Реферат: Гравитационное взаимодействие

Энергия вакуумных флуктуаций

«В этой теории гравитационное взаимодействие - не фундаментальное взаимодействие, а результат квантовых флуктуаций всех других полей. В настоящее время достигнут большой прогресс в этом направлении ...»

Физическая энциклопедия. ГРАВИТАЦИОННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ.

Т.е. гравитационная энергия поля связана с энергией вакуумных флуктуаций. Такой подход позволяет рассматривать гравитационное взаимодействие естественным образом как результат подталкивания полевой средой тел друг к другу. Чтобы возникла гравитационная сила, должна существовать разность давления колебаний поля (вакуума) флуктуационного характера. То, что электромагнитные флуктуации вакуума могут подталкивать тела к сближению, подтверждено экспериментально - эффект Казимира.

«Поскольку любые флуктуации - это колебания вокруг некоторого среднего значения, физический вакуум рассматривается как квантовая система в состоянии с минимальной энергией, в среднем равной нулю. Поэтому квантовые флуктуации вакуума часто называют нулевыми колебаниями электромагнитного поля. ... При эффекте Казимира две параллельные пластинки можно рассматривать как резонатор, в котором существуют только те волны, для которых соблюдается условие резонанса: на расстоянии L между пластинками укладывается целое число n полуволн. Максимально возможная длина волн будет при n = 1 - в пространстве между пластинками не могут рождаться виртуальные фотоны с длинами волн, превышающими 2L. Поэтому плотность энергии нулевых колебаний в зазоре между пластинками меньше, чем снаружи, что и обусловливает притяжение пластинок. ... Эксперименты подтвердили теорию с точностью до 1%.»

Журнал "Наука и жизнь". 2002. 12. С.147.

Рассматривая гравитационное взаимодействие не как фундаментальное взаимодействие, а как результат флуктуаций поля, процесс можно представить так: под действием массы тела в окружающем пространстве (в вакууме) уменьшается плотность энергии нулевых колебаний поля и возникает разность давления, в результате происходит притяжение тел, т.е. со стороны тела амплитуда флуктуаций меньше.

«Нулевые колебания - флуктуации квантовой системы (обычно квантового поля) в основном (вакуумном) состоянии. ... Это важно при учете гравитации, универсально взаимодействующей с любой формой энергии, в том числе и с вакуумной, ... эффект Казимира делает нулевые колебания наблюдаемыми.»

Физическая энциклопедия. НУЛЕВЫЕ КОЛЕБАНИЯ.

Т.е. вакуумные флуктуации (нулевые колебания) представляют вакуумную форму энергии.

«Величина (61.47) носит название энергии нулевых колебаний электромагнитного поля, а состояние поля, при котором все n_ka равны нулю, называется вакуумом. Так как число слагаемых в (61.47) бесконечно велико, E₀ оказывается бесконечно большой. Для большинства процессов взаимодействия поля с веществом существенна лишь разность энергий двух состояний системы вещество - поле. Поэтому наличие в энергии бесконечно большого постоянного слагаемого в этих процессах не проявляется. Однако существование нулевых колебаний сказывается на некоторых процессах и приводит хотя и к очень малым, но наблюдаемым эффектам.»

ОТФ. Квантовая механика. И.В.Савельев. 1996. Т.2. С.346.

«Виртуальные частицы - кванты релятивистских волновых полей, участвующих в вакуумных флуктуациях.»

Физическая энциклопедия. ВИРТУАЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ.

Вакуумные флуктуации (нулевые колебания поля) под действием вещества (поглощаясь веществом) могут превращаться в реальные частицы, т.е. вещество (возбужденное состояние поля) является как бы катализатором в данном процессе.

Вещество "трясет" от флуктуационных колебаний поля, которые в веществе частично превращаются в реальные частицы - устойчивые возбужденные состояния поля, при этом уменьшается "температура" поля (амплитуда флуктуаций). Возникшие возбужденные состояния поля фотонного типа заметно разогревают большие массы вещества (планеты, звезды). Возникшие возбужденные состояния поля нейтринного типа проникают через вещество, почти не взаимодействуя с ним, унося с собой энергию, полученную из вакуума (поля). Согласно экспериментальным фактам, считается, что в каждом кубическом сантиметре пространства находятся около 500 фотонов и столько же нейтрино, это в миллиарды раз больше, чем протонов (из частиц только фотоны и нейтрино не распадаются и не аннигилируют).

Также можно предположить, что в центре галактик, где находится большая масса вещества, из вакуумных флуктуаций рождаются не только фотоны и нейтрино, но и другие элементарные частицы, которые в магнитном поле галактики из-за нарушения закона сохранения четности разделяются на две струи (спиральные рукава): одна - из частиц, другая - из античастиц. Такой процесс объясняет, почему у галактик два спиральных рукава и отпадает вопрос о сохранении барионного заряда. Например, выброс частиц на Солнце также происходит по линиям магнитной индукции. Наблюдаемое синхротронное излучение подтверждает существование сильного межгалактического магнитного поля. Магнитное поле, поворачиваясь, образует рукава в виде спирали. Чем быстрее поворачивается магнит, тем сильнее закручена спираль. Сильное магнитное поле в центре галактики можно наблюдать в виде "бара" (пересеченные спиральные галактики), где спиральные ветви начинаются не в центре ядра, а у концов своеобразной перемычки, проходящей через ядро.

«Примерно у половины S-галактик ядро сильно вытянуто и спиральные рукава начинаются с концов ядра. Такие галактики (пересеченные спиральные, или спиральные с перемычкой - "баром") обозначаются как SB-галактики.»

Физическая энциклопедия. ГАЛАКТИКИ.

«Как и в примере с антенной, вся система зеркально симметрична относительно плоскости, в которой течет круговой ток. При выполнении закона сохранения четности интенсивность излучения электронов бета-распада должна быть одинаковой по обе стороны этой плоскости. В эксперименте же наблюдалась резкая асимметрия: по одну сторону плоскости испускалось на 40% больше электронов, чем по другую.»

Физический энциклопедический словарь. ЧЕТНОСТЬ.

Звезды в спиральных галактиках как бы вращаются вокруг ее центра (ядра) против направления закручивания спирали. Если бы движение происходило к центру, то рукава за счет сохранения момента количества движения закручивались бы по направлению движения, как, например, у атмосферных циклонов. Также симметричное расположение спиральных рукавов указывает на то, что вещество исходит именно из центра галактики, а не наоборот: слишком большие расстояния между спиральными рукавами, чтобы они могли как-то по иному синхронизировать такую симметрию.

«Аннигиляционное излучение из области центра Галактики наблюдалось начиная с 1968 ... Источник позитронов неизвестен.»

Физическая энциклопедия. АННИГИЛЯЦИЯ.

Таким образом, получается, что спиральные галактики наполовину состоят из частиц и наполовину из античастиц. Спиральные рукава из вещества и антивещества, разлетаясь в противоположных направлениях, не пересекаются в пространстве, поэтому аннигиляции между ними не происходит, за исключением редких случаев, наблюдаемых как гамма-всплески. Только столкновением больших масс вещества с антивеществом можно объяснить исключительную мощность гамма-всплесков за сверхкороткое время. Энергия взрыва 10⁺⁴⁴ - 10⁺⁴⁷ Дж, которая выделяется в течение нескольких секунд, это больше, чем при самых грандиозных взрывах сверхновых, высвечивающих меньшую энергию за месяцы. С помощью современной аппаратуры в сутки в среднем наблюдается один гамма-всплеск. Многочисленные наблюдения показали, что гамма-всплеск - это чистый (аннигиляционный) взрыв, вещество почти не выбрасывается, выбрасывается чистая энергия в виде электромагнитного излучения и релятивистских частиц. Крутой фронт нарастания гамма-всплесков и медленный спад (послесвечение) говорят о том, что это именно взрывы, а не узкие лучи, например, от пульсаров. Если же предположить, что закон сохранения барионного заряда все-таки нарушается и в центре галактики под действием вакуумных флуктуаций рождаются в основном частицы, а не античастицы, то все равно под действием межгалактического магнитного поля происходит их разделение на две струи (у магнита два полюса), которые образуют два спиральных рукава.

В последнее время выяснилось, что красное смещение нельзя объяснить метафизической теорией "Большого взрыва" как расширение Вселенной из одной точки, так как были обнаружены звезды, возраст которых намного превышает время, прошедшее после взрыва. Возникло логическое противоречие - звезды уже существовали до "Большого взрыва", также взрыв из точки - это нарушение причинно-следственной связи, что недопустимо с точки зрения материализма. Вселенная однородна и изотропна, т.е. нет признаков "Большого взрыва". Таким образом, если взрыва не было, то красное смещение можно объяснить только затуханием электромагнитных волн. Т.е. электромагнитные волны, распространяясь в полевом пространстве, затухают (краснеют), передавая (возвращая) энергию колебаний полю, тем самым увеличивая "температуру" полевой среды. Получается, что электромагнитные волны могут поглощаться не только полем, находящимся в возбужденном состоянии (частицами вещества), но и полем, находящимся в вакуумном состоянии, постепенно затухая в нем. Таким образом, полевое пространство не является абсолютно идеальным для распространения электромагнитных волн и это наблюдается, как эффект затухания фотонов в физическом вакууме.

«Для луча, проходящего вблизи Солнца, эта дополнительная задержка составляет около 2·10^-4 сек.»

Физическая энциклопедия. ТЯГОТЕНИЕ.

Т.е. вблизи массы уменьшается "температура" полевой среды (аналогия: в холодной воздушной среде звук распространяется медленнее), что создает разность давления колебаний поля флуктуационного характера.

«Однако существуют нулевые колебания поля флуктуационного характера, энергия которых бесконечна, так как число степеней свободы поля бесконечно велико.»

Физическая энциклопедия. ФИЗИКА.

«... рассматривая для простоты однородное поле тяжести, наинизшее энергетическое состояние (нулевые колебания) электромагнитного поля там обладает ненулевой температурой ...»

Физическая энциклопедия. ЭЛЕКТРОДИНАМИКА.

Т.е., рассматривая в электродинамике поле тяжести, представляют вакуумное (низшее по энергии) состояние электромагнитного поля, где нулевые колебания обладают ненулевой температурой относительно условного нулевого уровня.

«В квантовой теории поля для описания вырождения вакуума удобно пользоваться эффективным потенциалом системы, определяющим плотность энергии в вакуумном состоянии, ...»

Физическая энциклопедия. ВЫРОЖДЕНИЕ ВАКУУМА.

«... вакуумное, или низшее по энергии, состояние следует представлять не в виде "пустого" пространства, а как своеобразную среду флуктуирующих с большой амплитудой полей.»

Физическая энциклопедия. ВАКУУМНЫЙ КОНДЕНСАТ.

Амплитуда флуктуаций в разных областях полевого пространства может быть различной. Чем выше "температура" вакуумной (полевой) среды, тем больше амплитуда флуктуаций. Вещество как диссипативная среда, преобразуя энергию флуктуаций в различные устойчивые возбужденные состояния поля, "охлаждает" вакуум, т.е. гравитация связана с "тепловым искривлением" полевого пространства. "Охлаждение" вакуума представляет отрицательное значение плотности энергии полевого пространства (гравитационного потока):

w = -gM² /8pr⁴

(формула для шара, при r большем, чем его радиус), где g - гравитационная постоянная, M - масса шара, r - расстояние от центра шара. Например, на поверхности Земли в каждом кубическом метре пространства величина полевой энергии имеет отрицательное значение 5.7·10¹⁰ Дж, что, согласно соотношению W = Mc² , соответствует 6.4·10^-7 кг, для сравнения - такую же величину гравитационной энергии связи на поверхности Земли имеет тело массой 920 кг.

«... напряженность гравитационного поля неподвижной материальной точки массой M, находящейся в начале координат, равна G = - g M/r² , ...»

Справочник по физике. Б.М.Яворский, А.А.Детлаф. 1996. С.75.

Соответственно, гравитационный поток:

Ф_g = -gMS/r² ,

где S - площадь. Плотность энергии гравитационного потока:

w = -G² /8pg,

Знак минус в формуле связан с отрицательным значением гравитационной энергии и означает то, что гравитационные потоки (линии гравитационной индукции) всегда начинаются в полевом пространстве (физическом вакууме) и имеют направление в сторону массы.

Гравитационный поток напряженности поля обладает энергией, например, энергия гравитационного поля (потока) шара:

« U = -3gM² /5R »

Задачи по общей физике. И.Е.Иродов. 2001. С.344.

Где M - масса шара, R - радиус шара, - чем больше масса, тем меньше энергия поля. Например, гравитационное поле Земли имеет отрицательную энергию 2.2·10³² Дж, что, согласно соотношению W = Mc² , соответствует 2.5·10¹⁵ кг, для сравнения - масса Земли 5.98·10²⁴ кг. Если же радиус шара равен гравитационному радиусу R = 2gM/c² , то масса отрицательной энергии гравитационного поля равна M_поля = -0.3M, т.е. составляет почти одну треть от массы шара. Дальнейшее сжатие или увеличение массы шара приведет к тому, что масса шара по абсолютной величине сравняется с массой гравитационного поля и их суммарная масса (энергия) будет равна нулю.

Таким образом, масса тела, забирая на себя энергию вакуумных флуктуаций, создает в окружающем полевом пространстве отрицательную плотность энергии поля. Т.е. гравитационный поток - это движущийся в сторону массы поток энергии флуктуаций поля, который в веществе превращается в различные устойчивые возбужденные состояния поля. Чем ближе к массе, тем меньше плотность внутренней энергии поля и тем меньше амплитуда флуктуаций, что создает разность давления в виде гравитационной силы. Только представляя гравитационное взаимодействие как результат вакуумных флуктуаций, можно дать логически непротиворечивое объяснение, почему гравитационная энергия поля имеет отрицательное значение. Чтобы уменьшить энергию гравитационного потока (по абсолютной величине), необходимо затратить энергию.

Надо заметить, что изменение "температуры" вакуумной (полевой) среды - это также изменение ее диэлектрической и магнитной проницаемостей, например, вблизи массы они увеличиваются, так как скорость распространения электромагнитных волн уменьшается e₀ m₀ = 1/c² . Изменение электрических и магнитных свойств происходит при изменении плотности среды.

«... скорость распространения электромагнитных волн - величина конечная. Она определяется электрическими и магнитными свойствами среды, в которой распространяется электромагнитная волна ... скорость распространения электромагнитной волны в вакууме: c = ( e ₀ m ₀ )^-1/2 ...»

Физика. В.Ф.Дмитриева. 2001. С.259.

«В частности, статическое гравитационное поле играет роль среды с электрической и магнитной проницаемостями ...»

Физическая энциклопедия. ЭЛЕКТРОДИНАМИКА.

Плотность гравитационных потоков влияет на диэлектрическую и магнитную проницаемости вакуума, что приводит к изменению скорости распространения электрической и магнитной напряженностей поля. Также это отражается на соотношении между массой и энергией M = e₀ m₀ W (W = Mc² ), так как определяется через диэлектрическую и магнитную проницаемости вакуума.

В гравитационном поле может замедляться не только скорость света, но и скорость движения элементарных частиц. Например, электрон, движущийся со скоростью, близкой к скорости света, при попадании в гравитационный поток, где скорость света меньше, чем скорость движения электрона, будет тормозиться, создавая даже в вакууме излучение Черенкова.

Если масса движется, то образуется вихревое гравитационное поле и так же, как у вихревого электрического поля, работа гравитационных сил при движении пробной массы по замкнутой линии может быть отлична от нуля.

«Работа сил вихревого электрического поля при движении электрического заряда по замкнутой линии может быть отлична от нуля.»

Физика. О.Ф.Кабардин. 1991. С.189.

Вихревые электрические поля (потоки) могут существовать без зарядов, также и вихревые гравитационные поля (потоки) могут существовать (распространяться) без массы.

«Вихревое электрическое поле отличается от электростатического поля тем, что оно не связано с электрическими зарядами, ...»

Физика. О.Ф.Кабардин. 1991. С.189.

«Импульсом обладают все формы материи, в том числе электромагнитные, гравитационные и другие поля.»

Физическая энциклопедия. ИМПУЛЬС.

Гравитационное поле (возмущение) имеет отрицательную энергию и массу, соответственно, получается, что обладает отрицательным импульсом - антиимпульсом, который создает антидавление - притяжение.

«... энергия гравитационного взаимодействия отрицательна, ...»

О физике и астрофизике. В.Л.Гинзбург. 1995. С.123.

Надо заметить, что упоминание об отрицательном значении гравитационной энергии поля убрано из учебников (удалось найти только один пример в сборнике задач), это, видимо, сделано для того, чтобы не возникало лишних вопросов, так как отрицательное значение энергии сразу наводит на мысль, что гравитация связана с "температурой" физического вакуума. Температура представляет состояние внутренней энергии вещества, а так как полевое пространство - это неовеществленная форма материи, то рассчитать, видимо, можно только изменение плотности внутренней энергии физического вакуума, которое происходит под действием массы тел.