Зукакишвили Л.М. Физика сплошной среды:
Единая теория поля

Оглавление

От издательства

Эта книга продолжает серию "Relata Refero" (дословный перевод – рассказываю рассказанное).

Под этим грифом издательство предоставляет трибуну авторам, чтобы высказать публично новые идеи в науке, обосновать новую точку зрения, донести до общества новую интерпретацию известных экспериментальных данных, etc.

В споре разных точек зрения только решение Великого судьи – Времени – может стать решающим и окончательным. Сам же процесс поиска Истины хорошо характеризуется известным высказыванием Аристотеля, вынесенным на обложку настоящей серии: авторитет учителя не должен довлеть над учеником и препятствовать поиску новых путей.

Мы надеемся, что публикуемые в этой серии тексты внесут, несмотря на свое отклонение от установившихся канонов, свой вклад в познание Истины.

Введение

Целью данной работы является поиск единого описания структуры вещества и его поля и выявление общности всех известных взаимодействий: сильного, электромагнитного, слабого и гравитационного. Изучение микромира показало, что невозможно все представления, полученные при наблюдении макроскопических тел, перенести в область микроскопических частиц. Есть два пути проникновения в область неизведанного: 1) отказаться от представлений, полученных при изучении макроскопических тел, и ограничиться задачей предсказаний вероятности процессов, происходящих в микромире; 2) сохранив основные представления, характерные для макромира, искать те модели микроскопических объектов, которые удовлетворяли бы экспериментам по изучению микрочастиц, а при наличии очень большого числа частиц приводили бы к законам, характеризующим поведение макроскопических тел.

Создатели квантовой механики, квантовой электродинамики, теории элементарных частиц и других квантовых теорий пошли по первому пути. Один из основных доводов, приводимых для обоснования такого выбора, заключается в утверждении, что не следует вводить лишние гипотезы для создания наглядности процессов, происходящих в микромире, необходимо лишь установление связи между исходными данными и полученным в эксперименте результатом. Однако и на этом пути приходится использовать понятия, введенные в макроскопической физике, например, понятие энергии, импульса, момента импульса, а также законы сохранения этих величин. Исходя из законов сохранения, не только определяются энергия, импульс, спин и орбитальный момент количества движения невесть что представляющих собой элементарных частиц, но и делается заключение о самом существовании новых частиц, как, например, в случае с нейтрино.

Второй способ исследования микроскопических объектов дает возможность, используя результаты квантовой физики и классические законы описания макромира, представить строение элементарных частиц и протекающие с ними физические процессы. Создание наглядной модели происходящего помогает объяснить некоторые особенности, наблюдаемые в эксперименте, а те в свою очередь позволяют уточнить модель. В оправдание использования этого метода вспомним, что статистическая физика для объяснения свойств систем, состоящих из очень большого числа одинаковых непосредственно не наблюдаемых микроскопических частиц, также описывает движение и взаимодействие этих частиц, наделяя их свойствами, характерными для макроскопических тел. Другой пример – классическая электродинамика, в основе которой лежит электронная теория Лоренца, использовавшего уравнения Максвелла для описания области микромира, включая внутреннюю область электрона.

Для выявления единства всех известных в природе сил в качестве исходной выбираем наиболее распространенную и изученную область – область электромагнитных взаимодействий.

Обращение к читателю

О чем книга "Физика сплошной среды"? Об основах физики, и может быть интересна тем, кто интересуется глубинными проблемами этой науки.

На рубеже 19 – 20 вв. были получены замечательные экспериментальные результаты, на основе которых были созданы теория относительности и квантовые теории, изменившие представление о таких фундаментальных понятиях, как пространство-время и элементарная частица, появился дуализм частица-волна. Каждое из этих новых направлений в физике оказалось очень плодотворным и на начальном этапе дало удивительные по точности результаты, но по мере развития теорий трудности множились, а совпадение расчетов с данными экспериментов ухудшалось. Что же, теории неверны? Они верны – каждая в своей области. Любая теория дает лишь приблизительную картину описания реального физического мира, и тем лучше его описывает, чем точнее выбрано приближение. Как бы ни была хороша теория в своей области, трудности возникают, когда она вторгается на чужую территорию.

В квантовой физике не удается проквантовать гравитационное поле, зато известно, что переносит это взаимодействие гравитон (и еще гравитино), число элементарных частиц давно перевалило за число элементов таблицы Менделеева. Эксперимент перестал быть критерием верности теории, ученых не смущает, что кварки, составляющие частицы, не обнаружены ни в каких экспериментах. Найдено этому объяснение: кварки не могут существовать в свободном состоянии, вне ядра частицы, поэтому они ненаблюдаемы. На базе необнаруженных кварков, гравитонов, монополей Дирака строятся более усовершенствованные теории.

Общая теория относительности – теория гравитации, она с большой точностью описывает движения тел и распространение света в близкой к Солнечной системе области пространства, где другими, негравитационными силами, можно пренебречь. Однако проблем космологии эта теория не решает. Согласно астрономическим наблюдениям последних лет, для объяснения движения дальних звезд и галактик необходимо допустить существование скрытой массы, составляющей 90% всей массы Метагалактики, но это допущение не объясняет, почему Метагалактика расширяется ускоренно. В рассматриваемой работе показано, что основные силы в масштабе Метагалактики – электромагнитные. Может быть, если бы Эйнштейн не вычеркнул из уравнений гравитационного поля космологический член, теория относительности могла бы описать движение галактик, а только гравитационными силами это сделать невозможно.

Распространяя положения ОТО на сколь угодно малые расстояния, т. е. вторгаясь в область ядерных сил и допуская существование плотности вещества, на много порядков превосходящую ядерную, была получена теория Большого взрыва, согласно которой, пренебрегая всеми законами сохранения, материальный мир возник из математической точки, из ничего, и также может окончить свое существование. После ста лет развития физики стало очевидно, что она зашла в тупик.

В поисках основы для единой теории поля мой выбор пал на классическую релятивистскую электродинамику, поскольку уравнения Максвелла инвариантны относительно преобразований Лоренца, т. е. сохраняют свой вид в любой системе отсчета, и они представляют собой незамкнутую систему уравнений. Дополняющие их так называемые материальные уравнения (или уравнения состояния) можно подбирать соответственно рассматриваемой области исследований. Чтобы понять основные уравнения электродинамики, попыталась представить себе непрерывную среду, которая могла быть описана этими уравнениями. Почему непрерывную – да потому, что только в такой среде не возникает проблема взаимодействия на расстоянии. Можно возразить, что обмен взаимодействующих между собой объектов частицами тоже описывается как близкодействие, но такое взаимодействие происходит не непрерывно по времени, а лишь в моменты испускания и поглощения частиц обмена, а в промежутках взаимодействующие тела (частицы) движутся по инерции, зная, что им следует перемещаться равномерно и прямолинейно. Если же частицы представляют собой конфигурации особых точек сплошной среды, они постоянно переносятся потоками этой среды, и в моменты ускорения, и при равномерном движении.

Итак, кроме непрерывной среды надо иметь ее особые точки или особые линии – дискретные образования в непрерывной среде. Поскольку из уравнений Максвелла следует, что, B=rotA, рассматривая А как непрерывное векторное поле, описывающее потоки сплошной среды, в качестве простейшего дискретного образования выбираем замкнутую элементарную магнитную линию а_i – вихревую линию потоков сплошной среды. В работе предлагается модель элементарной частицы, керн и поле которой образованы элементарными магнитными линиями. Рассматривая а_i как реальные взаимодействующие между собой образования, удалось показать, что из уравнений Максвелла можно получить описание любых взаимодействий, существующих в природе, включая гравитационные. При этом необходимость в гравитоне, как и в кварках при описании структуры элементарных частиц, отпала. Итак, все взаимодействия электромагнитные, но это не означает, что сила всемирного тяготения сводится к кулоновской силе или силе Ампера, эти силы описываются разными слагаемыми полной электромагнитной силы, найденной из тензора напряжений электромагнитного поля.

В книге мало формул, и вовсе нет новых уравнений для проведения конкретных расчетов в той или иной узкой области физики. Но показана возможность увидеть в известных формулах то, чего не видели раньше – например, что уравнения Максвелла описывают силы гравитации и силы инерции в неинерциальных системах отсчета, считающиеся фиктивными силами. В работе сила всемирного тяготения из уравнений Максвелла получена в ньютоновском приближении, но из тех же уравнений можно гравитационное взаимодействие описать более точно. Главная цель данной работы – доказать, что это в принципе возможно, и показать, какие слагаемые общего выражения электромагнитной силы описывают то или иное взаимодействие.

Сторонники представлений об эфире часто пытаются доказать несостоятельность теории относительности, якобы опровергающую существование эфира. Но теория относительности здесь ни при чем, она применима лишь для инерциальных систем отсчета (точнее, для систем отсчета, которые при описании некоторого явления могут рассматриваться как инерциальные, ибо строго инерциальных систем, связанных с материальными телами, нет), а в инерциальных системах эфир никак себя не проявляет. Неверна не теория относительности, а ошибочно высказывание Эйнштейна, что, поскольку опыт Майкельсона не выявил влияние эфира, он не существует. Эфир – не среда, имеющая молекулярное строение и заполняющая промежутки между частицами вещества, а сплошная среда, особые точки потоков которой образуют сами частицы и их поля.

Замеченные опечатки