CC BY
76
ФИЗИКА И ХИМИЯ
13 3
УДК 517 .и В. К. ФЕДОРОВ
Омский государственный технический университет
ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ ПРОТИВОРЕЧИЯ В ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ТЕОРИЯХ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
В статье изложены противоречия основных физических теорий — квантовой теории и теории гравитации в аспекте теории «черных дыр», в равной степени отвечающих за решение проблемы возникновения и развития Вселенной. Указанные противоречия проявляются при непосредственном сопоставлении следствий, вытекающих из физических представлений этих теорий.
1.Квантовая теория
В 1965 году Д. Белл опубликовал работу, которую физики кратко называют «теоремой Белла».Теорема Белла утверждает: если некоторая объективная Вселенная существует и если уравнения квантовой механики структурно подобны этой Вселенной, то между двумя частицами, когда либо входившими в контакт, существует некоторый вид нелокальной связи [1].
Действительно, экспериментально был открыт ряд эффектов, объяснить которые можно было только некой нелокальной связью, например, парадокс
Эйнштейна-Подольского-Розена (ЭПР-парадокс). Сущность ЭПР-парадокса состоитв следующем: когда в сильном магнитном поле расщепили элементарную частицу, обнаружилось, что разлетающиеся осколки мгновенно имеют информацию друг о друге. Между осколками распавшейся частицы сохраняется связь, вроде наличия переносной рации, так что каждый осколок в любой момент знает, где находится | другой и что с ним происходит. Поскольку никакого 5 разумного объяснения этому факту не было, среди § научной общественности практически единодушно | существовало мнение, что ЭПР-парадокс имеет «метафизический» характер. И
| Теорема Белла поставила ученых перед выбором между двумя «неприятностями»: либо примириться с фундаментальной неопределенностью квантовой механики, либо, сохранив классическое представление о причинности, признать, что в природе действует нечто вроде телепатии (эйнштейновская нелокальность).
Учитывая необычность и важность теоремы Белла, подтвержденной экспериментально, еще раз подчеркнем ее суть: не существует изолированных систем, каждая частица Вселенной находится в «мгновенной» связи со всеми остальными частицами. Вся Вселенная, даже если ее части разделены огромными расстояниями и между ними отсутствуют силовые взаимодействия, функционирует как Единая Система. При этом «мгновенная» связь, описываемая теоремой Белла, не требует затрат энергии. Физик Д. Саф-фатти высказал предположение, что средством бел-ловской связи должна служить информация, а его коллега Э. Уокер считал, что неизвестным элементом, передвигающимся быстрее света и соединяющим Систему воедино, является «сознание». Согласно современным научным исследованиям, «сознание» следует понимать как высшую форму развития информации — творящую информацию. Совсем недавно еще раз были поставлены корректные эксперименты (К. Беннет, В. Зайлинер), доказывающие обоснованность ЭПР-парадокса и подтверждающие идею о том, что «сознание» есть физическая реальность[2].
В явном виде идея о способности частиц предсказывать ситуацию, насколько мне известно, была впервые высказана в 1992годув работе группы А. Цай-лингера [3].Эта идея ведет к «сознанию» и его связи с Материей. Иными словами, предполагается, что сама Материя наделена «сознанием».
Волновая функция -это стратегия частицы. Она находится в «сознании» частицы и является результатом работы этого «сознания» над известной информацией о Мире. При этом частица решает квантовоме-ханическую задачу. Многие правила решения люди уже угадали и изложили в статьях и книгах по квантовой механике. При получении новой информации частица корректирует свою стратегию, т.е. свою волновую функцию.
Две и более частиц могут иметь общую стратегию. В этом случае они будут связаны, их общая волновая функция не разлагается на произведение частных функций. Будучи разделены, они, тем не менее, действуют согласовано. Информация, имеющаяся в распоряжении частицы, -это информация о прошлом. При решении вариационной задачи частица должна уметь предвидеть, где и что ожидает ее в будущем. Предвидение -это обязательное свойство любого «сознания». «Сознание», обладающее предвидением, это тот немеханический скрытый параметр, которым обладают частицы и который Д. Белл упустил из виду при выводе своей теоремы.
Поведение частиц целенаправленно, что отражено в телеологическом характере физических законов (вариационные принципы). При взаимодействиях частицы обмениваются информацией. Они должны иметь коррелированные представления о пространстве и времени, и в этом смысле можно говорить о выделенной системе отсчета. Единство Мира имеет информационную природу, Интернет Материи существует, вероятно, со времен «Большого Взрыва».
Заметим, что если Материя наделена способностью предсказывать, то теорема Белла теряет силу, локально-реалистические модели микромира возможны, а нелокальность изгоняется. Все это, включая
«сознание» Материи, может быть принято нашей интуицией и здравым смыслом.
В Природе существуют ЭПР-связи, которые «телепатически» - поверх пространства - сковывают свободу удаленных частиц «взаимными обязательствами», и эти связи, по существу, выполняют роль «скрытых параметров ». Возникает принципиальная методологическая трудность -физика по определению занимается универсальным предсказанием исходов экспериментов для всевозможных наблюдателей, т.е. грубо говоря, предмет физики — инварианты группы Пуанкаре и группы внутренней зарядовой симметрии, постулируемые однородностью и изотропностью Пространства, а инварианты групп физических сим-метрий формулируются не точнее амплитудна языке функционалов квантовых состояний. Индивидуальная же история от квантового описания ускользает [3].
2. Теория «черных дыр»
К началу 70-х годов сформировалось довольно ясное представление о «черных дырах». По определению, простая шварцшильдовская «черная дыра» - это область пространства, ограниченная «горизонтом событий», из которой ничто, даже луч света, не может выйти. «Черная дыра» поглощает все, что встречается ей на пути и ничего не излучает. Считается, что при падении за «горизонт событий» «черной дыры» вещество может излучать очень большую энергию — но только до того, как оно окончательно и бесповоротно исчезнет из вида. Однако если бы в космических глубинах по соседству с «черными дырами» не было никакого вещества, то, не излучая сами, они оставались бы совершенно невидимыми.
Из классической теории следует, что образовавшаяся «черная дыра» будет существовать вечно — во всяком случае, до конца жизни Вселенной. «Черная дыра» не уменьшается в размерах и не теряет массу. И хотя вращающаяся «черная дыра» может со временем замедлить свое вращение, а заряженная «черная дыра» — потерять электрический заряд, в конечном итоге она все равно превратится в не-вращающуюся шварцшильдовскую «черную дыру», которой суждено жить вечно. «Черная дыра» уже никогда не сожмется — она может стать только больше. С течением времени «черная дыра», поглощая вещество и излучение, оказавшиеся в непосредственной близости от ее «горизонта событий», увеличит свою массу, а значит, и размеры. Итак, «черную дыру» можно представить как «бездонную пропасть», ненасытно поглощающую вещество и излучение.
Сформулированная С. Хокингом теорема о площади как раз и связана с этим аспектом проблемы «черных дыр». Площадь «горизонтасобытий» не может уменьшаться; если вещество и излучение падают в «черную дыру», то площадь поверхностнее «горизонта событий» не убывает, а в случае слияния двух «черных дыр» в одну площадь поверхности возникающего в результате этого «горизонта событий» будет равна или больше суммарной площади поверхности «горизонта событий» двух исходных «черных дыр», участвовавших в столкновении. По своему поведению «горизонт событий» «черной дыры» аналогичен энтропии, одной из основных физических величин в термодинамике, которая, строго говоря, занимается проблемами энергии и информации в физических системах [4].
Знаменитое второе начало термодинамики гласит: энтропия замкнутой системы не можетуменыпаться; в любом физическом процессе энтропия либо воз-
растает, либо остается неизменной. Энтропию можно понимать как меру «неиспользуемости» энергии — существование формы энергии, непереводимой в полезную работу; с другой стороны, энтропия — это мера неупорядоченности рассматриваемой системы. При увеличении энтропии количество энергии, которая может превратиться в полезную работу, и степень упорядочения внутреннего состояния физической системы (т. е. информация) уменьшаются. Второе начало термодинамики носит несколько пессимистический характер; по существу, оно утверждает, что во Вселенной как в целом дела могут идти только «все хуже».
В 1972 г. Д. Бекенштейн исследовал сходство между поведением энтропии и свойствами «горизонта событий». В обоих случаях наблюдается общая особенность: они никогда не уменьшаются, а, напротив, в любом физическом процессе стремятся увеличиться. Нельзя ли развить эту аналогию далее и выявить разумную взаимосвязь между физикой «черных дыр» (гравитацией) и термодинамикой.
Известно, что «черная дыра» характеризуется только тремя различными параметрами: массой, зарядом и собственным моментом импульса. Следовательно, почти неограниченное число частиц разной конфигурации может формировать неотличимые друг от друга «черные дыры». При образовании «черной дыры» навсегда теряется огромное количество информации. Д, Бекенштейн доказал, что энтропию «черной дыры» можно описать с помощью числа возможных внутренних состояний, соответствующих одной и той же внешней характеристике. Чем массивнее «черная дыра», тем больше число возможных конфигураций вещества, участвующих в процессе ее формирования, и тем большая информация при этом теряется. Площадь «горизонта событий» связана с массой «черной дыры»(она пропорциональна квадрату массы); однако, с одной стороны, чем больше масса «черной дыры», тем больше энтропия, а с другой — чем массивнее «черная дыра», тем больше площадь ее «горизонта событий». Поэтому представляется разумным считать, что энтропия «черной дыры» пропорциональна площади поверхности ее «горизонтасобытий» [4].
Приписывая «черной дыре» конечное значение энтропии, мы сталкиваемся с одной существенной проблемой: оказывается, что в этом случае «черная дыра» должна иметь конечную температуру, но если «черная дыра» имеет температуру, она должна излучать энергию, что в корне противоречит самому понятию «черной дыры». В 1973 г. этой проблемой занялись Д. Бардин, Б. Картер и С. Хокинг; они показали, что поверхностная гравитация «черной дыры» играет роль, аналогичную той, что отводится понятию температуры в термодинамике. Поверхностная гравитация вблизи «горизонта событий» обратно пропорциональна массе «черной дыры», и если вернуться к термодинамической аналогии, то это означает, что и температура «черной дыры» обратно пропорциональна ее массе, т. е. чем массивнее «черная дыра», тем она «холоднее».
Примерно в то же время С. Хокинг исследовал квантовые эффекты в поведении вещества в окрестности «чернойдыры». Кего собственномуудивлению и к удивлению всей научной общественности, ознакомившейся с его результатами, опубликованными в 1974 г., оказалось, что «черные дыры» все же должны испускать частицы - фотоны, электроны и нейтрино - и что, с точки зрения удаленного наблюдателя, это излучение будет иметь сплошной температур-
ный спектр, т. е. точно такой же спектр, какого можно ожидать в излучении абсолютно черного тела. Проведенное С. Хокингом исследование квантовых эффектов показало, что «черные дыры» должны вести себя так, как если бы они имели температуру: их поведение вполне соответствует замеченной ранее аналогии между физикой «черных дыр» и термодинамикой. Выяснилось,что «черные дыры», какилю-бые нагретые тела, должны излучать энергию и иметь температуру, величина которой обратно пропорциональна их массе. Это удивительное открытие означало, что «черные дыры» отнюдь не так уж «черны»; оно позволило установить взаимосвязь между гравитацией, которая прежде стояла особняком по отношению к другим силам, и термодинамикой и квантовой теорией [4].
Но как же удается «черной дыре» излучать энергию, если ничто не может пересечь изнутри ее «горизонт событий» ? В статье приводится один из возможных существующих ответов на этот вопрос: ответственным за этот процесс является туннельный эффект. Туннельный эффект — это явление, довольно широко известное в квантовой физике. Частицы, окруженные потенциальным барьером, который — по законам классической физики они не способны преодолеть, могут тем не менее ( с отличной от нуля вероятностью) проникать за этот барьер, как бы вырываясь наружу через «туннель». Квантовая механика позволяет вычислить вероятность выхода частицы за потенциальный барьер.
В полном соответствии с квантовомеханическими представлениями можно считать, что испускаемые «черной дырой» частицы появляются за горизонтом событий в результате туннельного эффекта; с этими частицами теряется часть массы «чернойдыры». Вероятность прохождения частицы через потенциальный барьер зависит от его ширины, которая определяется массой «чернойдыры». Чем массивнее «черная дыра», тем больше ширина барьера и тем меньше шансов у частицы преодолеть его. Число испускаемых частиц обратно пропорционально массе «черной дыры», следовательно, из малых «черных дыр» частицы вылетают значительно легче, чем из больших.
Но какова бы ни была истинная природа этого процесса, результатом его оказывается «выделение» вещества и излучения из «черной дыры»: как будто частицы вылетают из нее наружу в ходе некоего «туннельного эффекта».
Как и у любого «черного тела», количество энергии, излучаемой «черной дырой» в единицу времени, пропорционально площади ее поверхности и четвертой степени ее температуры. Площадь поверхности «горизонта событий» пропорциональна квадрату массы, а температура «черной дыры» обратно пропорциональна массе; объединяя эти два фактора, находим, что мощность излучения «черной дыры» обратно пропорциональна квадрату ее массы. Мощность излучения соответствует скорости, с которой «черная дыра» теряет массу; поэтому чем массивнее «черная дыра», тем с меньшей скоростью ее масса излучается в окружающее пространство [5].
Как показал С. Хокинг в 1971 г., флуктуации плотности, имевшие место непосредственно после «Большого Взрыва», могли привести к огромному сжатию сравнительно малых объемов вещества, в результате чего могли бы сформироваться «черные мини-дыры» малой массы и микроскопических размеров. Эти дыры получили название первичных «черных дыр». То гигантское давление, при котором может происходить
образование «черных дыр» из малого количества вещества, в современной Вселенной не может быть достигнуто нив одном процессе, однако не исключено, что в первые мгновения ее жизни такие давления существовали.
Нельзя с уверенностью считать, что первичные «черные дыры» существовали ранее или существуют в настоящее время — на сегодняшний день это всего лишь предсказываемая теорией возможность.
По мере потери массы температура «черной дыры» должна возрастать, причем чем горячее «черная дыра», тем быстрее она излучает, а чем быстрее излучает, тем быстрее теряет массу. Как только масса «черной дыры» становится достаточно малой, этот процесс резко ускоряется и заканчивается взрывным выбросом остатков вещества « черной дыры». Первичные «черные дыры» очень малых масс должны были взорваться вскоре после своего возникновения.
Наблюдение взрывающейся «черной дыры», несомненно, явилось бы открытием чрезвычайной важности. Оно не только подтвердило бы справедливость теоретических выводов С. Хокинга и наличие связи между гравитацией, термодинамикой и квантовой теорией, но и позволило бы — на основании количественного анализа энергии, излучаемой черной дырой, — выделить из множества теорий элементарных частиц единственно правильную теорию и получить решающую информацию о природе элементарных частиц. Но приходится признать, что никаких взрывов подобного рода пока замечено не было, и если бы такие взрывы даже происходили, наблюдать их было бы очень трудно.
3. Принципиальные противоречия
По мнению автора статьи, взрывающихся «черных дыр» никогда не будет обнаружено и теория С. Хокинга в этом пункте ошибочна и содержит логическое противоречие. Причина этого заключается в следующем: уменьшение массы «черной дыры» ниже некоторого критического значения переводит «черную дыру» в видимый объект, поскольку поверхность «горизонта событий» не может уменьшаться и, следовательно, радиус «черной дыры» не уменьшается. С другой стороны, уменьшение массы «черной дыры» ослабляет силы гравитации и при неуменьшающемся радиусе «черной дыры» с необходимостью приводит к тому, что «черная дыра» становится видимым объектом. Не исключено, что возможны пульсации — переход «черной дыры» в видимый объект, а затем, если произойдет когда-либо увеличение массы «черной дыры» сверх критического значения, переход видимого объекта в «черную дыру» и т.д. Автор утверждает, что испарение «черной дыры», заканчивающееся ее разрушением, никогда не будет происходить.
В рамках высказанного суждения автором предлагается объяснение неотличимости элементарных частиц. Первичные «черные дыры», образовавшиеся в результате «Большого Взрыва», имели некоторые флуктуации по массе. Уменьшение массы первичных «черных дыр» до некоторого критического и при этом неизменного значения приводило к тому, что появлялись видимые объекты строго определенной массы и одинаковых пространственных характеристик, например нейтроны. Дальнейшая эволюция нейтронов привела к появлению других элементарных частиц.
Согласно классической модели «черной дыры» не имеет значения из каких составных частей она была
построена: элементарные частицы, газовые сгущения, звезды и т.д. в любых пропорциях. Силы гравитации «черной дыры» превращают этот материал в некую абсолютно однородную вещественную структуру. И та же участь ждет любые другие составные части, попадающие в «черную дыру» после ее возникновения. Таким образом, теория утверждает, что все «черные дыры» внутри совершенно одинаковы и отличаются лишь массой и, следовательно радиусом «горизонта событий».
Но эта теория вступила в противоречие с фундаментальным положением квантовой теории — законом обратимости. Он гласит, что теоретические вычисления должны быть в состоянии проследить любой процесс, включая и тот, что порождает «черную дыру». Иначе говоря, теоретически должно быть возможным определить условия, которые имели место в момент возникновения «черной дыры». Ноесливсе «черные дыры» одинаковы, то эволюция любой «черной дыры» не может быть теоретически отслежена назад во времени к ее уникальному началу и информация о составных частях, участвующих в создании «черной дыры», утеряна навсегда.
Итак, если верна современная теория «черных дыр», то современная квантовая теория должна обладать свойством необратимости. Необратимость квантовых процессов потребует перестройки основ квантовой теории. Если считать, что закон обратимости квантовой теории верен, то современная теория «черных дыр» должна претерпеть кардинальные изменения, поскольку информация о составных частях, участвующих в создании «черной дыры», не теряется и «черные дыры» становятся уникальными и неповторимыми объектами Вселенной, в «черных дырах» остается информация обо всех составных частях, которые их породили и которые в дальнейшем увеличивали их массу.
Если находиться в рамках современной теории «черных дыр», то с неизбежностью приходим к выводу, что ЭПР-парадокс не имеет места, посколькучас-тица-осколок, поглощенная «черной дырой», не может иметь локальной связи с оставшейся вне «черной дыры» частицей-осколком. Нелокальная связь также невозможна, поскольку частица-осколок интегрировалась в некую абсолютно однородную структуру и уже неразличима для оставшейся вне «черной дыры» частицы-осколка.
Если находиться в рамках современной квантовой теории и ЭПР-парадокс имеет место с локальной или нелокальной связью, то с неизбежностью приходим к выводу, что «черные дыры» имеют отличимые друг от друга структурные образования, и чудовищные силы гравитации «черных дыр» не могут даже теоретически создать усредненную и однородную структуру для любых «черных дыр».
Заключение
Выявлены принципиальные противоречия в рамках двух существующих фундаментальных теорий современного естествознания. Характер противоречий таков, что, если признавать следствия одной из двух теорий верными, то следует неизбежный вывод об ошибочности следствий, вытекающих из другой теории.
Следовательно, имеет место неполнота теоретических представлений и требуется их уточнение и модификация.
На основании изложенного материала, сопоставляя все pro et contra, автор приходит к выводу, что
уравнения квантовой теории должны быть необратимы во времени. Основы квантовой теории должны претерпеть изменения и органически включить в свою структуру необратимость во времени квантовых процессов,
Библиографический список
4. ХокингС.ОтБольшогоВэрывадочерныхдыр. —М.: «Мир», 1990.153 с.
5. Николсон И. Тяготение, черные дыры и вселенная. — М: «Мир», 1983.240с.
6. Федоров В.К. Концепция устойчивого неравновесия. — Омск: Изд-во ОмГТУ, 2003.150 с.
1. Нахмансон P.C. Физическая интерпретация квантовой механики. // УФН. №4.2001. С. 441-444.
2. Пилан А.М. Действительность и главный вопрос о квантовой информации. //УФН.Т. 171. №4. С. 444-447.
3. Менский М.Б. Квантовое измерение: декогеренция и сознание. // УФН. Т. 171, №4. С. 459-462.
ФЕДОРОВ Владимир Кузьмич, доктор технических наук, профессор кафедры электроснабжения промышленных предприятий.
УДК 537 611 44 В.Н.ЛИССОН
Н. П. КАЛИСТРАТОВА Л. Ф. КАЛИСТРАТОВА
Омский государственный технический университет
ВЛИЯНИЕ ОКИСЛА КОБАЛЬТА НА СТРУКТУРУ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА МАРГАНЕЦ-ЦИНКОВЫХ ФЕРРИТОВ
Представлены результаты влияния присадки СоО на структуру, плотность и магнитные свойства марганец-цинковых ферритов. Получено, что введение ионов Со" в структуру основного состава ферритов приводит к уменьшению начальных значений магнитной проницаемости и возрастанию температуры фазового перехода в парамагнитное состояние. Наибольшей температурной стабильностью обладает феррит, не имеющий примеси СоО. При концентрациях СоО до ОД вес. % образуется структура шпинели замещения с уменьшающейся пористостью, при увеличении концентрации СоО до 0,5 % - структура шпинели внедрения, пористость которой увеличивается. Модификация кристаллической ячейки при внедрении присадки СоО не изменяется.
В радиоэлектронике широко применяются ферриты - магнитные материалы с высокими техническими параметрами. Марганец - цинковые ферриты по своей структуре относятся к феррошпинелям, отличительной особенностью которых является большая величина их удельного электросопротивления.
Исследованию структуры и магнитных свойств основных соединений марганец-цинковых ферритов посвящено большое количество оригинальных работ и монографий [1-4]. Выявлено, что даже незначительное варьирование каких-либо параметров ферритов, условий их синтеза, а также введение добавок вызывает значительные изменения их физических свойств. Поскольку в радиоэлектронике используют магнитные материалы с оптимальными свойствами, то любые исследования по этим материалам представляют как научный, так и практический интерес.
В литературе имеются некоторые сведения о влиянии присадки окиси кобальта (СоО) на магнитную анизотропию марганец-цинковых ферритов, но систематические данные о его влиянии на структуру и температуру фазового перехода в парамагнитное со-
стояние отсутствуют. В данном сообщении представлены результаты комплексного исследования влияния ионов Со2+ на плотность, структуру и магнитные свойства Мп-гп ферритов.
Объекты исследований. Образцы ферритов с добавкой примеси СоО были получены твердофазным синтезом в три этапа: спрессованные смеси окислов основного состава Ре203 (70,0 %), МпО (18,1 %), 2пО (11,6%) и ТЮ2 (0,3 %) нагревались с равномерной скоростью 100 град/ч в течение 13 часов в температурном интервале от 20 до 1280 °С; затем при самой высокой температуре выдерживались в течение 5 часов; охлаждение производилось со скоростью 24,04 град/ч по первой вакуумной программе [1]. Весь процесс синтеза составлял 72 часа. Исследуемые образцы представляли собой кольцевые сердечники типоразмера 20x12x6 мм3. Присадка окиси кобальта варьировалась от нуля до 0,5 вес. %. с интервалом 0,1 %.
Методики исследований. Состояние структуры ферритовых порошковых образцов изучалось путем расчета рентгенограмм, полученных на установке ДРОН-3 в Со-фильтрованном излучении при комнатной
