Разделы: Астрономия, Физика, Образование, За горизонтом современной науки
Размещена 14.12.2024. Последняя правка: 10.12.2024.
Просмотров - 193

Свойства среды определяют вторую компоненту гравитационного поля и число Авогадро

Курков Андрей Андреевич

кандидат физико-математических наук

безработный

пенсионер

УДК 530.1

Введение

Среда – это не день недели в данной статье. В современной физике под средой могут понимать некий эфир, уровень энергии физического вакуума, пространство или что-то еще.

Здесь термин «среда» введен, как обобщающее понятие двух фундаментальных полей: электрического и гравитационного, каждого со своими свойствами. Тогда внутреннее пространство нашей Вселенной – это среда, а сама Вселенная – частица и элемент Мироздания, состоящая из гравитационного поля и космических тел в качестве источников этого поля.

В статье прослеживается изменение взглядов физиков на свойства среды, на свойства гравитационного поля как внутренней среды Вселенной – частицы и роль среды в структуре Вселенной.

Несколько слов о значении эмпирических законов. Галилей заложил основы экспериментальной физики, получив законы движения тел. Своими опытами он показал объективную связь пройденного телом расстояния от времени в земных условиях, то есть установил эмпирический закон движения тела, обобщив математически данные наблюдений. Для получения опытных (экспериментальных) данных о движении тел считается достаточным задать единицы измерения и систему отсчета.

Таким образом, эмпирические законы отражают существующие во Вселенной объективные закономерности независимо от нашего знания (или не знания) каких-то дополнительных условий (например, свойств среды).

Мы часто не обращаем внимания на смысл слов. Между тем слова «земные условия» скрывают свойства «среды» - например атмосферы, в которой происходит движение тела или гравитационного поля, под действием (и в условиях) которого происходит движение. При этом «среда» может проявлять свои собственные свойства и в разных условиях по-разному.

Для физиков-теоретиков условия эксперимента считаются недостаточными для построения теории и, следовательно, эмпирические законы второсортными, так как они не содержат неких фундаментальных физических ограничений. Между тем именно эмпирические законы содержат эти самые ограничения (о которых мы часто даже не подозреваем), и именно они исключают надуманность теоретических установок (постулатов, гипотез), если знать эти условия.

В 1814 г итальянский учёный Амадео Авогадро (1776-1856) в статье «Очерк об относительных массах молекул простых тел, или предполагаемых плотностях их газа, и о конституции некоторых из их соединений» сформулировал новый закон: «…равные объёмы газообразных веществ при одинаковых давлениях и температурах отвечают равному числу молекул, так что плотности различных газов представляют собою меру масс молекул соответствующих газов».

Число Авогадро – одна из физических фундаментальных констант, сыгравших важную роль в развитии естественных наук, численно равная количеству специфицированных структурных единиц (атомов, молекул, ионов, электронов или любых других частиц) в 1 моле вещества. Термин константы не определён и относится к числовым значениям физических постоянных, которые следует использовать при решении задач.

В 1908 году Жан БатистПеррен даёт приемлемую оценку числа Авогадро, а в 1926 году его удостоили Нобелевской премии по физике.

В соответствии с законом Авогадро атомы и молекулы занимают строго определенный объем пространства. Если масса (гравитационный заряд) занимает строго определенный объем пространства, то этот закон аналогичен закону Авогадро, и его можно трактовать как «упаковку» (fill), объясняющую дискретную структуру Вселенной на всех уровнях ее иерархии.

Актуальность

К достоинствам классической механики относят наглядность и простоту в описании движения тел, однозначность и непрерывность их траекторий. Однако непрерывность противоречит дискретному устройству Вселенной на мега-, макро- и микро-уровне, и условиям стационарности объектов на всех этих уровнях организации Вселенной.

Существующие механики стоят особняком друг от друга и не связаны между собой в рамках тех принципов, на которых они сформулированы. Так как принципы разные для каждой механики, то возникают противоречия в трактовках, появляется повод для критики той или иной механики. Но все механики объединяет то, что каждая из них дает верное описание природы по-своему. Разночтения в принципах построения разных механик состоит в используемых приближениях – в том, что не учитывается либо среда, в которой протекает взаимодействие, либо реальные свойства среды, либо недостаток наблюдательных (экспериментальных) данных.

Наука развивается, что позволяет проследить эволюцию в принципах построения различных механик и вычленить то общее, что их объединяет. Анализ механик для макро- и микро-уровня позволит избежать принципов и постулатов при создании очередной абстрактной модели механики, описывающей организацию Вселенной на мега-уровне. Но для этого необходимо вычислить недостающие константы, отражающие свойства гравитационного поля (среды Вселенной). Именно реальные свойства гравитационного поля позволяют сопоставить его с электромагнитным полем и получить новую «полевую механику», которая применима на всех уровнях организации Вселенной, особенно на мега-уровне.

Цели, задачи, материалы и методы

В данной статье последовательно рассмотрим изменение взглядов на взаимодействие зарядов под влиянием вновь открываемых эмпирических законов природы. Главный момент в статье уделен действию на расстоянии, то есть изучению свойств среды при передаче взаимодействия во времени и пространстве. Также рассмотрены реальные свойства гравитационного поля, определяющие всю структуру Вселенной.

1.  Взаимодействие тел в классической механике

Р. Гук, современник И. Ньютона, понимал, что сила должна каким-то образом передаваться от тела к телу и пространство между телами должна занимать некая материя, обладающая свойствами способствующими передаче взаимодействия. И. Ньютон при написании «Математических начал натуральной философии» (1687 г.) руководствовался книгой Эвклида «Начала» как эталоном научного труда и постулировал то, что не было известно науке того времени: массу (материю), абсолютное пространство и время. При этом масса определяет количество материи, а бесконечное пространство служит ее вместилищем. Движение материи происходит в пространстве и времени, независимо друг от друга.

Закон Всемирного притяжения допускает возможность мгновенной передачи действия, но природу действия на расстоянии Ньютон объяснить не мог. Он мог только предположить наличие некой материи, с помощью которой осуществляется гравитационное взаимодействие, но для решения этой проблемы еще не существовало эмпирических законов.

При исследовании движения тел Галилей ввел понятие такой системы отсчета, в которой, если на тело не действует какая-либо сила, то оно находится в покое или в состоянии равномерного прямолинейного движения. Такая система отсчета называется инерциальной. Законы, описывающие механическое движение, в различных инерциальных системах одинаково справедливы, то есть не изменяются при переходе от одной системы координат к другой, что предполагает простое сложение скоростей при переходе из одной системы отсчета в другую. Однако опыт показал, что при скоростях, соизмеримых со скоростью света, правило простого сложения скоростей неверно. Тут проблема в том, что системы отсчета являются математическими, абстрактными, не связанными с реальной средой через которую передается взаимодействие.

Труд Ньютона стал вершиной достижений естествознания XVII века, а его механика господствовала в естествознании более 200 лет, хотя и подвергалась критике в понимании пространства и времени.

2.  Идеи Фарадея - Максвелла

М. Фарадей, как первооткрыватель электромагнитной индукции, выдвинул идею силовых линий, которые соединяют положительный и отрицательный электрические заряды или северный и южный полюсы магнита, и заполняют все пространство полем. Это поле обусловливает электрические и магнитные взаимодействия. Дж. Максвелл не мог принять концепцию действия на расстоянии, она противоречила его физической интуиции, поэтому он приступил к исследованию свойств невидимой среды, обеспечивающей передачу электромагнитного взаимодействия.

При построении математической теории Максвелл воспользовался аналогий между электрическим взаимодействием и процессами теплопередачи в твёрдом теле и применил к электричеству результаты, полученные для теплоты. Он разработал гидродинамическую модель силовых линий, уподобив их трубкам с идеальной несжимаемой жидкостью, и выразил закономерности такой полевой среды дифференциальными уравнениями. Только в  статье «Динамическая теория электромагнитного поля» (1864 г)  Максвелл использует термин «электромагнитное поле» и формулирует математические уравнения поля.

Максвелл пришёл к выводу, что магнетизм имеет вихревую природу, а электрический ток – поступательную. В этом случае вращающиеся частички производят магнитное поле, а их поступательное движение обеспечивает формирование электрического тока. Об электромагнитной природе света свидетельствует сходство свойств вихревой среды и светоносного эфира Френеля, которое проявилось в совпадении скорости передачи возмущений и скорости света, измеренной И. Физо.

Максвелл понимал, что электромагнетизм – это результат применения законов механики к среде, однако свойства среды его не интересовали.

Именно свойства «среды» (электромагнитного поля) продиктовали совершенно другую механику, принципиально отличающуюся от классической механики.

Благодаря работам Максвелла физики восприняли идеи о поле как таковом, и нашли им широкое применение. С тех пор в физике появилось много других полей без объяснения их через модели разного типа.

Понятиями новой теории стали: электрический заряд (положительный или отрицательный) и напряженность поля – сила, действующая на тело, несущее заряд. При движении электрических зарядов друг относительно друга, появляется магнитная сила. Силы и заряды описываются системой уравнений классической электродинамики – уравнениями Максвелла.

В электромагнитной теории Максвелла поле представляет собой непрерывный поток (среду) и взаимодействие с ним источников поля происходит с конечной скоростью, равной скорости света c.

Свойства среды в электромагнитной теории характеризуются:

ε – диэлектрической проницаемостью (характеризует изолирующие свойства среды). Электрическая постоянная в вакууме – ε₀;

μ – магнитной проницаемостью (характеризует связь между магнитной индукцией и напряженностью магнитного поля в веществе). Магнитная постоянная в вакууме – μ₀;

c – скорость света (и скорость передачи электромагнитного взаимодействия) определяется свойствами вакуума по уравнению: c = 1/(ε₀μ₀)^1/2;

Z = (μ₀/ε₀)^1/2 – импеданс, характеристика волнового сопротивления среды (в данном случае вакуума) в которой эта волна распространяется.

В систему уравнений входит: закон Ш. Кулона; магнитные силовые линии; электрическое поле создаваемое переменным магнитным полем; магнитное поле, создаваемое электрическим током или переменным электрическим полем.

Таким образом, представления о взаимодействии преобразовались в электродинамическую систему, построенную из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля.

Максвелл заменил действие на расстоянии взаимодействием зарядов посредством поля, непрерывно и с конечной скоростью. Кроме того расширилось понятие движения – к простому механическому перемещению добавилось распространение колебаний в поле.

Теория Максвелла произвела переворот в физике. Она построена на идее непрерывного, несжимаемого потока – электрического поля (среды), неразрывности материи и движения, связи пространства и времени как между собой, так и с движущейся материей.

Теория электромагнетизма Фарадея – Максвелла объединила три ранее отдельных раздела физики: электричество, магнетизм и теорию света. Идея поля привела к пониманию их единой природы, и послужило развитию физики поля.

В силу объективных причин для теории Максвелла не удалось подобрать наглядные образы, аналогичные классической физике, и она осталась математической, не сопоставленной с эмпирическими объектами.

Кроме электродинамики Максвелл фактически построил первую в истории физики статистическую модель микропроцессов, которая легла в основу развития кинетической теории газов (статистической механики). Эта фундаментальная физическая теория нового типа основана на теории вероятности. Он также впервые получил закон равнораспределения кинетической энергии по поступательным и вращательным степеням свободы. Благодаря его трудам случайность, вероятность нашли свое место в физике в форме статистических законов.

С электромагнитной теории Максвелла физическая наука становится теоретической в современном смысле слова, так как ее основой становится не наглядная, а абстрактная математическая модель. В современной физике концепция поля как материальной среды, связывающей частицы вещества и все физические объекты материального мира, получила дальнейшее развитие без оглядки на действительность. Так только фундаментальные взаимодействия описываются четырьмя видами поля: электромагнитным, гравитационным, сильным и слабым.

3.  Идеи Эрнста Маха

Э. Мах (1838 - 1916) внес значительный вклад в физику. Ему принадлежит ряд важных открытий в оптике и акустике. Это неординарный и неоднозначно воспринимаемый человек, как его современниками, так и учеными и философами последующей эпохи.

С 1881 года Мах занимался вопросами газовой динамики, одним из основоположников которой он считается.

К 1885 году Мах разработал детали сверхзвукового движения, попутно развивая технику высокоскоростной фотографии. Он открыл и исследовал возникновение ударной волны при аэродинамических процессах, поскольку был первым, кто систематически изучал сверхзвуковое движение тел.

В этой области именем Маха назван ряд величин и понятий: важное для инженеров число Маха – отношение скорости тела к скорости звука в данной среде (1 Мах – скорость звука в данной среде), конус Маха, кольца Маха и др. Он также внес важный вклад в понимание эффекта Доплера.

Мы живем в газовой оболочке планеты – атмосфере. Она обладает рядом физических параметров: ограниченный состав молекул (слабо зависящий от высоты над уровнем моря), давление и температура. Зная эти параметры атмосферы можно вычислить наиболее вероятную скорость движения молекул. Хорошим приближением к этой скорости будет «скорость звука» в данной среде. Этим понятием удобно пользоваться при изучении движения тела в атмосфере, так как именно с этой скоростью связаны все эффекты реакции среды при движении тела сквозь нее, что показано в исследованиях Маха.

При исследовании движения тела в атмосфере Мах понял, что необходимо учитывать свойства среды при приближении скорости тела к скорости звука в ней.

Имея опыт исследования свойств среды в своих обзорных сочинениях Мах подверг критике представления Ньютона об абсолютном пространстве и абсолютном движении. Так как в то время широко обсуждалась проблема относительности, то сочинения Маха получили широкую известность. Мах утверждал, что всякое движение (поступательное и вращательное) является исключительно относительным и никакой принципиальной разницы между этими типами движения быть не должно. Тогда о движении имеет смысл говорить только по отношению к другим объектам, которые выглядят условно неподвижными, и предложил использовать систему неподвижных звезд как альтернативу абсолютному пространству Ньютона. В таком случае закон инерции Галилея имеет относительный характер. То есть при отсутствии сил тело будет сохранять состояние равномерного и прямолинейного движения не относительно пространства как такового, а относительно системы неподвижных звезд.

При относительности всех движений и закона инерции, мера инерции тел (масса) тоже должна быть относительной. Тогда масса каждого тела не является его «врожденным» параметром, как постулировал Ньютон в классической механике, а должна определяться взаимодействием этого тела со всеми остальными телами Вселенной. То есть масса тела определяется теми телами, относительно которых данное тело движется, и по отношению к которым проявляется свойство инерции.

По Маху получается, что предпочтительной системой отчета служит система неподвижных звезд, с которыми взаимодействует рассматриваемое тело и именно все звезды Вселенной определяют массу этого тела. Тогда масса тела является динамической, а не «врожденной» массой.

При своей работе над теориями относительности А. Эйнштейн интересовался идеями Маха (так же, как и работами Максвелла), однако ему так и не удалось включить принцип Маха в Общую теорию относительности. Идея среды Эйнштейном также не понята, поэтому теории относительности остались абстракциями и ограничились математическими манипуляциями с системами отсчета, а вторая компонента гравитационного поля не приобрела самостоятельную роль. Но Общая теория относительности позволяет найти объяснение малой доле массы тела, связанной с локальными полями. Эта добавка к массе оказалась динамической, в то время как основная масса тела по-прежнему оставалась постоянной величиной классической природы.

Теория относительности утвердила еще один положительный момент – это представление о зависимости пространства и времени от материи. То есть пространство и время (среда) не существует вне материальных тел (зарядов).

4.  Приближения квантовой механики

Исследования на микро-уровне привели к созданию квантовой механики отличающейся от классической механики и от теории электромагнитного поля тем, что в ее задачу входит описание устройства систем частиц и условия их стационарности. Отличие состоит и в учете свойств «среды» строго ограничивающей величину переданного момента импульса при взаимодействии тел, что показал М. Планк при анализе спектров излучения «абсолютно черного» тела.

Последующие открытия на микро-уровне разрушали представления классической физики о самой постановке задачи исследователя, поскольку здесь законы макро-уровня оказались неприменимы. 

Из-за того, что воздействие инструмента сопоставимо с устойчивостью изучаемой системы, исследования на микро-уровне отличаются от исследования на макро-уровне и состоят в выяснении структуры (строения) системы и условий ее стационарности (устойчивости состояния системы).

Также как классическая механика, квантовая механика устанавливает связь величин, характеризующих элементы микро-уровня с физическими величинами, непосредственно измеряемыми на опыте. Но в квантовой механике физические величины другие (вероятностные) и необходимость такой замены показал Максвелл своими исследованиями по кинетической теории газов.

Например, для описания состояния газа нет необходимости вычислять скорость каждой молекулы – достаточно знать наиболее вероятную скорость молекул в коллективе. Выбор такого приближения в квантовой механике связан с взаимодействием элемента с коллективом, тогда как в классической механике рассматривается парное взаимодействие.

Вероятностное приближение для коллектива можно распространить и на парное взаимодействие при наличии многочисленных помех за длительный период времени, когда необходимо показать стационарность (устойчивость) всей системы (например, Солнечной системы).

Трактовка того, что в квантовой механике микрочастица не имеет определенной траектории движения, не имеет основания, так как из-за коллективного взаимодействия их поведение подчиняется статистическим законам. Дискретность состояний на микро-уровне также можно обосновать нарушением стационарности состояния коллективной системы и свойствами среды.

Также обострила проблему физической реальности релятивистская механика (которая рассматривает законы движения тел и частиц при скоростях, сравнимых со скоростью передачи электромагнитного взаимодействия – скоростью света), так как вместо изучения реальных свойств среды в основу физической теории поставлена математика.

Теперь физическую теорию строят по математической схеме, набранной из стандартных постулатов и принципов, и в этом случае одна и та же реальность может быть описана разными теориями. 

Например, принцип симметрии. Симметрия описывает ряд изменений объекта не фиксируемых в наблюдениях, так как в результате определенных преобразований он остается неизменным. На микро-уровне действует ряд симметрий, которые описывают взаимопревращения элементарных частиц, как, например, закон сохранения электрического заряда.

Или соотношение неопределенностей В. Гейзенберга иллюстрирует отличие квантовой теории от классической механики и трактуется как причина взаимодействия прибора с объектом измерения.

А принцип суперпозициипредставляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым воздействующим явлением в отдельности при отсутствии влияния друг на друга. На микро-уровне этот принцип дополняет принцип неопределенности. Он показывает, что пока не проведено измерение, система находится в некотором неопределенном состоянии, и только измерение скачком переводит систему в одно из этих состояний.

В 1911 г. Э. Резерфорд предложил планетарную модель атома. Модель проста, наглядна и приемлема с точки зрения классической механики. Однако с точки зрения электродинамики электрон, вращаясь вокруг ядра, должен излучать электромагнитные волны и атом не может существовать. Тогда в 1913 г. Н. Бор предложил постулат, что законы классической механики на микро-уровне неверны и электроны перемещаются вокруг ядра по орбитам без какой либо потери энергии, что электроны в атоме получают или теряют энергию только при переходе с одной орбиты на другую.

Таким образом, атом показал неполноту знаний классической механики и классической электродинамики о реальных свойствах среды, а постулат Бора только фиксировал факт, не раскрывая его физической сути.

Очередной постулат для микро-уровня предложил Эйнштейн при объяснении фотоэффекта. Он приравнял кванты Планка частицам света – фотонам, предположив их корпускулярно-волновую природу.

Затем Луи де Бройль распространил корпускулярно-волновой дуализм на все атомные объекты, что в дальнейшем подтвердилось опытом.

Эрвин Шрёдингер (1926 г.) завершил корпускулярно-волновую гипотезу де Бройля для частиц, введя волновые функции, связанные системой частиц, написал уравнение, которому эта волновая функция должна удовлетворять, и нашел правильные энергетические уровни атома водорода. Однако такая математическая картина далека от обыденного восприятия реальности, а физический смысл постулатов и принципов совершенно неясен.

Открытия на микро-уровне кардинально изменили представление о движении, которое становится лишь частным случаем фундаментальных физических взаимодействий, которых в современной физике известно четыре вида: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Их основа – принцип близкодействия: взаимодействия передаются соответствующими полями, а скорость передачи конечна и не превышает скорости света. Однако полный набор необходимых констант измерен только для электромагнитного поля и одна константа для гравитационного поля (входит в закон Всемирного притяжения).

Для полноты математических схем современные физики добавили третий вид материи – физический вакуум, в дополнение к классическим двум: веществу и полю. Физический вакуум проявляет совокупность частиц и соответствующих им античастиц при достаточно высокой концентрации энергии, где энергия выступает в качестве более универсального понятия, чем масса, благодаря связи массы и энергии. Теперь частицы рождаются из вакуума, и теоретики получили возможность конструировать математические модели практически под любую реальность, чем они и занимаются.

5.     Полевая физика Репченко

Догадки Маха оказались интересными, однако их забыли, так как он не облек их в виде конечных выводов. Сейчас его идеи материализовала Полевая физика О.Н. Репченко [1].

В полевой физике аналогично концепции полевой среды Фарадея – Максвелла выделяется три сущности различной природы:

• Материя, включающая в себя обычные элементарные частицы, исключая фотоны и иные искусственные (виртуальные) частицы. А также состоящие из элементарных частиц атомы, молекулы и иные более сложные тела. Материя обладает корпускулярными свойствами, такими как масса, заряды и их производные характеристики.
• Полевая среда, структура которой до конца не ясна. Она образует связанные состояния с материальными частицами, обуславливая им свойства массы и заряда. Посредством полевой среды между материальными частицами осуществляются взаимодействия на расстоянии. Полевая среда обладает волновыми свойствами и может испытывать сложные колебательные процессы.
• Процессы, связанные с движением и изменением свойств полевой среды и материальных объектов. Наиболее яркими примерами служат электромагнитные волны (свет). Процессы не могут обладать свойствами материальных объектов или полевой среды.

Ньютон постулировал массу тел как меру количества материи, содержащейся в них, однако основные свойства материи – масса и заряды – оказываются обусловленными полевой средой.

Введем понятие функции полевой связи тел W(R) (в привычной терминологии – потенциальная энергия взаимодействия), которая зависит от расстояния между взаимодействующими телами R. Взаимодействие двух тел определяется функцией полевой связи и приводит к уравнению движения одного тела относительно другого со скоростью u:

 

Здесь формула массы имеют вид: m = - W/c². Скорость света c – скорость распространения возмущений в полевой среде.

Так как взаимодействующие тела находятся внутри Вселенной, то в полевом уравнении движения следует учитывать две компоненты среды: локальные взаимодействия описываются потенциальной энергией W_l, а глобальное гравитационное поле Вселенной W_g. В результате мы должны подставить полный потенциал W = W_l + W_g в полевое уравнение движения:

 

Здесь m = - W_g/c² = const > 0 – постоянная масса, обусловленная глобальным взаимодействием, а μ = - W₁/c² – добавка, связанная с локальными полями.

Из этого уравнения видно, что классическая механика является приближением полевой физики: глобальное поле постулирует массу тел, но не приводит к действию сил из-за малой области космоса, а локальное поле не дает вклад в массу из-за его слабости. Такое приближение приводит к разделению компонент полевой среды и позволяет оперировать постоянной массой.

Постоянная масса m соответствует принципу Маха и является результатом действия гравитационного поля всех тел Вселенной. Так каждое тело в Солнечной системе приобретает «врожденную» массу, которая в классической механике интерпретируется как «мера количества материи» заключенная в теле. Назовем такую массу пассивной. В других областях космоса классическая масса может быть иной.

Активная масса (инертность) μ связана с наличием переменной интенсивности поля, в результате чего тело приобретает массу, которая меняется в процессе его движения. Характер движения тела с активной инертностью в равной мере зависит как от действия сил, так и от изменения массы. Подобное описание движения отличает полевую механику от классической механики.

Силы, управляющие движением тел в классической механике, определяются только локальными полями. Роль глобального взаимодействия в масштабах Солнечной системы сводится только к созданию постоянных масс тел, но не создает заметных сил, которые приводили бы к их относительному движению. В результате возникает разделение двух компонент полевой среды – глобальной и локальной. Первая определяет массы, а вторая – силы. Полевое уравнение движения в классическом приближении (W_g >> W₁, но | W_g| << | W₁|, так как W_g ≈ const) принимает вид:

 

Классическое уравнение движения в таком приближении практически идеально описывает явления природы, но в других обстоятельствах возникают серьезные проблемы. Так специальная теория относительности учитывает вклад в массу локальных полей (сильные поля и большие скорости):

 

Потенциальная энергия взаимодействующих тел (источника поля и исследуемого тела) придает телам полевую массу μ дополнительную к классической массе m, что приводит к релятивистской зависимости массы от скорости.

Важность этого уравнения состоит в том, что специальная теория относительности, оказалась следствием полевой механики. При этом вычисления проводились исключительно в рамках евклидовой геометрии и не требовали введения сокращения пространства или замедления времени, а также их объединения в пространство-время.

Оказалось, что переход от классического уравнения движения к релятивистскому и рост массы со скоростью вовсе не являются следствием преобразований Лоренца, сокращения расстояний или замедления времени. Они связаны со свойствами полевой среды, когда сильные поля приводят к заметным добавкам к массам частиц, а также к большим скоростям их движения. Релятивистские эффекты, связанные с формальной зависимостью массы тела от его скорости приводят к тому, что изменение релятивистской массы оказывается возможным только синхронно с изменением скорости, но в полевой физике перестают носить мистический характер и приобретают наглядное физическое обоснование.

В полевой физике во взаимодействии двух тел имеет смысл расстояние между ними и их относительная скорость. А в системе отсчета, связанной с одним из взаимодействующих тел уравнение движения имеет наиболее простой вид. В этом случае инерциальных систем отсчета не существует, но с Землей можно связать инерциальную систему отсчета при условии, что равномерное и прямолинейное движение тела при отсутствии внешних сил будет происходить в малых областях космоса (классическое приближение).

Поскольку классическая электродинамика построена на идее поля, а закон Кулона и закон Всемирного притяжения математически тождественны (имеют одинаковый вид потенциала), то можно провести ее аналогию с полевой механикой.

В электродинамике помимо электростатического слагаемого (закона Кулона) в формуле силы Лоренца появляются дополнительные слагаемые (динамические добавки), связанные с неинерциальной системой отсчета: вихревое электрическое поле и магнитное поле.

В классической механике на тело действуют аналогичные силы при его движении в неинерциальной системе отсчета. Если в инерциальной системе отсчета действует сила F₀, то при переходе в неинерциальную систему к ней добавляются еще две динамические силы – переносная сила инерции F_p и сила Кориолиса F_k: F_in= F₀ + F_p + F_k.

Таким образом, полевая физика демонстрирует, что динамические добавки (например, магнитное поле и его аналог в гравитационном поле – вторая компонента поля) появляются при движении заряда (он может быть гравитационным или электрическим) в неинерциальных системах отсчета, связанных с движением в полевой среде. При движении заряда со скоростью, близкой к скорости передачи взаимодействия в соответствующей полевой среде проявляется релятивизм. В этом случае среда приводит к эффекту уменьшения силы из-за увеличения инертности при проникновении тела в более высокий потенциал поля.

Влияние полевой среды проявляется также и в квантовой механике, и при классификации элементарных частиц.

Заряженная частица представляет собой связанное состояние частицы как таковой с ее полевой оболочкой. Одной из характеристик полевой оболочки является ее интенсивность, существующая в современной физике в виде понятия заряда. Таким образом, заряд – не внутреннее свойство материальной частицы, а характеристика связанной с ней полевой среды. Как и закон сохранения заряда является следствием принципа непрерывности полевой среды.

В квантовых условиях полевая среда группы частиц, находящихся на малом расстоянии друг от друга, представляет собой единую структуру со сложными общими свойствами. Это означает, что в условиях малых расстояний мы должны от классической концепции полевых оболочек перейти к концепции единой полевой среды. На малых расстояниях связи между частицами гораздо сильнее и роль полевой среды как основного участника и переносчика взаимодействий возрастает. Ее уже нельзя поделить между взаимодействующими частицами в виде обособленных оболочек, которые созвучны с представлениями о том, что частицы создают поля. В единой полевой среде приобретает значение движение самой полевой среды, в которой все частицы движутся коллективно под ее влиянием и движение каждой частицы неотделимо от всех остальных частиц.

Например, коллективная среда проявляет себя при пролете частиц через узкие щели или вблизи краев других объектов в виде интерференции или дифракции. Благодаря появлению волновых эффектов с участием частиц ученые решили приписать им волновые свойства.

Оценить величину волновых свойств частиц можно на основании степени влияния на них полевой среды, которая тем больше, чем дольше частица будет в ней находиться. То есть от скорости частицы u и ее массы m. С учетом постоянной Планка и импульса частицы p это условие примет вид длины волны де Бройля: λ = h/(mu) = h/p.

В полевой физике суть этого соотношения состоит лишь в том, что чем больше длина волны де Бройля, тем сильнее влияние полевой среды на частицу по описанным выше причинам. А значит, движение частицы в меньшей степени носит самостоятельный характер и является повторением волнового движения единой полевой среды.

Точно так же наибольшее воздействие соответствует сильному возбуждению полевой среды за малый промежуток времени τ, а чтобы создать такое же возмущение посредством волны, требуется волна большой частоты ν. В этом случае ее влияние на частицу в квантовых обозначениях можно выразить соотношением: E ~ 1/τ ~ ν = hν.

Корпускулярно-волновой дуализм является видимым эффектом связи частицы с полевой средой. Когда определяющим является движение самой частицы (классическое поведение), она проявляет корпускулярные свойства. Если частица подвержена влиянию полевой среды и повторяет ее динамику, то она проявляет волновые свойства (квантовое поведение). Длина волны де Бройля представляет собой выражение степени влияния полевой среды на частицу.

Аналогичную природу имеют корпускулярные свойства полей. Рост частоты волн приводит к тому, что влияния таких возмущений в среде перестают носить роль фона и становятся аналогичными возмущениям, созданным другими частицами. В результате влияние волны полностью подменяет влияние корпускулярной частицы (например, эффект Комптона или фотоэффект).

6.     Концепция эмпирической Вселенной

Галилея считают основателем экспериментальной физики, так как он своими опытами наглядно продемонстрировал «как?» устроена природа. Придумать устройство природы невозможно, но по имеющимся данным ответить на вопрос «почему?» она так устроена, вполне способна теория. Однако теоретики чаще всего подтасовывают факты под свои модели устройства природы.

Для опытов Галилея потребовались системы отсчета, а последующее развитие эксперимента привело к формулировке принципа относительности и выделению особого семейства инерциальных систем отсчета среди всех остальных систем. Электродинамика, построенная на свойствах среды, использовала системы отсчета связанные с источником поля, что должно было привести к пересмотру прежних представлений в релятивистских теориях. Однако в результате сохранились почти все основные гипотезы классической механики: принцип относительности и выделенное положение инерциальных систем отсчета, принцип эквивалентности и классическое понятие массы. Поменялось лишь представление о пространстве и времени, материи и полях. При этом идеи поля Фарадея – Максвелла не получили развития в механике и гравитации.

Классический потенциал взаимодействия двух тел (зарядов) имеет вид: W = const/R, где R – расстояние между телами.

При этом полагают:  Но R → ∞ – математическая абстракция, которой в реальном мире не существует.

Рассматривая парные взаимодействия c локальным потенциалом W₁(R), следует учитывать конечные расстояния до огромного количества окружающих эту пару тел, которые в сумме создают некий постоянный, глобальный потенциал W₀ = const (нечто похожее на потенциал Ааронова – Бома). В книге [1] показано, что глобальный потенциал создает постоянную массу тел (приближение классической механики), а локальный потенциал динамическую массу (аналогичную релятивистской массе), зависящую от R или от составляющей R||υ скорости тела υ. Система отсчета в полевой механике связана с источником поля в направлении другого тела системы взаимодействующих тел.

В полевой физике [1] рассмотрена только скорость света c в качестве скорости передачи как электрического, так и гравитационного поля.

Идея определиться с реальными свойствами гравитационного поля (среды), вычислив недостающие константы, появилась при создании Эмпирической теории Вселенной (ЭТВ) [2]. С этой целью использована классическая механика и эмпирические законы Кеплера, полученные из наблюдений и отражающие объективное устройство Солнечной системы. Эти законы верны в описании механики Солнечной системы независимо от наших теоретических установок и принятых приближений, от нашего понимания устройства мироздания.

В качестве основы для вычисления констант сначала были написаны уравнения классической механики соответствующие устойчивому движению планет по орбитам. К ним по аналогии с электромагнитным полем добавили уравнения, отражающие предполагаемые свойства гравитационного поля, а затем вычислили по имеющимся данным устройства Солнечной системы, требуемые константы.

Необходимые для описания гравитационного поля (среды) константы обозначены следующим образом:

• γ₁ – известная константа из закона Всемирного притяжения;
• γ₂ = 2,698·10¹⁸ кг/м – константа необходимая для второй компоненты гравитационного поля;
• υ_g = 13.41(0.27) км/с – скорость гравитации (скорость передачи гравитационного поля). С учетом размерности константы для второй компоненты поля и по аналогии с электромагнитным полем вычисляется по уравнению вида:  или непосредственно из параметров Солнечной системы. Скорость передачи гравитационного поля умышленно не постулировалась с целью вычисления ее реального значения и сравнения со скоростью передачи электромагнитного поля для проверки постулата теории относительности (преобразования Лоренца) о предельной скорости передачи поля в случае их различий;
•  – импеданс. Константа получена в качестве гравитационного аналога к константе Планка. Имеет смысл момента импульса и может быть использована для «квантования» момента импульса, проекции момента импульса на плоскость эклиптики и «спина» планет;
• K = c/v_g = 22351 – константа структуры. Предложена для ЭТВ после вычисления скорости передачи гравитационного поля, величина которой оказалась существенно меньше скорости света. Эта константа получила свое название из-за важности в объяснении наблюдаемых структур Вселенной. Все эти структуры мега-, макро- и микро-уровня имеют дискретный характер и их наличие обязано этой константе.

Вычисленные значения приведенных констант отражают реальные свойства гравитационного поля как среды [2, 3]. Они отличаются от свойств электромагнитного поля и от свойств гравитационного поля приписываемых ему теоретиками.

В соответствии с правилами классической механики условие движения планеты (например, Юпитера) на стационарной орбите определено равенством по величине силы притяжения и центробежной силы, так как они направлены противоположно и уравновешивают друг друга.

Сила притяжения наблюдается во всех системах отсчета, тогда как центробежная сила появляется только в неинерциальной системе отсчета связанной с движением планеты по орбите. В классической механике центробежная сила выглядит искусственной добавкой, фиксируя дополнительную силу и не объясняя ее физическую причину.

Если сила параллельна скорости F || υ, то релятивистское уравнение движения в полевой механике имеет вид:

 

Величина средней орбитальной скорости Юпитера составляет υ_J = 13,07 км/с, что близко величине скорости передачи гравитационного поля υ_g = 13,41 км/с.

Зависимость массы планеты от ее скорости в теории относительности с учетом свойств гравитационного поля должна иметь вид:

 

Здесь m₀ обозначает массу покоя.

В этом случае по теории относительности масса планеты должна быть очень большой, чего в действительности не наблюдается.

В электрическом поле магнитная составляющая поля достигает максимального значения при скорости равной скорости передачи электрического поля и полностью уравновешивает кулоновскую компоненту. Приведенные уравнения показывают, что и в гравитационном поле центробежная сила, связанная со второй компонентой среды, при достижении телом скорости равной скорости передачи гравитационного поля полностью уравновешивает силу притяжения центробежной силой.

Чтобы показать, что сила притяжения полностью компенсируется второй компонентой поля при скорости планеты υ = υ_g, для полевой механики полученное уравнение лучше переписать в виде:

 

Отсюда видно, что вторая компонента поля (как и магнитная составляющая в электрическом поле) возникает при движении в среде и не может иметь собственного заряда.

Принципиальное отличие классической механики состоит в том, что вместо ускорения (силы) в полевой механике главную роль играет скорость относительно скорости передачи поля. Поэтому уже при скоростях тела  требуется другая механика, учитывающая поведение самой среды, а при скоростях тела  – сверхрелятивистская механика.

Если же сила перпендикулярна скорости F⊥υ и модуль скорости не меняется |υ| = const, то

 

Приведенные формулы показывают, что полная масса тела, обусловленная влиянием глобального и локального взаимодействия, может быть представлена зависимостью от скорости тела. В полевой механике зависимость полевой массы совпадет с релятивистской формулой массы, если вместо полученных формул использовать формальную релятивистскую зависимость, учитывающую связь динамической массы с потенциалом:

 

Полевая механика демонстрирует связь массы планеты с потенциалом поля центрального тела на орбите этой планеты. Орбиты планет дискретны, так как скорости их движения по орбите связаны с конечной скоростью передачи поля. Поскольку имеется два (гравитационное и электрическое) фундаментальных поля с соответствующими скоростями передачи поля υ_g и c, то для замкнутой системы можно нормировать потенциал в единицах массы уровня осциллятора (по аналогии с квантовым осциллятором). Полное количество уровней системы определяется константой структуры и равно K = c/υ_g = 22351. Тогда масса одного уровня будет равна массе системы, деленной на количество уровней в ней m_l = m(R)/K = m(υ)/K (аналогия с перенормировкой в квантовой теории поля), а массы спутников будут дискретными по количеству масс уровней. Это справедливо для планет – гигантов в Солнечной системе [2, 3].

Таким преобразованием гиперболическая зависимость потенциала от радиуса приведена к гиперболической зависимости плотности ограниченного количества уровней на замкнутом пространстве. Зависимость потенциала от радиуса – «гладкая» функция, которая имеет расходимость в начале координат и конечное значение на удалении (тоже своего рода расходимость). Наличие конечной скорости передачи гравитационного поля объясняет дискретное устройство планетных систем. В таких системах масса (заряд) центрального тела определяет радиус занимаемого им пространства (аналогично числу Авогадро), всю его дискретную структуру и иерархию структур. Такие системы замкнуты (дискретны) и перенормировка значений потенциала в массу уровней отражает это их объективное свойство, которое соответствует квантовым перенормировкам.

Выше отмечалось, что чем выше потенциал на орбите планеты, тем больше ее масса. Для планет земной группы этот закон не выполняется, так как эти планеты двигаются со скоростями выше скорости передачи гравитационного поля (находятся на другом уровне иерархии определяемой скоростью), и, следовательно, в области интерференции «ударной» волны с основной гравитационной волной Солнца. По закону интерференции масса всех планет земной группы не должна превышать массы одного уровня Солнечной системы.

Электроны в атоме находятся в связанном состоянии на нижнем энергетическом уровне. Для выхода из среды им нужно передать соответствующий момент импульса. Однако в этом состоянии электроны излучать не могут, так как излучение приводит к понижению энергетического уровня, что невозможно. Постулат Бора только фиксирует данную ситуацию, тогда как полевая механика объясняет ее наличием среды.

Поскольку элементарные частицы обладают массами, то на них также распространяются законы полевой механики. Соотношения масс элементарных частиц, массы виртуальных частиц и время их жизни также связаны со скоростями передачи гравитационного и электрического поля [2, 3].

Заключение

К достоинствам полевой механики относится применимость принципа относительности Галилея, получение уравнений движения в Евклидовом пространстве. В полевой механике, в отличие от классической механики, нет необходимости искусственно записывать все дополнительные силы, которые могут возникнуть в неинерциальных системах отсчета, так как они учитываются естественным образом, обязаны своим появлением полевой среде и имеют вполне понятный физический смысл.

Релятивистская поправка к массе в теории относительности связана со скоростью тела формально. Большая скорость позволяет телу проникать в более высокий локальный потенциал, зависящий от расстояния до источника потенциала, что учитывается в полевой механике увеличением динамической массы. В теории относительности формальная зависимость массы тела от скорости m = m(υ) привела к невозможности создать теорию гравитации на принятых в ней математических постулатах и принципах. В этом случае выполнена простая математическая подгонка под результат, а физический смысл замаскирован мифологическими следствиями.

Масса Солнца определяет свой потенциал W(R) и массы планет – гигантов в зависимости от радиусов их орбит R_i. Так как радиусы орбит планет заданы свойствами среды, а именно скоростью передачи гравитационного поля, то масса тела однозначно связана с занимаемым им пространством (аналог числа Авогадро). Поскольку массой обладают не только макротела, но и элементарные частицы, то их массы также занимают строго определенное пространство.

В полевой физике [1] показано, что магнитная компонента поля не имеет самостоятельного заряда и появляется в неинерциальных системах как результат движения заряда в электрической среде. В случае гравитационного поля при взаимодействии массы (гравитационного заряда) с полем в неинерциальной системе отсчета возникает вторая компонента поля, с которой связанны две дополнительные силы. В классической механике этим дополнительным силам соответствует центробежная сила, а в квантовой механике все ее постулаты приобретают ясный физический смысл. Величина одной из дополнительных сил зависит от отношения скорости тела к скорости распространения поля, а также от величины заряда (массы планеты) и величины потенциала Солнца на орбите планеты. Учитывая эти соотношения и реальные свойства среды, полевая физика приводит к следующим следствиям:

• Скорость передачи гравитационного поля – физическая константа, поэтому дискретны связанные с ней скорости планет на орбитах и радиусы орбит;
• Потенциал центрального тела системы на орбите спутника имеет заданную величину, а так как масса определяется потенциалом, то масса спутника будет также строго определена массой центрального тела системы и дискретна;
• Вторая компонента гравитационного поля имеет векторную природу и при конечной скорости передачи взаимодействия определяет вращение тел (спин), дискретный момент импульса планеты и дискретные проекции момента импульса планеты на плоскость эклиптики. Более того, наличие самой эклиптики обязано этой векторной компоненте, так как в полевой физике нет инерциальных или неинерциальных систем отсчета, а движение рассматривается относительно радиуса от центрального тела к спутнику в плоскости его движения.

Таким образом, масса центрального тела однозначно определяет всю дискретную систему спутников вокруг него по массам и орбитам.

В случае атома поле ядра также однозначно определяет всю свою электронную оболочку, но в этом случае следует учитывать среду, состоящую как из гравитационного, так и из электрического поля.

Удобным приближением в квантовой механике служит волна потенциала, связанная с моментом импульса, и с конечной скоростью передачи поля. Теперь волновые свойства  можно распространить и на гравитацию [2, 3].

В статье прослежена эволюция механики от простых опытов Галилея до движения планет в гравитационном поле и релятивистских частиц в электрическом поле. Основной момент в эволюции механики состоит в переходе от принципа действия на расстоянии к изучению свойств электрического и гравитационного поля и их влияния на передачу взаимодействия.

Вычисление реальных констант гравитационного поля, как самостоятельной среды,  отличной от электрического поля, указывает на необходимость дальнейшего исследования влияния среды на динамику тел. Малая скорость передачи гравитационного поля взывает не только к определению области применения этой модели среды, но и к распространению ее на свехрелятивистскую область скоростей. Эта область модели среды актуальна, поскольку планеты земной группы, космические тела в галактиках и элементарные частицы движутся с свехрелятивистскими скоростями.

Научная новизна

Современная физика столкнулась с проблемой объяснения дискретного устройства природы, сложной иерархии ее структур. Распространение гипотезы электромагнитного поля Фарадея – Максвелла на гравитационное поле позволило не только вычислить присущие этому полю константы и показать связь механик, но и раскрыть их физическую сущность. Наличие двух составляющих среды, гравитационного и электрического поля, потребовало создания нового раздела физики – полевой механики. Так как среда обладает конечной скоростью взаимодействия, то приоритетное значение в полевой механике приобретает скорость движения заряда. Именно отношение скорости движения заряда к скорости передачи взаимодействия служит критерием наличия дискретных структур и их иерархия. При движении заряда в среде возникает вторая компонента поля, величина силы которой направлена против силы притяжения и достигает с ней равенства по величине при скорости заряда равной скорости передачи поля. Равенство силы притяжения и второй компоненты поля служит критерием границы структур. Такая граница прямо связана с зарядом, чем объясняется число Авогадро.

Выводы

В классической механике приоритетное значение имеют ускорение и сила, в полевой механике – потенциал, скорость и момент импульса, в квантовой механике – момент импульса.

Современная физика напоминает работу плохого детектива, который подтасовывает факты под свою надуманную версию события вместо того, чтобы его всесторонне исследовать и восстановить реальную цепь событий.

Полученные эмпирические результаты показали, что Солнечная система имеет «квантовое» устройство, а механики (классическая, квантовая механики и полевая гравитация) различаются только принятыми в них приближениями, разными оценками свойств поля (среды). Однако знание реальных свойств среды позволяет двигаться дальше в описании устройства Вселенной, особенно на мега-уровне, избавляясь от догм (постулатов и принципов).

Принципиальную роль для связи механик играет среда – свойства гравитационного поля. Учет свойств среды позволяет избавиться от теоретических приближений и постулатов, заложенных в существующих механиках и объединяет их вместе в едином понимании устройства Вселенной. Теперь, зная свойства среды Вселенной – частицы, имеется возможность поиска законов эволюции как Вселенной в целом, так и ее отдельных элементов: звезд и планет.

1. Репченко О.Н. Полевая физика или как устроен Мир? - М.: Галерия, 2005. - 320 с.
2. Курков А.А. Эмпирическая теория Вселенной: монография. ‒ М.: Издательский дом Академии Естествознания, 2016. – 84 с.
3. Курков А.А. Эмпирическая квантовая теория гравитации: вычисление необходимых констант и применение в описании Вселенной. Sci-article.ru, №91, (март) 2021, с. 72-97. https://sci-article.ru/stat.php?i=1615693533

Рецензии:

19.12.2024, 12:36 Макарова Наталья Александровна
Рецензия: Научная статья автора Куркова Андрея Андреевича "Свойства среды определяют вторую компоненту гравитационного поля и число Авогадро" написана в соответствии с требованиями, предъявляемыми к научным публикациям. В статье четко обозначены цель, задачи, методы и материалы, выводы сформулированы и раскрыты. Библиографический список включает 3 источника, однако его следовало бы расширить публикациями других авторов для подтверждения актуальности представленных данных. Несмотря на это, статья автора Куркова А.А. может быть опубликована в журнале.



Комментарии пользователей:

20.12.2024, 2:25 Курков Андрей Андреевич Отзыв: Наталья Александровна, спасибо за доброжелательную рецензию. В качестве источников использованы книги и подразумевалась цитируемая в них литература. Но автора всего два. Исправлюсь.

Оставить комментарий