CC BY
66
Section 11. Physics
Usachev Valery Mikhailovich Russland, Republik Tatarstan, Stadt Naberezhnye Chelny. E-mail: usachevvm1@yandex.ru
Anfang der Theorie des Raumes als ideale Quanten-Flüssigkeit (IQF)
Abstrakt: Der Autor dieses Artikels im September 1967 vorgeschlagen, eine Reihe von grundlegenden Ideen und Hypothesen über die physische Substanz des fundamentalen Elementarteilchen und physikalischen Wechselwirkungen, die notwendig und ausreichend für die überwindung Krise in der theoretischen Physik.
Nachfolgend sind diese Ideen, Hypothesen und Beweise in einer sehr einfachen Form für Profis und diejenigen, die studiert hat den Kurs Physik für Gymnasien.
Stichworte: quantum Flüssigkeit Raum, Photon, Elektron, Proton, physikalische Wechselwirkungen.
Усачев Валерий Михайлович, Россия, Республика Татарстан, город Набережные Челны. E-mail: usachevvm1@yandex.ru
Начала теории пространства как идеальной квантовой жидкости
Аннотация: автор этой статьи в сентябре 1967 года предложил ряд основных идей и гипотез о физической сущности пространства, фундаментальных элементарных частиц и физических взаимодействий, которые необходимы и достаточны для преодоления кризиса в теоретической физике. Ниже приводятся эти идеи, гипотезы и доказательства в очень простой форме для специалистов и тех, кто изучал курс физики для средней школы.
Ключевые слова: квантовая жидкость пространства, фотон, электрон, протон, физические взаимодействия.
1. Определения
1.1. Начала теории — это основополагающие идеи, научные гипотезы и первичные математические доказательства их соответствия достоверно установленным фундаментальным научным теориям и фактам.
1.2. Идеальная квантовая жидкость — это жидкость, в которой при стремлении к нулю абсолютной температуры:
а) величина последней полностью определяется удельной плотностью энергии квазичастиц (то есть, поступательно и вращательно движущихся в ней её собственных локализованных гармонических колебаний);
б) внутреннее трение (динамическая вязкость) стремится к нулю;
в) физические свойства не меняются при стремлении её объёма к нулю.
Классическая молекулярно-кинетическая теория, возникшая из атомистических гипотез философов и учёных древнего мира, средневековой науки и "Математических начал натуральной философии” Ньютона, не смогла объяснить ни одного из фундаментальных физических взаимодействий, открытых в новой и новейшей истории науки. Причины воз-
никновения сил гравитации и инерции, электромагнитных и слабых, а также сильных взаимодействий оставались совершенно не понятыми физической наукой вплоть до последней трети прошлого века. До начала XX века такая ситуация возникла потому, что пространство, в котором существует мир взаимодействующих физических тел представлялось между этими телами абсолютно пустым. Поэтому невозможно было выдвинуть никакой не противоречивой гипотезы взаимодействия физических тел на расстоянии.
В двадцатом веке доминировало релятивистское представление о пространстве как непрерывном продолжении каждой материальной частицы. Совокупность этих "продолжений” во вселенной трактовалась как единый непрерывный пространственно временной "континуум”. Релятивистская парадигма полностью противоречила объективно реальной квантово механической дискретной сущности макро и микромира. К середине 60-х годов прошлого века кризис не адекватности трактовки физических явлений объективной реальности в теоретической физике стал настолько очевиден, что не было ни одного выдающегося учёного с мировым именем, который не признавал этого факта.
116
Секция 11.Физика
Лишь осенью 1967 года автором был предложен ряд основополагающих идей и гипотез о физической сущности пространства, фундаментальных элементарных частиц и физических взаимодействий, которые позволяли ПОЛНОСТЬЮ преодолеть этот кризис, возникший в теоретической физике.
Ниже эти идеи и гипотезы излагаются в предельно простой форме как для восприятия специалистами, так и теми, кто знает физику по курсу средней школы.
2. Основополагающие идеи и гипотезы.
2.1. Фундаментальные «элементарные» частицы (фотоны, электроны, протоны, нейтроны) можно (в простейших аналогиях) легко вообразить различными агрегатными состояниями идеальной квантовой жидкости (ИКЖ) пространства, локализуемыми в ней её же поверхностями: электроны и фотоны как «пузырьки пара» в ИКЖ пространства; протон как многослойный шарик жидкокристаллического «льда» в ней; нейтрон как «вспененную смесь» электрона, протона и фотонов, которая, «оседая» за четверть часа, снова распадается на электрон, протон и «нейтрино-фотоны». (Позитрон вписывается в этот ряд представлений как «пузырёк кавитации» в ИКЖ пространства.)
2.2. Из таких представлений электростатическое отталкивание и притяжение между электронами и протонами легко объясняется классической термодинамикой: так как электроны теплее ИКЖ пространства, а протоны холодней её, то одноимённые частицы стремятся рассредоточиться, а разноимённые сблизиться для выравнивания температуры в физической системе ИКЖ-частицы (соответственно второму закону термодинамики о возрастания энтропии). Действительно, согласно экспериментам российских учёных под руководством академика П. Л. Капицы и теории квантовой гелиевой жидкости (академика Л. Д. Ландау) кванты энергии (квазичастицы) возникают или исчезают в ней с возрастанием или уменьшением температуры жидкости. Значит, в ИКЖ пространства вокруг «горячего пузырька пара» — электрона образуется зона повышенной концентрации квазичастиц, а вокруг холодных протона и позитрона образуются зоны пониженной концентрации квазичастиц. Такие зоны и являются физической сущностью «электрических полей» вокруг «заряженных» частиц (с одинаковыми или противоположными знаками).
2.3. Из этих же представлений следует, что локализуются фундаментальные «элементарные» частицы и кванты в ИКЖ пространства её же поверхностями посредством сил её «поверхностного натяжения».
2.4. Поэтому, все «свободные» электроны, протоны и позитроны, имеющие одинаковую абсолютную величину eлектрических зарядов, должны иметь одинаковые диаметры d аружной поверхности; так как они могут оставаться стабильными только при условии равенства сил поверхностного натяжения ИКЖ пространства, сжимающих эти частицы снаружи, силам внутреннего давления квазичастиц-квантов (эквивалентного кулоновским силам электростатического отталкивания), стремящимся разорвать их изнутри.
2.5. Поэтому, масса «жидкокристаллического» протона оказывается на три порядка больше массы электрона-пузырька «квази пара» подобно различию на три порядка плотностей молекулярных жидкостей конденсированных из атмосферных газов от плотности этих газов (при нормальных условиях).
2.6. Будучи «пузырьком» в жидкости пространства электрон эластичен и упруго деформируется при столкновениях тем больше, чем выше энергия сталкивающихся с ним частиц и «жёстких» квантов, поэтому его диаметр не удаётся «измерить» экспериментально.
2.7. Исходя из этих основополагающих идей, автор открыл (впервые в августе-сентябре 1967 года) универсальную формулу (систему уравнений), выражающую фундаментальный закон сохранения и превращения энергии-массы в виде:
hv=us = mc2 (1)
В левой части формулы (1) стоит выражение энергии Планка E = hv для фотонов (квантов электромагнитного излучения), где h постоянная Планка, V частота кванта.
В правой части этой формулы находится выражение полной энергии массы E = mc2 для частицы с инертной (гравитирующей) массой m в которую могут превратиться фотоны, полностью израсходовав на это превращение свою энергию hv . Центральная часть us формулы (1) выражает потенциальную энергию, абсолютно равную работе сил поверхностного натяжения жидкости пространства при синтезе-аннигиляции частиц и квантов излучения друг в друга. Здесь и коэффициент поверхностного натяжения жидкости пространства, s площадь поверхности жидкости пространства, локализующей квант излучения или частицу (и образующей внутреннюю структуру последней).
2.8. Согласно классической электростатике полная энергия кулоновских сил электрона равна удвоенному квадрату величины его заряда делённому на ди-
117
Section 11. Physics
аметр электрона. Поэтому формула (1) позволяет точно вычислить величины u d исходя из представления об электроне как «пузырьке пара» (лишённом внутренней структуры) в жидкости пространства, так как можно составить систему двух уравнений с этими двумя неизвестными:
2.1) 2е2 / d = us ;
2.2) 2e2 / d = mc2
где e электрический заряд электрона, и неизвестный коэффициент поверхностного натяжения жидкости пространства; d неизвестный диаметр электрона; s = 3,14d2 площадь сферической поверхности пузырька-электрона, m масса электрона, с скорость света. Подставив справочные численные значения известных величин, и решив систему уравнений 2.1) и 2.2), получаем расчётную величину диаметра свободных фундаментальных заряженных «элементарных частиц»: d =0,563xlö-12 см
и новую фундаментальную мировую константу и = 0,823 х 1018 эрг / см2 = 0,823 х 1018 дин / см
Примечание. Система уравнений (1) указывает на прямую пропорциональность величины массы фундаментальной частицы величине площади поверхности жидкости пространства, локализующей эту частицу в ней и образующей внутреннюю структуру частицы. (Экспериментально это подтверждается эквивалентностью «дефекта масс» энергии распада и синтеза ядер, а теоретически — капельно-оболочечной моделью ядер атомов.)
2.9. Изложенные основополагающие идеи и формула (1) дают искомую однозначную взаимосвязь всех фундаментальных физических взаимодействий:
электрослабого — hv, сильного — us, инертногра-
2
витационного — mc снимают все «парадоксы» релятивистской и квантовой физики, полностью объясняя последние с позиций классической физики.
2.10. Например, «корпускулярно-волновой дуализм» квантовой физики легко понять, глядя на пузырьки пара, всплывающие со дна сосуда на поверхность воды. Они всплывают не строго вертикально, а по спирально-винтовым траекториям вокруг вертикальной оси. Очевидно, точно так же частицы и кванты излучения (то есть, её «жидкокристаллические образования» и «пузырьки пара») движутся в ИКЖ пространства в свободном состоянии не по прямолинейным траекториям, а по спирально-винтовым (вокруг прямо- или криволинейных «осей» винтовых траекторий движения).
2.11. Таким образом, длины «волн» де Бройля и квантов излучения следует понимать как шаги витков
винтовых траекторий движения частиц и квантов, а их «частоту» легко понять как число таких витков в секунду.
2.12. Винтовое правое или левое направление витков траектории движения частиц и фотонов легко объясняет «поперечность электромагнитных волн» и двойное преломление света (а значит, «спин» фотона или частицы и его знак).
2.13. Понимание физической сущности пространства Вселенной как идеальной квантовой жидкости позволяет легко понять качественную картину тензорной теории гравитации. Так, присмотревшись к пузырькам воздуха на поверхности чая или кофе в стакане, легко заметить, что они ускоренно сближаются друг с другом, образуя островки пены. Это происходит потому, что непрерывно испаряющиеся с поверхности пузырька молекулы замещаются ближайшими молекулами из окружающего пузырёк поверхностного слоя жидкости. Таким образом, пузырёк непрерывно натягивает на себя поверхностный слой жидкости, подтягивая к себе другие пузырьки. Очевидно, то же самое происходит и внутри ИКЖ пространства с элементарными частицами и любыми физическими объектами, только вместо молекул там действуют «квазичастицы» (то есть «пузырьки пара» — «кванты энергии») согласно формуле (1).
2.14. Представление о пространстве как жидкости близкой к идеальной даёт совершенно иную теорию наблюдаемого «галактического красного смещения», чем релятивистская космология и прямолинейный «закон Хаббла» V = Hr, не выполняющийся, как выяснилось, для далёких галактик.
Исходя из законов классической физики, аксиоматизации пространства как ИКЖ и начал её теории, автором были теоретически выведены следующие формулы величин частот, энергий, длин волн и полного времени жизни фотонов (квантов электромагнитного излучения) в зависимости от отрезка времени t их предшествующего движения в ИКЖ
космического пространства:
T = (Vj K )1/2 (2)
V, = v0 - Kt(2T0 -1) (3)
Et = h[v0 - Kt (2T -1)] (4)
К = с / [v0 - Kt (2T0 -1)] (5)
В этих формулах здесь (и далее):
T - возможное полное время жизни кванта при свободном движении в ИКЖ пространства от момента его излучения с энергией E0 = hv0 о полного рассеяния в ней им своей энергии (Et = t0 = 0)
t - отрезок времени движения кванта от момента излучения;
118
Секция 11.Физика
vt - частота кванта как функция времени t Et энергия кванта как функция времени t v0 частота кванта в момент его излучения (при t = 0
K - коэффициент смещения (обозначен автором заглавной буквой фамилии гениального физика-экспериментатора академика Капицы П. Л.)
Яt - длина шага винтовой траектории ("волны де Бройля”) как функция времени t свободного движения кванта;
h - постоянная Планка; c - постоянная скорости света.
3. Доказательство. (Математические начала теории пространства как идеальной квантовой жидкости и «фундаментальных элементарных частиц и квантов» в ней как её различных агрегатных состояний, локализуемых её же поверхностным натяжением).
Итак, согласно аксиоматизации и основополагающим идеям теории идеальной квантовой жидкости (ИКЖ) пространства фундаментальный закон сохранения и превращения энергии-массы в ней выражается системой уравнений (1):
hv = us = mc2 ;
Теперь, исходя из представлений о пространстве как объективно реальной квантовой жидкости с очень малым коэффициентом внутреннего трения П (но не равным нулю, если её абсолютная температура не равна 0) и о фотоне как пузырьке пара жидкости пространства с площадью сферической поверхности геометрически равной s = nd2 (где d диаметр пузырька-фотона), найдём формулу полной кинетической энергии фотона согласно принципам классической физики. Для этого, рассмотрим “волну де Бройля” фотона как сложную винтовую траекторию движения шарика-пузырька с шагом винта равным Я и с частотой оборотов равной v вокруг оси траектории. В результате двух простых движений его центра: поступательного (со скоростью света параллельно оси винтовой траектории движения фотона) и вращательного с угловой скоростью ß) = 2nv и скоростью У = oR перпендикулярной этой оси (по касательной к окружности радиуса R цилиндра винтовой линии). Тогда согласно классической механике полная кинетическая энергия E фотона-пузырька с массой m и моментом инерции I = mR2 получится из сложения кинетических энергий поступательного и вращательного движений:
3.1)
E = 0,5mc2 + 0,5Ia>2 = 0,5mc2 + 0,5m(R®)2 =
=0,5mc2 + 0,5mV2
Замечаем, что согласно формуле (1) mc2 = us, значит, m = us / c2 Подставив соответствующие выражения в формулу полной энергии фотона, получаем:
3.2) E = 0,5us(1 + V2 /С).
Так как, с другой стороны, полная энергия фотона определяется формулой Планка E = hv, то из уравнения hv = 0,5us(1 + У2 /c2) находим, что У = c, так как hv = us . То есть, перпендикулярная (по касательной к окружности радиуса R ) составляющая скорости фотона относительно оси винтовой траектории его движения равна скорости света так же как и её поступательная составляющая (параллельная оси винта).
Следствия. Из полученных равенств 3.1) и У = c ледует.
1) полная энергия квантов ЭМВ (фотонов) E = hv есть полная кинетическая энергия W = 0,5mc2 + 0,5m V2 = 0,5mc2 + 0,5mc2 = mc2 их движения по винтовой траектории (то есть, из классической механики непосредственно следует, что W = E = hv = mc2;
2) модуль полной скорости движения квантов по винтовой линии больше константы поступательной скорости распространения света в 2 , то есть, равна приблизительно ~ 1,414с.
По формуле (1), зная частоту v фотона в момент излучения, мы можем определить не только его энергию по формуле E = hv и массу по формуле E = mc2 на этот момент, но и диаметр d образующего его «пузырька пара» жидкости пространства и радиус R винтовой траектории его движения. Например, так как s = nd1 = hv / u, то диаметр пузырька-фотона находим по формуле
3.3) d = {hv /пи)
Для фотона фиолетового света, частоту которого примем за
V = 0,76 х1015 Гц, находим d _ (6,62 х 10-27 эрг / сек х 0,76 х 1015 Гц)1/2 _
_ (3,14 х 0,823 х1018эрг/см2)1/2 _
(6,62 х10-27 х 0,76 х1015)1/2 (3,14 х 0,823 х1018)1/2
см _ 1,4 х10 15
см
Следовательно, диаметр самого крупного, из видимых человеку, «фиолетового» фотона составляет около 0,3% диметра свободных фундаментальных «элементарных» частиц (электронов и протонов).
Радиус R его винтовой траектории вокруг оси направления движения находим по формулам ю = 2nv и У = oR. Так как У = c, то
3.4) R = c/(2nv), значит, для фиолетового света примерно R = 6 х 10-6 см, то есть, в сотни милли-
119
Section 11. Physics
онов раз больше диаметра самого фотона d = 1,4 х10-15 см.
Таким образом, определив энергию фотона в данный момент, мы можем вычислить для этого момента все его параметры на основе принципов классической физики (подтверждая тем самым пророчество Дирака о статусе “в качестве паллиатива без всякого будущего" общепринятой трактовки квантовой теории).
До сих пор современная теоретическая физика считает фотоны вечно неизменными в свободном движении от источника до приёмника, сколько бы миллиардов лет это движение ни продолжалось. Понимание сущности пространства как идеальной квантовой жидкости требует другого представления о фотонах как непрерывно теряющих свою энергию. Ведь, как бы ни была мала величина вязкости ИКЖ пространства, её температура выше абсолютного нуля, поэтому, на гигантских расстояниях между звёздами галактик фотоны должны терять кинетическую энергию на совершение работы против сил её внутреннего трения. Найдём уравнение зависимости энергии фотона от пройденного пути, учитывающее эту потерю.
Сила трения f сопротивляющаяся движению шара сквозь жидкость, определяется уравнением Стокса:
f = 3nr]dV,
где: П - коэффициент вязкости жидкости, d - диаметр шара, С - скорость его движения в жидкости. Скорость движения пузырька-фотона по винтовой траектории всегда неизменна. Согласно правилу сложения скоростей в классической физике она равна 21/2 с «1,414 c, так как нами установлено, что параллельная (поступательная) и перпендикулярная (по касательной к окружности радиуса R) скорости фотона относительно оси винтовой траектории равны скорости света с. Диаметр фотона, как установлено там же, определяется формулой 3.3) d = (hv / ли)112. Значит, уравнение для нахождения абсолютной величины силы трения при движении фотона по винтовой линии согласно формуле Стокса принимает вид:
3.5) f = Ълг)(Ьу /лы)т х 21/2с
Составим дифференциальное уравнение бесконечно малой потери энергии ЛЕ фотоном на бесконечно малом отрезке ЛL его движения по винтовой линии за бесконечно малый промежуток времени Лt. С одной стороны, величина потери энергии ЛЕ будет равна работе силы трения f а бесконечно малом отрезке длины винтовой линии AL = 21/2cAt То есть,
3.6)
AE = 3nrj(hv /ли)т х 21/2cAL = влше2rj(h /u)1/2v1/2At
С другой стороны, бесконечно малое изменение величины энергии фотона может быть найдено по формуле Планка как
AE = hAv, где Av - бесконечно малое изменение частоты фотона за бесконечно малый промежуток времени Лt. Значит, мы можем записать дифференциальное уравнение вида:
3.7) hAv = 6лтс 2n(h / u)1/2v1/2At, то есть
3.8) At / Av =v_1/2(hu)1/2(6n1/2c2n)-1.
В правой части этого дифференциального уравне-
. ,-1/2
ния переменная величина v ависит от изменяющейся частоты фотона. Остальные сомножители (hu)ll2(6nll2c П)-1 это постоянные величины, произведение которых тоже есть некоторая постоянная величина К1 то есть,
3.9) K1 = (hu)ll2(6nll2c П)-1.
Исходя из этого, мы можем написать интегральное уравнение вида
T 0
3.10) \dt = K г jV_1/2dv
0 v0
Взяв определённый интеграл на всём отрезке изменения частот от начальной v0 (в момент излучения фотона) до равной 0 Гц (в момент окончательного рассеяния им энергии), получаем формулу полного времени Т0 жизни свободно движущегося в космическом пространстве кванта шкалы ЭМИ от момента его излучения до полной диссипации его энергии в ИКЖ пространства:
3.11) T = 2K Л1/2
Из этой формулы получаем:
v„ = KT2 (2),
где постоянная K = (1/ 2K1)2, то есть,
3.9’) K = 9m~j2 c 4h _1u_1 Формула (2) даёт возможность вычисления уменьшения частоты фотона (то есть, "галактического красного смещения") если известно расстояние между источником и приёмником ЭМВ в космосе и, наоборот, вычисления расстояния между источником и приёмником ЭМВ в космосе, если известны начальная частота v0 в момент излучения и конечная частота vt в момент приёма.
Действительно, если за начало отсчёта времени t0 = 0 принимать момент излучения (рождения) кванта с первоначальной частотой излучения v0 а полное возможное время жизни этого кванта обозначить символом Т0; то в любой последующий (после излучения) момент времени t (без учёта влияния гравитации и эффекта Допплера) мгновенные значения его частоты vt можно найти из уравнения
3.12) v0 -V = K%: - K(T -1)2 = Kt(2T0 -1)
Отсюда (согласно формуле Планка E = hv ) для
120
Секция 11.Физика
любого кванта ЭМВ находим как строго определённые функции времени t его свободного движения в ИКЖ пространства:
T = (У0/ K У12 (2)
v( =v0 - Kt(2T0 -1) (3)
Et = h[v0 - Kt(2T0 -1)] (4)
К = с l[v0 - Kt(2T0 -1)] (5)
Формулы (2) — (5) следуют из непрерывности функции времени жизни фотона на всём пути L свободного (поступательного вдоль оси винтовой траектории) движения в ИКЖ пространства от момента излучения t0 = 0 до момента t = L / c. То есть, эти формулы получены из логического допущения, что в момент времени t, когда частота фотона изменится от v0 (в момент излучения) до vt оставшееся «время жизни» T фотона уменьшится на величину отрезка времени t. То есть, Tt = T0 -1.
Докажем справедливость такого логического допущения математически.
Пусть фотон в момент его излучения (t0 = 0 ) покинул источник с частотой v0. По формуле (2) находим время T0 его жизни с момента излучения до полной диссипации его энергии в ИКЖ пространства:
3.13) T = (v0 / K)1/2.
Пусть через отрезок времени t, когда частота фотона vt станет равной по формуле (3) величине V = v0 - Kt(2T0 -1), в той же точке пространства излучается новый фотон с такой же частотой vt. Полное время жизни Tt этого фотона тоже выразим по формуле (2):
3.14) T = (V / К)1'2.
Заменив в этом выражении частоту vt равным ей значением
V =v0 - Kt(2T0 -1) из формулы (3) получим:
3.15)
T = [vB - Kt(2T0 -1)/ K]1/2 = (v0 / K - 2T0t +12 )1/2.
Замечаем, что v0 / K = T02 согласно формуле (2). Поэтому, получаем:
3.16) Tt =(T02 - 2T0t +12) = [(T0 -1)2]1/2 , то есть,
T = T -1.
Что и требовалось доказать.
Теория диссипации (рассеяния) энергии квантов ЭМВ при их движении в ИКЖ пространства приводит к совершенно иному закону (чем прямолинейный закон Хаббла V = Hr «галактического красного смещения». А именно, из формулы (6) следует, что рассеяние энергии квантов ЭМВ при свободном движении в космическом пространстве происходит так, что разность между квадратным корнем из частоты v0 кванта (при излучении источником) и корнем квадратным из его
частоты vt (при достижении приёмника) отнесённая к расстоянию r между источником и приёмником (или ко времени t = r / c, за которое оно пройдено квантом) есть величина постоянная для всего спектра излучения ЭМВ при данном расстоянии, так как
v01/2 -vyjl = K1121 (6)
или
v01/2 -v,112 = Kinr / c (6’)
Постоянный «коэффициент Капицы» K «галактического красного смещения» получен в началах теории ИКЖ пространства как одночлен, состоящий из произведения различных степеней фундаментальных мировых констант, фактически являющихся основными физическими параметрами идеальной квантовой жидкости (ИКЖ) пространства:
3.9’) K = 9лц2с 4h ~lu-1, где
K - постоянная «красного смещения» (или коэффициент имени академика Капицы П. Л.);
П - число «пи»;
П - коэффициент внутреннего трения ИКЖ пространства (или «постоянная сверхслабого взаимодействия»);
c - постоянная скорости света;
h - постоянная Планка;
и - коэффициент поверхностного натяжения ИКЖ пространства (или постоянная сильного взаимодействия).
Зная величину коэффициента K можно вычислить неизвестный коэффициент внутреннего трения ИКЖ пространства П, так как все остальные фундаментальные величины, входящие в выражение K, нам уже известны.
Из нового закона «галактического красного смещения» следует, что астрофизики могут вычислять расстояния r о галактик и других космических источников излучения тем точнее, чем дальше от нас они находятся, так как погрешность, связанная со смещением спектров из-за допплер-эффекта при относительном движении (с пекулярными скоростями) источника и приёмника излучения, будет уменьшаться до величин высших порядков малости.
Наиболее точно вычислить величину коэффициента K в настоящее время можно по наблюдаемому красному смещению спектров излучения галактик, расстояния до которых достоверно установлены одинаковыми несколькими различными методами наблюдательной астрономии на протяжении последнего столетия. Это смещение выражается формулой z =(vо -v,)/vt, из которой следует, что
121
Section 11. Physics
V0 - v, = zv,uv0 = v,(z + 1) .
Уже в первой трети прошлого века наблюдательной астрономией было установлено, что в среднем для наблюдаемых ближайших к нам галактик в пересчёте на расстояние в один мегапарсек источники видимого человеческим глазом диапазона света имеют расчётное (относительное) красное смещение эталонных линий спектра приблизительно х = 0,0016706.
Расстояние в один мегапарсек свет проходит за время
t = 1,0340487 х1014 сек.
Исходя из этих данных по формуле (6)
3.17)
K = (v0 -2v01/2vt1/2 +v,) /12 =vt[z + 2-2(z +1)1/2]/12 находим, что если мы получаем от неподвижного относительно нас источника видимого света фотон с частотой V, = 0,53060612035 х1015 Гц середины
видимого диапазона), то из этих параметров расчёт K даёт нам следующую его величину K = 0,34736 х10-19 сек-3
Зная эту расчётно-эмпирическую величину коэффициента K наблюдаемую величину z = 11,9 для самой далёкой из известных в наше время галактики UDFj-9546284, определим время движения света от неё до нас исходя из формулы 3.17)
t = [(v/2 -О2 /Kг = [(v0 -2v01/2v,1/2 +v,)/K]1/2 Для той же (средней из видимого диапазона частот) V, = 0,53060612035 х1015 Гц по формуле красного смещения z = (v0 -vt)/vt находим
v0 = v t (z +1) =v, (11,9 +1) = 12,9v,
Поэтому имеем:
t = [v, (13,9 - 2 x12,91/2)/K ]1/2 t = [0,53060612035 x1015(13,9 - 7,1833)/0,34736 x10-19]1/2 = = 3,203124 х1017(сек)
Это время в секундах, которое свет идёт от галактики UDFj-9546284 до нас.
Таким образом, расстояние r от нас до галактики UDFj-9546284 составляет: r = 3,203124х1017 /3,15576х х107 = 10,15 х109 (световых лет).
То есть, новый закон галактического красного смещения даёт уточнённое (постоянное) расстояние до галактики UDFj-9546284 как равное 10 миллиардам 150 миллионам световых лет.
Зная величину коэффициента «галактического красного смещения» (имени П. Л. Капицы) K = 0,34736 х 10-19 сек-3, можно вычислить ещё одну новую фундаментальную мировую константу п - коэффициент внутреннего трения идеальной квантовой
жидкости (ИКЖ) пространства (или «постоянную сверхслабого взаимодействия»).
Как было показано выше
K = ц2 9nc 4h ~lu-1, где
K - постоянная «красного смещения» (или коэффициент имени академика Капицы П. Л.);
П - коэффициент внутреннего трения ИКЖ пространства (или «постоянная сверхслабого взаимодействия»);
п - число «пи»;
c - постоянная скорости света;
h - постоянная Планка;
и - коэффициент поверхностного натяжения ИКЖ пространства (или постоянная сильного взаимодействия).
Таким образом
П = [K /(9nc 4h-lu-1)]1'2 где:
K = 0,34736 х10-19сек3 и = 0,823 х1018эрг/см2 -это новые физические константы, вычисленные в началах теории ИКЖ пространства. Подставив известные величины и вычислив, получим:
(0,34736х10-19 х 6,6260755х10-27 х0,823х1018)1/2
п =-------------------------------------------
(9х3,14х2,997924584 х1040)1/2
То есть, П = 2,882 х 10-36 Пуаз.
Примечание. Зная величину коэффициента «сверхслабого взаимодействия» пи массу любого тела мы можем легко вычислять силу противодействия его движению в ИКЖ пространства в зависимости от абсолютной скорости согласно представлениям и законам классической физики.
4. Доказательство адекватности принципам классической физики представлений о физической сущности реального пространства («физического вакуума») как идеальной квантовой жидкости (ИКЖ), а электронов и квантов электромагнитных волн как пузырьков пара (идеального газа «квазичастиц») в ней.
Свободному электрону как пузырьку пара в ИКЖ бесконечного объёма пространства Вселенной должны в точности соответствовать законы классической молекулярно-кинетической теории (МКТ) для идеальных газов, а именно, полная тепловая энергия W внутри объёма V электрона должна определяться уравнением
4.1) W = pVх3/2, где p давление квазипара внутри электрона.
Согласно третьему закону Ньютона давление пара на поверхность пузырька должно быть равным давлению его поверхности на пар, находящийся внутри пузырька.
122
Секция 11.Физика
Но в бесконечном объёме ИКЖ пространства, свободного (условно) от силовых полей частиц вещества, каждый элемент её объёма находится в равновесии любых сил взаимодействий с соседними элементами (результирующая этих сил должна равняться нулю). Поэтому, на пар в свободном стабильном пузырьке-электроне может действовать только давление его сферической поверхности ИКЖ пространства, определяемое по классической формуле Лапласа:
4.2) p = 4u / d, где d - диаметр пузырька-электрона, и - коэффициент поверхностного натяжения ИКЖ пространства.
Согласно классической теории электричества полная энергия E электрона диаметра d может быть выражена формулой:
4.3) E = 2е2 /d, где e - постоянная электрического заряда электрона.
В абсолютной системе единиц СГСЭ с точностью до второго знака эта энергия равна 0,82 х 10-6 эрг.
Согласно классическому закону сохранения и превращения энергии величина E должна быть равна величине полного энергетического эквивалента массы m электрона:
4.4) 2e2 / d = mc2 (Что полностью соответствует бесчисленным экспериментальным результатам)
Так как величины e ,m и c точно определены экспериментально, то подставив в формулу 4.4) их справочные значения (в СГСЭ системе) и вычислив, получим: d = 5,64 х10-13 см, что соответствует классическому радиусу электрона). Геометрически площадь поверхности электрона s вычисляется по формуле
4.5) s = 3,14d2.
Подставив это значение в правую часть (us = mc2) «тройной формулы» (1) получим: и х 3,14 х (5,64 х 10-13 )2 см2 = mc2. Подставляя справочные значения величин m c вычисляя, находим (как показано ранее) величину коэффициента поверхностного натяжения ИКЖ пространства:
и = 0,823 х 1018 эрг / см2 = 0,823 х 1018 дин / см.
Зная величины и и d по формуле 4.2) Лапласа вычисляем давление поверхности ИКЖ пространства на пар внутри объёма V электрона:
p = 4 х 0,823 х 1018 / 5,64 х 10-13 = 0,584 х 1031 (бар). Геометрически объём электрона находим по формуле
4.6) V = 3,14d3 /6, то есть,
У = 3,14 х (5,64 х 10-13)3 / 6 = 0,94 х 10-37 (см3) Подставляя найденные значения величин давления p и объёма У для электрона в уравнение 1) и вычислив, получаем:
4.7) W = pV х 3/2 = 0,584 х 1031 х 0,94 х 10-37 х 3/2 =.
= 0,82 х10-6 эрг
То есть, вычисления подтверждают, что согласно классическим принципам физики и представлениям и законам её МКТ полная тепловая энергия электрона как пузырька пара (идеального газа квазичастиц) внутри ИКЖ пространства равна его полной электростатической энергии (равно как и его энергетическому эквиваленту массы).
Что и требовалось доказать.
P. s. Вычислив величину u из условия существования стабильного электрона, мы можем легко вычислить величины d, p и У для квантов ЭМВ, исходя из системы уравнений (1) и получить для них аналогичные результаты доказательства их сущности как нестабильных пузырьков пара в ИКЖ пространства.
5. Ещё раз в нескольких словах о том, как в теории ИКЖ пространства появляется система уравнений.
hv = us = mc2 (1),
где (применительно к фотону-кванту ЭМВ) h - постоянная Планка,
V - частота кванта,
и - коэффициент поверхностного натяжения ИКЖ пространства,
s - площадь поверхности ИКЖ пространства, локализующей квант излучения, m - масса кванта, c - скорость света.
Итак, пространство по его свойствам это идеальная квантовая жидкость состоящая из сверхтекучей компоненты в которой по всему объёму распространяется идеальный газ её квазичастиц (квази пар).
Экспериментально достоверно установлено, что свободному инерциальному движению любых физических микрообъектов в ИКЖ пространства соответствует строго определённый волнообразный процесс с длиной волны определяемой формулой де Бройля: L = h / mv. Причём, это соотношение имеет место для частиц и квантов вплоть до скорости света с.
Согласно началам теории ИКЖ пространства L - это шаг винтовой траектории движения частиц и квантов в ней, обусловленный иерархической капельно-кластерной структурой ИКЖ как и любых жидкостей (по теории Я. И. Френкеля).
Примечание. Винтовое (волнообразное) движение макрочастиц в жидкости мы можем наблюдать в стакане обычной жидкости. Там пузырьки пара или газа всплывают вверх всегда по винтообразным траекториям. Зная шаг винтовой траектории L = h / mv , мы
123
Section 11. Physics
легко вычисляем период t обращения частицы или кванта вокруг оси его винтовой траектории:
t = L / V = h / mv2. Отсюда mv2 = h /1. Так как 1/1 - это частота v периодического процесса обращения частицы или кванта вокруг оси винтовой траектории движения, то получаем выражение:
mv2 = hv, которое для кванта ЭМВ тождественно обращается в выражение hv = mc2. Теперь об истинном физическом смысле формулы hv = mc2. Он может быть легко и просто объяснён исходя из понимания физической сущности пространства как идеальной квантовой жидкости (ИКЖ).
Ведь, для того, чтобы в ней мог возникнуть пузырёк диаметром d должна быть совершена работа us = 3,14d2u против сил поверхностного натяжения ИКЖ пространства.
Но в идеальной квантовой жидкости пространства свободной от физических тел есть только один «энергоноситель». Это идеальный квантовый газ из её квазичастиц.
Значит, потенциальная энергия натяжения поверхности s пузырька — кванта в ИКЖ пространства должна быть равна локализованной этой поверхностью полной энергии квазичастиц этого кванта.
Полная энергия кванта теоретически и экспериментально определяется по формуле Планка как E = hv . Значит, для пузырька-кванта можно записать равенство us = hv . С другой стороны мы вывели ранее (из формулы де Бройля) для кванта энергии соотношение hv = mc2. Сравнивая его с предыдущим соотношением, можем записать систему уравнений для пузырька-кванта энергии в ИКЖ пространства: hv = us = mc2 Так как величины h, u, c в этой системе уравнений это фундаментальные константы, то величины s m являются прямо пропорциональными. Из выше сказанного следует, что полная (по квантовой теории) энергия кванта излучения hv равна, с одной стороны, потенциальной энергии натяжения образуемого им пузырька в ИКЖ пространства, а, с другой стороны, она равна удвоенной кинетической энергии этого пузырька, движущегося по винтовой траектории поступательно вдоль её оси со скоростью света (по законам классической физики).
Из целого ряда различных физических экспериментов следует, что полученное для квантов шкалы ЭМВ соотношение полной энергии us=mc 2 справедливо и для элементарных частиц электронов и позитронов. А из явления дефекта масс и его количественного анализа для распада и синтеза ядер оно справедливо и для ядер водорода и гелия, то есть, для
протонов и нейтронов, входящих в эти ядра. (Но для протонов и нейтронов необходимо суммировать площадь наружной поверхности, локализующую эти частицы в ИКЖ пространства и площадь её поверхности образующую их внутреннюю структуру).
6. Расчёт количества квазичастиц в свободном электроне.
Согласно представлениям классической молекулярно-кинетической теории (МКТ) температура тела T сть количественная мера энергии хаотического теплового движения его молекул. При этом средняя кинетическая энергия поступательного движения каждой молекулы прямо пропорциональна абсолютной температуре тела T :
6.1) mv2 /2 = 3kT / 2 . Согласно началам теории пространства как идеальной квантовой жидкости (ИКЖ) свободный электрон представляет собой пузырёк её квазипара (то есть, идеального газа квазичастиц бесконечно малой массы и размера). Исходя из 3-го закона Ньютона (о равенстве действия и противодействия), законов МКТ и закона сохранения и превращения энергии-массы ранее нами было установлено, что полная тепловая энергия E = 3pV / 2 электрона должна быть в точности равна потенциальной энергии us натяжения образующей его поверхности ИКЖ пространства:
6.2) us = 3pV / 2, где
и - коэффициент поверхностного натяжения ИКЖ пространства;
s - площадь поверхности пузырька-электрона;
p -давление квазипара внутри пузырька-электрона;
К -объём пузырька-электрона.
Давление p в идеальном газе может быть выражено основной формулой кинетической теории газов в виде p = nkT, где n - удельное число частиц в единице объёма К (концентрация). Так как n = N / У, где N - полное число частиц в данном объёме газа, то произведение pV = nkTV можно записать в форме:
6.3) pV = nkTV.
Согласно тройной формуле (1) системы уравнений выражающей закон сохранения и превращения энергии-массы в ИКЖ пространства мы имеем уравнение:
6.4) us = mc2 где
m - масса электрона;
с - скорость света.
Так как us /2 = mc2 /2, то половина полной энергии электрона оказывается равной кинетической энергии частицы с массой электрона m определяющей общую температуру T объёма газа:
124
Секция 11.Физика
6.5) mc2/2 = (3/2)kT,
в котором кинетическая энергия любой частицы будет равна (3/2)kT, а полная энергия объёма (3/2)pV = (3/2)NkT
Пояснение 1.
Так как us = (3/2)pV, то есть, потенциальная энергия натяжения поверхности электрона равна его полной внутренней тепловой энергии, которая равна полному энергетическому эквиваленту массы электрона mc ; то mc /2 можно рассматривать как кинетическую энергию поступательного теплового движения свободного электрона как обычной «корпускулы» идеального газа, не принимая во внимание его электрическое внешнее поле (так как одинокий свободный электрон не взаимодействует ни с какими другими зарядами). Но в таком случае, энергия теплового движения самого электрона как частицы идеального газа выражалась бы через абсолютную температуру как
mc2/2 = (3/2)kT.
Поверхность электрона это тоже «корпускула» системы газообразного тела (сферическая поверхность + квазичастицы). А согласно МКТ их непрерывное взаимодействие друг с другом должно установить между ними динамическое равновесие выражающееся именно в том, что кинетическая энергия (среднеквадратичная) частицы в этой системе должна быть равной (3/2)kT. Так как поступательная скорость свободного движения электрона в ИКЖ пространства не может превышать скорость света, то и кинетическая энергия его теплового движения (поступательного) не может превышать величину mc2 / 2. Значит, взаимодействие внутренних квазичастиц с поверхностью электрона должна проявляться как хаотическое дрожание (осцилляция) электрона в ИКЖ пространства со средней скоростью поступательного хаотического движения равной скорости света c. Отсюда можно записать уравнение Nus /2 = us, так как us = mc2.
Пояснение 2.
2.1. МКТ не накладывает никаких ограничений на количество, размер и массу атомов-корпускул идеального газа. В пределе они могут стремиться к нулю. (Поэтому, любой начальный объём и любое начальное давление идеального газа могут стремиться к нулю при T стремящейся к нулю.)
2.2. Из фундаментального уравнения mv2 /2 = 3kT /2 полученного в МКТ следует, что энергия теплового движения частиц любого размера и массы в объёме идеального газа имеющего темпера-
туру T одинакова для всех частиц и определяется всегда только этой температурой. Поэтому, рассматривая электрон как пузырёк идеального газа температуры T внутри сверхтекучей (не имеющей вязкости) ИКЖ мы должны принять, что любые частицы в нём любой массы m должны иметь энергию теплового движения равную (3 / 2)kT.
2.3. С точки зрения 3-го закона механики Ньютона не имеет ни малейшего значения, с внутренней или наружной стороны получает одни и те же по модулю импульсы квазичастиц абсолютно упругая сфера поверхности электрона.
Так как температура газообразного тела это есть температура его газа, то температура свободного электрона это есть температура газа его квазичастиц. Сопоставив формулы 6.2) и 6.3) мы получим:
6.6) (3/2)NkT = us Сопоставив формулы 6.4), 6.5) и 6.6) мы получим формулу:
6.7) Nus /2 = us с одной неизвестной величиной N, очевидно, равной 2. Таким образом, нами установлено, что свободный электрон образуют ДВЕ квазичастицы ИКЖ пространства с суммарной тепловой энергией mc2 поверхность ИКЖ пространства с потенциальной энергией натяжения us.
P. s. Оппонентам начал теории ИКЖ пространства может показаться «не правомерным» применение законов МКТ к столь малому количеству квазичастиц в объёме электрона.
Однако, основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов (уравнение Клаузиуса) в виде p = nKT, где n число частиц в единице объёма (концентрация) газа, не накладывает ограничений на число n расчётное значение которого может оказаться как целым, так и дробным или иррациональным.
7. Основной закон идеальной квантовой жидкости пространства.
В 1985 году автору удалось вывести уравнение, которое, очевидно, можно считать основным (фундаментальным) законом конденсированных (жидкостных) квантовых сред.
А именно, что фундаментальная постоянная Планка равна произведению трёх физических величин, определяющих свойство состав и структуру данной конденсированной жидкой квантовой среды:
h = mVd (7)
где h постоянная Планка, m масса «элементарной частицы» данной среды, d её диаметр, К скорость распространения элементарного кванта действия h данной конденсированной квантовой среде.
125
Section 11. Physics
Фрактально-иерархическая капельно-кластерная структура ИКЖ пространства, само собой, разумеется, имеет на каждом уровне свой средний диаметр капель-кластеров, бесконечно уменьшающийся с «понижением уровня». Поэтому, произведение md уменьшается от уровня к уровню (в пределе стремясь к нулю). Соответственно V = h/ md стремится (при том же условии) к бесконечности.
Исходя из этих соображений, по формуле основного закона конденсированных квантовых сред можно легко найти порядок скорости распространения фононного звука V молекулярной квантовой жидкости, если известен порядок величин массы m диаметра d её молекулы. (Или найти диаметр d молекулы, если известны её масса m скорость V).
Давайте проверим адекватность реальности «Основного закона конденсированных квантовых сред» h = mVd на примере наиболее давно и точно изученной отечественной физикой квантовой жидкости «гелий-П».
Масса её одноатомных «элементарных» частиц (42He ) определена как m = 6,65 х 10-24 (г) Плотность этой квантовой жидкости в 7 раз меньше чем у воды,
то есть порядка 0,14(г /см3) Поэтому, расчёт диаметра d атомов сделаем (исходя из плотнейшей упаковки шаров — неподвижных атомов в квантовой жидкости) так:
1) количество п томов в одном кубическом сантиметре находим как п = 0,14/ (6,65 т10-24 ) = = 0,02 т1024 (см-3)
2) на каждый атом приходится удельный объём жидкости V, = 1 / п = 50 х10-24 (см3)
3) умножая на коэффициент упаковки этот удельный объём жидкости получаем объём одного шара-атома V = 0,74 х50 х 10-24 = 37 х 10-24 (см3)
4) по формуле V = 3,14d3 / 6 находим
d =(6х37х10-24 /3,14) = 70,701/3 х10-8 = 4,135х10~8(см) Теперь, находим теоретическую расчётную поступательную скорость распространения собственных колебаний (квазичастиц) в квантовой жидкости гелий-II по формуле V = h / md :V = 6,626 т10-27 / (6,65 т10-24 т т 4,135 т10-8) = 0,24 т105 (см/ с).Тоесть, V = 240 м / с, что и требовалось доказать.
(Учениками и сотрудниками академика П. Л. Капицы скорость звука в квантовой жидкости гелий-II ещё до 1940 года измерена близкой к 240 м/с.)
Список литературы:
1. Капица П. Л. Проблемы жидкого гелия//Доклад на Общем собрании Академии наук СССР, 1940.
2. Кузнецов Б. Г. Принципы классической физики//М., 1958.
3. Фриш и А. В. Тиморева Курс общей физики, т. 1 М., 1956.
4. Яворский Б. М., Детлаф А. А. Курс физики, т. 3, волновые процессы, оптика, атомная и ядерная физика. М., 1967.
5. Дуков В. М. Электрон, история открытия и изучения свойств М., 1966.
6. Калашников С. Г. Электричество. М., 1977.
7. Первоисточники и популярное изложение трудов великих физиков (от И. Ньютона до наших дней).
126
