Гравитационные частицы и субфизическая форма материи

614990, г. Пермь, ул. Букирева, 15;

E-mail: vladimir_vek@mail.ru
В статье предпринята попытка раскрыть сущность гравитации (гравитационного взаимодействия) с философской точки зрения. Выдвинута гипотеза о субфизической основе гравитационных взаимодействий.
Теория гравитационного взаимодействия занимает особое место в физической картине мира. Вообще явление гравитации (тяготения) всегда считалась и до сих пор считается самой загадочной из всех сил природы. От других сил гравитацию отличает то, что ее нельзя экранировать или изменить никаким искусственным способом.

Как известно, наибольший вклад в исследование гравитационных взаимодействий внесли Ньютон (закон всемирного тяготения), Эйнштейн (общая теория относительности или общая теория гравитации).

По современным представлениям, важнейшее свойство гравитационного поля состоит в том, что оно определяет геометрию пространства-времени, в котором движется материя. Так, в области мощных гравитационных полей пространство становится искривленным, а ход времени замедляется; об этом говорит общая теория относительности (ОТО). Тем не менее, ОТО не отвечает на вопросы: почему замедляется время, что лежит в основе гравитационного потенциала, искривляющего пространство, и почему искривленное пространство заставляет массы притягиваться?

Таким образом, на сегодняшний день сущность гравитационного взаимодействия не выяснена. Неизвестно, существует ли более фундаментальная сила, лежащая в его основе и соответственно не обнаружен квант этого поля (гипотетический гравитон).

Общеизвестные сегодня теории гравитации [1] основаны на открытиях физики элементарных частиц. Например, в теории гравитации Эйнштейна – Картана – Траутмана (т.н. гравитация с кручением, авторы: А. Эйнштейн, А. Картан, А. Траутман, 1922-1972) гравитационное поле взаимодействует не только с энергией (тензором энергии и импульса) частиц, но и с их спином.

В теории гравитации К. Дж. Айшема, А. Салама и Дж. Стразди (1973) предполагается существование двух гравитационных полей. Носителями одного из них являются безмассовые частицы со спином 2 (обычная «слабая» гравитация общей теории относительности), это поле взаимодействует с лептонами. Другое поле переносится массивными частицами (f-мезонами) со спином 2 («сильная» гравитация) и взаимодействует с адронами.

Интересную, на наш взгляд, идею о гравитации выдвинул в 1967 году академик А.Д. Сахаров. В его теории гравитация не является фундаментальным взаимодействием, а есть результат квантовых флуктуаций всех других полей.

Помимо названных общеизвестных теорий гравитаций на сегодняшний день существует масса альтернативных теорий, не основанных на общей теории относительности и квантовых теориях. К альтернативным теориям гравитации часто относят вообще любые теории, не совпадающие с общей теории относительности хотя бы в деталях или как-то обобщающие её. Тем не менее, нередко теории гравитации, особенно квантовые, совпадающие с общей теорией относительности в низкоэнергетическом пределе, «альтернативными» не называют.

Среди альтернативных теорий гравитации обычно выделют «классические» (теория гравитации Лесажа, модифицированная ньютоновская динамика) и «релятивистские» (релятивистская теория гравитации; калибровочная теория гравитации; гравитация с массивным гравитоном; телепараллелизм; теория Нордстрёма; теория Бранса — Дикке; биметрические теории гравитации; несимметричные теории гравитации и другие).

В квантовых теориях гравитации (канонической, петлевой, полуклассической, евклидовой квантовой гравитации) создание теории сталкивается с большими математическими трудностями, возникающими вследствие нелинейности уравнений поля. Так, например, если учитывать искривление траектории движения частиц в каждой точке пространства, то картина пространства-времени приобретает настолько деформированный, искаженный характер, что подобную деформацию материи физики-теоретики называют «квантовой пеной». На наш взгляд, в данном случае понятия физического пространства и времени вообще теряют смысл.

В этой связи большие надежды возлагаются на теории гравитации, пытающиеся создать единую теорию поля (сюда относят многомерные, струнные и прочие теории). Так в теории супергравитации объединены все взаимодействия на основе суперсимметрии – общей симметрии, позволяющей связать поля, кванты которых обладают целочисленным спином (бозоны), с полями, кванты которых имеют полуцелый спин (фермионы). Идея о суперсимметрии является дополнением к уже существующим глобальным симметриям, где наравне с математическими симметриями вводится также симметрия по такой квантовой характеристике как спин. Так, согласно суперсимметрии, каждой известной частице должна соответствовать частица-суперпартнер, спин которой на половину меньше. Так, например, электрону должна соответствовать частица со спином, равным 0; ее назвали сэлектрон, т.е. суперсимметричный электрон. Фотону должен соответствовать суперпартнер со спином ½; его назвали фотино. Кроме гравитонов (безмассовых бозонов со спином 2), должны существовать и другие переносчики гравитационного взаимодействия – фермионы, получившие название гравитино. Характерно, что в настоящий момент завершенных, общепризнанных теорий супергравитации нет и вышеописанные частицы в экспериментах не обнаружены.

Также в последнее время с целью создания единой теории физических полей, которую не удается создать в рамках Стандартной модели элементарных частиц, создаются другие нестандартные модели, среди которых наиболее перспективной считается теория суперструн.

Как нами уже было отмечено, теория суперструн последовательно вытекает из Стандартной модели, в частности квантовой хромодинамики. Согласно теории суперструн все элементарные частицы рассматриваются не как точечные образования, а как крошечные одномерные вибрирующие, колеблющиеся струны. Они либо свернуты в замкнутые кольца (петли), либо представляют собой незамкнутые отрезки. Такие струны не имеют толщины, а их длина находиться в пределах 10^-33 см. Они характеризуются огромным натяжением (до 10³⁹ тонн), с ростом которого растет энергия струны.

Одним из важных, на наш взгляд, положениий теории суперструн является следующее рассуждение. Время в данной теории одномерно, а пространство должно иметь кроме трех известных нам измерений еще как минимум шесть дополнительных. Такие дополнительные измерения находятся в свернутом состоянии в каждой точке пространства (в пределах 10^-33 см). При этом все обычные, знакомые нам частицы и негравитационные поля проявляются только в нашем мире трехмерного пространства и одномерного времени. Нераскрывшиеся, свернутые пространства им недоступны. И только поле тяготения не знает этого ограничения и проявляется во всех девяти пространственных измерениях.

Таким образом, согласно суперстунной теории в каждой точке нашего пространства имеется еще не менее шести нераскрывшихся измерений, свернутых определенным образом, представляющих собой замкнутые системы. Это означает, что при перемещении в пространстве дополнительных измерений вдоль соответствующего направления нельзя уйти сколь угодно далеко от исходной точки. Продолжая двигаться в одном и том же направлении «путешественник», достигнув некоторого максимального удаления, возвратится в исходную точку.

В теории суперструн также предполагается оболочечная модель мира, в котором каждая оболочка (брана) включает в себя свернутое измерение гигантской геометрической фигуры в масштабе вселенной [2].

Продолжим анализ теорий гравитационного взаимодействия и рассмотрим вопрос о его фундаментальности.

Как известно, фундаментальность электромагнитного поля оправдывается наличием экспериментально установленных квантов данного поля – фотонов. Существующие силы притяжения в случае электромагнитного поля проявляются в наличии 1) притягивающихся разноименных зарядов, 2) доменов в ферромагнетиках; 3) химической связи; 4) межмолекулярных связей (Ван-дер-Ваальсовых сил ) и др. В основе их лежат, соответственно, притяжения электронов и протонов; согласованное движение электронов; «спаривание электронов»; особые внутренние силы, определяющие агрегатное состояние вещества и его другие свойства на макроуровне. Таким образом, сами по себе силы, лежащие в основе химических, молекулярных связей не фундаментальны. Фундаментальным является наличие у атомного ядра и электронов сил притяжения и отталкивания, а также общей их способности поглощать и испускать гамма-кванты.

При изучении слабых взаимодействий обнаружено, что при взаимопревращении протонов и нейтронов из ядер атомов испускаются промежуточные частицы, которые затем распадаются на основные продукты бета распада. Возникновение этих промежуточных частиц при всех нейтринных образованиях, послужило основой для выделения слабых взаимодействий как фундаментальных.

В основе сильных взаимодействий, как уже было отмечено, лежат внутренние ядерные силы, удерживающие составляющее ядра. Это кварки, которые настолько сильно связаны друг с другом, что при любой их попытке разлететься образуются струны, при разрыве которых, снова возникают кварки в связанном состоянии.

В случае гравитационных взаимодействий по аналогии с вышеперечисленными также должны существовать некие кванты взаимодействия, объясняющие природу той или иной силы. Теоретически рассчитано [3], что если вращать стальной цилиндр массой 1 тонну вокруг оси, перпендикулярной оси цилиндра со скоростью, при которой центробежные натяжения близки к разрывным, то возникнет определенная сила притяжения к цилиндру, и, возможно, также гравитационное излучение, мощность которого не превысит 10^-30 Вт. Отсюда мы видим насколько мала интенсивность гравитационного взаимодействия (в 10³⁹ раз меньше силы взаимодействия электрических зарядов).

Однако на макроуровне гравитационные силы являются не такими уж и слабыми, они возрастают по мере образования больших скоплений вещества, определяют земное притяжение, траектории движения космических тел и, таким образом, являются господствующей силой во Вселенной. Вполне возможно, что скопления вещества, вовлеченного во вращательное движение, и вызывает силу притяжения к нему менее массивных тел, примерно так же как упорядоченное движение электронов в ферромагнетике объясняет явление намагниченности.

Отсюда вытекает, что кванта гравитационного поля может и не существовать, поскольку каждая частица, испытывая на себе действие гравитации, в то же время сама является источником гравитации, вызывает гравитационное притяжение. Возможно также, что само вращение с ускорением вызывает определенное притяжение и на микроуровне ему создается противоборствующая сила – вращение в противоположную сторону (своеобразная компенсация по спину). Может быть именно вращение, его направление и объединения частиц по одному или противоположному направлению, входящих в состав более массивных частиц и определяют внешние характеристики известных нам частиц (их заряды, спины и т.д.)?

Мы солидарны с разработчиками гипотезы субфизической формы материи (В.В. Орловым, А.Н. Кобловым, В.Ю. Калашниковым, В.Ф. Пановым), что субфизическими формами материи с большой долей вероятности можно считать структурные компоненты физического вакуума. Однако структура вакуума в настоящий момент является загадкой. Современные предположения о существовании вакуумных подсистем (вакуумных конденсатов – средних значений нулевых колебаний квантовых силовых полей в каждой области пространства и в каждый момент времени) мало что дают для понимания структуры вакуума.

В целях формирования хотя бы предварительных представлений о структуре физического вакуума мы предлагаем исходить из предположения (возможно и чересчур смелого) о принципиальной возможности наглядного описания моделей элементарных частиц и фрактальности материи приведем следующие положения. Оговоримся сразу – мы осознаем, что экстраполяция физических представлений на гипотетическую субфизическую материю может быть излишне прямолинейной.

На субфизическом уровне материи мы предполагаем существование гипотетических частиц, в движении которых и заключается причина притяжении тел физической материи. Данные частицы условно можно назвать «микрогалактиками», поскольку они, возможно, являются аналогами воспринимаемых нами галактик в нашей физической материи. Импульсы движений данных частиц задают сами эти частицы, включенные в потоки согласованных движений, и создающие тем самым колоссальные градиенты плотности, температуры, давления. Данные потоки частиц создают различные вихри (вихревое движение). Именно эти вихри в зависимости от степени устойчивости и представляют собой стабильные и нестабильные элементарные частицы нашей физической материи.

1. 
   Что определяет скорость движения микрогалактик?
   
2. 
   Что определяет направление движения микрогалактик?
   
3. 
   Почему тела физической материи начинают притягиваться?
   
4. 
   Возможно ли экранироваться от гравитации или изменить ее искусственным способом?
   

Скорость движения микрогалактик определяют силы, лежащие в основе вихревого движения какой-либо элементарной частицы нашей физической материи. При образовании вихря скорость микрогалактик определяется их расположением в структуре этого вихря. Так во внутренних слоях вихря движение становится наиболее согласованным и скорость движения микрогалактик замедляется. Поскольку замедленное движение является причиной снижения температуры тела, то сам вихрь становится несколько холоднее, чем окружающее его пространство. Внешние оболочки вихря нагреваются за счет взаимодействия свободных микрогалактик со связанными, находящимися в составе вихря. Происходит возрастание температуры за счет проникновения свободных микрогалактик в состав вихря. По-другому этот процесс называется диффузионным движением частиц – перенос вещества и выравнивания концентраций или установление равновесного распределения концентраций частиц данного сорта в среде.

Таким образом, диффузионные процессы совокупного движения микрогалактик становятся причиной охлаждения среды, прилегающей к вихрю, и причиной нагрева внешних оболочек самого вихря. Отсюда следует формирование больших концентраций плотности и давления на пограничных слоях вихря.

Увеличение плотности и давления на поверхностных слоях вихря приводит к увеличению скорости движения микрогалактик и их отрыву от основного вихря. Вылетающий поток микрогалактик с поверхностных слоев вихря может достигать огромных скоростей (на несколько порядков, превышающих скорость света). Скорость данных поток будет зависеть от разных факторов. Во-первых, это будет зависеть от какого объекта вылетел поток микрогалактик. Во-вторых, свернулся или не свернулся поток микрогалактик в новый вихрь. В-третьих, присоединился ли данный поток микрогалактик с попутным потоком, испущенного от других вихрей.

Как мы видим, скорость движения микрогалактик не постоянная. Она будет зависеть от степени включенности микрогалактик в потоки движения других микрогалактик. Это может быть 1) скорость, на несколько порядков превышающая скорость света; 2) собственно скорость света в виде фотоновых вихрей и других вихрей, каждому из которых соответствует определенная частота электромагнитных волн; 3) скорость меньшая скорости света.

2. Направление движения микрогалактик

Направление движения микрогалактик задают импульсы, возникающие 1) в момент выброса с внешних слоев одних вихрей; 2) в момент взаимодействия с другими вихревыми образованиями; 3) в момент взаимодействия одного потока микрогалактик с другим потоком.

При ответе на первый вопрос мы указывали, что начальная скорость движения микрогалактик будет зависеть, от какого объекта вылетел поток микрогалактик. Это может быть любой объект, известный в физике элементарных частиц. Однако максимальную скорость микрогалактики могут достичь на поверхностных слоях больших устойчивых образованиях нашей физической материи. Такими образованиями являются нуклоны – протоны и нейтроны. Это связано с тем, что именно они являются максимально уплотненными вихрями с минимальной температурой, следовательно, именно они являются главным отрицательным источником тепла, охлаждающим окружающую среду вихря, и создающим в его пограничных слоях градиент температуры и тем самым градиент давления.

Сами нуклоны, обладая наивысшей плотностью и являясь цельными телами, в большей степени подвержены воздействию градиента давления. Другие вихревые образования – электронные оболочки, оболочки Ван-дер-Ваальса, струи потоков микрогалактик и т.п. – представляют собой проникающие структуры, к тому же имеющие малую удельную массу, влияние которых на гравитационные процессы не столь существенно.

Поэтому нуклоны (ядра атомов) выступают главными действующими лицами в создании гравитационных сил.

Формирующиеся вокруг ядер атомов электронные оболочки в какой-то степени компенсируют разницу в температурах и давлениях между центральными вихрями (нуклонами) и окружающим атом средой. Тем не менее, любой атом представляет собой тоже вихрь (подробнее об этом поговорим ниже). Составляющие атом нуклоны, непрерывно «наматывают» на себя потоки микрогалактик, которые время от времени (связанным с постоянной Планка) сбрасываются в виде вихревых образований, воспринимаемых нами, как электромагнитные волны. В тоже время помимо вихревых образований в виде электромагнитного излучения, нуклоны излучают и другие потоки микрогалактик, которые не сворачиваются в вихри. Именно эти потоки и несутся со сверхсветовой скоростью и являются первопричиной гравитации. Условно частицы таких потоков можно назвать «гравитонами».

«Гравитоны» вылетают из каждого вихря, т.е. излучаются всеми стабильными и нестабильными элементарными частицами. Отсюда получается, что все пространство субфизической материи заполнено потоками микрогалактик, которые так или иначе сталкиваются с вихрями физической материи (с элементарными частицами).

Таким образом, любое тело физической материи постоянно подвергается «бомбардировке гравитонов». В то же время любое тело физической материи также испускает «гравитоны». При равных коэффициентах поглощения и испускания гравитонов можно говорить о своеобразной экранизации объекта. На деле такого сбалансированного состояния никакое тело не получает, поскольку в субфизмческой материи постоянно происходит движение потоков микрогалактик и образуемых ими электромагнитных полей и элементарных частиц. Происходит постоянный обмен микрогалактиками между телами физической материи или создание согласованных круговых (эллипсоидных, гиперболоидных) движений вокруг двух объектов. В последнем случае речь идет о сущности притяжении двух тел. Рассмотрим данный механизм на примере нескольких ситуаций.

1) Притяжение тел равных масс

Предположим, что на тело № 1 со всех сторон оказывают давление потоки микрогалактик. При этом потоки поступают не равномерно, плюс само тело частично экранирует себя испусканием собственных потоков. Разные давления потоков приводят тело в движение. При появлении тела № 2 в горизонте событий оба тела начинают экранировать друг друга от встречных потоков микрогалактик. В то же время другие потоки микрогалактик будут подталкивать тела друг к другу. Кроме того, излучающиеся из них потоки микрогалактик будут затягиваться в эллипсоидные движения вокруг данных тел. Т.е. какая-то часть потоков с тела № 1 будет увлечена движением оболочечных потоков тела № 2. Затем с тела № 2 также будет устремляться поток микрогалактик и увлекаться в движение оболочечных слоев тела № 1. Так между двумя телами возникнет единый круговой (эллипсоидный) поток микрогалактик. Чем ближе тела будут подходить друг к другу, тем интенсивнее, быстрее и согласованнее будет осуществляться круговой поток, а, следовательно, тела начнут сильнее притягиваться друг к другу.

Поскольку все тела физической материи излучают субфизическую энергию (микрогалактики), то «излучения» каждого тела прямо пропорциональны поверхности каждого из базовых элементов физической материи. А поскольку все элементарные частицы представляют собой вихревой поток микрогалактик, в которых имеется разное отношение плотности к поверхности, то экранирующий эффект (хотя бы приблизительно) также будет пропорционален массе. Кроме того, большие тела, состоящие из множества атомов (а, следовательно, и нуклонов), порождают большие излучающиеся потоки микрогалактик, которые формируют согласованное движение. Согласованные движения приводят к тому, что такие тела начинают меньше излучать энергии (микрогалактики) и больше поглощать, «наматывать» на себя. При попадании малого тела в горизонт событий большого тела из малого тела «вытягивается» микрогалактик больше, чем из большого тела. Отсюда малое тело начинает притягиваться к большому телу.

Также здесь следует отметить, что все гравитационные частицы, захватывающиеся физическими телами, замедляются данными телами. Отсюда следует, что интенсивность потока гравитационных частиц, испускаемого от массивного объекта, меньше чем интенсивность потока падающего на данный объект. Можно предположить, что этот дисбаланс импульса потока и соответственно силы приложенной на любое тело вблизи объекта, распределён по сферической поверхности с центром на данном объекте. Дисбаланс импульса потока над всей сферической поверхностью, окружающей объект, не зависит от размера окружающей сферы, в то же время площадь поверхности сферы увеличивается пропорционально квадрату радиуса. Следовательно, дисбаланс импульса на единицу площади уменьшается в обратно квадратичной зависимости от расстояния.

3) Притяжение тел в сильном гравитационном поле

Большие тела космического масштаба (планеты, звезды, галактики) обладают колоссальными гравитационными силами по сравнению с малыми телами за счет возникновения согласованных круговых движений потоков микрогалактик вокруг этих объектов. Малые тела, попадая в гравитационное поле таких объектов, никаким образом не могут экранироваться от потока микрогалактик этих тел. Их отраженные потоки намного слабее, падающих на них потоков. В результате этого потоки больших тел закручиваются во внешних оболочках малых тел, вытягивают из них новые потоки, которые возвращаются к большим телам. Таким образом, происходит вытягивание потоков микрогалактик из каждой элементарной частицы малого тела. Все это приводит к тому, что малое тело начинает притягиваться к большому. С уменьшением расстояния между телами процесс реверберации потоков усиливается, из малого тела начинает вырываться все больше и больше новых потоков. В результате малое тело начинает не просто притягиваться к большому телу, оно на него просто падает.

Вышеприведенная гипотетическая схема механизма гравитации имеет много общего с неквантовыми теориями гравитации, о которых мы упоминали выше. Единственно, в отличие от них мы ввели конкретное обозначение для гравитационных частиц – микрогалактики. Кроме того мы модернизировали данные теории и конкретизировали ряд деталей. Непротиворечивую математическую модель гравитации можно будет создать после экспериментальных подтверждений ряда положений теории.

Если наши предположения подтвердятся, то возможные «кандидаты» на роль гравитационных частиц – «микрогалактики» – могут оказаться аналогами наблюдаемых нами галактик. Тогда получится, что обнаруженные странности в движениях галактик (их «кривые вращения», ускоренные движения и др.) могут найти простое объяснение, вместо существующих сегодня мистических представлений о «темной материи» и «темной энергии». Может быть, материя имеет более простую структуру, чем мы себе сейчас представляем и описываемые феномены имеют достаточно простую «механику». Другое дело, что данная механика в силу ряда причин может пока оставаться для нас непознанной. С развернутой авторской концепцией гравитационного взаимодействия и субфизической материи можно ознакомиться в нашей монографии [4].

Библиографический список

1. 
   Большая Российская энциклопедия: в 30 т./отв. ред. С.Л. Кравец. Т.7. М.: Большая Российская энциклопедия, 2005. С. 574-575.
   
2. 
   Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. М.: Альфа-М, 2008. С. 399-404.
   
3. 
   Большая Российская энциклопедия: в 30 т. /отв. ред. С.Л. Кравец. Т.7. М.: Большая Российская энциклопедия, 2007. С. 576.
   
4. 
   Век В.В. Структура материи в рамках концепции макро-микробесконечности мира. Пермь, 2011.
   

Perm State National Research University, 15, Bukirev str., Perm, 614990, Russia

на статью Киселева Владимира Вячеславовича

Однако, с учетом высказанных замечаний в будущей работе, а также при смягчении ряда формулировок работа в качестве проблемной и дискуссионной может быть рекомендована к публикации.