МАТЕРИЯ ВСЕЛЕННОЙ

MATTER OF THE UNIVERSE

Viktor Novoselov

doctor of Physical and Mathematical Sciences, professor,

Saint-Petersburg State University,

Russia, Saint-Petersburg

Vladimir Korolev

candidate of Physical and Mathematical Sciences, assistant professor,

Saint-Petersburg State University,

Russia, Saint-Petersburg

АННОТАЦИЯ

Предлагаются математические модели формирования структуры и основных свойств материи Вселенной, использующие особые проточастицы. Если принять, что основой процессов во Вселенной является движение, то можно исходить из основных законов физики, статистического и термодинамического равновесия. Слабое взаимодействие перехода протона в нейтрон, позитрон и нейтрино, можно представить происходящим под действием ограничения кулоновского взаимодействия, вызванного помещением между электрическими частицами спирального нейтрино. Сильное взаимодействие может быть вызвано перестановкой электронов при объединении атомов. Рассматривается коллективное перемещение квазичастиц, волновая функция которых удовлетворяет уравнению Шрёдингера квантовой механики. Дается обоснование основных законов физики на основе движения проточастиц малых размеров и малой массы.

ABSTRACT

Mathematical model are proposed of structure formation of the Universe and the fundamental properties of matter using special protoparticle. If we accept that the basis of the processes in the Universe is a movement, it is possible to proceed from the basic laws of physics, statistical and thermodynamic equilibrium. Weak interaction for transition proton into a neutron, a positron and a neutrino, one can imagine what is happening under the influence of the Coulomb interaction constraints caused by the interposition of electrical helicity neutrinos. The strong interaction may be due to rearrangement of the electron by combining atoms. We consider the collective movement of quasiparticle wave function which satisfies the Schrödinger equation of quantum mechanics. The justification of the basic laws of physics is given on the basis of the movement protoparticle of small size and low of mass.

Ключевые слова: материя; энергия; гравитация; взаимодействие.

Keywords: matter; energy; gravity; interaction.

1.  Гипотезы о строении окружающего мира и всей материи Вселенной были в работах многих философских и научных школ. Те, кто признавал мир как единое, непрерывное и бесконечное образование, указывали на материю и с разных сторон изучали элементы тел, как основу всего существующего, забывая объяснить причины возникновения или движения [1–5; 8–10].

Практика показывает, что простое соединение предметов приводит к построению сложных объектов. Отсюда естественно возникает желание познавать природу и её свойства с помощью представления объектов в виде многократного соединения исходных элементов. В древней Греции (IV век до н. э.) философы–материалисты считали, что сущее состоит из однородных и неизменяемых частей, которым дали название «атомы» (от греч. атомос – неделимый). К XXI веку н. э. за атомами закрепилось название для сотни элементов, составляющих таблицу Д.И. Менделеева. Указанные атомы состоят из частиц: протон, электрон, нейтрон. Известны и другие элементарные частицы: нейтрино, мюон, мезон, а также квант света – фотон. С помощью Большого адронного коллайдера (БАК) получена при соударениях протонов следующая частица бозон Хиггса и прогнозируются другие открытия.

В настоящее время можно в качестве «исходных» элементов предполагать существование «проточастиц» очень малых размеров и малой массы. Можно также считать, что вакуум и все объекты состоят из этих проточастиц. Пусть проточастицы, называемые также «первочастицами», имеют вид шариков размером  и массой .

Отметим, на какие вопросы надо ответить.

1.  Откуда берутся гравитационные силы.

2.  Что собой представляет масса элементарных частиц.

3.  Почему притягиваются разноименные электрические заряды и

отталкиваются одноименные.

4.  Как понимать слабое и сильное взаимодействие.

5.  Обосновать принимаемый в настоящее время закон сохранения энергии.

Будем исходить из первоначального «большого взрыва» Вселенной [1; 10]. Этот взрыв может произойти на разных этапах эволюции, в частности на нулевой стадии, как рассматривает стандартная модель. Взрыв может произойти на других стадиях, если вещество встретится с антивеществом. В момент взрыва большое число проточастиц выбрасывается в пространство. Происходит также отделение осколков, составленных в конечном виде из проточастиц. Эти осколки являются основами галактик и отдельных звезд.

Самое раннее время после взрыва, относительно которого можно говорить с определенностью, будет 0.01 с. Температура в области взрыва равна 10¹¹ градусов Цельсия [1]. При такой температуре, кроме проточастиц, могут существовать различные элементарные частицы: электрон, позитрон, нейтрино, антинейтрино, фотон. Эти частицы непрерывно рождаются из проточастиц и затем весьма быстро вновь аннигилируют. Температура плазмы снижается и при температуре 3000–4000 градусов Цельсия. Вселенная становится прозрачной [1]. Происходит быстрое установление статистического равновесия, при котором излучение электромагнитных колебаний определяется формулой Планка излучения черного тела [6; 7].

Рассмотрим пример взрыва с разлетом первочастиц в диффузионной среде. За основу можно принять одномерное уравнение

 ,                                                                         (1)

где: N – число проточастиц, далее = const > 0, D = const > 0 – коэффициент диффузии [6]. Выполним замену переменной . Для величины  получаем уравнение одномерной диффузии

.

Непосредственной проверкой находим

.

Здесь – координата точки взрыва. Отсюда приходим к решению уравнения (1) в виде  и к выражению

.

При  имеем предельную скорость

 const > 0.

Можно приравнять эту равновесную скорость проточастиц скорости с распространения электромагнитной волны

.

Полученная формула может служить для определения постоянной , умноженной на коэффициент диффузии D.

2.  После установления статистического равновесия проточастицы движутся во все стороны со скоростью света с. Предполагаем, что проточастица может войти в состояние удара только с другой проточастицей. Если рассматривать два тела, которые состоят из проточастиц, на расстоянии друг от друга L, то между телами образуется теневое пространство, вызванное задержками проточастиц по некоторым направлениям. Наличие теневого пространства между телами приводит к их взаимному притяжению.

Под вероятностью тени понимаем число лучей, задержанных телами 1 и 2 по отношению ко всем возможным траекториям проточастиц. Рассмотрим одиночный акт тени, то есть вероятность  для любой проточастицы тела 1, состоящего из  проточастиц, соударяться с любой проточастицей тела 2, состоящего из  проточастиц. Массы тел 1 и 2 можно представить в виде:

, .

Плоская картина предельного соударения представлена на рис. 1.

Рисунок 1. Плоская картина возможного соударения

Сферический угол, соответствующий рис. 1, будет равен

.

Вероятность одиночной тени  равна отношению  к полному сферическому углу : . Из рис. 1 имеем

.

Вероятность тени равна

.

Введем обозначение для гравитационной постоянной

                                                                         (2)

Отсюда получаем

.

Силу F назовем гравитационной. Поскольку , то .

При L порядка  сила гравитации заменяется силой упругости.

3.  Примем, как экспериментально установленный факт, что электромагнитные волны в вакууме удовлетворяют уравнениям Максвелла

которые приводятся к следующему представлению

                         (3)

где: k = const > 0 ,  = const > 0 ,  – начальная фаза,

, , .

Здесь , , – орты ортогональной системы координат.

Обосновать формулу (3) на основе схемы перемещения проточастиц можно следующим образом. При внесении в некоторую область вакуума энергии высокой частоты в указанной области происходит концентрация проточастиц. Этот процесс передается во все стороны. Освободившееся место занимает поток проточастиц из других областей.

Рассматриваем одну из сторон – ось x. На рис. 2 график так называемой электрической Е и магнитной Н напряженности. Это электрическая и магнитная составляющие вектора электромагнитной напряженности, который как бы вращается вокруг оси распространения электромагнитной волны в направлении, которое определяется в базисе «пространства-времени».

Согласно исходным уравнениям Максвелла Е и Н описывают круги друг относительно друга, если эти компоненты зависят от времени.

Рисунок 2. График электромагнитной напряженности

Пусть процесс распространения электромагнитных волн встречается с необходимостью разделения на части. Можно считать, что каждое микроскопическое тело увлекает достаточное количество проточастиц, так что процесс распространения на каждом из разделенных вакуумных пространств будет тот же, но меньшей интенсивности. При этом один из квантов электромагнитной энергии  пойдет в одно из пространств, следующий квант с той же энергией  пойдет в другое пространство. Скорость распространения светового сигнала не будет зависеть от выбора системы координат. Если одновременность событий определяется движением света, то при предположении прямолинейного движения приходим к преобразованиям Лоренца и специальной теории относительности. В общей теории относительности используют криволинейную систему координат и допускают криволинейное движение. Это приводит к некоторым дополнениям специальной теории относительности.

4.  В плазме, образованной при взрыве Вселенной, кроме поперечных электромагнитных волн, могут возникнуть бегущие продольные колебания. Эти колебания включают в состав электромагнитных волн, наделив все вместе термином корпускулярно-волнового дуализма. Гравитационные волны также могут быть продольными. Однако продольные волны иногда выражаются в виде опасных уединенных волн.

Будем рассматривать коллективное перемещение квазичастиц, волновая функция которых удовлетворяет уравнению Шрёдингера квантовой механики [6; 11].

Хаотическое самовозбуждение, т. е. подпитку колебательного движения, можно моделировать нелинейной отрицательно определенной потенциальной функцией вида

,

где:  const > 0,  – радиальное расстояние.

Запишем уравнение Шрёдингера в виде

.

Здесь  – масса проточастиц, участвующих в коллективном движении. Введем вспомогательное обозначение

 const ,

и опуская знак «волна» у переменных, получим

 .                                                                (4)

5.  Уравнение (4) называется нелинейным уравнением Шрёдингера и обозначается S3, где цифра 3 указывает на общую степень волновой функции. По типу волны де Бройля [6] отыскиваем решение этого уравнения в виде следующей волновой функции

,

где:  – вещественные постоянные,  – волновая переменная,  = const.

Будем обозначать «штрихами» обыкновенные производные по

Подставим полученное выражение в уравнение (4). После сокращения на  примем . Приходим к уравнению

Если  const, то

,

При нормализации на – функцию:. Отсюда  и

                                      (5)

В физических переменных выражение (5) дает волновую функцию сферической продольной волны.

Пусть  const, тогда уравнение (4) может иметь солитонное решение

Волновая функция (5) теперь принимает вид

                                                                  (6)

где:

Нормируем волновую функцию (6) в первоначальных физических переменных на единицу: . Отсюда получаем .

Плотность распределения вероятности в положении  в момент времени  в физических переменных на основании формулы (6) будет

                                            (7)

Максимальная плотность вероятности  достигается при . Из-за быстрого возрастания  при изменении аргумента график выражения (7) напоминает рог, который перемещается со скоростью  в положительную сторону от начала координат. Если , то рог на графике перемещается в левую сторону.

6.  Возможен переход квантов электромагнитного поля в электроны и позитроны. Для этого кривая Е на рис. 2 сжимается. Положительный участок образует, например, электрон , а отрицательный ее участок – позитрон . У созданных элементарных частиц будут разнонаправленные вращения. Кривая H выпрямляется, т. е. поток проточастиц возвращается в равновесное состояние. Шарообразные электрон и позитрон, вращающиеся в разные стороны с кинетическим моментом , создают между собой разреженное пространство и притягиваются, а одноименные заряды будут отталкиваться.

Поясним подробнее. Можно представить шарообразные сгустки проточастиц, вращающиеся в одну сторону, например, по часовой стрелке. В области соприкосновения этих сгустков один будет давить снизу, другой сверху. В результате получается повышенное давление и указанные сгустки будут отталкиваться друг относительно друга. Если же сгустки вращаются в разные стороны, то в области соприкосновения создается уменьшение плотности проточастиц и сгустки притягиваются.

Величину такого изменения давления определить трудно. Поэтому воспользуемся экспериментальным законом Кулона [7].

,

где:  – электрическая постоянная,  и  – взаимодействующие заряды с их знаками.

7.  Слабое взаимодействие перехода протона в нейтрон, позитрон и нейтрино, можно представить происходящим под действием ограничения кулоновского взаимодействия, вызванного помещением между электрическими частицами спирального нейтрино. Затрудненный магнитный поток приводит к ослаблению взаимодействия.

Сильное взаимодействие может быть вызвано перестановкой электронов при объединении атомов. При этом некоторые электроны приходится упаковывать в ядре сложного атома. Это приводит к увеличению орбитальной скорости этих электронов и, как следствие, к появлению дополнительного магнитного потока. При сверхтесном взаимодействии, при котором проточастицы не могут перемещаться между компонентами ядра атома, сильное взаимодействие пропадает.

8.  В настоящее время нет доказательства широко используемого всеобщего закона сохранения энергии. Если принять, что основой процессов во Вселенной является движение проточастиц, то можно исходить из механического доказательства изменения энергии

,

При потенциальных силах можно использовать силовую функцию  или потенциальную энергию

const,

Если пренебрегать сопротивлением при движении проточастиц, то ,  const. Тем самым энергия макротел, элементарных частиц и электромагнитного поля – все будет следствием сохранения кинетической энергии проточастиц.

9.  Попробуем оценить массу проточастицы. Предполагаем [1], что вакуум находится в состоянии статистического равновесия при абсолютной температуре . В состоянии термодинамического равновесия средняя энергия по каждой степени свободы равна , где  ДжК⁰ – коэффициент Больцмана [6]. Отсюда приходим к равенству , где  мс^-1 это квадрат скорости света. Получаем

 кг.

Поскольку масса электрона равна [7]  кг, то электрон по предлагаемой схеме может содержать  проточастиц.

По формуле (2) определяем возможный радиус проточастицы

 м.

Оценим плотность  проточастицы

кгм^-3.

Приведем таблицу сравнения плотности для вакуума, воздуха, воды и проточастицы в кгм^-3.

Таблица 1.

Сравнение плотности

Можно предполагать, что в одном м³ вакуума содержится 10^-34/10^-40, т. е. 10⁶ проточастиц.

10.                Предложенная схема строения материи Вселенной, использующая проточастицы массой  кг и радиусом  м, хотя отвечает законам физики, но не является строго научной, так как указанные величины не поддаются экспериментальному определению (по крайней мере в настоящее время). Это скорее мнемоническое представление основных законов физики. Подход вероятностный. Поэтому могут существовать особые события, мера которых существенно меньше меры нормальных событий.

Авторы, прежде всего профессор Новоселов В.С., почти всю жизнь занимаются задачами теоретической и небесной механики. Хотя у него есть работы по механике живых систем [6], однако обсуждать дух Вселенной он не решался. «Обычно принято думать, что ученый должен в совершенстве знать определенную область науки из первых рук, и поэтому ему не следует писать по таким вопросам, в которых он не является знатоком» писал в своей книге Шрёдингер. Однако «становится почти невозможным для одного ума полностью овладеть какой-либо одной специальной частью науки» [11].

Единственное, к чему могло быть полное доверие, это универсальный всеохватывающий и взаимодополняющий характер знаний по многим разделам или направлениям науки, к которому можно стремится.

Список литературы:

1. Вагнер С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной. / Пер. с англ. Беркова А.Р. под редакцией, с предисловием и дополнением акад. Я.Б. Зельдовича. – М.: Энергоиздат, 1981. – 208 с.
2. Габсер С. Маленькая книга о большой теории струн. В поисках принципов устройства вселенной. – СПб.: Питер, 2015. – 208 с.
3. Королев В.С. Структура окружающего мира при образовании и развитии Вселенной // Актуальные направления научных исследований: от теории к практике. – Чебоксары: «Интерактив плюс», 2014. – С. 188–192.
4. Королев В.С. Философские основы натуральной астрофизики и математики. // Наука вчера, сегодня, завтра. 2016, № 10 (32). – С. 16–23.
5. Королев В.С., Новоселов В.С. Пространство, время и кватернионы. // Наука вчера, сегодня, завтра. 2016, № 2-1 (24). – С. 28–41.
6. Новоселов В.С. Статистическая динамика. Учеб. пособие. – СПб.: Изд-во С-Петерб. ун-та, 2009. – 393 с.
7. Физический энциклопедический словарь / Гл. ред. А.М. Прохоров. Ред. кол. Д.М. Алексеев, А.М. Бонч-Бруевич, А.С. Боровик-Романов и др. – М.: Сов. энциклопедия, 1989. – 928 с.
8. Фок В.А. Квантовая физика и строение материи. – М.: ЛИБРОКОМ, 2014. – 72 с.
9. Фридман А.А. Мир как пространство и время. – М: Наука, 1965. – 118 с.
10. Хокинг С. Краткая история времени: От большого взрыва до черных дыр. – СПб.: Амфора, 2007. – 231 с.
11. Шредингер Э. Что такое жизнь с точки зрения физики? / Пер. с англ. А.А. Малиновского. – М.: РИМИС, 2009. – 176 с.