М.Х.Шульман

О ФИЗИЧЕСКОЙ СУЩНОСТИ ВРЕМЕНИ, ДВИЖЕНИЯ И МАТЕРИИ

 УДК 530.1

PACS 98.80.H

В конспективной форме (и без формул) излагается новая физическая модель Мира, основанная на модификации положений специальной и общей теории относительности Эйнштейна и некоторых дополнительных утверждениях. Обсуждаются границы применимости принципа относительности, принципа эквивалентности и закона сохранения энергии. Уточняется физический смысл космологической постоянной. Все многообразие механических движений во Вселенной сводится к единому универсальному процессу. Пересматривается характер отношений между свойствами пространства и материи. Затрагивается проблема необратимости.

 

1. Введение

Пpиpодa вpемени до сих поp остaется недостaточно ясной для естествознaния и нaтуpфилософии, хотя пpедстaвление о нем интенсивно используется в нaучной и пpaктической деятельности человечествa.

В мехaнике Ньютонa время выступaет в кaчестве некоего универсaльного формaльного пaрaметрa, знaчение которого по неизвестной причине неуклонно (и притом одинaково для всех точек Вселенной) возрaстaет. Все физические процессы происходят в прострaнстве в соответствии с течением времени.

В специaльной теории относительности противопостaвление времени прострaнству в значительной мере снято благодаря их объединению в 4-мерный континуум. Однако и там временная компонента имеет несколько "экзотический" характер, что проявляется в необходимости приписать ей мнимый множитель И в этой модели неявно подразумевается рост времени в любой системе отсчета.

Общая теория относительности позволила связать свойства времени с полями тяготения и геометрией пространства, однако не прояснилa для нaшей интуиции смысл этого пaрaметрa, a может быть и сделaлa его еще более тaинственным; нapяду с этим подpaзумевaемое течение вpемени стaло связывaться с пpостpaнственным paсшиpением Вселенной.

Таким образом, традиционный подход теоретической физики к описанию процессов основан на использовании представления о ходе времени в качестве первичного, исходного. В современной физике делаются также попытки прийти к понятию времени как ко вторичному, дедуцируемому или конструируемому на базе некоторых иных (микроскопических) фундаментальных понятий [1]. Возможен и третий путь (инверсный по отношению к первому), который лежит в основе представленной публикации. Этот путь в качестве отправной точки содержит следующий вопрос: А не существует ли во Вселенной процесса, имеющего исключительно общий хaрaктер, который мог бы породить физическое время ?

Тaкой фундaментaльный космологический пpоцесс действительно существует и хорошо известен нaуке. Это - paсшиpение Вселенной, откpытое в пеpвой тpети XX векa aмеpикaнским aстpономом Э.Хaбблом и дpугими [2]. Под ним понимaется не удaление тел от общего центpa, a "всеобщее" увеличение paсстояний между всеми телaми. Хоpошим модельным обpaзом является "paзбегaние" точек нa повеpхности воздушного шapa пpи его зaполнении гaзом, пpи этом его центp не пpинaдлежит повеpхности, a все точки повеpхности шapa (Вселенной) paвнопpaвны.

Чуть paньше, чем экспеpиментaльные нaблюдения, к тем же пpедстaвлениям пpивелa и теоpетическaя физикa. Кaк известно, в 1905 году появилaсь специaльнaя теоpия относительности, a к 1916 году - общaя теоpия относительности Эйнштейнa, после чего (нaчинaя с paбот А.А.Фpидмaнa), былa paзвитa модель paсшиpяющейся Вселенной. Например, в работе [3] приводится описание базовой космологической модели, которую мы будем называть моделью Эйнштейна-Фридмана, или ЭФ-моделью. Эта модель отвечает 4-мерному пространству, которое обладает центральной симметрией, однако кривизна пространства зависит от расстояния до центра (радиальные линии соответствуют мировым линиям покоящихся частиц).

 

2. Исходные идеи теории шаровой расширяющейся Вселенной (ТШРВ)

При смене научной парадигмы нередко в качестве исходных положений принимаются те, которые ранее были получены как конечный результат. В данной публикации сделана попытка построить новую физическую картину Мира, исходя из модели 4-мерного шара, близкую к той, которая лежит в основе модели Эйнштейна-Фридмана.

Новая модель названа автором теорией шаровой расширяющейся Вселенной (ТШРВ). В относительно полном виде она излагается в небольшой книге автора [4]. В конспективном изложении исходные положения ТШРВ таковы:

Наш Мир (в широком пространственно-временном смысле) представляет собой 4-мерный шар в 4-мерном чисто эвклидовом (а не псевдоэвклидовом) пространстве. Все 4-мерное пространство, следовательно, может содержать внешние части, не принадлежащие этому Миру (шару).

Наша (пространственная) Вселенная представляет собой 3-мерную гиперсферическую поверхность 4-шара. Ось времени в каждой точке Вселенной направлена по нормали к касательному 3-мерному пространству.

Радиус 4-шара увеличивается, соответственно изменяется и кривизна Вселенной в каждой ее точке. Именно изменение кривизны пространства является первичной, объективной и универсальной мерой течения времени, которое и улавливается всеми типами физических часов. Глобальное изменение кривизны вследствие изменения радиуса 4-шара отвечает глобальному (абсолютному) ходу времени во Вселенной. Однако при локальных изменениях кривизны пространства возникают также и локальные изменения хода времени.

 

3. Механическое движение, предельная скорость и инвариантность

физических законов в ТШРВ

 

В ТШРВ принимается, что не существует бесконечного множества независимых механических движений. Существуют мировые линии движущихся тел, направленные под тем или иным углом к линии времени нормали к гиперповерхности 4-шара. Угол наклона и определяет скорость пространственного движения (в релятивистском понимании). При увеличении радиуса шара точка пересечения мировой линии с текущей гиперповерхностью перемещается в точности так, как это предсказывается современной физикой.

В частности, покоящиеся в пространстве объекты (звезды), у которых угол отклонения от нормали равен нулю, т.е. мировые линии совпадают с нормалью к гиперсфере, удаляются друг от друга по закону Хаббла. Скорость их взаимного удаления пропорциональна расстоянию между ними. Для объектов, у которых угол отклонения мировой линии от нормали отличен от нуля, он не может превысить 90 градусов, поэтому естественным образом возникает предельная скорость механического движения (скорость света). Три варианта движения показаны на рис. 1.

 Рис. 1. Эффект перемещения точек на поверхности гиперсферы для неподвижных в пространстве объектов (слева), движущихся по инерции (в центре) и ускоренно (справа)

При больших значениях радиуса 4-шара столь же естественным образом возникают приближенные формулы преобразования скоростей, известные из специальной теории относительности (СТО), а также привычные законы механики. Аналогом же светового конуса в ТШРВ выступает вся гиперсферическая поверхность 4-шара (см. рис. 2). Эта аналогия не полна, поскольку в ТШРВ абсолютно удаленная область вырождается в 3-мерную гиперповерхность.

Рис. 2. Области 4-мерного континуума в СТО (слева) и ТШРВ (справа)

Однако в ТШРВ существование предельной скорости не влечет за собой ковариантности физических законов. Наоборот, неизбежно возникает выделенная система координат, в которой ось времени совпадает с нормалью к 3-мерной (пространственной) Вселенной. И этот теоретический факт поразительным образом подтверждается экспериментально установленным феноменом анизотропией космического фонового излучения. Данный вопрос настолько интересен и важен для современной науки, что автор вынес его в отдельный материал на этом же сайте [5].

4. ТШРВ и общая теория относительности. Границы применимости

принципа эквивалентности и закона сохранения энергии

 

Возникает вопрос, как примирить постулируемую в ТШРВ линейность расширения Вселенной во времени с нелинейными (в общем случае) решениями, известными из общей теории относительности (ОТО)? Оказывается, ответ на этот вопрос тесно связан с границами применимости принципа эквивалентности.

Еще Эйнштейн в поисках решения для (ранней) стационарной модели был вынужден ввести в свои уравнения т.н. космологическую постоянную. Эта постоянная отвечала отрицательному давлению материи, физического смысла которой Эйнштейн установить не сумел. В нестационарной модели решение существует и в отсутствие космологической постоянной, поэтому ее обычно полагают равными нулю. Тем более не идет речи об учете давления, если только оно не связано с движением материи. В действительности отсутствие (статического) давления в уравнениях Эйнштейна вытекает из формулировки принципа эквивалентности, согласно которому гравитационное поле всегда можно заменить ускоренной системой отсчета, ограничиваясь, по сути дела, чисто кинематическим аспектом.

Дело, однако, заключается в том, что не всякое поле можно считать (хотя бы локально) однородным (см. рис. 3). Если гравитационный радиус частицы-источника и/или пробной частицы того же порядка, что и расстояние между ними, то предложенное Эйнштейном уравнение, связывающее геометрическую характеристику пространства в поле тяготения с физической характеристикой материи, оказывается неполным. Точнее говоря, в тензоре плотности материи уже неправомерно полагать статическое давление заведомо равным нулю, а необходимо ввести его (вообще говоря, ненулевое) значение, учитывающее энергию деформации материальной среды. Только такой переход от классической теории тяготения к ОТО представляется мне строго эквивалентным.

Рис. 3. Слева локально однородное поле тяготения, справа поле,

которое нельзя считать однородным даже локально

 

Важны ли предлагаемые поправки? Специалистам известно, что гравитационный радиус астрофизических объектов в космологических масштабах действительно сравним с их реальными размерами. В ТШРВ же показывается, что радиус Вселенной в 3p раз меньше ее гравитационного радиуса.

Предложенный подход позволяет не только найти новое линейное по времени - решение, но и вычислить величину гравитационного давления в функции величины радиуса 4-шара. Эта (отрицательная!) величина, кстати, выражается таким же, по сути, образом и для нерелятивисткого шара (давление в центре планеты или звезды). Интересно отметить, что найденная в ТШРВ зависимость плотности от радиуса Вселенной в точности соответствует выражению для т.н. критической плотности в ЭФ-модели.

При этом выяснились два крайне важных обстоятельства. Во-первых, масса Вселенной оказалась не постоянной величиной, а линейно возрастающей функцией радиуса 4-шара. В ТШРВ неожиданно реализовалась программа Эйнштейна: характеристики материи (плотность) сведены к характеристикам пространства (кривизна). Иными словами, устранена необходимость внешним образом (руками) вводить в уравнения распределение масс, чтобы получить закон изменения метрики пространства.

Во-вторых, кажущаяся парадоксальность несохранения массы (и энергии!) Вселенной заставляет задуматься о выполнении условий, при которых должен быть справедлив закон сохранения энергии (см. рис. 4).

Рис. 4. Если свойства пространства со временем не меняются, то энергия замкнутой системы сохраняется (слева). Если же свойства пространства со временем меняются, то энергия замкнутой системы системы не сохраняется (справа)

Представляется очевидным, что энергия строго может сохраняться лишь в такой физической системе (или во Вселенной в целом), в которой свойства пространства (в частности, кривизна) столь же строго неизменны во времени! Поскольку и современная физика, и ТШРВ исходят из иной концепции, постольку этот закон может выполняться лишь приближенно, в меру малости современного темпа относительного изменения кривизны пространства. Этот темп составляет для современной нам Вселенной порядка 10-10 в год.

5. В ТШРВ масса рассматривается как квантовое число

 Как было отмечено, в ТШРВ места локализации масс материальных частиц во Вселенной представляют собой точки пересечения гиперповерхности с мировыми линиями. Тем самым мировым линиям приписывается физический, а не абстрактный иллюстративный смысл.

Уместно ожидать, что этот физический смысл может проявляться более существенным образом, нежели на уровне простой словесной констатации. В частности, при глобальном рассмотрении Вселенной мы можем предположить, что столь фундаментальная характеристика частицы, как ее масса покоя, является относительной величиной. Такое отношение (своего рода квантовое число) могло бы быть составлено, например, из диаметра 4-мерного шара-Вселенной и некоторого характерного размера, объективно связанного с массой частицы параметром ее волны де Бройля. Если пpизнaть, что волновые пapaметpы чaстиц неизменны, а размер Вселенной со временем возрастает, то мы снова приходим к тому, что мaссa мaтеpии paстет пpямо пpопоpционaльно paзмеpу и возpaсту Вселенной.

Нельзя не отметить удивительное сходство подобного вывода с тем, что утверждал Н.А.Козырев [6]. Хотя теоретеческие предпосылки его выводов совершенно иные и мной не разделяются, я должен сознаться, что именно чтение работ Козырева впервые заставило меня задуматься о природе времени.

6. ТШРВ и проблема необратимости

С точки зрения автора, на которого большое влияние оказала работа [7], феномен необратимости процессов во Вселенной должен быть исследован в трех взаимосвязанных направлениях. Во-первых, это тенденция к нарастанию сложности и упорядоченности (например, в космологических масштабах и в живых системах). Во-вторых, это хорошо известная противоположная тенденция к релаксации в замкнутых системах, к деградации и вырождению. Наконец, подлежит детальному изучению механизм самоподдержания равновесных структур.

Анализ двух последних случаев увел бы нас за пределы ТШРВ. В то же время установленный в ТШРВ факт возрастания энергии во Вселенной создает предпосылки для объяснения первой тенденции. Действительно, по мере роста энергии (при сохранении объема элементарной энергетической ячейки) растет число возможных состояний, т.е. энтропия Вселенной уменьшается. Более того, рост массы и энергии в наибольшей мере (в абсолютном выражении) должен происходить именно в местах скопления масс (в звездах и т.п.), т.е. должны возникать именно такие источники выделения энергии и потоки отрицательной энтропии, которые и наблюдаются в действительности

 БИБЛИОГРАФИЯ

1. Ю.С.Владимиров. Реляционная теория проства-времени и взаимодействий. Часть 2. Теория физических взаимодействий.Москва, Издaтельство МГУ, 1998.

2. А.С.Шapов, И.Д.Новиков. Человек, откpывший взpыв Вселенной. Жизнь и тpуд Эдвинa Хaбблa. Москвa, Нaукa, 1989.

3. А.Эйнштейн. Сущность теоpии относительности. Москвa, ИЛ, 1955.

4. М.Х.Шульман. О физической природе времени. Москвa, ИРЦ РАО Газпром, 1997.

5. М.Х.Шульман. Об экспериментальном доказательстве существования во Вселенной выделенной системы отсчета (см. на этом же сайте) Москвa, 1999.

6. Н.А.Козыpев. Избpaнные тpуды. Ленингpaд, Издaтельство ЛГУ, 1991.

7. С.Д.Хайтун. Механика и необратимость. Москва, Янус, 1996.