Часть I.
Физические свойства пространства и материи при их взаимодействии и взаимосвязи
Глава 1.
Система моделирования взаимодействия материи и пространства
1.1. Принципы моделирования взаимодействия материи и пространства
Физические реалии окружающего нас мира (R) можно описать простой формулой:
R = W + P, где
W – материя;
P – пространство;
Т – время форма взаимодействия материи и пространства;
Е— энергия форма взаимосвязи материи и пространств.
Обе эти компоненты равнозначны, взаимосвязаны и взаимодействуют друг с другом.
Их нельзя сложить, их нельзя разделить, их надо рассматривать, как равнозначные части единого процесса, хотя наука в основном изучает материальную часть этого процесса.
По мнению автора, это связано с тем, что материю можно измерить, взвесить, расплавить, охладить, увидеть, придать ей движение и т. д.
Пространство, как правило, представляется как темная пустота, в которой протекают всевозможные процессы, события, явления.
Попытки осмыслить взаимосвязь материи и пространства предпринимались многими исследователями, но до настоящего времени в этом вопросе много неясностей и сомнений.
Одним из доминирующих камней преткновения здесь является характер взаимодействия между космическими телами, расположенными на значительном удалении друг от друга.
У ученых до сих пор нет единого мнения о природе действия сил тяготения, «близкого» или «дальнего» они действия.
Наибольший вклад в осмыслении данного вопроса внесли Исаак Ньютон и Альберт Энштейн. Первый математически описал закон всемирного тяготения, а второй установил связь между геометрическими характеристиками пространства и физическими свойствами материи. Однако прямого ответа о механизме воздействия одного гравитирующего материального тела на другое материальное тело они не дали.
По мнению автора, исчерпывающие ответы в этом случае можно получить, если рассматривать материю и пространство, как равноправных участников в формировании физических свойств материальных тел, всех процессов, событий и явлений, происходящих в окружающем мире. Для этого смоделируем следующую систему.
Будем рассматривать материю и пространство, как две противоположности, от взаимодействия которых зависят все процессы, происходящие во всех материальных телах, начиная от элементарных частиц и кончая галактиками.
Чтобы глубже понять роль каждой из компонент, разделим материю и пространство до последних неделимых (гипотетических) метрических величин и
обозначим их следующим образом:
g+ – положительно заряженная частица материи (гравитон);
p- – отрицательно заряженная частица пространства (простон).
Гравитон это («горячий») сгусток энергии материи, а простон это («холодный») сгусток энергии пространства Оба сгустка образовались в начальной стадии образования Вселенной.
Частицы равнозначны по величине и обратны по знаку.
Материя в смоделированной системе представляет собой совокупность гравитонов, размещенных определенным образом в пространстве, а пространство – совокупность простонов, размещенных между гравитонами и реально существующих без них.
Наличие заряда у простонов дает право представить организацию пространства в виде силовых линий, состоящих из проетонов, равномерно напряженных во всех направлениях за счет сил отталкивания.
Если поместить гравитоны между силовыми линиями пространства, то в силу их разнородности зарядов, последние будут испытывать деформацию (рис. 1.).
Рис. 1. Схема взаимодействия гравитона (g) с силовыми линиями (S) пространства
Деформация (сближение) силовых линий пространства будет сопровождаться выделением энергии, при этом будет совершаться работа по перемещению гравитона в силовых линиях пространства:
А = Fxd
Согласно второго закона Ньютона F =gха. Следовательно, на гравитон будет действовать сила в направлении движения, придавая ему ускорение.
При этом деформация силовых линий будет увеличиваться, а выделение энергии возрастать. Вместе с тем следует также отметить, что процесс этот будет постоянно замедляться из-за нарастающего сопротивления деформации силовых линий пространства.
В предлагаемой модели взаимодействия материи и пространства все материальные тела представляют собой совокупность гравитонов, размещенных в определенной последовательности в силовых линиях пространства. Именно эти два фактора – организация и размещение материи в силовых линиях пространства и определяют форму и свойства материальных тел, а так же все процессы, протекающие в них, формируют все многообразие реального мира.
В такой смоделированной системе у всех материальных тел будет просматриваться одна общая закономерность. Наибольшей деформации будут подвержены силовые линии, находящиеся в их центральной части (рис. 2).
Рис. 2. Нарастание деформации силовых линий пространства от периферии к центру материального тела.
При этом будет проявляться эффект мнимости, то есть как будто вся масса материального тела сосредоточена в его центре.
Степень деформации силовых линий пространства, окружающего материальное тело эквивалентна массе тела, а ее величина (u) пропорциональна количеству гравитонов, приходящихся на одну силовую линию пространства внутри материального тела и нарастает от периферии к центру.
U=kxS/n, где
U – степень деформации силовых линий пространства, окружающего материальное тело;
k – количество гравитонов в 1 грамме вещества;
n – количество силовых линий пространства в 1 см.
Каждому материальному телу соответствует свое гравитационно-пространственное поле с определенной степенью сжатия силовых линий пространства, окружающих данное тело.
При взаимодействии двух материальных тел их гравитационно-пространственные поля накладываются друг на друга, что происходит при этом с позиции смоделированной системы, представлено на рисунке 3.
Рис. 3. Сближение силовых линий в окружающем материальное тело пространстве в зависимости от массы тела
Пусть масса тела А больше массы тела В, следовательно – Ua> Ub. Поместим по одному гравитону между силовыми линиями пространства, окружающего материальные тела на одинаковом расстоянии (S) от их центров. В гравитационно-пространственном поле тела А силовые линии более деформированы (сближены), чем в гравитационно-пространственном поле тела В, поэтому здесь взаимодействие между гравитоном и силовыми линиями будут более интенсивными, чем в гравитационно-пространственном поле тела В. Здесь будет выделяться больше энергии, в результате чего скорость движения гравитона увеличится..
Ускорение движения гравитона в силовых линиях пространства приведет к появлению дополнительной силы, действующей на гравитон в направлении его движения.
Fдоп. = gxa
a =dS2/dt2
Таким образом, силы воздействия гравитационно-пространственного поля, окружающего материальное тело А будут больше силы воздействия гравитационно-пространственного поля материального поля В и будут составлять:
FA = FB + gxa
Обобщая все вышесказанное, можно сделать следующий вывод:
Чем массивнее материальное тело, тем сильнее воздействие силовых линий окружающего его гравитационно-пространственного поля на движение в них гравитонов. Вектор движения гравитонов в силовых линиях пространства направлен в сторону их большей деформации
Рассмотрим в рамках смоделированной системы механизм взаимодействия двух материальных тел, удаленных на значительное расстояние друг от друга, на примере Земли и Солнца.
Масса Солнца составляет 2х1030 кг, а масса Земли – 6х1024 кг. Расстояние между ними составляет 1,6 х 108 км.
Масса Солнца в 330 тысяч раз больше массы Земли, следовательно ее гравитационно-пространственный потенциал значительно превышает аналогичный потенциал Земли, а это означает, что Солнце в большей степени и на более дальнее расстояние деформирует силовые линии окружающего его пространства, чем Земля.
При взаимодействии Солнца и Земли их гравитационно-пространственные поля накладываются друг на друга. В силу того, что гравитационно-пространственный потенциал Солнца выше, чем у Земли, вектор напряженности их общего поля направлен к центру звезды, но не на всей протяженности разделяющего их пространства (рис. 4).
Рис. 4 Взаимодействие гравитационно-пространственных полей Земли и Солнца;
L – точка Лагранжа, F1S – движущая сила, F3 – поперечная сила.
Точка, где силы деформации силовых линий пространства двух взаимодействующих материальных тел уравновешиваются, носит название точки Лагранжа, в частности для тандема Земля – Солнце она находится на расстоянии 1 миллиона километров от Земли.
Силы, действующие в гравитационно-пространственных полях всех материальных тел универсальны, потому что первоисточником их действия являются взаимодействия положительно заряженных гравитонов с отрицательно заряженными проетонами. Их действия суммируются в одну результирующую силу и в зависимости от направления их действия они усиливают или ослабляют друг друга.
Так в примере гравитационно-пространственного взаимодействия Солнца и Земли они проявляются по-разному.
С освещенной стороны Земли вектор напряженности силовых линий пространства в гравитационно-пространственных полях Земли и Солнца имеют положительное направление и здесь они будут ослаблять друг друга. Их результирующая, хотя и будет направлена к центру Земли. Но по величине она будет значительно уступать результирующей векторов с темной стороны Земли, где они совпадают по направлению.
В итоге в направлении центра Земли действуют две противоположные силы, одна из которых, действующая с теневой стороны, значительно превосходит противоположную (рис. 5).
Рис. 5. Действие движущих сил на земную ось в зависимости
от ориентации к Солнцу поверхности земного шара: а) с освещенной стороны; в) с теневой стороны.
Под действием этой силы Земля падает на Солнце, но из-за наличия у нее поперечной скорости она движется по эллиптической орбите, совершая обороты вокруг Солнца.
В результате вращения Земли ее освещенная и теневая стороны постоянно меняются местами. Плотность же сложения земного шара неравномерна, поэтому движение силы в направлении центра Солнца, которая в основном зависит от массы сосредоточенной на теневой стороне Земли, также постоянно меняется по величине. Вследствие этого движение Земли по орбите происходит хаотично и орбита у нее не замкнута.
1.2 Размеренность пространства
Размеренность пространства в смоделированной системе рассматривается с точки зрения расстояний между ее силовыми линиями. Максимальное ее значение составляет 10—18м. (радиус действия сил слабого взаимодействия). Минимальное – равно размерам гравитона.
Различают следующие виды пространства:
Межгалактические пространства. Расстояния здесь между отдельными галактиками измеряются световыми годами – 1016м и парсеками – 3,26 х 1016м. Векторы напряженности силовых линий пространства направлены к центрам галактик. расстояние между силовыми линиями находится в верхнем пределе (10—18м) и не представляет препятствий для движения по силовым линиям фотонов электромагнитного излучения.
Межзвездные пространства – между отдельными звездами. Вектор напряженности силовых линий пространства направлен к центру галактики. Все остальные параметры аналогичны межгалактическим.
Пространства внутри звездных систем. Это пространства между центральной звездой и планетами, спутниками планет, кометами, астероидами. Расстояние здесь измеряется в километрах (от 105 до 109). Вектор напряженности силовых линий направлен к центру звезды. Остальные параметры аналогичны межзвездным.
Пространства между отдельными макротелами, расположенными на поверхности планеты. Расстояние между ними измеряется в метрах (от 106 до 10—3м). Вектор напряженности силовых линий пространства направлен к центру планеты остальные параметры аналогичны предыдущим.
Пространство между отдельными соединениями веществ, молекулами и атомами. Расстояния между ними измеряются в нанометрах (10—9м), но варьирует в широких пределах и в основном зависит от фазового состояния вещества. В газообразных средах расстояние между молекулами и атомами значительно выше, чем в жидкостях и твердых телах. Такая же зависимость косвенно наблюдается в изменениях расстояний между силовыми линиями пространства в этих средах. Так в газообразных средах фотоны электромагнитных излучений движутся с предельной скоростью света – 3 х 105 км/с. Это говорит о том, что расстояния между силовыми линиями пространства здесь занимают верхний предел (10—18м) и не препятствуют их движению. В то же время при прохождении прозрачных сред, таких, как вода (жидкость) и стекло (твердое тело) скорость электромагнитных излучений уменьшается на величину обратно пропорциональную показателю преломления среды (n):
cI =с/n,где
cI– скорость света в прозрачной среде;
c – скорость света в вакууме;
n – показатель преломления среды.
В свете смоделированной системы снижение скорости света при переходе из газообразной среды (воздух) в оптически более плотные среды (вода, стекло) объясняется уменьшением в них расстояний между силовыми линиями пространства. При этом частота волны не изменяется. А длина волны становится меньше.
Внутриатомное пространство – это пространство заключенное между ядром и электрической оболочкой атома. Силовые линии пространства здесь деформированы. Вектор деформации направлен от электронной оболочки к атомному ядру.
Внутриядерное пространство – пространство, отделяющее друг от друга протоны и нейтроны, составляющие атомное ядро. Силовые линии пространства здесь сильно деформированы, расстояния между ними наименьшее по сравнению с другими видами пространств.
1.3 Энергия пространства
Понятие энергии одно из основных понятий в физике, а закон сохранения энергии – один из важнейших законов природы. Согласно этого закона энергия не возникает, не исчезает, а переходит из одного вида в другой.
Одним из важнейших принципов относительной теории Энштейна является вывод о связи энергии с массой.
Е = mc2
Коэффициентом связи здесь служит квадрат скорости света. Этим Энштейн подчеркнул, что энергия – это не что иное, а движущая масса.
В смоделированной системе в результате движения гравитонов в силовых линиях пространства они деформируются (сближаются), в результате чего выделяется энергия просранства (Ер), затраченное на их растяжение.
Следовательно, можно записать:
Еm = -Ep, где Еm – энергия материи;-Ep – энергия пространства.
Энергия покоя гравитона (Ео). она равна Ео = gc2
Энергия покоя простона (-Ео): -Ео = -px0, где x0 – коэффициент связи с пространством.
По условиям моделирования: g = -p,
следовательно gc2= -px0; c2=x0
Рассмотрим механизм перехода энергии из одного вида в другой с позиции взаимодействия материи и пространства на примере с маятником.
Маятник в среде с трением, качнувшись несколько раз, останавливается. Механическая энергия маятника переходит во внутреннюю энергию трущихся тел и их температура повышается. Затем в результате теплообмена внутренняя энергия нагретых тел переходит во внутреннюю энергию частиц, окружающего их пространства с более низкой температурой.
Считается, что этот процесс необратим и необходимость определяется не законом сохранения энергии, а другими неизвестными законами природы.
Использование смоделированной системы в этом случае, убеждает в том, что этот процесс определяется законом сохранения энергии.
Маятник представляет собой совокупность гравитонов, размещенных в определенной последовательности в силовых линиях пространства.
В результате приложенной к нему силы (F) он получает кинетическую энергию (Т) и совершает колебательные движения.
Кинетическая энергия расходуется на ускорение гравитонов маятника в силовых линиях окружающего пространства. В результате чего они деформируются (сближаются) с выделением энергии. Но кинетическая энергия – это энергия материи (движущаяся масса), а выделение энергии – это энергия пространства, что говорит о переходе одного вида энергии в другой.
С ростом энергии в силовых линиях пространства увеличивается частота и амплитуда их колебаний, а это ведет к уменьшению расстояния между ними.
Движущиеся в них гравитоны молекул маятника и воздушной среды, в которой происходит колебательное движение маятника, в результате сближения силовых линий пространства увеличивают скорость своего движения. Увеличение же скорости движения молекул газовой среды и скорости колебаний молекул в кристаллической решетке твердых тел приводит к повышению их температуры.
Следовательно, в данном случае имеет место обратный переход энергии пространства в энергию материи.
Увеличение частоты и амплитуды колебаний силовых линий пространства происходит локально – в межмолекулярное пространство маятника и воздушной среды. После окончания колебательных движений маятника приток дополнительной пространственной энергии в эту область заканчивается Избыток поступающей энергии из этой области переходит в окружающее ее межмолекулярное пространство воздушной среды. Частота и амплитуда колебаний силовых линий пространства выравнивается, а вместе с ней уравниваются скорости движения молекул воздуха и падает скорость колебания молекул в кристаллической решетке маятника. Происходит теплообмен, и температура маятника и воздушной среды выравниваются.
1.4 Пространственно-ядерная модель атома
В результате проведенных исследований было установлено, что существуют заряды двух различных родов – положительные и отрицательные, и что с одинаковыми зарядами тела отталкиваются друг от друга, а с противоположными притягиваются.
Изучение явления электризации показало существование в природе микрочастиц с зарядами противоположных знаков и наиболее распространенными из них являются электроны (-) и протоны (+).
Масса протона в 1840 раз больше, чем электрона, но заряды их равны по модулю и противоположны по знакам.
Из этих частиц построены атомы всех известных в настоящее время веществ и входят они в атомы в таких количествах, что их заряды компенсируют друг друга, поэтому атомы электрически нейтральны.
Представление о структурном строении атома дает ядерная модель атома водорода, предложенная Э. Резерфордом (рис. 6).
Рис. 6. Ядерная модель атома водорода
Атом водорода считается простейшим атомом. Он состоит из положительно заряженного ядра (один протон) и отрицательно заряженного электрона, обращающего вокруг него на расстоянии r – 10—10м.
Кулоновская сила притягивает электрон к ядру, но он обладает поперечной скоростью V, поэтому не притягивается к ядру, а ускоренно движется вокруг него по орбите с радиусом r.
Электрон, как всякая ускоренно движущаяся заряженная частица, должен непрерывно излучать энергию и в итоге должен быть притянутым к ядру. В действительности этого не происходит. Атом является исключительно устойчивой системой и излучает и поглощает электромагнитные волны только при определенных условиях.
Эти противоречия были сняты в теории шведского физика Бора. Согласно ее электроны в атоме движутся по стандартным орбитам с определенными радиусами rn, которые не изменяются во времени без воздействия внешних сил. На этих орбитах, несмотря на то, что электроны движутся ускоренно, они не излучают электромагнитных волн. Излучают они лишь при переходе с более удаленной орбиты на близкую к ядру и поглощают квант энергии при переходе наоборот.
Более глубокое понимание закономерности строения и свойств атома дает современная квантовая теория строения атома, согласно которой электрон – это волна-частица и его движения в атоме описываются волновыми уравнениями. Что говорит о их неопределенности. С позиции квантовой теории орбиты электронов в атоме представляют собой геометрическое место точек, где с наибольшей вероятностью может быть обнаружен электрон, при этом с ростом радиуса орбиты вероятность найти электрон убывает.
Квантовая теория дает исчерпывающее представление о внутреннем строении атома и о взаимодействии ядра с электронной оболочкой в зависимости от его энергетического состояния, но сам механизм этого взаимодействия она не объясняет.
С позиций взаимодействия материи и пространства это выглядит следующим образом.
Как известно, электрон и протон обладают импульсом, следовательно, им соответствует определенная длина волны де Бройля, но обе частицы имеют массу и заряд, что позволяет их считать волнами-частицами.
Как волны обе частицы перемещаются по силовым линиям пространства и у каждой волны их определенное количество. Принимая во внимание, что у них огромное различие в массах, но их заряды равны по модулю и противоположны по знаку, можно сделать вывод, что частицы имеют одинаковое количество силовых линий пространства, но с различными расстояниями между ними.
Такая форма связи электрона с протоном позволяет глубже понять механизм их взаимодействия.
Протон представляет собой волну-частицу, имеющую собственный спин и в то же время это совокупность гравитонов, определенным образом размещенных в силовых линиях пространства. Плотно упакованные гравитоны совершают с определенной частотой вращательные движения в силовых линиях пространства, при этом выделяется энергия.
Эта энергия распределена по силовым линиям пространства, соединяющим протон с электроном и распространяется в направлении к электрону.
У электрона также имеется спин и это тоже волна-частица, представляющая собой совокупность гравитонов, определенным образом размещенных в силовых линиях пространства. При вращении электрона выделяется энергия, которая по силовым линиям пространства, соединяющим его с протоном, распространяется в направлении протона.
Плотность распространяющихся энергий уменьшается с увеличением расстояний от центров частиц. Там, где плотность потоков энергий сравнивается, проходят стационарные орбиты электронов.
Таким образом, в результате обращения электронной оболочки вокруг ядра во внутриатомном пространстве, плотности выделяемых энергий равномерно распространены по его объему. Это обеспечивает атому высокую стабильность независимо от зарядового числа атома и количества электронов в его электронной оболочке.
Следует отметить, что несмотря на выделение энергии ядром и его электронной оболочкой, в этом состоянии атом не излучает энергию.
Дело в том, что протон и электрон выделяет различные виды энергии. Равные по модулю и противоположные по действию на силовые линии пространства.
Протон выделяет энергию материи (Em), которая при движении по силовым линиям пространства сжимает их, а электрон выделяет энергию пространства (-Ер), которая при движении, наоборот, расширяет их. В этом и заключается фундаментальное различие между положительными и отрицательными зарядами.
Излучает или поглощает энергию атом лишь в случае, когда электрон переходит с одной орбиты на другую.
При переходе электрона с удаленной орбиты на более близкую к ядру, в связи с тем, что расстояние между силовыми линиями пространства уменьшается от электронной оболочки к ядру, электрон расширяет их. При этом выделяется энергия материи, которую атом излучает в виде электромагнитной волны определенной частоты.
Наоборот, при переходе электрона с ближней орбиты на удаленную от ядра, для этого необходимо совершить работу по сжатию силовых линий пространства, а на это необходимо затратить энергию. Дополнительную энергию атом получает, поглощая квант энергии (фотон) в виде электромагнитной волны той же частоты, что и при излучении.
В первом случае атом переходит из состояния с большей в состояние с меньшей энергией, а во втором случае наоборот.
При нулевом энергетическом состоянии атома внутриатомное пространство периодически изменяется за счет периодического изменения расстояния между силовыми линиями пространства, вызванного движением энергетических потоков от ядра к электронной оболочке и наоборот.
Энергия, идущая от ядра, сжимает силовые линии пространства, а энергия, идущая от элементарной оболочки расширяет их, в результате чего атом совершает колебательные движения.
1.5 Электромагнитные волны – результат взаимодействия материи и пространства
Еще в древности было замечено, что любое изменение положения или состояния материального тела происходит под действием сил и требует затрат определенного количества энергии, при этом энергия переносится от одного материального тела к другому с помощью различных носителей. Одним из таких носителей являются электромагнитные волны.
Электромагнитные волны, образуются в результате отрыва переменного электромагнитного поля от колеблющегося электрического заряда и осуществляют перенос энергии в пространстве в направлении их распространения.
Скорость электромагнитных волн – это скорость перемещения их фронта, она определяется по формуле:
U = λxV,
где λ – длина волны, а V – частота колебаний, в герцах.
Электромагнитные волны – это поперечные волны. Они обладают всеми волновыми свойствами и имеют импульс.
В бегущей электромагнитной волне возникают системы взаимно перпендикулярных периодически изменяющихся электрических и магнитных полей. Векторы этих полей Е и В колеблются в одной фазе, а плотность энергий электрической и магнитной компонент и их амплитуда равны между собой.
Световые волны являются одной из разновидностей электромагнитных волн и представляют собой энергетические пакеты (фотоны), различающиеся между собой количественно переносимой энергией, которая определяется их частотой. Чем выше частота, тем больше энергии несут электромагнитные волны. Из известных в настоящее время световых волн самыми энергонасыщенными являются гамма-излучения.
В вакууме световые волны достигают предельной скорости – 3 х 105 км/сек. Согласно известных физических законов, выше этой скорости ни частицы, ни фотоны двигаться не могут.
Следует отметить, что современная теория электромагнетизма глубоко и всесторонне осветила физические свойства электромагнитных волн, но в их определении остаются еще неясности и сомнения, а именно:
– нет четкого понятия о механизме проявления корпускулярно-волновой двойственности фотонов света:
– нет объяснений предельной скорости света в вакууме.
Рассмотрим эти вопросы с позиции взаимодействия материи и пространства и в качестве примера будет служить излучение света атомами вещества, которое происходит при переходе электрона с удаленной орбиты на более близкую – к ядру. При этом происходит сжатие силовых линий пространства с выделением энергии.
Ее количество пропорционально расстоянию между орбитами и ширине расстояния между силовыми линиями пространства на отрезке перехода электрона с одной орбиты на другую.
Выделенная энергия излучается атомом в виде кванта энергии (фотона) с определенной плотностью. Плотность энергии кванта – это количество энергии, приходящееся на одну силовую линию пространства, следовательно, длина волны фотона с энергией Q определяется количеством силовых линий, несущих эту энергию:
λ = Q/Se= n, где
Q – количество переносимой энергии,
Se – количество энергии, приходящейся на одну силовую линию пространства;
n – количество силовых линий пространства.
Из этого вытекает следующее. Фотон – это волна с определенным количеством силовых линий пространства, двигаясь по которым она ведет себя как частица.
Во внутриатомном пространстве выделяются два вида энергии – энергия материи и энергия пространства, поэтому излучаемые атомом фотоны могут иметь только эти виды энергии.
Перенос энергии в пространстве электромагнитной волной (фотоном) осуществляется по силовым линиям в двух взаимно перпендикулярных плоскостях в направлении ее распространения, путем последовательного перехода энергии материи в энергию пространства и наоборот (рис. 7).
Рис. 7. Перенос энергии электромагнитной волной по силовым линиям пространства
Em – энергия материи; -Ep – энергия пространства; С – направление распространения электромагнитной волны; → (красный) – сжатие силовых линий пространства; → (синий) – расширение силовых линий пространства
При переносе энергии электромагнитной волной происходит периодическое сжатие и расширение силовых линий пространства.
Подводя итоги, можно сказать следующее:
– Фотоны света – это электромагнитные волны, движущиеся по силовым линиям пространства. У каждой волны их кратное количество, соответствующее ее длине. Этим определется их корпоскулярно-волновая двойственность.
– Скорость электромагнитных волн определяется скоростью колебаний силовых линий пространства, по которым они движутся, которая, в свою очередь, зависит от органических свойств среды распространения электромагнитных волн. В вакууме скорость колебаний силовых линий пространства наибольшая. Этим объясняется предельность скорости света в вакууме
Глава 2.
Типы взаимодействий материи и пространства
2.1. Гравитационное взаимодействие
Движение – это изменение положения материального тела в пространстве с течением времени в результате воздействия на него другого материального тела. Мера этого воздействия называется силой.
Одной из форм взаимодействия материальных тел является сила тяготения.
Согласно закона всемирного тяготения, открытого И. Ньютоном, все материальные тела притягиваются друг к другу. Силы притяжения между ними пропорциональны их массам и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними:
Fгр= G m1гр xm2гр/r2, где
G – гравитационная постоянная;
m1гр m2гр – гравитирующие массы;
r2 – расстояние между гравитирующими массами.
С другой стороны, в соответствии с уравнением механики (второй закон Ньютона), тело с массой mин под действием гравитирующей силы приобретает ускорение.
a = Fгр,/ mин, где
a – ускорение;
mин – инертные массы.
В законе всемирного тяготения масса тела (mгр) характеризует его способность притягиваться к другому телу. Во втором законе Ньютона масса характеризует способность тела сопротивляться скорости его движения и называется она инертной массой тела (mин).
Экспериментальным путем (опыты с маятником) было установлено равенство между двумя этими массами.
mгр = mин
Однако это равенство масс не следует ниоткуда, кроме опытных данных, более того, сам физический смысл этих понятий в корне различен. Если гравитирующая масса – мера гравитирующего притяжения тела, то инертная масса – мера сопротивления этого тела действию силы.
С позиции моделированной системы гравитационное взаимодействие материальных тел выглядит следующим образом.
Любое материальное тело, обладающее массой, деформирует силовые линии окружающего его пространства. Степень деформации определяется количеством вещества в материальном теле, то есть гравитирующей массой – mгр.
Силовые линии окружающего тело пространства противостоят этой деформации. Мерой этого сопротивления является сила, равная по модулю и противоположная по направлению гравитирующей силе, которая называется инертной массой – mин.
Таким образом, в смоделированной системе термин «масса» теряет свой двойственный смысл.
Здесь термин «масса» понимается однозначно, как сила, деформирующая окружающее тело пространство, которому противостоит сила сопротивления деформации силовых линий окружающего его пространства.
2.2 Электромагнитное взаимодействие
Как уже отмечалось выше, электромагнетизм материальных тел обусловлен существованием в природе частиц, несущих электрические заряды двух родов. Взаимодействие этих зарядов порождает электромагнитные силы, которые определяются с помощью закона Кулона:
Fэ. м. = kxq1xq2/r2, где
k – оэффициент пропорциональности;
q1,q2 – электрические заряды;
r— расстояние между ними.
Если заряды одноименны, то при их взаимодействии возникают отталкивающие силы, а если разноименные, то действуют силы притяжения.
Согласно квантовой электродинамике, любой электрический заряд окружен электрическим полем, силовой количественной характеристикой которого является векторная величина – напряженность электрического поля – Е.
E=F/q, где
F – сила, действующая на заряд;
q – пробный положительный заряд
Напряженность электрического поля характеризуется силовыми линиями, которые начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных.
Кроме векторной характеристики электрического поля, существует и его скалярная величина – потенциал – φ:
φ=П/q, где
П – потенциальная энергия положительного пробного заряда q;
q – пробный положительный заряд.
Каждой точке электрического поля соответствует свой потенциал. Изменение потенциала поля называется разностью потенциалов или напряжением:
П1/q – П2/q = φ1 – φ2= △φ = U, где
φ1 – φ2 – разность потенциалов; U – напряжение
Упорядоченное движение электрических зарядов называется электрическим током. В электрическом поле оно происходит под действием кулоновских сил, но может происходить и под действием неэлектрических сил, которые называются сторонними силами.
Движущиеся электрические заряды по характеру взаимодействия резко отличаются от взаимодействий неподвижных зарядов. Если неподвижные электрические заряды окружены электростатическими электрическими полями, где действуют кулоновские силы, то вокруг подвижных электрических зарядов, наряду с электрическими формируются магнитные поля и при их взаимодействии проявляются дополнительные магнитные силы.
Таким образом, проведенный литературный обзор говорит о том, что электромагнетизм и электромагнитные взаимодействия хорошо изучены, как теоретически, так и в практических приложениях.
Современная теоретическая физика, опираясь на принципы квантовой механики, глубоко и всесторонне обосновали базовые понятия теории электромагнетизма, вместе с тем следует отметить, что в ней оставались некоторые вопросы и сомнения:
– не ясна природа электрических зарядов;
– не раскрыт механизм взаимодействия электрических зарядов;
– не установлены причины возникновения электрического поля вокруг каждого заряда;
– почему положительные заряды перемещаются по направлению силовых линий напряженности электрического поля, а отрицательные против них;
– нет ответа на вопрос, где сосредоточена энергия неподвижных зарядов, только ли на заряженных телах или во всех точках электрического поля.
Попробуем ответить на эти вопросы с позиций смоделированной системы.
Электрические заряды в ее рамках представляют собой следствие взаимодействия материи и пространства. В качестве доказательства рассмотрим следующие примеры.
Как известно, из электронов и протонов построены все атомы веществ, и в них они входят в таких количествах, что их заряды компенсируют друг друга, поэтому атомы и состоящие из них вещества электрически нейтральны.
Возьмем два материальных тела А и В различной природы и наэлектризуем их контактным способом. При этом тело А потеряет электроны и зарядится положительно, а тело В присоединит электроны и зарядится отрицательно.
В первом случае у тела А появится определенное количество не связанных с электронами протонов, а во втором – у тела В появится такое же количество свободных электронов.
Выше отмечалось, что электроны и протоны по-разному взаимодействуют с силовыми линиями пространства. Протон их сжимает, а электрон расширяет.
Тело А, имея свободные от связей с электронами протоны, будет сжимать силовые линии окружающего его пространства. Чем больше количество «свободных» от связей протонов оно будет иметь, тем выше будет степень этого сжатия.
Протон, как волна-частица, имеет определенное количество силовых линий пространства и сжимает их только в этом диапазоне, поэтому вокруг тела А окружающее его пространство будет сжато отдельными линиями, соответствующими количеству не связанных протонов тела А. Линии силовые и будут исходить от тела А. Они векторны и имеют количественную характеристику. Это позволяет сделать вывод о том, что вокруг тела А сформировалось силовое поле, называемое электрическим.
Вокруг тела В сформировалось аналогичное силовое поле, но в отличие от поля вокруг тела А, здесь вектор напряженности силовых линий направлен не от тела, а к нему. Это связано с тем, что электрон в отличие от протона расширяет силовые линии пространства, поэтому у поверхности тела В расстояние между силовыми линиями пространства будут значительно больше, чем на расстоянии от него, а значит, здесь будут точки с самым низким потенциалом.
Если поместить заряженные тела А и В на определенном расстоянии друг от друга, то они будут взаимодействовать. При этом поле тела А наложится на поте тела В, и наоборот. В результате возникнет единое окружающее оба тела электрическое поле, размещенное в окружающем оба поля пространстве (рис. 8).
Рис. 8. Взаимодействие заряженных тел
В силу того, что электрон и протон имеют одинаковое количество силовых линий пространства, линии напряженности тел А и В имеют одинаковые модули, но противоположные векторы напряженности по отношению к силовым линиям пространства. В результате наложения полей А и В их линии напряженности объединяются и образуется единое силовое поле, линии напряженности которого исходят от тела А и заканчиваются на теле В.
Что же касается распределения энергии между заряженными телами и окружающими их электрическими полями, то это выглядит следующим образом (рис. 9).
Рис. 9. Распределение энергии между заряженными телами А и В и окружающими их электрическими полями.
Энергия материи не связанных протонов тела А движется по силовым линиям пространства и сжимает их. Максимальное количество энергии, а следовательно и максимум сжатия, отмечается на поверхности тела А (рис. 9 a). По мере удаления от тела А энергия убывает, переходя в энергию пространства, и на определенном расстоянии от тела В обе энергии выравниваются (рис. 9 b).
Энергия пространства свободных электронов тела В имеет максимум на поверхности тела В (рис 9 с) и по мере удаления на определенное расстояние от тела В уравнивается с энергией материи тела А (рис. 9 d).
Таким образом, у неподвижных зарядов максимальная плотность энергии Se (количество энергии, приходящееся на одну силовую линию пространства) достигает максимальных значений на их поверхности. По мере удаления от них она убывает, достигая нулевого значения.
2.3 Сильное ядерное взаимодействие
Массы атомов практически совпадают с массами их ядер, так как масса электронов, входящих в них составляет очень незначительную от них долю.
Кроме протонов в состав ядра входят нейтроны. Количество их в β легких-стабильных ядрах равно числу протонов, а в тяжелых ядрах нейтронов в 1,5 раза больше, чем протонов.
Ядра атомов – это стабильные образования. Устойчивость ядрам придают ядерные силы – силы притяжения. Они преодолевают кулоновские силы отталкивания, действующие между положительно заряженными протонами и связывают нуклоны (ядерные частицы) в одно целое.
Ядерные силы – короткодействующие силы. Радиус их действия r (12) 10—15 м. Это очень интенсивные силы, поэтому ядерное взаимодействие называется сильным.
Каждый нуклон ядра взаимодействует не со всеми нуклонами, а только с несколькими соседними.
Ядерное взаимодействие зависит от ориентации спина нуклонов. Протон и нейтрон могут образовать ядро (дейтрон) только в случае, если их спины параллельны, при антипараллельном спине интенсивность ядерных сил уже недостаточна.
В процессе ядерного взаимодействия протон и нейтрон могут обмениваться электрическими зарядами. В результате чего протон превращается в нейтрон, а нейтрон, наоборот, в протон. Этот процесс происходит с помощью π-мезонов, которые являются квантами ядерного взаимодействия, при этом один нуклон испускает π-мезон, а другой его поглощает.
Согласно современным представлениям, в теории сильного взаимодействия в последние годы наметились определенные достижения на основе систематизации адронов при помощи квантовой модели, а также квантовой хромодинамики. В то же время считается, что в построении теории сильного взаимодействия еще много неясностей и она нуждается в существенных уточнениях, а именно:
– какова роль нейтронов в формировании устойчивости ядра;
– чем обусловлен радиус действия ядерных сил;
– почему при антипараллельных спинах не образуется дейтрон.
С позиций смоделированной системы на эти вопросы можно ответить следующим образом.
Как известно, все многообразие свойств элементов периодической системы Менделеева определяется количеством протонов и нейтронов в ядрах и числом электронов в электронных оболочках их атомов. Например, с появлением в ядре легкого водорода (11H) нейтрона он превращается в дейтерий (21 H), который по своим свойствам существенно отличается от него. Присоединение к ядру дейтерия одного протона и одного нейтрона превращает водород в другой элемент – гелий (42 He), который отличается от него физическими и химическими свойствами.
Такая же тенденция отмечается у последующих элементов Периодической системы Менделеева.
Выше уже отмечалось, что при движении протонов и электронов по силовым линиям пространства выделяются материальная Em и пространственная -Ep энергии. Следовательно, в связи с увеличением количества протонов и электронов от элемента к элементу в их атомах возрастает общий поток выделяемой энергии, который все больше и больше захватывает все большее и большее количество силовых линий пространства. Ядра атомов увеличиваются в объеме, в них происходит переход количества в качество, в результате чего атомы приобретают новые свойства, не теряя устойчивости.
Какую же роль в этом играют нейтроны? Из таблицы Менделеева видно, что уже второй ее элемент – гелий (42 He) имеет в своем ядре два протона. Если бы в ядре не было нейтронов, протоны сжали бы окружающее их в непосредственной близости пространство до такой степени, что ядро бы не смогло образоваться.
Нейтрон, как известно. Представляет собой протон, поглощающий электрон, поэтому при его движении по силовым линиям пространства выделяется в одинаковой мере как энергия материи Em, так и энергия пространства -Ep.
Пространственная энергия нейтрона при его взаимодействии с протоном уравновешивает выделенную им энергию материи и тем самым обеспечивает внутреннюю устойчивость ядра. Отрезок пространства, на котором устанавливается это равновесие носит название радиуса действия ядерных сил и обусловлен величиной энергии пространстваEp, выделенной нейтроном.
Ep = Em = A
A = Fxd,
где F – ядерные силы; d = r = (1—2) -15 м – радиус действия ядерных сил.
Интенсивность ядерных взаимодействий протона и нейтрона определяется направлением распространения выделяемых ими энергий. Если распространение их энергий совпадает по направлению (рис. 10 а), то они связваются в дейтрон, а если не совпадают (рис. 10 в), то ядро не образуется.
Направление распространения энергий нуклонов совпадает, если их спины параллельны. Если же их спины антипараллельны, то энергии нуклонов распространяются в противоположных направлениях.
Рис.10.Схема взаимодействия нуклонов при различных направлениях распространения выделяемых ими энергий
p – протон, n – нейтрон, 2/1H – дейтрон, Em – энергия материи, Ep – энергия пространства.
2.4 Слабое взаимодействие
Экспериментально доказано, что в природе помимо сильного, электромагнитного и гравитационного, существует еще и так называемое слабое взаимодействие. Его интенсивность в значительной степени слабее первых двух, но сильнее гравитационного.
Как и ядерные силы, силы слабого взаимодействия являются короткодействующими. Радиус их действия rсл = 2x10—18 м. Это в 600 раз меньше радиуса действия ядерных сил.
Слабое взаимодействие считается распадным взаимодействием. Характерным временем для слабого взаимодействия считается время в 10—13 сек. По этому взаимодействию происходит β-распад нейтрона.
При β-распаде общая масса продуктов распада меньше массы (энергии покоя) исходной частицы. Избыток энергии покоя (энергия связи) освобождается в форме кинетической энергии продуктов распада. Спектр β-распада непрерывен из-за испускания при этом распаде нейтральных частиц с нулевой массой нейтрино и антинейтрино.
Сформированное таким образом современное представление о слабом взаимодействии может быть уточнено и углублено с позиций смоделированной системы следующими дополнениями.
1. При встрече протона с электроном они взаимодействуют слабым образом
P+e- → n+Υe
При этом большая часть пространственной энергии электрона -Ep и энергия материи Em переходит в энергию связи, образовавшегося при их объединении нейтрона, а из оставшейся (меньшей) части образуется нейтрон.
2. При β-распаде нейтрона образуется протон, электрон и электронное антинейтрально
n → P+e- Υe
Общая масса продуктов распада меньше массы нейтрона. Это происходит потому, что в нейтроне, состоящем из протона и электрона, часть его массы (энергия покоя) представляет собой энергию их связи – пространственной энергии электрона Ep и энергии материи Em. распадный процесс освобождает энергию связи. И она переходит в кинетическую энергию протона и электрона и на образование электронного антинейтрона.
3. Нейтрино и антинейтрино нейтральные частицы с нулевой массой. Они представляют собой волны-частицы, совокупность энергий материи и пространства, существующих независимо с определенным количеством силовых линий пространства. Их нейтральность связана с тем, сто они несут оба вида энергий – пространственную и материи почти с одинаковым модулем. Нулевая величина по массе обусловлена незначительным модулем несущей ими энергии материи.
4. Силы слабого взаимодействия проявляются в зоне энергетических связей отдельных частей, составляющих распадающиеся элементарные частицы атомного ядра. Перед распадом зоны действия энергетических связей отдельных частей испытывают избыток энергий материи и пространства, что приводит к нарушению энергетического равновесия и, в конечном итоге, к их распаду. Зона имеет определенное количество силовых линий пространства, в ней в момент распада элементарной частицы действуют силы слабого взаимодействия, ее величиной определяется радиус их действия.
2.5. Виды пространств максимального проявления фундаментальных взаимодействий и их интенсивность
Все выше перечисленные взаимодействия относятся к фундаментальным. Каждое взаимодействие имеет свой пространственный диапазон, где оно максимально проявляется:
– гравитационное взаимодействие обеспечивает существование и движение галактик, звезд и планетных систем. В межгалактических, межзвездных и планетарных пространствах оно максимально проявляется и определяет поведение небесных сил;
– электромагнитное взаимодействие обеспечивает устойчивость атомов, молекул, твердых тел и жидкостей, играет существенную роль в физических явлениях, в проявлении сил упругости, трения, поглощения и излучения фотонов. Пространственный диапазон проявления от 10—10 м до ∞;
– сильное взаимодействие обеспечивает существование и устойчивость ядер атомов. Это короткодействующие силы. Диапазон их максимального проявления – 10—15 м;
Конец ознакомительного фрагмента.