Физика и философия подобия

Сергей Федосин

Не секрет, что в современной физике, впрочем как и в любой другой науке, имеется немало вопросов, обычная интерпретация которых невзирая на все усилия оставляет еще желать лучшего. Чем дальше в своих исследованиях ученые уходят от нашего повседневного мира в области малых или больших температур, давлений, размеров объектов, времени протекания процессов, напряженностей полей и т.д., тем больше возникает проблем.

Например, в микромире желательно более подробно изучить структуру элементарных частиц, таких как лептоны, мезоны, нуклоны и их резонансы, понять свойства квантов поля типа нейтрино, фотонов и гипотетических пока гравитонов. Основной объем информации о труктуре частиц получают из опытов по рассеянию, когда одни частицы бомбардируются другими. Поскольку при этом и мишень, и снаряды не очень сильно отличаются по массам и размерам, приходится ускорять частицы до больших энергий, чтобы они могли глубже проникнуть друг в друга. Соответственно строятся все более мощные и дорогие ускорители, либо получают дальнейшее развитие эксперименты с высокоэнергичными космическими лучами. И всетаки этого недостаточно – также, сколько ни сталкивай между собой шарики, определить все свойства их вещества таким способом невозможно.

В целом для того «знать» объект, необходимо уяснить не только его структуру и функционирование его составных частей, но и эволюцию объекта во времени, то есть как он возник и по каким законам взаимодействует с окружением. По экспериментальным данным, время жизни протона составляет не менее 1030 лет. Поэтому физики молчаливо предполагают, что в настоящее время вещество, состоящее из протонов и нейтронов, уже не образуется, но было когда-то давно рождено единовременно и сразу во всей Вселенной из некоторого правещества сингулярного состояния в процессе его взрыва. Данный взгляд на развитие Вселенной имеет некоторые неразрешенные еще проблемы, не отвечая в полной мере на такие, например вопросы: Почему вещество в наблюдаемой нами части Вселенной преобладает над антивеществом? Как получилось, что отдаленные области пространства, заведомо не взаимодействующие друг с другом, имеют приблизительно одинаковую плотность вещества?

Почему геометрия пространства дальнего космоса близка к геометрии плоского пространства Евклида? Откуда вообще взялась сингулярность, да еще с такими непонятными свойствами: ее вещество должно было иметь большие начальные флуктуации и первичные вихри для того, чтобы можно было объяснить последующее возникновение и вращение галактик.

Интересно, что и вывод религии о божественном творении мира и теория рождения Вселенной из сингулярности имеют одно и то же свойство – никто не знает, что было до сотворения мира или до сингулярности соответственно. Не спасает положения и то, что все это происходило в далеком прошлом – все равно если допускать сингулярность как таковую, то это может стать тормозом в нашем познании законов эволюции материи.

Изучение достаточно больших систем сталкивается со своими специфическими трудностями. Допустим нам хочется узнать, в какой плоскости вращаются Большое и Малое Магеллановы Облака (это небольшие галактики-спутники) вокруг нашей Галактики. Но за все время астрономических наблюдений они сдвинулись относительно удаленных объектов на такой малый угол, что восстановить по этим данным их траекторию невозможно. В качестве другого примера возьмем красное смещение спектров от удаленных галактик, когда чем дальше находится галактика, тем больше происходит сдвиг ее спектральных линий в длинноволновую область. В результате наши приборы могут просто не почувствовать фотоны с малой энергией, приходящие от объектов, расположенных на краю Метагалактики. Таким образом оказывается, что заглянуть за пределы Метагалактики так же сложно, как и внутрь элементарных частиц.

Тем не менее, микро и макромиры, взятые как две философские противоположности, должны не только различаться, но и иметь между собой много общего. Если бы нам удалось сформулировать это общее в виде законов существования и развития, то можно было бы экстраполировать эти законы еще дальше вглубь или вширь – например, делать предположения о том, из чего состоят элементарные частицы или что находится вне Метагалактики.

Прежде чем рассматривать теорию подобия, пытающуюся навести мосты между микро и макромиром, полезно обратиться к понятию математической аналогии. Известно, что все десятичные дроби бывают либо периодическими, либо иррациональными. Так, если разделить 13 на 11, то найдем: 13:11 = 1,181818, то есть получается видимая закономерность – периодичность с периодом 18, и становится возможным определение значения данной дроби с любой степенью точности, не прибегая уже к дополнительным вычислениям. Для иррациональной дроби это не так – каждый ее следующий знак приходится вычислять отдельно, поскольку заранее он не известен (в этом легко убедиться, если начать вычислять квадратный корень из 2). По видимому не найдется такой области знаний, где бы закономерное не существовало бы рядом со случайным или хаотичным.

Теперь то самое время, когда можно задать вопрос: что может быть закономерного в распределении объектов в космосе, начиная от мельчайших частиц и вплоть до гигантских галактик? И вот оказывается, что определенные закономерности действительно есть.

Во-первых, все космические объекты можно разделить в следующие четко разделяющиеся группы: электроны, нуклоны и атомы; молекулярные комплексы; космическая пыль; микрометеориты; мелкие метеориты; метеориты; средние метеориты и кометы; крупные метеориты и кометы; малые астероиды, спутники, большие кометы; астероиды, спутники, малые планеты; большие планеты и нормальные звезды; большие звезды и скопления звезд; карликовые и нормальные галактики; скопления и сверхскопления галактик; Метагалактика.

Во-вторых, довольно-таки неожиданно выясняется, что указанные группы образуют геометрическую прогрессию в отношении своих масс и характерных размеров. Поясним это подробнее. Если взять геометрическую прогрессию: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, то по ней видно, что каждый последующий член можно найти из предыдущего умножением на 2. Здесь 2 – множитель прогрессии. Аналогично получается и для космических объектов – зная массы и размеры одной только группы, можно определить эти параметры и для любой другой группы объектов путем деления или умножения на известные множители прогрессии. И поскольку геометрическая прогрессия справедлива в таком большом диапазоне – от электронов до Метагалактики – то по методу индукции мы уже имеем основание для того, чтобы выйти за рамки известного и рассчитать например массы и размеры преонов, то есть таких мельчайших частиц, которых современная техника и почувствовать даже не может, но из которых, как предполагается, состоят элементарные частицы.

В-третьих, наличие групп космических объектов и определенных соотношений между их массами и размерами немедленно приводит к тому, что между различными группами могут быть установлены соотношения подобия. И вновь мы получаем достаточно нетривиальные результаты. Рассмотрим например подобие таких двух групп объектов, как атомы и звезды главной последовательности (последние составляют порядка 90% от всех наблюдаемых звезд).

Нетрудно заметить, что отношение масс между самыми тяжелыми и самыми легкими атомами приблизительно такое же, как и отношение масс между самыми массивными и самыми малыми звездами, то есть порядка 280. Это означает, что каждому химическому элементу как совокупности атомов определенного сорта можно поставить в соответствие звезды определенной массы. При этом электронам будут соответствовать планеты с массой, близкой к массе Урана. Сейчас только мы подходим к более интересным открытиям. Оказывается, что для звезд можно записать формулу, аналогичную знаменитой формуле Эйнштейна для массы и энергии! Если полная энергия атома записывается соотношением: E = mc2, где m – масса атома, с – скорость света, то полная энергия звезды главной последовательности с точностью до коэффициентов порядка единицы также равняется произведению массы звезды M на квадрат звездной скорости C, то есть E = MC2, причем C = 220 км/сек. Звездная скорость C дает нам оценку характерной скорости движения частиц внутри звезды, в то время как скорость света задает характерную скорость движения частиц внутри нуклонов, составляющих атомные ядра. К этому следует добавить, что скорости движения звезд в галактиках и скорости поверхностного вращения звезд вокруг своей собственной оси не превышают звездной скорости C, также как и скорости движения атомов никогда не превышают скорости света.

Другое наблюдение касается движения планет в Солнечной системе. С помощью астрономических данных нетрудно вычислить удельные орбитальные моменты механического движения у Меркурия, Венеры, Земли и так далее до Плутона, а также их спиновые моменты (имеется в виду вращение вокруг Солнца и вокруг собственной оси). Так вот, как это ни странно, значения этих моментов полностью укладываются в известную квантовую формулу Бора для орбитального движения электрона в атоме. Фактически это означает квантование орбит и удельных орбитальных моментов планет в Солнечной системе, причем для звезд и планет можно вычислить звездную постоянную момента импульса, аналогичную по смыслу постоянной Планка в квантовой механике.

Рассмотрим теперь магнитные свойства атомных ядер и звезд. Из наблюдений следует, что не только химические элементы соответствуют звездам определенной массы, но и магнитные свойства ядер этих элементов в определенной степени соответствуют магнитным свойствам звезд. Другими словами, так называемые магнитные звезды со значительными магнитными полями на своей поверхности вполне соответствуют по массе атомным ядрам с большими магнитными моментами.

Наконец, сравнение распространенности химических элементов в природе (на Солнце и в туманностях) с распространенностью звезд различных масс в нашей Галактике дает удивительный результат: данные распространенности оказываются практически идентичными.

Так, по данным спектрального анализа на поверхности Солнца атомов кислорода в 10 раз больше, чем атомов азота, причем кислород как известно тяжелее азота. Аналогично массивные звезды, соответствующие кислороду, гораздо более многочисленны, чем менее массивные звезды, соответствующие азоту.

Итак, мы показали основные черты подобия между атомами и звездами главной последовательности. Это подобие не может быть полным, поскольку атомы являются очень стабильными объектами, а обычные звезды эволюционируют и превращаются с течением времени в вырожденные объекты – белые карлики и нейтронные звезды. Именно нейтронные звезды ввиду их малых размеров (порядка 30 километров в диаметре), большой плотности, временной стабильности и сильного магнитного поля следует считать настоящими аналогами нуклонов – протонов и нейтронов. Совокупности нуклонов в атомах и молекулах образуют видимое нами вещество и точно также совокупности нейтронных звезд создают основу вещества, которое можно назвать звездной формой материи. В нашей Галактике это можно представить следующим образом: постепенно звезды будут приближаться к центру Галактики, из-за потери вращательного момента при взаимодействиях, превращаясь при этом в белые карлики и нейтронные звезды. Дальнейшие взаимодействия и сближения звезд уничтожат белые карлики как менее плотные объекты, так что останутся только нейтронные звезды и облака замагниченной плазмы вокруг них. Весьма вероятно возникновение двойных и кратных систем нейтронных звезд, подобных атомным ядрам. Наиболее интенсивно такие процессы идут в центральных областях галактик, так что наблюдаемые нами процессы в активных галактиках и квазарах с точки зрения энергетики вполне объясняются присутствием там достаточного количества нейтронных звезд.

Долговременная стабильность нейтронной звезды определяется тем, что силы гравитации уже не могут сжать ее вещество, являющееся нейтронной жидкостью и описываемое уравнениями состояния ядерного вещества. Известно, что между нуклонами действуют мощные силы сильного взаимодействия, во много раз превышающие электромагнитные или еще более слабые обычные гравитационные силы. Зададимся теперь следующими вопросами: Что удерживает тот же протон от распада при его многочисленных взаимодействиях с окружающей средой?

От чего зависит его целостность и огромная временная стабильность? Очевидно, что должна быть сила, притягивающая все его части друг к другу, которую можно назвать ядерной гравитацией. Принимая данное положение, можно вычислить постоянную ядерной гравитации, приравняв энергию покоя протона по Эйнштейну к его гравитационной энергии связи. Более того, точно такое же значение постоянной ядерной гравитации можно получить, если приравнять электромагнитную и гравитационную силы, действующие между протоном и электроном в атоме водорода. Отсюда следует, что если ядерная гравитация существует, то протон является несколько более плотной и замагниченной нейтронной звездой в миниатюре.

Проводя дальнейшие аналогии, находим подобие между мюоном (это один из лептонов) и звездой – белым карликом соответствующей массы, а также между адронами и нейтронными звездами разных масс в различных состояниях. Поскольку массы и энергии элементарных частиц имеют достаточно определенные значения, то и для вырожденных звездных объектов можно ожидать какие-то характерные значения масс и энергий. И действительно, оценки масс нейтронных звезд – аналогов протонов показывают, что их массы приблизительно одинаковы, достигая величины порядка 1,4 М, где М – масса Солнца.

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.

Поделитесь этой записью или добавьте в закладки