Чему равен полный электрический заряд вселенной

Принцип единства Вселенной

Здравый смысл говорит нам, что из ничего невозможно создать ничего. Однако законы природы не всегда опираются на здравый смысл человека. Открывая законы природы, человек сначала очень удивляется, так как встречается с тем, чего не ожидал, что противоречит его убеждениям. Затем он привыкает к этому и принимает как само собой разумеющееся (очень ярко это наблюдалось в связи с квантовой теорией — по мере того, как в физику приходили молодые незакомплексованные умы, которые принимали квантовые парадоксы, как само собой разумеющееся, разрешался и кризис неприятия новых взглядов на мир). То есть границы здравого смысла человека достаточно динамичны. Так произошло, например, с законом сохранения энергии. Сейчас он ни у кого не вызывает сомнения. Но были и другие времена. Более того, до сих пор масса добровольных изобретателей вечного двигателя не может смириться с этим законом. Но природу не обманешь, существует ряд принципиальных ограничений, через которые перешагивать невозможно.

Согласно современным представлениям принципы сохранения лежат в самом фундаменте мироздания. Как же могла Вселенная нарушить эти принципы, возникнув из ничего? Оказывается, парадокс существует только по отношению к здравому смыслу человека, но не по отношению к принципам сохранения. Действительно, было исходное состояние, когда ничего не было. И до сих пор суммарный эффект всех явлений Вселенной равен нулю. В целом Вселенная до сих пор является абсолютным «ничто».

Имеется масса подтверждений этому. Так ни у кого не вызывает серьезных сомнений тот факт, что суммарный электрический заряд Вселенной равен нулю. То есть, не смотря на грандиозность размеров Вселенной, мы убеждены, что количество отрицательных зарядов в точности равно количеству положительных. Мы уже знаем, что электрические заряды всегда рождаются в паре, так что суммарный заряд рожденной пары равен нулю. Это потом новорожденные заряды разлетаются по пространству, участвуя в совершено разных явлениях. По отношению ко всей Вселенной с рождением пары зарядов вряд ли что-то меняется. И если уж возникают какие-то изменения, то они в точности компенсируются изменениями другого знака, так что в итоге состояние Вселенной остается прежним.

Суммарная энергия Вселенной похоже также равна нулю: отрицательная энергия притяжения (сближения) может полностью уравновешиваться положительной энергией отталкивания (разбегания). Именно здесь, вероятно, следует искать природу некоторых сил. Например, силы гравитации, проявляющиеся в локальном притяжении массивных тел друг к другу, по-видимому, совершенно точно уравновешиваются фактом разбегания галактик в процессе расширения Вселенной.

Массивность (инерционность) физических тел также не является принадлежностью этих тел, а обусловлена фактом притяжения этих тел со стороны всей Вселенной. Это утверждение называется принципом Маха, который хотя и не доказан, но многие авторитетные ученые склоняются в пользу его справедливости. Попытка изменить положение тела по отношению к Вселенной вызывает с ее стороны ответную реакцию в форме силы инерции, препятствующей данному изменению. Принцип Маха можно распространить не только на массивность тел, но и на другие их параметры. То есть любое проявление, которое мы наблюдаем в данном физическом теле, обусловлено фактом принадлежности этого тела Вселенной и взаимодействием с ней. Значит, если физическое тело каким-то фантастическим образом вынести за пределы Вселенной, то оно просто перестанет существовать, так как исчезнут все его свойства (массивность, протяженность, внутренние взаимодействия и т.п.).

Можно бесконечно приводить примеры полной взаимоуравновешенности явлений и процессов во Вселенной. Все они приводят к утверждению, которое можно сформулировать в виде гипотезы: все явления и процессы во Вселенной взаимоуравновешены так, что по любому проявлению в целом Вселенная равна нулю так же, как и до ее возникновения (принцип абсолютного нуля).

Это объясняет принцип дополнительности, который в более широкой формулировке звучит следующим образом: любое явление может рождаться и существовать в физической реальности только в паре со своей противоположностью (отрицанием). Благодаря наличию во Вселенной феноменов пространства и времени, несмотря на взаимоуравновешенность всех явлений, противоположности могут быть разделены либо в пространстве, либо во времени, что препятствует их полной аннигиляции и приводит к существованию локальных неоднородностей и в конечном итоге всего актуального мира (реальности).

Неоднородности могут быть реализованы либо в статике, либо в динамике. Пример статического равновесия: равенство положительного и отрицательного заряда Вселенной. Локальные статические неоднородности возможны благодаря наличию во Вселенной феномена пространства. Пример динамического равновесия: равенство напряжения и противо-ЭДС при замыкании рубильника в цепи с индуктивностью:
где L — индуктивность, q — электрический заряд. Существование подобных явлений возможно благодаря наличию во Вселенной феномена времени.

Подтверждением сказанному может служит также один из наиболее фундаментальных законов, известный как принцип Ле Шателье — Брауна: на любое изменение Вселенная откликается возникновением процессов, тормозящих данное изменение. То есть любое изменение порождает динамическую составляющую (пропорциональную второй производной по времени от данного изменения), которая уравновешивает собой сам факт изменения, вызывая процессы, направленные на сдерживание данного изменения. В случае с индуктивностью, при замыкании цепи возникает движение (изменение) электрического заряда q, что порождает силу инерции Е, которая тормозит движение заряда.

Частным случаем этого принципа является общеизвестный в физике принцип Ленца: любое изменение магнитного поля вызывает в проводящей среде вихревые токи (токи Фуко), которые своим магнитным полем препятствуют причине, их вызывающей. Вообще, любое проявление инерционности в природе (в том числе и массивности физических тел) есть следствие принципа Ле Шателье-Брауна. В электромагнитных явлениях мы достаточно хорошо представляем себе механику действия этого принципа, в других случаях механизмы нам бывают неизвестны, но, тем не менее, этот принцип работает всегда.

Все сказанное дает возможность сформулировать еще один наиболее фундаментальный закон, который лежит, по-видимому, в основе действия принципа Ле Шателье-Брауна и носит название принципа единства Вселенной: во Вселенной все взаимосвязано, любое явление влияет на весь мир и само испытывает влияние от всех явлений Вселенной.

Все объекты Вселенной в определенном аспекте не имеют свойства конечности и одновременно заполняют собой всю Вселенную, то есть взаимопогружены друг в друга. Подтверждением этому является квантово-механическая модель элементарных частиц, заполняющих собой всю Вселенную в виде «облаков вероятностей». Поэтому любое изменение, происшедшее в одном конце Вселенной, отражается на всех других явлениях, как бы далеко они не отстояли от данного события в пространственно-временном континууме Вселенной.

В этом и состоит основа холизма Вселенной, то есть ее целостность. Это приводит к тому, что некоторые проявления Вселенной невозможно разложить на составляющие. Их можно объяснить только как результат воздействия на конкретные явления всей Вселенной как единого целого. Если этому воздействию подвергается человек, то есть мыслящее существо, то у него может возникнуть ощущение общения с высшей сущностью — Богом. Это ощущение усиливается, когда человек убеждается, что целостный фактор Вселенной обладает качеством, аналогичным человеческому разуму. Это происходит благодаря господству во Вселенной принципа оптимальности, который является прямым следствием принципа единства Вселенной и принципа дополнительности. Именно эволюция форм проявления принципа оптимальности породила в конечном итоге человеческий разум. Вселенной же в целом он присущ изначально.

Источник

Чему равен полный электрический заряд вселенной

В работе обосновывается гипотеза о пространственном разделении электрических зарядов в космологических масштабах. По причине большой разницы масс протонов и электронов как единственных стабильных противоположно заряженных частиц происходит преимущественная конденсация массивными телами заряда одного знака и рассеяние в пространстве Вселенной заряда противоположного знака. Обсуждаются следствия такой асимметрии.

I . Электрический заряд в бинарной системе

Зададимся вопросом: какой электрический заряд приобретут различные космические объекты в одинаковых внешних условиях? Вначале построим и проанализируем с этой целью некоторые вполне допустимые бинарные звёздные системы. Во всех случаях одной из компонент выберем обычную звезду солнечного типа, а вторым – разные тела: планеты и звёзды в конечной стадии эволюции. Расстояние между звездой и вторым объектом – 1 а.е. Нас будет интересовать взаимодействие второй компоненты с плазменной составляющей звёздного ветра, генерируемого обычной звездой.

Условием постоянства электрического заряда объекта является захват из потока звёздного ветра одинаковых количеств электронов и протонов в каждую единицу времени. То есть, должны быть одинаковыми объёмы пространства, из которых поступают эти частицы за 1 секунду. Здесь предполагается, что звёздный ветер в среднем электрически нейтрален и концентрации протонов и электронов плазмы одинаковы.

Обозначим v _e , v _p – скорости электронов и протонов соответственно ( v _e , v _p m _e , m _p – их массы. Объём, из которого на поверхность объекта поступают электроны (рис. 1), равен: , где – длина пробега электрона в 1 секунду на расстоянии орбиты второй компоненты; σ_е – сечение захвата электронов нерелятивистскими гравитационным и электрическим полями объекта. Сечение захвата электрона силой гравитационного притяжения нейтральным телом массы М и радиуса R согласно [1] равно:

……………………………………( I . 1)

В предположении, что объект в потоке звёздного ветра приобретает положительный заряд, выражение для сечения захвата электрона можно преобразовать к виду:

Аналогичный вид, с точностью до знака кулоновской составляющей взаимодействия, имеет выражение для сечения захвата протона. Из условия равенства объёмов получаем:

…………………. ( I . 2)

Взяв средние значения температур протонов и электронов солнечного ветра [2, 3] на орбите Земли (1 а.е.) и вычислив их скорости, получим численное значение заряда второй компоненты, который она приобрела бы собственным гравитационным и электрическим полями, не будь иных факторов воздействия. Например, фотоэффект для Луны, который при наличии отрицательного электрического поля существенно снижает величину заряда. У Земли довольно сильное магнитное поле. У белых карликов – остаточная активность после выработки топливного ресурса, и опять-таки его магнитное поле. И так далее. Что же касается иных звёздных объектов, то в контексте обсуждаемой темы уместно было бы говорить об их конечных неактивных стадиях. Однако Вселенная пока слишком молода для этого. Например, белые карлики, выработавшие своё водородное топливо, ещё не успели остыть до состояния чёрного карлика.

Результаты расчётов приведены в таблице 1.

Вторая компонента

Масса (М_С)

Масса (кг)

Радиус (м)

Заряд (Кл)

7,35·10 22

1,737·10 6

5,976·10 24

1,902·10 27

71350000

Коричневый карлик

0,0767(верхний предел)

Красный карлик

0,1 (верхний предел)

1,99·10 29

Белый карлик

1,4 (верхний предел)

Нейтронная звезда*)

3 (верхний предел)

5,97·10 30

Черная дыра*)

2,5 (нижний предел)

4,98·10 30

*) Рассчитано по формуле ( I . 2).

В релятивистском гравитационном поле чёрной дыры (ЧД) согласно [1] “…захват происходит эффективно так же, как в ньютоновской теории с центральным телом радиуса R = 4 r _g ”, то есть для сильного центрально-симметричного поля сечение захвата

…………………………………( I . 3)

Расчёт, аналогичный выполненному выше (и с электрическим полем, взятым в кулоновском приближении), даёт результат:

………………( I . 4)

Численное значение заряда ( I . 4) с той же величиной массы ЧД равно +12,46 Кл и очень мало (

Можно ожидать, что чёрные дыры являются наиболее эффективными центрами конденсации положительного заряда. Однако, по всей видимости, невращающихся чёрных дыр, обладающих центральносимметричным полем Шварцшильда, в природе не существует. Поэтому равенство ( I .4) следует рассматривать лишь как качественный результат. Для более точного приближения необходимо использовать решение Керра-Ньюмена.

Отметим особо. Как видно из табл.1, электрический заряд космических объектов зависит от соотношения масса-размер, а у субзвёздных и звёздных масс является положительным и по модулю на 1-2 порядка превосходит отрицательный заряд объектов типа планет и планетоидов.

II . Электрический заряд одиночных тел

Если для компонент бинарных систем основным зарядообразующим фактором является звёздный ветер, то для одиночных “мёртвых” тел – аккреция межзвёздной плазмы. При этом влияние электромагнитной составляющей вдали от активных звёзд (фотоэффект) невелико. Нетрудно показать, что аккреция вещества из параллельного потока (как в случае звёздного ветра) и изотропная аккреция на одиночное тело межзвёздной плазмы абсолютно идентичны при прочих равных условиях. Т.е. при одинаковых параметрах тела и среды. Различаются они лишь временными масштабами. Поэтому все предыдущие рассуждения справедливы для одиночных тел.

В Галактике существует великое множество разнообразных условий, где объекты могут приобретать разные по величине электрические заряды. Более того, один и тот же объект может менять величину заряда при смене внешних условий. Например, объекта может достичь расширяющееся облако взрыва близкой сверхновой. Объект в своём движении может пересечь компактное газопылевое облако или интенсивное магнитное поле. Многие области различаются своими параметрами: термодинамически равновесными, частично или полностью неравновесными. И т.п. Кроме того, космическая плазма не чисто водородная, помимо протонов она содержит также α-частицы и ионы более тяжёлых элементов. Это означает, что положительный электрический заряд массивных космических объектов может быть выше, чем рассчитанный из чисто водородной (протонной) составляющей. И так далее. Поэтому однозначно вычислить заряд однотипных объектов, исходя лишь из присущих им самим параметров, невозможно. В каждом конкретном случае необходимо исходить из состояния окружающей среды.

Об электрическом заряде активных звёзд вообще говорить неуместно, поскольку аккреция межзвёздной плазмы на них практически отсутствует. Ярким тому примером является Солнце, окружённое своей гелиосферой, которая эффективно препятствует проникновению в Солнечную систему частиц сравнительно холодной межзвёздной плазмы.

Все рассуждения и расчёты, выполненные выше, являются крайне приближёнными, как и рассчитанные величины в табл.1, и отражают лишь качественную сторону обсуждаемой темы.

III. Рассеяние заряда в межзвёздной и межгалактической среде

Итак, в разных явлениях и процессах происходит преимущественная конденсация заряженных частиц какого-то одного сорта – либо протонов, либо электронов. Но из этого следует, что количество частиц, обладающих зарядом противоположного знака и в точности равное числу сконденсированных, уходит в космическое пространство в свободный полёт. При достаточно большой скорости и длительном времени эти частицы могут рассеиваться на очень большие расстояния от центров конденсации. В межзвёздное и межгалактическое пространство.

В эволюционном плане представляется следующая картина. По окончании периода первичного звездообразования и нуклеосинтеза, взрывов звёзд в свободном пространстве Вселенной появляются химические элементы тяжелее гелия, способные конденсироваться как в новые звёзды, так и в компактные маломассивные неактивные тела, которые становились барионной составляющей тёмной материи. Росло также количество чёрных дыр. Эти новые объекты в свою очередь инициировали явление разделения зарядов. По мере роста числа центров конденсации заряда растёт и концентрация рассеянного заряда в межгалактическом пространстве. И поскольку рост барионной составляющей тёмной материи продолжается, то и процесс разделения зарядов нарастает.

Как было отмечено ранее, сравнительно малые “мёртвые” тела планетных и менее масс приобретают из окружающей среды небольшой по величине отрицательный заряд. Однако их много: последние теоретические исследования указывают на то, что число планет в Млечном Пути может достигать, как минимум, 100 000 на одну активную звезду. Об этом заявили американские астрономы под руководством Луиса Стригари (Louis Strigari) из Института астрофизики частиц и космологии имени Кавли в Стэнфорде (США) в статье, принятой к публикации в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. С другой стороны, хотя “умерших” звёзд намного меньше, но они приобретают положительный заряд на несколько порядков больше по величине. В особенности массивные ЧД. Поэтому на основании приведённого выше исследования невозможно сказать, какой – положительный или отрицательный – заряд в большей степени конденсируется во Вселенной, а какой “размазывается” в пространстве. Однако нельзя и ожидать, что в столь разнообразных условиях и для разнообразных космических тел соблюдается строгая симметрия процессов конденсации и диссипации электрических зарядов. При этом Вселенная в целом напоминает “пудинг Томсона” – допланетарную модель атома лорда Кельвина, – оставаясь в целом нейтральной.

Нельзя также ожидать, что рассеянный заряд “размазан” в пространстве равномерно. Внутри и вблизи галактик и галактических скоплений объёмная плотность рассеянного электрического заряда выше, внутри же пустых полостей – войдов – минимальна. Не исключено также, что существуют отдельные обширные области пространства внутри галактик, где, скажем, положительный заряд сконденсирован, а отрицательный рассеян, а в другой области – наоборот. Однако в крупномасштабной структуре в рассеянном состоянии всё же преобладает заряд одного знака, а в сконденсированном – противоположного. Электрические поля, возникающие в результате этого явления, по своей интенсивности должны быть соизмеримы с гравитационными, а то и значительно слабее.

За рамками настоящей работы осталась одна важная проблема: какие частицы – протоны или электроны – преимущественно конденсируются массивными барионными объектами Вселенной, а какие рассеиваются. При её решении необходимо оценить соотношение количеств (или суммарных масс?) центров конденсации положительного и отрицательного зарядов в Галактике. Однако дополнительно необходимо учесть следующие факторы. Трудно себе представить сколько-нибудь масштабные естественные процессы, в результате которых протоны имели бы скорости, в среднем превышающие скорости электронов. Если принять, что температуры электронной и протон-ионной составляющей межзвёздной плазмы в среднем одинаковы или близки, то, стало быть, скорости частиц существенно отличаются. Скорость электрона почти в 43 раза превышает скорость протона. А значит, электрону значительно легче покинуть сферу электростатического и гравитационного притяжения центра конденсации. То есть, процесс диссипации в межзвёздном, а затем и в межгалактическом пространстве отрицательного электрического заряда более вероятен.

С другой стороны, если войды содержат избыточные электроны, то комптоновское рассеяние фотонов удалённых галактик и квазаров на свободных электронах должно приводить к ослаблению яркости. Этот вопрос остаётся открытым.

И последнее. В расчётах движения звёзд в галактиках и галактик в скоплениях теорема вириала должна содержать слагаемые, учитывающие явление разделения зарядов.

Зельдович Я.Б., Новиков И.Д. Теория тяготения и эволюция звезд, М., 1971.
Солнечный ветер. Википедия.
Солнечный ветер. Астронет. «Соросовская Энциклопедия», 2005.

Источник