Реферат: Фазовые состояния вселенной

Юмашев Владимир Евгеньевич, к.т.н., доцент

"Вселенная – это вызов всем нам."

Фред Хойль

Аннотация:

Наш мир существует в пределах двух границ, которые являются границами фазовых состояний Вселенной. Время, для нашей фазы Вселенной, является первопричиной, которая обуславливает её расширение и развитие в сторону увеличения энтропии. Гипотеза о фазовых состояниях Вселенной, расширяет наши представления о её строении и даёт ответы на некоторые вопросы её развития.

1. Введение

На основании астрономических наблюдательных данных, были сформулированы три тезиса о состоянии нашей Вселенной [1]:

а) во Вселенной доминирует вакуум: по плотности энергии он превосходит все “обычные” формы космической материи вместе взятые;

б) динамикой космологического расширения управляет антигравитация;

в) космологическое расширение ускоряется, а четырёхмерное пространство-время мира становится тем временем статическим.

Плотность Вселенной (pc) можно представить в виде суммы плотностей космического вакуума (pv), тёмного вещества (pd), барионного вещества (pb), и плотности релятивистского излучения (pr):

pc= pv+pd+pb+pr. (1)

Соотношение (1) часто представляют через относительную плотность [1]:

Ω= Ωv+Ωd+Ωb+Ωr= (0,7 0,1)+(0,3 0,1)+(0,02 0,1)+(0,8∙10-5 ) (2)

где 1< <10 30 – постоянный множитель.

Эти наблюдательные данные поставили ряд вопросов, которые касаются строения нашей Вселенной: почему во Вселенной доминирует плотность вакуума и откуда она берётся, какова природа носителей тёмного вещества, почему расширение Вселенной происходит с ускорением?

Кроме этого, можно выделить ещё одну проблему, которая, по мнению автора, напрямую связана с поставленными вопросами – это возрастание энтропии и “стрела времени” [2]. Необратимость времени и рост энтропии, обуславливают протекание различных процессов в нашей Вселенной в строго определённом направлении. Понимание сущности времени и определение границ существования Вселенной, позволят углубить наши знания о строении Вселенной и её развитии.

2. Границы вселенной

В нашей Вселенной можно выделить две величины, которые являются абсолютными границами для существования любого вида материи [3]: это скорость света и абсолютный нуль температур.

Согласно теореме Нернста, абсолютный нуль температур недостижим [4]. К нему можно приблизиться сколь угодно близко, но получить значение Т=0 К невозможно.

Согласно специальной теории относительности [5], движение со скоростью большей скорости света невозможно. Со скоростью света могут двигаться только безмассовые частицы.

Таким образом, любой вид материи в нашей Вселенной, может существовать только в пределах этих двух границ – скорости света и абсолютного нуля температур. И для того, чтобы покинуть нашу Вселенную не нужно куда-то лететь и искать её границы. Достаточно в любой точке Вселенной превысить скорость света или охладиться ниже абсолютного нуля. В работе [3] области, лежащие за этими границами, были названы, соответственно, надпространство и подпространство. К сожалению, эти области недоступны для материи, которая существует внутри этих границ.

Рассмотрим, что нам известно об этих границах.

При охлаждении некоторых веществ до температур, близких к абсолютному нулю, они переходят в другие фазовые состояния и у них появляются новые свойства – сверхпроводимость и сверхтекучесть. Такие свойства обусловлены переходом вещества в новое внутреннее состояние практически без изменения его внешних параметров.

В природе, движение со скоростями, близкими к скорости света, наблюдается, в основном, только в первичных космических лучах, которые представляют собой поток протонов, альфа-частиц и некоторых других атомных ядер. Со скоростью света частицы, имеющие массу покоя, двигаться не могут. Движение с такой скоростью возможно только для безмассовых частиц – фотонов.

Следовательно, для того, чтобы достичь верхней (скорости света) или нижней (абсолютного нуля температур) границы Вселенной, материя должна перейти в новое состояние и приобрести новые свойства. Можно предположить, что существует, по крайней мере, три фазовых состояния Вселенной: подпространство (температура ниже абсолютного нуля температур), пространство (наш мир) и надпространство (скорости выше скорости света). Такие три фазовых состояния Вселенной аналогичны трём фазовым состояниям воды: твёрдое (лёд), жидкое и газообразное (пар).

Между такими фазовыми состояниями должны происходить фазовые переходы. При некоторых условиях, нам пока неизвестных, возможны переходы материи из нашего пространства в подпространство или надпространство и наоборот. Наиболее вероятно, что такие фазовые переходы происходят на квантовом уровне.

Для осуществления переходов такого рода, необходимо воздействие с большим энергетическим потенциалом, которое охватывало бы всю нашу фазу Вселенной. Такое воздействие оказывает хронополе [3], которое и определяет “стрелу времени” и обуславливает рост энтропии.

3. Смысл интервала с точки зрения существования хронополя

Весь наш мир существует благодаря воздействию хронополя. В пустом пространстве, или, как сейчас говорят, в космическом вакууме, в отсутствии какого-либо вида материи, вся энергия хронополя расходуется на расширение самого пространства, т.е. расстояние между двумя точками пространства непрерывно растёт со скоростью света. В присутствии какого-либо вида материи, либо вещества, либо излучения, часть энергии хронополя расходуется на внутреннюю энергию такого вида материи и, соответственно, на расширение пространства затрачивается меньше энергии хронополя и такое расширение происходит со скоростью, меньшей скорости света.

Единственной величиной, с помощью которой мы можем изучать хронополе, является время. Время характеризует напряжённость хронополя в конкретной точке пространства. Под временем подразумевается скорость хода часов. Давно известен факт, что по мере удаления часов от гравитационной массы скорость хода часов возрастает, т.е. возрастает напряжённость хронополя, т.к. по мере удаления всё меньше энергии хронополя расходуется на существование внутренней энергии гравитационной массы.

Переносчиками воздействия хронополя на нашу фазу Вселенной являются частицы – хрононы. Параметрами хронона должны быть величины, характеризующие нынешнее состояние нашей фазы Вселенной. К этим параметрам можно отнести Планковские еденицы, которые составлены из основных констант нашей фазы Вселенной.

Так масса хронона равна Планковской массе:

(3)

а напряжённость одного кванта хронополя равна Планковскому времени:

(4)

где h = 1,055 10-27г см2 с-1 – постоянная Планка;

G = 6,67 10-8см3 г-1 с-2 – гравитационная постоянная;

c = 3 1010см с-1 – скорость света.

Соответственно, энергия одного кванта хронополя равна:

 h= mh c2= 1,25 1019 Гэв. (5)

Для характеристики пространства, в современных теориях, используется инвариантный интервал [7]:

ds2= (cdt)2-dx2-dy2-dz2 (6)

С точки зрения существования хронополя, этот интервал имеет несколько иной смысл, чем в общей теории относительности.

Для пустого пространства, величина интервала (6) равна нулю. Если подставить вместо dt величину напряжённости одного кванта хронополя – th, то мы получим:

(cth)2-dx2-dy2-dz2= 0, или

dx2+dy2+dz2= hG c3= lh2. (7)

Полученное выражение (7) можно объяснить так: в отсутствии какого-либо вида материи, один квант хронополя вызывает приращение пространства на один квант, равный Планковской длине:

см. (8)

Другими словами, и пространство и время квантованы, т.е. не может быть длины, меньшей lh и отсчёта времени, меньшего th. Энергию одного кванта хронополя можно выразить через его напряжённость, если принять, что частота кванта хронополя равна  h=1 th:

 h= h h= h th (9)

При наличии какого-либо вида материи, часть энергии хронополя будет расходоваться на обеспечение её внутренней энергии и, таким образом, на рождение одного кванта пространства будет затрачиваться меньше энергии хронополя, и квант пространства будет рождаться за время большее, чем th.

Так, при наличии материи с величиной внутренней энергии в размере одного кванта пространства равной  m, та часть энергии одного кванта хронополя, которая идёт на рождение одного кванта пространства, будет равна:

  h=  h -  m, (10)

а напряжённость одного кванта хронополя составит соответственно:

tm= h   h (11)

Именно за это время будет происходить рождение одного кванта пространства, и скорость света соответственно будет меньше:

u= lh tm< c (12)

В этом случае, интервал (6) уже не будет равен нулю. Если подставить в выражение для интервала tm вместо th и принять, что dx2+dy2+dz2= lh2, то получим:

ds2= c2tm2 - lh2= c2(lh u)2 - lh2= lh2(c2 u2 -1)>0. (13)

Следовательно, интервал показывает, во сколько раз медленнее расширяется пространство при наличии какого-либо вида материи, по сравнению с приращением пространства в её отсутствии. Для нашей фазы Вселенной интервал может быть только больше или равным нулю - ds2 0.

4. Фазовые переходы во вселенной

Воздействие хронополя на нашу фазу Вселенной, аналогично воздействию электрического поля на точечный заряд. Как на электрический заряд действует сила, зависящая от напряжённости электрического поля и заставляющая его двигаться в строго определённом направлении, так и на любой вид материи, в нашей фазе Вселенной, действует хронополе, заставляя двигаться её в сторону увеличения энтропии. Такое воздействие и определяет “стрелу времени”.

Другими словами, в материи, под воздействием хронополя, происходят необратимые процессы, которые можно назвать "старением". В нашей фазе Вселенной они не обратимы, но их можно либо замедлить, либо ускорить, изменяя напряжённость хронополя. При увеличении гравитации или при осуществлении какого-либо энергетического процесса, напряжённость хронополя будет уменьшаться. Увеличение напряжённости хронополя можно достичь в космосе, удаляясь от гравитационной массы, например Земли.

Наблюдательные данные показывают, что, по крайней мере, ближний космос не свободен от присутствия материи. В нём присутствуют космические лучи и различного вида излучение. Естественно предположить, что квант хронополя, при рождении кванта пространства, вызывает рождение и этих видов материи. Часть энергии хронополя будет затрачиваться на обеспечение внутренней энергии этих видов материи. Если это так, то становится понятной изотропность такого рода излучения.

Энергия одного кванта пространства не переходит полностью в энергию кванта пространства и материи. Часть энергии хронополя расходуется на осуществление фазового перехода, т.е. на превращение кванта подпространства в квант пространства. Распределение энергии хронополя при фазовом переходе можно представить в следующем виде:

 h=  f +  l +  m, (14)

где  f - энергия фазового перехода подпространства в пространство;

 l - энергия кванта пространства;

 m - энергия материи в размере одного кванта пространства.

Величину энергии фазового перехода можно определить исходя из условия образования чёрной дыры. Считается, что вся масса чёрной дыры сосредоточена внутри гравитационного радиуса rg=2GMb c2, где Mb - масса чёрной дыры. В этом случае, энергия хронополя расходуется на внутреннюю энергию чёрной дыры и рождение квантов пространства не происходит. Напряжённость хронополя, в этом случае, равна нулю, т.е. отсчёт времени равен бесконечности. Другими словами, плотность внутренней энергии чёрной дыры равна энергии квантов пространства в том же объёме. Если принять плотность внутренней энергии чёрной дыры в пределах одного кванта пространства -  b, то энергия фазового перехода будет равна:

 f=  h -  b. (15)

Из (15) видно, что большая часть энергии хронополя расходуется на осуществление фазового перехода подпространства в пространство т.к.  b<< h.

Расширение пространства в результате фазового перехода кванта подпространства в квант пространства и вызывает видимое разбегание галактик. Другими словами, галактики не разбегаются друг от друга, а увеличивается пространственное расстояние между ними. Следовательно, не антигравитация управляет динамикой космологического расширения, а хронополе, которое расширяет пространство. В связи с этим утверждением, возникает вопрос: почему галактики разбегаются со скоростями, прямо пропорциональными расстоянию до них, а не со скоростью света? Это связано с тем, что кванты пространства являются безмассовыми и их взаимодействие с веществом очень мало. Поэтому кванты пространства почти свободно проходят через вещество галактик и за счёт своей большой инерционной массы, скорость галактик меньше скорости расширения пространства.

5. Заключение

Гипотезы о существовании, по крайней мере, трёх фазовых состояний Вселенной и о существовании хронополя, позволяют по-новому взглянуть на строение и развитие нашего мира. Попытка обосновать эти гипотезы пока не имеет строгого доказательства. Однако, то, что наша Вселенная имеет две границы (скорость света и абсолютный нуль температур), в рамках которых она существует, является однозначным. Но что находится за этими границами нам пока неизвестно.

Несомненным является связь времени и пространства. Но представление времени как четвёртого измерения, не соответствует действительности. “Стрела времени” и разность хода часов в различных точках пространства, в зависимости, по крайней мере, от наличия гравитационной массы и расстояния от неё, подтверждает существование поля времени.

Дальнейшее развитие предложенных гипотез, позволит решить многие проблемы, на которые сейчас нет ответа.

Список литературы

Чернин А.Д. Космический вакуум. УФН, 171 1153 (2001)

Гинзбург В.Л. УФН 169 419 (1999).

Юмашев В.Е. Время и Вселенная. НиТ. (www.n-t.org) 2001.

Кресин В.З. Сверхпроводимость и сверхтекучесть. М.: Наука, 1978.

Бёрке У. Пространство-время, геометрия, космология. М.: Мир, 1985.

Окунь Л.Б., Селиванов К.Г., Телегди В.Л. Гравитация, фотоны, часы. УФН, 169 1141 (1999).

Шредингер Э. Пространственно-временная структура Вселенной. М.: Наука, 1986.