Сильная гравитация

Си́льная гравита́ция — фундаментальное гравитационное взаимодействие на уровне элементарных частиц, одна из составляющих сильного взаимодействия в физике согласно гравитационной модели сильного взаимодействия. Предполагается, что сильная гравитация совместно с электромагнитными силами ответственна за возникновение и целостность вещества элементарных частиц, атомных ядер, а также участвует во взаимодействиях между электронами и ядрами в атомах и молекулах. Для описания сильной гравитации используются уравнения Лоренц-инвариантной теории гравитации.

История

После открытия электрона в 1897 г., протона в 1919 г., нейтрона в 1932 г. и их композиций в виде атомных ядер, атомов и молекул возникла необходимость описания сил, действующих между частицами и скрепляющих их вещество. В большинстве случаев поведение электрона и протона, помещённых во внешнее электромагнитное поле, удовлетворительно описывается электромагнитными силами. Это привело к стандартной электромагнитной модели атома. Что касается взаимодействия нуклонов в атомных ядрах, то здесь первоначально была принята гипотеза японского физика Х. Юкавы о связи между частицами посредством мезонов, главным образом пионами. Затем в рамках кварковой теории все адроны стали мыслиться состоящими из кварков.

Однако идея о том, что фундаментальные взаимодействия между одним набором элементарных частиц должны возникать с помощью действия какого-то другого набора элементарных частиц, принадлежит атомистической теории, но противоречит теории бесконечной вложенности материи. Действительно, реакции между элементарными частицами подчиняются законам сохранения энергии, импульса и электрического заряда; вещество, энергия-импульс и заряд одних частиц переходит в соответствующие величины других частиц, но это ещё не означает, что переносчиком и причиной взаимодействий являются снова сами элементарные частицы. Взаимодействие нуклонов между собой посредством пионов плохо согласуется с кварками и глюонами, призванными описать целостность адронов, вследствие проблемы ненаблюдаемости кварков в свободном состоянии и неясности трансформации сил между кварками внутри каждого из нуклонов в сильное взаимодействие между различными нуклонами в атомном ядре. Не спасает положения и введение виртуальных частиц с их экзотическими свойствами (малое время жизни, одновременное рождение частиц и античастиц и т. д.). Так, абстрактное объяснение электромагнитного взаимодействия двух зарядов с помощью виртуальных фотонов как квантов поля до сих пор остаётся утверждением, не подкреплённым конкретной моделью процесса взаимодействия.

Среди попыток объяснения сильного взаимодействия в связи с гравитацией имеется гипотеза о том, что в модели адронных мешков адроны представляют собой микровселенные де Ситтера, в которых заключены кварки. Радиус адронов, соответствующий радиусам данных микровселенных, связывается с постоянной сильной гравитации и соответствующей космологической постоянной. Для объяснения свойств адронов в предположении сильного гравитационного взаимодействия описываются аналогии между адронами и чёрными дырами типа Керра — Ньюмена.

В 1999 г. Сергей Федосин, опираясь на подобие уровней материи, SPФ-симметрию и теорию гравитации Лесажа, согласно которым чёрные дыры не допускаются, постулировал существование сильной гравитации как фундаментальной силы на атомном уровне, и нашёл значение постоянной сильной гравитации $~\Gamma= 1{,}514 \cdot 10^{29}$ м³•с^-2•кг^-1.

Применения

Адроны

Равенство между энергией покоя протона и его полной энергией, в силу теоремы вириала приблизительно равной половине потенциальной энергии поля сильной гравитации, позволяет оценить радиус протона $~R_p$: $$m_p c^2 = \frac{ k \Gamma {m_p}^2}{ 2 R_p },$$ $$R_p = \frac{ k \Gamma m_p}{2 c^2 }=0,87 \cdot 10^{-15} \mbox{м},$$

здесь $~ m_p$ — масса протона, $~ c$ — скорость света, $~ k$ — коэффициент, зависящий от распределения вещества, в случае однородной плотности вещества протона $~ k=0,6$. Согласно самосогласованной модели, для протона $~ k=0,62$.

Полученное значение $~R_p$ совпадает с экспериментально находимыми размерами протона и нейтрона, подтверждая справедливость идеи сильной гравитации. Одновременно приведенное равенство предполагает объяснение сущности энергии покоя тел как энергии, связанной с сильной гравитацией нуклонов вещества тел. Согласно принципу эквивалентности массы и энергии, энергия покоя нуклона пропорциональна его массе. С другой стороны, полная энергия нуклона включает в себя энергию поля сильной гравитации, пропорциональную квадрату массы, и внутреннюю энергию вещества нуклона, пропорциональную массе вещества как в выражении для кинетической энергии. В результате полная энергия пропорциональна только массе, как и энергия покоя.

На сравнении максимального момента импульса поля сильной гравитации и момента импульса протона при однородном распределении вещества основана другая оценка радиуса протона: $$R_p = \frac{ 5 \Gamma m_p}{21 c^2 }=0,67 \cdot 10^{-15} \mbox{м.}$$

В качестве модели возникновения сильной гравитации используется модернизированная теория гравитации Лесажа, становящаяся универсальной при учёте теории бесконечной вложенности материи.

На звёздном масштабном уровне материи аналогом нуклонов являются нейтронные звёзды, целостность которых поддерживается силой обычной гравитации и силой давления в веществе, происходящей от отталкивания нуклонов друг от друга. Подобно этому в веществе нуклонов также происходит компенсация сильной гравитации и внутренней силы давления (смотри субстанциональная модель нейтрона и субстанциональная модель протона). В такой картине для устойчивости нуклонов и описания их свойств не требуются кварки, необходимые в стандартной квантовой хромодинамике. В то же время в модели кварковых квазичастиц кварки рассматриваются не как реальные частицы внутри адронов, а как квазичастицы, составные элементы вещества адронов, несущие массу, заряд и магнитный момент. Это обеспечивает наблюдаемую симметрию свойств адронов. В свою очередь сами кварки могут быть сведены к комбинациям двух адронных фаз вещества. Анализ реджевских семейств адронов показывает также, что они могут быть объяснены с учётом квантования спина и состояния вещества частиц, удерживаемого полем сильной гравитации.

Электрон

Сильная гравитация существенным образом влияет на построение модели электрона, приводя к субстанциональной модели этой частицы. В частности, заряд электрона настолько большой, что сильная гравитация не способна удержать вещество электрона против кулоновской электрической силы расталкивания зарядов. Поэтому стабильность электрона в атоме возможна лишь в виде рассеянного электронного облака (диска) и за счёт сил притяжения к ядру от сильной гравитации и заряда ядра. Другой факт — квантование уровней энергии и величины орбитального момента импульса электрона в атоме, объясняется из того условия, что поток кинетической энергии движения вещества электрона вокруг ядра равняется сумме потоков энергии от сильной гравитации и от электромагнитного поля. Это приводит к стационарным состояниям электрона в атоме, в которых он не излучает. Для атома водорода также обнаруживается, что магнитная энергия ядра в магнитном поле электрона равняется энергии спина ядра в поле кручения сильной гравитации электрона в случае предельного вращения ядра.

Взаимодействие нуклонов в атомном ядре

Опыты с рассеянием нуклонов друг на друге позволяют оценить эффективный потенциал сильного взаимодействия, действующего между этими частицами. По мере уменьшения расстояния сила взаимодействия быстро растёт. Для описания этой силы используется гравитационная модель сильного взаимодействия, в которой ядерные силы являются суммой притяжения от сильной гравитации, отталкивания спинов нуклонов за счёт поля кручения сильной гравитации, а также от действия электромагнитных сил. На малых расстояниях преобладает сила отталкивания спинов, обратно пропорциональная четвёртой, а затем и пятой степени расстояния. На больших расстояниях имеет место притяжение нуклонов, в основном от сильной гравитации. При расстояниях, близких к радиусу нуклона, между нейтроном и протоном осуществляется равновесное состояние, дающее дейтрон как простейшее атомное ядро с двумя нуклонами. Учёт сильной гравитации позволяет построить модели простейших ядер и их геометрическую конфигурацию, а также объяснить зависимость удельной энергии связи атомных ядер от их атомного числа за счёт эффекта насыщения энергии сильной гравитации и роста электрической энергии отталкивания протонов.

Странные частицы

В квантовой хромодинамике предполагается, что большое время жизни, присущее некоторым адронам, связано с присутствием в них странных кварков. Однако модели странных частиц могут быть построены аналогично моделям атомных ядер, за счёт соединения между собой нуклонов и мезонов под действием сильной гравитации. Состав некоторых странных адронов описывается в модели кварковых квазичастиц.

Межатомное взаимодействие

Взаимодействие атомов приводит к образованию молекул, а также простых и молекулярных веществ. В отличие от нуклонов в атомных ядрах, при взаимодействии атомов сильная гравитация действует как между ядрами всех атомов, так и между электронами, дополняя электромагнитные силы. При этом электронные диски, охватывающие атомные ядра, благодаря быстрому вращению в них заряженного и ориентированного магнитным полем вещества имеют возможность экранировать гравитационные силы между ядрами, уменьшая их до уровня электрических сил. Равновесие атомов в молекулах и в веществах получается тогда при балансе гравитационных и электромагнитных сил. При увеличении расстояния между атомами между ними возникает так называемое ван-дер-ваальсовское взаимодействие, в виде быстро уменьшающегося с расстоянием притяжения. Оценка с помощью теории гравитации Лесажа даёт радиус действия сильной гравитации в веществе земной плотности порядка 0,7 м.

Фотон

Субстанциональная модель фотона предполагает, что фотон состоит из праонов, скреплённых друг с другом посредством сильной гравитации. Это приводит к тому, что фотон обладает массой покоя, а также магнитным моментом.

См. также

Постоянная сильной гравитации Модель кварковых квазичастиц Субстанциональная модель нейтрона Субстанциональная модель протона Субстанциональная модель электрона Бесконечная вложенность материи Подобие уровней материи SPФ-симметрия

Квантованность параметров космических систем Водородная система Поле кручения Кварк Сильное взаимодействие Гравитационная модель сильного взаимодействия Теория гравитации Лесажа Электрогравитационный вакуум

Внешние ссылки

• Strong gravitation

Теории гравитации Стандартные теории гравитации Альтернативные теории гравитации Квантовые теории гравитации Единые теории поля Классическая физика Теория тяготения Ньютона Релятивистская физика Общая теория относительности Математическая формулировка общей теории относительности Гравитоэлектромагнетизм Принципы Принцип эквивалентности сил гравитации и инерции Принцип Маха Геометродинамика [1] Классические Теория гравитации Лесажа Модифицированная ньютоновская динамика (MOND) [2] Релятивистские Ковариантная теория гравитации Лоренц-инвариантная теория гравитации Максвеллоподобные гравитационные уравнения Метрическая теория относительности Сильная гравитация Релятивистская теория гравитации Гравитация с массивным гравитоном [3] Телепараллелизм [4] Теория Нордстрёма [5] Теория Бранса — Дикке [6] Биметрические теории гравитации [7] Несимметричные теории гравитации [8] Теория гравитации Уайтхеда [9] Теория Эйнштейна — Картана [10] Каноническая квантовая гравитация [11] Петлевая квантовая гравитация [12] Полуклассическая гравитация [13] Причинная динамическая триангуляция [14] Евклидова квантовая гравитация [15] Уравнение Уилера — ДеВитта [16] Индуцированная гравитация [17] Некоммутативная геометрия [18] Многомерные Общая теория относительности в многомерном пространстве [19] Теория Калуцы — Клейна [20] Струнные Теория струн Теория суперструн [21] М-теория [22] Прочие Исключительно простая теория всего Общее поле