Со школьной скамьи мы слышим об электромагнитном поле и об его квантах – фотонах. При распространении электромагнитной волны в ней закономерно изменяются величины электрической и магнитной напряженностей поля. И все-таки хотелось бы представить движение фотона более наглядно. Для этого используем следующий подход: электромагнитная волна, как известно, действует на заряженные частицы, через которые проходит, вовлекая их в определенное движение. А теперь изменим задачу – пусть заряды двигаются так, чтобы они поддерживали саму волну. Тогда волна существует, пока есть движение этих зарядов (так волна на поверхности воды бежит до тех пор, пока не иссякнет направленный импульс движения частиц воды). В результате можно получить простейшую модель фотона как пучка заряженных частиц с «вмороженным» магнитным полем, с вращением частиц вдоль оси пучка при наличии в нем стоячих волн.
Выше уже говорилось о том, что протон можно считать аналогом нейтронной звезды, а мюон – аналогом белого карлика. Какой же объект может быть аналогом электрона? Рассмотрим эволюцию достаточно массивной звезды. В конце концов такая звезда превращается в нейтронную звезду, а все обращающиеся вокруг нее планеты с течением времени будут приближаться к ней все ближе и ближе, пока не будут разорваны на части ее мощным гравитационным полем. Ядра планет состоят в основном из тяжелого и сильномагнитного химического элемента – железа, поэтому можно ожидать, что вокруг нейтронной звезды возникнет устойчивое замагниченное облако. Интересно, что если вычислить то расстояние, на котором планеты разрываются на части, и разделить его на коэффициент подобия по размерам, то мы получим радиус Бора для главной орбиты электрона в атоме водорода. Отсюда следует, что электрон в атоме должен быть каким-то замагниченным облаком, и действительно в квантовой механике это так, причем электрон обладает собственным магнитным моментом. Перенося эволюцию звезды на эволюцию атома водорода, можно понять факт электронейтральности вещества, когда на один протон в среднем приходится один электрон.
Уже не одно поколение физиков-теоретиков пытается построить единую теорию поля, объединив в одном уравнении сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное взаимодействия. Определенные успехи уже есть – в 60-ых годах слабые и электромагнитные силы были описаны теорией электрослабого взаимодействия. Классический электромагнетизм практически полностью определяется уравнениями Максвелла, которые лоренц-инвариантны, то есть при переходе в другую движущуюся инерциальную систему отсчета с помощью преобразований Лоренца уравнения поля не изменяют своего вида. Достигается это тем, что в электромагнетизме имеется две напряженности поля – электрическая и магнитная, и соответственно два потенциала поля – скалярный и векторный, так что при изменении скорости движения системы отсчета электрическая и магнитная компоненты поля, измеряемые наблюдателем, будут меняться по вполне определенному закону. В противоположность этому имеющаяся теория гравитации кажется незавершенной – в ней присутствует только лишь скалярный потенциал и одна напряженность поля, а лоренц-инвариантность отсутствует. Что же происходит с гравитационным полем при изменении состояния движения наблюдателя?
Очевидно, что реальное физическое поле само по себе не может зависеть от движения наблюдателя, но может лишь выглядеть для него по-разному в зависимости от условий наблюдения. В общей теории относительности предполагается, что гравитационная и любая другая энергия тел в некотором объеме пространства изменяет кривизну этого пространства, его метрику. Тем самым задача движения тел в гравитационном поле сводится к определению геометрии пространства-времени. Более того, по принципу эквивалентности поле тяготения по своему проявлению тождественно ускоренной системе отсчета. А что если предположить, что гравитационное поле на самом деле лоренц-инвариантно и не может быть до конца сведено к геометрии пространства-времени? Тогда необходимо ввести еще одну напряженность поля – кручение, и соответствующий векторный потенциал. При этом оказывается, что уравнения гравитационного поля по своей форме напоминают уравнения Максвелла для электромагнетизма, причем все экспериментальные следствия теории относительности Эйнштейна остаются в силе. Взамен мы получаем логически замкнутую теорию гравитации.
Кроме этого, становится возможным говорить об едином электрогравитационном поле – ведь уравнения электромагнетизма и гравитации имеют одинаковую форму. Вспоминая, что сильное взаимодействие можно связать с ядерной гравитацией и электромагнитным взаимодействием частиц, приходим к тому, что искомая единая теория поля вполне может быть основана на теории электрогравитации.
Дополнительность частиц и полей заключается в том, что частицы так или иначе порождают поле, а поле в свою очередь является причиной возникновения частиц. Так возле закрепленных или движущихся зарядов наблюдается статическое или переменное электромагнитное поле, а гравитационное поле буквально формирует круглую форму у планет и звезд. Все это означает еще и следующее: если есть взаимодействие частицы и ее окружения, то картина не изменится, если убрать частицу, а вместо нее рассматривать ее поле. И наоборот – если есть поле, действующее на какие-то объекты, то это поле можно заменить действием особым образом движущихся частиц. Исходя из этого, попробуем представить гравитационное поле как следствие взаимодействия потоков мельчайших частиц – гравитонов, пронизывающих пространство в разных направлениях, с материальными телами. Если считать, что гравитоны подобно нейтрино слабо взаимодействуют с веществом, почти полностью проходя через него, но за счет их большого числа все-таки подталкивают частицы вещества друг к другу, то можно вывести закон тяготения Ньютона целиком в концепции частиц-гравитонов, а таке оценить плотность их энергии в пространстве.
Одной из проблем современной термодинамики является то, что в ней используются идеализированные соотношения (например, закон сохранения энергии в первом начале термодинамики). Ситуация здесь такая же, как в механике Декарта-Ньютона, когда используется идеальная геометрическая система координат. Подход Эйнштейна заключался в том, что он ввел реальные системы отсчета. В конце концов это привело к тому, что время в движущихся телах замедляется, а движущиеся координатные оси кажутся более короткими при их ориентации вдоль скорости. Тем самым появились новая более точная механика и теория относительности. Возвращаясь к термодинамике, запишем ее уравнения не формально, а с помощью конкретных выражений для энергий, взятых из теорий электромагнетизма и гравитациии. Соответственно полученные результаты приобретают конкретный вид и имеют ясный физический смысл. Так, количество теплоты, переданное некоторому объему вещества за определенное время, есть не что иное, как поток в этот объем гравитационной и электромагнитной энергий за это же время. Новое определение получает энтропия.
Если рассматривать тело извне, то приращение его энтропии обычно находят через количество переданной ему теплоты (термодинамическое определение энтропии) или через поток переданной информации (информационная энтропия). Если же брать тело само по себе, то как правило его энтропию находят с помощью статистических методов с учетом вероятностей нахождения его частиц в определенных энергетических состояниях. Но ведь кроме случайного есть и закономерное, а статистические законы не отменяют, а дополняют обычные законы.
Новое определение энтропии заключается в том, что при данной температуре в каждом теле имеются градиенты давления и потенциальной энергии, так что энтропия характеризует структуру тела с точки зрения распределения энергии по объему, дает меру связанности частиц и напряженности их взаимодействия.
Подобие тесно связано с понятиями инвариантности и симметрии. Если при вращении системы на определенный угол она совмещается сама с собой, то начальное и конечное положения системы подобны друг другу или симметричны, данный угол является инвариантом, а само такое вращение называется операцией или преобразованием симметрии. Среди множества различных проеобразований особый интерес имеют такие, когда после их применения к системам уравнения, описывающие физические законы, остаются инвариантными и не меняют свой вид. Так, уравнения электромагнетизма остаются инвариантными только в том случае, если при переходе наблюдателя от одной инерциальной системы к другой используются преобразования Лоренца для отсчитываемого им времени и координат. Другой пример дает СРТ-симметрия, когда при инверсии положения всех частиц системы, изменении знака их заряда и обращении времени физические явления в системе протекают по-прежнему.
Похоже, что теория подобия также позволяет сформулировать новую универсальную симметрию, а именно: если произвести соответствующие преобразования масс, размеров и скоростей движения частиц в системе, перейдя от одного уровня материи к другому, то уравнения движения частиц останутся инвариантными. Это означает в частности, что зная законы макромира, мы получаем определенное основание для применения их и в микромире.
С понятием инвариантности связана такая философская категория, как организация. Последнюю можно определить как совокупность устойчивых, одновременно сохраняющихся в системе элементов, связей и отношений. Для организации можно сформулировать два философских закона:
В процессе развития система стремится сохранить свою равновесную организацию и перестраивает ее с постоянным противодействием всем влияниям, изменяющим организацию.
Экстремальному сохранению (изменению) организации систем соответствуют экстремумы энергетических функций, описывающих системы.
Еще один философский закон фактически является обобщением известного закона перехода количества в качество и закона двойного отрицания. Его можно назвать законом развития противоположностей, сформулировав следующим образом:
«Каждая противоположность системы как целого рождается и изменяется в диалектическом единстве перехода в нее всех противоположностей частей системы, а противоположности системы как целого воздействуют на противоположности ее частей».
На этом, уважаемый читатель, следует поставить точку. Автор надеется, что смог донести до читателя многие проблемы физики и возможные пути их решения. Дальнейшие подробности можно найти непосредственно в самой книге.