§7. Природа гравитации. Ядерные взаимодействия

Физическая сущность природы гравитации до сих пор не известна. хотя люди давно интересовались этой проблемой. Аристотель(384-322 до н.э.), например, считал, что все тела занимают свое место в пространстве в зависимости от их тяжести - тяжелые движутся вниз, легкие - вверх, и все это обусловлено природой самих тел.
Более обстоятельную попытку объяснения сущности гравитации сделал Р. Декарт(1596-1650). Он связывал взаимное притяжение тел с их движением, и, главным образом с возникающими при движении вихрями. При вихревом движении, утверждал он, возникают центростремительные силы, которые будут перемещать частички вещества к центру вихря и располагать их в зависимости от размера - большие ближе к центру, меньшие дальше от центра, в результате чего и формируются планеты и окружающие их моря и атмосфера. В качестве доказательства он приводил характер движения воды в излучинах реки. Эта гипотеза Декарта была материалистической и верно отражала суть явления, но вся проблема заключалась в том, что он не разработал математический аппарат, описывающий это явление. По этой причине идея Декарта не была поддержана и развита другими учеными вплоть до наших дней.
И. Ньютон(1643-1727) прекрасно понимал сложность проблемы гравитации и то, что он не сможет ее решить в полном объеме. Поэтому он пошел по другому пути, который позволил ему понять и объяснить многие явления. обусловленные гравитацией: движение планет, падение тел на Земле, влияние Луны на моря и многое другое. И все это он смог сделать, приняв в качестве гипотезы, что сила притяжения между телами пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Поскольку этот закон не имеет физического обоснования, он является феноменологическим. Кстати, идея этого закона одновременно с Ньютоном выдвигалась его современником и коллегой по Королевскому обществу Р. Гуком(1635-1703).
Закон тяготения, открытый Ньютоном, прекрасно работал, хорошо описывал движение планет, однако, поскольку его механизм был не известен, вызывал некоторые недоуменные вопросы. Например, как тела могут взаимодействовать на расстоянии без всякой промежуточной среды? Или: почему взаимодействие между телами осуществляется мгновенно?
Сам Ньютон на такие вопросы, которые, он кстати, задавал себе и сам, отвечал так [16, с. 54]: “Предположить, что тело может действовать на другое на любом расстоянии в пустом пространстве, без посредства, передавая действие и силу - это, по-моему, такой абсурд, который не мыслим ни для кого, умеющего достаточно разбираться в философских предметах.” Поэтому Ньютон предполагает существование особой среды - эфира, в котором распространяется действие тяготения. Однако, о его свойствах он не может сказать ничего определенного: “Нет достаточного запаса опытов. какими законы действия этого эфира были бы точно определены и показаны.” Но поскольку закон тяготения хорошо описывал многие явления, Ньютон замечает: “Причину свойств тяготения я до сих пор не мог вывести из явлений. Довольно того. что тяготение на самом деле существует и действует согласно изложенным мной законам и вполне достаточно для объяснения движения всех небесных тел и моря.”
Однако, это утверждение Ньютона оказалось не совсем верным. В 1845 г. Леверье заметил, что движение ближайшей к Солнцу планеты Меркурий не может быть рассчитано по ньютоновской теории. Оказалось, что орбиты всех планет поворачиваются вокруг Солнца в своей плоскости в сторону их движения. Это движение орбит было замечено по смещению перигелиев планет - ближайших к Солнцу точек орбиты. Наибольшее смещение перигелия наблюдается у Меркурия. Оно составляет 532″ за 100 лет. Расчеты по формулам Ньютона дают величину, на 43″ меньшую.
Смещение перигелия у Меркурия поставило под сомнение теорию тяготения Ньютона, попытки исправить закон тяготения не спасали положения. Поэтому, когда недостающие 43” были объяснены с помощью общей теории относительности А. Эйнштейна(1879-1955), казалось, что все проблемы решены. Кстати, это обстоятельство было одной из главных причин признания общей теории относительности, которая объясняла физическую сущность тяготения как искривление пространства-времени тяготеющими телами, что весьма проблематично. Выше мы показали, что пространство и время - это различные физические понятия, которые имеют самостоятельное значение и по этой причине не могут быть объединены в единую физическую сущность. Кроме того, никакого искривления пространства в принципе быть не может, так как пространство есть геометрическое свойство материи, характеризующее ее протяженность. В главе VII это свойство пространства будет обсуждаться подробнее. Поэтому следует говорить не об искривлении пространства-времени, а, например, об изменении характера силового поля в пространстве. В связи с этим следует заметить, что философское и физическое обоснование любой теории должно быть более тщательным и материалистическим.
В параграфе 11 главы III мы дали другое возможное объяснение смещению перигелиев планет за счет торможения их движения со стороны физического вакуума. Такое объяснение не подрывает устои теории Ньютона, а только дополняет их.
В настоящее время делаются попытки объяснить сущность гравитации путем построения единой теории, объединяющей все известные на сегодняшний день виды взаимодействия: гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого. При этом выдвигаются необоснованные представления о многомерности пространства, о его связи со временем и другие, что вызывает сомнения в возможности построения такой теории.
Нами предлагается гипотеза о сущности тяготения, основанная на взаимодействии микрочастиц через посредство физического вакуума, которое может осуществляться на бесконечно большом расстоянии. Это оказывается возможным еще и потому, атомы при таком взаимодействии не будут нейтральными системами, как это считается при электромагнитном взаимодействии. Очевидно также, что при таком характере взаимодействия физическая картина взаимодействия будет очень сложной, поскольку она будет обусловлена взаимодействием огромного числа частиц, вращающихся в различных плоскостях и в разных направлениях, поля кинетической энергии которых будут взаимодействовать различным образом: и на притяжение и на отталкивание. Характер такого взаимодействия рассмотрен нами выше на примере вращающихся цилиндров, которые с некоторыми допущениями могут служить моделью элементарных частиц.
Считая, что притяжение Земли к Солнцу осуществляется только за счет взаимодействия ядер атомов, определим сначала взаимодействие меду двумя ядрами, оси вращения которых расположены перпендикулярно друг к другу в пространстве. Для этого используем формулу(IV. 1. 9):
,                                                                 (1)
где rср - плотность вакуума, V0 - окружная скорость ядра атома, RT - радиус ядра, - площадь поперечного сечения ядра, rT - расстояние между ядрами, равное расстоянию между Землей и Солнцем.
Приняв кг/м3, м/с, м, м, найдем силу взаимодействия между ядрами:

Будем считать, что все ядра взаимодействуют таким образом, т.е. сила взаимодействия, обеспечивающая взаимное притяжение будет минимальной. Для определения результирующей силы необходимо найти число атомов, входящих в состав Земли(nз), и число атомов, входящих в состав Солнца(nс) , используя для этого их массы:
;                                                                                   (2)
,                                                                                    (3)
где mз - 5,976·1024 кг - масса Земли, М = 1,99·1030 кг - масса Солнца, mат - масса атома.
Считая теперь, что каждый атом Земли взаимодействует с каждым атомом Солнца, найдем результирующую силу:
(4)
Примем. что все атомы на Земле и на Солнце являются атомами железа, т.е. одним из сравнительно тяжелых элементов, масса ядер которых будет в 55,84 раза больше массы атома водорода. Имея в виду, что масса атома водорода равна 1,672610-27 кг, найдем результирующую силу:
H.
Для сравнения найдем силу тяготения по закону Ньютона:
H
Как видим, полученный нами результат значительно превышает действительную силу притяжения Земли к Солнцу хотя мы и рассматривали минимальную силу взаимодействия. Это обстоятельство можно объяснить следующими причинами: 1) часть энергетического поля ядер блокируется электронами и другими ядрами, 2) часть ядер вообще не попадает в зону действия полей других ядер, 3) часть ядер взаимодействует не на притяжение, а на отталкивание. Таким образом, точный результат, при всем нашем желании, мы получить не сможем.
Поэтому можно с уверенностью утверждать, что тяготение в силу своей физической природы, нельзя описать точной математической формулой, а это значит, что закон тяготения будет иметь статистический характер. Следует отметить, что силы тяготения по своей физической сущности являются силами инерции, возникающими при движении частиц вакуума и обусловленные наличием градиента полей кинетической и потенциальной энергии. И еще интересно подчеркнуть тот факт, что тяготение представляет не какое-то неведомое притяжение тел друг к другу, а прижатие их с внешней стороны движущимся вакуумом.
И еще надо рассмотреть вопрос о дальнодействии сил тяготения, которое так часто ставят в вину теории Ньютона, подразумевая под этим быстродействие. Если же подойти к тяготению с рассматриваемых нами позиций, то сразу будет ясно, что дальнодействие осуществляется не за счет мгновенной передачи силы на большие расстояния, а потому, что поле тяготения постоянно существует на огромных расстояниях от притягивающего тела, и действует на все тела, где бы они не находились. Другое дело, что движение этого поля и какие-либо изменения, происходящие с ним, не могут передаваться с бесконечной скоростью.
Из всего изложенного следует, что Ньютон сделал максимум возможного для своего времени в разработке теории тяготения. И если обнаружились какие-то отклонения его закона тяготения от реальности, то можно было бы подумать над этим с позиций так называемой классической механики, а не объявлять ее неспособной и непригодной вообще. К сожалению, таких примеров в истории науки множество, ниже мы еще будем говорить об этом.
Теперь поговорим немного о силах внутреннего взаимодействия. Cейчас уже несомненно, что ядро атома не представляет собой единого целого, а состоит из каких-то частей, которые называют кварками, а объединяются кварки с помощью особых частиц - глюонов. Т.е. идея взаимодействия микрочастиц с помощью частиц-переносчиков используется для всех известных видов взаимодействия. Это происходит потому, что других идей нет. По нашему мнению и внутриядерные взаимодействия тоже можно объяснить за счет вращения составляющих ядра частиц, причем, чем с большей скоростью они вращаются и чем ближе они находятся, тем большая сила действует между ними. Это прямо вытекает из формул, полученных для взаимодействия цилиндров. И в этом случае окружающей средой, обеспечивающей это взаимодействие, является физический вакуум.
Оценим разницу в величине сил при взаимодействии микрочастиц на близком и больших расстояниях. Эта разница для одних и тех же частиц будет зависеть только от расстояния между ними. Из полученных в главе IV формул следует, что отношение сил будет зависеть от отношения , где Rч - радиус частицы. Для протонов, находящихся рядом и на расстоянии от Земли до Солнца это отношение будет равно:
,                                                       (5)
где lяд - расстояние между ядрами, равное примерно 2,5·10-15 м, а lс - расстояние между Землей и Солнцем, равное 1,5·1011 м. Подставив эти значения в формулу(5), найдем во сколько раз сила взаимодействия между рядом расположенными протонами будет больше, чем между удаленными протонами:
,
т.е. результат получился, примерно, таким же, как между электромагнитным и гравитационным притяжением электронов в атоме. Проверим это, используя известную формулу для электромагнитного притяжения электрона:
H
Гравитационное притяжение электрона к ядру найдем по формуле Ньютона:
(6)
Здесь: масса электрона mэл = 9,11·10-31 кг, масса протона mяд = 1,673·10-27 кг, гравитационная постоянная G = 6,672·10-11 Н м2/кг2, расстояние между частицами l1,2 = 0,5·10-10 м.
Используя эти данные получим:
,
Отношение сил Fэл и Fгр будет равно:
,
т.е. получился практически один и тот же результат.
Поэтому, по нашему мнению, следует посмотреть на все виды взаимодействий с предлагаемой нами точки зрения. Это поможет лучше понять действительную сущность взаимодействий на всех уровнях организации материи, причем с единых позиций.
В главе VII будет показана возможность деления материи до бесконечности. В таком случае все частицы, которые мы сейчас называем элементарными, в свою очередь могут состоять из других еще более мелких частиц. Первым шагом в таком делении можно считать кварки, из которых, предположительно, состоят все микрочастицы. Обнаружить кварки экспериментально мешает сильное взаимодействие между ними, причем такое, что с увеличением расстояния между кварками, сила взаимодействия увеличивается. Это можно объяснить только тем, что в “связанном” состоянии кварки тормозят друг друга. При попытке же разъединить их скорости их вращения существенно увеличиваются, что приводит к значительному увеличению силы притяжения между ними. То же самое можно сказать и о еще более мелких частицах, из которых могут состоять кварки, и т.д.