CC BY
17ПРИНЦИП НАИМЕНЬШЕГО ДЕЙСТВИЯ И ПРИНЦИП НАИМЕНЬШЕГО
ВРЕМЕНИ Цовбун Н.М.
Цовбун Николай Моисеевич - ведущий инженер-электроник, лаборатория геофизических полей, Тихоокеанский океанологический институт ДВО РАН им. В.И. Ильичева, г. Владивосток
Аннотация: в данной статье рассматриваются: применение законов диалектического материализма и принципа наименьшего действия в физике, действие их в механике, квантовой механике, электростатике, вопросы эволюции в биологии и ДНК человека, устройство нашей Природы на основании законов диалектического материализма, белые карлики, взрывы сверхновых, невозможность создания нейтронной материи и вырожденного электронного газа, из которого, якобы, состоят классические Черные дыры, а также наблюдаемые Черные дыры и их состав, трансураны, общие свойства частиц.
Ключевые слова: законы диалектического материализма, белые карлики и взрывы сверхновых, Черные дыры, трансураны, общие свойства частиц.
Диалектический материализм - наука об общих законах развития явлений объективной реальности и процесса познания и преобразования действительности. Материалистическая диалектика вскрыла наиболее общие законы движения природы, общества и человеческого мышления. Основными из них являются: переход количественных изменений в качественные и обратно, отрицание отрицания, единство и борьбы противоположностей [1, с. 66, 67]. Последний из них в физике, пожалуй, является главным и работает в форме принципа наименьшего действия. То есть, единство и борьба противоположностей происходит наиболее рациональным, эффективным способом, поэтому принцип наименьшего действия является таким же законом материалистической диалектики. Чтобы не исказить смысла цитируемого текста, автор выделяет его курсивом.
Принцип наименьшего действия и Принцип наименьшего времени
Ричард Фейнман в своих лекциях по физике сформулировал принцип наименьшего действия так:
«законы Ньютона можно сформулировать не в виде Е=шА, а вот так: средняя кинетическая энергия минус средняя потенциальная энергия достигает своего самого наименьшего значения на той траектории, по которой предмет двигается в действительности от одного места к другому.» [2, с.
Чтобы понять общие принципы превращения потенциальной энергии в кинетическую и обратно, обратимся к механике. Рассмотрим движение тела в поле тяготения, при котором тела обладают потенциальной и кинетической энергией. Реальное движение происходит по траектории, при которой действие минимально.
какой кривой это число меньше, чем для других» [2, с. 100].
Аналогичный принцип поведения света предложен Ферма примерно в 1650 г. как «принцип наименьшего времени», который объясняет законы преломления и отражения света. Можно заметить, что он соответствуют принципу наименьшего действия. Угол падения равен углу отражения, и коэффициент преломления определяется скоростью света в среде. Все другие пути потребуют большего времени и, соответственно, больших затрат энергии. Для света «принцип наименьшего времени» фактически синоним принципу наименьшего действия.
В квантовой механике «частица и впрямь движется по особому пути - именно по тому, по которому 5 в первом приближении не меняется. Такова связь между принципом наименьшего действия и квантовой механикой» [2, с. 112].
В электростатике, когда заряды расположены на проводниках, например, в конденсаторах, «правильное поле и есть то единственное, которое из всех полей, получаемых как градиент потенциала, отличается наименьшей полной энергией» [2, с. 115].
Если рассмотреть протекание тока «через массу вещества, удовлетворяющего закону Ома, то токи распределятся в этой массе так, чтобы скорость, с какой генерируется в ней тепло, была наименьшей» [2, с. 119]. Точно так же распределяются токи в параллельно соединенных проводниках, через сечение проводника, кристалла, раствора (где сопротивление меньше, там ток больше).
Если рассмотреть под этим углом вопросы эволюции в биологии, то можно заметить, что животный мир развивался, усложняясь от холоднокровных к теплокровным животным. Температура теплокровных
Введение
97].
Математическая задача состоит в том, чтобы определить, для
не случайно 36,6 градусов Цельсия, она обусловлена минимальной термодинамической прочностью воды, т.е. минимально возможной энергией метаболизма. Повышение температуры происходит при необходимости повышения «мощности» обмена веществ, например, при заболевании, а также у птиц, когда нужно максимум энергии при минимуме веса.
Сравним принцип наименьшего действия в механике с законом философии, точнее диалектики, о единстве и борьбе противоположностей. Классический пример в механике: две противоположности -кинетическая и потенциальная энергии. Они взаимодействуют и заставляют тело двигаться по оптимальному пути. Так же, судя по всему, во всех случаях проявляется закон единства и борьбы противоположностей. Наряду с законом сохранения энергии, принцип наименьшего действия является таким же общим основным законом природы. Если закон сохранения энергии говорит о том, что энергия не исчезает, а только преобразуется из одного вида в другой, то принцип наименьшего действия описывает принцип этих преобразований, т.е. общий подход при изучении преобразований.
Можно сказать, что природа рациональна, тогда общее правило можно сформулировать так:
Если некоторая система N из состояния A переходит в состояние B по некоторому закону dx, то все изменения реально будут происходить наиболее простым рациональным способом.
B
Похоже, что действие S = J Ndx = min, - это общий принцип для различных явлений
A
природы.
Причем, если применить второй закон диалектики (закон перехода количественных изменений в качественные и обратно) можно заметить закономерности физических изменений. Из хаоса плазмы, путем присоединения к ядру электронов, создаются атомы, далее из атомов возникают молекулы, молекулы и атомы, объединяясь, создают новые все более сложные молекулы с новыми свойствами, качество которых не равно сумме качеств исходных веществ. Затем из раствора или расплава вырастают кристаллы, создавая вещества с новыми свойствами. Например, графит и алмаз - один и тот же углерод, но с совершенно разными свойствами. Далее возникают все более сложные органические вещества, и на вершине наиболее сложная структура - ДНК человека. С точки зрения теории вероятности, если считать равновероятным синтез и распад, вероятность возникновения такой сложной молекулы, как ДНК, ничтожно мала. Объяснить же ситуацию можно, если считать, что вещество (протоны, ядра, атомы, молекулы) рядом с собой упорядочивает, структурирует, организует своими полями пространство и увеличивает возможность взаимодействия. С одной стороны, вероятность усложнения системы падает, а с другой, объем структурированного пространства увеличивается, увеличивая вероятность усложнения, и у ДНК человека длиной около двух метров будет максимальный структурированный объем. Причем, объем взаимодействия существенно больше объема рассеяния, определенного в свое время Резерфордом. Объем взаимодействия можно оценить по разности размеров цугов волн, на которых наблюдается их интерференция. Мы опять наблюдаем работу закона единства и борьбы противоположностей. Вероятно, принцип наименьшего действия справедлив и здесь. Все преобразования происходят наиболее экономичным способом. Принцип наименьшего действия, возможно, лежит в основе эволюции: изменяется внешняя среда и организм приобретает наиболее рациональные свойства, соответствующие этим изменениям. Примерно, как ручей, обтекающий камень: убери камень - и ручей изменит русло [3, с 26 - 29].
Закон единства и борьбы противоположностей и Черные дыры
Устройство нашей Природы удивительно логично благодаря действию закона единства и борьбы противоположностей. Наиболее сильное взаимодействие оказывают силы скрепляющие ядра атомов, но зато они действуют на минимальном расстоянии, но в тоже время, не позволяя положительным протонам соединиться с отрицательными электронами. Электромагнитные силы слабее их, но они действуют на существенно больших расстояниях. И наиболее слабым является гравитация Ньютона, действие ее обратно пропорционально расстоянию, но действует на громадных расстояниях. Гравитация объединяет массы, создает звезды, звезды превращаются в белые карлики, светящие ярче галактики, в которых идут термоядерные реакции, при дальнейшем увеличении массы белого карлика, происходит термоядерный взрыв, взрыв сверхновой. Если сравнить количество белых карликов, светящих ярче галактики и взорвавшихся сверхновых, то можно заметить насколько мизерное количество взорвавшихся сверхновых, т.е. насколько это редкое явление.
Закон единства и борьбы противоположностей сработал. При этом доказав, что создание нейтронной материи весом 1 куб. см в миллионы тонн и вырожденного электронного газа не существует. Также классические Черные дыры, с массой в сотни, тысячи, миллионы и миллиарды Солнц, сжатые колоссальным давлением так, что не излучают даже фотоны, нарушают этот закон, следовательно, такие Черные дыры не существуют.
А те Черные дыры (ЧД), которые сейчас астрономы ищут, находят и изучают по спектрам, несмотря на колоссальные массы, довольно разряжены вплоть до космической пыли, и в них не идут
термоядерные реакции, поэтому они черные, но, вероятнее всего, они состоят из барионного вещества, вращающегося с громадными скоростями. Скорость вращения такова, что центробежные силы не позволяют создать нейтронные массы. Кроме того, если бы температура у вещества черной дыры была хотя бы 1000 °С, она была бы видна в телескоп. А обнаруживают их только в рентгеновском диапазоне, следовательно, температура близка к 2-3 °К.
Такая гигантская (ЧД) (в 6,5 миллиарда раз массивнее Солнца) находящейся в центре огромной эллиптической галактики М87 примерно в 55 миллионов световых лет от нас, изображена в форме тора с черным центром. УМ87 струи излучения и вещества (джеты) простираются на 5000 световых лет от ее центра [4]. Черный центр у нее потому, что там вакуум, там ничего нет, а вся масса сосредоточена в окружении. Следовательно, такая, (ЧД) является весьма разряженным объектом, несмотря на колоссальную массу барионного вещества.
«Два наблюдаемых феномена позволили находить центральные черные дыры (ЧД) в большом числе галактик и оценивать их массы: 1) высокие скорости вращения в около ядерных областях галактик; 2) активность ядер галактик и явление квазаров, причиной появления которых является падение вещества из аккреционного диска на (ЧД). Кроме того, (ЧД) как правило, обладают очень сильными магнитными полями, из чего следует, что они во многом состоят из магнитоактивных молекул.
Рентгеновское излучение, порождаемое активным ядром галактики, ионизирует газ в радиусе нескольких килопарсеков от источника этого излучения. Вокруг черной дыры с аккрецирующим горячим диском, испускающим рентгеновское излучение, обращаются плотные облака газа, переизлучающие рентгеновское излучение в эмиссионных линиях в оптическом диапазоне. Таким образом, в спектре галактики появляются яркие эмиссионные линии. Близкие к центру облака вирилизованы и обладают большими скоростями: сотни-тысячи км/с. Они по эффекту Доплера образуют в оптических эмиссионных линиях водорода широкие компоненты. Поэтому эта область называется областью формирования широких линий. Характерный размер этой области - 0,01 парсек, т. е. около 2000 а.е. По ширине и потоку таких широких разрешенных рекомбинационных линий можно оценить вириальную массу черной дыры. Более далекие от источника ионизирующего излучения облака, вращающиеся с существенно меньшими скоростями, образуют эмиссионные линии, которые благодаря эффекту Доплера уширены незначительно. Регионы, в которых находятся такие облака, называются областями узких линий. Размеры этих областей - порядка 100 парсек. Мы поставили важную задачу - отделить узкий компонент эмиссионной линии от широкого компонента. Помимо наблюдаемых рекомбинационных эмиссионных линий водорода обнаруживаются также и запрещенные линии, такие как: дважды ионизованного кислорода (яркий дуплет 495,9 нм и 500,7 нм), единожды ионизированного азота (дуплет 654,8 нм и 658,3 нм) и единожды ионизированной серы (дуплет 671,6 нм и 673,1 нм). Несмотря на то что облака газа являются плотными, запрещенные линии в них все равно наблюдаются, так как плотности облаков недостаточно, для того чтобы происходило ударное снятие возбуждения ионов» [5].
Примером таких (ЧД) служит то, что «в 1932 г. американский астроном Фриц Цвикки обнаружил в созвездии Волосы Вероники, что галактики в этом скоплении движутся с очень большими скоростями, достигающими несколько тысяч километров в секунду. Для того чтобы удержать так быстро движущиеся галактики в объеме скопления, требуется тяготение, которое не способны создать только одни видимые, светящиеся, массы галактик. Для этого необходимы дополнительные массы, которые должны быть, по оценкам Цвикки, примерно в 10 раз больше суммарной видимой массы скопления. Позднее, в 1970-е годы, усилиями астрономов из СССР и США было обнаружено, что скрытые массы (темная материя) должны присутствовать не только в скоплениях галактик, но также и в изолированных галактиках. Я. Эйнасто, В. Рубин, Дж. Острайкер и Дж. Пиблс и их коллеги выяснили, что темная материя образует невидимые темные гало крупных галактик. Эти гало являются почти сферическими образованиями с радиусами, в 5-10 раз превышающими размеры самих звездных систем» [6, стр. 546-547].
«Определение природы ТМ является одной из наиболее важных проблем современной космологии. Присутствие ТМ во Вселенной наблюдается исключительно по её гравитационному влиянию на поведение астрофизических систем, находящихся на различных космологических масштабах - от масштабов галактик до космологического горизонта. Хотя для объяснения аномального гравитационного поведения астрофизических объектов предложены альтернативные модели модифицированной гравитации, наиболее естественным объяснением этого парадокса является присутствие во Вселенной пока ненаблюдаемых массивных частиц» [7, стр. 1132].
На роль темной материи вполне могут претендовать кометы, метеориты и материалы, как в главном поясе астероидов и в кольцах Сатурна, а также пояса Койпера и Облака Оорта, т. е. обычные барионные массы. Соответственно, суммарная масса атомов 4% плюс 23% холодной материи итого 27% барионного вещества Вселенной, остальные 73% остаются для космологов. Следовательно, поиски частиц холодной тёмной материи бесперспективны, стабильных частиц кроме протонов, нейтронов и электронов не
существует, все остальные 350 типов, обнаруженных на сегодняшний день, появляются в результате взаимодействий, приобретая массу, затем в конце захватываются атомами, превращая массу в энергию, а других частиц не бывает.
Почти весь 20-й век и начало 21-го космологи ищут частицы - переносчики полей: гравитационного, магнитного, электрического, электромагнитного, а в последнее время ищут частицы тёмной энергии, расталкивающей Вселенную, а также Тёмную материю (ТМ) наблюдаемую по её гравитации. Поиск массивных частиц Тёмной материи, сдаётся мне бесперспективен, во-первых, стабильные свободные массивные частицы не существуют, кроме протонов, нейтронов и электронов в форме атомов и молекул и во-вторых, как они прилетят к нам, если они создают гравитацию где-то там, где мы её обнаруживаем как дополнительную гравитацию и там они взаимно связаны гравитацией и прилететь к нам в принципе не могут.
А в качестве «массивной частицы» космологам предлагаю рассмотреть челябинский астероид весом 11000 тонн (по расчётам НАСА) упавший в озеро Чебаркуль 15 февраля 2013 года.
Материальные тела и создаваемые ими поля
В конце 19 и начале 20 века были обнаружены частицы: протоны, нейтроны, электроны и фотоны, затем на ускорителях и в космических лучах мезоны, мюоны и др., более 350 типов и тогда появилась мода на поиски частиц - переносчиков полей: электрического, магнитного, электромагнитного, гравитационного. Но поля создаются материальными телами и не факт, что должны быть частицы -переносчики полей. Пример этому - фотон, он появляется при переходе электрона из возбужденного состояния в исходное, он вылетел и улетел, хотя он обладает электромагнитным полем, разлагая электромагнитное поле в спектр мы, узнаем атом, откуда он вылетел.
Поля же создаются материальными телами, они окружают тела, например, как поле гравитации, электрические, магнитные, электромагнитные поля. Поля могут распространяться на громадные расстояния. Проиллюстрировать магнитное поле можно на магнитных опилках, рассыпанных на листе бумаги, лежащем на постоянном магните. Но это не говорит, что это действие магнетонов, как принято в нынешнем сообществе, а сообщает, что здесь присутствует магнитное поле.
Природа излучения, а в общем случае, и всех полей (гравитационного, электрического, магнитного, электромагнитного), и частиц, обладающих волновыми свойствами, кардинально различаются. Хотя тем и другим присуща интерференция, дифракция, дисперсия. Поля обязаны своему существованию наличию или движению материальных тел включая заряды, а частицы рождаются в недрах атомов или при взаимодействии частиц между собой.
«ОНИ СУЩЕСТВУЮТ! Гравитационные волны зарегистрированы на международном эксперименте LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave). Регистрация гравитационных волн, порожденных столкновением двух черных дыр, произошло 14 сентября 2015 года... Анализ сигнала позволил сделать вывод, что произошло слияние черных дыр с массами 36 и 29 солнечных масс. При этом образовался объект с массой 62 солнечных, а около трех солнечных масс превратились в энергию излучения. Процесс сближения черных дыр из-за потери энергии на излучение гравитационных волн длился не один миллион лет. Но сам гравитационный коллапс после столкновения, когда излучается эта огромная энергия, длился всего доли секунды, которые и зафиксировал детектор. Надо сказать, что существование таких массивных черных дар оказалось неожиданным для астрофизиков [8, стр. 2-12].
Современное физическое сообщество считает, что гравитационное поле передается гравитонами. Но LIGO отреагировал только на изменения поля гравитации в месте расположения LIGO, а не принял порцию гравитонов, судя по всему гравитонов не бывает.
Природа Вселенной удивительно логично устроена, но не всегда мы рассматриваем её со всех известных сторон. Например, есть масса инертная и гравитационная, но есть ещё масса, полученная из энергии взаимодействия, которая принадлежит частицам. Например, фотоны отклоняются при пролёте рядом с солнцем, доказывая наличие массы. Затем частица при взаимодействии превратила массу в энергию и исчезла. Так ведут себя все полученные частицы.
Точно также три солнечных массы превратились в энергию излучения в выше описанном случае.
«При делении тяжёлых ядер из-за больших сил электростатического расталкивания сопровождается выделением энергии, и поэтому масса тяжёлого ядра больше суммы масс образующихся осколков. Разница в массах соответствует энергии, выделяемой при делении» [9, стр. 2 -12].
Свет - это не только электромагнитные волны видимого диапазона, но и поток фотонов, испущенных электронами атомов при переходе из возбужденного в исходное состояние. Этот поток мы наблюдаем на ночном небе, а электромагнитные волны давно бы рассеялись, но точность методов и чувствительность приборов такова, что могут регистрировать единицы фотонов, поэтому можно наблюдать весьма удаленные объекты.
В спектрах звезд наблюдаются в разном количестве спектры до Урана № 92 включительно, а трансураны с большими номерами не наблюдаются. Это однозначно указывает, что гравитация не
способна преодолеть электростатическое отталкивание в ядре атома и создать ядро больше Урана № 92. Это смогла сделать цивилизация на ускорителях и создать элементы до № 118 Оганесон (Og, 118). Ускоренное ядро необходимого элемента на ускорителе вбивается в ядро исходного атома, преодолевая электростатическое отталкивание, затем начинают действовать внутри ядерные силы, скрепляющие ядро. Это еще раз доказывает, что создание нейтронной материи и вырожденного электронного газа невозможно. Выводы
Наша Вселенная логично устроена на основании законов диалектики: переход количественных изменений в качественные и обратно, отрицание отрицания, сохранения энергии, единство и борьбы противоположностей и принципа наименьшего действия. И все что мы наблюдаем в Природе должно соответствовать им.
Наряду с законом единства и борьбы противоположностей принцип наименьшего действия, является таким же общим основным законом природы. Если преобразования происходят по закону единства и борьбы противоположностей, то принцип наименьшего действия описывает принцип этих преобразований, т.е. общий подход при изучении преобразований.
Слияние масс из окружающей среды создает звезды, при дальнейшем наборе массы звезда превращается в белый карлик, в нем идут термоядерные реакции и при дальнейшем увеличении массы и давления, она начинает светить ярче галактики, затем происходит термоядерный врыв, взрыв сверхновой. Следовательно, создание нейтронной материи, вырожденного электронного газа, слияния ядер атомов в трансураны в миллиарды тонн не происходит. Причем взрыв сверхновой весьма редкое явление, по сравнению с количеством Галактик и белых карликов.
Черные дыры наблюдаются в рентгеновском диапазоне и в увеличении гравитационного поля. Но в них не идут термоядерные реакции, поэтому они темные, и соответственно, разреженные, несмотря на колоссальные массы. Это возможно, если они вращаются с огромными скоростями, при которых центробежные силы не позволяют им слиться.
Общеизвестны инертные и гравитационные массы, но почему-то в тени остаются массы, получаемые в процессе взаимодействий в которых появляются частицы. Они появляются в результате различных воздействий на атомные ядра или из электронной оболочки как фотоны, при переходе из возбуждённого в основное состояние. Причем при появлении они приобретают массу, вылетают, сталкиваются, при этом превращая массу опять в энергию и исчезают. Причём стабильных частиц, как протоны, нейтроны и электроны не бывает.
Список литературы
1. Краткий словарь по философии. М.: Издательство политической лит., 1966. 360 с.
2. Фейнман Р., Лейтон Р., СэндсМ. Фейнмановские лекции по физике. Т. 6. М.: Мир, 1977. 349 с.
3. Цовбун Н.М. Замечания к Теории относительности А. Эйнштейна. Владивосток: «ООО ЛАИНС», 2010. 32 с.
4. Понятое А. Девять значимых событий 2021 года в физике и астрономии // Наука и жизнь. 2022. № 1. С. 34 - 43.
5. Гораджанов В.С., Топтун В.А., Золотухин И.Ю., Катков И.Ю., Чилингарян И.В. Поиск и открытие черных дыр промежуточных масс при помощи крупных наземных и космических обсерваторий и данных Виртуальной Обсерватории // Земля и Вселенная 2020. № 5. С. 5-14.
6. ЧерепащукА.М. История истории вселенной // УФН. 2013. Т. 183. № 5. С. 535-556.
7. Рябое В.А., Царев В.А., Цховребов A.M. Поиски частиц темной материи // УФН. 2008. Т. 178. № 11. С. 1129 - 1164.
8. Понятое А. Они существуют! Гравитационные волны зарегистрированы // Наука и жизнь. 2016. № 3. С. 2 - 12.
9. Большая советская энциклопедия: в 30 т. / Гл. ред. А.М. Прохоров. М.: Сов. энцикл., 1978. Т. 30. 1346 с.
