CC BY
51
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОГРЕСС
УДК 501+523
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СООТНОШЕНИЯ: МАТЕМАТИЧЕСКИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ
В.К. Федоров Омский государственный технический университет
В предлагаемой работе проведён анализ фундаментальных пространственно-временных и энергетических соотношений, характеризующих сотворение и эволюцию Вселенной, нацеленный на поиск физических явлений и закономерностей, реализующихся в микро-, макро- и мегаскопических масштабах. Вводится в рассмотрение теоретическая гипотеза о возникновении Вселенной, представляющая собой альтернативу стандартной модели Большого Взрыва некой сингулярности. В основе предлагаемой гипотезы лежит концепция дискретности физического Пространства и Времени.
Ключевые слова: Большой Взрыв, дискретность, непрерывность, квант Времени, квант Пространства
Введение
Концепция дискретности физического Пространства и Времени непосредственно связана с моделью возникновения Вселенной в режиме детерминированного хаоса с его последующей принудительной самоорганизацией, в результате которой стало возможным возникновение упорядоченных материальных структур.
Модель возникновения Вселенной - модель «Большого Взрыва» некой сингулярности - постулирует сингулярное состояние пра-Материи. Сингулярность означает, что начальные условия возникновения Вселенной заданы совершенно точно в виде точки, физические величины плотности, температуры, давления и т. д. имеет бесконечно большое значения, а физические законы не существуют и не действуют. Но если сингулярное состояние пра-Материи имело бы место, то не могло быть внутренних причин, чтобы вывести пра-Материю из сингулярного
состояния. Другими словами, сингулярность не может самостоятельно выйти из состояния сингулярности, не может самостоятельно сдвинуться с этой «мертвой точки».
Все классические модели Вселенной, появившиеся в результате модификаций модели «Большого Взрыва», обладают идеальной математической симметрией и некоторые физики сочли это причиной появления сингулярных решений уравнений, описывающих исходное состояние Вселенной. Чтобы скорректировать эту ситуацию, физики-теоретики стали вводить в модель «Большого Взрыва» асимметрию, аналогичную той, которую можно видеть в наблюдаемой Вселенной. Таким образом, теоретики надеялись внести в исходное состояние Вселенной некую неупорядоченность, чтобы оно не сводилось к точке, но успеха не добились. Отсюда следует, что при решении проблемы возникновения Вселенной необходимо исходить из принципиально иных предположений, в результате анализа
которых главным становится решение следующих задач:
1) связаны ли свойства физического Пространства и Времени с фундаментальными физическими законами;
2) существуют ли пределы пространственно-временной локализации материальных объектов;
3) какова природа квантово-механической неопределённости;
4) связано ли существование стрелы Времени с необратимыми процессами.
Как показывает история науки, решение весьма сложных фундаментальных проблем может быть достигнуто простыми средствами, если взглянуть на эти проблемы под новым, нестандартным углом зрения, и рассмотреть решение проблем нетрадиционным способом.
Вселенную следует рассматривать как единую на микро-, макро- и мегауровнях иерархическую систему и представление об её отдельных частях может быть хорошим приближением только в классическом пределе. Этот вывод основан на тех же предположениях, которые привели к принципу ком-плементарности, а именно, что свойства Материи представляют собой неточно определённые и противоположные возможности, которые могут быть полностью реализованы только при взаимодействии материальных объектов. Поэтому на микроуровне объект не имеет каких-либо внутренних свойств, принадлежащих только ему одному; он взаимно и органически делится своими свойствами со средой (системой), с которой этот объект взаимодействует. Такие макроскопические квантовые явления как сверхтекучесть, сверхпроводимость, эффект Мессбауэра, лазерное излучение указывают на то, что граница между микро- и макроуровнями является нечёткой и размытой. А принудительное индуцированное излучение (лазерное излучение) связывает через макроскопический квантовый эффект макроуровень с микроуровнем, с одной стороны, и макроуровень с мегауровнем, с другой стороны.
Все без исключения фундаментальные физические законы получены и будут получены в дальнейшем никак иначе, как только путём обобщения наблюдений (экспериментов), число которых хотя может быть очень велико, но всё же всегда будет ограничено. Отсюда с неизбежностью вытекает, что
математические рассуждения, ведущие от частного к общему, то есть к формулировке фундаментальных физических законов, не могут быть вполне достоверными.
Опытный материал сам по себе ещё не образует всего знания, в общем случае, о материальном объекте; такое знание возникает лишь в теоретическом осмыслении этого опытного материала и только в процессе такого осмысления появляется ясность относительно того, какие величины реальны и могут наблюдаться. При создании теории в первую очередь важнее всего логическая непротиворечивость, а уже во вторую очередь внутренняя полнота теории, и в дальнейшем изложении это утверждение достаточно убедительно обосновывается.
Отметим, что доказать логическую непротиворечивость некоторой теории - значит доказать, что в ней нет ни одного такого предложения А, что в этой теории можно дедуктивно вывести как А, так и не А, а доказать её внутреннюю полноту - значит доказать, что для всякого предложения этой теории можно дедуктивно вывести либо само это предложение, либо его отрицание.
Математика создаёт упорядоченности, и некоторые из них более или менее фрагментарно совмещаются с действительностью. Эта фрагментарная совместимость делает возможным развитие Науки. Более того, математика создаёт избыточный порядок по сравнению с действительностью, которая менее упорядочена, чем математика. Но при всем своём величии математика столкнулась с неразрешимой проблемой с тех пор, как Гедель (в 30-х годах XX века) доказал, что её основные постулаты - логическая непротиворечивость и внутренняя полнота - совместно, одновременно невозможно выполнить. Если теория логически непротиворечива, то она внутренне неполна, а если теория внутренне полна, то она перестает быть логически непротиворечивой. Как в физике, так и в математике действует принцип компле-ментарности, где дополняющие друг друга сущности - это внутренняя полнота и логическая непротиворечивость теории.
Теоретические структуры являются формальными системами, то есть конструкциями, которые дедуктивно выводятся из некой совокупности аксиом с помощью определённых правил преобразования и отображают некоторые соотношения, возникающие
в реальности. Экспериментальное подтверждение теоретических структур нисколько не меняет того факта, что над формальными системами тяготеет «проклятие» теоремы Геделя.
Все дедуктивно выводимые следствия данной формальной системы в совокупности образует некий «материк», на котором всегда существует путь дедуктивных пошаговых преобразований, приводящий от аксиом формальной системы к определённому утверждению, расположенному в пределах этого «материка». Вместе с тем, как доказал Гедель, существует бесконечное количество таких утверждений, которые в рамках данной формальной системы истинны, но которые никоим образом нельзя дедуктивно вывести; они представляют своего рода «островки истины», изолированные и разбросанные за границами дедуктивного «материка». Увеличение аксиоматического ядра за счёт истинных, но дедуктивно не выводимых утверждений, не решает проблемы. Уже при расширенном аксиоматическом ядре в рамках формальной системы появятся вновь истинные, но дедуктивно не выводимые утверждения и так до бесконечности.
1. Дискретная структура Времени и физического Пространства Вселенной
Для обоснования и доказательства дискретной структуры Времени и физического Пространства автор вводит в рассмотрение теоретическую гипотезу, основополагающая идея которой состоит в том, что частота излучения энергии имеет предельную величину v для всей Вселенной и эту величину у
max J J max
никогда не удастся превзойти.
Рассмотрим рассуждения, лежащие в основе доказательства высказанной гипотезы в логической последовательности. В качестве важного аргумента, который убеждает в состоятельности предъявляемого доказательства, укажем на ограничение скорости V материальных объектов Вселенной. Почему скорость материальных объектов Вселенной ограничена некоторой предельной величиной Vmax? Это происходит по следующей причине. Известное выражение для кинетической энергии материальных объектов имеет вид
mV2
2
(1)
где m - масса материального объекта, V -скорость материального объекта.
Кинетическая энергия ограничена и не может быть бесконечно большой, в противном случае имеется противоречие с фундаментальным законом сохранения и превращения энергии. Сущность указанного противоречия заключается в следующем. Закон сохранения и превращения энергии по своей природе имеет форму энергетического баланса взаимодействующих объектов на микро-, макро- и мегауровнях, а энергетический баланс в принципе не может оперировать с бесконечно большими величинами, другими словами, не может оперировать с бесконечностями. Отсюда следует, что скорость V материального объекта должна быть ограничена некоторой величиной Vmax, V< Vmax.
Заметим, что аналогичное рассуждение относится и к массе m материального объекта, и к температуре Т материального объекта.
Конкретная численная величина Vmax для Вселенной в существующей физической теории определена как
V =_L_ > (2)
max j
* Mo
где s0, мо - характеристики физического
Пространства (вакуума), и Vmax идентифицирована как скорость света в вакууме
( С = 3*108 м ).
c
Как видим, этот ранее известный важный научный факт в данном случае установлен вышеприведённым теоретическим рассуждением и не содержит логического противоречия.
В квантовой физике определена энергия ^ светового кванта в виде
s = h *v, (3)
где h - постоянная Планка, v - частота колебаний.
В свое время Планк ввел в рассмотрение гипотезу световых квантов, энергия которых определялась по формуле (3), для устранения так называемой «ультрафиолетовой катастрофы», но Планк не увидел другую не менее драматическую катастрофу уже для основ квантовой физики, связанную с применением формулы (3). Из формулы (3) следует, что если v^-да, то и е^®. Другими словами, энергия светового кванта при этом условии может быть бесконечно большой, что совершенно неприемлемо с физической точки
зрения, и связано это с нарушением фундаментального закона сохранения и превращения энергии. Единственный выход из этой ситуации состоит в том, чтобы принять как физическую реальность существование в Природе предельно допустимой частоты
излучения V-
отсюда и энергия свето-
вых квантов стремится к предельно допустимому значению e^emax=hvmax-
Поскольку е ограничена по величине некоторым предельным значением emax и emax не может быть бесконечно большой величиной, а иначе будет нарушен фундаментальный закон сохранения и превращения энергии, то отсюда следует, что частота колебаний у ограничена величиной у . Величина у
i max у max
есть предельная величина для Вселенной. О конкретном числовом значении у гово-
* max
рить преждевременно, но важно осознать, что величина у объективно существует так
же, как объективно существует величина
Vmax-
Отсюда следует, что
С*
(4)
max ,
h
Эта экстраполяция (под экстраполяцией понимается прогнозирование неизвестных значений функции путём продолжения функциональной зависимости за границы области известных значений аргумента и, следовательно, самой функции), этот незначительный математический приём станет одним из наиболее значительных и важных вкладов в Науку, когда-либо сделанных в истории физики. В истории физики не было примера, когда столь незначительная математическая операция имела бы столь далеко идущие физические и философские следствия.
В поисках логического укрепления предложенной гипотезы автор выдвинул представление о квантах Времени tmi„ и квантах физического Пространства Xmi„ и тем самым инициировал развитие нового этапа квантовой теории; более того, из этой экстраполяции вытекают определённые следствия, которые решающим образом скажутся на самих основах физики, равно как и на их эпистемологических предпосылках.
Время tmi„ между гребнями двух соседних колебаний, характеризуемых величинами emax и Vmax, определяется как
(5)
Следовательно, любой временной интервал во Вселенной не может быть меньше, чем
tmin: t — tmin.
Отсюда, tmin идентифицируется как квант Времени, иначе говоря, как временной интервал, уменьшить который принципиально невозможно.
Далее, в физическом Пространстве существует минимальная длина Ämin между гребнями двух соседних колебаний, характеризуемых величинами emax и vmax, которую можно определить как путь, пройденный за время tmin со скоростью Vmax
^min ~ Vmax ' ^min '
Следовательно, любой пространственный интервал X во Вселенной не может быть меньше, чем Xmin: X — Xmin.
Отсюда, Xmm идентифицируется как квант длины, иначе говоря, как пространственный интервал, который уменьшить принципиально невозможно.
Кванты Времени и кванты физического Пространства характеризуют зернистую структуру Вселенной в целом. В Генезисе Вселенной не могло быть заложено совмещение дискретного и непрерывного начал. Тот сценарий возникновения и развития Вселенной, который реализовался и реализуется, требует дискретного состояния материальных объектов (элементарные частицы), дискретного состояния зарядов (электрон, протон), дискретного состояния энергии (фотоны, кванты излучения и поглощения). Вполне возможно, что изначальная дискретность Времени и физического Пространства обусловила дискретность вещества, заряда, энергии. Другими словами, кванты вещества, заряда, энергии не могут сосуществовать в непрерывном Времени и в непрерывном физическом Пространстве.
Время позволяет упорядочить череду событий, установить, что одно событие предшествует другому. Но связать каждый момент времени с числом, рассматривать Время как континуум — это математическое изобретение. Аналогично, физическое Пространство позволяет упорядочить череду материальных объектов, установить местоположение одного материального объекта относительно другого материального объекта. Но связать каждую точку физического
/
h
V S
у max ° max
Пространства с набором чисел, рассматривать физическое Пространство как континуум — это также математическое изобретение.
Геометризация (математизация) механического движения с помощью представления о непрерывной траектории в непрерывном Пространстве и непрерывном Времени математически означает возможность установления однозначного соответствия между континуумами точек Пространства и моментов Времени. Такая связь формулируется в виде дифференциальных уравнений второго порядка по временной переменной, которые объективно символизируют реальные движения. Зная конкретный вид дифференциальных уравнений и начальные условия движения, можно легко предсказать траекторию движения тела в будущем, либо восстановить эту траекторию в прошлом. Поэтому здесь нет ни неопределённости, ни случайности, ни возможности; разве что последние вносятся на стадии выяснения начальных условий.
Однако физическая реальность указывает на то, что математические изобретения — временной континуум и пространственный континуум — ошибочны. В научном Знании создан прецедент, когда физика своим законом сохранения и превращения энергии указала на ошибочность фундаментальных математических изобретений применительно к физической реальности, другими словами, к Вселенной в целом. Закон сохранения и превращения энергии не может выполняться во временном и пространственном континуумах. Этот закон выполняется только в дискретном по структуре Времени и в дискретном по структуре физическом Пространстве.
Справедливости ради необходимо отметить, что с помощью математики (теория множеств) имеется возможность точно определить то логическое противоречие, которое скрывается в непрерывной модели движения и к которому неминуемо приводит отождествление этой модели с реальностью. Сущность этого логического противоречия заключается в следующем: непрерывная модель движения предполагает, что движущееся тело последовательно проходит все точки своей непрерывной траектории, но в континууме, в непрерывной модели Пространства и Времени, не существует точки, следующей непосредственно за данной точкой.
Необратимость во Времени эволюции Вселенной напрямую следует из-за наличия
квантов Времени 1тт и отсутствия непрерывности временного континуума. К тому же наличие квантов Времени ^т указывает на то, что становится невозможным говорить об одновременном, иначе говоря, одномоментном появлении, определении, наблюдении двух и более событий. Тем самым теряет смысл абстракция одновременности. Наличие кванта длины Хтт указывает на то, что физическое Пространство не может обладать кривизной, ибо оно перестало быть непрерывным.
Обсуждаемая гипотеза достаточно глубока и имеет далеко идущие следствия. Изучение физического Пространства в масштабах меньших, чем Атт, объективно невозможно, измерение временного интервала в масштабах меньших, чем (тт, объективно невозможно, поэтому имеется принципиальная неопределённость временных и пространственных координат материальных объектов и связанных с ними понятий, принципов, математических и физических теорий. Например, в математической теории вероятностей и связанных с нею физических теориях теряет смысл условная вероятность появления некоторого события А при уже ранее случившимся событии В, которое является условием. Согласно теории вероятностей при вычислении условной вероятности необходимо знать вероятность одновременного появления событий А и В, но теперь стало ясно, что эта ситуация некорректна.
Разрешающая способность научных экспериментов не может быть меньше Атт, и, следовательно, разрешающая способность научного Знания принципиально ограничена этими двумя величинами. Здесь уместна аналогия с разрешающей способностью оптических приборов. Объективная реальность, изучаемая квантовой физикой, лежит вне временного интервала тп и вне пространственного интервала Хтт.
Теоретическая гипотеза о существовании квантов Времени и квантов физического Пространства и введение их в физическую реальность является шагом вперед в развитии квантовой физики. Таким образом, существование квантов Времени и квантов физического Пространства с необходимостью приводит к тому, что любая реальная физическая система, в том числе и Вселенная в целом, не может быть абсолютно и исчерпывающе детализирована во Времени и
физическом Пространстве в силу существования конечных областей неопределённости
и ^тт-
В классической физике понятие состояния отражает внутренне присущие свойства объектов, возможность которых совпадает с их действительностью, а в квантовой физике состояние квантовых объектов представляет совокупность возможностей, характеризуемых волновой функцией квантового объекта. Сведение совокупности возможностей в результате измерений к действительности называется редукцией волновой функции.
Соотношение неопределённостей Гейзен-берга указывает на то, что для положения х и импульса р квантового объекта произведение неопределенностей этих величин Ах -Ар > Ь отлично от нуля, то есть квантовые объекты имеют и сохраняют свою первозданную сто-хастичность, а точнее сказать первозданную хаотичность и это справедливо как для чистых, так и смешанных состояний квантовых объектов. Обязательное существование неопределенности Ах в соотношении неопределенностей напрямую связано с наличием кванта Хшт физического Пространства, причем Ах > Атп . Это обстоятельство не позволяет считать координату х математической точкой пространственного континуума.
Для опровержения квантовой теории Эйнштейн, Подольский, Розен предложили провести мысленный эксперимент, так называемый ЭПР-эксперимент. Главная цель мысленного ЭПР-эксперимента состояла в том, чтобы доказать неполноту квантовой теории по отношению к физической реальности, хотя теорема Геделя уже была доказана, но судя по всему, физики не обратили на нее внимания. Авторы мысленного ЭПР-эксперимента считали, что все квантовые физические объекты обладают положением (координатами) и импульсом, но квантовая теория не способна определить их одновременно, хотя способна сделать это по отдельности. Эйнштейн полагал, что в физической реальности эти значения существуют, но квантовая теория просто не в состоянии их описать, так как является неполной теорией. Вопреки Эйнштейну Бор считал, что квантовые объекты обладают положением и импульсом, но они могут существовать только при определённых условиях, а не сами по себе, условия же эти устанавливает физический эксперимент.
Первозданная хаотичность квантовых состояний объясняется и определяется дискретной структурой Времени и физического Пространства, другими словами наличие квантов Времени и физического Пространства не позволяет исчерпывающе детализировать состояние квантовых объектов. Отсюда следует, что состояния квантовых объектов изначально хаотичны (стохастичны), описываются распределениями амплитуд вероятностей (волновой функцией), и изменение состояния квантовых объектов обязательно должно быть дискретным процессом.
Кванты тп, Лтт указывают на то, что уравнение Шредингера не может быть непрерывным, должна сказываться дискретность Времени и физического Пространства и функция у имеет пределы локализации, как и материальные микрообъекты, а это накладывает ограничения на определение величины вероятностей состояния микрообъектов. Это характеризует новый подход во всей квантовой физике, поскольку теперь вероятность не является непрерывной величиной, а является дискретной величиной. Вероятностная волна у и её онтологический статус носили характер реальности промежуточного типа (возможно, виртуальный характер, т. е. действующее, но не существующее). К слову сказать, волновая функция как решение волнового уравнения Шредингера с нелинейной потенциальной функцией определённого типа может предстать в режиме детерминированного хаоса, что будет совершенно новым элементом научного знания в квантовой физике. Подробнее эта проблема будет рассмотрена в другой работе, здесь только упомянем о такой возможности и подчеркнём, что в новом свете может быть представлена вся теоретическая квантовая механика.
Таким образом, квантовые скачки состояний квантовых объектов объясняются дискретностью Времени и физического Пространства и служат экспериментальным подтверждением существования квантов Времени и квантов физического Пространства, что, в свою очередь, не даёт возможность исчерпывающей детализации квантовых объектов, не даёт возможности раскрыть неопределённость состояния квантовых объектов в принципиальном плане. Поэтому в физических экспериментах всегда будет подтверждаться хаотичность и случайность, а не детерминизм. На страже этого стоят
кванты Времени и кванты физического Пространства.
Итак, определена инфраструктура Вселенной, которая объясняет возникновение первозданной хаотичности состояний квантовых объектов и связанное с этой первозданной хаотичностью появление распределения амплитуд вероятностей состояний квантовых объектов на уровне наблюдений как фундаментального атрибута физической реальности, и в которую логически вписываются принцип комплементарности Бора и соотношение неопределённостей Гейзенбер-га. Если на уровне микромира имеет место объективная первозданная хаотичность, то картина Вселенной ограничена не только рамками классических и квантовых физических представлений, не только участвовавшими в их создании человеческими возможностями познания, но более того, ограничена самой Природой.
Концепция дискретности Пространства и Времени ограничивает, по сути дела, возможность научного познания, ибо объективно устанавливает некий неделимый субстанциональный предел. Любая теоретическая структура, претендующая на раскрытие тайны природного явления или даже тайны возникновения и развития Вселенной в целом, будет всегда неполной, какие бы скрытые параметры не вводились в рассмотрение, и причиной такого состояния является дискретность физического Пространства и Времени. Теорема Геделя и ее доказательство подтверждают косвенным образом дискретную конституцию Вселенной. С другой стороны, в сущности, опираясь на открытие квантов Времени tmi„ и квантов физического Пространства Ä mi„, автору удалось доказать теорему Геделя с физической точки зрения.
Природой не предусмотрено таких энергетических ресурсов, чтобы проникнуть внутрь неделимого субстанционального предела и никакие научные достижения не могут помочь перешагнуть этот энергетический барьер. Как энтропия накладывает запрет на существование обратимых во времени физических процессов, так дискретность физического Пространства и Времени накладывает запрет на наблюдение физических процессов внутри неделимого субстанционального предела. Отсюда следует заключение, что Наблюдатель, регистрируя результаты измерений (наблюдений) над объектами микро-
мира, затем на их основании может только теоретически реконструировать всю совокупность возможностей объектов микромира и не более того. Это заключение по существу очень близко к интерпретации волновой функции, данной фон Нейманом.
Закон сохранения и превращения энергии является эмпирическим принципом, не опровергнутым ни в одном эксперименте, считается фундаментальным законом физики. Через этот самый известный и непререкаемый закон Природа информирует Наблюдателя о существовании квантов физического Пространства и квантов Времени. Более того, этот закон обеспечивает единство Вселенной на микро-, макро- и мегауровнях, ибо только он из всего множества фундаментальных физических законов действует и справедлив без исключений на всех уровнях Вселенной. Говоря образным языком, спектакль под названием «Возникновение и развитие Вселенной» поставлен великим режиссёром — законом сохранения и превращения энергии.
Закон сохранения и превращения энергии не может выполняться во временном и пространственном континуумах. Этот закон выполняется только в дискретном по структуре Времени и в дискретном по структуре физическом Пространстве. Континуум Времени и континуум физического Пространства не имеет места, имеет место их дискретность. Прерывность стала на место непрерывности.
Понятие квантов физического Пространства и Времени позволяет уйти от сингулярности в математическом и физическом смыслах, поскольку начальные условия теперь обязаны задаваться не в виде точки, а некоторой конечной областью в фазовом пространстве и, следовательно, действуют известные физические законы.
Тщательное аналитическое исследование следствий, вытекающих из предсказания квантовой природы Времени и физического Пространства, предстоит в дальнейшем. В работе предпринята попытка анализа лишь основных из них, влияющих на эволюцию Вселенной. Численные значения тт и Хтт будут определены на основе теоретических и экспериментальных исследований космогонии, космологии, физики элементарных частиц, ядерной физики и физики высоких энергий, включая аннигиляцию частиц и античастиц.
Ни один физик не может остаться безразличным к этим взглядам вне зависимости от того, соглашается он с ними или нет. Здесь
проявляется совершенно другое понимание физики, и все должны знать о его существовании, поскольку с ним связано рождение нового Знания.
2. Энергетические соотношения в теоретической модели происхождения Вселенной (определение численных значений квантов Времени и физического Пространства)
Обозначим через тп квант Времени, квант физического Пространства, Ттах максимальную температуру и у максимальную частоту излучения при возникновении Вселенной. В первые мгновения возникновения Вселенной, в так называемую эру Планка, вся пра-Материя была высокотемпературной смесью первичных высокоэнергичных фотонов и первичных частиц и античастиц определенного типа. Первичные высокоэнергичные фотоны моментально материализо-вывались в первичные частицы и античастицы. Первичные частицы при столкновении со своими античастицами аннигилировали, превращаясь в первичные высокоэнергичные фотоны. Действующие физические законы позволяют математически описать начальное состояние Вселенной и, что является принципиально важным для физической науки, определить численные значения ,
Ттак' Утах •
Иерархичность строения системы - это представление относительной автономности различным ее уровням, но вместе с тем это вынужденный отказ от контроля над всеми изменениями, происходящими в системе. Отбор существенных переменных, описывающих состояние системы, не является отказом от точности, имея ввиду то, что некоторыми несущественными переменными пришлось пренебречь; наоборот, спасая управление системой от потока несущественной информации, этот отбор позволяет обнаружить целый класс явлений, который воспроизводит ход реальных процессов в системе, и создать теорию возникновения и развития системы.
Спектр исследований пространственной и временной форм существования Материи на микроуровне выходит за рамки континуальных концепций. В этих исследованиях наблюдается определенная диалектика: используются не только категории непрерыв-
ности, но и категории дискретности. Другими словами, признается, что одни лишь континуальные представления не в состоянии воспроизвести все богатство и специфику пространственно — временных форм, свойств и отношений микромира.
Идея дискретности Пространства и Времени как альтернатива идее непрерывности Пространства и Времени известна со времен древнегреческих философов. В разработке этой идеи принимали участие современные философы и физики. Однако, несмотря на неизменную актуальность применения категории дискретности в описании структуры материальных образований, рабочей концепцией все же всегда оставалась концепция непрерывности. Тем не менее, концепция дискретности имеет рациональный смысл и его следует связывать с иерархией физических взаимодействий материальных объектов.
Опыт, эксперимент не может обосновать абстракцию бесконечной делимости, ибо любой опыт конечен и не может поэтому доказать бесконечную делимость. Но опыт может опровергнуть абстрактную непрерывность в силу того, что в опыте эта абстракция соотносится с материальными объектами, а не с мыслительной способностью бесконечно делить неделимые до бесконечности в действительности сущности.
Имеется два типа физических теорий — конструктивный тип и фундаментальный тип. Конструктивные теории ставят своей целью свести широкий круг изучаемых явлений и систем к явлениям и системам определенного, уже известного типа. Последнее же вводят в рассмотрение наиболее общие, абстрактные структурные связи, которым обязаны удовлетворять физические события. Примером является кинетическая теория газов, которая ставить цель свести механические, тепловые свойства газов к движению молекул. Фундаментальные теории опираются не на гипотезы, а на эмпирически найденные общие свойства явлений, из которых следует аналитически сформулированные критерии, имеющие всеобщую применимость. Примером является термодинамика, которая исходит из эмпирического факта, что вечный двигатель невозможен, и отсюда пытается вывести аналитическим путем необходимые критерии, которые удовлетворяются во всех случаях.
Создано несколько моделей дискретного Пространства и дискретного Времени, в которых используются логические умозаключения из гипотетических предпосылок [1, 2]. Необходимо отдать должное предпринятым и предпринимаемым усилиям в этой области, но следует отметить, что предпочтение в рассуждениях о квантах физического Пространства и Времени отдавалось чисто интуитивным умозрительным соображениям или философским догадкам. Низкая физическая содержательность некоторых предлагаемых моделей дискретности Пространства и Времени приводит к многочисленным спекуляциям, которые можно трактовать как обманчивые суждения беспорядочного воображения. В качестве примера приводятся соображения, лежащие в основе так называемой геометрической интерпретации вакуума. Вот эти, цитируемые по [3], соображения: «Переход через особую точку сверхпространства, то есть смена топологии Пространства, сугубо квантовый процесс. Но на малых расстояниях сколь угодно сильные флуктуации метрики ведут к обилию соседних Вселенных с мелкими топологическими ручками, которые можно сравнить с ручками чайников или гирь, так что все время будут осуществляться переходы из одного мелкомасштабного многосвязного состояния в другое подобное состояние, которые носят названия «кипение» топологической пены». Таков, согласно идеям Wheelera, геометрический фон физического вакуума. Как видно, в этом примере явно присутствуют обманчивые суждения и ощущается отсутствие «бритвы Оккама», хотя в этом случае применение «бритвы Ок-кама» совершенно необходимо. Подобные недостатки свойственны и некоторым другим моделям (или составным частям) дискретного Пространства и дискретного Времени.
Определение численных значений tmin, lmhl, Tmax, vmax проводится следующим образом. Температура начального этапа возникновения Вселенной со временем понизилась из-за расширения Вселенной и зависимость температуры T от времени t выражается как
T =
10
10
4t
рении Вселенной. Необходимо отметить, что соотношение (7) в дальнейшем будет уточнено и вследствие этого будут вноситься необходимые коррективы в теоретические построения. Тогда начальное состояние Вселенной характеризуется величинами и Ттах и их связь имеет вид
T =
max
10'
10
(8)
Превращение излучения в частицы и античастицы и превращение частиц и античастиц в излучение в начальном состоянии характеризуется равенством между энергией частиц и античастиц и энергией излучения фотонов. Тогда, с учетом величины энергии, приходящейся на одну степень свободы, равенство между энергией частиц и античастиц и энергией излучения фотонов запишется в виде
h ■ v
и У J,
1
= 2 ■ г ■-k ■ Tm
(9)
где / - число степеней свободы частиц и античастиц, к - постоянная Больцмана,
к - постоянная План-
k = 1.38 -10"23 Дж/К°
(7)
Выражение (7) получено с помощью анализа уравнений [4], характеризующих температурное ослабление излучения при расши-
ка, к = 6.62 -10 34 Дж■ с.
Ещё одно соотношение, которое понадобится, получаем на основании закона смещения Вина, а именно, начальное состояние характеризуется соотношением
^тж - Ттах = Ь, (10)
где Ь - постоянная Вина Ь = 2.9 ■ 10"3 м ■ К°.
Необходимо отметить, что соотношения (7) - (10) связывают в единое целое микро-, макро-, мегауровень Вселенной и как выясняется в дальнейшем без такого объединения невозможно найти численные значения
Лш„ , Ттах, Ушах .
Итак, новизна предлагаемого подхода рассмотрения генезиса Вселенной заключается в соединении положений космогонии (формулы (7) и (8)) и положений квантовой физики (формулы (9) и (10)).
Вначале определим число степеней свободы /', для этого (9) разделим на (10), в результате получим
1 - к _ к ^шах (11)
Аш,„ ь
Отсюда, используя Лшт = с ■ 1ш„, где С -скорость фотонов, и у = , получаем
t
h - c
6.62 -10~34 ■ 3 -10'
- = 4,97 « 5 • (12)
к - Ь 1.38 -10~23 - 2.9 -10~3
Полученное число степеней свободы однозначно указывает на то, что уже в эру Планка возникающие частицы и античастицы находились в трехмерном Пространстве и, помимо поступательного движения в трех измерениях, имели собственный неуничтожимый механический квантованный момент импульса (спин), другими словами, своего рода аналог вращательного движения, при котором вращение могло осуществляться в двух направлениях. Отсюда следует, что иной размерности у Пространства Вселенной, кроме трех измерений, ни на каком этапе развития Вселенной быть не может. Отличие в 0,6 % точного значения / от вычисленного значения / по формуле (12) указывает на то, что мировые константы к, с, к и Ь требуют еще некоторого уточнения и в дальнейшем это необходимо сделать.
Далее определим двумя независимыми способами. Первый способ определяет квант Времени тп с использованием закона сохранения и превращения энергии: подставим (8) в (9) и получим
i ■ k-1010 , h ■= h-Vmx =
^rr,
h • (13)
lmin1 min1
Отсюда следует, что
^min!
h2
(6.62-10~34)2
i2- k2-1020 52 - (1.38-10~23)2-1020
^min -1010 С - tmin 2 '10 = b .
vtm
yFm
(15)
тт2 Л/ тт 2
Отсюда следует, что
U,„ =
b2
min 2 2
(2.9 -1Q-3)2 c2 -1020 (3 -108)2 ■ 102'
- = 0.928 -10"42 c •
2
2
(17)
Тогда численные значения 4тп, Тшах, Утах определим как
4тп = с - и ср = 3 -108 - 0.951-10-42 = 0.285 -10~33 *,
t . 0.951-10"
min ср
- = 1.05 -1042 Гц
(18) (19)
, = 1.01-1031 K
• (20)
= 0.974 -10~42 с • (14)
Второй способ определения кванта Времени ^шп связан с использованием закона смещения Вина: подставим (8) в (10) и получим
(16)
Значения тп, полученные первым и вторым способами (14) и (16), отличаются друг от друга менее, чем на 5 %. Найдем среднее значение тп и это значение принимаем за величину кванта Времени ь _tm.n1 + 0.974-10-42 + 0.928-10-4^51 ^.
_ 10 _ 101 п" л/0.951-10-42
Итак, совместное рассмотрение соотношений (7), (8), (9) и (10) позволило дать объективную оценку ит, 4тп, Тшах, Утах и получить их численные значения.
Важным является то обстоятельство, что два независимых способа определения численной величины кванта Времени привели к одному и тому же результату. Это указывает на то, что физические законы (7), (8), (9) и (10) представляют самосогласованную математическую модель генезиса Вселенной. Тем самым подтверждается справедливость этих физических законов на самых ранних этапах развития Вселенной и, следовательно, подтверждается закон (7) температурного ослабления излучения при расширении Вселенной, имеющий весьма существенное значение для развития космогонии и космологии.
Численные значения квантов Времени и физического Пространства ктт могут быть определены только в условиях возникающей Вселенной, когда наиболее ярко проявлялась доминирующая роль квантов Времени и физического Пространства, когда кванты Времени и физического Пространства определяли структуру и энергетические соотношения возникающей Вселенной.
Если полагать реальным существование квантов Времени и квантов физического Пространства с их численными характеристиками, то становится возможным объяснить численные значения мировых констант. Другими словами, проблема «Почему мировые константы имеют именно такие, а не другие численные значения?» находит решение.
Далее нетрудно получить оценки энергии е1 и массы т первичных фотонов, частиц и античастиц. Имеем
е1 = к-= 6.62-10 34-1.05-1042 и700-106 Дж, (21)
1
1
v
42
ш = = 6.62-10'34-1042 - 0.77-10-8 кг . (22)
1 с2 (3-108)2
Необходимо отметить, что Пригожин в [5], анализируя состояние «горячей» Вселенной близкое по времени к моменту ее возникновения, привел оценки тех же самых величин ЛПр, (Пр, ТПр, тПр (индекс «пр» у оценок означает, что они приведены При-гожиным). Причем оценки ^, гПр, ТПр, тПр
были получены Пригожиным путем конструирования различных комбинаций к, О, си других мировых констант с тем условием, чтобы эти комбинации мировых констант имели бы размерности длины, времени, температуры и массы. Например, длина ^
конструировалась в виде ^ к ■ ^ , и её
оценка соответственно равна 10-34 м. Подобным образом получены и остальные оценки:
?Пр -10-43 с, Тпр - 1032 К, тПр -10-8 кг.
Вполне очевидно, что оценки величин ХтЫ, ^т, Ттах, т1 и оценки величин ^ , ^ ,
Т , т , указанные Пригожиным, в количественном отношении достаточно близки друг к другу. Однако в качественном отношении достоверность оценок величин Хпгж, ^т, Ттах, т1 значительно выше, чем достоверность оценок величин ЯПр, ¿Пр, ТПр, тР. Это происходит по той причине, что оценки величин 1тж , ^пт, Ттах, т1 получены в теоретическом исследовании на основании действующих физических законов путем совместного решения уравнений (7), (8), (9) и (10).
Но с другой стороны, совпадение по порядку величин численных значений оценок Пригожина и численных значений Хтж,
Ттах, т/, во-первых, подтверждает правильность выбранного подхода к определению численных значений квантов Пространства и Времени тп и, во-вторых, свидетельствует в пользу того, что уже в эру Планка, а не позднее, были справедливы и действовали известные законы физики, на основании которых и получены численные значения Лтж ,
^^ Tmax, т/.
В этой связи имеет смысл обратить внимание на следующее соображение. После
того как, вопреки имевшим место в последнее десятилетие прогнозам сторонников дискретности физического Пространства, развитие квантовой физики не подтвердило наличие наименьшей (фундаментальной) длины на расстояниях 10-18 ^ 10-19 м, физиками была выдвинута гипотеза о возможности существования фундаментальной длины, совпадающей по порядку величины с планковской длиной. И вот теперь эта гипотеза приобрела характер доказанного утверждения.
Полученные результаты однозначно указывают на то, что философское противостояние между концепциями дискретности и непрерывности разрешилось в пользу концепции дискретности Пространства и Времени. Однако это не означает, что концепцию непрерывности нельзя применять в качестве рабочей концепции в теоретических построениях физики, математики и связанных с ними наук, но только при этом надо учитывать принципиальные ограничения, накладываемые концепцией дискретности на концепцию непрерывности. Аналогичные отношения, например, сложились между квантовой физикой и классической физикой.
Далее можно оценить время возникновения протонов, электронов и атомов водорода, другими словами, можно оценить характеристические времена становления Вселенной.
Приведенные расчеты показывают следующее:
1) Когда температура снизилась до Т = 2.16-1012 К°, а возраст Вселенной оценивался ^ = 0.22 -10"4 с, появились протоны. Частота квантов света (фотонов) при этом оценивалась у = 2.31 ■ 1023 Гц.
2) Когда температура снизилась до Т = 1.2 -109 К°, а возраст Вселенной оценивался ^ = 0.7 -102 с, появились электроны. Частота квантов света (фотонов) при этом оценивалась у = 1.35 ■ 1020 Гц.
3) И, наконец, когда температура снизилась до Т = 1.5 -103 К°, а возраст Вселенной
оценивался ^ = 0.44 ■ 1014 с, появились атомы водорода. Частота квантов света (фотонов) при этом оценивалась у= 0.17 1015 Гц.
Заметим, что для земного Наблюдателя, если предположить что он мог быть свидетелем Сотворения Вселенной и дальнейших событий, последовавших за ним, возник-
новение и развитие Вселенной происходили в кромешной тьме. Спектр частот излучения, поглощения фотонов и их энергия в то время примерно в 1025 превосходили частоту и энергию фотонов видимого спектра. Начальная температура, имевшая место при Сотворении Вселенной, может быть оценена в 1031 К° и, пока температура не упала при
расширении Вселенной до 6000 К°, во Вселенной господствовал мрак, но Пространство Вселенной было насыщено фотонами и элементарными частицами высоких энергий. Только при 6000 К° появились фотоны видимого спектра и для земного Наблюдателя Вселенная стала бы видимой.
Итак, теперь в некоторой степени становится понятным, каким путём происходило Сотворение Вселенной, какие энергетические и массовые характеристики фотонов и элементарных частиц имели место в Начале Сотворения и какие энергетические и массовые характеристики фотонов и элементарных частиц доминировали при появлении протонов, электронов и атомов водорода.
Нетрудно показать, что благоприятных условий для образования первичных «чёрных дыр» в момент возникновения Вселенной не было. Это выясняется, если рассчитать радиус Шварцшильда (Яш) для тех материальных объектов (сверхэнергичных фотонов и сверхтяжелых элементарных частиц), которые существовали в Начале и имели массу т/, а другого материала для создания первичных «черных дыр» тогда просто не было.
Имеем [6]
в 20
^ =—т
2 - 6.67-10-
-0.77-10"8 и 1.2-10"
,(23)
(3-108 )2
где в - постоянная гравитации.
Таким образом, доказано отсутствие первичных «черных дыр», поскольку радиус Шварцшильда Яш получается по величине на два порядка меньше, чем квант длины 4тп.
Идея о существовании тт, 4 ¡„ имеет не
только философский смысл, хотя и это тоже важно, но прежде всего имеет физический смысл, ибо позволяет получить значения Тшах, Утах, , т/, доказать невозможность
существования первичных «черных дыр» в Начале возникновения Вселенной. Те, кто будет оспаривать приоритет идей о квантах Времени 1шт и квантах физического Простран-
ства Атп у автора, не смогут ничего сказать
о следствиях, из их существования вытекающих, а в данной работе приводятся и качественные и количественные аргументы в пользу дискретности Времени и физического Пространства Вселенной с важными теоретическими обобщениями. Всё это говорит в пользу основной идеи о дискретности Времени и физического Пространства Вселенной.
Следует подчеркнуть, что имеет место научная новизна предлагаемого анализа фундаментальных пространственно-временных и энергетических соотношений, так же, как и научная новизна полученных на основании этого анализа результатов.
По мнению автора, здесь уместна следующая аналогия. В истории атомной и ядерной физики имеются воспоминания Гейгера: «Однажды, в декабре 1910 года Резерфорд в прекраснейшем расположении духа вошёл в мой рабочий кабинет и сказал, что теперь он знает как выглядит атом». До этого момента времени в течении двух лет Резерфорд и его ученики проводили многочисленные эксперименты по рассеянию а-частиц на тонких пластинках различных химических веществ. На основании полученных результатов по рассеянию а-частиц Резерфорд выдвинул гипотезу о планетарной модели атомов химических элементов.
По аналогии автор может сказать, что теперь он знает подробности сценария рождения и подробности конституции (устройства) Вселенной. Эти подробности были получены путем логических и достаточно глубоких физических размышлений.
Возникновение первичных фотонов с наибольшей частотой Ута*, наибольшей энергией е и наибольшей массой т1 говорит
о том, что эти элементарные частицы с необходимостью характеризуется наименьшим пространственным размером 4п^п и
наибольшей плотностью ртах. Такие же атрибуты свойственны первичным элементарным частицам и античастицам, которые возникают при наибольшей температуре ^ в результате превращений первичных фотонов в первичные частицы и античастицы. Наибольшая температура Т характеризует и состояние
первичных фотонов, и состояние первичных элементарных частиц и античастиц. Весьма важным является то обстоятельство, что на
расстояниях, соизмеримых с Хтж, все типы
физических взаимодействий становятся одинаково эффективными и поэтому неотличимыми друг от друга.
Заключение
Изложенный в статье фундаментальный теоретический результат - доказательство объективного существования и отыскание численных значений квантов Времени и физического Пространства и связанных с квантами Времени и физического Пространства основных энергетических соотношений, характеризующих возникновение (Начало) Вселенной - мог быть получен никак иначе, как только при совместном рассмотрении и объединении законов квантовой физики и
космогонии. Ранее никто из членов Научного Сообщества, занимающихся проблемами квантовой физики, космогонии и космологии, о такой возможности не догадывался и, естественно, такое совместное рассмотрение никем из них не анализировалось. Этот фундаментальный теоретический результат позволяет, в сущности, реально считать Вселенную единой на микро-, макро- и мегауровнях.
Автор статьи пришел к этому пониманию, обосновав существование максимально возможной (предельной) частоты излучения квантов энергии во Вселенной и, следовательно, минимального неуменьшаемого интервала Времени, который был назван квантом Времени, и эта величина кванта Времени была определена начальными условиями возникновения Вселенной.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Фёдоров В. К. Эволюция квантовой физики: дискретная структура времени и физического пространства Вселенной // Омский научный вестник. - 2007.- № 2 (56).- С. 12-16.
2. Фёдоров В. К. Новый взгляд на теоретические и прикладные аспекты квантовой физики: дискретность времени и пространства, атом водорода, вакуум, аннигиляция // Омский научный вестник. - 2008.- № 1 (58).- С. 15-20.
3.Мицкевич Н. В. Парадоксы пространства-времени в современной космологии / Астрономия.
Методология. Мировоззрение. - М.: Наука, 1979. -287 с.
4.Пенроуз Р. Структура пространства и Времени. - М.: Наука, 1972. - 247 с.
5.Пригожин И., Стенгерс И. Время, хаос, квант. - М.: Прогресс, 1999. - 268 с.
6. Фёдоров В. К. Генезис Вселенной: фундаментальные пространственно-временные и энергетические соотношения // Омский научный вестник. - 2008. - № 3 (70). - С. 9-15.
Фёдоров Владимир Кузьмич - доктор технических наук, профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Омского государственного технического университета.
Статья поступила в редакцию 24 марта 2014 г.
© В.К. Федоров, 2014
Открытия и изобретения
Добычей полезных ископаемых на Луне займутся роботы
В рамках проекта Федеральной космической программы (ФКП) Роскосмос работает над созданием роботов, основной функцией которых будут поиск и добыча полезных ископаемых. Таким образом агентство Роскосмос предлагает бороться с возможным дефицитом ресурсов на нашей планете. В планах ученых и разработчиков запустить работу над проектом в 2016 году, а к 2025-му подготовить техническую документацию для робототехнических средств, добывающих и перерабатывающих минеральные запасы Луны.
Немного ранее, к 2022 году, разработчики должны будут предоставить техническое предложение и проект системы связи для удаленного управления роботами. В 2023 году инженеры предоставят Роскосмосу варианты по созданию лунной базы и средств ее технического обслуживания и инфраструктуры.
В настоящий момент Федеральная космическая программа находится на согласовании в правительстве. Но уже сейчас на научные исследования и технические разработки, касающиеся строительства и обслуживания лунной базы, Роскосмосом заложено 337 миллионов рублей.
Агентство по инновациям и развитию. - URL:
http://www.innoros.ru/news/regions/14/08/dobychei-poleznykh-iskopaemykh-na-lune-zaimutsya-rokoty
