ЗАКОН ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ КАК КЛЮЧ К РАЗГАДКЕ КОСМОЛОГИЧЕСКИХ ЗАГАДОК ПРИРОДЫ Текст научной статьи по специальности «Философия, этика, религиоведение»

PHYSICS AND MATHEMATICS

ЗАКОН ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ КАК КЛЮЧ К РАЗГАДКЕ КОСМОЛОГИЧЕСКИХ

ЗАГАДОК ПРИРОДЫ

Кошман В.С.

Канд. техн. наук, доцент

Пермский государственный аграрно - технологический университет, инженерный факультет

г. Пермь, Россия

THE LAW OF UNIVERSAL GRAVITATION AS THE KEY TO SOLVING THE COSMOLOGICAL

MYSTERIES OF NATURE

Koshman V.

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor Perm State Agrarian and Technological University,

Faculty of Engineering Perm, Russia

Аннотация

Показано, что гравитационное взаимодействие во Вселенной возникло на планковском масштабе времени одновременно с появлением первых удаленных друг от друга материальных частиц. Приведен результат количественной оценки скрытой массы материи в охваченной наблюдениями части Вселенной. Установлено, что за эпохой Планка изменяющийся со временем конечный объем Вселенной прямо пропорционален величине произведения массы гравитационного поля Вселенной на квадрат времени ее космологического расширения с охлаждением.

Abstract

It is shown that the gravitational interaction in the Universe arose on the Planck time scale simultaneously with the appearance of the first material particles distant from each other. The result of a quantitative assessment of the hidden mass of matter in the observed part of the Universe is given. It has been established that beyond the Planck epoch, the finite volume of the Universe changing over time is directly proportional to the magnitude of the product of the mass of the gravitational field of the Universe by the square of the time of its cosmological expansion with cooling.

Ключевые слова: теория гравитации Ньютона, теория гравитации Эйнштейна, объемная плотность массы Вселенной, элементарные частицы, хаос, гармония, большие числа.

Keywords: Newton's theory of gravity, Einstein's theory of gravity, the volumetric mass density of the Universe, elementary particles, chaos, harmony, large numbers.

«На самом деле можно полностью изменить «вид» законов, не меняя их предсказаний»

Кип С. Торн

Современное естествознание в той или иной мере опирается на закон сохранения и превращения энергии. И когда отсутствует необходимость принимать гипотезы дополнительно к фундаментальным законам природы выводы науки, как правило, становятся наиболее достоверными. Полагаем, что Вселенная - это физическая система с особыми свойствами, которую можно изучать как с микроструктурных, так и с макроструктурных позиций. Рассмотрение лишь макроскопических понятий, характеризующих суммарные эффекты, безотносительно к микрофизическим процессам, которые лежат в их основе, закономерно всегда, если только изучаемые объекты материи уже достаточно велики по сравнению с размерами элементарных частиц и расстояниями между ними [1]. Но, как и в любой науке, главное в теории эволюции Вселенной - надежно установленные факты, достоверные сведения о реальных объектах, процессах и явлениях [2]. Всегда интересно по - новому взглянуть

на глубинные космологические события. В целях разгадки кроссворда природы интерес представляет и поиск простейшего из описаний движения Вселенной.

Для многих поколений исследователей примером результативности и эффективности научного поиска является закон всемирного тяготения, опубликованный Исааком Ньютоном в 1687 году. По Ньютону, любые два тела взаимно притягиваются друг к другу с силой, которая обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и прямо пропорциональна произведению их масс:

— G,

т1-Ш2

• (1)

Что способствовало формулировке физического закона (1)? Сначала Т. Браге длительное время наблюдал за движением планет Солнечной системы, выписывал все подробности и надеялся, что полученные таким способом сведения послужат основой для того или иного теоретического истолкования. Далее И. Кеплер по методу проб и ошибок эмпирически обобщил результаты астрономических наблюдений, а Г. Галилей по результатам

2

опытов в лаборатории открыл принцип инерции. И. Ньютон пошел дальше и упорным трудом установил не только закон тяготения (1) и закон движения, но также предложил и метод теоретического решения астрономических задач. Согласно данному методу законы Кеплера не более как частный случай более общей картины движения, свойственной Вселенной. Позднее Г. Кавендищ в лаборатории по результатам прецизионного натурного эксперимента установил численное значение гравитационной постоянной .

Р. Фейнман, анализируя результат (1), достигнутый на пути теоретических построений, отмечает:

а) «Закон тяготения выражается математически, так же как и другие физические законы».

б) Закон (1) «не точен; Эйнштейну пришлось видоизменить его, но мы знаем, что он и сейчас не точен, ибо мы еще не связали его с квантовой теорией. То же относится и к другим нашим законам -они не точны. Где - то на краю их всегда лежит тайна, всегда есть над чем - то поломать го-лову...Может быть все дело тут в неполноте нашего знания».

в) «Но поразительнее всего то, что закон тяготения прост. Его легко сформулировать так, чтобы не оставалось никаких лазеек для двусмысленности и для иного толкования. Он прост и поэтому прекрасен. Он прост по форме. Я не говорю, что он действует просто - движение разных планет, их взаимное влияние могут быть очень запутанными, и определить как движется каждая звезда в шаровом скоплении, не в наших силах. Закон действует сложно, но его коренная идея проста».

г) «И, наконец, закон тяготения универсален. Он простирается на огромные расстояния, и Ньютон, которого интересовала Солнечная система, вполне мог бы предсказать, что получится из опыта Кавендиша, ибо весы Кавендиша, два притягивающихся шара, это маленькая модель Солнечной системы».

Отметим также, что и сегодня вполне актуален «вопрос: как проявляется тяготение в мире малых масштабов?».

Из отмеченных позиций [3] содержание второй - см. п. «б» - наводит на размышление, причем на поле необходимо обозначить план приложения сил. При поиске пути решения проблемы, пожалуй, неизбежно встает вопрос о зоне ближайшего к планковской эпохе развития Вселенной. Случилось так, что вопрос рассматривается в нестандартной ситуации. Особенность в том, что она отвечает фактам, которые установлены методами наблюдательной астрономии, но своим вектором ориентирована на весомую роль ядерных реакций. Им обычно отводятся первые суетливые 100.300 секунд жизни Вселенной при ее степенном возрасте порядка 14 тысяч миллионов лет. Ход ядерных реакций обсуждается и в учебной литературе, но только вслед за эпохой инфляции. И здесь коса находит на камень. Конфликт вряд ли удастся погасить, но его в какой - то мере можно сгладить. Покажем это.

В работе [4, с. 33] подчеркивается: «Уравнения тяготения Эйнштейна допускают много космологических решений. Каждое решение представляет непротиворечивую вселенную, но только одно из них представляет нашу наблюдаемую Вселенную. Не так - то легко объяснить, что совершает отбор физического решения, но в космологии это делается с помощью аргументов, основанных на начальных условиях, симметрии и простоте». Как известно, в теории эволюции Вселенной решаются не те классы задач, в которых, скажем, есть решения в виде ряда, первые члены которого будут давать хорошее приближение к точному результату. Здесь необходимо различать законы природы и правила. Примером тому, в частности, служит известный из теплофизики закон/правило Дюлонга и Пти. Фундаментальные законы физики обычно имеют то преимущество, что нет необходимости доказывать правомерность опоры на каждый из них при поиске решений в том или ином конкретном случае.

Методом общей теории относительности, в частности, изучается и Вселенная, заполненная излучением, где объемная плотность ее массы р определяется уравнением

Р = 77 =

(2)

V 32nGHt2

и быстро снижается по мере «взросления» Вселенной. Обращаем внимание на существенное: космологическая стрела времени направлена из прошлого в будущее, время отсчитывается от его нулевой величины t = 0. Решение (2) позволяет прийти к суждению о том, что если (при условии постоянства массы) мысленно стремиться к нулю, то объем

V мира стягивается в точку, а его объемная плотность р устремляется в бесконечность. Поскольку природа не терпит бесконечностей, необходим поиск выхода из кажущегося тупика. С другой стороны, входящие в (2) величины M. V и t не являются постоянными, они возрастают по мере удаления от мгновения t = 0 (причем M - на начальном участке пути). Если следовать (2), то между величинами M.

V и t существует взаимосвязь, отношение M-12 к V

Mt2

должно оставаться неизменным: = const.

Сегодня широко обсуждается «темный сектор» космологии, вопрос темной материи, под которой предлагается «понимать невидимые наиболее плотные формы материи, которые ничего не излучают и не поглащают и занимают около 95% плотности энергии Вселенной» [5]. По мнению многих авторов в рецепте современной «энергетической смеси» на долю обычного вещества (его принято называть барионами) в общем энергетическом балансе отводится примерно 5%:

Ubn=Mb^ =

ZUin ZMin

где ЕUin и ZMin - соответственно полная энергия и полная масса современной Вселенной. В массу МЬп барионного вещества свой вклад вносят звезды в галактиках, газ и межзвездная пыль в галактиках и скоплениях галактик, такие отдаленные и самые яркие объекты во Вселенной как квазары.

Вместе с тем, по мнению многих авторов, естественно ожидать, что одно из состояний Вселенной

м

3

в ее глубинном космологическом прошлом неразрывно связано с планковскими величинами. В общем случае они выступают как комбинации из четырех мировых констант: - гравитационная постоянная, с - скорость света в вакууме, к -постоянная Планка и - постоянная Больцмана. Из многих М. Планк [6] выделил естественные еди-

1/2

ницы измерения длины ¿рг = ( — ) = 10-35 м,

массы т.

.1/2

Pi

= 1 — 1 = 10 8кг, времени

fG-hX1/2 _

u5) =

10-

-43

_ Lpi

_ (10-35)3 _ 10-105 _

! . (ю-43)2

= 10-

. (4)

«новорожденные» пары незнакомых нам элементарных частиц с их массами ш1 и ш2.

В выражении (5) ^ - планковская сила с внушительным порядком величины: = шрг =

V

10-

(10-43)2

43

1043 Н. Обусловленное силой F,

колоссальное по мощи удара давление ррг

рг

= £е£ =

с и температуры Грг = = ю32К, а также выразил надежду,

V С /

что они «сохраняют свое естественное значение до тех пор, пока справедливы законы тяготения, оба начала термодинамики и пока остается неизменной скорость света в вакууме». Тем самым, по сути М. Планк сделал первый шаг: он установил начальные физические условия движения мира и указал, что они справедливы «во все времена и для всех культур». Планку оставалось представить свою формулу для спектра теплового излучения абсолютно черного тела через предлагаемые им же единицы измерения, и в последние недели XIX века было бы теоретически предсказано расширение Вселенной с охлаждением. Однако в годы зарождения квантовой теории космологические задачи были вне круга актуальных физических проблем и возможное не произошло. Иными словами, досрочно теоретическое предсказание космологической изменчивости обсуждаемой Планком физической картины мира не произошло, поскольку оно не могло произойти.

Планковские величины, как минимум, связывают воедино дискретность материи и ее движение с универсальностью таких физических явлений как тепловое излучение и гравитация. В данной связи интерес представляет и модель, предложенная Ж. Леметром, которую П. Дирак [7] особо выделяет в своей работе «Космология и гравитационная постоянная». По Леметру, Вселенная начиналась с одного - единственного атома, который был чрезвычайно радиоактивным, он мгновенно распался на части, а и радиоактивность, и чернотельное реликтовое излучение (как оказалось с температурой Гп = 2,73 К), которые мы наблюдаем сейчас, представляют собой остатки начальной радиоактивности.

В наши дни Б. Цвибах [4, с. 88] гравитационную постоянную видит в естественной связке

которая и закладывается им в фундамент построения теории струн. Тогда и закону всемирного тяготения следует придать вид

£Лр _ т1 т2 (гч

ррг шрг шрД г ) , который, пожалуй, не менее привлекателен, чем форма (1). Через призму решения (5), то есть в согласие с законом природы, в непосредственной близости к числовому значению планковской массы при желании можно заметить и слегка удаленные друг от друга на конечные расстояния г

10_70 = 10113Па «сгущает тучи» в крохотном объеме планковской ячейки. Если следовать устойчивой объективной закономерности (5), то во Вселенной расстояния между материальными частицами с момента их возникновения никогда не были равными нулю, а следовательно, и силы взаимного притяжения /-Лр никогда не устремлялись в бесконечность. Эти силы возникают сразу же вслед за мгновением времени Срг= 10-43с. Тогда же включается в работу и закон природы (1). Разнообразие бурных и фантастических по силе и размаху космических явлений и объектов широко обсуждается в литературе. Если для Вселенной и был свойственен ограниченный во времени природный термоядерный взрыв и неразрывно связанный с ним первичный хаос, то этот хаос уже под контролем заметных по величине сил взаимного притяжения /пр. Эти силы изначально, не ожидая даже завершение каскада термоядерных реакций, по всему фронту успешно наводят порядок в нарастающем по численности дискретном огненном строю. Нам предстоит осмыслить механизмы формирования звезд и синтеза тяжелых ядер. Наблюдаемые в космосе гармония и порядок - это закономерный итог развития природы, что вполне объяснимо с позиции гравитации.

П. Дирак [7] выдвигает идею: «Элементарная теория Ньютона достаточно точна для наших расчетов. Какая бы система единиц не использовалась, написанное уравнение должно быть справедливым». С. Вайнберг [8, с. 158 - 159] обращает внимание на красивую схему: сила инерции /ин, приложенная к галактике, действует по радиусу Я от центра сферы Вселенной к периферии и равна

противоположно направленной силе притяжения

2

В отличие от Якин = —[8] кинетическую

энергию галактики массой т определяем по формуле Эйнштейна Якин = т • с2. Тогда в согласие с законом сохранения энергии

М 3-е2 3 р = - =-7 =-ц . (6)

Легко заметить, что решения (2) и (6), полученные разными авторами и разными методами в разных лабораториях, совпадают одно с другим с точностью до безразмерного множителя. Уравнения (2) и (6) - это по существу один и тот результат. С

] 3

учетом равенства = —имеем выражение

™pZ \ R ' \tpj

1.

(7)

Оно отвечает гипотезе больших чисел, согласно которой «все очень большие безразмерные величины должны быть связаны друг с другом» [7,

35

10

t

3

м

1

94

2

0

10

кг • с

с. 181]. А также выходим на отмеченную ранее взаимосвязь

R3 : = G„ = 6,674-10-11^ .

кг-с2

JH

(8)

Из уравнений (7) и (8) видно, что решение (4) является частным случаем более общей закономерности: изменяющийся со временем конечный объем Вселенной прямо пропорционален величине произведения массы гравитационного поля Вселенной на квадрат времени ее космологического расширения с охлаждением, то есть V <х Мд • Ь2.

При постановке задачи научного поиска П. Дирак отмечает [7, с. 181]: «Можно попытаться оценить полную массу Вселенной, воспользовавшись массой наблюдаемых с Земли звездных объектов и учтя существование ненаблюдаемого вещества». Уравнения (7) и (8) позволят приблизиться к решению с иных исходных позиций. При числовых значениях радиуса Хаббла Яп = 1026м [9] и возраста Вселенной = 1017с [2, 7 - 9 и др.] в согласие с формулой (7) имеем величину безразмерной план-

ковской массы гравитационного поля Вселен-

тр1д

ной, примерно равную

м,

дп mvig

= (Ел.}3 (М\2 = ( 1026 f (ю-43\2 =

\Lpi) \tn) \10-35) \1017)

Ю1

\L-pij ип; мо-35; \ 101

10-120 = 1063. (9) Тогда величина львиной доли искомой невидимой, «скрытой» массы во Вселенной оказывается равной

Мдп = 1063 • тр1 = 1063 • 10-8 = 1155кг. (10) Массу наблюдаемой части Вселенной МЬп можно принять равной МЬп = 1052кг [9 и др. ] , что позволяет записать

МЬп _ 105

= 0,01.

(11)

МдП 105

Выше мы обозначаем лишь только порядки величин, и с количественной точки зрения полученный результат нас не устраивает. Все числовые значения в (3), (9) - (11) нуждаются в уточнении. Важно то, что числовые значения величин (3) и (11), найденные разными методами, при их заметном различии все же совпадают. Естественно возникает вопрос: а в чем главное отличие в подходах к вычислению близких по смыслу величин (3) и (11)? Отвечая на вопрос, можно отметить, что в теории гравитации Ньютона отдельные результаты достигаются более коротким, простым путем.

В науке открытые проблемы есть всегда. Внутренние резервы теории гравитации Ньютона далеко не исчерпаны, она способствует и разгадке загадок Вселенной, предсказанию ее свойств. Совместно теории гравитации Ньютона и Эйнштейна позволяют выйти на одно и то же решение (8), обеспечивая тем самым «сходимость именно в смысле предсказаний, поскольку только они имеют значение» [10, с. 81]. Экзамен по теории эволюции трудный, и особенно сложной является его космологическая часть. Физике предстоит ответить на многие вопросы. Однако по каждой из позиций возможные воздействия на ход сложившихся теоретических построений должны профильтровываться пониманием того, сильна ли необходимость в этом или нет. Эпиграф принят согласно работе [10].

Список литературы

1. Вейник А.И. Техническая термодинамика и основы теплопередачи. М.: ГНТИЛ. 1956. -448 с.

2. Черепащук А.М., Чернин А.Д. Космология: открытия и загадки [Электронный ресурс]. URL: https://scfh. ru/papers/kosmologiya-otkrytiya-i-zagadki (дата обращения 17 сентября 2021).

3. Фейнман Р. Характер физических законов / пер. с англ. М.: Наука. 1987. - 160 с.

4. Цвибах Б. Начальный курс теории струн / пер. с англ. М.: Едиториал УРСС. 2011. - 784 с.

5. Урсул А. Д. Формы темной материи и глобальная эволюция // Философская мысль. 2013. № 6. С. 96 - 170 [Электронный ресурс]. URL: https://nbpublish.com/library_read_article.php?id=583 (дата обращения 2 сентября 2021).

6. Планк М. О необратимых процессах излучения // М. Планк. Избранные труды. М.: Наука. 1975. С. 191 - 233.

7. Дирак П. Космология и гравитационная постоянная // П. Дирак. Воспоминание о необычной эпохе / пер. с англ. М.: Наука. 1990. С. 178 - 188.

8. Вайнберг С. Первые три минуты: Современный взгляд на происхождение Вселенной / пер. с англ. М.: Энергоиздат. 1981. - 208 с.

9. Девис П. Случайная Вселенная / пер. с англ. М.: Мир. 1985. - 160 с.

10. Торн К.С. Черные дыры и складки времени: Дерзкое наследие Эйнштейна / пер. с англ. М.: Изд - во физико - математической лит - ры. 2020. - 616 с.