ВИРТУАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ МАТЕРИИ ВСЕЛЕННОЙ

MATHEMATICAL MODELS OF THE MATERIAL WORLD

Vladimir Korolev

Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor, Saint Petersburg State University,

Russia, Saint Petersburg,

АННОТАЦИЯ

Обсуждаются принципиальные возможности строения и математические модели формирования структуры материи и основные свойства в процессе создания и развития Вселенной, а также в настоящее время. Рассматривается гипотеза, использующая особые «проточастицы» малых размеров и малой массы, которые могут быть главными элементами состава или частью существующей материи, которая наблюдается в окружающем мире. Основой процессов во Вселенной является движение и можно исходить из принципов или законов физики, статистического и термодинамического равновесия. Известные модели создания мира предполагают появление и преобразование «протоматерии» или дальнейшую модификацию материи.

ABSTRACT

The principal possibility of the structure and mathematical models of the formation of the structure of matter and the basic properties of the process of creation and evolution of the Universe discussed. The hypotheses considered using special «proto-particles» small size and low weight, which may be the main elements of the composition or part of an existing material in the world. The basis of the processes in the Universe is a movement and we can start from the basic laws of physics, statistical and thermodynamic equilibrium. Famous model creation and development require the emergence or transformation «protomatter» and further modification of matter.

Ключевые слова: материя; энергия; гравитация; силовые поля.

Keywords: matter; energy; gravity; force fields.

«По большому счету, все науки - это модели реального мира»

В.Ф. Демьянов

Разумное человечество всегда с интересом наблюдало за процессами в природе и окружающем мире [1-5, 8-10, 14-22], присматривалось к явлениям на небе, где днем при хорошей погоде ярко светило Солнце, а ночью сияли звезды и прогуливалась Луна. Математическое моделирование процессов сложных динамических систем [3-7, 11-18] может менять наше представление о наблюдаемых явлениях. Воображение позволяет сформировать, а компьютер может изобразить на экране даже то, чего нельзя увидеть или не может быть в реальном мире. Когда не было компьютеров, достаточно было включить свои внутренние картины и образы фантазии, чтобы дополнить реальность новыми возможностями.

Для построения математических моделей динамических систем следует выделить совокупность объектов исследования и определить условия взаимодействия внутри системы, а также возможное влияние дополнительных внешних сил. Начальный этап моделирования задач предполагает переход к обоснованному выбору условий, которые могут учитываться для записи уравнений динамики на основе законов и принципов, аксиом, алгоритмов и методов.

В древней Греции философы посчитали, что мир состоит из песчинок или кирпичиков в виде однородных и неизменяемых частей, которым дали название «атомы». В то же время Аристотель предполагал существование особой среды или «эфира», который заполняет пространство и приводит в движение небесные тела. Декарт также считал, что все тела образуются в результате вихревых движений эфира. Позднее эфиру приписывали различные свойства или вводили понятие «вакуума» для частей пространства без материи или особого состояния материи, которое может при определенных условиях испытывать сложные преобразования и превращения в другие формы.

Наблюдаемый мир познавали как единое целое, непрерывное, разнообразное по проявлениям материи. В мире нет ничего, кроме различных форм движущейся материи, которая лишь переходит из одного состояния в другое. Оказалось, что сами атомы состоят из многих составляющих частиц: протоны, нейтроны, электроны. Известны и другие элементарные частицы: барионы и мезоны, кварки и лептоны, бозоны и фотоны, глюоны и нейтрино. Сотни различных элементарных частиц, в том числе античастиц и «виртуальных», существующих очень короткое время, способны к столкновениям, взаимодействиям и взаимным превращениям. Кварки и лептоны считают базисными элементами в процессе образования ядер и электронных оболочек атомов.

Математикам и физикам удобно использовать простые модели при описании окружающего мира, сложной структуры и движения материи Вселенной. Они используют формальные возможности в виде аксиом, законов и формул для учета основных действующих сил, которые определяют изменения состояний и все процессы. Величина и направление этих сил определяется по наблюдаемому относительному перемещению объектов, а затем используется для прогнозирования или описания дальнейшего движения всего остального. Эти математические и физические модели не дают полного описания причин и не определяют все свойства взаимодействия материи в виде реальных сил.

Классическое вещество существует в различных формах и видах, которые можно увидеть и потрогать. Оно может находиться в одном из возможных состояний: аморфном, газообразном, жидком, твердом или в виде плазмы. Живая материя и биосфера планеты имеют свои организационные формы или проявления. Принадлежность к веществу следует понимать условно, поскольку различие между формами материи сейчас стирается. Электромагнитные и гравитационные поля представляют собой самостоятельно существующие реальности или особые формы энергии, которые не связаны с какими либо носителями. Их нельзя привести к другому виду, подобно атомам материи, которые состоят из элементарных частиц и представляют собой устойчивое сгущение силового электромагнитного и гравитационного поля в малой области пространства, наполненного энергией.

Материя как объективная реальность является предметом изучения многих наук, каждая из которых исследует определенный вид материи или ее свойства. На различных уровнях описания окружающего мира появляются разные возможности наблюдения, приближения и дальнейшего уточнения. В основе современных представлений о строении материи лежит идея о сложной системной и структурной организации при определенной взаимосвязи элементов или единстве окружающего мира. Совокупность элементов своими связями образует определенную структуру, которая обеспечивает устойчивую целостность.

Основные варианты и формы материи образовались еще на ранней стадии эволюции Вселенной [1-2]. Существуют различные гипотезы возникновения Вселенной и развития до нынешнего состояния [3-5, 14-19]. Пространство и время – это абстрактные математические модели для удобства описания, исследования и прогнозирования процессов или событий [10-13, 21]. Результаты наблюдений и полученные знания различных наук помогают в дальнейшем изучении свойств и проявлений единой материи Вселенной.

Определение материи, структура и свойства расширяются с развитием различных областей науки [4, 5, 8, 9, 15, 18]. Космология и квантовая механика, астрофизика и физика высоких энергий установили новые методики, изобретают новые способы представления и активно занимаются поиском новых видов материи. Открывают новые элементарные частицы, создают молекулы новой структуры, изучают мир живой природы, расшифровывают ДНК, пытаются направить разумное человечество к новым высотам знания.

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.

Различные научные коллективы на своем уровне для объектов разных размеров пытаются исследовать проявления и свойства взаимодействия в материальном мире. Большой Адронный Коллайдер (БАК) с помощью ускорения протонов при соударениях позволил получить бозон Хиггса. Эксперименты физиков позволяют открывать и прогнозировать появление новых частиц, которым заранее придумывают названия и свойства.

В настоящее время предполагают существование других форм и новых свойств материи, которые используют в различных гипотезах. 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.

Астрофизика и космология может только предлагать математические модели материи Вселенной, основываясь на результатах новых наблюдений и гипотезах о возможных свойствах. В некоторых случаях считается достаточным только косвенных признаков в описаниях процессов. Появились «виртуальные» модели особой формы «тёмной материи» и дополнительной «тёмной энергии», которые пока не взаимодействуют с реальной материей, но могут использоваться для описания некоторых явлений.

Присутствие тёмной материи выдаёт лишь гравитационный эффект, благодаря которому современная наука вообще знает о её существовании. Ведущие физики ЦЕРН поставили перед собой задачу обнаружить так называемый «тёмный фотон», гипотетическую элементарную частицу, являющуюся аналогом фотонов для тёмной материи. Наряду с гравитацией тёмные фотоны могут оказаться посредниками между обычной и тёмной материей, тем самым связующим звеном, которое позволит учёным понять, что собой представляет это загадочное вещество.

Математики составляют уравнения процессов с учетом различных условий и получают свойства решений. Ньютон использовал идею атомизма материи. Он представил правила и законы механики, получил уравнения и решения для моделирования и описания движения реальных тел, которые можно считать абстрактными или «виртуальными» материальными точками, а также оформил гравитационное взаимодействие двух тел (Солнца и планеты) в виде центрального силового поля [12]. 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 «виртуального» поля и уравнения предложил Максвелл [14]. Эйнштейн пытался создать единую теорию поля для всех существующих сил, соединяя время, пространство и силы тяготения [18].

Система уравнений Фридмана [16] для модели наблюдаемой Вселенной допускает множество решений в зависимости от выбранных параметров. На самом деле значение параметров фиксированы только на текущий момент и с течением времени эволюционируют, поэтому эволюцию расширения описывает совокупность решений.

Теория Большого Взрыва Гамова и последователей [19] предлагает ответ на основной вопрос «каким образом образовались химические элементы и почему наблюдается такая их распространённость, как сейчас». Границу применимости определяет область высоких энергий, выше которых перестают работать изученные законы. При этом вещества как такового уже нет, а есть практически чистая энергия.

Рассмотрим простой пример. Пороховой заряд или другое взрывчатое вещество (ВВ) было первоначально плотно упаковано в малом объеме пространства, но при соответствующих условиях (если подносят спичку, ударяют на капсюль, вставляют особый детонатор и приводят его в действие) ВВ почти мгновенно по нашим представлением превращается в газ или другое состояние и расширяется многократно, разлетаясь с большой скоростью в пространстве.

Аналогичное событие могло случится, как предполагается в современных моделях, с протоматерией Вселенной, которая находилась в суперплотном состоянии, но в результате «первотолчка» или Большого Взрыва почти мгновенно разлетелась в «пространстве-времени», распадаясь на части и кусочки в виде проточастиц или формирующихся взаимосвязанных образований (галактики, звезды, планеты, межзвездная пыль), элементарных частиц (протоны, нейтроны и электроны, бозоны и лептоны), атомов (водород Н, кислород О, углерод С и многие другие), молекул (воды Н₂О, воздуха) и других форм (вещество органическое и неорганическое).

Можно предложить в качестве основных принципов построения модели и определения свойств материи Вселенной:

• Вселенная существует и живет сама по себе по своим законам в том виде реальной материи, который нам удается наблюдать с помощью различных приборов.
• Вселенная проявляется в движении материи в различных формах, которое определяет изменение во времени положения в пространстве и состояния различных объектов или процессов.
• Пространство и время – это абстрактные математические модели для удобства описания, исследования и прогнозирования процессов или событий относительно выбранных для сравнения.

Материя не может существовать без движения, которое следует понимать не только как механическое перемещение тел в пространстве, но также любые изменения состояний объектов. Категории пространства и времени выступают как общие абстракции, в которых отмечается структурная организованность и изменчивость материи Вселенной.

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

Таким образом, материя это сгусток энергии с учетом других характеристик, которые определяют суть существующего реального мира. Сгусток силового поля может реализоваться как вещество или материя, которая характеризуется величиной (масса, плотность), относительным положением при общем распределении в пространстве, движением (относительный импульс или количество движения), взаимодействием с другими объектами или возможными свойствами (заряд, спин, ориентация).

Еще сто лет назад шаг в этом направлении сделал Эйнштейн [18], но его утверждение «Материя и излучение, согласно специальной теории относительности, являются только особыми формами энергии, распределенной в пространстве» не получило большого распространения и прямого применения, хотя были сторонники или последователи.

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 [11-15]. Силовые поля 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, клубы пара, брызги и струйки водопада или сплошной почти непрерывный поток.

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 возможностей существующего мира.

Предлагается новая модель формирования структуры и свойств материи Вселенной, использующей особые «проточастицы» [10, 14, 21]. Все объекты имеют общие корни по происхождению из начальной «протоматерии» в соответствии с теорией Большого Взрыва, который произошел почти 14 миллиардов лет назад [1-5, 17-19]. Возможно, что их родственные связи еще продолжаются на разных уровнях взаимодействия через многообразие свойств.

Можно в качестве «исходных» элементов предполагать существование «проточастиц» очень больших или малых размеров различной массы. Можно также считать, что пространство наполнено ими, а материальные объекты состоят из этих частиц в виде устойчивых образований или сочетаний. Можно считать, что отдельные проточастицы (назовем их протончиками) имеют вид шариков (рис. 1а) или тороидальных завихрений (рис. 1б), взаимодействующих в различных структурах (рис. 1а) или сталкивающихся (рис. 1с) между собой.

а)     б) с) 

Рисунок 1. Структура и взаимодействие проточастиц.

Предложенная гипотеза построения материи Вселенной, использующая проточастицы, не является строго научной, хотя и отвечает основным законам физики [14, 15]. Указанные проточастицы малых размеров и малой массы не поддаются пока экспериментальному определению. Подход вероятностный, поэтому могут существовать особые условия или события, мера которых существенно меньше меры нормальных событий. Методика или схема может быть полезна для дополнения гипотез или развития существующих теорий на основе сохранения энергии проточастиц.

Для современной науки характерно, что чем глубже она проникает в микромир, тем больше возможностей открывается для понимания крупномасштабной структуры Вселенной. Гармония реального мира в единстве и многообразии материи Вселенной в процессе вихревых или турбулентных движений для развития в зависимости от условий и вероятности образования новых сочетаний структурных элементов или формирования новых явлений.

Благодарности

Огромную признательность хочу выразить моему научному руководителю профессору Виктору Сергеевичу Новоселову за поиск новых направлений, разработку и расширение методики исследований от задач классической и небесной механики до исследования динамики управляемых систем, биомеханики, статистической динамики, квантовой механики, астрофизики и космологии.

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. Валиев Б.Г., Лопатин В.М. Трансформация материи во Вселенной // Успехи современной науки и образования. 2016, т. 3, № 8. – С. 49-53.
3. Габсер С. Маленькая книга о большой теории струн. В поисках принципов устройства вселенной. – СПб.: Питер, 2015. – 208 с.
4.  Гинзбург И.Ф. Неминимальные хиггсовские модели, темная материя и эволюция Вселенной // Письма в журнал экспериментальной и теоретической физики. 2014, том 99, № 11-12. – С. 856-865.
5. Гриб А.А., Павлов Ю.В. Рождение сверхтяжелых частиц гравитацией ранней Вселенной и гипотеза сверхтяжелой темной материи // Труды Института прикладной астрономии РАН.  2008, № 18. – С. 161-181.
6. Демьянов В.Ф. Математическая модель развития динамических систем // Вестн. С-Петерб. ун-та. Серия 1. 2002. Вып. 4. – С. 11-20.
7. Демьянов В.Ф. Математическая модель динамического процесса // Доклады Академии Наук, 2004, том 395, № 2. – С. 178-182.
8. Захарченко И.И «Темная материя», эфир и видимая Вселенная // Мир современной науки. 2016, № 2 (36). – С. 41-62.
9. Караченцев И.Д. Потерянная темная материя в местной Вселенной // Астрофизический Бюллетень. 2012, т. 67, № 2. – С. 129-140.
10. 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.
11. Королев В.С. Философские основы натуральной астрофизики и математики. // Наука вчера, сегодня, завтра. 2016, № 10 (32). – С. 16-23.
12. Королев В.С. Принципы взаимодействия силовых полей материального мира // Наука вчера, сегодня, завтра, 2016. № 11 (33). – С. 24-36.
13. Королев В.С., Новоселов В.С. Пространство, время и кватернионы // Наука вчера, сегодня, завтра. 2016, № 2-1 (24). – С. 28-41.
14. Новоселов В.С., Королев В.С. Материя Вселенной // Естественные и математические науки в современном мире, 2016, № 12 (47). – С. 28-43.
15. Фок В.А. Квантовая физика и строение материи. – М.: Изд-во ЛИБРОКОМ, 2014. – 72 с.
16. Фридман А.А. Мир как пространство и время. – М.: Наука, 1965. 118 с.
17. Хокинг С. Краткая история времени: От большого взрыва до черных дыр. – СПб.: Изд-во Амфора, 2007. – 231 с.
18. Эйнштейн А. Эфир и теория относительности // Собрание сочинений в 4 томах. – М.: Наука, 1965, том 1. – 685 с.
19. Gamow G. The Creation of the Universe. — Viking Press, 1952.
20. Korolev V.S. Thinking about the structure of the construction and the possible development of the Universe // International Conference «Variety of Interaction Forms of Material Objects through a Prism of the Latest Analytical Concepts» – London: IASHE, 2015. – P. 25-27.
21. Korolev V.S. Probable structure and properties matter of the Universe // American Scientific Journal. 2016, № 1. – P. 12-22.
22. Pakulin V.N. Structure of Matter. Vortex Model of Microworld // Philosophy and Cosmology, 2013, т. 1, № 1 (11). – P. 93-124.