Общая теория поля и структура вселенной

Введение

Как устроен мир и как он действует – вопросы, вставшие с незапамятных времён вместе с появлением человека. Ответы на них менялись во времени и зависели от стадии развития общества. Разные ответы можно было получить от первобытного человека и верующего во времена расцвета религиозного учения. Наконец, с появлением науки разнообразие взглядов возросло. Предлагаемую книгу следует рассматривать именно в этих рамках. Конечно, информация требует обновления и процесс этот непрерывный. Особенно это важно для выбранной темы – общая теория поля и структура вселенной. Настоящая книга является результатом многолетних исследований, выполненных, исходя из предположения об определяющей роли во вселенной массы и структуры. При этом согласно П. Лапласу «молекулярные (электрические) силы вследствие высокой плотности вещества в атоме рассматривалась как модифицированные гравитационные», а «силовые линии» М. Фарадея, как структурообразующие элементы электрического и гравитационного поля. Принятые предпосылки позволили преодолеть трудности, с которыми обычно сталкиваются разработчики единой теории поля.

Первые результаты исследований были опубликованы в 1998 г. в книге «Гипотезы», Москва, издательство ПИК ВИНИТИ В книге впервые утверждалось, что в зависимости от плотности вещества в окружающем пространстве действуют два вида гравитационных сил (гравитационных полей), подчиняющихся обратно квадратичному закону, но с разными константами тяготения 6,673.10-7 см3/гс2 при плотности вещества до 20 г/см3 и 1.847,1028 см3/гс2 при плотности вещества ~ 1012 г/см3. Первое – это обычное гравитационное поле. Источником гравитационного поля второго типа являются ядра атомов и нейтронные звезды. Первое «управляет» макромиром, включая Солнечную систему, второе (микрогравитационное) ответственно за функционирование атомов, то есть микромира.

В обоих случаях наблюдается планетарная структура систем. Исходя из диалектического закона «отрицание отрицания» предлагается единая картина физического мира, в котором узловыми точками развития являются планетарные системы, отличающиеся друг от друга по плотности вещества в ~ 1012 раз и по величине констант тяготения в ~ 1036 раз. В обеих системах действуют обратно квадратичные законы тяготения, которые задают орбитальное движение элементарных частиц и тел относительно друга. Орбитальные расстояния в системах выражены квантовыми уравнениями, в которых они пропорциональны квадратам целых чисел. В уравнения входят также константы тяготения, массы и скорости осевого вращения центральных тел. Кроме того, орбитальные расстояния обратно пропорциональны корню квадратному из соответствующих скоростей излучения, характерных для каждой системы. Движение тел в обеих системах подчиняются третьему закону Кеплера, который по-существу является «скрепой» макро и микро систем, связывающей изменения в характере орбитального движения в микро системах с типом агрегатных и фазовых переходов веществ в макро системах.

Глава 1. Общая теория поля и структура вселенной

Несомненно, физический мир един, в нем есть нечто, что его объединяет, делает его, единим, целым. В попытке найти это объединяющее начало и возникла проблема единой теории поля. Её основным подвижником был А. Эйнштейн. Вот его высказывание на этот счёт: «Теперь особенно живо волнует умы проблема единой природы гравитационного и электромагнитного полей. Мысль, стремящаяся к единству теории, не может примириться с существованием двух полей, по своей природе совершенно независимых друг от друга. Поэтому делаются попытки построить такую математически единую теорию поля, в которой гравитационное и электромагнитное поля рассматриваются лишь как различные компоненты одного и того же единого поля, причем его уравнения, по возможности, уже не состоят из логически независимых друг от друга членов».

Однако, несмотря на многочисленные попытки, единую теорию поля создать так и не удалось. Постепенно направление мыслей стало дрейфовать в сторону «теории всего» [1]. В этой связи целесообразно возвратиться к истокам постановки проблемы [2] и проанализировать вопрос об объединяющем начале физического мира.

В основе неудач, на наш взгляд, лежал неправильный выбор исходной позиции. Что взять за первичное – источник поля, само поле или взаимодействующую систему, состоящую из источника поля, самого поля и закона их взаимодействия. Выбор в качестве исходного отдельно электрического и гравитационного поля предопределил уход в сторону от решения проблемы.

После открытий Резерфорда-Бора планетарного строения атома, который в миниатюре повторял Солнечную систему, стало ясно, что планетарный принцип строения мира носит всеобщий, универсальный характер и что в качестве основы для сравнения и построения единой физической картины мира следует взять эти две системы. Появились устойчивые понятия макро и микро мира (Солнечная система и атом).

Ниже излагается гипотеза, в которой даётся более обобщающий подход к проблеме единой теории поля. Этот подход основывается на сопоставлении свойств указанных систем и закономерностей диалектики Г. Гегеля, в частности диалектического закона «отрицание отрицания», в котором процесс развития рассматривается, как повторение в узловых точках процесса некоторых свойств на более высоком качественном уровне. Это общий философский закон и нужно обладать недюжинным абстрактным мышлением (научной фантазией) и смелостью, чтобы применить его для конкретных научных целей. Ниже делается такая попытка применения этого закона для решения рассматриваемой проблемы.

Первой узловой точкой закона отрицание отрицания будем рассматривать окружающий нас мир, Солнечную систему, имеющую планетарное строение. Тогда естественно предположить, что другой узловой точкой будет планетарная система мира атома. И здесь встаёт вопрос о направлении процесса развития материального мира. Куда направлена «стрела времени» от Солнечной системы к миру атома или наоборот. Этот вопрос о направленности эволюционного развития решается по Р. Клаузису с учётом изменения энтропии. В процессе развития материального мира его энтропия растёт. В какой узловой точке энтропия выше?

Ранее было показано, что образование космических тел со сверх высокой плотностью (~1012 г/см3) происходит вследствие «падения» электронов на ядро атома и слияния ядер. Этот процесс идёт из-за потери потенциальной энергии электронов на излучение и повышение их орбитальной скорости. При этом имеет место увеличение энтропии. Таким образом, процесс развития материального мира направлен в сторону формирования более плотных космических объектов, обладающих меньшей внутренней энергией.

Теперь, чтобы убедиться в физическом единстве систем макро и микро мира, выполним сравнительный анализ обеих систем. Объединяющим началом для Солнечной системы (макро мир) является сила гравитационного тяготения F, выражаемая законом Ньютона:

F = GМ1М2/R2 (1)

где: G– гравитационная постоянная, M1 и M2– массы взаимодействующих тел, R– расстояние между телами. Как оказалось [3, 4, 5, 6], в мире атомов также действует обратно квадратичный закон тяготения, но с гравитационной константой g на 36 десятичных порядков большей, чем ньютоновская постоянная F:

f = gm1m2/r2 (2)

где: f– сила микро гравитационного взаимодействия в атоме, m1, m2 и r– массы взаимодействующих частиц и расстояние между ними.

Микро гравитационная константа g была определена несколькими методами. Прежде всего она была рассчитана – 3,84.1028 см3/гс2, по уникальным прямым тензометрическим измерениям силы взаимодействия скрещенных платиновых нитей диаметром 1,0 мм, выполненным Б. В. Дерягиным [4].

При расчёте по энергии образования химических связей показано [7], что истинное значение константы лежит в пределах 0,428·1028 – 2,126.1028 см3/г·с2. Наиболее точное значение константы микро гравитации получено при расчёте по уравнению 3-го закона Кеплера [8] по длинам волн характеристического рентгеновского излучения для 10 химических элементов, расположенных в разных частях периодической таблицы химических элементов. Получено среднее значение константы микро гравитации, равное g = 1,847·1028 ± 0.045 см3/с2г.

Наглядным и убедительным для понимания является расчёт величины g по формуле орбитальной скорости, в которую она входит. Формула имеет вид:

v2 = gmd/r, (3)

где v– орбитальная скорость, g– константа микрогравитации, m– атомная масса, d– дальтон, r– радиус орбиты, на которой обращается электрон.

Рассмотрим расчёт на примере атома водорода. Минимальная частота излучения у водорода наблюдается в серии Хамфри 0,02424.1015с-1. Логично предположить, что эта частота относится к электрону, обращающемуся на крайней поверхностной орбите, радиус которой равен радиусу атома водорода 110 пм. Атомная масса водорода 1,008. d = 1,661.10-24 м. Подставив приведенные значения величин в уравнение (4), получим значение константы микрогравитации g = 1,843 см3/гс2, которое близко по величине к выше приведенному.

Микро гравитационная константа g является таким же объединяющим началом для объектов микро мира, как константа G в законе Ньютона.

Другой скрепой для Солнечной системы и системы атома является закон орбитальных расстояний, который включает в себя практически все параметры характеризующие обе системы.

Орбитальные расстояния в атоме определяются законом разрешённых орбит Бора:

r = kn2 (4)

где r- радиус орбиты, k- константа характерная для данного атома, n– главное квантовое число или в развернутом виде:

r = n2 (gm/cω)0,5, (5)

где: r — радиус разрешённых орбит атома, n – квантовое число (ряд целых чисел), g — константа микро гравитации, равная 1,847.1028 см3/гс2, m- масса ядра атома, с– скорость света, ω- частота вращения ядра, с-1.

Орбитальные расстояния в Солнечной и спутниковых системах выражаются [9] аналогичной формулой:

R = kmn2 (6)

где R– орбитальное расстояние, km– константа, характерная для данной планетарной макросистемы, n– ряд целых чисел (главное квантовое число) или в развёрнутом виде:

R = n2 (GMT/C)0,5, (7)

где: R– орбитальное расстояние, n– главное квантовое число (ряд целых чисел), G– гравитационная постоянная, М и Т– масса и период осевого вращения центрального тела, С– скорость распространения гравитационного излучения, равная 0,25.109 см/с.

Идентичность уравнений (1) и (2), на наш взгляд, говорит о глубокой аналогии рассматриваемых систем и существовании единых закономерностей, лежащих в их основе.

Тела, взаимодействующие по уравнению (1) и (2) находятся во взаимном орбитальном движении и подчиняются третьему закону Кеплера:

R3/T2 = GM/4π2 (8)

где: М– масса центрального тела, Т– период обращения орбитального тела.

Это по-существу третья «скрепа», которая действует, как в Солнечной системе, так и в системе атома, но и тесно связывает изменения в этих системах, которые имеют место при агрегатных и фазовых переходах веществ.

В макромире возможен новый подход к проблеме агрегатных и фазовых переходов, если в основу взять предположение о том, что частицы вещества (атомы, молекулы) взаимодействуют между собой своими массами по обратно квадратичному закону тяготения. Поэтому во всех состояниях они находятся в орбитальном движении относительно друг друга [11]. В этом случае агрегатные и фазовые переходы увязываются с характером орбитального движения, изменениями орбит, по которым движутся частицы. Например, переход от реального газа (перегретого пара) к насыщенному состоянию означает изменение орбиты с гиперболической к параболической. Переход к жидкому состоянию вызван сменой разомкнутой параболической орбиты на замкнутую эллиптическую и круговую орбиту. В том и другом случае мы имеем дело с изменением агрегатного состояния, которое совпадает с фазовым переходом 1-го рода.

Рис. 1. Типы орбит в зависимости от орбитальной скорости (потенциальной энергии орбиты, расстояния между телами): О– центр круговой орбиты, Ое– центр эллиптической орбиты, Р– перигей (перицентр) орбиты, А– апогей (апоцентр) орбиты, r– радиус круговой орбиты, r1– радиус круговой орбиты «внутреннего» эллипса, а– большая полуось, е = Оe/ОР– эксцентриситет орбиты, vо– орбитальная скорость, 1- эллиптическая орбита («внутренний» эллипс), 1.1- круговая орбита «внутреннего» эллипса, 2- круговая орбита, 3- эллиптическая орбита, 4- параболическая орбита, 5- гиперболическая орбита, 6- круговая орбита с радиусом большой полуоси эллипса, энергетически эквивалентная эллиптической орбите.

Переход от жидкого состояния к твердому, следуя принятой логике, происходит при изменении орбитального движения частиц с кругового на эллиптическое по траектории эллипса, вписанного в круговую орбиту. Наконец, при охлаждении твёрдого тела и, соответственно, снижения энергии орбиты, по которой осуществляется орбитальное движение в твёрдом теле, орбита при очень низких температурах неминуемо из за потери энергии снова превращается в круговую, но с меньшим радиусом по сравнению с предыдущей круговой орбитой, см. кривая (2) на рис1. Это последнее превращение соответствует фазовому переходу 2-го рода. То есть фазовый перехода 2-го рода есть фазовый переход в твёрдом теле, обусловленный изменением эллиптической орбиты на круговую орбиту при охлаждении твёрдого тела до определённой температуры – температуры фазового перехода 2-го рода данного вещества.

При орбитальном движении определяющим параметром является расстояние между взаимодействующими частицами в системе. Для заданных масс гравитирующих частиц оно определяет орбитальную скорость и вид орбиты и, следовательно, тип агрегатного состояния. Таким образом, расстояние между частицами в микромире может служить однозначным критерием и признаком того или иного агрегатного состояния. Правда, эта однозначность нарушается, когда в действие вступает параметр ориентации взаимодействующих частиц. Это имеет место при отклонении формы частиц от шарообразной. Например, при кристаллизации расстояние между частицами, предписываемое закономерностями орбитального движения, нарушается вследствие образования сильных межмолекулярных связей, действующих асимметрично. Типичным примером здесь является агрегатный переход «жидкая вода – лёд». Он же фазовый переход 1-го рода.

Существует смешение понятий, и даже недопонимание различий между агрегатными и фазовыми переходами. В свете изложенных выше соображений представляется логичным связать явление агрегатного перехода с изменением расстояния между частицами, то есть с типом орбит в орбитальном взаимодействии. А явление фазовый переход – с разной ориентацией молекул во время фазового перехода, но в пределах одного типа орбитального взаимодействия.

В этом случае становится понятным возникновение нескольких фазовых состояний вещества, находящегося в одном и том же агрегатном состоянии, например, в твёрдом, или жидкокристаллическом. В целом «орбитальный» подход к проблеме агрегатных и фазовых переходов, как будет показано ниже, позволяет дать исчерпывающую характеристику фазовым переходам 1-го и 2-го рода и установить их место в общей цепи (картине) агрегатных и фазовых переходов.

Если продолжить охлаждение твёрдого тела, то энергия эллиптической орбиты будет снижаться, оси «внутреннего» эллипса уменьшаться и в конечном итоге эллиптическая орбита (кривая 1, рис. 1) превратится в круговую орбиту (кривая 1.1). Такое изменение характера орбитального движения макроскопически, можно предположить, выражается в виде фазового перехода 2-го рода. В пользу такого предположения говорят три обстоятельства.

Первое, превращение эллиптической орбиты в круговую происходит в твердом состоянии при низкой температуре, что характерно для некоторых случаёв фазовых переходов 2-го рода (изменение магнитных свойств, появление сверхпроводимости).

Второе, круговые орбиты малых размеров, см. рис. 1, кривая 1.1, должны способствовать снижению электрического и гидродинамического сопротивления, что корреспондируется с явлениями сверхпроводимости и сверхтекучести, наблюдаемыми при фазовых переходах 2-го рода.

И, наконец, третье: превращение анизодиаметричных эллиптических орбит в круговые объясняет повышение хрупкости твёрдых тел, их переход в порошкообразное состояние, так что можно говорить о пятом виде агрегатного состояния – порошкообразном агрегатном состоянии веществ.

Понятно, что изменение характера орбит при уменьшении их энергии предписывается обратно квадратичным законом тяготения и потому является всеобщим, универсальным. Следовательно, на основании изложенного можно полагать, что и фазовый переход 2-го рода также имеет универсальный характер, что каждое вещество претерпевает этот переход при снижении температуры в определённом интервале температур путём изменения типа орбиты с эллиптической на круговую. Однако, изменяющиеся свойства (сверхпроводимость, сверхтекучесть, намагниченность, хрупкость) и интервал температур перехода зависят от индивидуальных особенностей вещества, хотя общая закономерность, задаваемая переходом от эллиптических орбит к менее энергоёмким круговым должна сохраняться во всех случаях.

Теперь продемонстрируем действие рассмотренных законов в широком диапазоне атомных параметров. Начнём с крайних случаёв с самой коротковолновой серии рентгеновского излучения и строения атома урана, обладающего наибольшей атомной массой.

Рентгеновское излучение α1 в серии K атома урана имеет самую короткую длину волны 0,01259 нм. Поэтому можно полагать, что такая длина волны (частота) соответствует минимальному квантовому числу n = 1 и радиусу орбиты, то есть в соответствии с уравнением (4) для первой орбиты k = r. В свою очередь, зная длину волны λ, рассчитываем радиус по уравнениям 3-го закона Кеплера, которые применительно к атомным системам имеют вид:

λ= 2πcr1,5/(gmd)0,5, (9)

ν = (gmd)0,5/2πr1,5, (10)

где λ- длина волны, ν- частота излучения, с– скорость света, r– радиус орбиты, g– константа микро гравитации, m– атомная масса, d– дальтон.

Подставив в уравнение (9) приведенные выше значения величин, получим радиус первой орбиты атома урана, с которой происходит рентгеновское излучение серии Kα1, r = 0,069 пм. Радиусы других орбит рассчитываем по уравнению Бора (4) умножением на квадрат соответствующего орбите квантового числа, см. таблицу 1. Так, например, для следующей рентгеновской L серии при n = 2 получена длина волны λcal= 0,1011 нм при справочном значении λ exp = 0,07479 ни, а для М серии при n = 3 соответственно λcal = 0,3412 нм и λexp = 0,3329 нм. Для других серий при n = 4, 5, 6 и 7 также получено хорошее совпадение расчётных и экспериментальных данных, см. столбцы 6 и 7 в таблице 1.

Таблица1. Параметры атома урана.

Удовлетворительное совпадение также наблюдается для расчетных и экспериментальных значений атомных радиусов, характеризующих длину химических связей и размер атома, см. столбцы 2 и 3. Рассчитанные по уравнениям (1) и (2) длины связей равны 89,42 и 104,9 пм. Экспериментальные значения почти совпадают с этими величинами и равны соответственно 89 и 104 пм. Расчётная длина ковалентной связи равна 139,7 пм, экспериментальное значение 142 пм. Наконец, расчётный радиус атома урана 152,4 пм практически совпадает с экспериментальной величиной 153 пм.

Достоверность модели строения атома урана подтверждается совпадением частот излучения, рассчитанных по уравнению Бальмера-Ридберга и частот рассчитанных по уравнению 3-го закона Кеплера, в котором использовали радиус r, рассчитанный по уравнению Бора (4).

Уравнение Бальмера-Ридберга выражает изменение частот излучения в зависимости от двух рядов квантовых чисел ni и nj:

ν = cR(1/ni2 -1/nj2), (11)

Здесь с– скорость света, R0– постоянная Ридберга, которая длительное время была известна только для водорода. В нескольких работах [12] было показано, что постоянной Ридберга для химического элемента является его энергия первой ионизации. Для урана она равна 7,11 эВ или 11,39.10-12 эрг или в обратных сантиметрах ν0 = ν/с = 0,5734.105 см-1. Таким образом, имеется возможность рассчитать частоты по уравнению Бальмера-Ридберга для урана и сравнить их с частотами, рассчитанными по уравнениям Бора (4) и 3-го закона Кеплера (9). Результаты таких расчётов представлены в таблице 1 столбцы 4, 5, 6 и 7.

Частоты и длины волн в столбцах 4 и 5 для квантовых чисел 24–47 рассчитывали по уравнениям 3-го закона Кеплера (9) и (10) с использованием величины радиуса, рассчитанного по уравнению Бора (1). По уравнению Бальмера-Ридберга рассчитывали характерные частоты и длины волн, которые можно сравнить с рассчитанными по 3-ему закону Кеплера. К числу последних относятся предельные и головные частоты.

Предельные частоты реализуются, когда второе квантовое число nj = ∞ и рассчитываются по уравнению:

ν = cR/ni2, (6)