Фридман и протон

   Если бы российскому математику Александру Фридману (1888-1925 гг.) при жизни сообщили о том, что одно из его нестатических решений уравнений Общей теории относительности (ОТО) касается не только динамики материи Вселенной, но и частицы протон, то он сильно бы удивился! Для ясности картины мне придётся вернуться на 43 года назад, в осенние дни 1983 года, когда я вышел на финишную прямую в понимании природы частицы протон, как колебательной динамики «дыхания вакуума». А путь начался в январе 1983 года, когда я решил найти приемлемую модель частицы протон, так как интуитивно сознавал, что природу гравитации можно понять и объяснить только через понимание природы частицы протон. Чем больше протонов в теле – тем больше гравитационный потенциал тела, тем больше напряжённость гравитационного поля вокруг тела. И этот путь оказался верным!   

   В 1922 году, в августовском номере немецкого журнала «Вестник физики», была опубликована статья А. Фридмана «О кривизне пространства», в которой делались критические замечания по поводу Общей теории относительности А. Эйнштейна. Автор утверждал, что «одних только космологических уравнений Эйнштейна, без дополнительных предположений, вовсе недостаточно для того, чтобы сделать вывод о конечности или бесконечности Вселенной». Фридман нашел нестатические решения уравнения ОТО, в частности, пульсирующая Вселенная, где радиус Вселенной периодически сжимается и расширяется. Статья сразу же привлекла внимание Эйнштейна; он не мог предположить, что удар придёт с неожиданной стороны, и такой болезненный. В ответ Эйнштейн заявил, что Вселенная – статична, она не может расширяться, а тем более – «дышать»! Эйнштейн не ограничивался одним ответом-несогласием. И тот же журнал получил ещё один вариант мнения Эйнштейна, подтверждающего его категорическое несогласие с утверждением Фридмана: «Результаты относительно нестационарного мира, содержащиеся в работе Фридмана, представляются мне подозрительными!». Ознакомившись с заметкой-ответом, Фридман направил личное письмо автору теории относительности. Он продолжал вежливо, но настойчиво отстаивать свою точку зрения на «кривизну мира», изменяющегося во времени, предлагая ознакомиться с произведёнными им расчётами для проверки и их критической оценки. Научный спор был завершён второй заметкой Эйнштейна в том же немецком журнале. Автор ОТО писал: «В предыдущей заметке я подверг критике вышеназванную работу. Однако моя критика, как я убедился из письма г-на Фридмана... основывалась на ошибке в вычислениях. Я считаю результаты г-на Фридмана правильными и проливающими новый свет».
 
  Работу над ОТО А. Эйнштейн начал в 1907 году. За основу бралось уравнение Пуассона, связывающую плотность материи с величиной гравитационного потенциала. Но Эйнштейн пошел дальше, он вознамерился создать теорию, которая описывала бы не только одно массивное тело с его грав. полем, но все массивные тела Вселенной в связке. Но для этого надо знать плотность распределения материи во Вселенной. Наблюдения астрономов на начало 20-го века говорили о том, что плотность материи по всем направлениям примерно одинакова. Но это не было точно установленным научным фактом. Теория Ньютона говорила о том, что такое равномерное распределение масс во Вселенной не может быть статичным. Подобный взгляд входил в противоречие с законом Гаусса и с уравнением Пуассона. Если бы распределение масс во Вселенной было бы статичным, то гравитационное ускорение было бы равно нулю, а значит, градиент потенциала – нулевой, т. е. потенциал был бы константой, что несовместимо с уравнением Пуассона. Даже если бы удалось теоретически обеспечить статичность равномерного распределения масс, небольшое возмущение могло бы нарушить равновесие и привести к коллапсу Вселенной.

  Эйнштейн и другие учёные тогда понимали, что возможные сценарии развития ситуации зависят от соотношения плотности материи и энергии во Вселенной. Если плотность материи Вселенной больше критической, то гравитационные силы со временем остановят расширение, и она начнёт сжиматься. Если плотность материи меньше критической, то гравитационного притяжения будет недостаточно, чтобы остановить расширение, и Вселенная будет продолжать расширяться. Существует также вариант, при котором скорость расширения достаточна лишь для того, чтобы предотвратить обратное сжатие; в этом случае расстояние между галактиками постоянно растёт, но скорость разбегания галактик всё время уменьшается, не достигая нуля.

   Пытаясь сретушировать эти очевидные проблемы, А. Эйнштейн ввёл в своё основное уравнение ОТО космологическую постоянную, лямбда-член, чтобы сохранить наблюдаемую статичность Вселенной, чему и сам был не рад. И эта картина мирно существовала до 1922 года, до публикации А. Фридманом в немецком журнале «Вестник физики» статьи «О кривизне пространства». Одним из решений Фридмана и была пульсирующая Вселенная, где радиус Вселенной периодически менялся, расширялся и схлопывался до  нуля. Благодаря А. Фридману, а позднее – Жоржу Леметру (1894-1966 г.), Общая теория относительности показала, что пространство не является пассивным. Оно может искривляться, растягиваться, сжиматься, взаимодействовать с материей и энергией. Пространство стало динамическим объектом! 

   Эта история с созданием и развитием ОТО была к 1983 году уже общим местом, о чём написаны десятки, сотни книг. Приступая в январе 1983 года к поиску приемлемой модели частицы протон, я имел общее представление по теме теории относительности. Так что на подобной теме особо не концентрировался.  Если судить по выпискам из прочитанного первых месяцев 1983 года, то движение в науке я начал с вопросов, касающихся  мира атомов, элементарных частиц и полей. Вступая в науку, я всё-таки имел общие представления об основных разделах физики. Если с теорией относительности, как законченной, цельной теоретической конструкцией, была какая-то ясность, то о теории элементарных частиц этого сказать было нельзя. Мои регулярные визиты в читальный зал областной библиотеки, журнальные знакомства с последними научными изысканиями физиков-экспериментаторов давали обильную пищу для размышлений. Поиски учёными «действительно элементарных» частиц на основе кварковых моделей приводили к невероятному результату: количество «элементарных» частиц росло год от года и перевалило за несколько сотен. Увеличивая на ускорителях энергию  сталкивающихся протонных пучков, увеличивалось количество частиц-резонансов, чудовищно возрастали их «массы».

   Законченной теории элементарных частиц не было и нет до сих пор. Тем-то она и привлекательна, заманчива возможностью научных спекуляций, изобретения и  измышления гипотез. Так что ничего удивительного, что свой первый взор я обратил  именно на эту тему. Тем более, привлекательность этой темы увеличивала не созданная ещё единая теория поля. Последние сорок лет жизни Эйнштейн посвятил  единой теории, однако довольно безуспешно. Соединить в единой теории элементарные частицы и поля – предел мечтаний физика-теоретика.

   Главная исходная идея моих рассуждений была удивительно проста: протон – не ничтожно малая твёрдая  крупица материи, несущая электрический заряд, а протон – это динамический процесс в материальной  среде, особого рода незатухающее (или медленно затухающее) колебание. Эта мысль казалась мне совершенно естественной. Стоя на позициях диалектического материализма, только таким путём можно  понять  и  объяснить неисчерпаемость  элементарной  частицы,  множественность  рождения в реакциях столкновения резонансов, сложность понимания явлений на микроуровне. Кварковая гипотеза представлялась мне тогда довольно искусственной, привнесённой извне, не способной дать простые и ясные ответы. Взгляд же на частицу, как колебательный процесс, ставил сразу два важных вопроса: о материальной среде и о роде колебания.

   Впервые идея о частице материи, протоне, как неком колебании, пришла мне в голову уже в феврале 1983 года. Это была счастливая мысль, она стала моей путеводной звездой, моим маяком, направляющим движение поиска. Приведу здесь её в том первозданном виде: 
   «К вопросу о множественности элементарных частиц. Понять причину обилия известных на  сегодняшний  день   элементарных   частиц   поможет  один  несложный  опыт.
   В абсолютно тёмной комнате имеется  колеблющийся  маятник. Допустим, колебания его незатухающие. Будем через равные промежутки времени, соответствующие частоте колебания маятника, освещать комнату светом на долю секунды, в течение которой мы смогли бы успеть зафиксировать положение маятника. В итоге получим, что при каждой вспышке света маятник занимает одинаковое положение, соответствующее, допустим, точке А на синусоиде. Увеличим частоту освещения ровно в два раза. В результате мы обнаружим новое, противоположное первому, положение маятника, что на синусоиде соответствует точке А1. Теперь прекратим освещение на некоторое  время, и вновь начнём опыт. Понятно, что положение маятника во время первой  вспышки света будет определяться случайностью, допустим, в точке В. Увеличив  также частоту освещения в два раза, мы получим новое положение маятника в точке В1. 
   Изменяя  частоту освещения, частоту колебания  маятника, нарушая  периодичность, увеличивая  или  уменьшая  длину маятника,  мы получим бесконечное множество фиксированных точек.
   Подобную колеблющуюся природу имеет и атом, и потому количество извлекаемых  элементарных частиц, при условии, если все атомы от наилегчайшего водорода и до трансурановых будут использованы, будет стремиться к бесконечности».

   Обратите внимание, тогда я допустил очень странное предположение, что тяжелые  трансурановые  атомы  подобны по своей колебательной природе протону, атому водорода, только с амплитудами колебания в девяносто, в сто раз превосходящими атом водорода. Хотя я знал, что атом – сложное образование, состоящее из ядра (протоны и нейтроны) и электронных оболочек. Но я умышленно сделал такое  упрощение в надежде на то, что последующее развитие идеи выведет меня к существующим воззрениям.

   А дальше были месяцы трудного поиска, с заблуждениями, с тупиками, с кризисами. Приходилось много и вдумчиво читать, анализировать прочитанное. Размышления не оставляли меня во время моей непосредственной работы на междугородной телефонной станции. Было ясно, что частица протон – волна, устойчивое колебание. Но непонятно – какой формы и в какой среде происходит это колебание. К осени 1983 года мне всё же пришлось обратиться к теме теории относительности, к идеям геометризации физики, кривизны пространства. Всё моё внимание сосредоточилось именно на понятии «кривизна пространства».   

   Оказалось, что мы легко может представить себе кривизну одномерного и двухмерного пространства (нить, плоскость), деформируя его внешней силой, пальцем или рукой. Но как представить кривизну трёхмерного пространства (объём), находясь в нём?! Ведь это невозможно! Нам нужно перейти как-то в четырёхмерное пространство, и тогда, возможно, это станет осуществимым. Но в реальности четырёхмерного пространства нет. Четырёхмерное пространство-время теории относительности – это математическое пространство, не реальное! Я пошел по простому пути аналогий. Если представить одномерное пространство как цепочку связанных осцилляторов, длинную цепочку грузиков, соединённых пружинками, то кривизну этого одномерного пространства представить просто: оттянув рукой цепочку  вниз или вверх. Расстояние между грузиками в месте прогиба изменится, увеличится. Прекратив действие силы, начнётся сложное составное колебание: и самой цепочки, и соседних грузиков относительно друг друга. Т. е. результатом кривизны одномерного пространства было изменение плотности грузиков и создание давления в некотором звене с последующим колебанием грузиков! Можно было и не кривить пространство, а просто изменить симметрично плотность грузиков, свести их ближе или развести их дальше друг от друга, создавая давление! Так можно сделать и с двухмерной плоскостью связанных осцилляторов, где «кривизна» будет тождественна радиальному смещению грузиков к некому центру или от центра, иначе, локальному изменению плотности грузиков и созданию давления! Но тогда нам ничего не мешает представить «кривизну» и трёхмерного пространства таким же образом! В трёхмерном пространстве связанных осцилляторов нужно радиально и симметрично сжать или развести грузики системы. Когда сила прекратит деформирующее действие, здесь начнётся радиальный колебательный процесс с рождением сферических волн такой же природы. Коротко говоря, я получил представление о «кривизне» трёхмерного пространства, но ценой отказа от самого понятия «кривизна»! На поверку мы имеем дело лишь с изменениями и колебаниями плотности точек-элементов пространства, а в целом – с радиальными, продольными колебаниями! Частица протон – это и есть подобное радиальное колебание плотности и давлений элементов среды физ. вакуума, которое позднее (2000 г.) назову колебательной динамикой «дыхания вакуума»! Подобное открытие случилось 22 ноября 1983 года. Уже тогда я вполне осознавал его значимость.      
 
  Конечно, открытие природы протона, как колебания плотности и давлений, у меня сразу связалось с идеями А. А. Фридмана об осциллирующей Вселенной, где плотность материи под действием давления периодически сжимается и растягивается по радиусу. Растягиваться и сжиматься может только то, что имеет структуру, структуру из упорядоченных элементов, вроде системы связанных осцилляторов! А растягивание и сжимание элементов структуры материальной среды в единой связанной динамике – это колебание плотности! И тут вопрос встал об амплитудах подобных радиальных колебаниях плотности. Ведь никаких ограничений тут нет, амплитуды (энергии) могут иметь во Вселенной огромный спектр! Понятно, что максимум амплитуды – в центре Вселенной, в первочастице, в первоатоме, как говорил об этом Жорж Леметр в 1927 году. В этом году Леметр опубликовал работу «Однородная Вселенная постоянной массы и возрастающего радиуса, объясняющая радиальные скорости внегалактических туманностей». В ней он впервые истолковал разбегание галактик как следствие расширения самого пространства. Но дело в том, что массой Вселенной является масса самой среды физ. вакуума, масса физического пространства, и она неизменна, как и неизменна колоссальная энергия давления среды физ. вакуума, обусловленная динамикой и взаимодействием её элементов! А то, что мы принимаем за вещественную, атомарную (протонную) массу, – это динамика, энергия среды физ. вакуума! Именно в этом находят объяснение так называемые тёмная энергии и тёмная материя! К слову сказать, в 1984 году у меня родился образ символического изображения Вселенной: окружность, в которую вписана нисходящая по амплитуде винтовая спираль. На самом деле, это шар Вселенной, где нисходящая винтовая спираль – это уменьшающиеся с радиусов амплитуды колебаний частицы протон. Конечно, это очень условное изображение Вселенной.    

   Бесконечна ли Вселенная в своих размерах? В материальном мире прямолинейных бесконечностей нет, как, впрочем, и других линейных бесконечностей (линейные бесконечности – только в математике, как абстракции). Вот в этом смысле – Вселенная не бесконечна. В материальном мире есть только замкнутые, кольцевые бесконечности. Вот в этом смысле Вселенную можно назвать бесконечной. Будучи замкнуто бесконечной, Вселенная ограничена в своих размерах. Это – закрытая система, где только и возможно соблюдение законов сохранения энергии и импульса. Ограниченность размеров Вселенной, её замкнутость и позволяет поддерживать колоссальную энергию давления среды физ. вакуума. Что касается структуры среды физ. вакуума, то, повторяюсь, это трёхмерная система связанных осцилляторов, имеющих массу, и взаимодействующих между собой упругим образом. Элементы-осцилляторы среды физ. вакуума не имеют т. н. зарядов и полей в привычном смысле. Это «масштабные точки», взаимодействующие, как связанные осцилляторы, или как кварки в частице протон. В среде физ. вакуума, имеющей огромную энергию давление и плотность, многочастичные атомные ядра и тела создаются не как инородные среде образования, а в результате эволюции форм движения и энергий этой среды. Так что абсолютно покоящихся тел и звёзд во Вселенной нет и быть не может! Они рождаются из динамики среды и существуют в постоянной динамике. Одним из важнейших моментов такой модели протона и подобной колебательной динамики «дыхания вакуума» стал тезис: суммарная энергия Вселенной равна нулю! «Интерференция» сжатия и расширения «дыхания вакуума» в сумме дают нуль!             

   И ещё. В контексте этого опуса хотелось бы обратить внимание на теорию с названием «Квадратичная гравитация». В 70-е годы прошлого века молодой учёный Келлог Стелле метрическую кривизну пространства-времени в уравнении ОТО А. Эйнштейна сделал квадратичной, отчего стал здесь доступен приём перенормировки, убирающий в решениях бесконечности. На самом деле, внеся квадратичность в метрику кривизны, Стелле убрал статичность этой метрики кривизны и внёс динамику нелинейного колебательного, циклического, осциллирующего рода! Квадратичность тут означает то, что в дифференциальном уравнении, определяющем динамику системы, присутствует нелинейный член, пропорциональный квадрату амплитуды колебаний или другой степени переменной, связанной с колебательным процессом. Гравитационное поле вокруг массивного тела создаётся волновыми полями всех без исключения протонов тела! Т. е. протоны тела со своими волновыми полями – сплошная математическая квадратичность в их продольной колебательной динамике, где как бы есть движение вперёд во времени и назад во времени, иначе, «положительная» энергия и «отрицательная» энергия! Теория Келлога Стелле была верным шагом в верном направлении! Но её тогда испугались из-за радикальности приёма квадратичности, динамизации кривизны…

   В заключение повторю. Первоначально в Общей теории относительности А. Эйнштейна не было никаких растяжений и сжиманий пространства Вселенной. Но российский математик А. А. Фридман в 1922 году показал, что уравнения ОТО допускают нестатические решения, в частности, пульсирующая («дышащая») Вселенная, где радиус Вселенной периодически сжимается и расширяется. Я же полагаю, что Фридман открыл не только динамику радиуса Вселенной, но и динамику частицы протон, колебаний плотности и давлений, но не знал об этом! Почему это сделал именно Фридман? Кроме того, что он один из первых в России, вместе с В. К. Фредериксом, стал пропагандистом теории относительности А. Эйнштейна, Фридман по профессии был метеоролог, одним из создателей динамической метеорологии. Метеорология имеет дело с давлениями и плотностями воздушных масс. Эти параметры являются ключевыми физическими характеристиками воздуха в метеорологии. Движения воздушных масс (ветра) обусловлены разностью давлений и плотностей атмосферы Земли. Эти разности создаются неравномерностью прогревания Земли Солнцем и другими причинами. Так что тема отношений давлений и плотностей материальных сред, причины их динамик, была близка Фридману, как никому!

   За два года до смерти А. А. Фридман написал книгу «Мир как пространство и время». Книга состоит из трёх глав: «Пространство», «Время и мир», «Тяготение и материя». Не Фридман первым соединил в один континуум пространство и время. Это сделали до него. Но Фридман с воодушевлением и энтузиазмом воспринял идеи теории относительности, потому что они как бы сдвигали мир с мёртвой точки, показывали мир в постоянном движении, в динамике, в изменении. Такой новый взгляд на физический мир невольно переносился и на мир людей, на общество, где тоже жили ожиданиями перемен, движения к лучшему, светлому! Соединение в один континуум пространства и времени означает утверждение в материальном мире примата скорости (отношение пространства ко времени), движения. Т. е. сами элементы, точки физического пространства, наделили материальностью и способностью двигаться, изменять геометрическое положение. Но точки пространства для инерционного колебательного движения и взаимодействия должны получить импульс. Кто дал этот первый импульс точкам физического пространства – остаётся пока за чертой нашего знания…