ПРИНЦИПЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СИЛОВЫХ ПОЛЕЙ МАТЕРИАЛЬНОГО МИРА

PRINCIPLES OF INTERACTION FORCE FIELDS OF THE MATERIAL WORLD

Vladimir Korolev

candidate of Physical and Mathematical Sciences, assistant professor,

Saint-Petersburg State University,

Russia, Saint-Petersburg

АННОТАЦИЯ

Обсуждаются принципиальные возможности построения математической модели развития Вселенной в процессе формировании структуры и основных свойств материи.

ABSTRACT

We discuss the fundamental possibility of constructing a mathematical model of the Universe evolution in the process of formation of the structure and fundamental properties of matter.

Ключевые слова: материя; энергия; взаимодействие; гравитация; поле.

Keywords: matter; energy; interaction; gravity; field.

«Материя и излучение, согласно специальной теории относительности, являются только особыми формами энергии, распределенной в пространстве. Таким образом, весомая масса теряет свое особое положение и является лишь особой формой энергии».

Альберт Эйнштейн

Теории происхождения и строения окружающего мира или Вселенной были в работах многих философских и научных школ. Еще задолго до нашей эры египетские жрецы знали, что планеты вращаются вокруг Солнца. Египетская древняя наука была очень мощной. Там появились алфавит, геометрия и астрономия. Позднее наука была принесена в современную Европу [1].

Грек Пифагор более десяти лет провел в Египте и всему там научился. Вернувшись в Грецию, привез геометрию, которую в своей школе обсуждал с учениками. Платон также посещал Египет, где познакомился с учениями египетских математиков, а после возвращения общался с пифагорейцами и образовал свою школу философии. Одним из первых он поставил задачу о создании модели Вселенной, которую решил Евдокс Книдский [2]. В древней Греции философы считали, что мир состоит из однородных и неизменяемых частей, которым дали название «атомы» (от греч. атомос – неделимый). К настоящему времени за ними закрепились названия всех элементов, составляющих таблицу Менделеева. Оказалось, что сами атомы состоят из частиц: протон, нейтрон, электрон. Известны и другие элементарные частицы: мезон, мюон, нейтрино, а также квант света – фотон. Эксперименты физиков позволяют открывать и прогнозировать появление новых частиц, которым даже заранее придумывают названия и приписывают особые свойства. Определение материи расширялось с развитием различных областей науки. Квантовая физика, астрофизика и физика высоких энергий установили новые представления и активно занимаются поиском новых видов материи [4–9; 14; 15].

Вещество в классическом понимании является множеством составных частиц. Эта форма материи доминирует в Солнечной системе и ближайших звёздах. Основные варианты и формы материи образовались еще на ранней стадии эволюции Вселенной [4]. Классическое вещество может находиться в одном из нескольких состояний: твердом, жидком, газообразном, аморфном. Известны также состояния вещества, называемые плазмой. Принадлежность к веществу здесь следует понимать условно, поскольку различие между вещественной и полевой формами материи на современном уровне стирается. Теория электромагнитного поля Максвелла – Лоренца послужила моделью для теории пространства и времени специальной теории относительности. Электромагнитные поля представляют собой самостоятельно существующие реальности или особые формы энергии, которые не связаны с какими-либо носителями. Их нельзя привести к чему-либо другому, подобно атомам материи, состоящим из частиц. Напротив, элементарные частицы представляют собой не что иное, как сгущение силового электромагнитного и гравитационного поля. Согласно космологическим представлениям, энергия вакуума определяется локально однородным и изотропным скалярным полем. Это поле необходимо использовать для описания так называемых фазовых переходов вакуума при расширении Вселенной, во время которых происходило последовательное нарушение симметрии, приводящее к разъединению фундаментальных взаимодействий.

В настоящее время можно предполагать существование других форм и новых свойств материи, которые активно используют в гипотезах и теориях: черные дыры, струны, темная материя, темная энергия [5; 16].

Коротко можно сформулировать следующие аксиомы, которые пока не требуют доказательства и могут использоваться в качестве основных принципов построения моделей Вселенной.

• Вселенная существует и живет сама по себе по своим законам в том виде, который нам удается наблюдать с помощью различных приборов.
• Вселенная проявляется в движении материи в различных формах.
• Движение – это изменение положения или состояния различных объектов.
• Вселенная является самодостаточным и саморазвивающимся явлением.

Существуют различные гипотезы возникновения и создания Вселенной или дальнейшего развития до нынешнего состояния.

Пространство и время – это абстрактные математические модели для удобства описания, исследования и прогнозирования процессов или событий. Каждое элементарное событие происходит в каком-либо месте и в какой-нибудь момент времени относительно других явлений и событий.

Событие – это не точка «пространства-времени»! Событие – это процесс изменения состояния, которое мы называем движением!

Математические, физические, химические и другие теории, алгоритмы и методы предлагают возможное и доступное пониманию представление о природе окружающего нас мира для изучения на соответствующем уровне при использовании средств наблюдения за взаимодействиями силовых полей, материи, энергии, гравитации, пространства. Результаты опыта и полученные знания в различных направлениях наук помогают в дальнейшем изучении различных свойств и проявлений единой материи Вселенной.

Можно сделать следующий шаг и рассматривать единую структуру или субстанцию: «материя+энергия+пространство+время+силовое поле».

Это определяет особые законы существования и развития всей Вселенной после возникновения. Еще сто лет назад шаг в этом направлении сделал Эйнштейн [17], но утверждение из эпиграфа не получило большого распространения и прямого применения, хотя были сторонники или последователи. Различные научные коллективы на своем уровне для объектов разных размеров пытаются исследовать проявления и свойства взаимодействия в материальном мире. В том числе открывают новые элементарные частицы, создают молекулы новой структуры, изучают живой мир природы, расшифровывают ДНК, пытаются направить разумное человечество к новым высотам знания.

Материя – это сгусток энергии и суть существующего реального мира. Вместо известной формулы Эйнштейна  для энергии покоя частицы можно положить в основу исследования свойств тождественное выражение, которое связывает и делает единым материю, пространство, время, энергию и силовое поле:

.

Здесь параметр m определяется как масса, E соответствует энергии сосредоточенной в заданном объеме или области пространства, количественный параметр K является коэффициентом пропорциональности или взаимной зависимости основных характеристик, который может учитывать структурные свойства пространства или времени через предельную скорость света. Показатель n = 3 для нашего трехмерного физического мира, хотя могут быть другие размерности пространства при создании удобных математических моделей и теорий описания процессов движения Вселенной [3; 6; 10; 13–18].

У каждого пространственного объёма должна быть присущая ему энергия, которая может проявляться как материя. Энергия или материя распределены в пространстве в виде силовых полей для разных видов или типов взаимодействия по своим правилам и свойствам. Силовое поле формирует общую структуру и свойства пространства, в том числе все возможности изменения пространства и самого поля, которые мы называем движением.

Движение можно представить себе, вообразить или изобразить с помощью компьютера как вихревой поток преобразования силового поля или энергии. Аналоги в природе – воздушный вихрь или водный поток бурной реки, которые в разных точках пространства принимают разные формы и состояния. Например: капли дождя, струйки водопада или клубы пара.

Взаимодействие материи происходит при встрече в одной точке пространства удобных по параметрам взаимовлияния элементов силовых полей. Происходит замыкание энергии, соединение или связка в один узелок нитей, которое по своим свойствам определяет тип взаимодействия и направление. Например: поле гравитации или электромагнитное поле. Мы замечаем эти взаимодействия как столкновения элементарных частиц или касание более крупных образований.

В результате происходит почти мгновенное взаимодействие и передача энергии между точками сгустков материи или центров силовых полей. Например, когда сокращается или сжимается узел, то дёргается нить и отдельные участки материи нити двигаются с некоторой скоростью (пусть будет меньше скорости света согласно Эйнштейну), но одновременно двигается вся нить и передает энергию взаимодействия как информацию! Начало и конец нити движутся с одной скоростью, если она не порвалась. В силовых полях разрыва нет! Силовое поле не содержит пустоты или вакуума, в отличии от вещества, и обладает математической непрерывностью в воображаемом пространстве и абсолютной плотностью.

Сгусток силового поля может реализоваться как вещество или материя, которая характеризуется величиной (масса), относительным положением при общем распределении в пространстве, движением (относительный импульс, количество движения) и другими свойствами (заряд, спин, ориентация). Это определяет информационное поле или структуру текущего состояния «пространства-времени» всего нашего материального мира, которое мы называем Вселенной!

В результате эволюции при развитии (движении или самоорганизации) получаем разного вида и формы проявления материи. Устойчивые состояния представлены элементарными частицами, которые имеют разное время существования, а также наиболее устойчивыми формами в виде атомов. Они соединяются в материальные конструкции в виде молекул и формируют многообразие существующего мира. В одной молекуле ДНК соединяется всего четыре основных элемента в особой последовательности в таком количестве, сколько звезд в галактике.

Но в этих соединениях где-то еще спрятана или записана информация, которая сама по себе развивается или влияет на изменение состояний образованной системы тел! Информация – это совокупность факторов, которые определяют положение и состояние элементов, а также многообразие возможных изменений и переходов в новое состояние. Существует много носителей информации, разнообразны способы хранения, размножения, модификации, передачи, кодирования и реализации информации.

Наблюдение за проявлениями материи или изучение всего при помощи высоко организованной материи, которая проявилась на Земле в виде разумного человечества, позволяет выявить особенности и свойства, сформировать общую структуру, осознать главные возможности, использовать свойства или даже управлять миром или его частями в виде механических или живых систем [5; 9–12; 16]. По крайней мере, так некоторым кажется.

Это могут делать многие хотя бы виртуально в своем воображении, когда не уснуть ночью, а на небе звезды горят и подмигивают, или с помощью фантазии писателей и ученых, дочитывая очередную книгу.

В классической механике главным считается текущее положение всех элементов системы и условия взаимодействия, внутреннего и внешнего влияния различных сил. Получаются простые модели, для которых можно получить решения и определить основные свойства. В теории относительности делается переход на события, где вместе с координатами учитывается как важный параметр время для описания процессов, а также пытаются моделировать взаимовлияние пространства и сил гравитации.

В действительности следует рассматривать единый набор параметров, которые учитывают состояние всего во Вселенной как движение или изменение материи, энергии, информации, пространства и времени.

Состояние материи определяют масса, относительное положение, количество движения (масса и вектор скорости), энергия (полная или кинетическая), вектор кинетического момента или спин. Событие – это изменение состояния движения, вызванное причинами и определяемое возможностями. В результате получаем новое состояние.

Причины – это внешние или внутренние силы, моменты сил, влияние, взаимодействие, возмущение, ресурсы или запасы мощности. Возможности определяют ограничения, информация, управление, разветвление или пересечение процессов, а также условия выбора вариантов перехода в новое состояние.

Каждое элементарное событие, из которых складывается всякий физический процесс (например, распад радиоактивного атома или столкновение нейтронов при экспериментах в ядерной физике), происходит в каком-либо месте или некоторой точке трехмерного физического пространства и некоторый момент времени [3; 13].

Но событие – это не просто точка «пространства-времени»! Событие – это процесс, движение или изменение состояния! Какой-то представитель материального мира, который можно считать точкой, находится в данный момент в данном месте. И это все? Нужно видеть совокупность всех свойств или параметров в процессе общего взаимодействия.

При математическом моделировании процессов или всех событий во Вселенной «нельзя объять необъятное». Поэтому стараются выделить что-то главное и отбросить не самое существенное или учитывать это на следующих этапах приближения к реальности.

Всеобщая взаимная непрерывная связь всех объектов, событий или явлений во Вселенной – именно это определяет и назначает Информационное Поле или Пространство Вселенной. Возможно это абстрактное, виртуальное, невидимое или, в некоторой степени, действительное, реальное, натуральное.

Твердые тела только кажутся нам едиными, непрерывными, абсолютно твердыми, сохраняя форму и объем в процессе движения. Это благодаря множеству взаимосвязей всех элементов и частей тела.

Физикам – экспериментаторам удается установить закономерности. Физики – теоретики определяют правила и записывают законы. Математики составляют уравнения процессов с учетом различных условий и получают свойства решений.

Фарадей в своих исследованиях электричества и магнетизма, наблюдениях или экспериментах дошел до открытия и создания электромагнитного поля, получил примеры явных проявлений, придумал возможности практического использования, а основную математическую модель и уравнения предложил Максвелл. Фарадей предполагал единство мироздания через влияние на лучи света и взаимодействие с ними электричества и магнетизма, вызывая их поляризацию.

Ньютон получил уравнения и решения для описания движения тела, которое можно считать материальной точкой, в центральном гравитационном поле. Эйнштейн пытался создать единую теорию поля для всех существующих сил, соединяя время, пространство и силы тяготения.

Современные попытки построения новых моделей рождения и развития Вселенной лишь иллюстрирует процесс всеобщего внимания к изучению мира, рассматриваемого как единое целое. Единая субстанция проявляется в разных обстоятельствах в различных формах и свойствах материи-энергии. Масса тела, полная (кинетическая и потенциальная) энергия движения тела, которые считаются скалярными величинами, а также импульс (векторная величина количества движения) или суммарный импульс действующих сил относятся к числу важнейших физических понятий. Они могут объединяться в единые четырехмерные векторы пространства кватернионов [10] и многомерные структуры или массивы для записи уравнений движения в векторной или тензорной форме [3; 13; 17].

Все объекты во Вселенной имеют общие корни по происхождению из одной начальной «протоматерии» в соответствии с теорией Большого Взрыва, который произошел почти 14 миллиардов лет назад [4–6; 16]. Возможно, что их родственные тесные связи еще продолжаются на разных уровнях взаимодействия через многообразие свойств.

Список литературы:

1. Арнольд В.И. Истории давние и недавние. – М.: ФАЗИС, 2002, – 96 с.
2. Богомолов А.Н. Математики и механики. Биографический справочник. – Киев: Наукова думка, 1983. – 640 с.
3. Брумберг В.А. Релятивистская небесная механика. – М.: Наука, 1972. – 382 с.
4. 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.
5. Габсер С. Маленькая книга о большой теории струн. В поисках принципов устройства вселенной. – СПб.: Питер, 2015. – 208 с.
6. 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.
7. Королев В.С. Аксиомы и теории о бесконечности, вечности и непрерывности // Наука, образование и инновации. Уфа, 2015. – С. 8–14.
8. Королев В.С. Философские основы натуральной астрофизики и математики. // Наука вчера, сегодня, завтра. 2016, № – С. 16–23.
9. Королев В.С. Проверка принципов потрясением пространства // Научный журнал “Pixis”. 2016, № 1. – C. 5–12.
10. Королев В.С., Новоселов В.С. Пространство, время и кватернионы. // Наука вчера, сегодня, завтра. 2016, № 2-1 (24). – С. 28–41.
11. Новоселов В.С. Статистическая динамика. Учеб. пособие. – СПб.: Изд-во С-Петерб. ун-та, 2009. – 393 с.
12. Новоселов В.С. Квантовая механика и статистическая физика. Курс лекций. – СПб.: Изд-во ВВМ, 2012. – 182 с.
13. Соколовский Ю.И. Теория относительности в элементарном изложении. – Харьков: Изд-во ХГУ, 1960. – 174 с.
14. Фок В.А. Квантовая физика и строение материи. – М.: ЛИБРОКОМ, 2014. – 72 с.
15. Фридман А.А. Мир как пространство и время. – М.: Наука, 1965. – 118 с.
16. Хокинг С. Краткая история времени: От большого взрыва до черных дыр. – СПб.: Амфора, 2007. – 231 с.
17. Эйнштейн А. Эфир и теория относительности // Собрание сочинений в 4 томах. – М.: Наука, 1965, т. 1, C. 685.
18. Korolev V.S. Thinking about the structure of the construction and the possible development of the Universe // Variety of Interaction Forms of Material Objects through a Prism of the Latest Analytical Concepts. – London, IASHE. – P. 25–27.