Текст книги "Мир"

Владимир Голощапов
Мир

Светлой памяти учителя физики Средней школы №3 г Талдом Баринова Константина Васильевича – Учителя, Защитника Отечества, в боях прошедшего две войны, Мыслителя, Коммуниста.

Защитник Родины, мыслитель. Учителя в трудах учеников живут. Тебе, любимый мой учитель Я посвящаю этот труд!

Владимир Голощапов

Вступление

«МИР» – это ВСЁ! «МИР был ВСЕГДА». «МИР состоит из пустоты и атомов». Так говорил Демокрит, когда его спрашивали о МИРЕ.

В своей книге «ФИЗИКА КОСМОСА» я дал такое определение Вселенной: «ВСЕЛЕННАЯ – это БЕСКОНЕЧНОЕ ПРОСТРАНСТВО ВО ВСЕХ ИЗМЕРЕНИЯХ, В КОТОРОМ МАТЕРИЯ ОСУЩЕСТВЛЯЕТ СВОЁ БЫТИЕ».

С течением времени у меня созрело понятие, что это определение Мира, но МИР и Вселенная – это не одно и то же. Я предлагаю следующие определения.

«МИР» – это БЕСКОНЕЧНОЕ, БЕСКРАЙНЕЕ ПРОСТРАНСТВО ВО ВСЕХ ИЗМЕРЕНИЯХ, вместе с материей, осуществляющей в нём своё бытие.

«ВСЕЛЕННАЯ». Само слово «вселенная» говорит о том, что что-то куда-то вселено. Это «что-то» – вся существующая материя. А значит:

ВСЕЛЕННАЯ – это ВСЯ материя, которая осуществляет своё бытие в бесконечном, бескрайнем пространстве МИРА.

МАТЕРИЯ

Что же такое материя? Кратко я бы определил так. МАТЕРИЯ – ЭТО ТО, ИЗ ЧЕГО состоит ВСЁ.

Как же в современном мире представляется материя. Материя – это философская категория для обозначения объективной реальности, которая существует независимо от нашего сознания и отражается в нем. Материя – это абстракция, субстрат всех многообразных свойств и отношение реально существующих форм движущейся материи. Материя неисчерпаема на любых уровнях ее структурной организации: и электрон, и атом неисчерпаемы. В классической физике и общей химии материя – это любое вещество, имеющее массу и занимающее пространство, имея объем.

Я сформулировал определение материи так.

Материя – это всё то, что имеет свою массу, свою энергию и занимает пространство, имея объем.

МАТЕРИЯ – основа всех физических процессов, происходящих в Мире.

МАТЕРИЯ – это ЖИЗНЬ.

Введение

«В мире нет ничего, кроме движущейся материи, и движущаяся материя не может двигаться иначе, как в пространстве и во времени. Дело за наукой – определить истинную структуру мира», – высказался как-то философ, революционер В. И. Ленин. Давайте попробуем по возможности наших сил определить эту самую «истинную структуру мира». Для начала нам надо определиться, что же такое «материя», что включает в себя это понятие.

Начало

Исследователи физики пришли к выводу, что начало физике как науке положил Аристотель. В древности не было точного разграничения наук и все рассуждения о жизни, о природе считались философией. Выделение из всей этой философии физики как отдельной науки приписывают древнему философу Аристотелю (384–322 гг. до н. э.). Аристотель был выдающимся наблюдателем и большим знатоком природы. В своей книге «Метафизика» он заявляет, что существование всякой вещи обусловлено четырьмя причинами: 1) материальной причиной (субстрат), 2) формальной причиной (формой), 3) целевой причиной (энтелехия) («внутренняя цель» – слово, очень похожее на наше слово «интеллект»). Четвёртая причина – это ДУХ… Не имеющее формы вещество под действием силы может принять форму и стать пригодной для конечной цели. Движение по Аристотелю – это переход вещества в форму. Движение не имеет начала и конца, а его первопричиной является Дух (или Бог) – вечный РАЗУМ. Движение, согласно Аристотелю, – это цель существования. В труде «Вопросы механика» отражены физические представления Аристотеля. Закон свободного падения тел на землю по Аристотелю выглядит так: «В безвоздушном пространстве все тела падают бесконечно быстро. Скорость падения тела пропорциональна его весу. Железный слиток, падающий с высоты 100 локтей, достигнет земли одновременно со слитком весом в 1 фунт, падающий с высоты 1 локоть». Научные воззрения Аристотеля на физические явления природы, какими бы они не казались нам наивными, продержались более 2000 лет.

Лишь через 2000 лет итальянский учёный Галилео Галилей заложил начало новому учению, которое, хотя и было основано на физике Аристотеля, привело к результатам, которые вновь и вновь обнаруживали слабые места прежней теории. Во главу угла Галилео Галилей поставил новый метод исследования – систематический эксперимент. С помощью экспериментов он искал возможность выразить физические закономерности, пользуясь имеющимися тогда довольно скромными математическими средствами – в основном пропорциями и геометрическими образами. Исчисление бесконечно малых величин тогда ещё не было известно. Даже метод использования уравнений только-только зарождался. И всё же попытка Галилея математизировать физику явилась революционным шагом в науке. Благодаря Галилею мы располагаем таким мощным орудием познания, каким является мысленный эксперимент, сыгравший столь важную роль для Эйнштейна. Под этим понимается мысленное проведение такого эксперимента, который нельзя поставить на практике, однако, предугадав исход такого опыта на основании глубокого понимания природных явлений, можно ещё глубже постичь законы природы. Свои физические воззрения Галилей изложил в двух опубликованных книгах. 1) «Диалог о двух главнейших системах мира – птолемеевой и коперниковой» (Флоренция, 1632 г.). Эта книга вызвала недовольство инквизиции и послужила поводом для обвинения на возбуждённом церковью процессе против Галилея. 2) «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки, относящиеся к механике и местному движению» (Лейден, 1638 г.).

Несмотря на то, что Николай Коперник (1473–1543), Галилео Галилей и Иоганн Кеплер (1571–1630) смутно догадывались о бесконечности Вселенной, в своих суждениях они не выходили за рамки античных представлений о системе мироздания по Платону и Аристотелю, согласно которым Вселенная представляет собой замкнутую сферу. Галилею принадлежат любопытные рассуждения, в которых он на примерах (главным образом построенных на свободном падении тел) в словесной форме раскрывает закон сохранения механической энергии, хотя понятие энергии Галилею ещё не было знакомо. Галилею принадлежат также два открытия, сыгравшие важную роль в развитии физики. В результате наблюдений и размышлений он пришёл к выводу, что свободно падающее тело движется с постоянным ускорением и что движение тела, брошенного под углом к горизонту, складывается из прямолинейного равномерного движения по горизонтали и равноускоренного движения по вертикали. Так что траектория этого тела представляет собой параболу. Закон свободного падения тел и движение тела, брошенного под углом к горизонту, навсегда связаны с именем Галилея. Исследуя труды Галилея нельзя не поражаться широте его взглядов, глубине его мышления. Его учение – это то основание, это тот фундамент, на котором стоит современная физика.

Исаак Ньютон и его физические законы

Исаак Ньютон был тем гением, который сумел понять законы, управляющие движением земных и небесных тел. Для него за падением яблока на землю и за движением планет по околосолнечным орбитам стояла одна и та же причина: существование силы тяжести. В своём труде «Математические начала натуральной философии», изданном при содействии Галлея Королевской академией в 1687 г., Ньютон заложил основы классической физики со всеми её философскими приложениями. Для того чтобы сформулировать свои теоретические положения, Ньютону пришлось создать математический аппарат – исчисление бесконечно малых величин. По поводу приоритета в создании бесконечно малых величин у Ньютона были неприятные столкновения с Лейбницем (1646–1716). Для развития своего учения Ньютон старался исходить из самых первооснов. Прежде всего он определил понятия «пространства» и «времени», которые относил к абсолютным категориям и которые до наших дней остаются фундаментом физической науки. Пространство и время Ньютон определил следующим образом: «Абсолютное пространство в силу своей природы всегда неподвижно и неизменно. Абсолютное пространство не зависит от внешних обстоятельств. Абсолютное истинное математическое время течёт само по себе и в силу своей природы однородно и не зависит от каких-либо внешних обстоятельств». Утверждение Ньютона о том, что он не строит гипотез, трактуют по-разному, но как бы там ни было, ясно одно: труды Ньютона лежат в основе всей современной физики. В основе механики Ньютона лежат три его аксиомы.

1. Первый закон (закон инерции) – всякое тело, на которое не действуют внешние силы, сохраняет по инерции (вследствие наличия инертной массы) состояния покоя или равномерного прямолинейного движения (т. е. движется с постоянной скоростью по прямой траектории.

2. Второй закон (закон движения) – если на материальную точку с инертной массой m_r и скоростью v(t) действует вынужденная сила F, то движение точки описывается выражением dp/dt = F, где р = m_rt. Есть импульс материальной точки. Если инертная масса не изменяется по времени, то закон движения можно записать так: m_rа = F, где а = dv/dt – ускорение материальной точки.

3. Третий закон (закон действия и противодействия) – всякому действию существует равное по величине и противоположно направленное противодействие Этот закон отражает принцип равновесия сил. Его часто используют для того, чтобы выявить какую-либо неявную силу (m_ra = F, где a = dv/dt dp/dt = F). Если в законе движения ввести третью силу – силу инерции Даламбера, – тогда закон равновесия сил будет выглядеть так: F_r = —ma, а закон движения m_ra = F можно рассматривать как условие равенства сил F + F_r = 0

В своих «Началах» Ньютон подарил человечеству ещё одно крупнейшее открытие – закон всемирного тяготения

Ньютон обнаружил, что помимо инерции тела обладают ещё одним свойством: между всеми телами действует силы притяжения (гравитационные силы), обусловленные наличием у тел тяжёлой (гравитационной) массы. Создаваемая телом гравитационная сила пропорциональна его тяжёлой массе. Две материальные точки М_s и m_s, находящиеся друг от друга на расстоянии r взаимодействуют с силой G × γ_N = M_s × m_s/4πr². То есть эта сила обратно пропорциональна квадрату расстояния между точками. Множитель γ_N называется гравитационной постоянной и определяется экспериментально. В опытах Г. Кавендиша её значение по современным данным равно G = 6,67408·10¹¹ м³/(кг·с²) (в рациональной системе единиц ЦГС) Но первоначально запись Ньютоном этого закона была сделана вот в таком виде: F = Q(m₁/r³ + m₂/r³)r. А что же такое (m₁/r³ + m₂/r³)? Это формула всемирного закона распределения матери в космических телах Вселенной. Всемирный закон распределения матери в космических телах Вселенной гласит, что формы бытия материи во Вселенной различны. Космические же тела объединены одной общей закономерностью. Материя в космических телах располагается слоями в соответствии с плотностью. Самые плотные слои материи сосредоточены в центре космического тела. Плотность материи в слоях убывает обратно пропорционально кубу расстояния слоя от центра космического тела. То есть q_m = Q/r³. Здесь Q – масса вещества в слое, q – удельная плотность.

Ближе к центру располагается вещественная часть тела, а за вещественной частью следуют слои элементарных частиц, которые составляют силовое (гравитационное) поле тела. Ньютон интуитивно почувствовал эту зависимость и использовал её в Законе всемирного тяготения. Итак, изменение плотности гравитационного поля космического тела имеет вид обратной кубической гиперболы (рис. 2). Но как же так получается? Закон всемирного тяготения показывает нам, что сила взаимного притяжения между телами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, а концентрация квантов, которая и создаёт эту силу, обратно пропорциональна кубу расстояния.

Обозначим Gm количество гравитонов в слое (концентрацию гравитонов) символом «К». Тогда таблица слоёв по плотности будет выглядеть так:

Кубическая таблица G_m/r³

Как же превращается кубическая зависимость в квадратичную при гравитационном взаимодействии двух тел? Рассмотрим этот процесс на примере взаимодействия двух физических тел: тела «А» и тела «К» (рис. 3).

Надо заметить, что гравитационные поля каждого физического тела хоть и состоят из одинаковых по своему строению гравитонов, но принадлежат только своему физическому телу и с гравитационными полями других тел не смешиваются за исключением тех случаев, когда два физических тела сливаются воедино и образуется новое физическое тело. В этом случае у вновь образовавшегося физического тела образуется и своё, только ему принадлежащее гравитационное поле.

Воздействие тела А на тело К происходит посредством воздействия гравитонов, окружающих это тело, и равно усилию F= G(m_а : r³) × r. Здесь множитель m_а представляет собой весь комплекс квантов этого тела, но, так как кванты расходятся в направлении от центра во все стороны пространства, их усилие в одну сторону уменьшается обратно пропорционально кубу расстояния от центра этого тела, и чтобы узнать, какое усилие создадут кванты в данной точке «», например, нужно усилие всех квантов G m_а поделить на куб расстояния от центра масс тела до контрольной точки «n», например. Но так как во взаимодействии участвует не одна точка, а все точки линии о-n, сумма усилий будет равна F = G (m_к : r³) × (о-n). И так по всей длине линии О-К (r), соединяющей центры двух тел. Но тело, находящееся в точке «к», тоже имеет массу, а значит, и подвержено действию того же закона распределения квантов материи в пространстве. Оно тоже воздействует на тело «А» с усилием, равным F, вычисляемого по формуле F = G (m_к : r³) × r. В результате мы получаем, что на каждое тело и А, и К действуют неодинаковые силы, которые состоят из усилий квантов. Итак, для того, чтобы определить значения этих сил, мы выражение G (m_к : r³), определяющее силовое поле каждой точки, умножаем на расстояние между двумя точками «r»? Потому что линия r, соединяющая два взаимодействующих тела, состоит из точек, каждая из которых имеет силовое поле, выраженное формулой γm₁/r³. В итоге мы и получаем не кубическую, а квадратичную зависимость гравитационного взаимодействия двух тел.

Рис. 1. Распределение материи по плотности в пространстве. Направление стрелок указывает направление увеличения плотности тела

Рис. 2. Примерный график зависимости плотности слоя гравитонов от расстояния до центра космического тела

Тело А воздействует на тело К с силой F, равной G (m_а)/r³ × r. Тело К воздействует на тело А с силой F, равной G (m_к)/r³ × r. Суммируем эти усилия, действующие на каждое тело, получаем формулу:

F_а = G[(mа + m_к) : r³] × r;

F_а = G(m_к + m_а) : r², F_к = G(m_к + m_а) : r².

А в общем получается, что «Сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками с массами (m₁; m₂) и разделённым расстоянием действует вдоль соединяющей их прямой и пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними».

Физическая сущность материи

Физика описывает материю как нечто, существующее в пространстве и во времени (в пространстве – времени), – представление, идущее от Исаака Ньютона (пространство – вместилище вещей, время – событий); либо как нечто, само задающее свойства пространства и времени – представление, идущее от Лейбница и нашедшее выражение в общей теории относительности Эйнштейна. Материя имеет различные виды и различные свойства. Материя – составляющая Вселенной. Материя находится в постоянном движении, она как соединяется, образуя уплотнения различной степени, космические тела различных размеров и различной плотности, так и разъединяется в виде взрывов и излучений. «Изменения во времени, происходящие с различными формами материи, составляют физические явления» («Википедия»). Согласно ОТО Альберта Эйнштейна, «любое тело уже только благодаря факту своего существования обладает энергией, которая пропорциональна массе покоя m₀, каждое тело имеет своё энергетическое поле». Об этом же говорит и следующее определение материи: «Материя (от лат. māteria „вещество“) – фундаментальное физическое понятие, связанное с любыми объектами, существующими в природе, о которых можно судить благодаря ощущениям» («Википедия»). А что такое ощущение? Ощущение – это сигнал, получаемый нашим мозгом от того или иного рецептора нашего организма при каком-либо воздействии на наше тело. Значит, материя имеет своё энергетическое поле. Будем полагать, что эйнштейновское словосочетание «любое тело» обозначает любое материальное тело. Это положение ОТО является фактом, не подлежащим сомнению, это аксиома. Материальное тело – это материя, имеющая ту или иную форму (Аристотель). Это может быть звезда, а может быть и электрон. И звезда, и электрон, и другие материальные тела имеют своё энергетическое поле. А что такое «энергетическое поле»? Откуда берётся энергетическое поле? Какая энергия в этом поле? Ведь есть гравитационное поле, есть электрическое поле, есть магнитное поле. Уже определено, что энергетическое поле – это пространство, в котором материальное тело проявляет свои силы, имеющие то или иное происхождение (гравитация, электричество, магнетизм). Видимо, совокупность этих полей и имел в виду Эйнштейн в выражении «энергетическое поле». Значит, говоря о материальном теле, нельзя говорить об одном его энергетическом поле, а надо говорить обо всех энергетических полях этого материального тела. Все энергетические поля материального тела назовём энергетической оболочкой этого материального тела. Следовательно, любое материальное тело имеет свою энергетическую оболочку. Все тела – и звезды, и планеты, и молекулы, и атомы, и те элементарные частички, из которых состоят эти материальные тела, – есть не что иное как материя. Получается, что физическую суть материи можно определить одной фразой:

«МАТЕРИЯ – это ВСЁ ТО, ЧТО ИМЕЕТ СВОЮ МАССУ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКУЮ ОБОЛОЧКУ».

Характеристические признаки материи

С помощью сил своей энергетической оболочки материя производит различные действия. Энергия – это качественная и количественная характеристика действий материи или способности совершить эти действия. Гравитация, электрическая, магнитная энергия – это характеристики сил, объединяющих материю. Материя и поле, по сути, два неразделимых явления, по отдельности они существовать не могут. Одной из основных характеристик материи является масса тела. Масса тела – это характеристика, определяющая количество материи, содержащейся в этом теле.

Я считаю, что при таком определении деление массы на пассивную, активную, инертную не имеет смысла. В этом пункте я не согласен с формулой Эйнштейна: m = m₀/√1 – v²/c². Артуром Комптоном доказано, а опытами Вальтера Боте подтверждено, что количество материи в теле не зависит от скорости движения этого тела. При столкновении любых частиц, двигающихся с любой скоростью, закон сохранения импульса соблюдается. Эта формула Эйнштейна является результатом ошибочного мнения, что свет – это электромагнитные, нематериальные волны. Кинетическая энергия – это характеристика энергии движения материи. Сделаем небольшой обзор макро– и микромира на предмет определения материальности космических тел.

М. В. Ломоносов утверждал, что все вещества состоят из корпускул – молекул, которые являются «собраниями» элементов – атомов. Космические тела – звёзды, планеты, кометы астероиды, космическая пыль и пр. – всё это вещества, состоящие из молекул и атомов. Атомы состоят из ядра и электронов. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Все эти космические тела и частицы атома имеют свои энергетические поля, измерены их массы. Значит, они материальны. Следовательно, и элементарные частицы, из которых состоят все материальные тела, тоже материальны и должны иметь свои энергетические поля.

Элементарные частицы материи

Элементарные частицы в точном значении этого термина – первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. Существование элементарных частиц физики обнаружили при изучении ядерных процессов, поэтому вплоть до середины XX в. физика элементарных частиц была разделом ядерной физики. В настоящее время физика элементарных частиц и ядерная физика являются близкими, но самостоятельными разделами физики, объединенными общностью многих рассматриваемых проблем и применяемыми методами исследования. Главная задача физики элементарных частиц – это исследование природы, свойств и взаимных превращений элементарных частиц. Открытие элементарных частиц явилось закономерным результатом общих успехов в изучении строения вещества, достигнутых физикой в конце XIX в. Оно было подготовлено всесторонними исследованиями оптических спектров атомов, изучением электрических явлений в жидкостях и газах, открытием фотоэлектричества, рентгеновских лучей, естественной радиоактивности, свидетельствовавших о существовании сложной структуры материи. В 60–70-е гг. физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью, разнообразием и необычностью вновь открытых субатомных частиц. Казалось, им не будет конца. Совершенно непонятно, для чего столько частиц? Являются ли эти элементарные частицы хаотическими и случайными осколками материи? Или, возможно, они таят в себе ключ к познанию структуры Вселенной? Развитие физики в последующие десятилетия показало, что в существовании такой структуры нет никаких сомнений. Понятие «элементарные частицы» сформировалось в тесной связи с установлением дискретного характера строения вещества на микроскопическом уровне. Обнаружение на рубеже XIX–XX вв. мельчайших носителей свойств вещества – молекул и атомов – и установление того факта, что молекулы построены из атомов, впервые позволило описать все известные вещества как комбинации конечного, хотя и большого, числа структурных составляющих – атомов. Выявление в дальнейшем наличия составных слагающих атомов – электронов и ядер, – установление сложной природы ядер, оказавшихся построенными всего из двух типов частиц (протонов и нейтронов), существенно уменьшило количество дискретных элементов, формирующих свойства вещества, и дало основание предполагать, что цепочка составных частей материи завершается дискретными бесструктурными образованиями – элементарными частицами.