30 Дек

ВОЗМОЖНЫЕ МОДЕЛИ ЕДИНОЙ ТЕОРИИ ФИЗИКИ




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:

Одной из основных целей современной теоретической физики является единое описание окружающего нас мира. Объединение двух фундаментальных теорий современной физики — квантовой теории и общей теории относительности — в рамках единого теоретического подхода до недавнего времени было одной из важнейших проблем. Примечательно, что эти две теории, взятые вместе, воплощают почти всю сумму человеческих знаний о наиболее фундаментальных взаимодействиях в природе. Поразительный успех этих двух теорий состоит в том, что вместе они могут объяснить поведение материи практически в любых условиях — от внутриядерной до космической области. Большой загадкой, однако, была несовместимость этих двух теорий. И было непонятно, почему Природа на своем самом глубоком и фундаментальном уровне должна требовать двух различных подходов с двумя наборами математических методов, двух наборов постулатов и двух наборов физических законов? В идеале хотелось иметь Единую теорию поля, объединяющую эти две фундаментальные теории. Однако попытки их соединения постоянно разбивались из-за появления бесконечностей (расходимостей) или нарушения некоторых важнейших физических принципов. Объединить две эти теории удалось лишь в рамках теории струн и суперструн [1].

Дуальность в пяти теориях струн в чем-то похожа на воду и лед при разной температуре, при этом константы связи струны играют роль, аналогичную температуре. Подобно воде и льду, любые две из пяти теорий струн с первого взгляда кажутся совершенно различными. Но при изменении соответствующих констант связи эти теории превращаются одна в другую.Подобно лучикам морской звезды все теории струн рассматриваются сейчас как части единого целого. Этот единый формализм условно назвали М-теорией. Таким образом, тропы исследований в теории струн, которые, казалось, ведут в разные стороны, слились в одну широкую дорогу — единую и всеохватывающую теорию, которая вполне может оказаться искомой «теорией всего». Хотя предстоит проделать еще много работы, две основные характеристики М-теории уже установлены физиками. Во-первых, М-теория рассматривает одиннадцать измерений (десять пространственных и одно временное). Подобно тому, как Калуца внезапно обнаружил, что одно дополнительное пространственное измерение можно использовать для объединения гравитации с электромагнетизмом, теоретики осознали, что одно дополнительное пространственное измерение в теории струн (помимо оставшихся девяти пространственных и одного временного) позволяет осуществить более чем удовлетворительный синтез всех пяти вариантов теории струн. Кроме того, это дополнительное измерение возникает не из воздуха: теоретики обнаружили, что выводы о существовании одного временного и девяти пространственных измерений, сделанные в 1970-х и 1980-х гг., являются приближенными, а точные вычисления показывают, что одно пространственное измерение в те годы осталось незамеченным.

Второе установленное свойство М-теории состоит в том, что она, кроме колеблющихся струн, включает и другие объекты: колеблющиеся двумерные мембраны и трехмерные капли (последние называют 3-бранами), а также и многие другие составляющие. Это свойство, как и одиннадцатое измерение, возникает вследствие отказа от приближений, использовавшихся до середины 1990-х гг. Если не считать этих и ряда других результатов, полученных в последние годы, М-теория остается мистической (этим объясняется одно из предложенных толкований буквы «М» в ее названии). Физики всего мира с большим энтузиазмом работают над тем, чтобы добиться полного понимания М-теории, и эта задача вполне может стать центральной проблемой физики  XXI в. [1].

В книге  [2, с.245] есть упоминание о масштабном факторе [3-5]: «…в общем случае масштабный фактор вовсе невозможно устранить из компонентов меры, что нарушает конформную инвариантность. В следующем разделе мы покажем, что масштабной инвариантности препятствует некая аномалия, называемая конформной аномалией, и она может быть устранена только в том случае, когда размерность пространства-времени равна 26. Этот факт фиксирует размерность пространства-времени…»

Модели Земли и трехмерной капли

Известны результаты расчетов для моделей Земли с внутренним заполнением [7]. Рассматриваемые модели представляют собой сферические оболочки с радиусами 6.333 м, 6333 м и 6333 км и толщинами 0.21 м, 210 м и 210 км соответственно. Внутри каждой модели действует давление 650000 Па. Радиусы внутренних ядер моделей соответственно равны 3.475 м, 3475 м и 3475 км. Пространство между оболочкой и ядром заполняет мантия. Плотность оболочек 2700 кг/м, плотность мантий 3700 кг/м, плотность ядер 13000 кг/м. Массы моделей соответственно равны 5.45кг, 5.45кг и 5.45кг. Основное закрепление моделей осуществляется в в центрах ядер. Вид КЭ моделей представлен на рисунке 1.

Рисунок 1. Заполненная КЭ модель планеты Земля

В данной работе автор предлагает заинтересованным читателям обратить внимание на полученные им результаты расчетов по модальному анализу, приведенные в Таблице 1, для трех вышеупомянутых разномасштабных моделей нашей планеты Земля и для большой однородной модели, упомянутой в предыдущем параграфе как трехмерная капля. Последняя, однородная сферическая модель имеет радиус 6333 км, плотность 5142 кг/м и равную массу с большой моделью Земли.  Закрепление модели также осуществляется в ее центре.

Анализ данных таблицы 1 показывает, что многие из решаемых в настоящее время задач при создании М-теории могут найти здесь свое решение. Так, например, здесь четко проявляются одиннадцать и более (16, 26, 35, 52 и т.д) необходимых пространственно-временных измерений и т.п.

Здесь, как и ранее [4, 5], на разномасштабных моделях Земли  ярко проявляется действие масштабного эффекта [3]. Так, «колючие» (по-видимому, взрывные) картинки для большой модели Земли начинают появляться с 252-ой формы колебаний, для средней модели Земли – с 370-ой формы и для малой модели – с 377-ой формы колебаний. Для большой каплеобразной модели таких «колючих» картинок не обнаружено при расчетах до 550-ой формы колебаний за 55 запусков задачи. По-видимому, для их появления на ядрах и оболочках моделей необходимо наличие промежуточной, передающей взаимное воздействие прослойки (мантии) или полей взаимодействия ядер и оболочек. Начиная с 376-ой формы колебаний для более интересных случаев кроме основной общей формы приводятся формы колебаний мантии и/или ядра.

Видим, что модель трехмерной однородной капли не дает такого богатого разнообразия форм собственных колебаний, как отражающие внутреннее строение Земли модели, содержащие ядро, мантию и оболочку.

Напомним также некоторые результаты гармонического анализа и статического расчета разномасштабных моделей Земли при воздействии поперечной силы на экваторе и радиальной гравитационной перегрузки 1g [4, 5]. Получены следующие изменения по частоте (рис. 2), например, напряжений Мизеса (рис. 3) в локальной зоне утонения в экваториальной области, отстоящей по долготе от поперечной силы на 90 градусов. Эти результаты также показывают проявление масштабного эффекта на большеразмерной модели нашей планеты.

Рисунок 2. Изменение по частоте напряжений Мизеса для малой (а), средней (б) и большой (в) моделей Земли при гармоническом нагружении поперечной силой, вращении и радиальной перегрузке 1g

Рисунок 3. Распределение напряжений Мизеса (Па) в малой модели на частоте 28 Гц (а), в средней модели на частоте 0.028 Гц (б) и в большой модели на частоте 0.00003 Гц (в)  при гармоническом нагружении поперечной силой, вращении и радиальной перегрузке 1g

Таким образом, в данной работе сделан краткий обзор этапов создания теории суперструн в качестве единой физической М-теории, и предлагаются к рассмотрению для этих целей также результаты модального и гармонического анализов разномасштабных моделей нашей планеты Земля. Видно, что именно с помощью анализа собственных частот колебаний и резонансных явлений для моделей, отражающих внутреннее строение Земли (а не однородных каплеобразных), можно достаточно просто решить многие вопросы, возникающие при создании единой теории физических процессов. Также показано проявление масштабного эффекта при анализе идентичных наборов собственных частот для разномасштабных моделей Земли.

Может быть сама Природа-матушка подсказывает строить единую физическую М-теорию на основе моделей, подобных отражающим строение Земли моделям? При этом параметры составляющих ее структур (ядра, мантии и оболочки) или полей их взаимодействия можно изменять в широчайших пределах [6].

Список литературы

  1. Брайан Грин Элегантная Вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории. Перевод с английского под общим руководством академика РАН С.С.Герштейна, М: Издательство УРСС,  2004, -292с.
  2. М.Каку Введение в теорию суперструн. Пер. с англ. М.: Мир, 1999, -624с.
  3. Сухонос С.И. Масштабный эффект – неразгаданная угроза. М.: Новый центр, 2001, — 68с.
  4. Шабуневич В.И. Динамический масштабный эффект. Примеры применения. LAP LAMBERT Academic Publishing, 2013, — 56с.
  5. Шабуневич В.И. Масштабный эффект в динамике различных объектов. Примеры применения. LAP LAMBERT Academic Publishing, 2013, — 262с.
  6. Шабуневич В.И. Возможные модели единой теории физики.  LAP LAMBERT Academic Publishing, 2014, — 104с.

Таблица 1

Формы собственных колебаний моделей Земли и капли

ВОЗМОЖНЫЕ МОДЕЛИ ЕДИНОЙ ТЕОРИИ ФИЗИКИ
Предлагаются к рассмотрению новые возможные модели единой теории физики в виде разномасштабных моделей, подобных по строению нашей планете Земля, т.е. содержащих ядро, мантию и оболочку. Показана эффективность их применения при объяснении важных физических явлений.
Written by: Шабуневич Виктор Иванович
Published by: БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА
Date Published: 01/03/2017
Edition: euroasia-science.ru_29-30.12.2015_12(21)
Available in: Ebook