Скорость света: природа, следствия
Штерн Ю.М.
И если за скорость света не ждешь спасибо,
то общего, может, небытия броня
ценит попытки ее превращенья в сито
и за отверстие поблагодарит меня.
И. Бродский, 1994
Введение
В основании специальной теории относительности (СТО) находится утверждение о независимости скорости света: скорость света, c не зависит от скорости источника или скорости наблюдателя. Объекты, имеющие скоро-сти, u: u < c, таким свойством не обладают. По предложению А. Эйнштейна и А. Пуанкаре в 1905 году этот опытный факт был отнесен к фундаменталь-ным свойствам природы. Известное под названием «постулата Эйнштейна» утверждение относится ко всем инерциальным системам отсчета, имеет все-объемлющую область применимости и входит в настоящее время в число наиболее фундаментальных законов природы.
Одновременно в современном естествознании большинством ученых на веру был принят догмат о постоянстве величины скорости света: скорость света постоянна в истории вселенной и равна в вакууме ~3·108 м/с.
Однако еще в 1937г. лауреат нобелевской премии по физике Dirac P.A.M. в связи с открытием нестационарной расширяющейся вселенной сделал вывод, что одна или даже несколько мировых констант должны были изменяться со временем (A new basis for cosmology, Proc. Roy. Soc., London, A165, 198 (1938); The cosmological constants, Natur, 139, 323 (1937)).
Опуская здесь историю этого вопроса, отметим, что таким кандидатом является скорость света. Мы покажем, что скорость света на определенной фазе развития вселенной была переменной по величине, уменьшаясь на шесть порядков до значения сегодняшней величины. Мы также рассмотрим вытекающие из этого следствия.
I. Постановка задачи.
Мы будем рассматривать появление этого нового свойства физическо-го объекта – свойства независимости скорости света в контексте качествен-ных изменений, возникающих скачком в окружающем нас мире или в нас самих. В наших выводах мы будем опираться на такой фундаментальный за-кон организации природы, как принцип единства (целостности). Единство, или принадлежность неких частей некоторому целому мы наблюдаем повсе-местно. Заканчивая изложение одной из первых версий теории систем, ее ав-тор писал: «Мир един в большом и малом, живом и мертвом» [1].
Наблюдая это единство в окружающем нас мире, в нас самих, мы также наблюдаем его возмущение и его смену. Для процессов, возникаю-щих и развивающихся в силовых полях, мы будем записывать это единство и его возмущение в терминах и размерности энергии. Покажем, что электро-магнитное излучение представляет собой частный случай преобразования некоторого физического объекта произвольной природы в рамках закона со-хранения и превращения энергии определенного вида [2,3,4], а независи-мость скорости света - результат такого преобразования. В связи с этим за-метим предварительно, что правило сложения скоростей справедливо, если рассматриваемый объект принадлежит некоторой части нашей вселенной: галактике, звезде, планете, системе на планете и т.д. Поведение объекта бу-дет отражать такое единство и может быть записано в терминах его измене-ния. В этом случае говорят, что объект обладает инертной массой.
Задачу можно сформулировать следующим образом. В результате управляющего воздействия стороннего источника физический объект изме-няет свое состояние, претерпевает развитие. На определенном отрезке, или в некотором диапазоне величин такого воздействия физический процесс - цепь последовательных состояний объекта - носит эволюционный характер. В от-вет на сколь угодно малое изменение управляющего воздействия происходит сколь угодно малое изменение состояния объекта. В то же время для физиче-ских процессов характерен энергетический порог, преодоление которого приводит к бифуркации и возникновению качественно нового процесса. По-чему физический процесс, узнаваемый на каждой последующей стадии, рас-падается вдруг - по шкале управляющего воздействия – на качественно но-вые модификации, становится прерывистым (дискретным)? Почему и когда он становится неузнаваемым? В настоящем случае нас интересует вопрос: почему физический объект теряет инертную массу?
II. Скорость света: связь мировых макропараметров.
Пусть некоторый физический объект с помощью стороннего источни-ка увеличивает свою скорость u во вселенной. В результате возрастает воз-мущение первого основного состояния объекта . Под основным состоянием мы будем понимать особое состояние из дискретного априори известного на-бора таких состояний, которое характеризует определенную степень единст-ва в элементарной системе - объект и вселенная как среда, в которой этот объект выделен. В качестве первого основного состояния назовем относи-тельную неподвижность объекта во вселенной, принадлежность объекта к некоторой части вселенной.
Возмущение первого основного состояния объекта, возникающее и возрастающее в такой системе, приводит, в конечном счете, к его смене. В связи с этим в процессе такого роста энергия возмущения существующего основного состояния объекта - его кинетическая энергия W1 не может пре-вышать энергию, характерную для самого основного состояния W01. В про-тивном случае необходимо говорить о новом состоянии единства в системе и адекватном ему возмущении, относительно которых справедливо предыду-щее высказывание. В результате можно записать:
W1 Ј W01 (1)
Отвлекаясь от характерной в этом случае связи объекта и среды, мы можем определить собственную энергию возмущения объекта W·. Очевидно, что в этом случае объект и среда рассматриваются как не взаимодействую-щие части системы. Собственная энергия возмущения W· является характе-ристикой стороннего источника непосредственно в системе и, в свою оче-редь, есть источник возмущения любого вида из дискретного набора, адек-ватного набору основных состояний объекта. В нашем случае это означает:
W· = W1 (2)
и равенство (2) одновременно является определением факта существования в системе основного состояния и возмущения первого вида.
Неравенство (1) с учетом (2) принимает общий вид энергетического порогового соотношения:
W· Ј W01 (3)
Собственную энергию возмущения W· мы определяем следующим образом:
W· = mu2/2 (4)
где m, u - масса объекта и его скорость соответственно. Параметры m, u оп-ределены для объекта, который свободен от взаимодействия с вселенной тя-желых масс, вызванного его перемещением с возрастающей скоростью u. Такой объект не возмущает пространство при своем движении. В этом случае m - масса покоя объекта. Здесь, следовательно, нас интересует каноническое (нерелятивистское) представление пространства и времени в механике Нью-тона. В свою очередь, энергию первого основного состояния записываем в виде:
W01 = gmM0/2R0 (5)
где g, M0 , R0 — постоянная гравитации, масса и радиус вселенной соответст-венно. Это абсолютная величина работы, затраченной для выхода материаль-ного объекта на поверхность нашей вселенной. Энергия W01 характеризует жесткую связь материального объекта на поверхности нашей вселенной с ее центром тяжести. В результате энергетическое пороговое соотношение (3) для нашей вселенной с учетом (4), (5) может быть записано в окончательном виде:
mu2/2 Ј gmM0/2R0 (6)
Слева и справа в выражениях (3), (6) стоят взаимно независимые пара-метры. Характеристика собственного возмущения объекта W· в отличие от энергии W1 может возрастать неограниченно. До тех пор, пока собственная энергия W· не превышает энергии первого основного состояния W01 объекта, выполняется равенство (2), и объект принадлежит некоторой части вселен-ной. В этом случае выполняется правило сложения скоростей. Нарушение неравенств (3), (6) приводит к качественно иной ситуации. В связи с проти-воположными знаками в неравенстве (1), с одной стороны, и в неравенствах (3), (6), с другой стороны, мы уже не можем говорить о справедливости ра-венства (2). Следовательно, в системе отсутствуют существовавшее ранее первое основное состояние и адекватное ему возмущение. Для того чтобы удовлетворить закону сохранения энергии, необходимо допустить возникно-вение нового единства в системе - нового основного состояния объекта и адекватного ему возмущения. В этом случае закон сохранения энергии при-нимает вид:
W· = W2,
где W2 - энергия возмущения объекта следующего второго вида.
Таким образом, возрастающая собственная энергия возмущения объек-та W· приводит к смене его основного состояния. Скачком возникает качест-венно новое основное состояние объекта, что, в свою очередь, приводит к ка-чественно новому его поведению, качественно новым его свойствам. Рас-сматривая энергетические пороговые соотношения (3), (6) как критерий ка-чественных изменений в состоянии системы: объект - вселенная, мы исхо-дим также из следующих общих соображений. Прежде, чем произойдет пре-образование системы в новую организацию с новым единством - новыми связями, существующая система проходит путь эволюции от системы неза-висимых частей до целостной системы. В названных нами крайних состояни-ях этой эволюции мы имеем систему не взаимодействующих частей, где W· є W1.
Переход от одного взаимодействия к качественно другому, от одного вида физического процесса к качественно другому может происходить толь-ко через паузу, когда отсутствует взаимодействие вообще.
В физических процессах скорость распространения возмущения конеч-на, что и определяет равенство (2): собственная энергия возмущения W· яв-ляется характеристикой стороннего источника непосредственно в объекте и, в свою очередь, есть источник возмущения любого вида из дискретного на-бора, адекватного набору основных состояний объекта.
Равенство (6) характеризует момент, когда в системе возникает погра-ничное состояние. В соответствии с определением центростремительного ус-корения в механике Ньютона выражение (5) представляет порцию энергии, обладая которой тело начинает поступательное движение относительно цен-тра тяжести вселенной, находясь от него на расстоянии R0. В рассматривае-мом нами случае тело, обладая энергией W01 (5), вращается по окружности с радиусом R0. Материальный объект становится спутником нашей вселенной, независимым от любой из ее частей и принадлежащим ей в целом. Таким об-разом, приобретая эту особую скорость:
uе1 =
объект претерпевает качественное изменение. Он теряет инертную массу. В то же время он остается чувствительным к гравитации. Эту особую скорость мы могли бы назвать первой вселенской скоростью. Не представляет труда отметить, что эта особая скорость зависит только от параметров нашей все-ленной в целом. Учитывая особенности электромагнитного излучения, в ча-стности, отсутствие у него инертной массы, инвариантность скорости света относительно инерциальных систем внутри вселенной, его можно идентифи-цировать с отмеченным выше спутником, а скорость света - отождествить с первой вселенской скоростью:
с = uS1 =
с2/g = M0/R0 = 1027 кг/м (7)
Представляет интерес отметить, что наш вывод (7) о свете как спутнике вселенной находится в согласии с заключением, к которому пришел А. Эйн-штейн в результате мысленного эксперимента: свет возвращается в точку, откуда он был испущен. Вывод (7) также находится в согласии с известным фактом, что скорость света есть максимальная скорость расширения нашей вселенной.
Продолжим апробацию полученного результата. Энергетическое поро-говое соотношение (6) с учетом (7) можно переписать в знакомом для теории относительности по преобразованиям Лоренца виде:
(u/c)2 Ј 1 (6.б)
И здесь, как и во всех других случаях, приведенных в [2,3,4], энергетическое пороговое соотношение (6.б) является коэффициентом подобия, что мы и можем отметить в полном согласии с СТО. Таким образом, известное соот-ношение (6б) есть частный случай энергетического порогового соотношения (3).
Рассматривая электромагнитное излучение как спутник нашей вселен-ной, имеющий характерную для неё скорость, проанализируем второй вари-ант такого спутника. Пусть пробное тело массой m находится на коллапси-рующем космическом объекте массой М. Тогда левая часть энергетического порогового соотношения (6) представляет собой возрастающую потенциаль-ную энергию космического объекта с текущим радиусом
R ® 0 в присутствии пробного материального тела:
W· = gЧmЧM/R
Записываем новое энергетическое пороговое соотношение:
gmM/R Ј gЧM0Чm/2R0 (
Отсюда следует критический радиус:
Rг = 2(M/M0)ЧR0,
который с учетом полученного ранее выражения (7) для скорости света при-нимает знакомый нам вид известного как частное решение уравнений общей теории относительности (ОТО) - радиуса Шварцшильда, или гравитационно-го радиуса:
Rг = 2gЧM/с2
Если выполняется энергетическое пороговое соотношение (
, то космиче-ское тело является принадлежностью нашей вселенной. Как только радиус космического тела становится меньше критического Rг, тело превращается в одну из реализаций спутника нашей вселенной - черную дыру.
Необходимо также отметить, что проведенное нами исследование при-водит к целому ряду заключений, часть из которых была получена ранее в рамках СТО и ОТО. Выше мы привели одно из этих заключений относитель-но энергетического порогового соотношения (6.б) и вывод формулы для ра-диуса Шварцшильда. К числу таких заключений можно также отнести зави-симость размера черной дыры только от ее массы; идентичность двух черных дыр с одинаковыми массами. Здесь же можно упомянуть увеличение площа-ди горизонта событий при падении в черную дыру вещества или излучения; площадь возникающей при слиянии черных дыр черной результирующей дыры не меньше суммы площадей сливающихся черных дыр …[6]. Однако во всех случаях новизна предложенного содержательного базиса и актуаль-ность его использования в ОТО должны вызывать самое пристальное к нему внимание.
В качестве еще одного примера рассмотрим принцип космической цен-зуры [6]. Он гласит: “голых сингулярностей не бывает, они закрыты горизон-том событий”. Ранее мы показали, что преодоление первого вселенского энергетического порога (
приводит к переходу объекта в статусе черной дыры на горизонт событий. Второй вселенский энергетический порог связан с преодолением объектом потенциальной энергии границы вселенной, зада-ваемой ее радиусом R0 [2]. Нетрудно показать, что этот порог-энергия в 2 раза больше величины W01 и приводит к уходу трансформированного объекта - сингулярности в терминах ОТО - за горизонт событий. Два вселенских со-бытия естественным образом связаны между собой. Они происходят в той же последовательности, что и аналогичные запуски в космос с земли: сначала первая космическая скорость, а затем вторая.
Полученные нами результаты находятся в согласии с ранее проведен-ными исследованиями, посвященными скорости света. Мы называем здесь гипотезу о переменной в прошлом величине скорости света [7], работу о со-гласии переменной величины скорости света с фундаментальными законами [8], анализ результатов измерения скорости света за ~ 300 лет [9] и наблюде-ния за светимостью 36-ю сверхновых [7], подтверждающие такое поведение скорости света.
