Шлёнов А.Г.

Результаты определения некоторых фундаментальных констант в связи с проблемами экологии и безопасности жизнедеятельности

УДК 53+57

 

 

The problem of the determination of the fundamental constants considered. Results of the theoretical determination of about 40 astrophysical and microphysical constants (radius of the gravitation interaction, the average matter density, radius of the nuclear interaction, the nuclear density etc.) presented. Ref.14, Tabl.11.

 

Развитие цивилизации связано с продолжающимся ростом численности народонаселения и с быстрым увеличением энерговооруженности, использования энергоресурсов, производства и потребления электроэнергии. В течение ХХ века эти процессы не сопровождались достаточным учетом требований экологии и безопасности жизнедеятельности, что привело к ухудшению экологической обстановки во многих регионах, к увеличению как числа крупных аварий и техногенных катастроф, так и числа их жертв. В этой связи возникает ряд вопросов, из которых мы перечислим некоторые, имеющие непосредственное отношение к рассматриваемой теме.

·        Какие источники энергии практически не рассматриваются современной наукой?

·        Какие источники энергии связаны с наиболее разреженным состоянием вещества, т.е. вещества межгалактического пространства?

·        Какими константами можно охарактеризовать вещество в таком состоянии и характерные для него процессы энергообмена?

·        Какие источники энергии связаны с наиболее плотным состоянием вещества, т.е. с ядерным и нейтронизованным веществом?

·        Какими константами можно охарактеризовать такие виды вещества?

·        Каковы численные значения таких астрофизических и микрофизических констант  и безразмерных соотношений между ними?

·        Согласуются ли получаемые теоретическим путем значения констант со значениями, выводимыми из современных фактических данных?

·        Нуждаются ли в связи с этим в пересмотре наши представления об энергетике Земли?

В 1676 г. на основании наблюдений одного из спутников Юпитера Олаф Ремер доказал конечность скорости света. Хотя первые определения скорости света с были неточны, к настоящему времени не только известно достаточно точное значение этой фундаментальной константы, но многими разными способами определены и десятки других фундаментальных констант, таких как  постоянная Ньютона G, постоянная Планка h, элементарный заряд е… Определение каждой такой константы открывает для науки, техники, технологий новые возможности. Однако в современных физических словарях, справочниках, энциклопедиях отсутствуют многие константы, которые уже давно могут быть определены с использованием имеющегося банка фактических данных. Это связано в первую очередь с недостатками некоторых современных теоретических представлений. Отметим, что каждая теория, дающая ту или иную общую картину мира (общая теория относительности, теория единого поля, теория фрактальных структур и другие) дает разные, подчас весьма отличающиеся подходы к проблеме определения таких констант.   Здесь проблема констант будет рассмотрена лишь с позиций общей теории относительности и  теории единого поля.

 

Проблема констант с позиций общей теории относительности

Для уяснения той роли, которая в этой теории отводится средней плотности вещества во Вселенной r_ср и ряду других величин, необходимо обратиться к космологическому уравнению. Космологическое уравнение общей теории относительности может быть приведено к виду:

где под R понимается радиус Вселенной, k- кривизна пространства, причем считается, что r_ср и R – функции времени t, т.е. они не рассматриваются как фундаментальные константы. Вместо этого используются свободные параметры: k и параметры эволюции Вселенной от момента Большого Взрыва, которые невозможно рассчитать теоретическим путем, однако их пытаются определить, используя результаты наблюдений внегалактических объектов. Казалось бы, такой подход должен дать ответ на вопрос, какой же вид смерти ожидает нашу Вселенную, горячая смерть при k=+1 (пространство Римана), холодная "медленная" при k=0 (пространство Евклида) или холодная "быстрая" при k=-1 (пространство Лобачевского)? Однако ответы, даваемые разными авторами в течение второй половины ХХ века, оказываются противоречивыми и несогласующимися между собой. В частности нами, начиная с конца 60-х годов, выполнена статистическая обработка около 100 каталогов космических объектов (среди них [1]-[10] – каталоги квазаров, лацертид, активных ядер галактик, гравитационных линз и объектов Маркаряна), что позволило получить около 1000 эмпирических зависимостей частного вида, каждая из которых была проанализирована с позиций общей теории относительности и теории единого поля.

С позиций общей теории относительности каждая эмпирическая зависимость дает свой набор свободных параметров. Эти наборы конфликтуют и находятся в непримиримых противоречиях между собой, что подтверждает выводы, сделанные Ю.В. Барышевым и другими авторами, изучающими банк фактических данных. Отметим в этой связи, что к началу XXI века наблюдениям уже доступны многие миллиарды внегалактических объектов, в первую очередь галактик. А пересчет измеренных характеристик миллионов объектов, уже занесенных в каталоги, на стандартное расстояние 10 парсек и ряд других расчетов на основе космологического уравнения общей теории относительности приводят к существенным неточностям в определении абсолютных звездных величин М, светимостей L, расстояний r, абсолютных размеров объектов D и других характеристик. Для выяснения причин этого мы разбили факторы, влияющие на точность пересчета наблюдаемых характеристик объектов на ряд уровней (табл.1). Оказалось, что в общей теории относительности либо неправильно учитываются либо вообще не учитываются факторы первых уровней, играющие определяющую роль. Это и приводит к чрезвычайно большим погрешностям расчетов, некоторые из которых будут рассмотрены ниже в сопоставлении с более точными решениями, даваемыми теорией единого поля.

 

Таблица 1.

Упрощенная классификация факторов, влияющих на точность пересчета наблюдаемых характеристик объектов.

 

Некоторые из представлений, используемых в теории единого поля

Из представлений, используемых в теории единого поля [11], в данной статье можно ограничиться указанием на следующие.

1.         Радиус гравитационного взаимодействия R, равный радиусу Метагалактики, r_ср, постоянная Хаббла Н и целый ряд других величин – это не переменные, а фундаментальные константы.

2.         Определяющий вклад в плотность энергии во Вселенной вносит плотность энергии продольных фотонов де Бройля, также являющаяся фундаментальной константой.

1.         Микрообъекты, движущиеся в свободном пространстве, на каждом отрезке, равном длине волны де Бройля, теряют энергию h Н, равную энергии продольного фотона.

2.         Масса – это мера мощности, поглощаемой веществом в виде продольных фотонов. В частности электрон на 1-й боровской орбите в атоме водорода поглощает за период энергию h H.

3.         Регистрируемая высокая плотность потока S таких внегалактических объектов как квазары, лацертиды, радиоисточники является следствием трех основных факторов:

-         активности этих объектов (синхротронный механизм излучения);

-         малой величины межгалактического поглощения в радиодиапазоне и практического отсутствия поглощения в других диапазонах;

-         того случайного обстоятельства, что мы в период наблюдений остаемся в пределах главного лепестка диаграммы направленности излучения активного объекта, в котором плотность потока S спадает обратно пропорционально расстоянию r, а не обратно пропорционально квадрату расстояния, как это имеет место у нормальных объектов.

Обратим внимание на это первостепенное обстоятельство (табл.1.). Поскольку им всегда пренебрегают, то это приводит к чрезвычайно большим погрешностям при пересчете плотностей потока на стандартное расстояние 10 парсек, при расчетах абсолютных звездных величин М и светимостей объектов L. Если даже правильно учесть факторы разных уровней, что делается не всегда, но пренебречь факторами 1-го уровня либо учесть их неправильно (что делается всегда), то погрешности расчетов становятся катастрофически большими. В табл.2 приведены результаты наблюдений и расчетов для выборки из 10 ярких квазаров, где 1-й – это знаменитый объект 3С 273, Z – красное смещение,          m и М – видимые и абсолютные звездные величины в фильтрах оптического и инфракрасного диапазонов. Учитывая направленность, мы должны рассчитывать светимость не по формуле L=4pr²S_bolexp(r/R), а так:

L=2prDS_bolexp(r/R),

где S_bol – полная плотность потока, exp(r/R)=1+Z. Приняв  в качестве максимальной оценки для размеров излучающей области D=2 парсек »6×10¹⁸ см, мы получаем максимальную оценку светимости квазаров с учетом направленности их излучения. Если же не учитывать направленность излучения, то расчеты дают заведомо ошибочные значения светимостей, в десятки и сотни раз  превышающие светимости сверхгигантских галактик сD Моргана, в то время как известно, что квазары – это небольшие излучающие области в ядрах галактик, которые отнюдь не являются сверхгигантскими. При этом погрешности определения абсолютных звездных величин составляют около 20 единиц, пересчет S  выполняется с ошибкой в сотни миллионов и миллиарды раз, а определение L с ошибками, как минимум, в 10 раз большими. Уже сегодня можно привести в тысячи раз больше, а в перспективе – в сотни тысяч раз большее число таких прискорбных примеров.

 

 

Таблица 2.

Результаты двух вариантов пересчета наблюдаемых характеристик активных объектов.

 

Однако основная часть ранее известных и полученных нами зависимостей относится к наблюдаемым нормальным объектам, спектр которых определяется тепловым излучением и общее число которых еще на несколько порядков больше. При описании и объяснении их можно исходить из небольшого числа исходных – космологических уравнений.

 

Космологические уравнения теории единого поля

Эти уравнения дают универсальные связи  характеристик Вселенной и Метагалактики с характеристиками темного межгалактического вещества, а также звезд, крупномасштабных космических систем (шаровых скоплений, галактик, скоплений галактик) , а также микроскопических объектов (протона, электрона, атома водорода):

(1)   ,

(2)   ,

(3)   , причем E_g» E_F, e_g»e',

(4)   ,

(5)  

где y - гравитационный потенциал, r- реальное распределение плотности, е, с, h – известные фундаментальные константы, E_g, e_g, r_g, R_g – интегральные характеристики некоторой космической системы g(E_g – плотность лучистой энергии, e_g – средняя мощность, излучаемая единицей массы в виде фотонов, r_g – средняя плотность вещества, , R_g – радиус), Е_F – известное значение плотности энергии микроволнового фонового излучения, , e_ср, e', r_ср, R, H – фундаментальные константы, рассчитываемые с применением этих уравнений (e_ср – средняя мощность, излучаемая единицей массы в виде фотонов, e' – мощность поглощаемая единицей массы в виде продольных фотонов, r_ср – средняя плотность вещества во |Вселенной, равная средней плотности темного межгалактического вещества), - аналогичные характеристики звезды * (- плотность лучистой энергии на поверхности звезды).

Эти уравнения следуют из общей постановки задачи, выполненной нами с использованием некоторых идей Карла фон Неймана, Хуго фон Зеелигера, Луи де Бройля, а также следующих очевидных условий существования крупных космических систем. На границе скопления галактик 1: Е₁»Е_F . На границе галактики 2 из скопления 1: Е₂»Е₁+Е_F . На границе галактики поля 3: Е₃»Е_F . На границе шарового скопления 4 из галактики 3: Е₄»Е₃+Е_F . и.т.д., а также ε₁»ε₂»ε₃»ε₄»ε'»ε_ср.

Хотя уравнения (1)-(5) имеют отношение в первую очередь к астрофизическим константам, используемый подход оказывается достаточно общим, открывающим путь к определению целого ряда констант (табл.3) многими разными способами. Продемонстрируем это на целом ряде примеров.

Таблица 3.

Результаты определения некоторых астрофизических и микрофизических констант и больших безразмерных чисел.

 

Результаты определения констант ε_ср и ε^'

Для теоретического определения константы ε^' (а затем и ε_ср) можно воспользоваться уравнениями (1) и (5). Для эмпирического определения этих констант применимы уравнения (2)-(4), позволяющие привлечь для этого обширный наблюдательный материал по звездам и звездным системам разных типов (табл.4).

Таблица 4.

Результаты определения констант e_ср и e' (эрг г^-1с^-1).

 

1. Более массивные (газовые) звезды главной последовательности и все массивные газовые звезды известных типов излучают больше энергии, чем поглощают. Причиной этого, как известно, являются энерговыделяющие реакции синтеза из легких элементов, начиная с водорода, более тяжелых, от гелия до железа и никеля. Менее массивные звезды главной последовательности и все крупные планеты, согласно современным представлениям, должны иметь железные или железо-никелевые ядра. В них должны идти энергопоглощающие реакции синтеза урана, тория, других тяжелых неустойчивых элементов, продукты распада которых формируют оболочки таких тел. По нашим представлениям, условие

должно выполняться у звезд на границе между двумя частями главной последовательности.

2. Такое же условие должно выполняться у белых карликов, у которых в первом приближении можно пренебречь энергетическим вкладом ядерных реакций синтеза. Согласно современным данным, белые карлики, масса которых равна массе Солнца (m»m₀) имеют радиусы R  от 3000 до 5000 км и эффективные температуры поверхности Т_е от 30000 до 40000 К (табл.5).

Таблица 5.

Зависимости светимости L и L/m от R и Т_е для белых карликов при m=m₀.

 

3. Аналогичное условие должно выполняться и для нейтронных звезд. У нейтронных звезд такой же массы радиус R  от 7 до 13 км, Т_е от 500000 до 1000000 К (табл.6). Если даже принять, что у белых карликов и нейтронных звезд с увеличением R  не уменьшается Т_е (как в таблицах 5 и 6), а увеличивается, то средние значения интересующих нас характеристик все равно должны иметь те же порядки величин.

Таблица 6.

Зависимости светимости L и L/m от R  и Т_е для нейтронных звезд при m=m₀.

 

4. Возвратимся к рассмотрению планет и звезд главной последовательности. Для того чтобы в планетах и в маломассивных звездах главной последовательности произошел переход от энергопоглащающих к энерговыделяющим реакциям синтеза, необходим быстрый набор массы в плотных облаках пыли и газа. Поэтому звезды на границе между двумя частями главной последовательности труднодоступны для  наблюдений (табл.7 по данным Г.А. Стариковой).

Таблица 7.

Характеристики звезд, соответсвующие локальному минимуму функции светимости ( по подсчетам Г.А. Стариковой).

 

 

5. Согласно современным данным, энерговыделяющие ядерные реакции синтеза идут в газовых звездах при температурах, которые не должны быть существенно меньше 10 миллионов Кельвинов. Температуру в центре звезды главной последовательности или крупной планеты можно оценить по формуле

,

где Т₀»15000000 К – температура в центре Солнца.

Результаты такого перерасчета (табл.8) показывают, что граница между энерговыделяющими и энергопоглощающими реакциями синтеза должна соответствовать значениям L/m порядка 0.1 эрг г^-1с^-1.

Таблица 8.

Характеристики звезд главной последовательности.

 

Приведенные примеры иллюстрируют те способы, с помощью которых определялась каждая астрофизическая константа.

Результаты определения констант r_я и r_я

Впервые теоретические значения этих констант нам удалось опубликовать в [12], затем в ряде других работ, в частности [11]. Добавим к этому, что эмпирические данные по радиусам r_A нуклидов и натуральных элементов, определенные методом модельной плотности (ММП) и на основе модельно-независимого анализа (МНА), собранные в [13], позволяют получить 150 пар эмпирических значений r_я, r_я, если, к примеру, использовать соотношения:

r_я»r_АА^-1/3,  r_я»,

где А - массовое число, m_p – масса протона.

Очевидно, что при малых и средних А эти соотношения дают завышенные значения r_я и заниженные r_я, в частности по причине несферичности таких нуклидов как водород 2, водород 3, гелий 3, и более точные значения в случаях тяжелых ядер. Разбив массив данных на 10 групп, находим зависимости средних значений r_я, r_я в группе от среднего значения А (табл.9). Полученные в пределе эмпирические значения r_я=0.94∙10^{-13 см,} r_я=4.8∙10¹⁴ г/см³ согласуются с теоретическими значениями ([12], [11] и табл.3).

Таблица 9.

Зависимости средних значений r_я, r_я от средних А.

 

Результаты определения констант Е_II  и  n_II

Нижние оценки Е_II  и  n_II можно получить по 150 эмпирическим значениям r_A из работы [13], применив соотношения:

,   ,

либо по данным определения теоретического значения r_я:

Е_II » r_яс²»4.3∙10³⁵ эрг/см³, n_II »4.2∙10⁷⁹ см^-3.

Среднюю оценку дает метод Фейнмана [14]. Верхние оценки могут быть получены путем рассмотрения физических условий в центре нейтронной звезды (НЗ) наибольшей массы (что мы сделали без учета дефекта массы) с использованием разных способов:

·        Способ А – с применением уравнения состояния нейтронизованного вещества и условия , после чего вещество теряет устойчивость.

·        Способ В – на основе эквивалентного условия равенства нулю магнитной индукции, действующей на протон со стороны окружающих его частиц.

·        Способ С – из условия, что плотность энергии продольных фотонов равна предельно достижимой плотности энергии магнитного поля и в то же время равна энергетическому эквиваленту предельно достижимой массовой плотности вещества.

·        Способ D – из условия, что скорость движения электрона-бозона по ларморовской окружности v=0.9999933 c, при этом его масса m=273.09m_e, т.е. он находится в состоянии π-мезона.

Полагая, что давление Р в нейтронизованом веществе зависит в первую очередь от плотности ρ и слабо зависит от температуры, можно привести уравнение состояния к виду:

,  ,

где Δ – расстояние между соседними частицами.

Сопоставление результатов расчетов (табл.10) позволяет сделать вывод, что наиболее сходящиеся результаты дают в настоящее время верхние оценки: Е_II  порядка 10³⁹ эрг/см³ ,  n_II порядка 10⁸³ см^-3.

Таблица 10.

Результаты оценки Е_II  (эрг см^-3).

 

Результаты расчета других ядерных констант

Рассмотрение условий в центре наиболее массивных нейтронных звезд позволяет оценить разными способами не только значения Е_II,  n_II, но и ряда других ядерных констант. Такие расчеты приводят к сходящимся результатам (табл.11).

Таблица 11.

 

Заключение

1.      Некоторые представления о космических объектах и о Вселенной в целом, используемые в общей теории относительности, оказываются серьезными препятствиями на пути определения фундаментальных констант и приводят к значительным погрешностям при определении целого ряда характеристик внегалактических объектов.

2.      Анализ современных фактических данных позволяет получить космологические уравнения, открывающие путь к определению разными способами ряда фундаментальных констант.

3.      Для повышения точности, т.е. для надежного определения большего числа значащих цифр, потребуются дальнейшие усилия. Однако уже сейчас становится ясным, что некоторые наши представления о природе действующих во Вселенной сил и об энергетических процессах требуют пересмотра. В частности, величина ε^', определенная многими разными способами (таблицы 4-8), свидетельствует о том, что масса Земли поглощает в 500 раз больше энергии в виде продольных фотонов, чем поверхность Земли в виде солнечных фотонов.

4.      Современные компьютеры и электронные каталоги, передаваемые через сеть Интернет, обеспечивают в миллионы раз более высокую производительность расчетов по сравнению с применявшимися нами бумажными каталогами и калькуляторами. Независимая статистическая обработка всего банка фактических данных должна дать более полные ответы на поставленные здесь вопросы. Если хотя бы часть наших результатов будет подтверждена, то это потребует тех или иных изменений в подходах к проблемам энергетики, экологии, безопасности жизнедеятельности.

Автор выражает признательность за внимание к его результатам и ценные обсуждения профессору С.М. Аполлонскому, профессору Б.Е. Синдаловскому, а также профессору А.И. Цыгану, любезно предоставившему труднодоступные данные по наблюдаемым характеристикам нейтронных звезд (таблица 6).

Литература

1.      De Veny J.B., Osborn W.H. and Janes K. A Gatalogue of Quasars. 1971. Pub. Astron. Soc. Pacific. Vol. 83.P.611.

2.      Veron-Cetty M.-P. And Veron P. A Gatalogue of Quasars and Active Nucley. 1-st Edition. 1984. ESO Scientific Report №1.

3.      Veron-Cetty M.-P. and Veron P. 2-nd Edition. 1985. ESO Scientific Report № 4.

4.      Veron-Cetty M.-P. and Veron P. 3-rd Edition. 1987. ESO Scientific  Report № 5.

5.      Veron-Cetty M.-P. and Veron P. 4-th Edition. 1989. ESO Scientific  Report № 7.

6.      Veron-Cetty M.-P. and Veron P. 5-th Edition. 1991. ESO Scientific  Report № 10.

7.      Veron-Cetty M.-P. and Veron P. 6-th Edition. 1993. ESO Scientific  Report № 13.

8.      Veron-Cetty M.-P. and Veron P. 7-th Edition. 1996. ESO Scientific  Report № 17.

9.      Veron-Cetty M.-P. and Veron P. 8-th Edition. 1998. ESO Scientific  Report № 18.

10.   Veron-Cetty M.-P. and Verоn P. 9-th Edition. 2000. ESO Scientific  Report № 19.

11.  Шлёнов А.Г. Микромир, Вселенная, Жизнь.

1-е изд. под ред проф. В.И. Почтарёва. СПб.1995;

2-е изд. под ред. проф. А.К. Колесова. СПб.1998.

12.  Шлёнов А.Г. Описание сильных взаимодействий на основе теории единого поля. Энергетический баланс Земли с позиций теории единого поля//Прикладные и теоретические вопросы нетрадиционной энергетики. Л.: ДНТП, 1990, с.109-111, 115-117.

13.  Баррет Р. и Джексон Д. Размеры и структура ядер. Киев: Наукова думка, 1981.

14.  Фейнман Р. и Хибс А. Квантовая механика и интегралы по траекториям. М.: Мир, 1968 (стр. 267).