Материя, пространство, гравитация

Слово материя – термин неоднозначный. У него имеется значительное количество различных определений, во многом зависящих от контекста. Материя – это одно из основных понятий физики. В процессе развития физической науки оно углублялось и расширялось. Например, Ньютон считал, что для описания материальных объектов достаточно было указать их массу, температуру, объем. С появлением общей теории относительности в понятии материи уже подразумевалась её связь с гравитацией и гравитационными волнами, а разработанная на принципиально новых концепциях квантовая физика коренным образом изменила представление физиков о мироздании.

Основными видам материи являются: вещество, антивещество. кварк – глюонная плазма, поле. квантовые поля различной природы, а также материальные объекты неясной физической природы – темная материя и темная энергия.

1.1 Вещество

Одним из основных свойств различных веществ является наличие у них определенного количества массы и энергии.

1.1.1 Масса

Ещё на ранней стадии цивилизации люди задумывались над вопросом, что такое масса. На протяжении тысячелетий ученые многих стран пытались раскрыть основные свойства массы. Первым, математически описавшим эту проблему, был И. Ньютон. По Ньютону масса тела обладает двояким свойством. В первом случае она инертна (mi) и представляет собой отношение негравитационной силы к ускорению, а во втором гравитационная (mg) определяет силу притяжения тела другими телами и притяжение самим телом других тел. Обе эти величины тождественны друг другу, хотя и получены экспериментально в ходе разных экспериментов и имеют принципиально разную физическую природу.

Теория гравитации Ньютона базируется на силах тяготения, которые являются дальнодействующими и распространяются мгновенно. Она получила всеобщее признание с момента опубликования и продержалась до 1905 года, когда была замена специальной теорией относительности Эйнштейна. Если в классической механике Ньютона масса тела, вследствие закона сохранения массы, во всех процессах оставалась неизменной, то в релятивистской механике СТО Эйнштейна понятие массы приобретала более глубокий смысл. В ней рассматривалось движение тел (частиц) со скоростью близкой к скорости света. Связь между скоростью тела и его импульсом (p) определялась не по традиционным классическим канонам, а следующим соотношением.

где m0 – масса тела, v – скорость тела. c – скорость света.

При скорости тела значительно ниже скорости света связь импульс тела с его скоростью переходит в классическое соотношение p=mv, а величина m0 называется массой покоя. В релятивистской механике масса движущего тела (частицы) не равна массе покоя тела, а растет с увеличением его скорости:

В классической механике постулируется закон сохранения массы, потому масса системы тел в ней равна сумме масс тел, входящих в эту систему. В отличие от неё, в релятивистской механике в эту сумму включаются энергия связи и энергия движения частиц относительно друг друга, поэтому здесь закон сохранения массы и закон сохранения энергии объединяются в единый закон сохранения массы – энергии.

Современное представление о массе базируется на общепринятой квантовой теории поля в лице Стандартной модели. Основу её составляют 12 фундаментальных квантовых полей, квантами которых являются три поколения фермионов: 6 кварков, 6 лептонов и соответствующих им 12 античастиц. Кварки участвуют в слабом, электромагнитном и сильном взаимодействии, лептоны в первом и втором, а нейтрино только в первом взаимодействии. Переносчиками этих взаимодействий являются бозоны: фотон, глюон, W и Z.

Согласно Стандартной модели протоны и нейтроны, из которых состоят ядра химических элементов, образованы из кварков, связанных между собой безмассовыми частицами глюонами. При этом подавляющая часть массы нуклонов обусловлена кинетической энергией кварков и глюонов, а остальная часть это масса покоя кварков.

Особое место в Стандартной модели занимает, так называемое поле Хиггса. Дело в том, что согласно симметрии микромира, элементарным частицам запрещено иметь массу, а скалярное поле Хигсса спонтанно нарушает эту симметрию, и вытекающие из неё запреты не выполняются. Считается, что элементарные частицы приобретают массу взаимодействуя с этим полем, причем чем сильнее (плотнее) это взаимодействие, тем большую массу приобретает частица и, наоборот. Это положение теории Энглера – Браута – Хигсса подтверждается наличием больших масс у бозонов W и Z и отсутствием массы у фотона и глюона, а также тем, что массы частиц Стандартной модели имеют разброс на 11 порядков. Поле Хигсса это квантовое поле и квантом этого поля считается частица бозон Хигсса. Взаимодействие каждой элементарной частицы с бозоном Хигсса жестко фиксировано, чем массирование частица, тем сильнее взаимодействие и наоборот. В 2012 году в Церне, на Большом адроном колайдере, была открыта новая частица по своим свойствам соответствующая бозону Хиггса. Современная концепция природы массы также представлена и в других теориях, в частности в поляризационной теории Мироздания (ПТМ), согласно которой масса образуется в результате поляризации вакуума. Но несмотря на впечатляющие успехи современной физики по углублению понятия основных свойств массы, её природа до сих пор содержит в себе неясности и загадки. Например, почему одни частицы имеют массу, а другие нет? Каков механизм взаимодействия частиц с полем Хиггса и чем обусловлена плотность их сцепления с ней? Почему масса одних частиц (электрон) имеет отрицательный заряд, а масса других (протон) положительный заряд? Каков механизм порождения безмассовым фотоном частиц (электрон – позитрон), обладающих массой? На эти вопросы у современной физики нет однозначных ответов. Проблема физической природы массы ещё далеко не исчерпана и, по мнению автора, новое физическое осмысление приведенных вопросов и получение на некоторых из них определенных ответов, может дать смоделированная система взаимодействия материи с пространством, базирующаяся на следующих принципах.

Методика моделирования

Реалии (R) окружающего мира являются результатом взаимодействия материи (W) и пространства (P).

R = W + P

1.Последней неделимой частицей материи является положительно заряженная частица гравитон (g), а последней неделимой частицей пространства является отрицательно заряженная частица простон (p).

2. Взаимосвязь материи с пространством осуществляется энергией. Энергия проявляется в двух видах: энергии материи (Em) и энергии пространства ( – Ep.), которые взаимно переходят друг в друга.

3. Пространство в смоделированной системе представлено совокупностями простонов, собранных в «силовые нити», которые, в свою очередь, образуют своеобразную «сеть», равномерно напряженную во всех направлениях за счет сил отталкивания одноименных зарядов.

4. Материя в смоделированной системе представляет собой совокупность гравитонов, размещенных определенным образом между силовыми нитями пространства.

Гравитон это сгусток энергии материи, а простон это сгусток энергии пространства. Сгустки образовались в начальной стадии образования Вселенной. Частицы одинаковы по модулю и обратные по знаку

Все материальные тела (от частиц до галактик) движутся в силовых нитях пространства и деформируют их. Протон сжимает, а электрон расширяет силовые нити пространства, в этом их фундаментальное сходство и различие. Несмотря на то, что протон тяжелее электрона в 1840 раз, у частиц одинаковые по величине, но разные по знаку заряды.

В современном мире все физические, химические, биологические, ядерные процессы, явления, взаимодействия происходят при непосредственном участии энергии материи и энергии пространства. Они взаимно переходят друг в друга и служат основой для формирования всего многообразия различных видов энергии (механической, химической, ядерной и др.) и способов их перехода одного вида в другой.

Результаты моделирования

В настоящее время в научном мире доминирует теория рождения Вселенной в результате Большого Взрыва. До него она была» сжатой до точки, так называемым ничто, с колоссальной плотностью. В этом ничто шли процессы, которые довели его до определенного состояния и оно взорвалось. После Взрыва началось поэтапное рождение, становление и функционирование Вселенной.

Первой после Большого Взрыва считается Планковская эпоха с температурой 1032 K и плотностью около 105 г/см3. Длительность её составляла 10—43сек. В это время во Вселенной была только энергия

Через 10—35 секунды после наступления Планковской эпохи наступила эра инфляционной эпохи. В этот период Вселенная увеличилась в 1050 раз. В ней всё ещё преобладает излучение, но здесь уже появились субатомные частицы: кварки и электроны, которые пока не имели массы.

Между 10—12 и 10—6 секунды после Большого Взрыва наступила кварковая эпоха. Температура в этот период развития Вселенной составляла более 1012К. При таких условиях кварки не могли образовывать адроны. В это время Вселенная была заполнена кварк-глюонной плазмой.

В течение от10—6 и до 1 с после Большого Взрыва температура Вселенной опустилась ниже1012К и кварк-глюонная плазма охладилась до величин, при которых кварки группировались и образовывали адроны. В ходе адроновой эпохи (1 – 10 секунд) адроны аннигилировали с антиадронами. В результате появились пары лептонов и антилептонов. Из всех лептонов самые известными лептонами являются электроны.

По мере охлаждения Вселенной протоны и нейтроны образовывали ядра водорода и гелия и через 3 минуты, после Большого взрыва во Вселенной началось формирование стабильных атомов водорода и гелия. Происходило это путем захватывания электронов ядрами водорода и гелия. Эта эпоха называется фотонной. Продолжалась она 380 тысяч лет. К её концу температура Вселенной опустилась до 35000К и она стала прозрачной для прохождения фотонов.

К настоящему времени разработано достаточно большое количество теорий, представляющих собой различные модели рождения и развития Вселенной, но большинство физиков считают теорию Большого Взрыва, как наиболее теоретически обоснованную модель Вселенной. Многие аспекты этой теории были теоретически предсказаны и экспериментально подтверждены. Так на основании её положений было установлено постоянное расширение Вселенной и открыто в ней фоновое излучение в размере 2,7 К. Но наряду с достоинствами, у теории Большого взрыва есть определенные границы применимости и она требует дополнения и усовершенствования. Используя базовые принципы системы взаимодействия материи с пространством, попробуем дополнить и уточнить некоторые её положения.

Рабочая гипотеза взаимодействия материи с пространством основывается на постулате об энергии. Энергия существует в двух видах: энергии материи (Em) и энергии пространства ( – Ep.), которые взаимно переходят друг в друга. Именно эти энергии являются исходным «материалом» Большого Взрыва, именно из них возникли все частицы окружающего мира. Рассмотрим поэтапное рождение, становление и функционирование Вселенной, исходя из этого принципа.

Начальный отсчет. В начале Взрыва (10—43—1035 сек.) излучения энергий были обособлены и не взаимодействовали между собой, Температура энергии материи составляла 1032К, а энергии пространства 0 К. (Рис.1.а). В этот период и образовались сгустки энергии материи (гравитоны) и сгустки энергии пространства (простоны). В течение 1035 – 10—30 секунды отдельные простоны группировались (объединялись) в «силовые нити», а другие остались «свободными». Часть гравитонов тоже объединялись (сливались) в сверхмассивные сгустки (частицы), но большая часть оставалась в «свободном» состоянии.

Эра инфляции. Когда возраст Вселенной достиг 10—35 секунд произошло перемешивание энергий (Рис.1.b), приведшее к её экспоненциальному взрыву, в результате которого её первоначальный размер увеличился 1050 раз Значительная часть инфляционной энергии израсходовалась на растяжение силовых нитей пространства и образование из них своеобразной «сети», равномерно напряженной во всех направлениях, то есть на формирование пространства современной Вселенной (Рис.1.c). В инфляционный период во Вселенной в результате перемешивания энергий лавинообразно падали температура и плотность излучения, и при достижении определенных значений этих показателей начали образовываться первые представители обычного вещества частицы разных зарядов.

Кварковая эпоха. Она началась в 10—30 секунд от момента рождения Вселенной. В ней начали формироваться кварки и антикварки. Кварки образовались следующим путем. Сгустки энергии материи (гравитоны), вследствие разновидности зарядов со сгустками энергии пространства (простонами), стягивали силовые нити из простонов, в результате чего появляется сила, действующая на гравитоны, в направлении их сближения. Двигаясь по силовым нитям пространства, гравитоны объединялись (слипались) в определенные пространственные совокупности (кварки) и, таким образом, приобретали массу. При этом пространственное размещение гравитонов в силовых нитях пространства, то есть структура построения элементарных частиц, определялась плотностью энергии материи и степенью сжатия силовых нитей пространства в местах их возникновения. Поэтому образование кварков происходило по нисходящей линии по массе, то есть от тяжёлого к легким, по мере уменьшения плотности и степени сжатия. Этим и объясняется отсутствие в природе свободных кварков и, если легкие кварки u и d могут существовать неограниченно долго внутри протонов и нейтронов, где этому соответствует степень сжатия силовых нитей пространства, то остальные более тяжелые кварки быстро распадаются. Это связано с тем, что они образовались в условиях сверх высоких степеней сжатия силовых нитей пространства, которые существовали в момент их возникновения, то есть структура построения элементарных частиц, определялась, плотностью энергии материи и степенью сжатия силовых нитей пространства в местах их возникновения. «Жесткость» конструкций частиц обеспечивалась степенью сжатия силовых нитей внутри частиц. В это время уже существовали фотоны, но из-за высокой плотности излучения они не могли распространяться в силовых нитях пространства.

Эпоха возникновения адронов и лептонов. По мере расширения Вселенной и увеличения её радиуса, плотность излучения энергии и температура в ней уменьшались, а вместе с ними снижалась и степень сжатия силовых нитей. В течение 10—4 —100 секунды от начала возникновения Вселенной кварки, двигаясь в силовых нитях пространства (состоящих из простонов) объединялись, приобретали массу и превращались в протоны и нейтроны, а антикварки, двигаясь в силовых нитях, состоящих из гравитонов, соответственно превращались в антипротоны и антинейтроны. Свободные простоны объединялись и образовывали электроны, а позитроны образовывались из гравитонов. Жесткость их конструкций осуществлялась за счет сжатия в них простонов и гравитонов силовыми нитями,

Фотонная эпоха. Дальнейшее снижение плотности излучения и степени сжатия силовых нитей пространства привело к тому, что расстояние между силовыми нитями пространства достигло значений соответствующих показателям в ядрах гелия, в результате чего протоны и нейтроны стали соединяться, образуя ядра гелия. Эта фаза развития Вселенной продолжалась 3 105 лет. В последующей стадии эволюции Вселенной, её температура и плотность излучения, а также степень сжатия силовых нитей пространства продолжали снижаться. И при достижении определенных величин, соответствующей показателям степени сжатия силовых нитей во внутриатомном пространстве атомов гелия и водорода, силовые нити пространства стали доступными для сжатия их протонами. В результате электроны, которые всегда двигаются в направлении повышенной степени сжатия силовых нитей пространства, стали соединятся с ядрами гелия и протонами, образуя атомы гелия и водорода. При этом атомы гелия образовывались в начальной стадии фазы эволюции, а атомы водорода в последующей стадии. А так как, первая стадия продолжалась значительно меньше, чем вторая, то и атомов гелия образовалось меньше, чем атомов водорода. В образовавшемся «космическом облаке» атомы гелия составляли 25%, а атомы водорода 75%. К этому времени температура Вселенной упала до 3500 0К, в ней лавинообразно нарастала её прозрачность, а вместе с ней и плотность вещества. В результате Вселенная стала доступной для прохождения в ней световых волн (Рис.1.d). Наступила эра формирования первых звезд и галактик.

Рис.1 Схема этапов образования материи и пространства из энергий в результате Большого Взрыва. a – состояние энергий материи и пространства перед началом взрыва, b – перемешивание энергий в начале взрыва с образованием сгустков энергии материи – гравитонов (g) и сгустков энергии пространства —простонов (p), c – образование силовых нитей пространства из простонов в период инфляционного взрыва, d-эра формирования звезд и галактик S – силовая нить, p – простон

На современном этапе развития физической науки считается, что масса имеет внутреннее и внешнее свойство. Под внутренним свойством массы, подразумевается её инертное свойство, а под внешним её гравитационное свойство. В смоделированной системе взаимодействия материи с пространством материальное тело проявляет свои гравитационные свойства через сжатие силовых нитей окружающего его пространства. Степень сжатия и дальность распространения этого сжатия определяется массой материального тела. Предельное расстояние, на котором материальное тело может оказать доминирующее гравитационное воздействие на другое тело, называется гравитационной эффективностью этого тела

В нашей повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся с проявлением инерции. Об инерции материальных тел написано много научных трактатов, но её глубинная суть полностью не раскрыта до сих пор. Обычно её связывают с ускорением, потому что она физически ощущается только, когда тело начинается двигаться с ускорением. Инерция с точки зрения базовых принципов предлагаемой модели рассматривается ни как внутреннее свойство массы тела, а как результат противодействия силовых нитей пространства изменению скорости движения в них гравитонов, составляющих это тело, то есть гравитационной массе этого тела. Это и утверждает третий закон Ньютона. Всякое действие порождает одинаковое по силе, но противоположно направленное противодействие

1.1.2 Энергия

По современным представлениям ученых энергия это определенное свойство материи. Количественная мера различных форм движения и взаимодействия всех её видов, связанная с однородностью времени. Реалии окружающего мира пропитаны энергией. Она находится везде: в растениях, животных в воздухе, в океанах, в земле и дает человеку тепло, свет, Возможности её безграничны. Понятие энергии можно приложить ко всем процессам, явлениям, взаимодействиям, происходящим в природе. Об этом говорит управляющий ими неоднократно экспериментально подтвержденный закон сохранения энергии, Это закон гласит: энергия это определенная величина, которая не изменяется во всех своих превращениях, происходящих в природе. Она не возникает, не исчезает, а переходит из одного вида в другой. В современной физике с понятием энергии связаны такие понятия, как действие, сила, работа, мощность. Там, где проявляется энергия возникает сила, которая оказывает действие на тело совершая над ним работу. При этом расходуется определенное количество энергии, а её поток в единицу времени носит название мощности. Энергия, как показано в специальной теории относительности Эйнштейна, неразрывно связана с массой соотношением E= mc2, где коэффициентом связи является квадрат скорости света в вакууме. Многие физики считают, что, несмотря на всестороннее и глубокое изучение многообразных форм проявление энергии, механизмы перехода одного вида энергии в другой до сих пор не раскрыты. Определенные ответы на эти вопросы можно получить с помощью смоделированной системы взаимодействия материи с пространством.

Согласно базовым принципам смоделированной системы отдельные частицы, составляющие материальное тело, скрепляются между собой определенными связями. В качестве связи при этом выступает энергия пространства, которая представляет собой, законсервированную в силовых нитях пространства «свободную» энергия материи. Эти два вида энергии связывают между собой материю и пространство. Их взаимный переход одного вида в другой является основой всех фундаментальных законов физики – законов сохранения энергии, массы и т. д. При этом под «свободной» энергией материи подразумевается та часть массы покоя тела, которая преобразуется в энергию.

В рамках смоделированной системы температура материального тела определяется количеством «свободной» энергии материи, способной переходить в энергию пространства. Таким образом, осуществляется связь между отдельными частицами, составляющими это тело. Чем большее количество этой энергии присутствует в теле, тем выше скорость колебания составляющих тело частиц и тем выше его температура. Свободная энергия материи (лучистая, тепловая, ядерная и др.) поступает в тело из внешней среды или образуется внутри самого тела (химическая, биологическая и др.).

Различаются следующие уровни поступления в тело энергии: межмолекулярное или межатомное пространство, внутриатомное и внутриядерное пространство. Для каждого уровня существует свой предел насыщения (поглощения) свободной материальной энергии, за которым она переходит на следующий уровень. Происходит это следующим образом. Внешняя тепловая энергия, а это энергия материи, поступает в межатомное пространство и сжимает там силовые нити. Это способствует увеличению свободного пробега электронов и, в конечном итоге, приводит к повышению скорости колебания частиц, составляющих атом, то есть к повышению температуры тела. Тело начинает излучать тепловую энергию в инфракрасном диапазоне. Как только степень сжатия силовых нитей в межатомном пространстве сравняется с таковой внутри атомного пространства, тепловая энергия начинает поступать туда. При достижении определенного порога она вызывает там переход электронов с удаленных от ядра орбит, обладающих высокими энергиями, на более близкие к ядру орбиты с низкими энергиями. В результате температура тела растет, его атомы возбуждаются и начинают испускать фотоны уже видимого излучения. Дальнейшее увеличение степени сжатия силовых нитей в обоих уровнях пространства приводит к резкому повышению температуры тела, что, в свою очередь, вызывает значительное увеличение энергии испускаемых телом фотонов от красного до фиолетового и при температуре 30000 K тело испускает уже невидимое ультрафиолетовое излучение.