Современные достижения физики высоких энергий все больше укрепляют представление, что многообразие свойств Природы обусловлено взаимодействующими элементарными частицами. Дать неформальное определение элементарной частицы, по-видимому, невозможно, поскольку речь идет о самых первичных элементах материи. На качественном уровне можно говорить, что истинно элементарными частицами называются физические объекты, которые не имеют составных частей.
Очевидно, что вопрос об элементарности физических объектов - это в первую очередь вопрос экспериментальный. Например, экспериментально установлено, что молекулы, атомы, атомные ядра имеют внутреннюю структуру, указывающую на наличие составных частей. Поэтому их нельзя считать элементарными частицами. Сравнительно недавно открыто, что такие частицы, как мезоны и барионы , также обладают внутренней структурой и, следовательно, не являются элементарными. В то же время у электрона внутренняя структура никогда не наблюдалась, и, значит, его можно отнести к элементарным частицам. Другим примером элементарной частицы является квант света - фотон.
Современные экспериментальные данные свидетельствуют, что существует только четыре качественно различных вида взаимодействий, в которых участвуют элементарные частицы. Эти взаимодействия называются фундаментальными, то есть самыми основными, исходными, первичными. Если принять во внимание все многообразие свойств окружающего нас Мира, то кажется совершенно удивительным, что в Природе есть только четыре фундаментальных взаимодействия, ответственных за все явления Природы.
Помимо качественных различий, фундаментальные взаимодействия отличаются в количественном отношении по силе воздействия, которая характеризуется термином интенсивность . По мере увеличения интенсивности фундаментальные взаимодействия располагаются в следующем порядке: гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. Каждое из этих взаимодействий характеризуется соответствующим параметром, называемым константой связи, численное значение которого определяет интенсивность взаимодействия.
Каким образом физические объекты осуществляют фундаментальные взаимодействия между собой? На качественном уровне ответ на этот вопрос выглядит следующим образом. Фундаментальные взаимодействия переносятся квантами. При этом в квантовой области фундаментальным взаимодействиям отвечают соответствующие элементарные частицы, называемые элементарными частицами - переносчиками взаимодействий. В процессе взаимодействия физический объект испускает частицы - переносчики взаимодействия, которые поглощаются другим физическим объектом. Это ведет к тому, что объекты как бы чувствуют друг друга, их энергия, характер движения, состояние изменяются, то есть они испытывают взаимное влияние.
В современной физике высоких энергий все большее значение приобретает идея объединения фундаментальных взаимодействий. Согласно идеям объединения, в Природе существует только одно единое фундаментальное взаимодействие, проявляющее себя в конкретных ситуациях как гравитационное, или как слабое, или как электромагнитное, или как сильное, или как их некоторая комбинация. Успешной реализацией идей объединения послужило создание ставшей уже стандартной объединенной теории электромагнитных и слабых взаимодействий. Идет работа по развитию единой теории электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий, получившей название теории великого объединения. Предпринимаются попытки найти принцип объединения всех четырех фундаментальных взаимодействий. Мы последовательно рассмотрим основные проявления фундаментальных взаимодействий.

Гравитационное взаимодействие

Это взаимодействие носит универсальный характер, в нем участвуют все виды материи, все объекты природы, все элементарные частицы! Общепринятой классической (не квантовой) теорией гравитационного взаимодействия является эйнштейновская общая теория относительности. Гравитация определяет движение планет в звездных системах, играет важную роль в процессах, протекающих в звездах, управляет эволюцией Вселенной, в земных условиях проявляет себя как сила взаимного притяжения. Конечно, мы перечислили только небольшое число примеров из огромного списка эффектов гравитации.
Согласно общей теории относительности, гравитация связана с кривизной пространства-времени и описывается в терминах так называемой римановой геометрии. В настоящее время все экспериментальные и наблюдательные данные о гравитации укладываются в рамки общей теории относительности. Однако данные о сильных гравитационных полях по существу отсутствуют, поэтому экспериментальные аспекты этой теории содержат много вопросов. Такая ситуация порождает появление различных альтернативных теорий гравитации, предсказания которых практически неотличимы от предсказаний общей теории относительности для физических эффектов в Солнечной системе, но ведут к другим следствиям в сильных гравитационных полях.
Если пренебречь всеми релятивистскими эффектами и ограничиться слабыми стационарными гравитационными полями, то общая теория относительности сводится к ньютоновской теории всемирного тяготения. В этом случае, как известно, потенциальная энергия взаимодействия двух точечных частиц с массами m 1 и m 2 дается соотношением

где r - расстояние между частицами, G - ньютоновская гравитационная постоянная, играющая роль константы гравитационного взаимодействия. Данное соотношение показывает, что потенциальная энергия взаимодействия V(r) отлична от нуля при любом конечном r и спадает к нулю очень медленно. По этой причине говорят, что гравитационное взаимодействие является дальнодействующим.
Из многих физических предсказаний общей теории относительности отметим три. Теоретически установлено, что гравитационные возмущения могут распространяться в пространстве в виде волн, называемых гравитационными. Распространяющиеся слабые гравитационные возмущения во многом аналогичны электромагнитным волнам. Их скорость равна скорости света, они имеют два состояния поляризации, для них характерны явления интерференции и дифракции. Однако в силу чрезвычайно слабого взаимодействия гравитационных волн с веществом их прямое экспериментальное наблюдение до сих пор не было возможно. Тем не менее данные некоторых астрономических наблюдений по потере энергии в системах двойных звезд свидетельствуют о возможном существовании гравитационных волн в природе.
Теоретическое исследование условий равновесия звезд в рамках общей теории относительности показывает, что при определенных условиях достаточно массивные звезды могут начать катастрофически сжиматься. Это оказывается возможным на достаточно поздних стадиях эволюции звезды, когда внутреннее давление, обусловленное процессами, ответственными за светимость звезды, не в состоянии уравновесить давление сил тяготения, стремящихся сжать звезду. В результате процесс сжатия уже ничем не может быть остановлен. Описанное физическое явление, предсказанное теоретически в рамках общей теории относительности, получило название гравитационного коллапса. Исследования показали, что если радиус звезды становится меньше так называемого гравитационного радиуса

R g = 2GM / c 2 ,

где M - масса звезды, а c - скорость света, то для внешнего наблюдателя звезда гаснет. Никакая информация о процессах, идущих в этой звезде, не может достичь внешнего наблюдателя. При этом тела, падающие на звезду, свободно пересекают гравитационный радиус. Если в качестве такого тела подразумевается наблюдатель, то ничего, кроме усиления гравитации, он не заметит. Таким образом, возникает область пространства, в которую можно попасть, но из которой ничего не может выйти, включая световой луч. Подобная область пространства называется черной дырой. Существование черных дыр является одним из теоретических предсказаний общей теории относительности, некоторые альтернативные теории гравитации построены именно так, что они запрещают такого типа явления. В связи с этим вопрос о реальности черных дыр имеет исключительно важное значение. В настоящее время имеются наблюдательные данные, свидетельствующие о наличии черных дыр во Вселенной.
В рамках общей теории относительности впервые удалось сформулировать проблему эволюции Вселенной. Тем самым Вселенная в целом становится не предметом спекулятивных рассуждений, а объектом физической науки. Раздел физики, предметом которого является Вселенная в целом, называется космологией. В настоящее время считается твердо установленным, что мы живем в расширяющейся Вселенной.
Современная картина эволюции Вселенной основывается на представлении о том, что Вселенная, включая такие ее атрибуты, как пространство и время, возникла в результате особого физического явления, называемого Большой Взрыв, и с тех пор расширяется. Согласно теории эволюции Вселенной, расстояния между далекими галактиками должны увеличиваться со временем, и вся Вселенная должна быть заполнена тепловым излучением с температурой порядка 3 K. Эти предсказания теории находятся в прекрасном соответствии с данными астрономических наблюдений. При этом оценки показывают, что возраст Вселенной, то есть время, прошедшее с момента Большого Взрыва, составляет порядка 10 млрд лет. Что касается деталей Большого Взрыва, то это явление слабо изучено и можно говорить о загадке Большого Взрыва как о вызове физической науке в целом. Не исключено, что объяснение механизма Большого Взрыва связано с новыми, пока еще неизвестными законами Природы. Общепринятый современный взгляд на возможное решение проблемы Большого Взрыва основывается на идее объединения теории гравитации и квантовой механики.

Понятие о квантовой гравитации

Можно ли вообще говорить о квантовых проявлениях гравитационного взаимодействия? Как принято считать, принципы квантовой механики носят универсальный характер и применимы к любому физическому объекту. В этом смысле гравитационное поле не представляет исключения. Теоретические исследования показывают, что на квантовом уровне гравитационное взаимодействие переносится элементарной частицей, называемой гравитон. Можно отметить, что гравитон является безмассовым бозоном со спином 2. Гравитационное взаимодействие между частицами, обусловленное обменом гравитоном, условно изображается следующим образом:

Частица испускает гравитон, в силу чего состояние ее движения изменяется. Другая частица поглощает гравитон и также изменяет состояние своего движения. В результате возникает воздействие частиц друг на друга.
Как мы уже отмечали, константой связи, характеризующей гравитационное взаимодействие, является ньютоновская константа G. Хорошо известно, что G - размерная величина. Очевидно, что для оценки интенсивности взаимодействия удобно иметь безразмерную константу связи. Чтобы получить такую константу, можно использовать фундаментальные постоянные: (постоянная Планка) и c (скорость света) - и ввести какую-нибудь эталонную массу, например массу протона m p . Тогда безразмерная константа связи гравитационного взаимодействия будет

Gm p 2 /(c) ~ 6·10 -39 ,

что, конечно, является очень малой величиной.
Интересно отметить, что из фундаментальных постоянных G, , c можно построить величины, имеющие размерность длины, времени, плотности, массы, энергии. Эти величины называются планковскими. В частности, планковская длина l Pl и планковское время t Pl выглядят следующим образом:

Каждая фундаментальная физическая константа характеризует определенный круг физических явлений: G - гравитационные явления, - квантовые, c - релятивистские. Поэтому если в какое-то соотношение входят одновременно G, , c, то это значит, что данное соотношение описывает явление, которое одновременно является гравитационным, квантовым и релятивистским. Таким образом, существование планковских величин указывает на возможное существование соответствующих явлений в Природе.
Конечно, численные значения l Pl и t Pl очень малы по сравнению с характерными значениями величин в макромире. Но это означает только то, что квантовогравитационные эффекты слабо проявляют себя. Они могли быть существенны лишь тогда, когда характерные параметры стали бы сравнимыми с планковскими величинами.
Отличительной чертой явлений микромира является то обстоятельство, что физические величины оказываются подверженными так называемым квантовым флуктуациям. Это означает, что при многократных измерениях физической величины в определенном состоянии принципиально должны получаться различные численные значения, обусловленные неконтролируемым взаимодействием прибора с наблюдаемым объектом. Вспомним, что гравитация связана с проявлением кривизны пространства-времени, то есть с геометрией пространства-времени. Поэтому следует ожидать, что на временах порядка t Pl и расстояниях порядка l Pl геометрия пространства-времени должна стать квантовым объектом, геометрические характеристики должны испытывать квантовые флуктуации. Другими словами, на планковских масштабах нет никакой фиксированной пространственно-временной геометрии, образно говоря, пространство-время представляет собой бурлящую пену.
Последовательная квантовая теория гравитации не построена. В силу чрезвычайно малых значений l Pl , t Pl следует ожидать, что в любом обозримом будущем не удастся поставить эксперименты, в которых проявили бы себя квантовогравитационные эффекты. Поэтому теоретическое исследование вопросов квантовой гравитации остается единственной возможностью продвижения вперед. Есть ли, однако, явления, где квантовая гравитация могла бы оказаться существенной? Да, есть, и мы о них уже говорили. Это гравитационный коллапс и Большой Взрыв. Согласно классической теории гравитации, объект, подверженный гравитационному коллапсу, должен сжиматься до сколь угодно малых размеров. Это означает, что его размеры могут стать сравнимыми с l Pl , где классическая теория уже неприменима. Точно так же в процессе Большого Взрыва возраст Вселенной был сравним с t Pl и она имела размеры порядка l Pl . Это означает, что понимание физики Большого Взрыва невозможно в рамках классической теории. Таким образом, описание конечной стадии гравитационного коллапса и начальной стадии эволюции Вселенной может быть осуществлено только с привлечением квантовой теории гравитации.

Слабое взаимодействие

Это взаимодействие является наиболее слабым из фундаментальных взаимодействий, экспериментально наблюдаемых в распадах элементарных частиц, где принципиально существенными являются квантовые эффекты. Напомним, что квантовые проявления гравитационного взаимодействия никогда не наблюдались. Слабое взаимодействие выделяется с помощью следующего правила: если в процессе взаимодействия участвует элементарная частица, называемая нейтрино (или антинейтрино), то данное взаимодействие является слабым.

Типичный пример слабого взаимодействия - это бета-распад нейтрона

N p + e - + e ,

где n - нейтрон, p - протон, e - - электрон, e - электронное антинейтрино. Следует, однако, иметь в виду, что указанное выше правило совсем не означает, что любой акт слабого взаимодействия обязан сопровождаться нейтрино или антинейтрино. Известно, что имеет место большое число безнейтринных распадов. В качестве примера можно отметить процесс распада лямбда-гиперона на протон p и отрицательно заряженный пион π − . По современным представлениям нейтрон и протон не являются истинно элементарными частицами, а состоят из элементарных частиц, называемых кварками.
Интенсивность слабого взаимодействия характеризуется константой связи Ферми G F . Константа G F размерна. Чтобы образовать безразмерную величину, необходимо использовать какую-нибудь эталонную массу, например массу протона m p . Тогда безразмерная константа связи будет

G F m p 2 ~ 10 -5 .

Видно, что слабое взаимодействие гораздо интенсивнее гравитационного.
Слабое взаимодействие в отличие от гравитационного является короткодействующим. Это означает, что слабое взаимодействие между частицами начинает действовать, только если частицы находятся достаточно близко друг к другу. Если же расстояние между частицами превосходит некоторую величину, называемую характерным радиусом взаимодействия, слабое взаимодействие не проявляет себя. Экспериментально установлено, что характерный радиус слабого взаимодействия порядка 10 -15 см, то есть слабое взаимодействие, сосредоточен на расстояниях меньше размеров атомного ядра.
Почему можно говорить о слабом взаимодействии как о независимом виде фундаментальных взаимодействий? Ответ прост. Установлено, что есть процессы превращений элементарных частиц, которые не сводятся к гравитационным, электромагнитным и сильным взаимодействиям. Хороший пример, показывающий, что существуют три качественно различных взаимодействия в ядерных явлениях, связан с радиоактивностью. Эксперименты указывают на наличие трех различных видов радиоактивности: -, - и -радиоактивных распадов. При этом -распад обусловлен сильным взаимодействием, -распад - электромагнитным. Оставшийся -распад не может быть объяснен электромагнитным и сильным взаимодействиями, и мы вынуждены принять, что есть еще одно фундаментальное взаимодействие, названное слабым. В общем случае необходимость введения слабого взаимодействия обусловлена тем, что в природе происходят процессы, в которых электромагнитные и сильные распады запрещены законами сохранения.
Хотя слабое взаимодействие существенно сосредоточено внутри ядра, оно имеет определенные макроскопические проявления. Как мы уже отмечали, оно связано с процессом β-радиоактивности. Кроме того, слабое взаимодействие играет важную роль в так называемых термоядерных реакциях, ответственных за механизм энерговыделения в звездах.
Удивительнейшим свойством слабого взаимодействия является существование процессов, в которых проявляется зеркальная асимметрия. На первый взгляд кажется очевидным, что разница между понятиями левое и правое условна. Действительно, процессы гравитационного, электромагнитного и сильного взаимодействия инвариантны относительно пространственной инверсии, осуществляющей зеркальное отражение. Говорят, что в таких процессах сохраняется пространственная четность P. Однако экспериментально установлено, что слабые процессы могут протекать с несохранением пространственной четности и, следовательно, как бы чувствуют разницу между левым и правым. В настоящее время имеются твердые экспериментальные доказательства, что несохранение четности в слабых взаимодействиях носит универсальный характер, оно проявляет себя не только в распадах элементарных частиц, но и в ядерных и даже атомных явлениях. Следует признать, что зеркальная асимметрия представляет собой свойство Природы на самом фундаментальном уровне.
Несохранение четности в слабых взаимодействиях выглядело настолько необычным свойством, что практически сразу после его открытия теоретики предприняли попытки показать, что на самом деле существует полная симметрия между левым и правым, только она имеет более глубокий смысл, чем это ранее считалось. Зеркальное отражение должно сопровождаться заменой частиц на античастицы (зарядовое сопряжение C), и тогда все фундаментальные взаимодействия должны быть инвариантными. Однако позднее было установлено, что эта инвариантность не является универсальной. Существуют слабые распады так называемых долгоживущих нейтральных каонов на пионы π + , π − , запрещенные, если бы указанная инвариантность реально имела место. Таким образом, отличительным свойством слабого взаимодействия является его CP-неинвариантность. Возможно, что это свойство ответственно за то обстоятельство, что вещество во Вселенной значительно превалирует над антивеществом, построенным из античастиц. Мир и антимир несимметричны.
Вопрос о том, какие частицы являются переносчиками слабого взаимодействия, долгое время был неясен. Понимания удалось достичь сравнительно недавно в рамках объединенной теории электрослабых взаимодействий - теории Вайнберга-Салама-Глэшоу. В настоящее время общепринято, что переносчиками слабого взаимодействия являются так называемые W ± - и Z 0 -бозоны. Это заряженные W ± и нейтральная Z 0 элементарные частицы со спином 1 и массами, равными по порядку величины 100 m p .

Электромагнитное взаимодействие

В электромагнитном взаимодействии участвуют все заряженные тела, все заряженные элементарные частицы. В этом смысле оно достаточно универсально. Классической теорией электромагнитного взаимодействия является максвелловская электродинамика. В качестве константы связи принимается заряд электрона e.
Если рассмотреть два покоящихся точечных заряда q 1 и q 2 , то их электромагнитное взаимодействие сведется к известной электростатической силе. Это означает, что взаимодействие является дальнодействующим и медленно спадает с ростом расстояния между зарядами.
Классические проявления электромагнитного взаимодействия хорошо известны, и мы не будем на них останавливаться. С точки зрения квантовой теории переносчиком электромагнитного взаимодействия является элементарная частица фотон - безмассовый бозон со спином 1. Квантовое электромагнитное взаимодействие между зарядами условно изображается следующим образом:

Заряженная частица испускает фотон, в силу чего состояние ее движения изменяется. Другая частица поглощает этот фотон и также изменяет состояние своего движения. В результате частицы как бы чувствуют наличие друг друга. Хорошо известно, что электрический заряд является размерной величиной. Удобно ввести безразмерную константу связи электромагнитного взаимодействия. Для этого надо использовать фундаментальные постоянные и c. В результате приходим к следующей безразмерной константе связи, называемой в атомной физике постоянной тонкой структуры α = e 2 /c ≈1/137.

Легко заметить, что данная константа значительно превышает константы гравитационного и слабого взаимодействий.
С современной точки зрения электромагнитное и слабое взаимодействия представляют собой различные стороны единого электрослабого взаимодействия. Создана объединенная теория электрослабого взаимодействия - теория Вайнберга-Салама-Глэшоу, объясняющая с единых позиций все аспекты электромагнитных и слабых взаимодействий. Можно ли понять на качественном уровне, как происходит разделение объединенного взаимодействия на отдельные, как бы независимые взаимодействия?
Пока характерные энергии достаточно малы, электромагнитное и слабое взаимодействия отделены и не влияют друг на друга. С ростом энергии начинается их взаимовлияние, и при достаточно больших энергиях эти взаимодействия сливаются в единое электрослабое взаимодействие. Характерная энергия объединения оценивается по порядку величины как 10 2 ГэВ (ГэВ - это сокращенное от гигаэлектрон-вольт, 1 ГэВ = 10 9 эВ, 1 эВ = 1.6·10 -12 эрг = 1.6·10 19 Дж). Для сравнения отметим, что характерная энергия электрона в основном состоянии атома водорода порядка 10 -8 ГэВ, характерная энергия связи атомного ядра порядка 10 -2 ГэВ, характерная энергия связи твердого тела порядка 10 -10 ГэВ. Таким образом, характерная энергия объединения электромагнитных и слабых взаимодействий огромна по сравнению с характерными энергиями в атомной и ядерной физике. По этой причине электромагнитное и слабое взаимодействия не проявляют в обычных физических явлениях своей единой сущности.

Сильное взаимодействие

Сильное взаимодействие ответственно за устойчивость атомных ядер. Поскольку атомные ядра большинства химических элементов стабильны, то ясно, что взаимодействие, которое удерживает их от распада, должно быть достаточно сильным. Хорошо известно, что ядра состоят из протонов и нейтронов. Чтобы положительно заряженные протоны не разлетелись в разные стороны, необходимо наличие сил притяжения между ними, превосходящих силы электростатического отталкивания. Именно сильное взаимодействие является ответственным за эти силы притяжения.
Характерной чертой сильного взаимодействия является его зарядовая независимость. Ядерные силы притяжения между протонами, между нейтронами и между протоном и нейтроном по существу одинаковы. Отсюда следует, что с точки зрения сильных взаимодействий протон и нейтрон неотличимы и для них используется единый термин нуклон , то есть частица ядра.

Характерный масштаб сильного взаимодействия можно проиллюстрировать рассмотрев два покоящихся нуклона. Теория приводит к потенциальной энергии их взаимодействия в виде потенциала Юкавы

где величина r 0 ≈10 -13 см и совпадает по порядку величины с характерным размером ядра, g - константа связи сильного взаимодействия. Это соотношение показывает, что сильное взаимодействие является короткодействующим и по существу полностью сосредоточено на расстояниях, не превышающих характерного размера ядра. При r > r 0 оно практически исчезает. Известным макроскопическим проявлением сильного взаимодействия служит эффект -радиоактивности. Следует, однако, иметь в виду, что потенциал Юкавы не является универсальным свойством сильного взаимодействия и не связан с его фундаментальными аспектами.
В настоящее время существует квантовая теория сильного взаимодействия, получившая название квантовой хромодинамики. Согласно этой теории, переносчиками сильного взаимодействия являются элементарные частицы - глюоны. По современным представлениям частицы, участвующие в сильном взаимодействии и называемые адронами, состоят из элементарных частиц - кварков.
Кварки представляют собой фермионы со спином 1/2 и ненулевой массой. Наиболее удивительным свойством кварков является их дробный электрический заряд. Кварки формируются в три пары (три поколения дублетов), обозначаемые следующим образом:

u	c
d	s	b

Каждый тип кварка принято называть ароматом, так что существуют шесть кварковых ароматов. При этом u-, c-, t-кварки имеют электрический заряд 2/3|e| , а d-, s-, b-кварки - электрический заряд -1/3|e|, где e - заряд электрона. Кроме того, существуют три кварка данного аромата. Они отличаются квантовым числом, называемым цветом и принимающим три значения: желтый, синий, красный. Каждому кварку соответствует антикварк, имеющий по отношению к данному кварку противоположный электрический заряд и так называемый антицвет: антижелтый, антисиний, антикрасный. Принимая во внимание число ароматов и цветов, мы видим, что всего существуют 36 кварков и антикварков.
Кварки взаимодействуют друг с другом посредством обмена восемью глюонами, которые представляют собой безмассовые бозоны со спином 1. В процессе взаимодействия цвета кварков могут изменяться. При этом сильное взаимодействие условно изображается следующим образом:

Кварк, входящий в состав адрона, испускает глюон, в силу чего состояние движения адрона изменяется. Этот глюон поглощается кварком, входящим в состав другого адрона, и меняет состояние его движения. В результате возникает взаимовоздействие адронов друг на друга.
Природа устроена так, что взаимодействие кварков всегда ведет к образованию бесцветных связанных состояний, которые как раз и являются адронами. Например, протон и нейтрон составлены из трех кварков: p = uud, n = udd. Пион π − составлен из кварка u и антикварка : π − = u. Отличительная черта кварк-кваркового взаимодействия через глюоны состоит в том, что с уменьшением расстояния между кварками их взаимодействие ослабляется. Это явление получило название асимптотической свободы и ведет к тому, что внутри адронов кварки можно рассматривать как свободные частицы. Асимптотическая свобода естественным образом вытекает из квантовой хромодинамики. Имеются экспериментальные и теоретические указания на то, что с ростом расстояния взаимодействие между кварками должно возрастать, в силу чего кваркам энергетически выгодно находиться внутри адрона. Это означает, что мы можем наблюдать только бесцветные объекты - адроны. Одиночные кварки и глюоны, обладающие цветом, не могут существовать в свободном состоянии. Явление удержания элементарных частиц, обладающих цветом, внутри адронов получило название конфайнмента. Для объяснения конфайнмента предлагались различные модели, однако последовательное описание, вытекающее из первых принципов теории, до сих пор не построено. С качественной точки зрения трудности связаны с тем, что, обладая цветом, глюоны взаимодействуют со всеми цветными объектами, в том числе и друг с другом. По этой причине квантовая хромодинамика является существенно нелинейной теорией и приближенные методы исследования, принятые в квантовой электродинамике и электрослабой теории, оказываются не вполне адекватными в теории сильных взаимодействий.

Тенденции объединения взаимодействий

Мы видим, что на квантовом уровне все фундаментальные взаимодействия проявляют себя одинаковым образом. Элементарная частица вещества испускает элементарную частицу - переносчик взаимодействия, которая поглощается другой элементарной частицей вещества. Это ведет к взаимовлиянию частиц вещества друг на друга.
Безразмерная константа связи сильного взаимодействия может быть построена по аналогии с постоянной тонкой структуры в виде g2/(c)10. Если сравнить безразмерные константы связи, то легко заметить, что самым слабым является гравитационное взаимодействие, а затем располагаются слабое, электромагнитное и сильное.
Если принять во внимание уже развитую объединенную теорию электрослабых взаимодействий, называемую сейчас стандартной, и следовать тенденции объединения, то возникает проблема построения единой теории электрослабого и сильного взаимодействий. В настоящее время созданы модели такой единой теории, получившие название модели великого объединения. Все эти модели имеют много общих моментов, в частности характерная энергия объединения оказывается порядка 10 15 ГэВ, что значительно превосходит характерную энергию объединения электромагнитных и слабых взаимодействий. Отсюда вытекает, что прямое экспериментальное исследование великого объединения выглядит проблематичным даже в достаточно отдаленном будущем. Для сравнения отметим, что наибольшая энергия, достижимая на современных ускорителях, не превышает 10 3 ГэВ. Поэтому если и будут получены какие-либо экспериментальные данные относительно великого объединения, то они могут носить только косвенный характер. В частности, модели великого объединения предсказывают распад протона и существование магнитного монополя большой массы. Экспериментальное подтверждение этих предсказаний было бы грандиозным триумфом тенденций объединения.
Общая картина разделения единого великого взаимодействия на отдельные сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия выглядит следующим образом. При энергиях порядка 10 15 ГэВ и выше существует единое взаимодействие. Когда энергия становится ниже 10 15 ГэВ, сильное и электрослабое взаимодействия отделяются друг от друга и представляются как различные фундаментальные взаимодействия. При дальнейшем уменьшении энергии ниже 10 2 ГэВ происходит отделение слабого и электромагнитного взаимодействий. В результате на масштабе энергий, характерных для физики макроскопических явлений, три рассматриваемых взаимодействия выглядят как не имеющие единой природы.
Заметим теперь, что энергия 10 15 ГэВ отстоит не так далеко от планковской энергии

при которой становятся существенными квантовогравитационные эффекты. Поэтому теория великого объединения с необходимостью ведет к проблеме квантовой гравитации. Если далее следовать тенденции объединения, мы должны принять идею о существовании одного всеобъемлющего фундаментального взаимодействия, которое разделяется на отдельные гравитационное, сильное, слабое и электромагнитное последовательно по мере понижения энергии от планковского значения до энергий, меньших 10 2 ГэВ.
Построение такой грандиозной объединяющей теории, по-видимому, неосуществимо в рамках системы идей, приведших к стандартной теории электрослабых взаимодействий и моделям великого объединения. Требуется привлечение новых, возможно кажущихся сумасшедшими, представлений, идей, методов. Несмотря на очень интересные подходы, развитые в последнее время, такие, как супергравитация и теория струн, проблема объединения всех фундаментальных взаимодействий остается открытой.

Заключение

Итак, мы сделали обзор основных сведений, касающихся четырех фундаментальных взаимодействий Природы. Кратко описаны микроскопические и макроскопические проявления этих взаимодействий, картина физических явлений, в которых они играют важную роль.
Везде, где это было возможно, мы старались проследить тенденцию объединения, отметить общие черты фундаментальных взаимодействий, привести данные о характерных масштабах явлений. Конечно, излагаемый здесь материал не претендует на полноту рассмотрения и не содержит многих важных деталей, необходимых для систематического изложения. Подробное описание затронутых нами вопросов требует использования всего арсенала методов современной теоретической физики высоких энергий и выходит за рамки данной статьи, научно-популярной литературы. Нашей целью было изложение общей картины достижений современной теоретической физики высоких энергий, тенденции ее развития. Мы стремились вызвать интерес читателя к самостоятельному, более подробному изучению материала. Конечно, при таком подходе неизбежны определенные огрубления.
Предлагаемый список литературы позволяет более подготовленному читателю углубить свое представление о вопросах, рассмотренных в статье.

1. Окунь Л.Б. a, b, g, Z. М.: Наука, 1985.
2. Окунь Л.Б. Физика элементарных частиц. М.: Наука, 1984.
3. Новиков И.Д. Как взорвалась Вселенная. М.: Наука, 1988.
4. Фридман Д., ван. Ньювенхейзен П. // Успехи физ. наук. 1979. Т. 128. N 135.
5. Хокинг С. От Большого Взрыва до черных дыр: Краткая история времени. М.: Мир, 1990.
6. Девис П. Суперсила: Поиски единой теории природы. М.: Мир, 1989.
7. Зельдович Я.Б., Хлопов М.Ю. Драма идей в познании природы. М.: Наука, 1987.
8. Готтфрид К., Вайскопф В. Концепции физики элементарных частиц. М.: Мир, 1988.
9. Coughlan G.D., Dodd J.E. The Ideas of Particle Physics. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1993.

Наблюдаемые в природе взаимодействия материальных объектов и систем весьма разнообразны. Однако, как показали физические исследования, все взаимодействия можно отнести к четырем видам фундаментальных взаимодействий:

– гравитационному;

– электромагнитному;

– сильному;

– слабому.

Гравитационное взаимодействие проявляется во взаимном притяжении любых материальных объектов, имеющих массу. Оно передается посредством гравитационного поля и определяется фундаментальным законом природы – законом всемирного тяготения, сформулированным И. Ньютоном: между двумя материальными точками массой m1 и m2, расположенными на расстоянии r друг от друга, действует сила F, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними:

F = G ? (m1m2)/r2 . где G- гравитационная постоянная. В соответствии с квантовой теорией г" поля переносчиками гравитационного взаимодействия являются гравитоны – частицы с нулевой массой, кванты гравитационного поля.

Электромагнитное взаимодействие обусловлено электрическими зарядами и передается посредством электрического и магнитного полей. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное – при их движении. Изменяющееся магнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое в свою очередь является источником переменного магнитного поля.

Электромагнитное взаимодействие описывается фундаментальными законами электростатики и электродинамики: законом Кулона, законом Ампера и другими, – и в обобщенном виде – электромагнитной теорией Максвелла, связывающей электрическое и магнитное поля. Получение, преобразование и применение электрического и магнитного полей служат основой для создания разнообразных современных технических средств.

Согласно квантовой электродинамике переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны – кванты электромагнитного поля с нулевой массой.

Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Оно определяется ядерными силами, обладающими зарядовой независимостью, короткодей-ствием, насыщением и другими свойствами. Сильное взаимодействие отвечает за стабильность атомных ядер. Чем сильнее взаимодействие нуклонов в ядре, тем стабильнее ядро. С увеличением числа нуклонов в ядре и, следовательно, размера ядра удельная энергия связи уменьшается и ядро может распадаться.

Предполагается, что сильное взаимодействие передается глюонами – частицами, «склеивающими» кварки, входящие в состав протонов, нейтронов и других частиц.

В слабом взаимодействии участвуют все элементарные частицы, кроме фотона. Оно обусловливает большинство распадов элементарных частиц, взаимодействие нейтрино с веществом и другие процессы. Слабое взаимодействие проявляется главным образом в процессах бета-распада атомных ядер. Переносчиками слабого взаимодействия являются промежуточные, или векторные, бозоны – частицы с массой, примерно в 100 раз большей массы протонов и нейтронов.

Фундаментальные взаимодействия -- различные, не сводящиеся друг к другу типы взаимодействия элементарных частиц и составленных из них тел. На сегодня достоверно известно существование четырех фундаментальных взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий, причём электромагнитное и слабое взаимодействия, вообще говоря, являются проявлениями единого электрослабого взаимодействия. Ведутся поиски других типов взаимодействий, как в явлениях микромира, так и в космических масштабах, однако пока существование какого-либо другого типа взаимодействия не обнаружено.

Электромагнитное взаимодействие -- одно из четырёх фундаментальных взаимодействий. Электромагнитное взаимодействие существует между частицами, обладающими электрическим зарядом. С современной точки зрения электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами осуществляется не прямо, а только посредством электромагнитного поля.

С точки зрения квантовой теории поля электромагнитное взаимодействие переносится безмассовым бозоном -- фотоном (частицей, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля). Сам фотон электрическим зарядом не обладает, а значит не может непосредственно взаимодействовать с другими фотонами.

Из фундаментальных частиц в электромагнитном взаимодействии участвуют также имеющие электрический заряд частицы: кварки, электрон, мюон и тау-частица (из фермионов), а также заряженые калибровочные бозоны.

Электромагнитное взаимодействие отличается от слабого и сильного взаимодействия своим дальнодействующим характером -- сила взаимодействия между двумя зарядами спадает только как вторая степень расстояния (см.: закон Кулона). По такому же закону спадает с расстоянием гравитационное взаимодействие. Электромагнитное взаимодействие заряженных частиц намного сильнее гравитационного, и единственная причина, по которой электромагнитное взаимодействие не проявляется с большой силой на космических масштабах -- электрическая нейтральность материи, то есть наличие в каждой области Вселенной с высокой степенью точности равных количеств положительных и отрицательных зарядов.

В классических (неквантовых) рамках электромагнитное взаимодействие описывается классической электродинамикой.

Краткая сводка основных формул классической электродинамики

На проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила Ампера:

На заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле, действует сила Лоренца:

Гравитамция (всемимрное тяготемние, тяготемние) (от лат. gravitas -- «тяжесть») -- дальнодействующее фундаментальное взаимодействие, которому подвержены все материальные тела. По современным представлениям, является универсальным взаимодействием материи с пространственно-временным континуумом, и, в отличие от других фундаментальных взаимодействий, всем без исключения телам, независимо от их массы и внутренней структуры, в одной и той же точке пространства и времени придаёт одинаковое ускорение относительно локально-инерциальной системы отсчёта -- принцип эквивалентности Эйнштейна. Главным образом, определяющее влияние гравитация оказывает на материю в космических масштабах. Термин гравитация используется также как название раздела физики, изучающего гравитационное взаимодействие. Наиболее успешной современной физической теорией в классической физике, описывающей гравитацию, является общая теория относительности, квантовая теория гравитационного взаимодействия пока не построена.

Гравитационное взаимодействие -- одно из четырёх фундаментальных взаимодействий в нашем мире. В рамках классической механики, гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения Ньютона, который гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы m1 и m2, разделёнными расстоянием R, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния -- то есть

Здесь G -- гравитационная постоянная, равная примерно 6,6725 *10м?/(кг*с?).

Закон всемирного тяготения -- одно из приложений закона обратных квадратов, встречающегося так же и при изучении излучений, и являющимся прямым следствием квадратичного увеличения площади сферы при увеличении радиуса, что приводит к квадратичному же уменьшению вклада любой единичной площади в площадь всей сферы.

Поле тяжести потенциально. Это значит, что можно ввести потенциальную энергию гравитационного притяжения пары тел, и эта энергия не изменится после перемещения тел по замкнутому контуру. Потенциальность поля тяжести влечёт за собой закон сохранения суммы кинетической и потенциальной энергии и при изучении движения тел в поле тяжести часто существенно упрощает решение. В рамках ньютоновской механики гравитационное взаимодействие является дальнодействующим. Это означает, что как бы массивное тело ни двигалось, в любой точке пространства гравитационный потенциал зависит только от положения тела в данный момент времени.

Большие космические объекты -- планеты, звезды и галактики имеют огромную массу и, следовательно, создают значительные гравитационные поля.

Гравитация -- слабейшее взаимодействие. Однако, поскольку оно действует на любых расстояниях и все массы положительны, это тем не менее очень важная сила во Вселенной. Для сравнения: полный электрический заряд этих тел ноль, так как вещество в целом электрически нейтрально.

Также гравитация, в отличие от других взаимодействий, универсальна в действии на всю материю и энергию. Не обнаружены объекты, у которых вообще отсутствовало бы гравитационное взаимодействие.

Из-за глобального характера гравитация ответственна и за такие крупномасштабные эффекты, как структура галактик, черные дыры и расширение Вселенной, и за элементарные астрономические явления -- орбиты планет, и за простое притяжение к поверхности Земли и падения тел.

Гравитация была первым взаимодействием, описанным математической теорией. Аристотель считал, что объекты с разной массой падают с разной скоростью. Только много позже Галилео Галилей экспериментально определил, что это не так -- если сопротивление воздуха устраняется, все тела ускоряются одинаково. Закон всеобщего тяготения Исаака Ньютона (1687) хорошо описывал общее поведение гравитации. В 1915 году Альберт Эйнштейн создал Общую теорию относительности, более точно описывающую гравитацию в терминах геометрии пространства-времени.

Учение без размышления – вредно, а размышление без учения – опасно. Конфуций

Фундаментальная отрасль естествознания – Физика, с греческого "природа".

Одно из основных сочинений древнегреческого философа и ученого Аристотеля так и называлось "Физика". Аристотель писал: Наука о природе изучает преимущественно тела и величины, их свойства и виды движении, а кроме того, начала такого рода бытия.

Одна из задач физики - выявление самого простого и самого общего в природе, в открытии таких законов, из которых можно было бы логически вывести картину мира - так считал А. Эйнштейн.

Самое простое - так называемые первичные элементы: молекулы, атомы, элементарные частицы, поля и т.п. Общими свойствами материи принято считать движение, пространство и время, массу, энергию и др.

При изучении сложное сводится к простому, конкретное - к общему.

Фридрих Кекуле (1829 - 1896) предложил иерархию естественных наук в форме четырех ее последовательных основных ступеней: механика, физика, химия, биология.

Первый этап развития физики и естествознания охватывает период от времен Аристотеля до начала XVII в., и называется древним и средневековым этапом.

Второй этап классической физики (классической механики) до конца XIX в. связан с Галилео Галилеем и Исааком Ньютоном.

В истории физики важной для понимания явлений природы была концепция атомизма , согласно которой материя имеет прерывистое, дискретное строение, т. е. состоит из атомов.(Демокрит, 4й в до н.э., - атомы и пустота).

Третий этап современной физики открыл в 1900 г. Макс Планк (1858- 1947), предложивший квантовый подход к оценке накопившихся эксперементальных данных, основанный на дискретной концепции.

Универсальность физических законов подтверждает единство природы и Вселенной в целом.

Макромир – это мир физических тел, состоящих из микрочастиц. Поведение и свойства таких тел описываются классической физикой.

Микромир или мир микроскопических частиц, описывает преимущественно квантовая физика.

Мегамир - мир звезд, галактик и Вселенной, расположенный за пределами Земли.

Виды фундаментальных взаимодействий

К настоящему времени известны четыре вида основных фундаментальных взаимодействий:

гравитационное, электромагнитное, сильное, слабое.

1.Гравитационное взаимодействие характерно для всех материальных объектов, заключается во взаимном притяжении тел и определяется фундаментальным законом всемирного тяготения : между двумя точечными телами действует сила притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними.

Гравитационное взаимодействие в процессах микромира существенной роли не играет. Однако в макропроцессах ему принадлежит определяющая роль. Например, движение планет Солнечной системы происходит в строгом соответствии с законами гравитационного взаимодействия.

Р адиус действия его, как и электромагнитного взаимодействия, неограничен.

2.Электромагнитное взаимодействие связано с электрическими и магнитными полями. Электромагнитная теория Максвелла связывает электрическое и магнитное поля.

Различные агрегатные состояния вещества (твердого, жидкого и газообразного), явление трения, упругие и другие свойства вещества определяются силами межмолекулярного взаимодействия , которое по своей природе является электромагнитным.

3.Сильное взаимодействие отвечает за устойчивость ядер и распространяется только в пределах размеров ядра. Чем сильнее взаимодействуют нуклоны в ядре, тем оно устойчивее, тем больше его энергия связи .

Энергия связи определяется работой, которую необходимо совершить, чтобы разделить нуклоны и удалить их друг от друга на такие расстояния, при которых взаимодействие становится равным нулю.

С возрастанием размера ядра энергия связи уменьшается. Так, ядра элементов, находящихся в конце таблицы Менделеева, неустойчивы и могут распадаться. Такой процесс часто называется радиоактивным распадом.

4.Слабое взаимодействие короткодействующее и описывает некоторые виды ядерных процессов.

Чем меньше размеры материальных систем, тем более прочно связаны их элементы.

Разработка единой теории всех известных фундаментальных взаимодействий (теория всего) позволит обеспечить концептуальную интеграцию современных данных о природе.

В естествознании различают три вида материи : вещество(физические тела, молекулы, атомы, частицы), поле (свет, радиация, гравитация, радиоволны) и физический вакуум.

В микромире , многие свойства которого носят квантово-механический характер, вещество и поле можно объединить (в духе концепции корпускулярно-волнового дуализма).

Системная организация материи выражает упорядоченность существования материи.

Структурность организации материи - те конкретные формы, в которых она проявляется (существует).

Под структурой материи обычно понимается ее строение в микромире, существование в виде молекул, атомов, элементарных частиц и т. д.

Сила - физическая мера взаимодействия тел.

Масса тел является источником силы в соответствии с законом всемирного тяготения. Таким образом, понятие массы, введенное впервые Ньютоном, более фундаментально, чем силы.

Согласно квантовой теории поля частицы, обладающие массой, могут рождаться из физического вакуума при достаточно высокой концентрации энергия.

Энергия тем самым выступает как еще более фундаментальная и общая концепция, чем масса, поскольку энергия присуща не только веществу, но и безмассовым полям.

Энергия - универсальная мера различных форм движения и взаимодействия.

Закон всемирного тяготения, сформулированный Ньютоном – это сила гравитационного взаимодействия F. F = G* т1 * т2 / r2 где G - гравитационная постоянная.

Движение в самом общем виде - это изменение состояния физической системы.

Для количественного описания движения сформировались представления о пространстве и времени , которые за длительный период развития естествознания претерпели существенные изменения.

В своих фундаментальных "Математических началах натуральной философии" Ньютон писал:

«..Время и пространство составляют как бы вместилища самих себя и всего существующего.»

Время выражает порядок смены физических состояний

Время вляется объективной характеристикой любого физического процесса или явления; оно универсально.

Говорить о времени безотносительно к изменениям в каких-либо реальных телах или системах - с физической точки зрения бессмысленно.

Однако в процессе развития физики с появлением специальной теории относительности возникло утверждение:

Во-первых , течение времени зависит от скорости движения системы отсчета. При достаточно большой скорости, близкой к скорости света, время замедляется, т. е. возникает релятивистское замедление времени.

Во-вторых , поле тяготения приводит к гравитационному замедлению времени.

Можно говорить только о локальном времени в некоторой системе отсчета. В этой связи время не есть сущность, не зависящая от материи. Течет оно с различной скоростью в различных физических условиях. Время всегда относительно .

Пространство - выражает порядок сосуществования физических тел.

Первая законченная теория пространства - геометрия Евклида . Она была создана примерно 2000 лет назад. Геометрия Евклида оперирует идеальными математическими объектами, которые существуют как бы вне времени , и в этом смысле пространство в этой геометрии - идеальное математическое пространство.

Ньютон ввел понятие абсолютного пространства , которое может быть совершенно пустым и существует независимо от наличия в нем физических тел. Свойства такого пространства определяются Евклидовой геометрией.

Вплоть до середины XIX в., когда были созданы неевклидовы геометрии, никто из естествоиспытателей не сомневался в тождественности реального физического и Евклидова пространств.

Для описания механического движения тела в абсолютном пространстве нужно указать другое в качестве тела отсчета - рассмотрение одного единственного тела в пустом пространстве бессмысленно.

Глава III. Основные теоретические результаты.

3.1. Единая теория поля - теория физического вакуума.

Дедуктивный метод построения физических теорий позволил автору вначале геометризовать уравнения электродинамики (решить программу минимум) и, затем, геометризовать поля материи и таким образом завершить эйнштейновскую программу максимум по созданию единой теории поля. Однако оказалось, что окончательным завершением программы единой теории поля явилось построение теории физического вакуума.

Первое, что мы должны потребовать от единой теории поля это:

а) геометрического подхода к проблеме объединения гравитационных, электромагнитных, сильных и слабых взаимодействий на основе точных решений уравнений (уравнений вакуума);

б) предсказание новых видов взаимодействий;

в) объединения теории относительности и квантовой теории, т.е. построение совершенной (в соответствии с мнением Эйнштейна) квантовой теории;

Коротко покажем, как теория физического вакуума удовлетворяет этим требованиям.

3.2. Объединение электро-гравитационных взаимодействий.

Допустим, что нам необходимо создать физическую теорию, которая описывает такую элементарную частицу как протон. Эта частица имеет массу, электрический заряд, ядерный заряд, спин и другие физические характеристики. Это означает, что протон обладает супервзаимодействием и требует для своего теоретического описания суперобъединения взаимодействий.

Под суперобъединением взаимодействий физики понимают объединение гравитационных, электромагнитных, сильных и слабых взаимодействий. В настоящее время эта работа проводится на основе индуктивного подхода, когда теория строится путем описания большого числа экспериментальных данных. Несмотря на значительные затраты материальных и ментальных ресурсов, решение этой проблемы далеко от завершения. С точки зрения А. Эйнштейна индуктивный подход к построению сложных физических теорий бесперспективен, поскольку такие теории оказываются «бессодержательными», описывающими огромное количество разрозненных экспериментальных данных.

Кроме того, такие теории как электродинамика Максвелла-Дирака или теория гравитации Эйнштейна относятся к классу фундаментальных. Решения уравнений поля этих теорий приводит к фундаментальному потенциалу кулон-ньютоновского вида:

В области, где названные фундаментальные теории справедливы, потенциалы Кулона и Ньютона абсолютно точно описывают электромагнитные и гравитационные явления. В отличие от теории электромагнетизма и гравитации, сильные и слабые взаимодействия описываются на основе феноменологических теорий. В таких теориях потенциалы взаимодействия не находятся из решений уравнений, а вводятся их создателями, что называется, «руками». Например, для описания ядерного взаимодействия протонов или нейтронов с ядрами различных элементов (железа, меди, золота и т.д.) в современной научной литературе существует около десятка, написанных руками, ядерных потенциалов.

Любой исследователь не лишенный здравого смысла понимает, что объединять фундаментальную теорию с феноменологической это все равно, что скрещивать корову с мотоциклом! Поэтому, прежде всего надо построить фундаментальную теорию сильных и слабых взаимодействий и только после этого появляется возможность для их не формального объединения.

Но даже в случае, когда мы имеем две фундаментальные теории такие, например, как классическая электродинамика Максвелла-Лоренца и теория гравитации Эйнштейна, их не формальное объединение невозможно. Действительно, теория Максвелла-Лоренца рассматривает электромагнитное поле на фоне плоского пространства, в то время как в теории Эйнштейна гравитационное поле имеет геометрическую природу и рассматривается как искривление пространства. Чтобы объединить эти две теории надо: либо рассматривать оба поля как заданные на фоне плоского пространства (подобно электромагнитному полю в электродинамике Максвелла-Лоренца), либо оба поля свести к кривизне пространства (подобно гравитационному полю в теории гравитации Эйнштейна).

Из уравнений физического вакуума следуют полностью геометризированные уравнения Эйнштейна (B.1), которые не формальным образом объединяют гравитационные и электромагнитные взаимодействия, поскольку в этих Уравнениях как гравитационные, так и электромагнитные поля оказываются геометризированными. Точное решение этих уравнений приводит к объединенному электро-гравитационному потенциалу, который описывает объединенные электро-гравитационные взаимодействия не формальным образом.

Решение, которое описывает сферически симметричное стабильное вакуумное возбуждение с массой М и зарядом Ze (т.е. частицу с этими характеристиками) содержит две константы: ее гравитационный радиус r g и электромагнитный радиус r e . Эти радиусы определяют кручение Риччи и кривизну Римана, порожденные массой и зарядом частицы. Если масса и заряд обращаются в нуль (частица уходит в вакуум), то оба радиуса исчезают. В этом случае кручение и кривизна пространства Вайценбека так же обращаются в нуль, т.е. пространство событий становится плоским (абсолютный вакуум).

Гравитационный r g и электромагнитный r e радиусы образуют трехмерные сферы, с которых начинается гравитационное и электромагнитное поля частиц (см. рис. 24 ). Для всех элементарных частиц электромагнитный радиус много больше гравитационного. Например, для электрона r g = 9,84xl0 -56 , а r e = 5,6х10 -13 см. Хотя эти радиусы имеют конечную величину, плотность гравитационной и электромагнитной материи частицы (это следует из точного решения уравнений вакуума) сосредоточена в точке. Поэтому в большинстве экспериментов электрон ведет себя как точечная частица.

Рис. 24. Рожденная из вакуума сферически симметричная частица с массой и зарядом состоит из двух сфер с радиусами r g и r e . Буквы G и Е обозначают статическое гравитационное и электромагнитное поля соответственно.

3.3. Объединение гравитационных, электромагнитных и сильных взаимодействий.

Большим достижением теории физического вакуума является целый ряд новых потенциалов взаимодействия, полученных из решения уравнений вакуума (А) и (В). Эти потенциалы появляются как дополнение к кулон-ньютоновскому взаимодействию. Один из таких потенциалов убывает с расстоянием быстрее, чем 1/r, т.е. порожденные им силы действуют (подобно ядерным) на малых расстояниях. Кроме того, этот потенциал отличен от нуля, даже тогда, когда заряд частицы равен нулю (рис. 25 ). Подобное свойство зарядовой независимости ядерных сил давно обнаружено в эксперименте.

Рис. 25 . Потенциальная энергия ядерного взаимодействия, найденная из решения уравнений вакуума. Соотношение между ядерным и электромагнитным радиусами r N = |r e |/2,8.

Рис. 26 . Теоретические вычисления, полученные из решения уравнений вакуума (сплошная кривая), достаточно хорошо подтверждаются экспериментами по электро-ядерному взаимодействию протонов и ядер меди.

На рис. 25 представлена потенциальная энергия взаимодействия нейтрона (заряд нейтрона равен нулю) и протона с ядром. Для сравнения приведена кулоновская потенциальная энергия отталкивания между протоном и ядром. Из рисунка видно, что на малых расстояниях от ядра кулоновское отталкивание сменяется ядерным притяжением, которое описывается новой константой r N - ядерным радиусом. Из экспериментальных данных удалось установить, что величина этой константы порядка 10 -14 см. Соответственно силы, порождаемые новой константой и новым потенциалом, начинают действовать на расстояниях (r я ) от центра ядра. Как раз на этих расстояниях начинается действие ядерных сил.

r я = (100 - 200)r N = 10 -12 см.

На рис. 25 ядерный радиус определяется соотношением r N = |r e |/2,8 где вычисленное для процесса взаимодействия протона и ядра меди значение модуля электромагнитного радиуса равно: |r e | = 8,9х10 -15 см.

На. рис. 26 представлена экспериментальная кривая, описывающая рассеяние протонов с энергией 17 Мэв на ядрах меди. Сплошной линией на этом же рисунке обозначена теоретическая кривая, полученная на основе решений уравнений вакуума. Хорошее согласие между кривыми говорит о том, что найденные из решения вакуумных уравнений короткодействующий потенциал взаимодействия с ядерным радиусом r N = 10 -15 см. Здесь ничего не было сказано о гравитационных взаимодействиях, поскольку для элементарных частиц они гораздо слабее ядерных и электромагнитных.

Преимущество вакуумного подхода в объединенном описании гравитационных, электромагнитных и ядерных взаимодействий перед принятыми в настоящее время состоит в том, что наш подход фундаментален и не требует введения ядерных потенциалов «руками».

3.4. Связь между слабыми и торсионными взаимодействиями.

Под слабыми взаимодействиями обычно подразумевают процессы с участием одной из самых загадочных элементарных частиц - нейтрино. У нейтрино нет массы и заряда, а имеется только спин - собственное вращение. Эта частица не переносит ничего, кроме вращения. Таким образом, нейтрино представляет собой одну из разновидностей динамического торсионного поля в чистом виде.

Простейшим из процессов, в котором проявляются слабые взаимодействия является распад нейтрона (нейтрон неустойчив и имеет среднее время жизни 12 мин) по схеме:

n ® p + + e - + v

где p + - протон, e - - электрон, v - антинейтрино. Современная наука считает, что электрон и протон взаимодействуют между собой по закону Кулона как частицы, имеющие противоположные заряды. Они не могут образовать долго живущую нейтральную частицу - нейтрон с размерами порядка 10 -13 см, поскольку электрон под действием силы притяжения должен мгновенно «упасть на протон». Кроме того, даже если и возможно было бы предположить, что нейтрон состоит из противоположно заряженных частиц, то при его распаде должно было бы наблюдаться электромагнитное излучение, что привело бы к нарушению закона сохранения спина. Дело в том, что нейтрон, протон и электрон имеют спин +1/2 или -1/2 каждый.

Предположим, что первоначальный спин нейтрона был равен -1/2. Тогда суммарный спин электрона, протона и фотона тоже должен бы быть равен -1/2. Но суммарный спин электрона и протона может иметь значения -1, 0, +1, а у фотона спин может быть -1 или +1. Следовательно, спин системы электрон-протон-фотон может принимать значения 0, 1, 2, но не как -1/2.

Решения уравнений вакуума для частиц, обладающих спином, показали, что для них существует новая константа r s - спиновый радиус, которая описывает торсионное поле вращающейся частицы. Это поле порождает торсионные взаимодействия на малых расстояниях и позволяет по-новому подойти к проблеме образования нейтрона из протона, электрона и антинейтрино.

На рис. 27 представлены качественные графики потенциальной энергии взаимодействия обладающего спином протона с электроном и позитроном, полученные из решения вакуумных уравнений. Из графика видно, что на расстоянии порядка

r s = |r e |/3 = 1,9x10 -13 см.

от центра протона существует «торсионная яма», в которой может достаточно долгое время находиться электрон, когда он совместно с протоном образует нейтрон. Электрон не может упасть на вращающийся протон, поскольку торсионная сила отталкивания на малых расстояниях превосходит кулоновскую силу притяжения. С другой стороны, торсионная добавка к кулоновской потенциальной энергии обладает аксиальной симметрией и очень сильно зависит от ориентации спина протона. Эта ориентация задана углом q между направлением спина протона и радиусом-вектором, проведенным в точку наблюдения,

Ha рис. 27 ориентация спина протона выбрана так, что угол q равен нулю. При угле q = 90° торсионная добавка обращается в нуль и в плоскости, перпендикулярной направлению спина протона, электрон и протон взаимодействуют по закону Кулона.

Существование торсионного поля у вращающегося протона и торсионной ямы при взаимодействии протона и электрона позволяет предположить, что при «развале» нейтрона на протон и электрон происходит излучение торсионного поля, не имеющего заряда и массы и переносящего только спин. Именно этим свойством обладает антинейтрино (или нейтрино).

Из анализа потенциальной энергии, изображенной на рис. 27 , следует, что когда в ней электромагнитное взаимодействие отсутствует (r e = 0) и остается только торсионное взаимодействие (r s № 0), то потенциальная энергия обращается в нуль. Это означает, что свободное торсионное излучение, переносящее только спин, не взаимодействует (или взаимодействует слабо) с обычной материей. Именно этим, по-видимому, объясняется наблюдаемая высокая проникающая способность торсионного излучения - нейтрино.

Рис. 27 . Потенциальная энергия взаимодействия спинирующего протона, полученная из решения вакуумных уравнений: а) - электрона с протоном при |r e |/r s , б) - то же с позитроном.

Когда электрон находится в «торсионной яме» вблизи протона его энергия отрицательна. Чтобы произошел распад нейтрона на протон и электрон, необходимо, чтобы нейтрон поглотил положительную торсионную энергию, т.е. нейтрино согласно схеме:

v + n ® p + + e -

Эта схема полностью аналогична процессу ионизации атома под действием внешнего электромагнитного излучения g

g + a ® a + + e -

где a + - ионизированный атом и e - - электрон. Разница состоит в том, что электрон в атоме находится в кулоновской яме, а электрон в нейтроне удерживается торсионным потенциалом.

Таким образом, в теории вакуума существует глубокая связь между торсионным полем и слабыми взаимодействиями.

3.5. Кризис в спиновой физике и возможный выход из него.

Современная теория элементарных частиц относится к классу индуктивных. Её базой служат экспериментальные данные, полученные с помощью ускорителей. Индуктивные теории по своей природе описательные и их приходится каждый раз подправлять по мере поступления новых данных.

Примерно 40 лет назад в Рочестерском университете были начаты эксперименты по рассеянию поляризованных по спину протонов на поляризованных мишенях, состоящих из протонов. Впоследствии все это направление в теории элементарных частиц получило название спиновая физика.

Рис. 28 . Экспериментальные данные по торсионному взаимодействию поляризованных нуклонов в зависимости от взаимной ориентации их спинов. Горизонтальные стрелки показывают направление и величину (толщина стрелки) торсионного взаимодействия. Вертикальная стрелка указывает направление орбитального момента рассеиваемой частицы.

Основной результат, полученный спиновой физикой состоит в том, что при взаимодействиях на малых расстояниях (порядка 10 -12 см.) спин частиц начинает играть существенную роль. Было установлено, что торсионные (или спин-спиновые) взаимодействия определяют величину и характер сил, действующих между поляризованными частицами (см. рис. 28 ).

Рис. 29 . Суперпотенциальная энергия, полученная из решения уравнений вакуума. Показана зависимость от ориентации спина мишени: а) - взаимодействие протонов и поляризованного ядра при r e /r N = -2, r N /r s = 1,5; б) - то же, для нейтронов при r e /r N = 0, r N /r s = 1,5. Угол q отсчитывается от спина ядра до радиуса-вектора, проведенного в точку наблюдения.

Характер обнаруженных в эксперименте торсионных взаимодействий нуклонов оказался настолько сложным, что поправки, вносимые в теорию, сделали теорию бессодержательной. Дело дошло до того, что теоретикам недостает идей для того, чтобы описать новые данные эксперимента. Этот «ментальный кризис» теории усугубляется еще и тем, что стоимость эксперимента в спиновой физике растет по мере его усложнения и в настоящее время приблизилась к стоимости ускорителя, что привело к материальному кризису. Следствием такого положения вещей явилось замораживание финансирования строительства новых ускорителей в некоторых странах.

Выход из сложившейся критической ситуации может быть только один - в построении дедуктивной теории элементарных частиц. Именно эту возможность предоставляет нам теория физического вакуума. Решения ее уравнений приводят к потенциалу взаимодействия - суперпотенциалу, который включает в себя:

r g - гравитационный радиус,

r e - электромагнитный радиус,

r N - ядерный радиус и

r s - спиновый радиус,

отвечающие за гравитационные (r g ), электромагнитные (r e ), ядерные (r N ) и спин-торсионные (r s ) взаимодействия.

На рис. 29 приведены качественные графики суперпотенциальной энергии, полученные из решения уравнений вакуума.

Из графика видна сильная зависимость взаимодействия частиц от ориентации спинов, что и наблюдается в экспериментах спиновой физики. Конечно, окончательный ответ будет дан тогда, когда будут проведены тщательные исследования, основанные на решениях вакуумных уравнений.

3.6. Скалярное электромагнитное поле и передача электромагнитной энергии по одному проводу.

Уравнения вакуума, как это и положено уравнениям единой теории поля, переходят в известные физические уравнения в различных частных случаях. Если мы ограничимся рассмотрением слабых электромагнитных полей и движением зарядов с не слишком большими скоростями, то из уравнения вакуума (B.1) последуют уравнения, подобные уравнениям электродинамики Максвелла. Под слабыми полями в данном случае понимаются такие электромагнитные поля, напряженность которых удовлетворяет неравенству Е, Н << 10 -16 ед. СГСЕ. Такие слабые электромагнитные поля встречаются на расстояниях порядка r >> 10 -13 см. от элементарных частиц, т.е. на таких расстояниях, где действие ядерных и слабых взаимодействий становится незначительным. Можно считать, что в нашей повседневной жизни мы всегда имеем дело со слабыми электромагнитными полями. С другой стороны, движение частиц с не слишком большими скоростями означает, что энергии заряженных частиц не слишком велики и, из-за недостатка энергии, они не вступают, например, в ядерные реакции.

Если ограничится случаем, когда заряды частиц постоянны (е = const ), то слабые электромагнитные поля в теории вакуума описываются векторным потенциалом (так же, как и в элекгродинамике Максвелла), через который определяются шесть независимых компонент электромагнитного поля: три компоненты электрического поля Е и три компоненты магнитного поля Н.

В общем случае потенциал электромагнитного поля в вакуумной электродинамике оказывается симметричным тензором второго ранга, что порождает дополнительные компоненты у электромагнитного поля. Точное решение уравнений вакуумной электродинамики для зарядов, у которых е № const , предсказывает существование нового скалярного электромагнитного поля вида:

S = - de(t) / rc dt

где r - расстояние от заряда до точки наблюдения, с - скорость света, e(t) - переменный заряд.

В обычной электродинамике такое скалярное поле отсутствует из-за того, что потенциал в ней является вектором. Если заряженная частица е движется со скоростью V и попадает в скалярное электромагнитное поле S , то на нее действует сила F S :

F S = eSV = - е V

Поскольку движение зарядов представляет собой электрический ток, то это означает, что скалярное поле и порожденная эти полем сила должны обнаружить себя в экспериментах с токами.

Приведенные выше формулы были получены в предположении, что заряды частиц меняются со временем и, казалось бы, не имеют отношения к реальным явлениям, поскольку заряды элементарных частиц постоянны. Тем не менее, эти формулы вполне применимы к системе, состоящей из большого количества постоянных зарядов, когда число этих зарядов меняется во времени. Эксперименты такого рода проводил Никола Тесла в начале 20-го века. Для исследования электродинамических систем с переменным зарядом Тесла использовал заряженную сферу (см. рис.29 а ). При разрядке сферы на землю вокруг сферы возникало скалярное поле S. Кроме того, и по одному проводнику протекал ток I, не подчиняющийся законам Кирхгофа, поскольку цепь оказывалась незамкнутой. Одновременно на проводник действовала сила F S , направленная вдоль проводника (в отличие от обычных магнитных сил, действующих перпендикулярно току).

Существование сил, действующих на проводник с током и направленных вдоль проводника, было обнаружено еще A.M. Ампером. В последствии, продольные силы были экспериментально подтверждены в опытах многих исследователей, а именно в опытах Р. Сигалова, Г. Николаева и др. Кроме того, в работах Г. Николаева впервые была установлена связь скалярного электромагнитного поля с действием продольных сил. Однако Г. Николаев никогда не связывал скалярное поле с переменным зарядом.

Рис. 29 а . В электродинамике с переменным зарядом ток течет по одному проводу.

Однопроводная передача электрической энергии получила свое дальнейшее развитие в работах С.В. Авраменко. Вместо заряженной сферы С.В. Авраменко предложил использовать трансформатор Тесла, у которого вторичная обмотка на выходе из трансформатора имеет только один конец. Второй конец просто изолируется и остается внутри трансформатора. Если на первичную обмотку подать переменное напряжение с частотой несколько сот Герц, то на вторичной обмотке возникает переменный заряд, который порождает скалярное поле и продольную силу F S . С.В. Авраменко ставит на одном проводе, выходящем из трансформатора, особое устройство - вилку Авраменко, которое из одного провода делает два. Если теперь подключить к двум проводам обычную нагрузку в виде лампочки или электромотора, то лампочка загорается, а мотор начинает вращаться за счет электроэнергии, которая передается по одному проводу. Подобная установка, передающая по одному проводу 1 кВт мощности, разработана и запатентована во Всероссийском научно-исследовательском институте электрификации сельского хозяйства. Там же ведутся работы по созданию однопроводной линии мощностью 5 и более кВт.

3.7. Торсионное излучение в электродинамике.

Мы уже отметили, что нейтрино представляет собой торсионное излучение, которое, как это следует из решения уравнений вакуума, сопровождает выход электрона из торсионной ямы, при распаде нейтрона. В связи с этим тотчас возникает вопрос, а не существует ли торсионное излучение при ускоренном движении электрона, порожденное его собственным спином?

Теория вакуума отвечает на этот вопрос положительно. Дело в том, что излученное ускоренным электроном поле связано с третьей производной координаты по времени. Теория вакуума позволяет учесть в классических уравнениях движения собственное вращение электрона - его спин и показать, что поле излучения состоит из трех частей:

Е rad = E e + T et + T t

Первая часть излучения электрона E e порождена зарядом электрона, т.е. имеет чисто электромагнитную природу. Эта часть достаточно хорошо изучена современной физикой. Вторая часть T et имеет смешанную электро-торсионную природу, поскольку порождена как зарядом электрона, так и его спином. Наконец, третья часть излучения T t создана только спином электрона. Относительно последней можно сказать, что электрон во время ускоренного движения излучает нейтрино, но очень малых энергий!

Несколько лет назад в России были созданы и запатентованы приборы, подтверждающие теоретические предсказания теории вакуума относительно существования торсионного излучения в электродинамике, порожденного спином электрона. Эти приборы были названы торсионными генераторами .

Рис. 30. Принципиальная схема торсионного генератора Акимова.

На рис. 30 изображена принципиальная схема запатентованного торсионного генератора Акимова. Он состоит из цилиндрического конденсатора 3, на внутреннюю обкладку которого подается отрицательное напряжение, а на внешнюю положительное от источника постоянного напряжения 2. Внутри цилиндрического конденсатора помещен магнит, который является источником не только статического магнитного поля, но и статического торсионного поля. Это поле порождено (так же как и магнитное) суммарным спином электронов. Кроме того, между обкладками конденсатора происходит чисто спиновая (статическая нейтринная) поляризация вакуума, созданная разностью потенциалов. Для создания торсионного излучения заданной частоты на обкладки конденсатора податся переменное электромагнитное поле (управляющий сигнал) 1.

Рис. 31 . Торсионный генератор Акимова.

Под действием переменного электромагнитного поля 1 заданной частоты изменяется ориентация спинов (с такой же частотой) электронов внутри магнита и поляризованных спинов между обкладками конденсатора. В результате возникает динамическое торсионное излучение, обладающее высокой проникающей способностью.

На рис. 31 представлено внутреннее устройство генератора Акимова. С точки зрения электромагнетизма устройство торсионного генератора выглядит парадоксально, поскольку его элементная база строится совершенно на других принципах. Например, торсионный сигнал может передаваться по одному металлическому проводу.

Торсионные генераторы типа того, который изображен на рис. 31 широко используются в России в различных экспериментах и даже технологиях, о которых речь пойдет ниже.

3.8. Найдена квантовая теория, о которой мечтал Эйнштейн.

Современная квантовая теория материи также относится к классу индуктивных. По мнению нобелевского лауреата, создателя теории кварков М. Гелл-Манна, квантовая теория это наука, которую мы умеем использовать, но не понимаем до конца. Подобного мнения придерживался и А. Эйнштейн, считая, что она неполна. Согласно А. Эйнштейну, «совершенная квантовая теория» будет найдена на пути совершенствования общей теории относительности, т.е. на пути построения дедуктивной теории. Именно такая квантовая теория следует из уравнений физического вакуума.

Основные отличия квантовой теории от классической состоят в том, что:

а) теория содержит новую константу h - постоянную Планка;

б) существуют стационарные состояния и квантовый характер движения частиц;

в) для описания квантовых явлений используется универсальная физическая величина - комплексная волновая функция, удовлетворяющая уравнению Шредингера и имеющая вероятностную трактовку;

г) имеется корпускулярно-волновой дуализм и оптико-механическая аналогия;

д) выполняется соотношение неопределенности Гейзенберга;

е) возникает гильбертово пространство состояний.

Все эти свойства (за исключением конкретного значения постоянной Планка) появляются в теории физического вакуума при исследовании проблемы движения материи в полностью геометризированных уравнениях Эйнштейна (B.1).

Решение уравнений (B.1), которое описывает стабильную сферически симметричную массивную (заряженную или нет) частицу, приводит одновременно к двум представлениям о плотности распределения ее материи:

а) как плотности материи точечной частицы и

б) как полевого клубка, образованного комплексным торсионным полем (полем инерции).

Дуализм поле-частица , возникающий в теории вакуума, совершенно аналогичен дуализму современной квантовой теории. Тем не менее, существует разница в физической интерпретации волновой функции в теории вакуума. Во-первых, она лишь в линейном приближении удовлетворяет уравнению Шредингера, причем с произвольной квантовой постоянной (обобщенный аналог постоянной Планка). Во-вторых, в теории вакуума волновая функция определяется через реальное физическое поле - поле инерции, но, будучи нормированной на единицу, получает вероятностную трактовку подобно волновой функции современной квантовой теории.

Стационарные состояния частиц в теории вакуума являются следствием расширенного толкования принципа инерции при использовании локально инерциальных систем отсчета. Как было отмечено ранее (см. рис. 6 ), в общерелятивистской электродинамике электрон в атоме может двигаться в кулоновском поле ядра ускоренно, но без излучения, если связанная с ним система отсчета является локально инерциальной.

Квантование стационарных состояний в теории вакуума объясняется тем, что в ней частица представляет собой чисто полевое протяженное в пространстве образование. Когда полевой, протяженный объект находится в ограниченном пространстве, его физические характеристики, такие как энергия, импульс и т.д., принимают дискретные значения. Если же частица свободна, то спектр её физических характеристик становится непрерывным.

Основные трудности современной квантовой теории порождены непониманием физической природы волновой функции и попыткой представить протяженный объект как точку или как плоскую волну. Точка в классической теории поля описывает пробную частицу, которая не имеет собственного поля. Поэтому квантовую теорию, следующую из теории вакуума, необходимо рассматривать как способ описать движение частицы с учетом ее собственного поля. Это невозможно было сделать в старой квантовой теории по той простой причине, что плотность материи частицы и плотность поля, создаваемого ею, имеют различную природу. Не существовало универсальной физической характеристики для однообразного описания обеих плотностей. Сейчас такая физическая характеристика появилась в виде поля инерции - торсионного поля, которое оказывается действительно универсальным, поскольку явлению инерции подвержены все виды материи.

На рис. 32 показано, как поле инерции определяет плотность материи частицы с учетом её собственного поля.

Рис. 32 . Вакуумная квантовая механика отказывается от понятия пробной частицы и описывает частицу с учетом ее собственного поля, используя универсальное физическое поле - поле инерции.

Что касается конкретного значения постоянной Планка, то его, по-видимому, надо рассматривать как эмпирический факт, характеризующий геометрические размеры атома водорода.

Интересным оказалось то обстоятельство, что вакуумная квантовая теория допускает и вероятностную трактовку, удовлетворяя принципу соответствия со старой теорией. Вероятностная трактовка движения протяженного объекта впервые в физике возникла в классической механике Лиувилля. В этой механике при рассмотрении движения капли жидкости как единого целого выделяется особая точка капли - ее центр масс. По мере изменения формы капли меняется и положение центра масс внутри ее. Если плотность капли переменна, то центр масс наиболее вероятно находится в области, где плотность капли максимальна. Поэтому плотность вещества капли оказывается пропорциональной плотности вероятности найти центр масс в той или иной точке пространства внутри капли.

В квантовой теории вместо капли жидкости мы имеем полевой сгусток, образованный полем инерции частицы. Так же как и капля, этот полевой сгусток может менять форму, что, в свою очередь, приводит к изменению положения центра масс сгустка внутри его. Описывая движение полевого сгустка как единого целого через его центр масс, мы с неизбежностью приходим к вероятностному описанию движения.

Протяженную каплю можно рассматривать как набор точечных частиц, каждая из которых характеризуется тремя координатами х, у, z и импульсом с тремя компонентами р x , р y , р z . В механике Лиувилля координаты точек внутри капли образуют конфигурационное пространство (вообще говоря, бесконечно мерное). Если дополнительно связать с каждой точкой конфигурационного пространства капли импульсы, то мы получим фазовое пространство . В механике Лиувилля доказана теорема о сохранении фазового объема, которая приводит к соотношению неопределенности вида:

D pDx = const

Здесь Dx рассматривается как разброс координат точек внутри капли, а Dp как разброс соответствующих им импульсов. Допустим, что капля принимает форму линии (вытягивается в линию), тогда ее импульс строго определен, поскольку разброс Dp = 0. Зато каждая точка линии становится равноправной, поэтому координата капли не определена из-за соотношения Dx = Ґ , которое следует из теоремы о сохранении фазового объема капли.

В теории поля для полевого сгустка, состоящего из набора плоских волн, теорема о сохранении фазового объема записывается в виде:

DpDx = p

где Dx - разброс координат полевого сгустка, а Dp - разброс волновых векторов плоских волн, образующих полевой сгусток. Если умножить обе части равенства на h и ввести обозначение р = h k , то мы получаем известное соотношение неопределенности Гейзенберга:

DpDx = p h

Это соотношение выполняется и для полевого сгустка, образованного набором плоских волн поля инерции в квантовой теории, следующей из теории физического вакуума.

3.9. Квантование в Солнечной системе.

Новая квантовая теория позволяет нам расширить наши представления об области действия квантовых явлений. В настоящее время считается, что квантовая теория применима только к описанию явлений микромира. Для описания таких макроявлений, как движение планет вокруг Солнца все еще используется представление о планете, как о пробной, не имеющей своего собственного поля, частице. Однако более точное описание движения планет достигается тогда, когда учитывается собственное поле планеты. Именно эту возможность предоставляет нам новая квантовая теория, использующая в качестве волновой функции в уравнении Шредингера поле инерции.

Таблица 3.

Простейшее квазиклассическое рассмотрение задачи движения планет вокруг Солнца с учетом их собственного поля приводит к формуле квантования средних расстояний от Солнца до планет (и астероидных поясов) по формуле:

r = r 0 (n + 1/2) , где n = 1, 2, 3 ...

Здесь r 0 = 0,2851 а.е. = const - новая "планетарная константа". Напомним, что расстояние от Солнца до Земли равно 1 а.е. = 150000000 км. В таблице № 3 дано сравнение теоретических расчетов, полученных с помощью приведённой выше формулы, с результатами эксперимента.

Как видно из таблицы, вещество в Солнечной системе образует систему дискретных уровней, достаточно хорошо описываемых формулой, полученной из нового представления о природе волновой функции квантовой теории.