Динамическая сущность вещества и энергии

Динамическая сущность вещества и энергии.
Попов В.П., Крайнюченко И.В.
Материя, энергия, вещество, пространство, поле – это обыденные абстрактные понятия, которые приходится использовать из – за отсутствия конкретных образов. Упрощение реальности (абстракция) является экономным способом моделирования. Однако одномерные, упрощенные модели иногда могут привести к мировоззренческой «слепоте». Поэтому концепция холизма вопреки «бритве Окамма» рекомендует «множить сущности», т.е. для описания действительности использовать несколько моделей разной степени абстракции.
Например, мы ошибаемся, считая, что все люди умирают от рака, но абсолютно правы в утверждении, что все люди рождаются. Понятие «биосфера» обобщает неисчислимого количества индивидуальных живых существ. Аналогично абстрактные понятия «вещество» и «энергия» мистифицируют множество явлений материальной природы, не раскрывая их сущности. Термин «энергия» введён в науку Юнгом (1849 г.) и является символом целого класса явлений. Ниже мы покажем, что эти понятия в своей сущности основаны на движении материи.
Ионийская философия древней Греции считала, что весь вещественный Мир происходит из некоторого единого первоначала, то есть в основу мира положена материя, правещество, мировой субстрат. Позже Гераклит заострил внимание на единстве вещества и процессов. Вселенная не состояние, а становление. «Все течет, все изменяется». В основе вещества лежат процессы, движение.
Представления о единство вещества и энергии существовали и в науке 18 - 19 веков. Например, длительное время тепловые процессы объяснялись существованием особой тепловой жидкости (флогистон). Вещество отождествлялось с теплотой (энергией), позже открылось, что это не жидкость, а кинетическая энергия молекул в веществе [1]. Но при этом идея единства вещества и движения сохранилась.
В классической механике понятие энергия стало более разнообразным. Кроме кинетической энергии (mv2/2), появились представления о потенциальной энергии, импульсе и работе. Были открыты законы сохранения импульса, эквивалентного перехода потенциальной энергии в кинетическую и обратно, переход работы в теплоту и обратно [2]. Эти законы подтверждают единую природу всех разновидностей энергии. Если кинетическая энергия характеризует макроскопическое движение вещества и может переходить в потенциальную (и обратно), то, сущностью потенциальной энергии предположительно также является скрытое, внутреннее движение. Подтверждено, что потенциальная энергия сжатого газа является следствием хаотического движения молекул, а температура определяется средней кинетической энергией молекул Е = 3/2RT.
Однако сущность потенциальной энергии поднятого тела, потенциальной энергии сжатой пружины, потенциальной энергии электрического поля остаётся не выясненной. В химии существует понятие «энергия химических связей», «химическая энергия», которая может переходить в тепловую энергию, измеряться в килокалориях [3]. Но, какая скрытая форма движения «спрятана» за этими понятиями, до сих пор не ясно. Можно предположить, что в этом движении участвуют электроны (валентные колебания), колебания частей молекулы (крутильные, деформационные и др.).
Любое вещество является агрегатом материи, для существования агрегата между его частями должно существовать силовое взаимодействие (притяжение). Современная физика открыла четыре вида взаимодействия. Гравитационное и электромагнитное взаимодействие распространятся на бесконечные («дальние») расстояния. Сильное и слабое взаимодействие действует на очень малых расстояниях, внутри атомных ядер и нуклонов [4].
Классическая механика и термодинамика занимается описанием поведения и свойства агрегатов вещества (жидких, твердых, газообразных). Агрегаты возникают благодаря гравитационному и электромагнитному взаимодействию. Электромагнитное взаимодействие с точки зрения квантовой механики осуществляется через обмен фотонами, а гравитационное – обмен гравитонами. К классу электромагнитных взаимодействий можно отнести химические, оптические, механические и тепловые процессы. Деформации химических связей, внутренние напряжения, трение в веществе также имеют электромагнитную природу. Галактики, звёзды, планеты, астероиды порождаются гравитационным притяжением.
Механика и термодинамика свои законы выводила только для процессов, действующих в структурах, построенных из атомов и молекул, с участием «дальних» взаимодействий.
На более «тонких» уровнях материи действую слабые и сильные взаимодействия. Сильное взаимодействие связывает нуклоны в атомном ядре посредством обмена мезонами. Обмен глюонами объединяет кварки в нуклонах (слабое взаимодействие). Опять энергия взаимодействия (связей), по сути, определяется движением частиц.
Законы сохранения вещества и энергии при механических и химических процессах соблюдаются достаточно строго, но внутренняя энергия атомных ядер, нуклонов, «тонких» материальных структур гравитационного и электромагнитного полей и, тем более, мирового субстрата классической термодинамикой не изучалась (в прошлые времена о таких структурах никто не знал). Парадигмы термодинамики бесполезны при исследовании «тонких» форм материи и движения. На этом уровне материи начинают действовать другие законы.
Можно предположить, что в теории относительности представления о пустом пространстве, которое насыщено энергией, способно проводить электромагнитные и гравитационные волны, возникло из непонимания тесной связи вещества и энергии [5]. В последствии выяснилось: «То, что казалось пустым пространством, в действительности кишит виртуальными частицами. Вакуум не безжизнен и безлик, а полон энергии» [5]. Таким образом, энергия без вещества – как улыбка без лица.
Двадцатый век принёс новые открытия. Работами Лоренца, Пуанкаре и Эйнштейна было показано, что масса и энергия есть разные меры одной и той же физической сущности (Е=mc2) [5]. Частичная потеря массы в какой-либо системе должна приводить к высвобождению огромного количества «атомной» энергии. Идея пустого пространства, в котором движутся атомы – шарики, исчерпала себя. Вместо неё появилась модель многомерного, пространства, в котором движутся частички вещества в виде суперструн (микроскопические петли, кольца) [6]. Элементарные частицы приобрели структуру, которая может совершать многочисленные волнообразные движения. Частицы одновременно могут совершать несколько видов движения (моды), поэтому одновременно обладают массой, зарядом и спином. Энергия «частицы – струны» зависит от спектра внутреннего движения. Энергия вакуума заключена в суммарном движении всех суперструн. Очевидно, новые открытия ещё больше углубили связь движения, материи и энергии.
Суперструны эмпирически обнаружить невозможно, они являются теоретическим построением, позволяющим осуществить прорыв в понимании Мира. Задачей науки является раскрытие неизвестных механизмов внутреннего движения частиц вещества, создающих такие свойства, как масса, заряд, спин. Для этого необходимо создать правдоподобную модель мирового материального субстрата и отказаться от идеи пустого пространства.
«Мы не знаем, верна ли теория суперструн и является ли она реальной теорией мироздания» [6], но вера в неё поддерживается большим количеством аналогий в макромире. Внутреннее движение суперструны должно быть устойчивым и локальным. Можно предположить, что в первичном субстрате вещество создаётся устойчивыми вихревыми и колебательными движениями.
Устойчивая циркуляция процессов очень распространена в вещественном мире. Можно наблюдать вращение спиральных галактик, круговорот планет, вращение Земли, циркуляцию мантии Земли, атмосферные вихри (циклоны), закручивание молекул белка (вортекс), конвекционные потоки, вращение электронов, магнетизм является следствием скрытого, циклического, упорядоченного движения электронов, и др. Автоволновые процессы в сплошных средах проявляются в виде спиральных волн [4]. Аналогом могут послужить вихри на воде. Вихрь не отделим от воды, т.к. образован движением воды. Вихревое движение в эфире предполагал ещё Р. Декарт. Максвелл свои точные уравнения электромагнетизма также выводил из моделей вихревого движения субстрата.
Очень важно, что родилась идея интеграции вещества и энергии на основе движения материи. Одна из скрытых, локальных форм движения воспринимается сознанием человека как масса. Электрический заряд является другой разновидностью скрытого, локального движения. В эквивалентных количествах масса (потенциальная энергия) может переходить в кинетическую энергию (Е=mc2). Вероятно, заряд вещества также может служить источником кинетической энергии.
В физике давно используется «таинственное» понятие «поле», которое проявляется как сила, действующая на другие тела в окрестностях вещества (источника поля). В теории суперструн все силы в природе стали рассматриваться как волнообразные деформации разных пространственных измерений [6]. Масса (скрытая форма движения) создаёт гравитационное силовое поле. Заряд создает электрическое поле. Локальное движение внутри вещества индуцирует в окрестностях тела другое движение, как вибрирующий в воде поплавок создает вокруг себя волны. Следовательно, сущностью поля является движение материи в окрестностях вещества.
Поля имеют сферическую симметрию, Следовательно, движение называемое массой (m – движение) и движение называемое зарядом (q - движение), создает вокруг себя вибрации (поля), которые распространяются в материальном субстрате, как круги на воде. Идею вихревого состояния субстрата в прошлом веке высказывал Уиллер [6]. «Вещество - это вихри в пустом пространстве», возбуждение вакуумной пены.
Пятимерная теория Калуцы объяснила гравитацию, как волны в трехмерном пространстве, а электромагнетизм - как волны в пятом измерении (кривизна пятого измерения). Электрический заряд – это искривление пятого измерения. Электромагнитная волна – это пульсации пятого измерения. Теория Клейна – Калуцы предполагает существование 11 измерений [6].
Таким образом, под покровом абстрактных понятий «вещество» и «энергия» скрывается движение материи. В связи с изложенным становится понятной связь между законом сохранения массы (скрытой формы движения) и законом сохранения энергии (явная форма движения). Один вид движения переходит в другой вид. Классическая термодинамика исследовала взаимные переходы разных видов энергии (явных видов движения) в зоне действия «длинных» взаимодействий. Квантовая механика и теория относительности открыла взаимные переходы неявного движения (масса) в явное движение (кинетическая энергия), которые проявляются в зоне действия сильных и слабых взаимодействий. Возможно, причиной всех законов сохранения является изолированность Вселенной, а в изолированной системе движению (энергии) некуда «утекать». Поэтому количество движения неизменно, одно движение переходит в другое. Но если Вселенная не изолированная система, то говорить о законах сохранения в глобальных масштабах следует осторожно.
Энергию характеризуют не только количеством, но и качеством. «Высококачественная» энергия способна самопроизвольно переходить в другие менее качественные формы энергии. Например, свет переходит в тепло. Но для превращения тепла в свет или механическую работу требуются особые устройства. Качество энергии можно ранжировать в следующем порядке: свет лазера, свет лампы накаливания, химическая энергия молекулярных связей, тепло. Можно предположить, что уменьшение разнообразия форм движения и высокая локальность повышает качество энергии. Например, свет – это колебания вакуумных структур локализованных в объеме фотона. Химическая энергия молекулярных связей состоит из сложного движения электронов, виртуальных фотонов, частей молекул (богатый спектр форм движения). Но теплота является энергией низкого качества, т.к. возникает от многомерного движением множества молекул в макроскопическом объеме. Чтобы преобразовать тепло в направленное механическое движение требуется сложная тепловая машина. Но процесс в обратном направлении идет самопроизвольно. Энергия направленного, локального удара пули в броню рассеивается в виде тепла, нагревается обширный участок металла.
Можно предположить, что массу, заряд, спин можно отнести к высококачественной энергии, т.к. эти виды движения локализованы в очень малом объёме элементарной частицы и представлены одной модой колебания суперструны.
Редукция понятий «вещество» и «энергия» к их фундаментальной сущности (движению) позволяет по новому взглянуть на другие известные понятия. Рассмотрим, например, понятие «сила». Рассмотрим силу инерции F=am. Силу тяжести F= G m1 m2 / r2. Силу Кулона F= К q1 q2 / r2 [2]. Мы видим, что все силы (F) являются функциямиa ускорение (а), масса (m), заряда (q), сущностью которых является движение материи. Следовательно, сущностью всех сил также является движение материи, движения субстрата. В пустоте без материи силы не возникают, так как нет движущейся материи. Поэтому в общей теории относительности гравитационные силы, возникающие из кривизны пустого пространства, следует считать мифом.
Но СТО вывела мировоззрение на новые рубежи. Появилось представление, что движущиеся частицы массивнее покоящихся частиц. Это ограничило применение закона сохранения массы. Рассмотрим экзотермическую реакцию А + В = С, проводимую в термостате. Вещества А и В вступали в реакцию при температуре Т0. После реакции вещество С приобрело температуру Т1 >Т0 . Повышение температуры означает увеличения скорости движения молекул и, следовательно, небольшое приращение их массы. Получается, что продукты реакции должны быть «массивнее» исходных компонентов. Закон сохранения массы от краха спасает только то, что приращение массы ничтожно при существующих скоростях движения молекул, и им можно пренебречь. Но в мире более «мелких» частиц (нуклоны, электроны и др.) скорости движения существенно возрастают, пренебрегать приращением массы «быстрых» частиц уже нельзя. Однако закон сохранения энергии (движения) не нарушается, т.к. приращение массы (скрытой энергии) происходит за счёт расходования другого вида энергии.
В механике существует понятие «импульс» (р=mv) и закон сохранения импульса (р =const) [2]. Анализ составляющих этого уравнения даёт основание считать закон сохранения энергии и закон сохранения импульса производными от закона сохранения количества движения. Масса (m) – скрытая, локальная форма движения, а скорость (V)- это характеристика нелокального движения - перемещения. Импульс (p=mv) является произведением двух видов энергии, двух различных форм движения.
Итак, понятия «вещество, энергия, сила, поле, масса, заряд, спин» являются различными проявлениями движения материи и вещества. В основе огромного разнообразия структур и процессов лежит материальный, движущийся по определённым законам, субстрат. Механика и классическая термодинамика описывает состояние агрегатов вещества, состоящих из атомов и молекул. (верхушку айсберга), организованных электромагнитными и гравитационными взаимодействиями. Квантовая механика изучает «странности» поведения более мелких структур, организованных слабыми и сильными взаимодействиями. Совсем не изученными являются структуры материального субстрата, виды движения в нём, образующие массивные и заряженные элементарные частицы вещества (например, электроны). Представления о фундаментальных процессах пока являются чисто теоретическими, разрабатывается теория суперструн. Предстоит сделать много усилий, чтобы раскрыть тайны мироздания.
Литература
1. Пайерс Р.Е. Законы природы. - М.: Наука, 1958.
2. Иванов Б.Н. Законы физики. - М.: Высш. шк. 1986.
3 Кузнецов Б.Г. К истории применения термодинамики в биологии. // Биология и информация, 1965.
4 Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. / Под ред. Жукова М.Ф. - Новосибирск. ЮКЭА., 1997.
5. Девис. П. Суперсила: Пер. с англ./Под ред. Е.М. Лейкина. – М.: Мир, 1989.
6. Грин Б. Элегантная Вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиск окончательной теории. Пер. с англ. / Под ред. В.О. Малышенко. - М.: Едиториал УРСС, 2005.