К ЭПОХЕ ПЛАНКА КАК ФИЗИЧЕСКОМУ ЯВЛЕНИЮ С ЭФФЕКТОМ РАСШИРЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Философия, этика, религиоведение»

PHYSICS AND MATHEMATICS

К ЭПОХЕ ПЛАНКА КАК ФИЗИЧЕСКОМУ ЯВЛЕНИЮ С ЭФФЕКТОМ РАСШИРЕНИЯ

Кошман В.С.

канд. техн. наук, доцент, Пермский государственный аграрно-технологический университет,

Пермь, Россия

TO THE PLANCK EPOCH AS A PHYSICAL PHENOMENON WITH THE EFFECT OF EXPANSION

Koshman V.

Cand. Tech. Sci., Associate Professor, Perm State Agrarian and Technological University,

Perm, Russia

АННОТАЦИЯ

Отмечено, что идея расширяющейся Вселенной родилась в условиях «эмпирической невесомости». Рассмотрены характерные подходы к изучению движения ранней Вселенной. Приведены аргументы в пользу реального масштабного природного события на момент завершения эпохи Планка. Отмечена необходимость проведения дальнейших исследований. ABSTRACT

It is noted that the idea of an expanding Universe was born in the conditions of "empirical weightlessness". Typical approaches to the study of the motion of the early universe are considered. The arguments in favor of a real large-scale natural event at the end of the Planck epoch are presented. The need for further research is noted.

Ключевые слова: реликтовое излучение, абсолютно черное тело, эпоха Планка, формула Планка, квант действия, принцип наименьшего действия.

Keywords: relict radiation, a completely black body, the Planck epoch, the Planck formula, the quantum of action, the principle of least action.

«Природа дает нам «ключи», часто скрытые,

и решение загадок природы оказывается делом довольно тонким» Пол Дэвис

Более чем сто лет назад гением А. Эйнштейна была создана общая теория относительности (ОТО). На пути исследования мировых уравнений Эйнштейна (в их записи через две мировые константы: c - оторость света в вакууме и G - гравитационная постоянная) А.А. Фридман пришел к выводу о необходимости изучения особенностей движения всей нашей Вселенной. В математическом мире Фридмана Вселенная либо расширяется, либо сжимается, либо пульсирует [1]. Фридман [2, с. 321] рассматривает движение Вселенной «как изменение пространственных координат с течением времени». Следует признать, что идея расширяющейся Вселенной родилась в условиях «эмпирической невесомости». Действительно, если бы на момент создания ОТО имелись какие - либо наблюдательные данные в пользу космологического движения Вселенной, то автором теории нестационарной Вселенной был бы признан Эйнштейн, но этого не произошло. На 5 сентября 1922 года Фридман отмечает, что «математический анализ складывает свое оружие перед трудностями вопроса и астрономические исследования не дают еще достаточно надежной базы для экспериментального изучения нашей Вселенной» [там же, с. 322].

ОТО предсказала существование эпохи Планка с её продолжительностью 10-43 с от t = 0 до

планковского времени = I —) , где h - постоянная Планка, но возникла «проблема встречи» ОТО с квантовой теорией. Вместе с тем, многие формулы, полученные при описании ранней Вселенной, записаны через планковские величины Р1р1 = са • • ЪУ • кд (здесь кв- постоянная Больц-мана), что существенно упрощает запись, а также позволяет вычленить физический смысл решаемых задач [3]. По мнению авторов [4, с. 140] при построении картины мира «наиболее привлекательной выглядит идея квантового рождения мира, или рождения из «ничего». Под этим подразумевается, что наш мир в целом может возникнуть без нарушения основных физических законов, акт его рождения будет описываться законами квантовой гравитации, а для его рождения не потребуется никакой энергии».

Из числа альтернативных выделим космологическую модель, предложенную Ж. Леметром. Расширение Вселенной начинается с радиоактивного распада первичного весьма нестабильного атома. В рамках данной модели Г.А. Гамов предсказал наличие во Вселенной остаточного фотонного излучения, его температуру Тп и чернотельный спектр. Идея Гамова состояла в том, что в горячей и плотной весьма ранней Вселенной происходили ядерные реакции, благодаря которым за несколько минут были синтезированы все элементы таблицы Д.И. Менделеева.

Реликтовое космическое излучение - это физическое явление, которое было трудно пронаблюдать. Однако на уровне радиошумов оно все же

было случайно зарегистрировано А. Пензиасом и Р. Вильсоном (1965 г.) и немедленно интерпретировано Р. Дикке с сотрудниками. Оказалось, что объем современной Вселенной (Уп) действительно наполнен частицами электромагнитного поля (фотонами) в количестве Фотоны существуют только в движении, они движутся со скоростью света в вакууме с. Энергия каждого из фотонов равна ну, где V - частота. Средняя энергия современного реликтового фотона и^ = кв •Тп. Поскольку фотоны возникли не в наши дни, то для россыпи выделенных нами параметров состояния Вселенной можно записать

/(V, М£, V, Т, с, к, кв, и(1\ и£) = 0, (1) где иЕ - полная энергия фотонного излучения Вселенной.

То, что реликтовое излучение имеет спектр излучения абсолютно черного тела, стало подтверждаться наблюдениями на длинах волн меньше 0,3 см в верхних слоях атмосферы Земли, выполненными с аэростатов и ракетных зондов. Но только с помощью спектрофотометра, установленного на борту специально выведенного за пределы земной атмосферы спутника COBE, в 1990 - х гг. был надежно установлен планковский характер спектра реликтового излучения, а выражение (1) сразу же приняло элегантный вид

йи£ __1

= с3 еЪ-у/кв7-1 •

,(1) -

(2)

= — =

15к3с-

грирования уравнения (2) по всему интервалу частот V. Однако, следуя физическому смыслу данной объективной закономерности, можно просто разделить иЕ « Т4 на иЕр1 « Тр1 и выйти на неё в форме записи, полезной для описания космологической эволюции Вселенной

V УР1 \TpiJ •

(3)

кв^Т и и£р1 = кв • Тр1

(4)

(5)

Это есть формула Планка для теплового излучения, или закон Планка для распределения энергии в спектре абсолютно черного тела. Формулируя свой физический закон фотонного излучения, именно в формулу (2) М. Планк (1900 г.) ввел свою «фундаментальную постоянную с размерностью действия» [5]: к. При выходе на формулу (2) с опорой на постоянную Больцмана кв «Планком был проведен достаточно «безумный» статистический подсчет, предвосхитивший корректную с точки зрения квантовой механики статистику Бозе - Эйнштейна» [6, с. 248]. Формулу (2) следует признать «эмпирически весомой»: с одной стороны, она получена на основе обобщения широкого массива опытных данных, а с другой, из формулы Планка (2) непосредственно вытекают два (независимо от нее ранее установленных) физических закона. Это закон Стефана - Больцмана и закон смещения Вина. Иногда формулу Планка (2) называют [5] «полным решением основной задачи теплового излучения».

На закон Стефана - Больцмана для объемной плотности энергии фотонного излучения иЕ [7]:

Т4 выход реализуется путем инте-

Тогда при и£ можно выйти на выражения для

- объемной концентрации фотонов пЕ:

_ _ 1 ( Т \3 Пе = V = УР1 \TpiJ ,

- количества фотонов ЫЕ во Вселенной:

N£ = УР1 \rpij У'

Если в мире Фридмана в пользу движения Вселенной свидетельствуют лишь пространственные переменные в их функции от времени, то при описании Вселенной с опорой на безразмерные план-ковские величины число переменных заметно возрастает. В рассматриваемом нами фрагменте общей картины движения Вселенной во времени изменяются объем V, температура Т, объемная плотность энергии газа фотонов иЕ, его объемная концентрация пЕ, а в период ядерных реакций также и количество фотонов ЫЕ в расширяющейся с охлаждением Вселенной - см. (5) - и, следовательно, энергия - масса её фотонной компаненты материи. При этом мы как бы имеем возможность наблюдать за ростом конечного по своей величине объема Вселенной (V) снаружи в то время как согласно ОТО это самое «снаружи» в природе отсутствует. Заметим, что если следовать закону Стефана - Больц-мана (3), то за время космологической эволюции нашей Вселенной (а это порядка десяти тысяч миллионов лет) объемная плотность энергии газа фотонов понизилась с 10114 Дж/м3 (на момент окончания эпохи Планка) до 10-14 Дж/м3 (в настоящее время), то есть в 10128раз.

Как и закон Стефана - Больцмана (3), формула Планка (2) (в ее записи через четыре мировые константы с, О, к и кв [8]):

аи£ _ и£РЬ /• у у

(6)

¿.V Урь'урь \-Vpl' указывает на присутствие фотонного излучения во Вселенной во все времена её космологического движения (за исключением эпохи Планка). Запись вида (5) не исключает возможность ее следующей интерпретации: в эпоху ядерных реакций объем V стремительно расширяющейся Вселенной естественным путем (не упорядоченно и не без привлечения энергии космического вакуума) заполняется ныне реликтовыми фотонами; на данном этапе движения Вселенной в ней господствует хаос.

В современной космологии вряд ли исключается возможность сценария, согласно которому наблюдаемому расширению Вселенной предшествует завершившийся цикл ее сжатия. Естественно ожидать (при условно нулевом мгновении времени t = 0) весьма сжатое исходное состояние первичной материи Вселенной. Тогда (как бы в исходном состоянии мира) в среднем кванты материи неподвижны. Это отвечает мнению [9] о том, что у истока своего космологического расширения наша Вселенная должна быть очень хорошо структурирована. Однако сжатое состояние мира не является стабильным. Его температура возрастает от величины Т5, близкой к абсолютному нулю, до величины планковской температуры Тр1 = 1032К. Синхронно до планковских величин возрастают и

1

и

£

объем V мира, а также его внутренняя энергия U = квТ и частота V. На момент окончания квантовой эпохи особый интерес представляет выход через естественные cGh - величины на элементарный, по Планку, квант действия ^

^ = h = 6,626-10-34Дж ■ с. (7)

Еще в первой из известных формулировок принципа наименьшего действия П.Л. Мапертюи (1744 г.) утверждал [10], что когда в природе происходит некоторое изменение, то количество действия, необходимое для этого изменения, является наименьшим из всех возможных. Согласно (7) количество действия на мгновение завершения эпохи Планка действительно является наименьшим из всех возможных, а следовательно, достигнутый тогда эффект не мог не превысить все самые смелые ожидания. Полагаем, что на смену космологической эпохе Планка вдруг резко приходит эпоха ядерных реакций. Ведь выражение (7) непосредственно следует из эмпирически подтвержденной формулы Планка в ее архитектурах (2) и (6), согласно которым = h, а Ьр1 • ур1 = с. Здесь Ьр1 -

планковская длина как характерный размер мира на момент окончания его планковской эпохи, отвечающий верхней границе линейного параметра в наблюдаемом нами неравенстве 0 < Ь < Ьр1. На наш взгляд, очевидна необходимость аккуратного изучения эпохи Планка как физического явления с эффектом расширения. Эпиграф принят согласно работе [11, с. 258].

Литература

1. Фридман А.А. О кривизне пространства // А.А. Фридман. Избранные труды. М.: Наука. 1966. С. 228 - 238.

2. Фридман А.А. Мир как пространство и время // А.А. Фридман. Избранные труды. М.: Наука. 1966. С. 244 - 322.

3. Сажин М.В. Современная космология в популярном изложении. М.: Едиториал УРСС. 2002. -240 с.

4. Долгов А.Д., Зельдович Я.Б., Сажин М.В. Космология ранней Вселенной. М.: Изд - во Моск. ун - та. 1988. - 199 с.

5. Формула Планка. Гипотеза о квантах [Электронный ресурс]. URL: ens.tpu.ru/POSOBIE_FIS_KUSN/Квартовая_оптика. Атомная_ядерная_ физика (дата обращения 22.02.2021).

6. Пенроуз Р. Путь к реальности, или законы, управляющие Вселенной. Полный путеводитель / пер. с англ. М. - Ижевск: Институт компьютерных исследований, НИЦ «Регулярная хаотическая динамика». 2007. - 912 с.

7. Вайнберг С. Космология / пер. с англ. М.: УРСС: Книжный дом «ЛИБРОКОМ». 2013. - 608 с.

8. Кошман В.С. Реликтовое излучение и физические особенности квантового рождения Вселенной // Sciences of Europe. 2021. № 63.Vol. 2. pp. 49 - 55.

9. Парадоксы стрелы времени [Электронный ресурс]. URL: file:///C:/User/user/DesktorПарадоксы стрелы времени (Сергей Горский Москва)_Проза.ру. html (дата обращения 23.02.2021).

10. Наименьшего действия принцип [Электронный ресурс]. URL: https://bigenc/ru/phys-ics/text/2245107 (дата обращения 23.02.2021).

11. Дэвис П. Суперсила / пер. с англ. М.: Мир. 1989. - 272 с.