WSEAS Transactions on Applied and Theoretical
Mechanics, ISSN / E-ISSN: 1991-8747 / 2224-3429, Volume 10, 2015, Art. #3, pp. 31-38. http://wseas.org/wseas/cms.action?id=10178
Силовое вакуумное поле как альтернатива эфиру и квантовому вакууму
Федосин Сергей Григорьевич
ул. Свиязева 22-79, город Пермь, 614088, Пермский край, Россия
e-mail intelli@list.ru
Вакуумное поле рассматривается как силовое поле, состоящее из движущихся
со скоростью порядка скорости света частиц типа нейтрино, фотонов и заряженных
космических лучей. Это существенно отличает его от классического статического
эфира и некоторых моделей квантового вакуума. В представленной модели
обосновывается возникновение гравитационной и электромагнитной силы,
предсказываются некоторые параметры вакуумного поля, на основе теории
бесконечной вложенности материи предлагаются источники, порождающие вакуумное
поле.
Ключевые
слова: вакуумное поле; поле гравитонов;
эфир; квантовый вакуум.
The force vacuum field as an
alternative to the ether and quantum vacuum
Sergey G. Fedosin
Sviazeva Str. 22-79, Perm, 614088, Perm region,
Russian Federation
e-mail intelli@list.ru
The vacuum field is
considered as a force field, which consists of particles moving at speeds of
the order of the speed of light, such as neutrinos, photons and charged cosmic
rays. This distinguishes it from the classical static ether and some models of
the quantum vacuum. In the presented model the occurrence of gravitational and
electromagnetic force is substantiated, some vacuum field parameters are
predicted, the sources that generate the vacuum field are suggested based on
the theory of infinite nesting of matter.
Keywords: vacuum field; graviton
field; ether; quantum vacuum.
1. Введение
В отношении свойств пустого пространства, не содержащего наблюдаемых элементарных частиц, существует ряд концепций, описывающих его свойства. Большинство этих концепций имеют давнюю историю и обширную библиографию. Теории эфира в своих различных вариантах должны были объяснить, каким образом свет с огромной скоростью распространяется на большие расстояния в отсутствие видимой материальной среды. В простейшем варианте эфир представлял собой некоторую всёпроникающую среду, движущиеся поперечные высокочастотные волновые колебания которой связывали с распространением света. В такой среде скорость света должна зависеть от плотности эфира и его упругости по отношению к деформации. В эмиссионной модели свет представляет собой поток частиц, испускаемых нагретым веществом, и скорость света есть тогда скорость этих частиц, полученная ими в момент эмиссии. Эмиссионная модель легко объясняла эффекты геометрической оптики, но имела затруднения при объяснении волновых явлений типа интерференции. Эфир как некоторая упругая среда, и эфир как потоки светоносных частиц плохо стыковались друг с другом, а также с некоторыми явлениями типа преломления света. Ситуация с эфиром только ухудшилась при появлении теории электромагнитного поля, так как теперь эфир должен был быть ответственным не только за перенос света, но и любых электромагнитных волн, а также и за электростатические и магнитные поля.
Аналогичные проблемы для эфира ставит и теория гравитации. Модель эфира должна была объяснить, почему электрическая сила между заряженными телами подчиняется закону Кулона, а гравитационная сила между массами описывается подобным законом Ньютона. После того как выяснилось, что уравнения Максвелла инвариантны относительно преобразований Лоренца специальной теории относительности (СТО), интерес к теории эфира стал уменьшаться. Этому во многом способствовало то, что так и не удалось согласовать между собой в одной модели все те физические параметры, которыми должен был бы обладать эфир. В СТО все инерциальные системы отсчёта считаются равноправными и кажется непонятным, почему эфир в каждой такой системе отсчёта имеет одинаковые свойства переносить свет независимо от скорости движения системы отсчёта. Было поэтому принято, что для переноса электромагнитных волн не нужен эфир как особый носитель, достаточно лишь того, что в распространяющейся волне существует ток смещения, когда энергия электрического поля волны периодически переходит в магнитную энергию и обратно. Что касается теории гравитации, то эфир кажется не нужным и в общей теории относительности (ОТО). В ОТО гравитация сводится к искривлению пространства-времени, которое, будучи геометрическим объектом, наделяется физическим атрибутом, позволяющим менять траектории физических тел и само наше видение физических процессов.
Очевидно, что при таком подходе возникают новые вопросы, не имеющие до сих пор ответа: Какой механизм лежит в основе взаимоиндукции электрических и магнитных полей в электромагнитной волне и поддерживающий ток смещения? Как в ОТО возникает связь между массой тела и степенью искривления пространства-времени на расстоянии от этого тела? По всей видимости, описанный выше уход от проблемы эфира есть не что иное, как попытка замести мусор под ковёр. Между тем, прогресс в этой области был бы важен не только с точки зрения мировоззрения и единства теории, но быть может и с практической точки зрения.
Квантовая теория, прогресс которой вместе с ОТО пришёлся на 20 век, вместо эфира использует понятие физического квантового вакуума. Из экспериментов следует, что свет распространяется в виде отдельных квантов, что трудно согласуется с эфиром в виде некоторой непрерывной и упругой среды. В отличие от эфира, квантовый вакуум должен поддерживать не только распространение электромагнитных и гравитационных волн и квантов, но и квантов других полей, используемых, например, в теории сильного и слабого взаимодействий. Как правило, низшее состояние вакуума характеризуется нулевыми квантовыми числами, когда в среднем все импульсы и моменты импульса частиц вакуума (виртуальных пар частица-античастица и квантов полей) в произвольном объёме равны нулю. Электромагнитный вакуум предполагается заполненным виртуальными фотонами и парами возникающих и аннигилирующих заряженных частиц и античастиц, которые могут иметь достаточно большую энергию, но в согласии с принципом неопределённости иметь соответственно малое время жизни. Распространение реального кванта рассматривается как возбуждённое состояние такого вакуума, при этом квант при движении обменивается энергией и импульсом с виртуальными частицами. Такой механизм в определённой степени подобен модели эфира, в которой роль всёпроникающей эфирной среды играют виртуальные частицы. Отличие лишь в том, что вместо механической модели теперь используется квантово-механическая модель.
К сожалению, квантовая механика имеет свои ограничения, связанные с тем,
что с одной стороны квантовые явления привязываются к постоянной Планка,
характеризующей уровень элементарных частиц. С другой стороны, второе название
теории – волновая механика – подразумевает, что все объекты рассматриваются и
взаимодействуют друг с другом как волновые пакеты, а физические величины
вычисляются как средние значения с помощью волновой функции. При таком подходе
картина процессов расплывается, так как математические формулы не могут
полностью передать физический смысл явлений. Потеря наглядности часто сопровождается
выводами о том, что квантовые события в принципе непознаваемы до конца.
Постоянная Планка 
, связывающая энергию электромагнитных квантов и частоту их
колебаний, а также являющаяся мерой спина элементарных частиц, часто
связывается с другими величинами. Например, полагают, что не только для
фотонов, но и для гравитонов справедливо то же самое соотношение между энергией
и частотой [1]. На наш взгляд, последнее может быть ошибочно, так как гравитоны
могут быть частицами, рождёнными не стандартными элементарными частицами с их
постоянной , а гораздо более мелкими объектами, характеризуемыми своей
собственной постоянной 
. Мы вернёмся к этому вопросу в следующем разделе.
В одной из моделей квантового вакуума [2] вместо гравитонов используется подход, в котором гравитационные силы являются результатом градиентов энергии вакуума в веществе и за пределами тел. Вакуум полагается заполненным некоторым Бозе-Эйнштейновским конденсатом, а пространство разбивается на элементарные ячейки с объёмом, равным кубу планковской длины. Плотность энергии конденсата в отсутствие материи полагается равной отношению планковской энергии к объёму элементарной ячейки. Чем больше массы и её релятивистской энергии в некотором изолированном объёме, тем меньше квантовой энергии предполагается в этом объёме, при этом суммарная энергия в объёме, включающая ещё электромагнитную энергию, остаётся постоянной. Возникающий градиент вакуумной энергии вблизи тел согласно модели должен порождать притяжение этих тел друг к другу.
По своему смыслу данная модель является одной из скалярных теорий гравитации, а сила гравитации подобна силе от давления, действующего одинаково во все стороны как скалярное поле. Недостаток энергии квантового вакуума внутри и вблизи тел эквивалентен появлению гравитационного скалярного потенциала ньютоновской теории тяготения. Известной проблемой скалярных теорий гравитации являются трудности, появляющиеся при их релятивистском обобщении, в рамках специальной теории относительности, на движущиеся системы отсчёта. Кроме этого, каждая теория должна пройти тесты не только теории относительности, но и объяснить, например, гравитационное красное смещение и гравитационное замедление времени. В приближении гравитоэлектромагнетизма [3] известно, что движущиеся массы порождают не только гравитоэлектрическое (обычное гравитационное) поле, но и гравитомагнитное поле, имеющее соленоидальный характер и действующее на другие движущиеся тела подобно магнитному полю в электродинамике. Аналогичный вывод делается и в лоренц-инвариантной теории гравитации [4-5]. Подобные явления накладывают на скалярное поле квантового вакуума серьёзные ограничения в части его взаимодействия с веществом движущихся тел, необходимые для объяснения этих явлений. Например, напряжённость гравитационного поля, пропорциональная градиенту энергии квантового вакуума, должна зависеть в том числе и от скорости тела, а изменения напряжённости должны распространяться в пространстве со скоростью порядка скорости света.
2. Поле гравитонов
Рассмотрим вместо неподвижного эфира как некоторой светоносной среды, и вместо вакуума квантовой механики другой всёобъемлющий объект – поле гравитонов, которое должно обеспечивать существование электромагнитных и гравитационных явлений. Поле гравитонов есть дальнейшее развитие идеи модели Фатио-Лесажа, в которой гравитация порождалась действием на тела потоков некоторых частиц, заполняющих всё пространство. В качестве гравитонов предлагаются нейтрино, фотоны и высокоэнергичные заряженные частицы, подобные по своим свойствам космическим лучам. Исходя из этого, в [4], [6] был выведен закон тяготения Ньютона, а гравитационная постоянная была определена через параметры поля гравитонов. Были также получены оценки плотности энергии и сечения взаимодействия гравитонов с веществом, максимально возможной гравитационной силы, дано объяснение закону инерции.
Дальнейшее развитие идея поля гравитонов получила в [7]. В указанных
работах предполагается, что средняя энергия одного гравитона определяется
выражением 
, где 
есть импульс
гравитона. При идеализированном кубическом распределении реальные потоки
гравитонов условно делятся на шесть потоков, падающих на тело в виде куба с
шести сторон перпендикулярно граням. Каждый поток определяется мощностью
флюенса:
,
(1)
как количество гравитонов 
, падающих в единицу времени 
на единичную площадку 
.
По мере того, как поток гравитонов проходит через вещество, часть гравитонов взаимодействует с частицами вещества и передаёт им свой импульс, и мощность флюенса уменьшается по закону Бугера – Ламберта – Бера:
,
(2)
то есть экспоненциально зависит от длины
пройденного в веществе пути 
, от концентрации вещества 
и от сечения
взаимодействия гравитонов с веществом 
.
Если рассмотреть с учётом (1-2) баланс сил, действующих на элемент массы
внутри однородного шара, как переданный гравитонами суммарный импульс в единицу
времени, определяется гравитационная постоянная 
и напряжённость
гравитационного поля 
:
,
, (3)
где 
есть масса одного
нуклона вещества, 
– плотность шара, 
– радиус-вектор от центра
шара до точки, где находится элемент массы.
В [7] уточняется плотность энергии поля гравитонов:
Дж/м3, (4)
при этом используется значение сечения из [6]: 
м2 , где 
для случая однородной
плотности, 
– скорость света, 
км – радиус типичной нейтронной звезды.
Для случая, если гравитоны представляют собой кванты электромагнитного поля, находится температура поля гравитонов:
К,
(5)
здесь 
– постоянная плотности
излучения.
Соотношения, найденные в [8], позволяют оценить обобщённую температуру и давление в центре нейтронной звезды и протона. В частности, обобщённые температуры в центре звезды и протона одинаковы и равны:
К, (6)
где 
есть масса нейтронной
звезды, равная 1,35 масс Солнца, 
– постоянная
Больцмана.
Из (5) и (6) вытекает, что поле гравитонов не может нагреть центр звезды до своей температуры, так как часть гравитонов проходит звезду насквозь без передачи импульса.
Основные выводы, полученные в [7], сводятся к следующему. Показывается, что масса тела определяется лишь величиной гравитонной светимости, то есть мощностью излучения энергии из тела тех гравитонов, которые взаимодействовали с веществом и передали ему свой импульс.
Представляется механизм, посредством которого магнитары как заряженные и
сильно намагниченные нейтронные звёзды
излучают высокоэнергичные космические лучи и связанные с ними нейтрино и
фотоны. Согласно теории бесконечной вложенности материи, магнитарам на уровне
элементарных частиц соответствуют протоны, которые также излучают подобно
нейтронным звёздам. На более низком уровне материи имеются праоны, относящиеся
к протонам так же, как последние относятся к нейтронным звёздам. Праоны,
протоны и магнитары представляют собой наиболее плотные объекты на соответствующем
уровне материи, и эти объекты являются основными источниками гравитонов,
состоящих из частиц типа нейтрино, фотонов и космических лучей. Основной вклад
в поле гравитонов, вызывающих гравитацию на уровне звёзд, делают гравитоны,
рождённые на низших уровнях материи. Предполагается, что на уровне элементарных
частиц действует сильная гравитация, рассматриваемая как основа сильного
взаимодействия [4]. Значение постоянной сильной гравитации на много порядков
превышает постоянную обычной гравитации: 
м3·кг-1·с-2 , где 
есть элементарный
заряд, 
– электрическая постоянная, 
и 
– массы протона и
электрона, соответственно. С помощью постоянной сильной гравитации точно
вычисляется радиус протона и его магнитный момент [9].
Таким образом показывается, что поле гравитонов может быть источником гравитации, приводя к напряжённости, скалярному и векторному потенциалам поля, которые используются в лоренц-инвариантной теории гравитации [4] и в ковариантной теории гравитации [10-11].
3. Электромагнитная сила
Перейдём теперь от гравитации к электромагнитным явлениям. Мы рассматриваем вакуумное поле как многокомпонентное поле, содержащее как нейтральные нейтрино и фотоны, так и энергичные заряженные частицы. При этом поле гравитонов является частью вакуумного поля. Чтобы понять электрическое взаимодействие тел на расстоянии друг от друга, рассмотрим на рисунке 1 движение малых заряженных частиц вакуумного поля вблизи двух тел, одно из которых нейтрально, а второе заряжено положительно.
Как видно, и положительные и отрицательные частицы действуют на положительно заряженное тело симметрично, что не приводит к возникновению какой-либо дополнительной силы по сравнению с силой гравитации. Это же касается и второго, нейтрального тела.
На рисунке 2 a) видно, что положительные частицы толкают отрицательно заряженное тело влево, а на рисунке 2 b) отрицательные частицы толкают положительно заряженное тело вправо (когда мельчайшие частицы проходят сквозь тела подобно гравитонам, они передают им свой импульс). Следовательно, оба тела будут притягиваться друг к другу.
На рисунке 3 приведены линии движения отрицательных частиц вакуумного поля вблизи двух положительно заряженных тел. Оба тела притягивают отрицательные частицы и получают от них дополнительный импульс, приводящий к отталкиванию тел. Движение положительных частиц вакуумного поля на рисунке 3 не показано. Предполагается, что они отталкиваются от тел и потому взаимодействуют с ними слабо.
Для двух отрицательно заряженных тел взаимодействие подобно показанному на рисунке 3, необходимо лишь заменить знаки у всех зарядов. Отсюда получается отталкивание одноимённо заряженных тел. Описанную выше картину можно найти в [10]. Общим для всех рисунков является то, что в зависимости от знаков зарядов двух тел количество падающих на тела заряженных частиц меняется так, что после подсчёта переданного импульса от этих частиц появляется электрическая сила необходимого направления.
Таким образом, взаимодействие между зарядами на расстоянии мы сводим к взаимодействию посредством заряженных частиц вакуумного поля.
Сравним законы Кулона и Ньютона между собой:
, 
.
Для заряженных частиц должно выполняться соотношение для затухания
флюенса заряженных частиц в веществе аналогично (2), с заменой концентрации
нуклонов 
на концентрацию
электрического заряда 
внутри тела. Вместо
массы тела 
следует использовать
модуль заряда тела 
, где 
– элементарный заряд.
В результате вместо (3-4) приходим к приблизительному выражению для
электрической постоянной:
,
(7)
где 
– средний импульс
одной заряженной частицы, 
– мощность флюенса
заряженных частиц вакуумного поля, 
– сечение
взаимодействия заряженных частиц с веществом заряженных тел, 
– плотность энергии
заряженных частиц в пространстве.
Как было показано в [4], отношение плотности
энергии сильной гравитации к плотности электромагнитной энергии для протона
равно отношению массы протона к массе электрона
. Действительно, для энергии полей и их отношения с учётом
определения постоянной сильной гравитации 
имеем: 
, 
, 
.
Мы считаем, что такое же соотношение имеется и для плотностей энергии нейтральных и заряженных частиц в вакуумном поле, что позволяет оценить плотность энергии заряженных частиц и сечение их взаимодействия:
Дж/м3, 
м2
.
Данное сечение имеет величину, сравнимую с сечением нуклона, и превышает
сечение гравитонов 
м2 .
Если описанная картина верна, то от силы Кулона нетрудно перейти к напряжённости электрического поля вокруг точечного заряда и затем к скалярному потенциалу поля. После этого путём деления скалярного потенциала на квадрат скорости света и умножения на 4-скорость получается 4-потенциал частицы. Затем применение процедуры в [11] позволяет найти все характеристики электромагнитного поля и вывести все уравнения поля, включая уравнения Максвелла.
4. Заключение
После краткого анализа моделей эфира и квантового вакуума и перечисления проблем, с которыми сталкиваются эти модели, мы представили силовое вакуумное поле как некоторую альтернативу. Если полагать, что вакуумное поле состоит из частиц типа нейтрино, фотонов и заряженных частиц высокой энергии, рождённых на низших уровнях материи, то это позволяет объяснить высокую проникающую способность этих частиц. Потоки гравитонов и заряженных частиц вакуумного поля ввиду малого сечения взаимодействия с веществом проходят сквозь все объекты и передают им импульс силы. Лишь такие плотные объекты, как нейтронные звёзды, имеют возможность в заметной степени поглощать и рассеивать потоки гравитонов.
Согласно оценкам в [6], необходимо поставить в ряд три нейтронные звезды для существенного поглощения проходящего через них потока гравитонов. С учётом того, что аналогами нейтронных звёзд на уровне атомов являются нуклоны, и в предположении, что вместо обычной гравитации между нуклонами действует сильная гравитация, это позволило в [10] и в [12] объяснить эффект насыщения ядерных сил, скрепляющих ядра атомов. Суть объяснения заключается в том, что по мере увеличения количества нуклонов удельная энергия сильной гравитации в расчёте на один нуклон, пропорциональная удельной энергии связи ядра, перестаёт расти линейно, как обычно растёт потенциал гравитационного поля по мере увеличения массы. Насыщение становится заметным у ядер, содержащих порядка 20 нуклонов и более. В этих ядрах ввиду почти полного поглощения гравитонов нуклонами присоединение нового нуклона приносит в систему почти одну и ту же энергию связи, и потому на зависимости удельной связи ядер от атомного числа появляется эффект насыщения.
В представленной модели вакуумное поле является ответственным как за гравитационные, так и за электромагнитные силы. В отличие от моделей эфира и квантового вакуума, в которых имеется некоторая неподвижная субстанция с определёнными свойствами, вакуумное поле является многокомпонентным и динамическим полем, состоящим из быстродвижущихся, порядка скорости света, частиц. Электромагнитные и гравитационные волны в таком случае должны быть волнами, переносимыми частицами вакуумного поля. В частности, в [13] мы представили модель фотона, состоящего из заряженных частиц.
5. Список использованных источников
1. Freeman Dyson. Is a Graviton Detectable? Poincare Prize Lecture,
International Congress of Mathematical Physics, Aalborg, Denmark, August 6,
2012.
2. Luigi Maxmilian Caligiuri , Amrit
Sorli. Gravity Originates from Variable Energy Density of Quantum Vacuum. American
Journal of Modern Physics. Vol. 3, No. 3, 2014, pp. 118-128. doi:10.11648/j.ajmp.20140303.11.
3. S.J. Clark, R.W. Tucker (2000). Gauge symmetry and
gravito-electromagnetism. Classical
and Quantum Gravity. 17 (19): 4125–4157. doi:10.1088/0264-9381/17/19/311.
4. Федосин С.Г. Физика и философия подобия от преонов до метагалактик.
Пермь, Стиль-МГ, 1999, 544 стр., Табл.66, Ил.93, Библ. 377 назв. ISBN
5-8131-0012-1.
5. Fedosin S.G. Electromagnetic and Gravitational Pictures of the World. Apeiron, 2007, Vol. 14, No. 4, P. 385 – 413; Электромагнитная и гравитационная картины мира.
6. Fedosin S.G. Model of Gravitational Interaction
in the Concept of Gravitons. Journal of Vectorial
Relativity, 2009, Vol. 4, No. 1, P.1–24; Модель гравитационного взаимодействия в концепции гравитонов.
7.
Федосин С.Г. Поле гравитонов как источник массы
и гравитационной силы в модернизированной модели Лесажа. Препринт, октябрь
2014.
8.
Fedosin S.G. The Integral Energy-Momentum
4-Vector and Analysis of 4/3 Problem Based on the Pressure Field and
Acceleration Field.
American Journal of Modern Physics. Vol. 3, No. 4, 2014, pp.
152-167. doi: 10.11648/j.ajmp.20140304.12; Интегральный 4-вектор энергии-импульса и анализ
проблемы 4/3 на основе поля давления и поля ускорений.
9.
Fedosin S.G. The radius of the proton in the self-consistent model. Hadronic Journal, 2012, Vol.
35, No. 4, P. 349 – 363; Радиус
протона в самосогласованной модели.
10.
Федосин С.Г. Физические теории и бесконечная вложенность
материи. Пермь,
2009, 842 стр., Табл. 21, Ил.41, Библ. 289 назв. ISBN 978-5-9901951-1-0.
11.
Fedosin S.G. The Procedure of
Finding the Stress-Energy Tensor and Equations of Vector Field of Any Form. Advanced
Studies in Theoretical Physics, Vol. 8, 2014, no. 18, 771 - 779. http://dx.doi.org/10.12988/astp.2014.47101; Процедура для нахождения тензора энергии-импульса и уравнений векторного поля любого вида.
12.
Fedosin S.G. The Principle of
Proportionality of Mass and Energy: New Version. Caspian Journal of Applied Sciences Research, 2012, Vol. 1, No. 13, P. 1 – 15; Принцип пропорциональности массы и энергии: новая версия.
13.
Fedosin S.G. Cosmic Red Shift, Microwave
Background, and New Particles. Galilean
Electrodynamics, 2012, Vol. 23, Special Issues No. 1, P. 3 – 13; Красное смещение и космическое микроволновое
фоновое излучение как следствие взаимодействия фотонов с новыми частицами.
Источник: http://sergf.ru/av.htm