Принцип суммирования энергий
произвольной системы задаёт порядок включения различных видов энергии,
связанных с системой, в энергетические функции, описывающие состояние системы.
Наиболее часто суммирование энергий применяется в теоретической физике, где
используется принцип наименьшего действия, вычисляются полные энергии систем и
учитывается закон сохранения энергии. Принцип
суммирования энергий является с одной стороны методологическим принципом, а с
другой стороны – следствием сложности систем, состоящих из вещества в различных
состояниях, и имеющихся в данных системах полей. Сложность увеличивается за
счёт движения вещества и поля, при переходах вещества из одного фазового
состояния в другое, при трансформации энергии полей и вещества друг в друга. Энергетические
функции имеют разный смысл в зависимости от их предназначения. Для оценки
изменения полной энергии системы необходимо учитывать, что одни компоненты
увеличивают энергию, а другие ей уменьшают, что приводит к разным знакам перед
компонентами энергии. Если же энергетические функции используются для
нахождения уравнений движения, то знаки перед компонентами энергии выбираются
из условия соответствия уравнениям движения вещества и поля. В результате для
каждой энергетической функции используется свой собственный порядок
суммирования энергий.
Оглавление
o 1.6.1 Уравнения Эйнштейна-Гильберта o 1.6.2 Уравнения КТГ
|
Для
вычисления энергетических функций в термодинамике используют такие физические
величины, как давление , объём
, абсолютная температура
,
теплоёмкость
,
масса
, количество вещества
. Эти
величины достаточно хорошо измеряются, в отличие от энтропии
,
химического потенциала
, количества теплоты
, которыми
обладает вещество. Внутренняя энергия
и её приращение
для многофазного вещества в квазистатическом
процессе выражаются формулами:
,
,
где – приращение количества теплоты,
– работа, выполняемая системой,
–
количество фаз вещества,
– работа,
выполняемая над системой.
Кроме внутренней энергии, в термодинамике имеются и другие связанные с ней энергетические функции, например, свободная энергия Гельмгольца:
.
Соответственно, приращение свободной энергии Гельмгольца равно:
.
Энтальпия и её приращение имеют вид:
,
.
Энергия Гиббса и её приращение:
,
.
Большой термодинамический потенциал и его приращение:
,
.
Связанная энергия и её приращение:
,
.
Возможны ещё два термодинамических потенциала и их приращения:
,
,
,
.
Порядок сложения компонент энергии оказывается такой, чтобы получался соответствующий термодинамический потенциал, имеющий свой собственный смысл. Так, внутренняя энергия отражает закон сохранения энергии, а изменение свободной энергии Гельмгольца при изотермическом процессе определяется только разностью работы, выполняемой как системой над окружением, так и окружением над системой.
Многие соотношения термодинамики хорошо выполняются не только для газов, но и для жидкостей и вещества в твёрдом состоянии.
Одним из
путей нахождения уравнений движения систем и законов их существования является
варьирование функционала действия, то есть варьирование по различным переменным
интеграла по времени от функции Лагранжа, с целью определения экстремальных и
наиболее вероятных состояний. Функция Лагранжа состоит из ряда компонент энергии, которые в
механике входят либо в кинетическую энергию
, либо в
потенциальную энергию
. Для нахождения функции
Лагранжа в механике записывают разность кинетической и потенциальной
энергий:
.
Обычно предполагается, что функция Лагранжа зависит только от времени, координат и скоростей, но не от более высоких производных по времени.
Так как вещество в каждой механической системе является источником
собственных полей, то в выражение для функции Лагранжа в общем случае
добавляются члены, связанные с энергиями этих полей. В специальной теории относительности функция Лагранжа одной частицы с массой и зарядом
в электромагнитном поле имеет вид: [1]
,
где – скорость света,
– интервал,
– электромагнитный 4-потенциал с нижним
(ковариантным) индексом,
– 4-вектор
смещения частицы,
– электрическая постоянная,
– тензор электромагнитного поля,
– элемент 4-объёма,
– скорость движения частицы,
и
– скалярный и векторный потенциалы
электромагнитного поля соответственно,
и
– напряжённость электрического поля и
магнитная индукция соответственно.
В данном случае в функцию Лагранжа входят три компоненты с размерностью энергии, связанные с релятивистской энергией частицы, с энергией частицы в электромагнитном поле, и с энергией самого электромагнитного поля. Выражения для компонент энергии и знаки перед ними выбраны таким образом, чтобы в результате варьирования функционала действия получались уравнения движения частицы в поле и уравнения Максвелла для напряжённостей поля.
Аналогично записывается функция Лагранжа для одной частицы в гравитационном поле в лоренц-инвариантной теории гравитации: [2]
,
где – гравитационный
4-потенциал с нижним (ковариантным) индексом,
– гравитационная
постоянная,
– тензор гравитационного поля,
и
– скалярный и векторный потенциалы
гравитационного поля соответственно,
и
– напряжённость гравитационного поля и поле кручения соответственно, а масса
не только учитывает сумму масс нуклонов
вещества, но и вклад от массы-энергии всех полей, взаимодействующих с веществом
и изменяющих величину массы частицы.
После
варьирования функционала действия получаются уравнения движения частицы в
гравитационном поле и максвеллоподобные
гравитационные уравнения для гравитационного ускорения и поля кручения. Для
того, чтобы лагранжиан можно было использовать в любых системах отсчёта, его
следует записать в ковариантном виде. В искривлённом пространстве-времени
интервал можно выразить через метрический тензор :
а вместо
элемента 4-объёма при интегрировании
по 4-объёму следует использовать произведение
,
где
есть детерминант метрического тензора.
В классической
механике функция Гамильтона или гамильтониан системы частиц может быть
определён через лагранжиан: ,
где — обобщённый импульс i-ой частицы, а
— её обобщённая скорость.
Для
консервативных систем, в которых сохраняется энергия, функция Гамильтона как
функция от обобщённых координат и импульсов оказывается равной полной энергии системы и имеет следующий вид:
.
В этом
случае видно, что различие между функциями Лагранжа и Гамильтона заключено в
разных знаках перед потенциальной энергией системы.
Инвариантная энергия тела определяется как релятивистская энергия,
измеренная неподвижным относительно центра импульсов тела наблюдателем.
Стандартный подход предполагает суммирование всех видов энергии тела:
,
где – энергия покоя отдельных частиц вещества,
– энергия давления (сжатия) вещества,
понимаемая как потенциальная энергия межатомных взаимодействий,
– тепловая энергия, дающая в сумме с
внутреннюю энергию,
– полная гравитационная энергия тела,
включающая энергию собственного поля в веществе тела и за его пределами, и
гравитационную энергию в поле от внешних источников,
– полная электромагнитная энергия тела,
– энергия излучения, взаимодействующего с
веществом тела.
В общей теории относительности это приводит к тому, что нагретое тело должно увеличивать свою массу, а масса гравитационно-связанного тела должна быть меньше, чем суммарная масса частиц вещества, из которого образуется данное тело.
Существует альтернативная точка зрения, согласно которой компоненты энергии входят в равенство для инвариантной энергии с отрицательными знаками: [3] [4] [5] [6] [7]
.
Как
следствие, нагретые тела должны иметь меньшую массу, чем холодные, а масса звезды
должна быть больше массы рассеянного вещества, из которого она образовалась в
ходе гравитационного коллапса.
Третий подход связан с переосмыслением сущности и порядка
суммирования энергий в ковариантной
теории гравитации (КТГ). Способ вычисления инвариантной энергии существенно зависит
от того, каким образом учитывается в энергии скалярная кривизна и
космологическая постоянная. В частности, космологическая постоянная может
калиброваться таким образом, чтобы исключить скалярную кривизну и тем самым
найти однозначное выражение для энергии. [8] Другое нововведение заключается в том, что вместо
стандартного тензора энергии-импульса вещества с учётом скалярного давления в
рассмотрение вводятся два новых векторных поля – поле ускорений и поле давления, с соответствующими тензорами
энергии-импульса. Если добавить сюда электромагнитное и гравитационное поля,
получаются 4 поля, симметрично входящие в лагранжиан и в энергию. При
вычислении инвариантной энергии для сферического тела в равновесии оказывается,
что компоненты энергии всех четырёх полей взаимно сокращаются. Поэтому вклад в
инвариантную энергию системы делают лишь потенциальные энергии частиц,
находящихся под действием полей. [9] Эти энергии также частично
сокращаются, и для инвариантной энергии можно записать:
Соотношение для масс выглядит следующим образом:
где масса и заряд
вычисляются интегрированием соответствующей
плотности по объёму тела радиуса
,
масса системы
равна
суммарной массе частиц
, масса
равна гравитационной массе
, а превышение
над
происходит за счёт того, что частицы внутри
тела двигаются и находятся под давлением в гравитационном и электромагнитном
полях.
Более точный результат находится в статьях, [10] [11]
где для энергии и масс получается следующее:
Здесь калибровочная масса
связана с космологической постоянной и
представляет собой массу-энергию частиц вещества в 4-потенциалах полей системы;
есть инертная масса системы; вспомогательная
масса
равняется произведению плотности массы частиц
на объём вещества системы; масса
есть сумма инвариантных масс (масс покоя)
частиц системы, равная по величине гравитационной массе
системы.
В отличие
от инвариантной энергии, релятивистская энергия в общем случае содержит
дополнительные компоненты энергии, связанные с движением системы как целого. В
результате в формулах для энергии может быть определена зависимость от
скорости, например от скорости движения центра импульсов системы . Если в
пространстве Минковского известна инвариантная энергия
, то
релятивистская энергия в произвольной инерциальной системе отчёта находится с
помощью преобразования Лоренца по формуле:
.
Для непрерывно распределённого вещества в искривлённом
пространстве-времени выражение для энергии физической системы имеет следующий
вид: [12]
В данном выражении лагранжиан системы представлен
в виде суммы двух частей
,
где
зависит
от 4-потенциалов и 4-токов, а
содержит
тензорные инварианты полей. Величина
есть
та часть функции Лагранжа, которая получается путём интегрирования
по
движущемуся объёму физической системы. В веществе системы скорость частиц
есть
,
величина
есть
временная компонента 4-скорости этих частиц,
есть
детерминант метрического тензора. При вычислении вклада полей частиц в энергию
системы необходимо разделить вещество на
частиц
или элементов вещества точечных размеров. Каждая такая частица имеет некоторую
скорость
,
при этом
и
энергия системы
в
общем случае зависят от скоростей
.
Для четырёх векторных полей энергия
выражается через скалярные потенциалы полей ,
через векторные потенциалы полей
,
и через тензоры полей
:
Уравнения Эйнштейна-Гильберта в общей теории относительности (ОТО) предназначены для поиска метрики в искривлённом пространстве-времени и записываются в тензорном виде:
,
где — тензор Риччи,
— скалярная кривизна,
— космологическая постоянная, а
представляет собой тензор энергии-импульса с
размерностью объёмной плотности энергии,
— гравитационная постоянная Ньютона.
В ОТО и в состав тензора
как правило входят тензор энергии-импульса
вещества
и тензор
энергии-импульса электромагнитного поля
:
.
Отсутствие тензора энергии-импульса гравитационного поля как источника, влияющего на метрику, связано в ОТО с тем, что гравитационное поле отождествляется с геометрическим полем в виде метрического поля, причём это поле не порождает само себя (отсутствие самодействия метрического поля).
Уравнения КТГ
В ковариантной теории гравитации (КТГ) уравнения для метрики
имеют следующий вид: [8] [13]
,
где коэффициент
находится из уравнений движения частиц и волн в каждой заданной форме метрики,
а тензор
является суммой четырёх тензоров:
где
– тензор энергии-импульса гравитационного поля,
–
тензор энергии-импульса поля ускорений, и
–
тензор энергии-импульса поля давления.
Это означает, что в КТГ гравитационное поле является физическим
полем и наряду с электромагнитным полем, с полем ускорений и полем давления,
является источником, формирующим метрику пространства-времени.
В случае непрерывно распределённого вещества для космологической
постоянной получается равенство:
где
и
являются
массовым и электромагнитным 4-током, соответственно,
и
– 4-потенциалы поля ускорений и поля давления.
Ковариантная производная левой части уравнения для метрики в силу
калибровки космологической постоянной и скалярной кривизны даёт нуль. Это
позволяет записать уравнение движения вещества как равенство нулю ковариантной
производной от суммы тензоров в правой части, взятых с контравариантными
индексами:
.
В
концепции общего поля предполагается,
что компонентами этого поля являются все векторные поля, связанные с веществом.
4-потенциал общего поля равен сумме 4-потенциалов частных
полей. [14] [15] В результате сумма членов в объёмной
плотности лагранжиана, ответственных за энергию вещества в различных полях, с
точностью до знака равна просто произведению
.
Что касается энергии самих частных полей, то эти энергии включаются в
лагранжиан через тензор общего поля
,
получаемый как 4-ротор от 4-потенциала общего поля. Для функции Лагранжа
получается соотношение:
где и
– постоянные, подлежащие определению,
– инвариантный 3-объём, выражаемый
через произведение
дифференциалов пространственных
координат, и через квадратный корень
из детерминанта
метрического тензора, взятого с
отрицательным знаком.
Релятивистская
энергия системы равна:
где и
обозначают временные компоненты
4-векторов
и
.
Особенностью
выражения для энергии является то, что в нём энергия общего поля в тензорном
произведении включает в себя не только энергии
частных полей, но и перекрёстные члены в виде суммы произведений напряжённостей
частных полей в различных сочетаниях. Можно сказать, что энергия частиц в
частных полях входит в энергию системы линейно, а энергия самих полей –
приблизительно квадратичным образом.
1.
Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Теория поля. — Издание 7-е, исправленное.
— М.: Наука, 1988. — 512 с. — («Теоретическая физика», том II). — ISBN
5-02-014420-7.
2.
Федосин С.Г. Физика и
философия подобия от преонов до метагалактик, Пермь: Стиль-МГ, 1999, ISBN
5-8131-0012-1. 544 стр., Табл.66, Ил.93, Библ. 377 назв.
3.
Fedosin S.G. Energy, Momentum, Mass and Velocity of a Moving Body. Preprints 2017,
2017040150. http://dx.doi.org/10.20944/preprints201704.0150.v1;
статья на русском языке: Энергия, импульс,
масса и скорость движущегося тела.
4.
Fedosin S.G. Energy, Momentum, Mass and Velocity
of a Moving Body in the Light of Gravitomagnetic Theory. Canadian
Journal of Physics, Vol. 92, No. 10, pp. 1074-1081
(2014). http://dx.doi.org/10.1139/cjp-2013-0683;
статья на русском языке: Энергия, импульс,
масса и скорость движущегося тела в свете теории гравитомагнетизма.
5. Fedosin S.G. The Principle of Proportionality of Mass and Energy: New Version. Caspian Journal of Applied Sciences Research, Vol. 1, No. 13, pp. 1-15
(2012). http://dx.doi.org/10.5281/zenodo.890753; статья на русском языке: Принцип пропорциональности массы и энергии: новая версия.
6.
Fedosin S.G. The Principle of Least Action in Covariant Theory of Gravitation. Hadronic Journal, Vol.
35, No. 1, pp. 35-70 (2012). http://dx.doi.org/10.5281/zenodo.889804;
статья на русском языке: Принцип наименьшего
действия в ковариантной теории гравитации.
7.
Fedosin S.G. The Hamiltonian in Covariant Theory of Gravitation. Advances in
Natural Science, Vol. 5, No. 4, pp.
55-75 (2012). http://dx.doi.org/10.3968%2Fj.ans.1715787020120504.2023;
статья на русском языке: Гамильтониан в
ковариантной теории гравитации.
8.
а б Fedosin S.G. About the cosmological constant, acceleration
field, pressure field and energy. Jordan Journal of
Physics. Vol. 9, No. 1, pp. 1-30 (2016). http://dx.doi.org/10.5281/zenodo.889304;
статья на русском языке: О космологической
постоянной, поле ускорения, поле давления и об энергии.
9.
Fedosin S.G. Relativistic Energy and Mass in the Weak Field
Limit. Jordan Journal of Physics.
Vol. 8, No. 1, pp. 1-16
(2015). http://dx.doi.org/10.5281/zenodo.889210;
статья на русском языке: Релятивистская
энергия и масса в пределе слабого поля.
10. Fedosin
S.G. The binding energy and the total energy of a macroscopic body in the
relativistic uniform model. Middle East Journal of
Science, Vol. 5, Issue 1, pp. 46-62 (2019). http://dx.doi.org/10.23884/mejs.2019.5.1.06.
// Энергия связи и полная энергия
макроскопического тела в релятивистской однородной модели.
11. Fedosin S.G. The Mass Hierarchy in the Relativistic Uniform System. Bulletin of Pure and Applied Sciences, Vol. 38 D (Physics), No. 2, pp. 73-80 (2019). http://dx.doi.org/10.5958/2320-3218.2019.00012.5. // Иерархия масс в релятивистской однородной системе.
12. Fedosin S.G. What should we understand by the four-momentum of physical system? Physica Scripta, Vol. 99, No. 5, 055034 (2024). https://doi.org/10.1088/1402-4896/ad3b45. // Что мы должны понимать под 4-импульсом физической системы?
13. Fedosin S.G. Lagrangian formalism in the theory of relativistic vector fields.
International Journal of Modern Physics A, Vol. 40, No. 02, 2450163 (2025). https://doi.org/10.1142/S0217751X2450163X. // Лагранжев формализм в
теории релятивистских векторных полей.
14. Fedosin S.G. The Concept of the General Force Vector Field. OALib Journal, Vol.
3, pp. 1-15 (2016), e2459. http://dx.doi.org/10.4236/oalib.1102459;
статья на русском языке: Концепция общего
силового векторного поля.
15. Fedosin S.G. Two components of the macroscopic general field. Reports in
Advances of Physical Sciences, Vol. 1, No. 2, 1750002, 9 pages (2017). http://dx.doi.org/10.1142/S2424942417500025.
// Две компоненты макроскопического общего
поля.