Диоген Лаэртский (начало III в. н.э.): "Наконец, одни философы называются физиками, за изучение природы; другие — этиками, за рассуждение о нравах; третьи — диалектиками, за хитросплетение речей. Физика, этика и диалектика суть три части философии; физика учит о мире и обо всем, что в нем содержится; этика — о жизни и свойствах человека; диалектика же заботится о доводах и для физики и для этики."

Полевая модель массы

ПОЛЕВАЯ МОДЕЛЬ ИНЕРТНОЙ И ТЯЖЕЛОЙ МАССЫ В ОБЩЕЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Александр Климец

 

"То, что действует на наши чувства в виде вещества, есть на самом деле огромная концентрация энергии в сравнительно малом пространстве. Мы могли бы рассматривать вещество, как такие области в пространстве, где поле чрезвычайно сильно. В нашей новой физике не было бы места и для поля и для вещества, поскольку единственной реальностью было бы поле… Но до сих пор мы не имели успеха в последовательном выполнении этой программы."

А. Эйнштейн "Эволюция физики" 

"На рубеже ХХ и ХХ1 вв., когда количество открытых частиц приблизилось к нескольким сотням, стала вновь популярной нелинейная полевая концепция Эйнштейна: частицы представляют собой сгустки некоего материального поля (неизвестной пока природы), т.е. образования, локализованные в малой пространственной области. В пользу этой точки зрения говорит, в частности, факт взаимного превращения частиц при столкновениях. Различные варианты нелинейной полевой теории частиц рассматривали многие известные физики: Луи де Бройль, Вернер Гейзенберг, Дмитрий Иваненко, Тони Скирм, Яков Терлецкий, Людвиг Фаддеев и др."

"ФИЗИКА" Энциклопедия, т.16, Москва, Аванта, 2002  

 

ВВЕДЕНИЕ 

Научное понимание сущности пространства и времени непосредственно связано с принципом материальности. В мире нет ничего, кроме движущейся материи, и движущаяся материя не может двигаться иначе, как в пространстве и времени. Данная формула раскрывает объективные корни реальной пространственности и временности и позволяет установить, каким именно образом различные их аспекты преломляются в научных понятиях. Первым и главным свойством пространства и времени является их материальность, производность от движения материи. Движение есть сущность времени и пространства, а не наоборот (как это может показаться, например, при описании механического перемещения на основе пространственно-временных параметров).

Любая математическая модель или конструкция, призванная установить или объяснить связи и отношения материального мира, лишь в том случае считается истинной, если она соответствует конкретным связям и отношениям. Не теоретическая модель предписывает, каким должен быть материальный мир, а сам этот мир и закономерности его развития являются критерием правильности теоретических предположений, объяснений и выводов.

Между тем часто существует другой подход, когда материальное единство или сущность материального мира выводится из некоторых общих математических моделей. Например: "материя есть возбужденное состояние динамической геометрии…Геометрия предопределяет законы движения материи". Материальный мир один, а теоретически безупречных моделей множество и каждая из них способна претендовать на полное соответствие целостному и единственному материальному миру. Как же тут быть? Решение дает философия: используя принцип материальности, необходимо отыскать материальные корни теоретических моделей. Несмотря на сложный аппарат современной математики, в ее основы заложены некоторые общие принципы, суть которых нетрудно понять любому человеку. Математика - это наука о количественных отношениях и пространственных формах действительного мира (форма также представляет собой отношение). Соответственно, геометрия, как раздел математики, изучает пространственные отношения и формы, а также другие отношения и формы, сходные с пространственными по своей структуре. Любая геометрия, любые используемые в ней понятия и формы описывают не целостный материальный мир, а лишь ту или иную определенную систему объективных отношений. В основе любых геометрий лежат конкретные пространственные отношения. А отношения в отрыве от своих носителей по самой сути не существуют.

В современной физике понятие кривизны пространства - времени до сих пор овеществляется. Но является ли кривизна чем-то субстанциональным, наподобие пространственной протяженности и временной длительности - неотъемлемых атрибутов материальных вещей, событий, процессов? Нет, понятие кривизны отображает совершенно конкретные в каждом отдельном случае пространственно-временные математические отношения. А отношения по природе своей не имеют иного субстрата, кроме того, которым обладают носители данных отношений. Нет и не может быть отношений самих по себе , в виде некоторой субстанции, существующей помимо или наряду со своими носителями. Поэтому искать абстрактное отношение кривизны в "чистом виде" - вблизи звезд или в межгалактическом пространстве - такое же бесполезное занятие, как и попытка отыскать отношение собственности на фасадах домов, на полках магазинов и т.п. Или, например, производственные отношения - на руках и лицах рабочих и интеллигенции. Геометрические отношения, как и любые другие, сами по себе не имеют какой-либо иной объективной реальности, помимо той, какую дают им носители данных отношений. Поэтому бессмысленными выглядят тезисы типа следующего: "в мире нет ничего, кроме искривленного пространства-времени". Не составляет особого напряжения ума для уяснения того простого и очевидного факта, что кривизна не является атрибутивно-субстратной характеристикой пространства-времени, а представляет собой результат определенного отношения геометрических величин, причем не просто двучленного, а сложного и многоступенчатого математического отношения.

Отношения в отрыве от своих носителей не поддаются чувственному восприятию. Это одна из основных причин отсутствия наглядности, что характерно для многих современных теорий, которые не являются наглядными вовсе не потому, что выражают какую-то особую реальность, неизвестную науке прошлого, а лишь потому, что отображают определенные отношения и различные системы таких отношений.

Например, говоря о квантовой механике с ее принципом неопределенности или о кривизне пространства-времени в общей теории относительности, Ландау обычно подчеркивал, что величайшее достижение человеческого гения заключается в том, что человек может понять то, что он уже не в состоянии представить себе. Все, что рассматривала физика ХIХ столетия, было вполне представимым. Это касается и многого в современной физике. Но когда речь идет о принципе неопределенности или кривизне пространства-времени, то такие вещи понять можно, а представить нельзя.

Ясно, что кривизна, представляющая собой результат определенного вида геометрических отношений, не является некой сущностью материального мира. Понятие искривленного пространства-времени - всего лишь отражение определенной совокупности пространственно-временных отношений, объективно существующих в материальной действительности [ 1 ] . Отысканием материальных корней этого понятия мы займемся в следующем параграфе. Мы покажем что и в общей теории относительности материальным носителем пространственно-временных отношений являются безмассовые кванты энергии. И они же являются материальной основой для понятия "кривизна пространства-времени" 

 

МОДЕЛЬ МАССЫ

 

Уравнения геодезической следуют из соотношения dS = c' dt' и уравнения Эйлера-Лагранжа ( [2], с.212)

d(c'/ vi ) / dt' - c' / xi = 0…………….( 1 )

Непосредственной проверкой можно убедиться, что результат записывается в виде

d 2 xi / dt' 2 + Г ikl ( dx k / dt') dxl / dt' = ( S '' / S ') dxi / dt'

где S - длина дуги, определенная равенством

S ' = c' = ( gik v i v k )1 / 2

Здесь штрих при S означает производную по параметру t'.

Если рассматривать S как параметр, то S ' = 1 , S '' = 0 и это уравнение приобретает вид

d 2 x i / dS 2 + Г ikl dx k / dS * dx l / dS = 0………… ( 1 ' )

в соответствии с геометрической идеологией ОТО. Однако с новой точки зрения величина c' в ( 1 ) есть так называемая поперечная скорость света в ускоренной системе отсчета. Действительно, в [6] мы показали, что поперечная скорость света c' = (c 2 - v 2)1/2 , рассматриваемая в специальной теории относительности, в ускоренных системах отсчета и в общей теории относительности обобщается и принимает вид

c' = ( gik v i v k )1 / 2

В случае слабого гравитационного поля или равномерно- ускоренного движения это выражение можно записать следующим образом

c' = с g00 1/2 = с ( 1 + g x / c2)

где g - ускорение частицы, x - ее координата.

Таким образом, движение пробного тела по геодезической обусловлено не геометрией пространства-времени, как чем–то первичным, а изменением поперечной скорости света c' между структурными элементами пробного тела под влиянием гравитационного поля.

Чтобы показать это, рассмотрим мысленный эксперимент. В рамках данного мысленного эксперимента есть возможность выявить существенное и отбросить второстепенное с помощью построения модели, элементы которой могут быть подвергнуты математической обработке. В этом отношении всегда желательно построить относительно простую модель сложного явления.

Пусть в системе отсчета K ' расположен невесомый цилиндр высотой h (рис.1)

 

Обозначим верхнюю крышку цилиндра через S2 , нижнюю – через S1. Пусть эта система отсчета K' вместе с жестко закрепленным к ней невесомым цилиндром движется равномерно-ускоренно в направлении положительных значений z с ускорением g . Пусть из S2 в S1 испущен квант света – фотон с энергией E0 и мы рассматриваем этот процесс в некоторой системе K0 , которая не обладает ускорением. Положим, что в тот момент, когда энергия излучения E0 переносится из S2 в S1 , система K' обладает относительно системы K0 скоростью, равной нулю. Световой квант достигнет S1 спустя время h / c (в первом приближении), где c -скорость света. В этот момент S1 обладает относительно системы K0 скоростью g h / c = v . Поэтому, согласно СТО, достигающее S1 излучение имеет не энергию E0 , а большую энергию E1 , которая в первом приближении связана с E0 соотношением

E1 = E0 ( 1 + Dv / c) = E0 ( 1 + g h / c2 ) ……………..( 2 )

где Dv = v - 0

Импульс, передаваемый излучением стенке S1 , найдем из соотношения

P1 = E1 / c = E0 / c ( 1 + g h / c2 )………….( 3 )

Пусть световой квант с такой же энергией E0 излучается из S1 в сторону S2 . Тогда энергия излучения, достигающая стенки S2 и передаваемый импульс будут иметь следующий вид

E2 = E0 ( 1 - Dv / c) = E0 ( 1 - g h / c2 )………………( 4 )

P2 = E2 / c = E0 / c ( 1 - g h / c2 )……………( 5 )

Если в системе K' мы одновременно излучим два кванта света одинаковой энергии – один в сторону S1 и второй в сторону S2, то импульсы отдачи, как будет показано, взаимно скомпенсируются и основную роль будут играть импульсы ( 3 ) и ( 5 ). Тогда имеем

DP = P1 - P2 = E0 / c ( 1 + g h / c2 ) - E0 / c ( 1 - g h / c2 ) = 2 E0 / c * g h / c2

Так как g h / c = Dv , то DP =2 E0 / c2 * Dv или DP =2 m * Dv

где m - инертная масса ( в пределе, когда v << c и членами порядка v2 / c2 по сравнению с единицей можно пренебречь).

Приведенный вывод согласуется с тем фактом, что масса системы из двух фотонов с энергией E0 у каждого равна 2 E0 / c2, если они летят в противоположные стороны и равна нулю, если они летят в одну и ту же сторону.

Таким образом, невесомый цилиндр, в котором находится излучение, в результате ускорения ведет себя так, как будто он обладает инертной массой m, причем импульс этой инертной массы, как легко видеть из рис.1, направлен в сторону, противоположную вектору ускорения g . Нетрудно видеть, что этот импульс, противодействующий ускорению цилиндра, обусловлен раскомпенсацией импульсов безмассовых квантов энергии, движущихся в замкнутом пространственном объеме. С этой точки зрения понятие импульса безмассовых квантов энергии первично по отношению к массе материального тела, которая является вторичным, производным понятием. Изложенный механизм снимает ореол таинственности с явления инертности массивных материальных тел.

Пусть цилиндр движется относительно системы K0 равномерно и прямолинейно со скоростью v . В этом случае импульсы отдачи не скомпенсируются. Действительно, если фотон, испущенный из S2, имел в инерциальной системе K0 импульс P , то импульс отдачи будет - P. Преобразуем его в систему K' по известной формуле преобразования импульса. С точностью порядка v/c получим

P'2 = ( P + E0 v / c2 )/( 1 - v2 / c2 ) = P + E0 v / c2 = E0 / c (1 + v / c )

Аналогично для импульса отдачи стенки S1 получим

P'1 = ( P - E0 v / c2 )/( 1 - v2 / c2 ) = E0 / c (1 - v / c)

Здесь знак минус возникает из-за того, что скорость v направлена противоположно импульсу отдачи P1 = P . Таким образом, суммарный импульс отдачи в системе K' равен по абсолютной величине 2E0 v / c2 и точно компенсирует суммарный импульс фотонов, так что полный импульс системы равен нулю. Следовательно, раскомпенсации импульсов фотонов при равномерном и прямолинейном движении не происходит. Что же произойдет, если цилиндр ускоряется? Пусть фотоны из S1 и S2 испущены в момент, когда система K' имеет относительно системы K0 скорость, равную нулю. В этот момент времени импульсы отдачи P'1 = P и P'2 = P преобразуются в систему K' со значениями, равными

P'2 = P + E0 v / c2 = P и P'1 = P - E0 v / c2 = P

так как v=0, и точно компенсируют друг друга. В то же время импульсы самих фотонов, достигнув противоположных стенок изменятся, согласно формулам ( 3 ) и ( 5 ), в результате изменения скорости цилиндра от 0 до v. Внешне это проявится как наличие инертной массы. Эту ситуацию можно рассмотреть и в любой другой момент времени, связав с ускоренной системой отсчета мгновенно сопутствующую систему отсчета.

( Можно видоизменить опыт и послать одновременно два фотона из одной точки в центре цилиндра к его стенкам S1 и S2 . Заведомо ясно, что импульсы отдачи фотонов скомпенсируются в центральной точке при любом ускорении и основную роль будут играть импульсы фотонов, переданные стенкам цилиндра S1 и S2.)

Эйнштейн указал простой физический пример, позволяющий легко понять, почему масса и энергия связаны друг с другом соотношением E = mc2. Он рассмотрел для этого покоящийся относительно лаборатории ящик массы MB. Пусть этот ящик заполнен электромагнитным излучением, находящимся в термодинамическом равновесии с его стенками. Обозначим энергию этого излучения через ER.

Известно, что электромагнитное излучение оказывает давление на стенки содержащего его ящика, подобно давлению, вызываемому газом. Пока ящик покоится или движется равномерно, полная сила, приложенная к каждой его стенке, уравновешивается силой, приложенной к противоположной стенке. Если же ящик подвергается ускорению a, то благодаря этому ускорению отражающееся от задней стенки ящика излучение будет приобретать дополнительный импульс, тогда как излучение, отражающееся от его передней стенки, будет терять часть своего импульса.

Если произвести подробный подсчет происходящего при этом изменения давления на стенки движущегося ящика, то окажется, что полная сила, действующая на ящик со стороны излучения, равна

FR = - ER a / c2

Эта сила направлена против ускорения. Поэтому уравнение движения всей системы будет иметь вид

MB a = - ER a / c2 + F

где F- внешняя сила. Это уравнение можно переписать:

(MB + ER / c2 ) a = F

Поэтому наличие энергии излучения ER соответствует появлению добавочной "эффективной массы" ER / c2 в том смысле, что эта масса приводит к такому же возрастанию инертности тела (его сопротивления ускорению), как и обычная масса, что и представляет собой одно из характерных проявлений того физического свойства, которое называют "массой" ([3], с.118-119).

Из этого примера, приведенного Д. Бомом в своей книге, видно, что если MB равно нулю (т.е. ящик невесом), мы приходим к нашему невесомому цилиндру на рис.1. Наш подход отличается от вышеуказанного тем, что мы трактуем любую инертную массу (в том числе и массу ящика ) через посредство безмассовых квантов энергии (в так называемой модели геона), о чем будет сказано ниже.

Таким образом, массивную частицу можно представить как невесомый сосуд, в котором происходит обмен безмассовыми переносчиками взаимодействия. При ускорении такого сосуда суммарный импульс, передаваемый сосуду, становится не равным нулю, что проявляется в форме инертности сосуда. Модель инертной массы очевидным образом показывает, что инерция материальных тел есть их внутреннее свойство и принцип Маха к весомым материальным телам неприменим. Подобный цилиндр будет обладать инерцией и в отсутствие горизонта удаленных масс. (Вспомним также знаменитое вращающееся ведро с водой Ньютона). Это согласуется с тем обстоятельством, что ОТО никак не связана с принципом Маха. Принцип Маха из принципа относительности инерции трансформирован Эйнштейном в принцип относительности геометрии пространства-времени. Из модели следует, что пробные тела инертны в связи с раскомпенсацией импульсов безмассовых квантов энергии при ускорении пробного тела.

Многие физики справедливо рассматривают принцип Маха как псевдопроблему. Дирак считал этот принцип физически непонятным и, следовательно, стоящим вне всякого физического знания и потому он не может находиться в арсенале ответственного ученого. Между тем этому принципу (во многом благодаря авторитету Эйнштейна) посвящена большая литература.

Отметим, что модель массы на рис.1 характеризует так называемую электромагнитную массу. Но сам по себе факт существования массы именно в форме электромагнитной массы, очевидно, не имеет никакого значения. Он указывает только на первичный характер безмассовой (т.е. полевой) формы материи по отношению к ее массивной форме. Трудно представить себе ситуацию, когда электромагнитная масса имеет одно объяснение, а все остальные массы - другое. Поэтому данный частный случай, характеризующий электромагнитную массу, справедлив и для любой другой массы. Это утверждение является гипотезой, но гипотезой правдоподобной, если признать, что в основе весомой формы материи лежат безмассовые кванты энергии. С этой точки зрения наша модель массы является универсальной моделью.

"Когда мы говорим о массе тела, то связываем с ней два понятия, логически совершенно независимых. Мы понимаем под массой, во-первых, некую постоянную, измеряющую сопротивление тела ускорению ("инертная масса"), а во-вторых, - другую постоянную, определяющую величину силы, испытываемой телом в поле тяжести ("тяжелая масса"). Вовсе не очевидно заранее, что инертная масса и тяжелая масса должны совпадать; мы лишь привыкли предполагать, что такое совпадение существует. Убеждение в этом основано на опытных фактах, что ускорение различных тел в поле тяжести не зависит от строения этих тел. Этвеш показал, что инертная и тяжелая массы совпадают во всяком случае с очень большой точностью; его опыты с крутильными весами показали, что относительное отличие обеих масс не больше 10-8." [12]

Далее. Пусть невесомый цилиндр (рис.1) не ускоряется, а расположен на подставке и находится в слабом статическом поле Земли. Пусть в S1 потенциал поля приравнен к нулю, а на высоте h он равен Ф. Учитывая принцип эквивалентности, можно записать g h = Ф. Пусть теперь из S2 в S1 испущен квант света с энергией E0. Тогда энергия и импульс фотона изменятся согласно соотношениям

E1 = E0 (1 + DФ / c2 ) и P1 = E0 / c ( 1 + DФ / c2 )

С другой стороны, испуская квант света с энергией E0 от S1 к S2, получим

E2 = E0 (1 - DФ / c2 ) и P2 = E0 / c ( 1 - DФ / c2 )

В итоге разность передаваемых импульсов равна

DP = 2E0 / c2 * DФ / c

где разность потенциалов DФ = Ф - 0, и направлена в сторону уменьшения Ф, то есть на рис.1 вниз. Таким образом, в первом приближении, когда v << c и можно пренебречь членами порядка v2 / c2, мы получим

DP = - 2 m DФ / c ………………( 6 )

И сила, действующая на подставку, имеет вид

FZ = DP / D t = - 2 m DФ / c Dt ………….( 6 ' )

Так как для света в слабом поле c Dt = D z , то

FZ = - 2 m DФ / D z

или, в более общем случае

F( r ) = - 2 m grad Ф ( r )

что следует и из теории тяготения Ньютона.

Пусть подставка убрана. Тогда, в силу закона сохранения импульса, левая часть соотношения ( 6 ) равна нулю. Тогда равно нулю и DФ - изменение потенциала поля. Невесомый цилиндр, находящийся в гравитационном поле, движется так, что потенциал поля в цилиндре постоянен. В формализме ОТО это отражается в том, что потенциалы gik при ковариантном дифференцировании ведут себя как константы, но только при ускоренном движении цилиндра (движении по геодезической), каковым и является падение.

Отсюда ясно, что “свободное” движение невесомого цилиндра (движение по геодезической) связано с постоянным перераспределением импульсов безмассовых квантов энергии по отношению к стенкам сосуда в гравитационном поле, а не искривлением пространства-времени. Искривление пространства-времени – понятие вторичное, вытекающее из абстрактных формул. Первичным же является реальное изменение величины скорости света c' между структурными элементами пробной частицы, движущейся в гравитационном поле.

В самом деле, P1 и P2 можно записать следующим образом

P1,2 = E / c (1 + DФ / c 2 ) = ( E / c 2) c (1 + DФ / c 2 ) = m c'

где c' = c (1 + DФ / c 2 ) - скорость света в ускоренной системе отсчета K' с точки зрения условно-неподвижного наблюдателя. Отсюда

DP = P1 - P2 = m ( c'1 - c'2 ) = m Dc'

где D c' = 2 D Ф / c

Убрав подставку, мы вынуждаем цилиндр сместиться под действием разности импульсов фотонов D P, в результате чего он оказывается в области гравитационного поля с большей разностью потенциалов D Ф', чем в предыдущий момент времени. Это вновь порождает уже большую разность импульсов D P' и процесс повторяется. Именно таким образом невесомый цилиндр ускоряется в гравитационном поле.

Действительно, рассмотрим гравитирующую массу M и два положения нашего цилиндра в поле этой массы вдоль прямой R (рис.2 ).

Из рис.2 видно, что разность потенциалов DФ'' равна

DФ'' = - k M ( 1 / R4 - 1 / R3 ) = - k M h / R3 R4

где k - гравитационная постоянная Ньютона ; h = R4 - R3 - высота цилиндра

Аналогично для разности потенциалов DФ' получим

DФ' = - k M h / R1 R2

Так как R1 R2 < R3 R4 , то DФ' > DФ'' . Отсюда DP1 > DP2

Поэтому невесомый цилиндр с излучением ускоряется в гравитационном поле по направлению к гравитирующей массе M.

Легко видеть, что ускорение цилиндра равно

g = DФ / D R = - k M / R3 R4 = - k M / R3 ( R3 + h ) ……………( 7 )

Если h мало, то R3 = R4 и мы получаем g = - k M / R2 , как и в обычной теории тяготения Ньютона.

Из ( 7 ) следует,что ускорение g есть функция от h - высоты цилиндра. Тогда, если существуют фундаментальные структурные единицы массы с планковским размером lpl = 10 -33 см, то h - величина постоянная, равная lpl. Такими структурными единицами массы могут быть геоны, состоящие из гравитационно связанных фотонов. Роль невесомых стенок в геоне выполняет его гравитационное поле и импульсы отдачи фотонов будет воспринимать именно оно. Поэтому геон будет обладать всеми теми же инертными и тяжелыми свойствами, что и рассмотренный нами выше невесомый цилиндр.

В рамках гипотезы геонной структуры весомой формы материи можно найти решение проблемы пропорциональности инертной и тяжелой масс. Действительно, если геоны лежат в основе весомой формы материи и их “падение” во внешнем гравитационном поле происходит независимо друг от друга (так как геон представляет из себя автономную систему с размером 10 - 33 см, то любая пробная частица, составленная из планковских геонов, в целом будет двигаться с тем же ускорением, что и отдельно взятый геон. С другой стороны, в “поле ускорений” пробные тела кинематически также движутся с одинаковым ускорением. Это обстоятельство и может лежать в основе пропорциональности инертной и тяжелой масс. Что же касается универсальности гравитационного поля, то она в излагаемой интерпретации обусловлена взаимодействием гравитационного поля только с безмассовыми квантами энергии, как единой универсальной основой весомой формы материи, что и позволяет описывать тяготение с помощью псевдоримановой геометрии.

В “Беседах” Галилея приводится весьма остроумный довод в пользу того, что тяжелое тело не должно падать быстрее легкого. Допустим, что тяжелое тело падает быстрее легкого. Тогда должно возникнуть следующее противоречие. Представим тело A состоящим из двух тел B и C, имеющих одинаковые массы. Так как B и C легче ,чем A, они должны падать с одинаковой скоростью, но медленнее чем A . Но B и C вместе составляют тело A . Следовательно, тело A должно падать медленнее самого себя , что невозможно ( [4], с.210). Таким образом, тело A в действительности должно падать с той же скоростью, что и его части B и C . Продолжая дальнейшее деление тела на части, падающие с одной и той же скоростью, мы в итоге придем к мельчайшим одинаковым составляющим тела A, далее уже неделимым (например, к планковским геонам с размером 10 -33 см). В приведенном рассуждении Галилей, не осознавая того, предвосхитил существование фундаментальных структурных единиц массы. Именно благодаря им любые тела в гравитационном поле “падают” с одинаковым ускорением. Формально же это может быть описано как “свободное” движение пробного тела (движение по геодезической) в искривленном пространстве-времени [10].

Как же понимать связь гравитации с искривлением пространства-времени? Этот вопрос нередко вызывает недоумение даже у специалистов-физиков, не занимающихся непосредственно проблемами гравитации. Факт тождества инертной и тяжелой (гравитационной) масс общая теория относительности сделала своей органической составной частью, так что как бы "объяснила" его. В действительности же это не что иное, как просто более утонченное описание гравитации с помощью понятия "искривленное пространство-время". Для пояснения сначала приведем пример из теории электромагнетизма. В одном и том же электромагнитном поле заряды будут ускоряться по-разному, если у них различны отношения заряда к массе (инертной), то есть различны значения удельного заряда. Но если бы система состояла из частиц с одним и тем же удельным зарядом, причем в распоряжении экспериментаторов вообще не было бы частиц с другой величиной удельного заряда, то по измерениям, проводящимся в точке (локально), в принципе невозможно было бы судить об ускорении частиц. Измерения в разных точках выявили бы относительное (но не абсолютное) ускорение частиц и тем самым дали бы информацию о неоднородности электромагнитного поля. Но так случилось, что в природе существуют частицы с разными удельными зарядами и только в силу этого электромагнитное поле приобретает абсолютный смысл. Но гравитационному полю случайно "не повезло". Оно оказалось универсальным. В природе не нашлось объектов, инертная и тяжелая массы которых различны, то есть их удельный гравитационный заряд оказался равным единице. Это значит, что в принципе нельзя абсолютно, не относительно измерить гравитационное поле, то есть не должно быть понятия абсолютной гравитационной силы (в отличие от такой силы электромагнитной, силы Лоренца). Для отдельной частицы все происходит так, как будто она движется "свободно", без действия сил - проходит кратчайшие пути между точками. Однако эти пути определяются геометрией пространства-времени, и если пространство-время не плоское, то соседние пути будут, вообще говоря, неравноценными, будет иметь место неоднородность. Как и в электродинамике в случае частиц с одинаковым удельным зарядом, мы можем здесь говорить только об относительном ускорении масс, но теперь нам не дано другого самой природой вещей, а не выбором постановки эксперимента. Локально мы всегда вынуждены падать вместе с исследуемыми телами. Локально гравитация компенсируется ускорением. Но если локально гравитация компенсируется ускорением, то в протяженной области она не может быть скомпенсирована. Это значит, что в протяженной области пространства-времени в принципе не может существовать прямой линии, если там действует гравитация. Мир оказывается искривленным [7]. Если бы электромагнитное поле вдруг оказалось таким же универсальным, как и гравитационное поле, мы бы и его описывали в терминах искривленного пространства-времени. Но именно описывали и ничего более. Объясняло бы такое описание сущность электромагнитного поля? Нет. Аналогичным образом описание гравитационного поля с помощью понятия "искривленное пространство-время" ничего не говорит о его собственной сущности и сущности его действия на пробные тела.

Как отмечал В.А.Фок, основными принципами, лежащими в основе теории тяготения Эйнштейна, будут не общая относительность, которой в действительности не существует, и не принцип эквивалентности. В действительности первая основная идея есть идея хроногеометрии, т.е. объединение пространства и времени в единое четырехмерное многообразие с индефинитной метрикой (эта идея была осуществлена уже в теории относительности 1905 года). Вторая основная идея есть идея единства метрики и тяготения. Формальное выражение этой идеи состоит в том, что метрика и тяготение описываются одними и теми же величинами - метрическим тензором, компоненты которого являются в то же время гравитационными потенциалами. Таковы две идеи, являющиеся истинной основой эйнштейновской теории тяготения. Что касается принципа эквивалентности, то он в историческом аспекте может рассматриваться как указание на возможный (а именно хроногеометрический) путь построения теории, а в физическом аспекте - как приближенное следствие, приобретающее практическое значение при изучении локальных свойств поля тяготения. Общий же принцип относительности, понимаемый как требование общей ковариантности уравнений, имеет чисто формальный характер, и никаких физических следствий из него получить нельзя [8, с.265].

Нетрудно видеть, что хроногеометрия обусловлена тем, что в основе пространственно-временных отношений в СТО и ОТО лежат движения безмассовых частиц, и этим же обстоятельством обусловлено единство метрики и тяготения, так как гравитационное поле непосредственно воздействует только на безмассовые кванты энергии, являющиеся субстанциональной основой пространственно-временных метрических отношений в общей теории относительности.

Известно, что уравнение геодезической ( 1 ) или ( 1 ' ) для пробной частицы в случае малых скоростей и слабых статических полей тяготения переходит в уравнение

d 2 xa / d t 2 = - d Ф / d xa ; ( a = 1,2,3 ) ……………. ( 8 )

Сравнивая ( 8 ) с ( 6 ' ) и учитывая, что DФ / c = Dc' / 2

где Dc' = c'1 - c'2 = c ( 1 + DФ / c 2 ) - c ( 1 - DФ / c 2 ) =2 DФ / c , получим

d 2 xa / d t 2 = - c dc' / 2 dxa …………( 8 ' )

Мы видим, что действительно движение пробной частицы по геодезической обусловлено не геометрией пространства-времени как чем-то первичным, а изменением скорости света c' между структурными элементами пробной частицы в гравитационном поле.

В свое время с характерной для него экономией средств Эйнштейн решил рассматривать скорость света в качестве некой характеристики тяготения. По его замыслу скорость света должна была играть роль так называемого гравитационного потенциала, заданного в каждой точке пространства и позволяющего в ньютоновой теории тяготения найти величину силы тяготения в любой наперед заданной точке. Правда, эта идея не сработала. Мы также отметим, что рассматриваемая нами величина скорости света c ' = ( gik vi vk )1 / 2 не может служить в качестве гравитационного потенциала, так как в ее определение, кроме метрического тензора gik , входят и компоненты скорости vi .

Так как модель массы на рис.1 является не только инертной, но и тяжелой, т.е. гравитирующей, то из нее следует, что гравитационное поле порождается внутренним либо внешним движением материи со скоростью света. Если уничтожить это движение, то, согласно нашей концепции, исчезнет и гравитационное поле. Так как и гравитоны движутся со скоростью света, они также порождают гравитационное поле. Поэтому гравитационное поле является самодействующим (то есть нелинейным) полем..

В модели массы инертность и тяжесть являются следствием нарушения ранее симметричного состояния цилиндра в результате его ускорения. Отметим здесь аналогию с появлением массы у W - и Z - бозонов в теории электрослабых взаимодействий в результате спонтанного нарушения симметрии с помощью хигсовских бозонов. Сходство здесь в том, что и в том и в другом случаях масса появляется в результате нарушения ранее симметричного состояния. Не исключено, что механизм появления массы у безмассовых квантов энергии, изложенный здесь, более реален, чем при помощи гипотетических хигсовских бозонов, которые, несмотря на все усилия со стороны экспериментаторов, до сих пор не обнаружены.

Интересным является вопрос, сможет ли наш невесомый цилиндр двигаться быстрее света? Так как наш цилиндр фактически состоит их безмассовых квантов энергии, связанных между собой гравитационным взаимодействием, то этот вопрос сводится к следующему: сможет ли свет обогнать свет (то есть сам себя)? Ответ очевиден - не сможет. Система из двух связанных фотонов, как нами было показано выше, уже обладает инерционными свойствами и поэтому будет двигаться со скоростью, меньшей скорости света и даже покоиться. Из простых соображений ясно, что скорость света для такой системы будет предельной скоростью. Таким образом и разрешается загадка существования в природе предельной скорости для массивных тел, равной скорости света.

Необходимо отметить, что построенная нами модель массы в форме невесомого цилиндра неизотропна по отношению к приложенной силе, однако реальная система из двух взаимодействующих безмассовых квантов энергии является изотропной.

Безмассовые кванты энергии, фотоны, участвуют только в гравитационном взаимодействии. Но гравитационное взаимодействие способно образовать систему из двух связанных фотонов только на планковском уровне, где оно является достаточно сильным (см.[5]). Поэтому для образования системы из двух связанных фотонов на более низком энергетическом уровне необходимо предположить некое новое взаимодействие (х - взаимодействие, см.[11]), в дополнение к электромагнитному, слабому, сильному и гравитационному. Это взаимодействие, скорее всего и будет ответственным за образование массивных элементарных частиц из фотонов.

Построенная нами модель массы позволяет наметить путь для создания антигравитатора. Для этого необходимо найти способ воздействия на безмассовые кванты энергии (основу массивных тел) с целью изменения их частотных характеристик для нейтрализации влияния гравитационных полей. Например, построить соленоид, внутри которого нейтрализующее электромагнитное поле изменяется по градиенту пропорционально высоте соленоида и, таким образом, как бы "уничтожает" гравитационное поле внутри соленоида.

Вернемся еще раз к вопросу о замедлении времени в гравитационном поле. С точки зрения падающего наблюдателя время продолжает у него идти так, как и раньше. Удаленный, покоящийся наблюдатель, находящийся в плоском пространстве-времени, объяснит эту странную ситуацию тем, что все, наблюдаемое падающим наблюдателем, замедлилось в одной и той же пропорции, включая его пульс и темп, в котором он стареет. Именно поэтому падающий наблюдатель не замечает изменения темпа хода времени.

Но чтобы такое пропорциональное замедление всех временных процессов действительно имело место, необходим универсальный материальный носитель этих временных процессов. Им и являются безмассовые кванты энергии, движущиеся со скоростью света. И неумолимый ход времени прямо связан с неуничтожимым движением света.

Гравитационное поле, воздействуя на скорость движения безмассовых квантов энергии (как среда) в соответствии с соотношением c ' = ( gik vi vk )1 / 2 или, в собственной системе отсчета, с соотношением c ' = c ( g00 )1 / 2 изменяет скорость течения всех временных процессов (физических, биологических, социальных и т.п.). Отсюда с необходимостью следует, что все массивные материальные тела в своей основе состоят из связанных безмассовых квантов энергии (геонов). Только в этом случае гравитационное поле способно универсальным образом воздействовать на всю весомую материю. Причем, поскольку такая основа является фундаментальной, линейные размеры геонов не должны превышать 10 -33см, т.е. геоны должны быть планковскими геонами. Поэтому теоретический анализ образования планковских геонов должен быть следующим этапом в нашем исследовании. Этому этапу посвящена наша статья ( [5], с.23-42). См. также мою статью "Геоны, черные дыры и фундаментальная планковская длина".

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итак, исходя из требования, что за любым пространственно-временным процессом должен быть конкретный материальный носитель данного процесса и с помощью построенной ранее модели СТО (см. [6] ) мы пришли к выводу, что движение световых сигналов и физическое пространство-время – это понятия тождественные. В новой интепретации СТО и ОТО все пространственно-временные процессы основаны на обмене световыми (или аналогичными световым, безмассовыми) сигналами между структурными элементами физических тел.

Взаимодействие безмассовых полей с гравитационным полем может быть обусловлено рассеянием квантов этих полей на гравитонах – квантах гравитационного поля, что феноменологически можно представить себе в виде кинематического показателя преломления гравитационной среды

n = c / c' = c / ( gi k vi vk )1 / 2 ……………( 9 )

Отсюда получим

t' = t0 n ……… и …… l' = l0 / n …………..(10 )

И так как безмассовые кванты энергии формируют посредством взаимодействий пространственно-временную метрику между телами, то, учитывая ( 9 ) и (10 ), гравитационное поле оказывается ответственным за метрику пространства-времени в мире массивных объектов. Геометрия и тяготение, таким образом, оказываются тесно связанными между собой.

В статье [6] мы пришли к выводу, что субстанциональной основой пространства-времени "вообще" являются безмассовые кванты энергии. В настоящей статье этот вывод получил свое дальнейшее развитие. С этой точки зрения геоны служат воплощением идеи Эйнштейна о частицах как сгущениях (сингулярностях) искривленного пространства-времени.

Эйнштейн писал: "Мы приходим к странному выводу: сейчас нам начинает казаться, что первичную роль играет пространство; материя же должна быть получена из пространства, так сказать, на следующем этапе." [9, с. 243]. Однако, если субстанциональной основой пространства-времени являются безмассовые кванты энергии, этот вывод уже не кажется странным, так как именно они являются основой весомой формы материи.

Современное развитие физики подтверждает указанную точку зрения, но подходит к этому с другой стороны – со стороны объединения всех четырех взаимодействий и их точной симметрии при энергии Epl = 10 19 Гэв. В планковских масштабах частицы материи (как реальные, так и виртуальные), пока еще не имеют масс (то есть они подобны фотону). Внутренняя причина возникновения метрических отношений в пространстве и времени заключается именно в этом обстоятельстве.

В ортодоксальной интерпретации СТО и ОТО на первый план выходят понятия пространства и времени “вообще”, что не позволяет выявить материальные корни этих теорий и фактически затушевывает их суть. Ньютоновскую физику роднит с СТО и ОТО то обстоятельство, что все они исходят из представления о мире, как о пространственно-временном вместилище всего сущего, независимом от материи. В рамках этих теорий мир, или пространство-время, может рассматриваться и в отсутствие материи. В настоящее время ясно, что это фундаментальное предположение выглядит недостаточно обоснованным. Целью настоящей статьи и статьи [6] как раз и является попытка предложить другую структуру теоретической физики и указать то место на пути развития этой науки, начиная с которой она могла бы отклониться от выбранного ею магистрального пути. 

 

ПОСЛЕСЛОВИЕ. ДВИЖЕНИЕ И МИР СВЕТА

 

В заключение этой статьи, подытоживая все изложенное выше, выскажем некоторые гипотезы по поводу феномена движения массивных материальных тел. Действительно, что является истинной причиной относительного покоя или относительного движения тел. Мы знаем, что есть только одни частицы, которым движение присуще изначально. Это частицы, не имеющие массы покоя. Не они ли являются причиной всех остальных движений? Из нашей модели массы следует, что это действительно так. Поэтому мы должны рассматривать мир с позиции светового сигнала. Первичное, истинное движение - это движение безмассовых частиц. Оно является основополагающим. Все остальные движения вторичны, производны от этого первичного процесса.

Мир безмассовых частиц и мир массивных частиц - это два разных мира. И первый из них порождает второй.

С этой точки зрения все движения в различных полях, а также движение по инерции являются аномалией природы, следствием того, что безмассовые частицы оказались запертыми в замкнутом пространственном объеме. Мы привыкли считать инерциальное состояние материи первичным, а неуничтожимое движение света отклонением от общего правила. Но все, видимо, обстоит как раз наоборот. Эта ситуация аналогична случаю с системами Птолемея и Коперника. Система Птолемея отразила наши наглядные представления о движении Солнца и звездного небосвода. Нужен был Коперник, чтобы расставить все по своим местам. Так и современная физика строилась на основе понятий "относительный покой", относительное движение", как первичных, наглядных понятий. Сегодня необходимо поменять данную точку зрения на более отвечающую реальной действительности. Первичным является не относительный покой, а неуничтожимое движение света.

Что же дает такой подход? Если принять положение о том, что состояние мира, в котором существуют только безмассовые частицы, первично, а состояние мира, в котором есть "масса покоя" и "пространственно-временные отношения" - вторично, то при таком подходе не покажется удивительным и парадоксальным постулат Эйнштейна о постоянстве скорости света в любой инерциальной системе отсчета. Сами массивные ИСО являются образованиями вторичными, производными по отношению к свету и его движению. Выше мы уже показали, что существование в природе предельной скорости для скорости движения массивных тел (каковой является скорость света) обусловлено тем обстоятельством, что массивные тела в своей основе состоят из безмассовых (возможно, световых) частиц. Но свет не может обогнать свет (то есть сам себя). Система из двух связанных фотонов обладает инерционными свойствами и потому будет двигаться со скоростью, меньшей скорости света и даже покоиться. Скорость света для такой системы будет предельной скоростью. Таким образом и разрешается загадка существования в природе предельной скорости для массивных тел, равной скорости света. Действительно, нетрудно представить себе ситуацию, когда скорость движения тел будет конечной (бесконечная скорость - это бессмыслица), но неограниченной, то есть не имеющей предела. Но в действительности предел скорости существует. Механизм образования подобного предела скорости мы и раскрыли выше. А из существования предельной скорости для массивных материальных образований уже как следствие вытекает вывод о постоянстве скорости света в любой инерциальной системе отсчета. Таким образом, в построенной нами модели массы мы обнаруживаем естественное обоснование этому важнейшему из постулатов Эйнштейна.

Действительно, если принять, что в природе существует предельная скорость распространения сигналов (массивных или безмассовых), то ее абсолютная величина должна быть одна и та же во всех инерциальных системах отсчета. Ведь все эти системы, согласно принципу относительности, равноправны, и нельзя указать физический опыт, в результате которого можно было бы обнаружить различие между ними. Если бы предельная скорость распространения взаимодействий была разной в разных инерциальных системах отсчета, стало бы возможным отличить одну инерциальную систему от другой. Если считать принцип относительности универсальным, это невозможно. Отсюда следует, что предельная скорость (скорость света в вакууме) должна быть одной и той же в любой инерциальной системе отсчета.

Следовательно, постулат Эйнштейна о том, что значение скорости света в вакууме одно и то же во всех инерциальных системах отсчета можно заменить положением о том, что в природе существует предельная скорость передачи сигнала. Это главное утверждение. А в такой форме этому постулату легче найти рациональное объяснение (смотрите выше построенную мной модель массы).  

С другой стороны заметим, что ранее в статье по СТО [6] было высказано предположение что причиной постулата об относительности движения является невозможность численно сравнить между собой явления в разных инерциальных системах отсчета.

Говоря о пространстве и времени подчеркнем, что к пространственно-временным отношениям нас привязывает масса, она мешает нам "лететь" со световой скоростью, когда время как бы останавливается, а пространство теряет смысл. В мире света нет ни точек, ни мгновений, сотканные из света существа жили бы нигде и никогда.

Именно потому, что свет первичен, нет никакого смысла вводить механический эфир с его упругими свойствами для объяснения распространения электромагнитных или гравитационных волн. Такой эфир будет только вторичным порождением по отношению к свету и его миру. Свет существует в мире без вещества, обладающего массой, без упругого (следовательно, массивного) эфира, без пространственно-временных отношений.

Из всего вышеизложенного следует также, что и мы с вами, по видимому, являемся существами, "сотканными" из света. 

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Демин В.Н. "Основной принцип материализма",Москва,Политиздат,1983

2. Мэтьюз Дж., Уокер Р., "Математические методы физики",Москва,Наука,1972

3.Бом Д. Специальная теория относительности,Москва,Мир,1967

4.Галилей Г. Избранные сочинения,т.2,Москва,Наука,1966

5. Климец А.П. Новая интерпретация теории относительности, 2001

6. Мицкевич Н.В. Пространство и время в современной физике, в сб. "Методологические проблемы физики", Москва, Знание, 1981

7. Фок В.А. Физические принципы теории тяготения, ж-л "Вопросы философии", 1966, № 8

8. Эйнштейн А. Собрание научных трудов, т.2 .

9. Трофименко А.П. Белые и черные дыры во Вселенной, Минск, Университетское, 1991

10. Зайцев О.В. Физика о малом и большом, Ростов-на-Дону, 1992   

11. Эйнштейн А. Собрание научных трудов, т.1 ,с.388