Излучение черного тела и теплофизические процессы Текст научной статьи по специальности «Физика»

ПРОБЛЕМЫ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК

УДК 510.10

Я.И. Барац ИЗЛУЧЕНИЕ ЧЕРНОГО ТЕЛА И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Теоретическое описание процессов взаимодействия материи основывается на философском положении: взаимодействие материи в физическом мире состоит в неразрывности и совместном проявлении процессов в форме притяжения и отталкивания, в форме поглощения и излучения энергии.

Получено квантовое уравнение, описывающее гравитационное поле элементарной частицы. Установлено, что гравитационное и нуклон-нуклонное взаимодействия представляют собой условно выделенную одну сторону физического процесса, связанную только с притяжением материи.

Y.I. Barats BLACK SOLID RADIATION AND THERMO-PHYSICS PROCESSES

The theoretical description of the matter interaction process is based on the following philosophical position: the matter interaction in physical world consists in continuity and simultaneously acting processes in the form of attraction and repulsion, in the form of absorption and energy radiation.

A quantum equation, describing the gravitation field of the elementary particle was received. According to the basic principle of attraction-repulsion it is established that the gravitational and the nucleon-nucleon interaction represent by themselves one side of the conventionally extracted physical process which is connected with the matter attraction only.

Современные теории физических процессов основываются на представлении, что все элементарные частицы взаимодействуют по общему закону и каждое из известных четырех взаимодействий характеризуется соответствующей константой связи.

Однако трудности, которые возникают при разработке объединяющих моделей (великое объединение, супергравитация), связаны с резким различием сил взаимодействия. Так, например, если принять силу сильного взаимодействия протона с протоном в ядре атома

_13

(расстояние порядка 10 см) за единицу измерения интенсивности взаимодействий, то электростатическое взаимодействие между этими частицами будет в 100 раз меньше, слабое - в

13 38

10 раз меньше, а гравитационное - меньше в 10 раз. Кроме того, гравитационное и элек-

тромагнитное взаимодействия являются дальнодействующими, тогда как слабое и сильное -это близкодействующие взаимодействия, которые имеют место практически в пределах размеров атомного ядра. При этом приходится учитывать еще и то обстоятельство, что полярные по интенсивности гравитационное и сильное взаимодействия связаны с притяжением материальных объектов, тогда как электромагнитное и слабое - это взаимодействия отталкивания и происходят, как правило, с излучением частиц.

Философия природы утверждает, что все физические процессы и взаимодействия связаны с преобразованием форм движения материи. Определяя понятие материи, Кант рассматривал взаимодействие как единство и неразрывность притяжения и отталкивания. Если бы материя достигла того, чего она ищет в притяжении, то движение (по Г егелю) прекратилось бы, однако это не может осуществиться потому, что отталкивание есть такой же существенный момент материи, как и притяжение.

Таким образом, закон неуничтожимости и несотворимости движения состоит в том, что всякое движение - это взаимодействие притяжения и отталкивания. Поскольку мерой движения материи является энергия, то естественно, что преобразование форм движения материи всегда сопровождается сохранением энергии во взаимодействии, при этом количественное изменение одной формы движения при достижении определенной меры приводит к качественному изменению в другой форме движения и наоборот.

Характерными примерами, иллюстрирующими закон количественно-качественных изменений в физическом взаимодействии, являются процесс теплового излучения и закон Планка [1].

Исследуя тепловое излучение черного тела, Планк пришел к заключению, что обмен энергией между излучением и веществом не может происходить непрерывным образом, а происходит дискретными порциями - квантами. При этом количество энергии Е в каждой порции излучения с частотой V определяется соотношением Е=Иу, в котором константа h -постоянная Планка.

В этом процессе количественные изменения в тепловом движении материи в твердом теле скачкообразно переходят в качественно другую форму движения материи - в излучение энергии дискретными квантами. В области тела, где происходит обмен энергией, возникает взаимодействие в форме притяжения-отталкивания. Импульсное излучение кванта энергии в какой-либо точке тела резко снижает здесь температуру. Возникают тепловые потоки в теле. Когда уровень энергии в данной точке тела достигает определенной меры, возникает следующий импульс излучения и так далее.

Тепловой режим в теле, связанный с излучением одного отдельного кванта энергии из бесконечно малой полости (духовки), можно исследовать на следующей модели. Рассматривается процесс теплопроводности в неограниченном изотропном твердом теле с начальной температурой, принятой равной нулю, в котором в точке г=0 в момент времени t=0 произошло импульсное поглощение тепла в количестве, равном энергии возникшего кванта излучения.

В такой постановке задачи решением уравнения теплопроводности

Тепловое излучение черного тела

(1)

является функция [2]

(2)

где а - коэффициент температуропроводности; с р - объемная теплоемкость; А - оператор Лапласа.

Если ^0, то выражение (2) стремится к нулю везде, кроме точки г=0, где оно обращается в минус бесконечность, что следует из предельной сосредоточенности стока теплоты Е или, что то же, поглощения энергии в точке г=0.

Предположим, что поглощение энергии в точке г=0 неограниченного твердого тела происходит непрерывно в количестве Q Вт. Поскольку за элементарный промежуток времени dt это составит Е=Q dt Дж и температурное поле определится соотношением

Qdt

Г r2

c p (4 п at)

©(r,t) =-------,s3/2 exp -— |, (3)

4 a t

то установившийся тепловой режим при t^rc можно вычислить интегрированием уравнения

(3):

0(г ) =-Г exp ('] t-3/2dt.

cp(4nat) 0 ^ 4atJ

В результате вычисления интеграла приходим к выражению

0 (г) = - kQ, (4)

r

в котором k=1/4nX.

Обращает на себя внимание то обстоятельство, что соотношение (4), которое определяет тепловой режим в неограниченном теле с постоянно действующим поглощением теплоты, точно соответствует формуле

/ \ Gm

ф(г) =----------------------------------------------, (5)

r

описывающей в теории тяготения Ньютона гравитационное поле в неограниченном пространстве, вызванное частицей вещества с массой m.

Аналогия в соотношениях (4) и (5) соблюдается также между параметрами обоих физических процессов. Так, гравитационный потенциал ф Дж/кг соответствует потенциалу тепловой энергии - температуре 0°С, гравитационная постоянная G, характеризующая свойства пространства, соответствует коэффициенту k, определяющему теплофизические свойства твердого тела и, наконец, масса m точечного источника гравитационного поля эквивалентна энергии Q в соотношении (4). При этом температурный градиент d0/dr определяет тепловой поток в твердом теле точно так же, как дф/дг представляет собой гравитационный поток -форму движения материи с ускорением g=Gm/r2.

Полное соответствие процессов, которые описываются соотношениями (4) и (5), свидетельствует о том, что физическая сущность этих процессов одна и та же: тепловой режим в твердом теле при тепловом излучении и гравитационное поле, вызванное частицей вещества, возникают вследствие того, что источники этих процессов поглощают энергию дискретными порциями - квантами.

Вывод, который следует из сопоставления процессов тепловой и гравитационной форм движения материи: частица вещества с массой m поглощает энергию из окружающего ее пространства, вызывая гравитационную форму движения материи.

В соответствии с диалектической логикой движение материи, мерой которого является поглощаемая из вакуума энергия, не может быть уничтожено или бесследно исчезнуть, это противоречило бы и закону сохранения энергии. Очевидно, что гравитационная форма движения материи может только принять другую форму. Если далее следовать аналогии с законом излучения Планка, то вполне логичным будет и другой вывод: гравитационная форма движения материи, вызванная поглощением энергии частицей вещества, преобразовывается в качественно другую форму движения материи. В этом случае выполняет-

ся также фундаментальное философское положение: движение материи представляет собой взаимодействие притяжения и отталкивания.

Рассмотрим, насколько выводы, сделанные в соответствии с диалектической логикой, соответствуют современным физическим представлениям.

Пространство (вакуум) обладает энергией, следовательно, это одна из форм существования материи. По современным представлениям, вакуум представляет собой основное состояние квантовых полей, обладающих определенной энергией с возможностью виртуальных процессов. Кроме того, согласно принципу эквивалентности, энергия вакуума гравити-рует и учитывается поэтому в уравнениях общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна [3]. Следовательно, энергия вакуума может поглощаться источником гравитационного поля и трансформироваться в другие формы движения материи.

Рассмотрим в связи с этим нуклон как элементарную частицу, процессы в которой связаны с притяжением (гравитационное и сильное взаимодействия) и отталкиванием (электромагнитное и слабое взаимодействия). Эксперименты по процессам с большой передачей импульса свидетельствуют о существовании внутри нуклона точечноподобных рассеивающих центров - партонов. Поэтому предполагается, что «голые» протон и нейтрон представляют собой точечные частицы и что конечные размеры реального нуклона определяются исключительно наличием облака виртуальных частиц, которые он непрерывно излучает. Облако из виртуальных частиц определяет и электромагнитные свойства нуклона [4].

Таким образом, современные представления о структуре и свойствах нуклона могут только свидетельствовать в пользу сделанного выше вывода о том, что для формирования облака виртуальных частиц и поддержания стабильности нуклона требуются затраты энергии, которая может черпаться элементарной частицей дискретными порциями (квантами) исключительно только из обладающего энергией вакуума.

Г равитационное поле виртуальной частицы

Облако виртуальных частиц, которые окружают нуклон, представляет собой различные кварк-антикварковые пары. Пионы - самые легкие из таких виртуальных частиц и они должны определять структуру внешних частей облака.

В нерелятивистском приближении гравитационное поле, вызванное возникновением виртуальной частицы, можно описать, основываясь на аналогии теплового и гравитационного процессов. Поскольку стационарные процессы и теплопроводности, и тяготения описы-

ч kQ ...

ваются однотипными соотношениями, а именно 0(г) =----------------(4) и соответственно

r

. Gm

ф(г) =------(5), то очевидно, что нестационарные процессы, вызванные поглощением энер-

r

гии одним квантом излучения, должны описываться однотипными функциями

( г 2 ^ ( г 2 ^

E ■ exp I---I h ■ exp I---I

0(r, t) =--—4a/J и соответственно ф(г, t) =-------------- —4atJ . (6)

cp(4nat )3/2 v (4n%t )3/2

Очевидно также, что эти соотношения должны, кроме того, являться и решениями однотипных дифференциальных уравнений, представляющих тепловой и гравитационный процессы, т.е.

d0 . ^ Эф .

— = a A0 (1) и соответственно —- = %Аф . (7)

dt dt

Как видно, уравнение (7) и его решение для импульсного точечного поглощения энергии (6) представляют собой квантовые соотношения, в которых

h mc2

Х = --- и V = —,

4 п m h

где m - масса виртуальной частицы.

Принцип соответствия квантового (6) и классического (5) решений здесь выполняется, поскольку при h^0 и замене в (6) h=E dt с последующим интегрированием этой функции по времени в пределах от t=0 до t=^, приходим к классическому решению (5).

Соотношение (6) может быть представлено с использованием параметров комптонов-ской волны, если положить в последнем

Л2 , c

Х =----и Л = -.

4 п T V

Тогда приходим к соотношению

. . Gm ( п г 2 ^

^ ')="Л^ ] ■ (8)

В соотношениях (6) и (8) предполагается, что источник гравитационного поля предельно сосредоточен как в пространстве, так и во времени. Однако, если иметь в виду, что виртуальная частица, возникшая в облаке нуклона, все-таки ограничена некоторым пространством, то очевидно, что промежуток времени Ь не может принимать значения меньше, чем планковский элементарный временной интервал

G к „ h —- , где к = —.

C5 2п

Поэтому более общее решение для гравитационного поля виртуальной частицы будет представлять выражение

/ ч Gm

ф(г, t) = ^ ехр

2

п г

Х2у +1)_

(9)

1о) .

Соотношение (9), таким образом, определяет гравитационное поле, вызванное виртуальной частицей, возникающее в момент времени t=0■ Поскольку в этой формуле имеет место соотношение между пространственными и временными параметрами, то ограничение времени планковским значением предполагает также, что виртуальная частица ограничена в пространстве с нормально-сферическим распределением своей энергии [5].

Положив в (9) ^=0, получим математическую модель с предельной сосредоточенностью энергии в пространстве, что соответствует мгновенному точечному источнику гравитационного поля.

В соответствии с соотношением (9) напряженность гравитационного поля виртуальной частицы

л

g (г’ t) =7^-------------;57ТехР

п г

X2 v (to +1)

(10)

2п Ошг

Л3^ ((^ +1)]э

Из соотношения (10) следует, что при т=0 напряженность ^=0; по мере увеличения расстояния от частицы напряженность резко возрастает до максимума при

2п

затем при дальнейшем удалении от источника поля напряженность g опять снижается.

Поскольку пространство нуклона формируется облаком виртуальных частиц, то весьма вероятно, что в ядре атома в пространстве одного из нуклонов с массой шм может возник-

г

нуть виртуальная частица, испущенная другим нуклоном, и наоборот. В этом случае сила притяжения между ними будет

^ (т, , ) = 2 П °ГШШ»2ехр ( ) Л [,>« + <о)]5'2

2

п г

(11)

Л2 V (^ +1)

Соотношение (11) позволяет определить силу взаимодействия между частицами в области пространства с максимальной напряженностью. Положив в последнее

г = Л.

при t=0 получим, что

(^ + t) V

и £ = ctn

2 п

о о

о

г- = ■ (12)

Вычисления по формуле (12) показывают, что при массе виртуального пиона

—27 —27 5

ш=0,25-10 кг и массе протона 1,67-10 кг сила притяжения между ними равна 1,6-10 Н,

что соответствует порядку сил межнуклонного (сильного) взаимодействия.

Заключение

Поглощение энергии источником гравитационного поля из физического вакуума вызывает потоки энергии в пространстве. Это вытекает непосредственно из теории тяготения Ньютона. Так, из соотношения (5) следует, что потенциальная энергия частицы с массой М, находящейся на расстоянии г от источника поля с массой ш, будет составлять

Е = -0ШМ . (13)

г

Поскольку уровень потенциальной энергии в гравитационном поле не имеет физического смысла, то обычно вычисляют величину 8Е, представляющую собой энергию, которую необходимо затратить, чтобы переместить частицу с массой М из положения г\ от источника поля в положение г2. В этом случае

8Е = О шМ

(14)

г2 У

является работой, совершаемой внешней силой против гравитационной силы. Если же ЪЕА0 то эта работа совершается самой гравитационной силой, т.е. потоком энергии, поскольку любой энергии может быть приписана (по ОТО) не только инертная, но и тяжелая масса. Следовательно, поток энергии реально материализует пространство в направлении вектора напряженности гравитационного поля. В этом направлении поток энергии или, что то же, поток материальной субстанции своим движением увлекает и принуждает двигаться все, что попадает в этот поток — как материальные объекты, так и различные энергетические поля.

Помимо вектора напряженности гравитационного поля, в направлении которого материализуется пространство, гравитационный поток материальной субстанции обладает и другим исключительным свойством: он увлекает своим потоком и приводит в движение материальные объекты, сообщая им тотчас же свои параметры движения (скорость и ускорение) независимо от массы.

Безынерционность гравитационного взаимодействия достаточно логично объясняет гипотеза о гравитационном потоке материальной субстанции. Поскольку градиент потенциальной энергии в гравитационном поле не может быть экранирован, то он имеет место в любой области вещества. Градиент потенциальной энергии пронизывает структуру вещества, все составляющие его частицы и поля.

Поэтому вызванный градиентом потенциальной энергии гравитационный поток материальной субстанции увлекает своим движением каждую в отдельности элементарную частицу материального тела и таким образом захватывает своим потоком все тело как монолитное целое. Очевидно, что только при таком характере взаимодействия гравитационного потока с физическим объектом может иметь место безынерционность процесса.

Безынерционность гравитационного взаимодействия обосновывал Кант в своем философском построении понятия материи из сил притяжения и отталкивания. В этом теоретическом исследовании [6] силу притяжения Кант определял как пронизывающую, благодаря которой одна материя может непосредственно действовать на части другой и за поверхностью соприкосновения. Силу же отталкивания он определял как поверхностную силу, посредством которой материи могут действовать друг на друга лишь в их общей поверхности соприкосновения.

Гипотеза о гравитационном потоке материальной субстанции объясняет фундаментальное философское положение: единство мира состоит в его материальности. Каждый из составляющих Вселенную конечных материальных объектов как источники тяготения создают неограниченное пространство с гравитационными потоками материальной субстанции и таким образом образуют целостный мир с движущейся непрерывно и во всех направлениях материей.

Такая Вселенная совмещает в себе конечное и бесконечное. Конечным в этом мире является вещество как тяжелая материя, а бесконечным — физические процессы, связанные с гравитационными потоками материальной субстанции.

Все процессы в физическом мире связаны с преобразованием форм движения материи. Это выражается в переходе одного вида энергии в качественно другой вид. При этом на любом уровне превращения энергии взаимодействие материи всегда происходит в форме притяжения-отталкивания, в форме единства и неуничтожимости противоположных процессов и в их неразрывности.

Научное познание физических процессов по Гегелю — это познание логического положения о том, что отрицательное — равным образом и положительное, что противоречащее себе не переходит в нуль, в абстрактное ничто, а по существу лишь переходит в отрицание своего особенного содержания. Такое понимание процесса более содержательно, поскольку оно обогатилось его отрицанием или противоположностью; оно, стало быть, содержит предыдущее понятие, но содержит больше, чем только его, оно есть единство его и его противоположности [7].

ЛИТЕРАТУРА

1. Борн М. Атомная физика ' М. Борн; пер. с англ. М.: Мир, 1965. 483 с.

2. Карслоу Г. Теплопроводность твердых тел ' Г. Карслоу, Д. Егер; пер. с англ. М.: Наука, 1964. 487 с.

3. Паули В. Теория относительности ' В. Паули; пер. с нем. М.: Наука, 1963. 336 с.

4. Фраунфельдер Г. Субатомная физика ' Г. Фраунфельдер, Э. Хенли; пер. с англ. М.: Мир, 1979. 736 с.

5. Барац Я.И. Теория физических процессов ' Я.И. Барац. Саратов: СГТУ, 2003. 122 с.

6. Кант И. Математические начала естествознания ' И. Кант; пер. с нем. М.: Мысль, 1966. 384 с.

7. Гегель Г. Энциклопедия философских наук. Т. 1. Наука логики ' Г. Гегель. М.: Мысль, 1974. 450 с.

Барац Яков Ильич -

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой

«Технология и оборудование электрофизических и электрохимических методов обработки»

Энгельсского технологического института

Саратовского государственного технического университета