего знака можно было бы обнаружить за 5 лет, а в седьмом знаке – за пол-года. 

Список литературы

Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М., Теория поля, -М.: Наука, 1975; 

Зельдович Я.Б., Новиков И.Д., Строение и эволюция Вселенной, -М.: Наука, 1976; 

Гузей В.И., Концептуальные заметки к созданию единой теории поля, -Киев: Quick Print, ISBN 966-95141-4-2, 1997, http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/6248.html ; 

Гузей В.И., Шкала Вселенной, 2001 http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/6433.html ; 

Борн М., Вольф Э., Основы оптики, -М.: Наука, 1973; 

Киттель Ч., Найт У., Рудерман М., Механика, БКФ, т.1, -М.: Наука, 1975; 

Крауфорд Ф., Волны, БКФ, т.3, -М.: Наука, 1973; 

Вихман Э., Квантовая физика, БКФ, т.4, -М.: Наука, 1974; 

Владимиров Ю.С., Мицкевич Н.В., Хорски Я. Пространство, время, гравитация, -М.: Наука, 1984.