О проблемных вопросах современной физики, не имеющих однозначных решений

Введение

Человечество с давних пор пытается познать фундаментальные основы физического мира и к настоящему времени в этой области физическая наука достигла ошеломляющих успехов. Однако физикам до сих пор ещё не удалось дать однозначных логически обоснованных объяснений некоторых физических явлений, процессов закономерностей.

Например, Альберт Эйнштейн разработал и опубликовал в 1915 году общую теорию относительности, положив в её основу систему уравнений. Используя эту систему в отношении Вселенной, он пришел к противоречащим его взглядам выводу о том, что она не статична, а динамична. Поэтому с целью снять эти противоречия, он ввел в систему уравнений космологическую постоянную под названием лямбда-член, чтобы теоретически сделать Вселенную статичной.

Однако спустя десять лет после публикации ОТО, американский физик Эдвин Хаббл экспериментально доказал расширение Вселенной и тем самым опроверг утверждение Эйнштейна о её статичности. Ознакомившись с открытием Хаббла [4, с. 217], Эйнштейн удалил космологическую постоянную из системы своих уравнений и публично признал сою ошибку. В настоящее время расширение Вселенной является общепризнанным, а также известно, что её форма определяется средней критической плотностью (p_крит), содержащегося в ней вещества, величина которой составляет 10-29 г/см³.

Считается, что если плотность Вселенной меньше критической, то у неё открытая модель. Кривизна пространства у такой Вселенной отрицательна, пространство у неё простирается во все стороны бесконечно, а количество звезд и галактик в ней бесконечное множество. Вселенная в такой модели непрерывно расширяется. Фотоны света здесь, вышедшие из определенной точки, не вернутся в неё вновь, а движущиеся параллельно друг другу не встретятся никогда.

Если же плотность Вселенной больше критической, то кривизна у неё считается положительной, а пространство в ней конечно и замкнуто. Такая Вселенная определенное время расширяется, затем расширение у нее сменяется сжатием, и она носит название замкнутой модели.

Проведенные исследования средней плотности вещества во Вселенной, не дают возможности, в настоящее время сделать преимущественный выбор, между открытой и замкнутой моделями Вселенной.

Другой пример. Американский физик Фриц Цвикки [3, с. 28], изучая поведение отдельных галактик в их скоплениях, обнаружил у них более высокую скорость, чем она должна была быть, если принять во внимание массу видимого вещества, содержащегося в звездах и межзвездном газе. Из этого он сделал вывод, что в основе расширения Вселенной лежит невидимая материя, масса которой обеспечивает столь высокую скорость её расширения.

В настоящее время принято считать, что средняя плотность обычного вещества (электроны, протоны, нейтроны, нейтрино) составляют не более 8% от критического (10-29 г/см³), остальную энергию Вселенной составляет «неизвестно что), которую обозначили «темной материей и «темной энергией». Их доля вклада в полную энергию (массу) Вселенной составляет соответственно 25% и 67%.

Темная материя ничего не излучает и не поглощает, вследствие чего она невидимая. В тоже время она путем гравитации взаимодействует с излучающей (видимой) материей. Что представляют собой частицы темной материи до сих пор неизвестно, но предполагается, что они не распадаются и взаимодействуют между собой на уровне гравитации. С обычным веществом очень слабо взаимодействуют и движутся медленнее света. Кандидатов на роль частиц темной материи в настоящее время насчитывается уже значительное количество. Теоретически в эту группу частиц можно включить: небарионную темную материю (легкие и тяжелые нейтрино), аксионы, космионы и частицы WIMP (слабовзаимодействующие массивные частицы). Но пока ни одна из этих части экспериментально не была обнаружена.

Темная энергия обладает такими же свойствами, как и темная материя, но имеет существенное отличие от обычного и темного вещества, она одинакова во всех точках пространства, то есть её плотность одинакова как в Галактиках, так и вне их. Только ей одной присуще отрицательное давление, формирующее в веществе силу, препятствующую его растяжению. Её плотность не истончается со временем. В настоящее время ученые всего мира пытаются обнаружить эту неведомую силу. Так ученые Оксфордского университета предлагают объединить «темную материю и темную энергию в жидкость, которая обладает отрицательной гравитацией, отталкивающей вещество вокруг них». Однако, большинство ученых, из всех кандидатов, претендующих на роль темной энергии, отдают предпочтение физическому вакууму. Плотность его энергии не изменяется при расширении Вселенной, а это как раз и соответствует отрицательному давлению.

Таким образом, несмотря на обилие выдвинутых гипотез можно сказать, что ни одна из них не дает исчерпывающего объяснения механизма взаимодействия обоих компонентов с видимым веществом Вселенной. Поэтому следует признать, что на сегодня эти вопросы остаются открытыми.

В-третьих, в последнее время физики проявляют повышенный интерес к изучению внутренней пространственной структуре частиц, особенно пар «частица – античастица». И в этой области физических знаний ещё много.

Как известно, понятийный смысл слова «античастица» вошел в физическую науку в результате математического «открытия» антивещества английским физиком Дираком. Он составил уравнение, релятивистки описывающее электрон. При этом оказалось, что оно имеет два решения, имеющие два разных значения полной энергии электрона. Из чего следовало, что в природе существует частица, по массе одинаковая с электроном, но с противоположным знаком заряда. Анализируя свое уравнение, Дирак пришел к выводу, что такая загадочная частица объективно существует и назвал её позитроном.

E=  E= –

Позитроны были открыты в космических лучах Андерсоном. Затем были открыты другие античастицы: антипротон, антинейтрон, мюон, би – мезон. Было установлено, что античастицы обладают теми же физическими константами (масса, спин, магнитный момент и др.) как и частицы.

Физические и химические свойства пар античастица» хорошо изучены, а вот внутренняя пространственная их структура изучена ещё недостаточно. Заметным прорывом в этой области можно назвать работу российских ученых из Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ" [2, с. 267-283], которые разработали новую гравитационную модель внутренней структуры элементарных частиц и ядер атомов. Но в этой области физических знаний ещё много открытых вопросов и белых пятен.

 Анализ литературного обзора по вышеприведенным физическим явлениям, процессам, закономерностям свидетельствует о том, в той области физических знаний ещё много открытых вопросов и белых пятен. В данной статье автор попытался сформулировать определенные ответы на поднятые в статье вопросы на основе смоделированной системы взаимодействия материи и пространства, базирующейся на следующих принципах.

Принципы моделирования

Реалии (R) окружающего нас мира можно представить как:

R = W + P, где W – материя, P – пространство

Т – время форма взаимодействия материи и пространства.

Е_S – энергия форма взаимосвязи материи и пространств

В смоделированной системе, чтобы глубже понять роль каждой из компонент, материя и пространство были разделены до последних неделимых (гипотетических) частиц и обозначены следующим образом:

g – положительно, заряженная частица –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 одинаковы по модулю и обратны по знаку.

Пространство в смоделированной системе представлено совокупностями простонов, собранных в «силовые нити», которые, в свою очередь, образуют своеобразную «сеть», равномерно напряженную во всех направлениях за счет сил отталкивания одноименных зарядов.

Материя в смоделированной системе представляет собой совокупность гравитонов, размещенных определенным образом между силовыми нитями пространства. Способами этих размещений определяется все многообразие физического мира.

Все материальные тела (от частиц до галактик) движутся в силовых нитях пространства и деформируют их. Протон сжимает, а электрон расширяет силовые нити пространства. В этом их фундаментальное сходство и различие. Несмотря на то, что протон тяжелее электрона в 1840 раз, у них одинаковые по величине, но разные по знаку заряды.

Энергия является формой связи между материей и пространством. Здесь она выступает в двух ипостасях: энергии материи и энергии пространства. В современном мире все физические, химические, биологические, ядерные процессы, явления, взаимодействия происходят при непосредственном участии обоих видов энергии Они взаимно переходят друг в друга и служат основой для формирования всего многообразия различных видов материальной энергии и способов их перехода одного вида в другой.

Результаты моделирования

Согласно общепринятому сценарию, наша Вселенная возникла 13,8 миллиарда лет назад в результате Большого Взрыва. Непосредственно перед взрывом вся материя Вселенная была сосредоточена в крошечной точке меньше атома в виде сгустка энергии плотностью около 105 г/см^3.Ученые считают, что после Большого Взрыва Вселенная прошла несколько этапов своего развития. Эти этапы получили названия: планковской, инфляционной, фотонной и современной эпохи расширения Вселенной.

По пробуем рассмотреть эти формы, используя базовые положения системы взаимодействия материи и пространства.

Планковская эпоха длилась, от нуля до 10^-45 сек. Температура внутри Вселенной составила 10³²К. В этот период излучения материальной и пространственной энергий были обособлены и не взаимодействовали между собой, Материя Вселенной была компактно сформирована в одной области (рис. 1a).

Эпоха инфляции длилась10^-35 – 10^-32сек. К этому времени Вселенная остыла до 10²⁹К. Когда возраст Вселенной достиг 10^-35 секунд произошло перемешивание энергий, приведшее к её экспоненциальному взрыву, в результате которого её первоначальный размер увеличился 10⁵⁰ раз. В этот момент и образовались сгустки энергии материи (гравитоны и сгустки энергии пространства (простоны). При этом отдельные простоны группировались (объединялись) в «силовые нити», а другие остались «свободными». Гравитоны тоже объединялись (сливались) в сверхмассивные сгустки (частицы). В этот период расширения Вселенной началось формирование пространства из силовых нитей, образующих своеобразную «сеть», равномерно напряженную во всех направлениях за счет сил отталкивания одноименных зарядов. Вселенная тогда представляла собой со временем изменяющийся пузырь сферической формы (рис. 1b). Силовые нити ещё незамкнутые.

Фотонная эпоха – эта фаза развития Вселенной продолжалась 3 10⁵ лет. К этому времени температура Вселенной упала до 3500 К. В ней лавинообразно нарастала её прозрачность, а вместе с ней и плотность вещества, в результате она стала доступной для прохождения для световых волн. Наступила эра формирования звезд и галактик. К этому времени пространство во Вселенной представляло собой сформировавшуюся замкнутую «сеть» из силовых нитей пространства, «Сеть» придала Вселенной замкнутую и открытую форму (рис. 1c).

Современная эпоха развития Вселенной насчитывает около 14 миллиарда лет. Средняя температура реликтового излучения составляет 2,7 К. Форма Вселенной представляет собой сжатый изогнутый шар (рис. 1d). Такую ей форму придали галактики, движущиеся в силовых нитях пространства. Галактики объединяются в скопления и растягивают силовые нити пространства в направлении своего движения. А так как массы их значительно различаются друг от друга, то также различаются и силы, растягивающие пространство Вселенной в различных направлениях. Этим можно объяснить форму, которую имеет Вселенная в настоящее время.

Рис. 1. Форма Вселенной не различных этапах расширения

a – планковский, b – инфляционный, c – фотонный, d – современный, S – силовые нити пространства,  – простон

Рассмотрим взаимодействие невидимых компонентов Вселенной темной материи и темной энергии, с видимым веществом, находящимся в ней, в рамках смоделированной системы. В традиционной физике пространство официально носит название физического вакуума. По мнению многих физиков, вакуум содержит бесконечный океан энергии [1, с. 285]. В смоделированной системе пространстве представляет собой Мировую сеть из силовых нитей. Она образовалась на ранних стадиях развития Вселенной и в ней законсервирована большая часть энергии материи, затраченной на увеличение объема пространство. Это свидетельствует о том, что она также представляет собой неисчерпаемый источник энергии. Темную материю во Вселенной представляют простоны. Из них состоят силовые нити. Они противодействуют сжатию силовых нитей при движении гравитонов в них, из которых состоит все, что материально (рис. 2). Темная энергия – это энергия материи, законсервированная в силовых нитях в виде энергии пространства. При движении галактики растягивают силовые нити пространства в направлении своего движения и тем самым сжимают их. В результате этого сжатия высвобождается энергии пространства и переходит в энергия материи, которая порождает силу (F), действующую в направлении движения по формуле.

 

где Z – коэффициент сжатия силовых нитей,  – расстояние между силовыми нитями до начала сжатия,  - расстояние после окончания сжатия

F= k * E,

где k – коэффициент пропорциональности.

Чем меньше первоначальное расстояние между силовыми нитями пространства до сжатия, тем выше коэффициент сжатия, поэтому больше выделяется количество энергии материи и большая сила действует на галактики в направлении их движения. Из этого следует, чем дальше от наблюдателя находится галактика, тем сильнее она сжимает силовые нити окружающего её пространства, тем. больше энергии материи высвобождается. А значит, тем большую скорость она приобретает. Этим можно объяснить постоянно растущее ускорение расширения Вселенной.

Рис. 2. Сжатие силовых нитей при движении них гравитонов

S – силовые нити пространства, g – гравитон, p – простон

Познание внутренней пространственной структуры основополагающих частиц Мироздания является приоритетным направлением развития современной физической науки. Исследования, проведенные с использованием исходных показателей смоделированной системы, показали следующее. Рождение античастиц процесс уникальный и происходит он только при сочетании определенных условий. Энергия фотона, полученного от слияния двух и более фотонов, должна иметь размер определенного порога величин. Степень сжатия силовых нитей пространства в месте слияния фотонов должна быть сравнима со степенью их сжатия внутри рождающихся частиц, а количество свободных гравитонов и простонов должна быть достаточной для образования обоих частиц. Если одно из этих условий не выполняется, то рождаются не истинные, а виртуальные частицы, которые быстро исчезают.

1. Внутреннее пространственное строение частиц в паре «электрон – позитрон».

При прямом столкновении когерентных фотонов образуется фотон, энергия которого равняется сумме энергий исходных фотонов (рис. 3).

Рис. 3. Слияние двух фотонов в один фотон

E_m – энергия материи, -E_p – энергия пространства

Если при этом энергия образовавшегося фотона будет не менее 1,02Мэв, а это сумма масс покоя электрона и позитрона, то произойдет рождение этих частиц (рис. 4).

Рис. 4. Схема рождения пары античастиц электрон позитрон

W – вакуум, e^- электрон, e⁺ позитрон

Фотон, полученный в результате слияния исходных фотонов, сжимает силовые нити в том месте, где произошло их слияние. Энергия фотонов переносится по силовым нитям пространства. Внутри всех фотонов независимо от количества переносимой ими энергии заключено одинаковое количество силовых нитей. Различаются они только расстоянием между нитями. Чем большую энергию несет фотон, тем меньшее расстояние между силовыми нитями внутри фотона и тем меньше у него длина волны и наоборот. Фотон, ответственный за рождение пары электрон – позитрон, по сравнению с другими фотонами несет небольшое количество энергии, поэтому у него сравнительно большая длина волны, следовательно, не высокая и равномерная степень сжатия силовых нитей внутри фотона. Фотон – это волна в нем постоянно осуществляется переход энергии материи в энергию пространства и наоборот. В момент слияния фотон локально пронизывает физический вакуум (W), при этом свободные гравитоны и простоны, которые всегда присутствуют в вакууме, перетекают в него. При этом гравитоны сосредотачиваются в гребне волны, где превалирует энергия материи, а простоны накапливаются во впадине, где доминирует энергия пространства. Так рождаются электрон и позитрон. Они не аннигилируют, а разлетаются в разные плоскости (рис. 4).

Представленные материалы дают право предположить, что внутренне пространственное строение электрона представляет собой однородную структуру, состоящую из отрицательно заряженных частиц простонов, а позитрона из положительно заряженных частиц гравитонов. Электрон, движущийся по силовым нитям пространства, пронизывается ими. Его внутреннее строение сформировано таким образом, что расстояние между двумя силовыми нитями пространства при выходе из частицы значительно больше, чем при входе в неё. Следовательно, при своем движении он их расширяет, а позитрон, наоборот, их сжимает. Схема механизма движения частиц в силовых нитях пространства показана на рисунке (рис. 5).

Рис. 5. Схема движения частиц в силовых нитях пространства

a – позитрона, b – электрона, S – силовые нити пространства, r – расстояние между двумя силовыми нитями, r₁ r₂

Как видно из схемы электрон расширяет силовые нити пространства в направлении своего движения, позитрон их сжимает.

Наряду с рождением пар части электрон – позитрон наблюдается и обратный процесс их взаимное уничтожение аннигиляция. Она происходи при их столкновении. При их встрече (рис. 6a) разрушаются связи между простонами и гравитонами, из которых были сформированы электрон и позитрон. В результате аннигиляции энергия материи, затраченная эти связи и законсервированная в виде энергии пространства, вновь переходит в энергию материи и выделяется в качестве фотонов электромагнитного излучения, а свободные простоны и гравитоны возвращаются в физический вакуум (рис. 6b).

Рис. 6. Схема аннигиляции электрона с позитроном

W – физический вакуум, q – связь между частицами,  – гравитон,  – простон

2. Пространственное внутреннее строение частиц в паре «протон – антипротон»

Если при столкновении двух и более фотонов, возникнет фотон с энергией не менее 1,876 КэВ (сумма масс покоя протона и антипротона), то может возникнуть пара «протон – антипротон» (рис. 7).

Рис. 7. Рождение пары частиц протон – антипротон

p – протон, p^- – антипротон, - гравитон,  – простон

Как и в предыдущем примере, в месте столкновения фотонов вновь образовавшийся фотон локально пронизывает физический вакуум (W) и свободные гравитоны и простоны перетекают в него. Однако здесь будет наблюдаться несколько иная картина. Если первом случае энергия фотона составляла 1,02Мэв, то при рождении пары протон – антипротон она возросла до 1,876 КэВ. Степень сжатия силовых нитей пространства и расстояние между ними внутри этого фотона не одинаковое. Предполагаемая схема их распределения такая. В центре гребня и на его периферии эти показатели высокие, а в зоне между ними значительно ниже. Поэтому в центре гребня и на его периферии будут сосредотачиваться гравитоны, в зоне между ними простоны, Из простонов сформируется отрицательно заряженный кварк d, несущий 1/3 отрицательного заряда з, а из гравитонов два положительно заряженных кварка u, несущих по 2/3 положительного заряда. При этом отрицательно заряженные простоны, входящие в кварк d, компенсируются отрицательно заряженными гравитонами, входящими в кварк u. Энергия нового фотона будет затрачена на образование связей между гравитонами и простонами при формировании кварков, а также на связи между кварками при их соединении. В итоге образуется протон, несущий положительный заряд. В падине электромагнитной волны будет все наоборот. В её центре и на периферии степень сжатия и расстояние между силовыми нитями пространства будут ниже, чем в зоне между ними. В этой зоне будут копиться гравитоны и из них сформируется положительно заряженный антикварк d. В центре впадины и на её периферии сосредоточатся простоны и из них образуются два отрицательно заряженных антикварка u. Положительно заряженные гравитоны скомпенсируют отрицательно заряженные простоны, в результате формируется антипротон, несущий отрицательный заряд. Частицы не аннигилируют, а разлетаются. Протон при движении пронизывается силовыми нитями пространства. Его внутреннее пространственное строение способствует их сжатию. В результате расстояние между двумя силовыми нитями пространства при выходе из частицы значительно меньше, чем при входе в неё. Антипротон, наоборот, при своем движении расширяет силовые нити пространства (рис. 8).

Рис. 8. Схема движения частиц в силовых нитях

a – протон, b – антипротон, S – силовые нити, r – расстояние между силовыми нитями r₁  r₂

3. Пространственное внутреннее строение частиц в паре нейтрон – антинейтрон.

При слиянии двух и более фотонов с общей энергией равной не мене 1,879 КэВ (сумма масс покоя двух протонов) может произойти в месте слияния рождение пары частиц нейтрон – антинейтрон (рис. 9). Предполагаемая схема распределения степени сжатия силовых нитей пространства, внутри волны фотона, будет выглядеть следующим образом. В центре гребня степень их сжатия будет более высокая, нежели на его периферии. Здесь будут копиться гравитоны, из которых затем сформируется положительно заряженный кварк u. На периферии гребня будут сосредотачиваться простоны и из них сформируются два отрицательно заряженных кварка d. Общее количество простонов и общее количество гравитонов внутри волны фотона будет одинаковым, и они взаимно скомпенсируют заряды друг друга. Из кварков затем образуется нейтральный по заряду нейтрон. В центре впадины степень сжатия силовых нитей пространства будет более низкой, чем на её периферии. Её центр будет наполняться простонами и здесь сформируются два антикварка d, несущих 2/3 положительного заряда. На периферии впадины будут сосредотачиваться гравитоны, из них сформируется антикварк u, несущий 2/3 отрицательного заряда. Кварки скомпенсируют свои заряды. В итоге образуется нейтральный антинейтрон.

Рис. 9. Рождение пары частиц нейтрон – антинейтрон

n – нейтрон, n_a – антинейтрон

Нейтрон, как и другие частицы, пронизывается силовыми нитями пространства. Однако его пространственное внутреннее строение сформировано так, что расстояние между двумя силовыми нитями пространства при входе в частицу на выходе не меняется. Подобную внутреннюю структуру имеет и антипротон. Следовательно, обе частицы не оказывают влияния на проходящие сквозь них силовые нити пространства (рис. 10).

Рис. 10. Схема движения частиц в силовых нитях

a – нейтрон b – антинейтрон S – силовые нити, r – расстояние между силовыми нитями r₁ r₂

Заключение

1. Форма Вселенной результат взаимодействия материи с пространством. Главным формообразующим фактором является Мировая сеть, состоящая из силовых нитей пространства. На ранних стадиях развития Вселенной, когда силовые нити пространства ещё не были замкнуты, она была плоской. Затем силовые нити замкнулись, и форма Вселенной стала сферической. Форма современной Вселенной во многом определяется скоплениями галактик. Они движутся в силовых нитях Мировой сети и растягивают их в направлении своего движения. Они сильно различаются массами вещества, заключенного в них, поэтому и растягивают Мировую сеть в различных направлениях по-разному. Поэтому форма современной Вселенной сжатый изогнутый шар. Вселенная открытая и замкнутая.
2. Масса скрытого невидимого вещества составляет более 90% всей массы Вселенной. Она именуется темной материей и темной энергией. С позиции смоделированной системы обе они являются компонентами Мировой сети. Темную материю представляют простоны. Из них состоят силовые нити пространства. Они не видимы и с помощью их осуществляется гравитационное взаимодействие между телами, состоящим из видимой массы. Темная энергия – это энергия материи, затраченная после Большого Взрыва на растяжение силовых нитей в Мировую сеть и законсервированная в ней в виде энергии пространства.
3. Исследования процесса рождения частиц из энергии, проведенные в рамках смоделированной системы, свидетельствуют о том, что для этого необходимо сочетание определенных условий. Энергия электромагнитного излучения должна иметь определенный размер для возникновения данной пары «частица – античастица». Степень сжатия силовых нитей пространства должна быть сравнима со степенью их сжатия внутри рождающихся частиц, а количество свободных гравитонов и простонов должна быть достаточной для образования обоих частиц. Если одно из этих условий не выполняется, то рождаются не истинные, а виртуальные частицы, которые быстро исчезают. Внутренне пространственное строение частиц оказывает существенное влияние на их поведение. Так, электрон и антипротон имеют внутреннюю структуру, позволяющую им расширять проходящие сквозь них силовые нити пространства. Протон и позитрон, наоборот их сжимают. А нейтрон и антинейтрон не оказывают на них своего влияния.