Причинная или несимметричная

механика в линейном приближении

Пулково

1958 г.

Предисловие

В последнее время в ядерной физике были обнаружены явления, показывающие неравноценность Мира и его зеркального  отображения.  К существованию этой несимметрии автор пришел уже несколько лет назад, исходя из астрономических данных. Астрономические данные указывают на то, что упомянутая несимметрия Мира существует благодаря несимметричности времени, т.е. благодаря объективному отличию будущего от прошедшего. Этим свойством  времени, которое  может быть названо направленностью или ходом, устанавливается отличие причин от следствий. Поэтому механику, в которой учитывается ход времени, естественно назвать несимметричной или причинной механикой.

Все явления природы протекают во времени. Поэтому невозможно представить себе отрасль науки, изучающей Мир, в которой свойства времени не играли бы роли. Если ход времени действительно создает неравноценность Мира и его зеркального отображения, то явления асимметрии в биологии и в микромире  должны  иметь  то  же  объяснение направленностью  времени. Трудно говорить о причинных связях, существующих в микромире. Вместе с тем только с помощью простых опытов, допускающих наглядное  представление, можно по-настоящему понять сущность времени. Поэтому нам представляется, что физическое изучение свойств времени и причинности следует начать с опытов элементарной механики.

Глава I

Астрофизическое введение

В настоящее время в астрофизике редко удается давать безусловно правильные объяснения наблюдаемым явлениям звездного Мира. Это относится не только к частным и сложным явлениям, но и к явлениям принципиальным, большой общности, с простыми закономерностями. Уточнение физических обстоятельств и применение более совершенного математического аппарата не помогают теоретику и не приносят ему радостного чувства правильно решенной задачи. Из всего  этого пора сделать вывод, что  для решения астрономических проблем у нас не хватает знаний. Очевидно в Мире существует  некоторый глубокий принцип, не открытый еще современным естествознанием. Этот принцип едва ли можно придумать, но его следует искать индуктивным путем, решая теоретически обратные задачи. При таком исследовании мы должны не обходить трудные  для теории вопросы, а, наоборот, сосредотачивать на них свое внимание.

Применяя физические законы для объяснения явлений звездного Мира, мы неизбежно распространяем на Вселенную и все следствия второго начала термодинамики. Во Вселенной же нет никаких признаков деградации, как вытекает из второго начала. Мир сверкает неисчерпаемым разнообразием, мы не находим в нем и следов приближения тепловой и радиоактивной смерти. По-видимому здесь и заключается основное противоречие – противоречие очень глубокое, которое нельзя устранить ссылками на бесконечность Вселенной. Дело в том, что не только отдельные астрономические объекты, но даже целые системы в такой степени изолированы друг от друга, что их можно рассматривать как системы замкнутые. Для них тепловая смерть должна заметно приблизиться прежде, чем успеет прийти помощь со стороны. Такие деградированные состояния систем должны были быть преимущественными, а вместе с тем они почти незаметны. Оставаясь в рамках обычных законов механики и физики, остается считать, что наблюдаемая картина Мира является следствием или одной обширной, охватившей некогда весь Мир катастрофы, или следствием мелких, постоянно происходящих катастроф, обновляющих Мир.

Таков круг идей космогонических и эволюционных построений астрономии, начиная от Ньютона – вплоть до наших дней, хотя логически эти катастрофы следует считать беспричинными, так как они происходят вопреки законам природы.

Интересно сходство этих идей с воззрениями геологов прошлого столетия, до Ляйелля, на историю жизни Земли. Так,  как  Кювье  и Леопольд фон Бух считали, что развитие Земли происходило в  результате грандиозных потрясений, так называемых катаклизмов, которые  временами обновляли Землю. Ныне геология опирается на чрезвычайно плодотворный принцип актуализма, развитый и обоснованный Ляйеллем в 1830 г. Еще в 1802 г. этот принцип был сформулирован Ламарком: “Историю Земли можно объяснить, исходя только из обычных сил природы, постоянно действующих в настоящем.” Научная последовательность и стройность такой системы взглядов  совершенно очевидна. Желая быть столь же последовательными и при объяснении развития звездного Мира, мы должны признать, что в природе существуют постоянно действующие причины, препятствующие возрастанию энтропии.

Проблема преодоления тепловой смерти Мира теснейшим образом связана с проблемой происхождения свечений Солнца и звезд. Дело в том, что изменения второго начала едва ли возможны  при сохранении первого начала термодинамики. Поэтому можно думать, что, решив задачу о природе звездной энергии, мы найдем ключ к пониманию важнейших явлений звездного Мира. В звездах происходят сильные нерегулярные процессы, но общие характеристики звезд, как например, радиус, масса, светимость, степень сжатия от вращения и т.п. должны давать соотношения, зависящие только от главнейших причин. Поэтому можно рассчитывать, что в теории строения звезд с успехом будет решаться следующая обратная задача: по наблюденным общим характеристикам требуется вычислить физические условия внутри звезд и установить физические обстоятельства, при которых будут выполняться соотношения, найденные наблюдательной астрофизикой. В этой задаче неизвестных очень много. Поэтому, несмотря на достаточность наблюдаемых соотношений, нельзя и пытаться решать  ее  строго математически. В первой части этого исследования, начатого еще в 1937 г., был разработан метод, позволивший быстро и без лишней точности определять наблюдаемые характеристики при разнообразных предположениях об условиях внутри звезд. В результате получилась возможность разобраться в том, при каких условиях внутри звезд могут получиться характернейшие особенности наблюдаемых соотношений. Результаты этого анализа приведены во второй части работы. Здесь мы укажем только общий ход рассуждений и приведем главнейшие выводы.

В настоящее время из наблюдений известны массы, радиусы и светимости (расход энергии в единицу времени) для значительного числа звезд. Зная массу и радиус, мы можем определить не только плотность звезды, но и среднюю гравитационную энергию. Следовательно, для газового шара, по теореме вариала может быть определена и кинетическая энергия, т.е. температура внутри звезды. Светимость такого нагретого газового шара будет зависеть от температуры и от условий теплопередачи, которые в свою очередь определяются температурой и плотностью. Таким образом и светимость звезды или средняя потеря энергии единицей массы могут быть вычислены в зависимости от массы и радиуса. Вообразим координатную систему в которой осями служат плотности, температуры и расход энергии единицей массы. Мы видели, что каждая из этих переменных зависит от двух параметров: массы и радиуса. Поэтому в указанном пространстве звёзды должны располагаться на некоторой поверхности. Теряя  энергию, звезда будет охлаждаться и сжиматься, оставаясь на этой поверхности. Срок жизни такой звезды, вычисленный Гельмгольцем и Кельвином, получается слишком коротким: для Солнца около тридцати миллионов лет. В действительности же Солнце, по достоверным геологическим данным, имеет значительно больший возраст. Обычно отсюда заключают, что внутри звезд есть специальные источники энергии, наподобие аккумуляторов, постепенная разрядка которых обеспечивает длительность  жизни звезд.  Эти источники должны выделять энергию по некоторому закону, в зависимости от физических условий внутри звезды. Таким образом, по данному типу источников энергии будет в рассмотренном нами пространстве физических условий соответствовать некоторая определенная поверхность. При тепловом равновесии это количество энергии должно равняться вычисленному нами выше расходу. Следовательно, звезды могут располагаться только по кривой пересечения двух построенных поверхностей. В действительности же звезды располагаются в этом пространстве не на кривой и не в объеме, что было бы при больших неточностях наблюдений, а на поверхности. Вместе с тем теоретическая кривая пересечения поверхностей должна быть выражена очень резко. Действительно, расход энергии уменьшается с увеличением плотности, образование же  энергии, вообще говоря, увеличивается с плотностью. Таким образом эти поверхности должны пересекаться весьма круто. Остается заключить, что предположение о существовании внутри звезд источников энергии, независимых от процесса охлаждения, действительности не соответствует. Внутри звезд нет специальных источников энергии, и звёзды выделяют энергию по типу механизма Гельмгольца-Кельвина, постепенного охлаждения и сжатия. Так как возраст звезд значительно больше времени охлаждения, мы должны признать, что, теряя энергию и сжимаясь, звезда вызывает некоторые процессы, компенсирующие эту потерю энергии. Приходится заключить, что звёзды представляют собой машину, вырабатывающую энергию. Однако, этот механизм работает не при всех обстоятельствах.

1) В рассмотренном нами выше пространстве физических условий существует следующее основное направление, вблизи которого возможна работа механизма энергии в громадном диапазоне состояний (от красных сверхгигантов – до белых карликов): 

где В – плотность лучистой энергии и n – число частиц  (см3).

Если входящую сюда постоянную, имеющую размерность энергии, представлять в виде  где me – масса электрона, а C2 – некоторая скорость, то для C2 получается значение порядка 400 км/сек:

,С2   =400 км/сек .   (1)

Иными словами, отношение B  к  n  должно  быть  порядка энергии ионизации атомов.

2) На последовательности (1), когда средние расстояния между частицами оказываются порядка атомных размеров, получается точка (спектральный тип F4), около которой группируются большинство звёзд (главная последовательность – субгиганты, субкарлики). В пл-ти B и n группировка звёзд  получается почти круговой. Положение центра можно определить, добавляя к (1) условие: скорость протонов, содержание которых в звёздах значительно превосходит содержание ядер других элементов.

3) Белые карлики и большие планеты представляют собой тела, внутри которых материя находится на границе вырожденного состояния. В этих телах поддерживается температура, препятствующая вырождению.

С точки зрения теории строения звёзд полученные выводы очень странны и неожиданны. Но они подтверждают наш основной тезис, что в Мире непрерывно действуют причины, мешающие переходу в равновесное состояние. Теперь можно сказать, что это положение распространяется на отдельные астрономические тела. Геологам уже сравнительно давно стало ясным, что жизнь Земли идет в непрерывной борьбе сжатия с расширениями. Эта борьба приводит к цикличности орогенеза, чередующегося с эпохами сравнительного тектонического покоя, когда начинают преобладать обычные силы  сжатия. Для объяснения трещин и других особенностей лунного рельефа (например, знаменитой долины в Альпах) мы должны признать, что даже такое малое тело, как Луна, было неоднократно подвержено преобладающему действию этих непонятных причин, приводивших к его временному расширению [4]. Поразительно также сходство этих процессов с циклическими изменениями ряда переменных звёзд. Таким образом, наши общие соображения о существовании причин, препятствующих деградации Мира, получили замечательное подтверждение. Кроме того мы убедились, что в отдельных астрономических телах сопротивление к переходу в равновесное состояние осуществляется выделением энергии. Таким образом сделан следующий важный шаг: неправильность следствий второго начала связана с неточной формулировкой первого начала термодинамики.

Для получения дальнейших конкретных заключений, естественно обратиться к рассмотрению перечисленных выше условий при которых происходит выделение энергии в звёздах. Особенно характерно первое, главное соотношение. Это соотношение очень простое, что и должно быть для равновесных процессов. Например, выделение тепла замерзающей водой определяется простым условием: Т=0 °С. Количество выделяемой при этом энергии зависит от более сложных обстоятельств теплопередачи: толщины льда и температуры наружного воздуха. Вероятно, соотношение (1) выражает условие равновесного взаимодействия материи и лучистой энергии, при котором роль кванта играет среднее количество лучистой энергии, приходящейся на одну частицу; скорость же света C1 заменена некоторой другой скоростью C2. Совершенно очевидно, что это соотношение не может быть объяснено обычной электродинамикой и атомной физикой. Наше второе условие не связано непосредственно с лучистой энергией, но так же содержит скорость C2. Взаимодействие этих условий весьма своеобразно. Звёзды главной последовательности, более раннего типа, чем F4, образуют с соотношением одну ветвь. Звёзды более позднего типа – вторую ветвь, идущую в противоположную сторону, к условию. Описание этих переходов требует логарифмических соотношений между физическими величинами. Все эти обстоятельства не могут быть случайными потому, что в них ощущается некоторое единство. Однако несмотря на многочисленные попытки нам не удалось найти этот объединяющий принцип. Исследуемые результаты  являются, видимо, ещё слишком сложными следствиями некоторой простой причины. Суть дела должна быть непосредственно связана с главнейшим выводом, согласно которому звезда является машиной, производящей энергию.

Характер условий 1), 2) и 3) показывает, что энергия в звёздах получается в результате некоторых электродинамических процессов. Однако, принцип, согласно которому замкнутая система может производить энергию должен быть настолько глубоким, чтобы заключаться и в простых законах механики. Поэтому в первую очередь должны быть поставлены следующие вопросы:  каким образом замкнутая механическая система может производить энергию и откуда будет получаться эта избыточная энергия.

Для простоты будем считать, что частицы замкнутой системы описывают и замкнутые траектории. Все действующие на частицы силы приводят к закону сохранения энергии. Поэтому можно считать, что они учтены, и рассматривать движения частиц происходящим в обычном эвклидовом пространстве. Из равноценности всех точек пространства следует, что различие траекторий не может привести к различию механических свойств частиц. Следовательно, нам достаточно рассматривать любые одинаковые траектории, например, окружности. При этом возможны движения в двух противоположных направлениях, которые определим по отношению к некоторому механическому ориентиру, например, силе действующей по оси окружности. Полученные два комплекса не могут быть совмещены поворотом координатных осей. Для этого необходима перемена знака времени или зеркальное отображение.

Если законы истинной механики несимметричны по отношению к указанным преобразованиям, то должны быть различными и механические свойства наших двух комплексов. Так как кинетическая энергия не может зависеть от направления вращений, то должны быть различными только потенциальные энергии этих комплексов. Поэтому полная энергия не сохраняется и должен оказаться принципиально возможным двигатель, производящий энергию.

Несимметричность законов механики по отношению к зеркальным отображениям может иметь непосредственную астрономическую проверку. Действительно, полушария планет, разделенные плоскостью экватора, являются комплексами, имеющими различные вращения по отношению к силе тяжести. Если эти полушария имеют различные механические свойства, то фигуры планет должны оказаться несимметричными по отношению к плоскости экватора. Наши измерения фигур Юпитера и Сатурна, сопоставленные с геодезическими данными о фигуре Земли, действительно показали асимметрию: у всех планет южное полушарие оказалось более вытянутым, чем северное. Этот результат прямо противоречит законам обычной механики и указывает на ее несимметричность.

Несимметричность законов механики может означать только одно, что время обладает некоторым несимметричным свойством, связанным с неравноценностью реального Мира и его зеркального отображения. Это свойство времени может быть названо направленностью или ходом. Теперь можно сказать, что из астрофизических данных следует существование направленности времени. В силу этой направленности время может совершать работу и производить энергию. Итак, звезда является только кажущимся perpetuum mobile: звезда черпает энергию из хода времени.

По-видимому, в звёздах происходит компенсация не только потери энергии, но при известных обстоятельствах и потери момента вращения. Основанием к такому заключению может служить наблюдаемая в ряде случаев несинхронность орбитальных и осевых вращений тесных спектрально-двойных звёзд. Синхронизация же  этих вращений должна наступать в сравнительно короткие сроки из-за приливных сил, при неизбежной турбулентности. Таким образом, весьма вероятно, что ход времени может не только увеличивать энергию системы, но увеличивать и её момент.

Что собой представляет время, до сих пор ещё неизвестно. В физике по этому вопросу существуют смутные соображения, тогда как в силу важности вопроса следовало бы иметь написанными о времени целые тома. Физик умеет измерять только продолжительность времени, поэтому для него время — понятие совершенно пассивное. Теперь мы пришли к заключению, что время имеет и другие, активные свойства. Время является активным участником Мироздания.

На этом заканчивается индуктивная часть нашего исследования. В дальнейшем мы можем не опираться на приведённую аргументацию. В следующей главе мы постараемся обосновать и уточнить понятие хода времени, пользуясь только самыми общими представлениями о Мире, которые следуют из опытов всего естествознания и опытов жизни. продолжение