Как посчитать энергию пустоты?

Много лет назад, будучи еще школьником, я раздобыл переводную книгу американского физика Джеймса Орира "Популярная физика" и погрузился в ее чтение. И там на стр.133 я нашел вывод формулы потенциальной энергии E = mgh. А так как физику я просто обожал и во многих физических вопросах был достаточно подкован, то сразу заметил некоторую нестыковку в выводе. Через много лет мне удалось выяснить, что ошибку в выводе формулы потенциальной энергии допустил еще великий английский ученый Исаак Ньютон, а Джеймс Орир просто повторил этот ошибочный вывод в своей книге, не слишком вникая в тонкости. В реальности вместо потенциальной энергии существует энергия гравитационного поля (поднимая любой предмет, мы совершаем работу не над предметом, а над гравитационным полем в количестве E = mgh). А вместо кинетической энергии существует энергия физического вакуума (бросая любой камень, мы совершаем работу не над камнем, а над окружающим нас физическим вакуумом в количестве E = mvv/2). Теперь я покажу как можно получить формулы для расчета этих энергий.

Вначале о гравитационной энергии. Мысленно представляем весь объем некоторого космического тела в форме набора концентрических оболочек и будем каждую оболочку удалять в бесконечность, суммируя получаемые количества выполненной работы. Общая работа будет равняться энергии гравитационного поля объекта. В итоге получаем такую формулу

E = а MM/R

где а = — параметр, характеризующий распределение массы внутри объекта, изменяется от 0.6 для однродного распределения (мелкие объекты типа астероидов) до 0.792 для экспоненциального распределения (случай гигантских газовых туманностей с массами в миллиарды раз больше солнечной), M и R —соответственно масса и радиус рассматриваемого объекта. В частности для Земли распределение вещества достаточно хрошо описывается линейной зависимостью, и в этом случае ; = 0.671. А общая энергия гравитационного поля Земли равна 2.5х10(32) дж. Это в несколько миллиардов раз превышает энергию всех известных на сегодня месторождений углеводородного топлива (угля, нефти, газа, сланцев и т. д.). И эту энергию мы уже давно используем для выработки электричества и тепла, только не подозреваем об этом: имеются в виду все гидроэлектростанции, в которых энергия гравполя преобразуется в энергию движущейся воды и затем в электричество.

Для расчета плотности гравитационной энергии (содержание энергии в единице объема) выполним следующий мысленный опыт. Слегка сожмем рассмотренный ранее космический объект, уменьшив его радиус с R1 до R2 и тем самым увеличив энергию поля с E1 до E2. Разность E1 — E2 даст количество гравитационной энергии, содержащейся в тонком сферическом слое, ограниченном радиусами R1 и R2. Разделив эту разность на объем слоя, получим плотность гравитационной энергии

E/V = a MM /(4 G HHHH)

где G - гравитационная постоянная, Н — расстояние от центра объекта до точки, в которой мы хотим узнать содержание гравитационной энергии. Для земной поверхности получается 0.786х10(11) дж/куб.метр. Это примерно в три раза превосходит количество тепла, полученного при сжигании каменного угля средней калорийности. И из этого факта следует вывод, что любая гравитационная электростанция по своим массогабаритным характеристикам должна быть сравнима с тепловой электростанцией на угле. Что в целом подтверждается практикой.

Теперь перейдем к вакуумной энергии. Обратим внимание на тот факт, что гравитационная энергия обратно пропорциональна радиусу и растет с его увеличением. Следовательно, когда звезда сжимается до состояния черной дыры, энергия ее гравитационного поля должна сильно возрастать. Подставляя в формулу гравитационной энергии значения массы и радиуса, характерные для черных дыр, получим

E = a Mcc/2

Но такая формула справедлива только для закона тяготения строго по Ньютону. А для черных дыр зависимость силы тяжести от расстояния более сложная, там в знаменателе появляется еще квадратный корень из единицы минус отношение радиусов. Используя более правильную зависимость, получим

E = Mcc/2

Это полная энергия гравитационного поля черной дыры. А энергия физвакуума должна быть ровно в два раза больше. Почему так? Потому что иначе нарушится закон сохранения энергии. Ведь если звезда сжимается до состояния черной дыры и энергия ее гравитационного поля увеличивается, что-то должно уменьшаться. Что именно? А вот эта самая энергия вакуума. И когда звезда полностью сколлапсирует в черную дыру с энергией поля E = Mcc/2, в самом вакууме должно остаться столько же энергии E = Mcc/2, так как энергия может переходить только от большего потенциала к меньшему, но не наоборот. И тогда полная энергия невозмущенного физического вакуума, в котором любые гравитационные поля отсутствуют, будет выражаться формулой

E = Mcc

Для расчета плотности вакуумной энергии проделаем такой же мысленный опыт, который мы проделали ранее для расчета гравитационной энергии: слегка сожмем черную дыру и разделим энергию внутри сферической оболочки на ее объем. Получится формула

E/V = cccc/ (8 pi G rr)

где pi = 3.14, r —минимально возможный радиус черной дыры без учета процесса ее квантового испарения по Стивену Хокингу. Если в качестве радиуса принимать радиус электрона, тогда получим значение 2.45х10(72) дж/куб.метр. А если для расчета использовать Планковскую длину, то получится 1.2х10(112) дж/куб.метр. Для сравнения приведу такие цифры: когда взрывается сверхновая звезда, выделяется энергия всего 10(53);10(54) дж, что в миллиард миллиардов раз меньше даже для первого случая электронного радиуса, а по сравнению со вторым случаем Планковской длины это вообще несопоставимый минимум. И настолько огромные энергии таятся в одном кубометре окружающего нас пространства. Если суметь эту энергию извлекать и преобразовывать в электричество и тепло, ее хватит на триллионы и триллионы лет. А сколько таких кубометров находится на поверхности нашей планеты?

Формула, описывающая энергию физического вакуума в самом общем виде, заставляет сделать очень важные выводы. Прежде всего необходимо изменить физический смысл этой самой знаменитой формулы мира E = Mcc. Она показывает вовсе не эквивалентность между массой и энергией, о чем написано во всех учебниках и справочниках. Физический смысл этой формулы оказался точно такой же, как у всех формул, описывающих процессы фазовых изменений Q = m di: испарения, конденсации, кристаллизации, плавления и т. д. Вещество получается из физического вакуума точно также, как получается, к примеру, пар из кипящей воды: чтобы получить вещество (пар) из физического вакуума (воды) в количестве m, нужно передать вакууму (воде) энергию в количестве E = mcc(Q = m di).

А эквивалентности между массой и энергией быть не может. Энергия — это всего лишь характеристика, не имеющая материального воплощения. Примерно как плотность. Вот как по-вашему, существует ли в реальности такая вещь как плотность? Если существует, тогда какие у плотности размеры, каков цвет, как она пахнет, поглощает ли она радиацию и т. д.? Глупые вопросы, верно? Плотность — всего лишь характеристика, придуманная нами для описания некоторых свойств разных вещей. С энергией ситуация точно такая же. Энергия — это тоже всего лишь характеристика, придуманная нами для описания некоторых свойств разных вещей и предметов. И потому переходить в массу энергия никак не может.

Наверное, многим читателям известен такой феномен из физики элементарных частиц, как увеличение массы частицы с увеличением ее скорости, что вроде бы наблюдается постоянно при ускорении частиц в разных циклотронах и фазотронах. Когда я пришел к выводу об отсутствии эквивалентности между массой и энергией, пришлось влезать и в эту проблему. И результат получился просто удивительный: оказывается, этот эффект увеличения массы со скоростью не следует ни из теории, ни из экспериментов.

В теории относительности есть формула увеличения кинетической энергии частицы, у которой в знаменателе стоит квадратный корень из единицы минус квадраты скоростей. Сия формула получается очень строго без всяких натяжек и ошибок, к ней никаких претензий у меня нет. Но далее, как мне кажется, Эйнштейном была допущена ошибка. Он посчитал, будто энергия частицы с увеличением ее скорости до околосветовых значений растет так сильно по той причине, что растет масса. Но это совсем не обязательно. Если отбрасывать эфир, что и сделал Эйнштейн при создании СТО, тогда сделанный им вывод напрашивается сам собой, так как иных альтернатив не прослеживается. Но если мы принимаем гипотезу светоносного эфира (а он существует, мы из него уже научились энергию получать), тогда этой формуле можно дать иное толкование: растет не масса частицы с увеличением ее скорости, а сопротивление эфира. Чтобы решить, какая альтернатива верна, нужно измерить массу ускоряемой частицы напрямую, а не через энергию. Но таких экспериментов и измерений до сих пор никто не проделал. Во всех ускорителях измеряют именно энергию, а затем увеличенные затраты энергии перебрасывают на массу по формуле E = Mcс и говорят об увеличении массы.

Знаком такой термин "темная энергия"? Это разновидность и частный случай энергии вакуума. При отсутствии во Вселенной любых масс в виде планет, звезд и галактик физический вакуум будет распределяться по пространству равномерно. Но наличие вещества и порождаемого им гравитационного поля нарушает равномерное распределение. Появляются некоторые флуктуации физвакуума: где-то его оказывается больше, где-то меньше. И эти флуктуации вакуумной энергии мы воспринимаем в виде темной энергии.

И последнее, что я хотел бы затронуть в данной статье, это феномен превышения массы составляющих над массой единого целого. Данный феномен появился после того, как физики стали работать с кварками. Сегодня считается, что любая тяжелая элементарная частица (нейтрон или протон) состоят из нескольких кварков. При этом общая масса кварков намного превышает массу той частицы, которую они составляют. Физики вынуждены принять эту нелепицу, так как иного выхода у них нет. Но если принять гипотезу существования физвакуума/эфира с его гигантской энергией и новую трактовку физического смысла формулы E = Mcс, тогда появляется очень простая и логичная альтернатива: реальные массы кварков намного меньше того, что следует из экспериментов, а сами эксперименты дают не массы кварков, а затраты энергии на выбивание кварков из физического вакуума. Но опять же, массы кварков необходимо измерять напрямую, а не через энергию, иначе снова будут сделаны неверные выводы. Вот только вряд ли кто-то будет это делать, потому что слишком уж велика инерция мышления.