CC BY
11ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЭВОЛЮЦИИ ВСЕЛЕННОЙ КАК МОДЕЛЬ РАЗВИТИЯ ФИЗИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ
Кошман В.С.
канд. техн. наук, доцент, Пермский государственный аграрно-технологический университет,
Пермь, Россия
ENERGY MODEL OF THE UNIVERSE EVOLUTION AS A DEVELOPMENT MODEL OF A PHYSICAL SYSTEM WITH MEMORY EFFECT
Koshman V.
Cand. Tech. Sci., Associate Professor, Perm State Agrarian and Technological University,
Perm, Russia
АННОТАЦИЯ
Рассмотрены особенности модели эволюции Вселенной как физической системы с эффектом памяти. Отмечено, что в согласие с принципом наименьшего действия Большой взрыв как космологическое событие отвечает планковскому моменту времени.
ABSTRACT
The features of the model of the evolution of the Universe as a physical system with a memory effect are considered. It is noted that in accordance with the principle of least action, the Big Bang as a cosmological event corresponds to the Planck moment of time.
Ключевые слова: модель Вселенной, реликтовое излучение, формула Планка, закон Стефана - Боль-цмана, закон смещения Вина, планковские величины, принцип наименьшего действия.
Keywords: model of the Universe, relic radiation, Planck's formula, Stefan-Boltzmann law, Wien's displacement law, Planck quantities, principle of least action.
«Прошлое Вселенной должно быть таким, чтобы привести к её современному состоянию»
ФредХойл
Научное творчество сродни художественному: эти разновидности деятельности имеют своей целью описание, изображение природы, правда, есть и отличие. Особенностью художественного творчества «является свобода не только формы, но и со-держания...т. е. возможность трактовать одно и то же содержание, один и тот же образ бесконечным числом способов, причем результаты этих изображений признаются одинаково ценными» [1, с. 6]. Наука стремится рисовать картины, однозначно сопряженные с реальностью. «В области научного изображения природы.издревле приписывалось единство, как отличительный признак ее, исключающий возможность двух толкований одного и того же явления, толкований - хотя бы только частью несовпадающих между собой» [там же, с. 7]. Естествознание признает, что взаимоисключающее многообразие в естественном развитии (развертывании, существовании) одних и тех же физических явлений и процессов отсутствует, а со временем изучаемые объекты должны «высвечиваться» всё с большей достоверной полнотой.
Исследование движения позволило установить законы физики, которые используются для измерения и предсказания явлений. С опорой на устойчивые факты ученые развивают теорию и стремятся к достижению как можно более точных результатов. В деле познания тайн природы задействован весь научный арсенал современной физики, в котором
есть место и измерениям, и моделям, и физическим законам, и алгоритмам, и предположениям.
Особенностью многообразия приемов известных физических теорий является и возможность приближенных решений ключевых вопросов естествознания. При этом получающиеся таким путем решения и закономерности порой мало отличаются от результатов, которые можно получить на основе более строгих теоретических подходов. Планков-ская масса тр1 = 10-8 кг, которая численно равна массе земной пылинки, создает серьезную проблему для теоретиков, но как сумма масс обилия материальных частиц (ниже условно, планковских фотонов, барионов,...) не рассматривается.
Как рабочее предположение, можно принять, что в эпоху Планка плотный сгусток материи заселен материальными частицами, при перестройке структуры поселения изменяются состояние, давление p, объем V и температура T в пределах комби-ру
нации — , что для планковского мгновения £:„, =
10-
т
c позволяет записать
и
^ = кв = ^ = 8,314 ^ = 1,38-10-23 Дж/К,(1)
ТР1 1032 а 6,022-10 ' 4 '
ир11р1 = 109 ■ 10-43 = h = 6.62-10-34 Дж- с. (2) Здесь кв - постоянная Больцмана, - универсальная газовая постоянная, - число Авогадро, h - постоянная Планка, а также учтено, что абсолютное давление p есть энергия единицы объема газа: р = р Тем самым, под планковской Вселенной понимаем заселенную космическую пылинку, физическое состояние которой характеризуется группой фиксированных числовых значений параметров - совокупностью планковских величин.
9
_ 8,314 _ .
Примечательна ситуация с появлением данных величин, а также постоянной Планка к и постоянной Больцмана кв. Они были введены в науку о природе М. Планком 120 лет тому назад. К тому времени существенный вклад в экспериментальное изучение «черного излучения» был уже сделан многими исследователями. При опоре на опытные данные изучалась интенсивность теплового излучения. Решалась задача выйти на экспериментальные результаты путем обоснованных теоретических построений. Планк в согласие с законом сохранения и превращения энергии разработал модель равновесия между веществом и излучением, учел дискретный характер явления и его необратимость. Это позволило теоретически выйти на формулу спектра фотонного излучения абсолютно черного тела (закон излучения Планка) [2]:
,3 ,
(3)
с) _ йи£ _ 8лИу3 1
В1/,Т = _ - ■
йу
с3 еНУ/квТ-1 •
где ВуТ - излучательная способность черного тела, и£ - объемная плотность энергии фотонного излучения, V - линейная частота волн, с - скорость света в вакууме, а Т - температура излучения (в кельвинах).
Применительно к реальному электромагнитному полю Планк обратил внимание на свойство «распределения энергии порциями конечной величины, которые даже не равны друг другу» (Г.А. Лоренц, 1907 г.). Планк обеспечил физику новыми идеями о материи и её развитии, будучи убежденным в том, что «построение физической науки происходит на основе измерений» [3, с. 569]. По Планку, «отдельный человек...вместе со всей нашей планетой означают лишь крошечное ничто в великой возвышенной природе, законы которой не определяются тем, что происходит в маленьком человеческом мозгу, но существовали еще до того, как вообще жизнь появилась на Земле.» [там же].
Постоянная Планка к - см. (2) - имеет размерность произведения энергии на время. Планк отмечает: «Если также и здесь мы попытаемся выразить несколькими словами суть характерной для этой (квантовой - ВК) гипотезы идеи, то следовало бы назвать новую универсальную постоянную - элементарный квант действия. Эта постоянная - новый таинственный вестник из реального мира» [там же, с. 574]. Правильность формулы Планка (3) подтверждается не только её непосредственной эмпирической проверкой, но и следствиями из данной формулы; в частности из неё следует закон Стефана -Больцмана [4]:
= ^ = ^./^4, (4)
£ V 15 с3Ь3 У '
(ЦЕ - энергия излучения в объёме V), также эмпирически подтвержденный. Кроме того, из формулы (3) выводятся, полученные до формулы Планка закон смещения Вина и формула Рэлея -Джинса [2]. В естествознании согласие между результатами теории и натурного эксперимента - это объективный критерий правильности теоретических построений.
Предлагая в последние недели 19 века - наряду с формулой (3) - свои естественные единицы
длины, массы, времени и температуры (как комбинации мировых констант с, О, к, и к), М. Планк полагал их настолько фундаментальными, что распространял их значимость на все времена «пока справедливы законы тяготения, оба начала термодинамики и пока остается неизменной скорость распространения света в вакууме» [5, с.233].
Накопленный опыт указывает на значимость построения моделей в целях познания природы. И Вселенная здесь не является исключением. Для обозначения действительного и модельного мира Дж. Синг [6] соответственно использует термины «Д - мир» и «М - мир». С одной стороны, отмечается, что «без существования Д - мира и без сопоставления с ним М - мир не имеет смысла», а с другой, также и то, что модельные миры «отображают некоторые свойства Д - мира, оставляя в стороне множество других свойств и явлений, с которыми они не способны иметь дело» [6, с. 18]. Модельные М; - миры порой наделены мощными информационными ресурсами, которые способны обеспечить нас разнообразными версиями развития давно свершившихся космологических событий. В мире реальной Вселенной (то есть в Д - мире) все, что происходило в нём ранее, уже свершилось, а наблюдаемое и регистрируемое приборами можно лишь только интерпретировать. Интерпретировать - это истолковывать что - либо, давать объяснение чего - либо, раскрывать смысл чего - нибудь, что невозможно без личных симпатий и предпочтений.
Для обозначения предлагаемого модельного мира Вселенной [7 - 9 и др.] мы используем термин Мэ - модель, где подстрочный индекс Э соотносит ее к числу энергетических моделей. В архитектуре Мэ - модели физические законы излучения приобретают космологический смысл, поскольку здесь находит отражение изменчивость безразмерных планковских величин в их естественных пределах.
Как известно, побудительной причиной к развертыванию научных исследований на пути построения космологических моделей Вселенной послужил подтверждаемый астрономическими наблюдениями результат решения А.А, Фридманом (1922 г.) мировых уравнений А. Эйнштейна. Исследование дифференциальных уравнений позволило Фридману не только заложить основу теории нестационарной Вселенной, но и сформулировать проблему «начала» Вселенной. По результатам наблюдений «установлено, что галактики «разбегаются»... Отсюда логически следует, что прежде все наблюдаемые объекты Вселенной должны были находиться значительно ближе друг к другу, и, возможно, когда - то все они были сосредоточены в относительно малом пространстве. Но где именно -об этом нельзя сказать ничего определенного. Ведь если Вселенная расширяется, то любые два объекта в ней взаимно удаляются - так же как две произвольные точки на поверхности воздушного шарика, когда его надувают» [10, с. 249 - 250].
Не секрет, что иногда производство измерений и «эксперимента уподоблено постановке определенного вопроса, на который мы как бы заставляем природу дать нам более или менее определенный
ответ» [11]. К счастью, экспериментировать со Вселенной не представляется возможным. Но достоверно установлено: реликтовое излучение, названное так по предложению И.С. Шкловского, или космический микроволновый фон, как его чаще называют на Западе, имеет спектр абсолютно черного тела [4 и др.]. Здесь, прежде всего, обращает на себя внимание тот факт, что формула Планка (3) также имеет вид
^ __, _ Уер1 I у _ 1
о _ _ иир1 (
ЛУ Ур1ур1{ур1) е^Т-1
(5)
где
ЛСЧ1/2
иер1 = Ь£ ( —) - энергия планковских фото-
нов,
ЛС
V = "V • ^пл = "V {—)
= К • /Д„ = К,
3/2
,5 ч 1/2
- планковский объем,
Ур1 = Ьрь
- планковская частота,
= ©
где ЬР1 — планковская длина, G - гравитационная постоянная, а Ь£ и Ьу - безразмерные коэффициенты. Формулы (3) и (5) равнозначны, поскольку
(6)
Нм£к = h,
Ур1
а УРЬ • V3; = 10-105 ■ (1043)3 = 1024 = с3 = 1024. Из закона Планка (5) следует, что Вселенная на планковский момент времени ЬРЪ имеет весьма малый конечный объём Ур1 = 10-105 м3 при весьма высокой частоте колебания уРЬ заселяющих его материальных частиц, равной ур1 = 1043 с. Экстраполируя расширение Вселенной вспять во времени, при выполнении равенства
ЬУ _ Ь _ иЕРЬ = ^ ^
к Т к тр1 к Тр1 ( )
из формулы Планка (3) имеем выражение
В,,ТРЬ = , (8)
е-1
которое свидетельствует об отсутствии фотонного излучения на планковское мгновение времени t = tРL= 10-43 с, а также о весьма высокой объемной плотности удельной энергии планков-ских фотонов ВуТРЬ, которая оказывается равной иЕр1/Ур1 • ур1 = 10°/(10-105 1 043) = 1070 Джс/м3.
Формулы (6) и (2) не противоречат одна другой, а соотносятся между собой как часть к целому. Этим же отличаются и формулы (7) и (1).
В пользу появления фотонной компоненты материи Вселенной вслед за планковским мгновением также свидетельствует информативность
- закона Стефана - Больцмана и£ = ^ = Увр1( т ' Ур1 \Тр1.
)4-
- закона смещения Вина уп
Т= ■ T = 1011 • Т .
= Ь1-т =
Тр1
- формулы для энтропии 5е = — = ^^ (—)
у Ур1 \тр1/
£е = ££
V Ур1 \TplJ Тем самым, в согласие с физическими законами излучения вблизи планковского мгновения Ьр1 = 10-43 с выделяются два характерных состояния Вселенной:
- состояние А, когда отсутствует фотонное излучение,
- состояние В, когда фотонное излучение присутствует.
Естественно возникает вопрос: Какое грандиозное событие космического масштаба является причиной появления того излучения, которое в наши дни считается реликтовым? В работе А.Н. Щукарева «Проблемы теории познания» рассматривается близкая к нашей ситуация: «Действительно, допустим, что А есть причина В. Что это значит? Это значит, что В так или иначе возникает из А. Процесс этого возникновения происходит во времени, и, следовательно, существует такой момент, до наступления которого существует только А: А есть А...А не может сделаться своим собственным отрицанием.. .между А и В всегда лежит логическая пропасть, которую мы должны научиться переходить, прежде чем говорить о причине и следствии» [1, с. 2 -3], встречая временную последовательность явлений.
Обсуждая вопрос регистрации в 1965 г. «изотропного, т. е. не зависящего от направления наблюдения, излучения, соответствующего температуре 3 К», Я.Б. Зельдович при экстраполяции в прошлое «приблизительно на 1010 лет» затрагивает вопрос и о ядерных реакциях. Отмечается, что в ранней Вселенной «все процессы идут быстро; какой бы ни был задан начальный состав в этот момент (при температуре 1010 К — ВК) произойдет мгновенное установление равновесия; система забудет начальный состав, дальнейшее развитие событий не зависит от предположений о том, что было при t < 1 с» [12, с. 238]. Можно ли к решению выделенной нами выше по тексту проблемы подойти с физических позиций? На наш взгляд, энергетическая модель эволюции Вселенной в её записи через безразмерные планковские величины лишена отмеченного выше недостатка, поскольку наделена внутренним свойством памяти.
Есть мнение, что физические законы излучения, представленные в безразмерном планковском виде, следует рассматривать как дополнительное подтверждение правильности модели расширяющейся с охлаждением Вселенной. В той же энергетической модели формулы (2) и (6) сопряжены с фундаментальным принципом наименьшего действия. По Эддингтону, «действие .сохраняется неизменным в абсолютном описании мира» [13, с.148].
Модель Мэ - мира с высокой степенью точности соответствует результатам прецизионных измерений параметров космического микроволнового фонового излучения. В то же время Мэ - мир относится к числу модельных миров. Обсуждая модели Фридмана, установленные методом общей теории относительности, Р. Пенроуз [14] в числе их особенностей выделяет и следующие:
- присутствует «не очень изящный с точки зрения физики Большой Взрыв (состояние сверх горячей Вселенной с бесконечной плотностью и другими сингулярными параметрами, которые очень трудно описать теоретически»;
- важнейшее из предсказаний теории «относится к тепловому состоянию Вселенной.В ней
43
10
должно присутствовать однородное фоновое излучение, спектр которого должен соответствовать известному в физике излучению черного тела», что подтверждено измерениями;
- «Событие типа Большого Взрыва действительно когда - то произошло».
Если взглянуть на весьма далекое прошлое нашей Вселенной через призму её энергетической модели, то Большой взрыв как космологическое явление имеет отношение не к обнуленному (благодаря математике) моменту времени t = 0 c, а к более позднему, планковскому мгновению времени tpl,
fh'G \ 1/2
равному tpi = = 10-43с. Это явление, каков
бы ни был его механизм, обладает колоссальной мощностью. (Заметим, что планковское время tpi отвечает промежутку времени, который требуется свету, чтобы пройти планковскую длину LPl, или 10-35 м). И далеко не случайно к настоящему времени в науке о природе «предельная скорость распространения сигналов с ([с] = [L/T]) и квант действия h ([h] = [E- T] = [M • L2/T])» приобрели фундаментальный смысл [15]. Вместе с тем, роль постоянной Больцмана кв (в отличие от физики начала 20 века) как бы остается в тени.
Литература
1. Щукарев А.Н. Проблемы теории познания. Одесса: МАТЕЗИСЪ. 1913. - 140 с.
2. Формула Планка [Электронный ресурс]. Режим доступа: URL: https://ru.wikipe-Ша.о^^Ы/Формула_Планка (дата обращения: 24.10.2020).
3. Планк М. Двадцать лет работы над физической картиной мира // М. Планк Избранные труды. М.: Наука, 1975. С. 568 - 589.
4. Вайнберг С. Космология / пер. с англ. М.: УРСС: Книжный дом «ЛИБРОКОМ». 2013. - 608 с.
5. Планк М. О необратимых процессах излучения // М. Планк Избранные труды. М.: Наука, 1975. С. 191 - 233.
6. Синг Дж. Беседы о теории относительности / пер. с англ. М.: Мир. 1973. - 168с.
7. Кошман В.С. Космологическое расширение Вселенной как самое грандиозное газодинамическое течение в природе // American Scientific Journal. 2019. № 31. Vol. 1. pp. 41 - 45.
8. Кошман В.С. Законы физики и энтропия фотонного излучения Вселенной // American Scientific Journal. 2019. № 32. Vol. 2. pp. 57 -62.
9. Кошман В.С. Формирование проблемы густозаселенности Вселенной в эпоху Планка у истока ее космологического расширения // Sciences of Europe. 2020. № 54. Vol 2. С. 22 - 26.
10. Крейчи В. Мир глазами современной физики / пер. с чешск. М.: Мир. 1984. - 311 с.
11. Хвольсон О.Д. Курс физики. Т. 1. М.: ГТТИ. 1933. 656 с.
12. Зельдович Я.Б. «Горячая» модель Вселенной // Я.Б. Зельдович. Избранные труды. Частицы, ядра, Вселенная. М.: Наука. 1985. С. 237 -244.
13. Эддингтон А. Пространство, время и гравитация / пер. с англ. Одесса: МАТЕЗИСЪ. 1923. -216 с.
14. Пенроуз Р. Большое, малое и человеческий разум / Р. Пенроуз, А. Шимони, Н. Картрайт, Р. Хокинг / пер. с англ. М.: Мир. 2004. - 191 с.
15. Окунь Л.Б. Фундаментальные константы физики // Успехи физических наук. 1991. Т. 161. № 9. С. 177 - 194.
СИНЕРГЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ДИНАМИКИ АРАЛЬСКОГО КРИЗИСА
Тлеумуратова Б.С.,
Каракалпакское отделение Академии наук Республики Узбекистан, заведующая лабораторией моделирования экологический процессов Приаралья
Мустафаева Р.,
Каракалпакский государственный университет им. Бердаха, доцент
Олламбергенов Ф.Ф.
Каракалпакский государственный университет им. Бердаха, магистрант SYNERGETIC PATTERNS OF DYNAMICS ECOSYSTEMS OF THE SOUTHERN ARAL REGION
Tleumuratova B.,
Karakalpak branch of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan, head of the laboratory for
modeling ecological processes in the Aral Sea region
Mustafaeva R.,
Karakalpak State University named after Berdakh, docent
Ollambergenov F.
Karakalpak State University named after Berdakh, Master student
АННОТАЦИЯ
В работе обсуждается возможность исследования Аральского кризиса с позиций синергетики и системного анализа. Представлена концептуальная модель динамики структуры экосистемы Южного Приаралья. Приведены результаты расчетов по индексу Шеннона динамики биоразнообразия ихтиофауны и орнитофауны.
