Антивещество, отрицательная энергия и энергетическая экстремальность самоорганизации

НА ГЛАВНУЮ СТРАНИЦУ                                                                                                              НАЗАД

 

УДК 502, 530.1, 536, 57, 577, 620.9.

 

АНТИВЕЩЕСТВО, ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭКСТРЕМАЛЬНОСТЬ САМООРГАНИЗАЦИИ

 

Свентицкий Иг.И., к.с.х.н.;. Свентицкий И.И, д. т. н.; (ГНУ ВИЭСХ)

 

В сущности первых терминов названия этой работы угадывается симметрия веществу, положительной энергии – важнейшим субстанциям реальной природы. Энергетическая экстремальность самоорганизации представляется, важнейшим ее принципом. Он отображает динамическую зеркальную симметрию второго начала термодинамики и противоположного ему по сущности закона – закона выживания. Симметрия природы и ее законов, по свидетельству В.И. Вернадского [1], понималась и высоко ценилась античными учеными. Такое понимание симметрии возникло, прежде всего, из изучения живых организмов, в том числе, организма самого человека. Оно связывалось с красотой и гармонией. Начало использования термина симметрия приписывается скульптору Пифагору из Региума, жившему в V веке до нашей эры. Уместно обратить внимание на проявление симметрии в последние столетия. В развитии главных законов, составляющих фундамент современного естествознания.

В классической механике особая роль принадлежит открытию Э. Нетте сложной симметрии — симметрии законов сохранения с однородностью и изотропностью пространства и однородностью времени. Эта симметрия позволила, например, выявить проблему не согласованности между вторым началом термодинамики и законом сохранения энергии – первым началом термодинамики. В соответствии с теоремой Э. Нетте, первое начало термодинамики – закон сохранения энергии — симметричен однородности времени, принятой в инерциальной системе классической механики. По второму началу термодинамики, в соответствии с существующими определениями энтропии, эволюция природы происходит в направлении разрушения структур, деградации энергии, повсеместному и непрерывному росту энтропии. Это свидетельствует о наличии «стрелы времени», необратимости времени, т. е. неоднородности времени. В этом — несогласованность первого и второго начал термодинамики. Эта проблема наиболее четко выражена в следующем высказывании [2, с. 218]: «В современной физике фундаментальные законы сохранения  энергии и импульса связаны с симметрией. Так, сохранение импульса – следствие симметрии пространства, сохранение энергии – симметрия обращения времени. Именно поэтому фундаментальные законы физики формулируются в виде гамильтоновых систем, где обратимость времени гарантирована. Необратимость времени влечет за собой не сохранение энергии. Последнее противоречит всему тому, что мы знаем о нашем мире».

Важность законов симметрии и ассимметри отмечена комитетом по присуждению Нобелевских премий, который присудил в рекордно краткий срок (после первичного опубликования) эту премию за открытие в 1957 г китайскими физиками Ян Чжэн-нином и Ли Цзун-дао отсутствия симметрии для слабых взаимодействий. Этим открытием была выявлена асимметрия природных процессов на элементарном (электронном) уровне. В тоже время, основные законы естествознания, как в прошлом, так и теперь не симметричны. Особо ярко эта асимметрия проявилась в период развития и признания основных законов преобразования энергии — начал классической термодинамики. Второе ее начало в этот период считали основным законом физики. С развитием квантовой физики и теории относительности их основатели – М. Планк, А. Эйнштейн, А. Пуанкаре др. – основным законом физики признали принцип наименьшего действия и очевидно забыли о втором начале.

Во второй половине Х1Х столетия второе начало термодинамики было признано важнейшим законом естествознания – «законом законов». Стремление распространить его на процессы живой природы обусловило следующую проблему естествознания – проблему «вопиющего» противоречия между эволюцией природы по второму началу термодинамики и теориями биологической (дарвиновской, синтетической) эволюции. По второму началу эволюция природы происходит в направлении разрушения структур, деградации энергии, росту энтропии. По биологическим ториям эволюции структуры и функции организмов и их сообществ прогрессивно развиваются. Они накапливают и используют свободную энергию. Рассмотренные и другие проблемы, связанные со вторым началом, неслучайно  привели к рассмотрению его как «инородного тела в физике».

Из теплового (Р.  Клаузиус ) и статистического (Л. Больцман ) определений энтропии во второе половине Х1Х столетия был сделан вывод о возможности «тепловой смерти» Земли и Вселенной. Рассматривая эти определения энтропии, полученные на основе второго начала термодинамики, и вытекающий из них непрерывный рост деградации энергии, Больцман констатирует: «Все попытки спасти Вселенную от тепловой смерти остались безуспешными…» [3, с.11]. Корректного естественнонаучного решения эта проблема до недавнего времени не имела. В дискуссиях по этой проблеме и по статистическому определению энтропии во второй половине Х1Х столетия ряд ученых (Г. Гельмгольц, В.И. Вернадский, К. А Тимирязев, Н. А. Умов,  Э. В. Циолковский и др.) высказывали мнение о существовании не открытого закона, противоположного по своей сущности второму началу термодинамики.

Большое количество ученых пытались на основе второго начала термодинамики объяснить функционирование и  структурную организацию живой природы. Безуспешность этих попыток сама по себе свидетельствует о неполноценности этого начала для описания живой самоорганизующейся природы. Отчасти этим можно объяснить многочисленные негативные высказывания в отношении второго начала термодинамики. Защищая его от подобных нападок, коллега Л. Больцмана — Де Кудр — высказал часть очень важной аксиомы. Это высказывание приведено в статье Э. Брода [3, с. 324-325]: «Второе начало, также как и первое, взято только из опыта. «Это самый верный из всех известных нам опытных законов – писал Де Кудр — он вернее смерти, так как смерть  – это только специальный случай второго начала». Это верное и очень сильное сравнение является частью важной аксиомы

Для полного выявления ее, зададимся вопросом: что необходимо, чтобы смерть состоялась, и проявилось второе начало? Ответ однозначен: хотя бы одна жизнь. Связь между смертью и жизнью, а боле правильно (последовательно) между жизнью и смертью – эта важнейшая аксиома естествознания, представляющая собой динамическую зеркальную симметрию. Она непосредственно повсеместно наблюдаема и исключений, кроме как в религиозных учениях, во всех иных областях знаний не имеет. Иногда размножение путем деления клетки считают бессмертием, но это можно оспаривать, рассматривая материнскую клетку как исчезнувшую при делении. Эта аксиома свидетельствует о необходимости выявить и учитывать закон, противоположный по своей сущности второму началу термодинамики. Такой закон обоснован и назван законом выживания [4, ].

Сущность этого закона в следующем. Каждый элемент самоорганизующейся природы в своем развитии (онтогенез, филогенез) самопроизвольно устремлен к состоянию наиболее полного (эффективного) использования доступной свободной энергии, в существующих условиях, системой трофического уровня, в которую он входит. Этот закон обоснован на макро уровне анализом подсистем жизнеобеспечения организмов [4, 5]. Проявление процессов, подтверждающих этот закон на микро уровне, доказано в работах М. Эйгена [6], Г. Хакена [7] и, особенно четко, показано А.П. Руденко анализом эволюции элементарных открытых каталитических систем [8, 9]. Анализом явлений самоорганизации неравновесных систем проявление процессов, соответствующих этому закону, установлено И.Н. Пригожиным [10]. В [11] теоретически и экспериментально показано, на примере фазовых переходов, что в процессе самоорганизации энтропия не возрастает, а уменьшается, что также подтверждает реальность закона выживания.

В работах [6-11] и иных публикациях этих авторов показана возможность уменьшения энтропии в процессах самоорганизации, но это явление не было сформулировано в виде закона или принципа, не была также выявлена возможность использования этого явления для решения долго не разрешавшихся проблем фундаментальной науки, обусловленных началами классической термодинамики. Так как прямая экспериментальная проверка закона выживания принципиально затруднена по тем же причинам, что и второго начала, то нами проведена косвенная его проверка. На основе закона выживания была обоснована возможность создания энергоэкономных источников оптического излучения для обеспечения фотосинтеза растений. Экспериментальная проверка созданных таких источников подтвердила их расчетную высокую энергоэффективность [4].

Достоверность закона выживания подтверждена использованием его для естественнонаучного объяснения феноменальных явлений (золотое сечение, онтогения или биогенетический закон, высокая способность всех видов организмов к размножению, фрактальные структуры, солитоны и др.), которые надежно эмпирически или математически установлены, но наукой не объяснены. Показано, что рассмотренные феномены являются природными механизмами энергоэкономности, механизмами проявления закона выживания. Выявлено, что закон выживания и второе начало термодинамики, как динамически зеркально симметричные законы, образуют единый принцип энергетической экстремальности самоорганизации и прогрессивной эволюции. Выявлено, что этот принцип тождествен принципу экстремального действия, обоснованному  Л. Эйлером в 1744 г. на основе принципа наименьшего действия и затем Г.С. Ландсбергом  50-х годах ХХ столетия, исходя из принципа Ферма. Закон выживания позволяет объяснить и логически объединить феноменальные физико-химические принципы, имеющие общую сущность противоположную сущности второго начала термодинамики: принципа Ферма, наименьшего действия, Ле Шателье и закона (правило) электромагнитной инерции Ленца

 Исходя из аксиомы о жизни и смерти, рассмотрим теорему, подтверждающую зеркальную динамическую симметрию второго начала термодинамики и закона выживания. Если на открытую равновесную систему, с самопроизвольными процессами разрушения структур и ростом энтропии в соответствии со вторым началом термодинамики, действуют внешние силы и к ней поступает доступная свободная энергия; то рано или поздно под их влиянием в соответствии с законом выживания, противоположным по сущности второму началу, в системе самопроизвольно появятся самоорганизующиеся структуры, которые будут развиваться, рост энтропии в системе снизиться, затем ее энтропия будет уменьшаться, а свободная энергия увеличиваться (накапливаться) в системе. В результате такой эволюции равновесная система, подчинявшаяся в определенный временной период второму началу термодинамики, может превратиться в самоорганизующуюся (неравновесную) систему, находящуюся в согласии с законом выживания и не подчиняющуюся второму началу. Неизбежно обращение. Только при его наличии возможна прогрессивная эволюция. Это положение ярко выразил К. А. Тимирязев [16, с. 172]:«Итак, ключ к разгадке, которую представляет для каждого мыслящего человека органический мир, заключается в одном слове – смерть. Смерть, рано или поздно пресекающая все уродливое, все бесполезное, все несогласованное с окружающими условиями, и есть источник и причина красоты и гармонии органического мира; и если эта вечная борьба, это бесконечное истребление невольно вселяет в душу ужас, то мы не должны забывать, что:

                                         «…у гробового входа

                                        Младая будет жизнь играть

                                        И равнодушная природа

                                       Красою вечною блистать»

Рассматриваемая теорема согласуется с теоремой возврата Пуанкаре-Мисры, а также с теоремой квантовой теории поля – СРТ-теоремой — доказанной Г. Людерсом (1952-1954) и В. Паули (1955). В соответствии с ней уравнения названной теории инвариантны относительно СРТ преобразования. Они не меняют своего вида, если одновременно произвести три преобразования: зарядовое сопряжение – замену частиц античастицами (С), пространственную инверсию – зеркальное отражение – (Р) и обращение времени – замену знака с «+» на «- » (Т). В соответствии с СРТ-теоремой, если в природе происходит некоторый процесс, то с той же вероятностью в ней может происходить также обратный процесс, в котором частицы заменены ответствующими античастицами, проекции их спинов имеют противоположный знак, а начальные и конечные состояния процесса поменялись местами.

Не случайно эта теорема выполняет особо важную роль в квантовой электродинамике, о чем свидетельствуют, например, ссылки на  нее во многих местах учебного курса этого раздела физики [12,  с. 68, 71, 307, 317, 351]. Исходя из рассмотрения частиц, античастиц и истинно нейтральных частиц и их связи с теоремой-СРТ в [12, с. 68] отмечено: «…уместно подчеркнуть, что хотя изложенные здесь… рассуждения и представляются естественным развитием обычной квантовой механики и классической теории относительности, но полученные таким путем результаты выходят за их рамки как по форме (ψ -операторы, содержащие одновременно операторы рождения и уничтожения частиц), так и по существу (частицы и античастицы). Эти результаты нельзя поэтому рассматривать как чисто логическую необходимость. Они содержат в себе новые физические принципы, критерием правильности которых может быть лишь опыт» (курсив И.С.). Эта цитата свидетельствует о важной, еще не осознанной роли теоремы-СРТ в построении квантовой теории и существующей принципиальной трудности этого построения.

Устранение этой трудности представляется возможным на основе учета принципа энергетической экстремальности самоорганизации и прогрессивной эволюции. Выявим причину возникновения этой трудности. Квантовая физика зародилась при решении М.Планком, исходя из второго начала термодинамики, проблемы «ультрафиолетовой катастрофы» — выявлении аналитической зависимости от температуры спектрального распределении излучения абсолютно черного тела. Для получения этой зависимости потребовалось выявить квантовость. (порционность) испускания энергии излучения и определить значение кванта действия (постоянная Планка). За прошедшие 105 лет со времени этого открытия не была раскрыта его естественнонаучная сущность, не выявлено: чем обусловлено квантование энергии? Не объяснена особо важная роль принципа наименьшего действия в форме Гамильтона в развитии, как квантовой физики, так и теории относительности.  

Возникновение и развитие этих важных разделов физики стимулировало необходимость решения проблем естествознания, связанных со вторым начало термодинамики. Однако, в этих разделах второе начало не получило отражения и связанные с ним проблемы оставались до недавнего времени не решенными. Между этими прогрессивными разделами физики нет должной согласованности. Один из создателей квантовой физики, Дирак, рассматривает в [13] необходимость согласования ее с теорией относительности.

Эту важную часть своей работы Дирак рассмотрел в двух лекциях: «Предсказание антивещества» [13, с. 82] (прочитана 17.04. 1978 г. в Мичиганском университете) и «Развитие квантовой механики (прочитана 25. 08. 1975 г в университете Нового Южного Уэллса Австралии) [13, с. 125]. Отмечая наличие квадратного корня в правой части формулы Эйнштейна для определения энергии частицы, движущейся с релятивистской скоростью, он замечает [13,  с. 132]: «Вы знаете из математики, что перед квадратным корнем можно поставить знак плюс и минус. Получается, что по формуле Эйнштейна энергия может принимать как отрицательные, так и положительные значения. …На практике вы всегда наблюдаете лишь частицы с положительной энергией». Далее он констатирует [13, с.136]: «В квантовой механике нельзя исключить переходы из состояний с положительной энергией в состояние с отрицательной энергией,…А раз так, мы обязаны отыскать способ их физической интерпретации. Разумную интерпретацию дает новое представление о вакууме».  

При разработке общей теории относительности Эйнштейн принципиально изменил представление о пространстве. Им предложено учитывать искривленность пространства. Этой кривизной он объяснил гравитационное взаимодействие, создав тем самым новую теорию гравитации, исключающую действие на расстоянии. Кривизна пространства позволила описывать гравитационное поле. Эта новая теория, как считают многие физики, была проверена и подтверждена, в частности, на примере описания Солнечной системы. В общей теории относительности четырехмерная симметрия пространства времени остается в силе. Эта симметрия, выполняющая очень важную роль в теории относительности, как уже отмечалось, находится в согласии с принципом наименьшего действия. Однако, не удается найти ее связи с «законом законов» — вторым началом термодинамики.

Представляется, что оно возможно найдет свое достойное отражение в этой теории в связи с возникшей в ней принципиальной трудностью, которая высказана в боле ранней работе П.А.М. Дирака [13,с. 49-50 ]: «Вы вынуждены принять новую формулу. Если модифицируете законы Ньютона так, чтобы они согласовывались с идеями Эйнштейна о симметрии пространства и времени. Новая формула отличается тем, что в выражение для энергии входит квадратный корень. Наличие квадратного корня означает, что он может иметь либо положительное, либо отрицательное значение, т.е. общая формула, приводит к тому, что энергия частиц может принимать отрицательное значения. На первый взгляд понять это трудно: никто не сталкивался с отрицательными значениями энергии. Тем не менее математика свидетельствует, что они возможны».

Далее Дирак отмечает, что в рамках классической механики можно было сказать об отсутствии отрицательной энергии в природе. «Однако  в квантовой теории динамические переменные могут изменяться скачком из одного состояния в другое, и если частица находится вначале с положительной энергией, то она может перескочить в состояние с отрицательной энергией. Такие скачки предсказываются квантовой теорией…Так что мы вынуждены рассматривать их и попытаться найти их физическую интерпретацию….Уровни с отрицательной энергией можно интерпретировать в терминах состояний антиматерий»[13, с. 49-50 ]. Иных обоснований реальности существования антивещества, антиматерии найти не удалось.

Интерпретация отрицательной энергии возможна и на основе второго начала термодинамики, точнее, на основе величины энтропии, которая характеризует потенциальную не работоспособность энергии, ее деградированность (связанность). Энтропию можно понимать как отрицательную энергию. В соответствии с самоорганизацией, как микрочастицы (фотоны, электроны и др.), так и макро объекты существуют в виде самоорганизующихся систем, при этом они обладают свободной (работоспособной) энергией. Самоорганизующиеся объекты могут терять это свойство – разрушаться, превращаться в равновесные системы. Их свободная энергия деградирует при этом, а энтропия возрастает, что можно рассматривать как приобретение ими отрицательной энергии. Эта интерпретация отрицательной энергии согласуется с недавним решением, на основе закона выживания и принципа энергетической экстремальности самоорганизации [14, 15], долго не разрешавшихся проблем связанных с началами классической термодинамики.

В другой лекции Дирак упоминает предложение Шредингера по решению проблемы с отрицательной энергией [13, с. 90]: «Шредингер рассмотрел этот вопрос и предложил ввести в уравнение, содержащее электромагнитное поле, небольшую поправку, благодаря которой можно исключить переходы между состояниями с положительными и отрицательными энергиями. Однако такая поправка разрушила бы красоту самого уравнения. …Итак, на какое то время вопрос об отрицательных энергиях стал серьезной проблемой. Разумеется, с физической точки он недопустим: экспериментаторы никогда не видят состояний с отрицательной энергией». Из этой цитаты видно, что проблему отрицательной энергии, обусловившей необходимость поиска антивещества, возможность существования которого выявлена через аналитическую зависимость, в принципе можно разрешить на основе математического анализа.

Здесь уместно обратиться к напрашивающимся вопросам: почему мы не встречаем антиатомов, состоящих из антипротонов, антинейтронов и позитронов? Если реально существует вещество и антивещество. то почему же всегда находим только вещество?… А где же антивещество, где антимир?  Ответ на эти вопросы может быть неожиданным и простым.  Для этого, прежде всего, необходимо уточнить представление о величине «энтропия». Исходя из первоначального ее термодинамического определения, эта величина представляет меру деградации, меру снижения потенциальной работоспособности (превратимости в требуемый вид) энергии. Например, если энтропия энергии гравитационных взаимодействий равна нулю, то ее работоспособность (потенциальная превратимость в любой другой вид энергии) равна 100%.

Значение энтропии для рассеянного тепла земли составляет от 10 до 100 (в зависимости от температуры) [4, с. 73]. Работоспособность этого вида энергии, в соответствии со вторым началом термодинамики (формула Карно для определения КПД тепловой машины) равна нулю. В связи с этим энтропию можно рассматривать как отрицательную энергию (недостающую ее работоспособность). Очевидно, эта величина и проявляется в формуле Эйнштейна для определения энергии частицы движущейся с релятивистской скоростью. Положительное решение в этой формуле, а также в соответствующих формулах квантовой физики, соответствует частицам («живым», самоорганизованным); отрицательное – античастицам (разрушенным, не живым, «мертвым»). Напомним, что второе  начало термодинамики и энтропия не получили отражения ни в теории относительности, ни в квантовой физике. Поскольку никто не доказал несостоятельность второго начала термодинамики (несмотря на многочисленные попытки) и оно справедливо для равновесных (несамоорганизующихся) явлений, то оно и проявляется в упомянутых аналитических зависимостях в виде энтропии, что подтверждает справедливость этих зависимостей.

В современной энергетике второе начало считается основным законом, выполняющим, как положительную (в развитии традиционной, градиентной энергетики), так и отрицательную роль (тормозя развитие нетрадиционной энергетики, основанной на использовании самоорганизующихся явлений) [14, 15]. Принцип энергетической экстремальности самоорганизации и прогрессивной эволюции отображает симметрию основных законов, не только физики, но и естествознания в целом. Он может исполнить фундаментальную роль в логическом концептуальном синтезе всех сфер знаний: физико-химических, биологических и социальных. Учет его, а также входящего в него закона выживания, открывает принципиально новые возможности не только в решении проблем фундаментальной науки, но и в теоретизации не формализованных прикладных отраслей знаний, а также в развитии прогрессивных технологий и техники.

Необходимость выявления подобного принципа, как основы дальнейшего развития физики и естествознания в целом, была высказана А. Эйнштейном, связи с открытием М. Планком квантовых свойств излучения. Высоко оценивая это открытие Эйнштейн отмечал, что оно [17, с. 121]: «…стало основой всех исследований в физике ХХ века и с тех пор почти полностью обусловило ее развитие. Без этого открытия было бы невозможно установить действительную теорию молекул и атомов и энергетических процессов, управляющих их превращениями. Больше того, оно разрушило остов классической механики и электродинамики и поставило перед наукой задачу: найти новую полноценную основу для всей физики». Такой начальной основой может быть принцип энергетической экстремальности самоорганизации и прогрессивной эволюции природы.

 

Литература

1.   Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения. М., 1965.

2.      Чернавский Д.С. Синергетика и информация. М., Наука, 2001.

3.       Больцман Л. Статьи и речи. М., Наука, 1970.

4.      Свентицкий И.И. Принципы энергосбережения в АПК. Естественнонаучная методология. М, ВИЭСХ, 2001.

5.      Sventitskij I.I. Bioenergetic trends — a key to solving energy, food and ecological problems. //Beyond energy crisis opportunity and chalendge. Pergamon press, Oxford and New York, 1981, p. 1863 — 1870.

6.      Эйген М. Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул. М., Мир, 1973.

7.      Хакен Г. Синергетика. М., Мир, 1980.

8.      Руденко А. П. Теория саморазвития открытых каталитических систем. М., Наука, 1969.

9.      -Руденко А.П. Самоорганизация и синергетика. // Синергетика, М., т.3, МГУ, 2000, с. 61 — 99.

10.  а) Пригожин И. От существующего к возникающему: время и сложность в физических науках. М., Наука, 1985. .
б) Николис Г. Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. М., Мир, 1979, 512 с.

11.  а) Климантович Ю.Л. Послесловие к [9, а) ].
б) Уменьшение энтропии  в процессе самоорганизации. S – теорема (на примере перехода через порог генерации). Письма в ЖТФ, 1984, т.9, с. 1412..

12.  Берестецкий Б.Б., Лифшиц М.Е.. Питаевский Л. П. Теоретическая физика. т.1У, Квантовая электродинамика. М. Наука, 1980

13.  Дирак П.А.М. Воспоминание о необычайной эпохе. Сборник статей. М., Наука, 1990, 207 с.

14.  Свентицкий И.И. Проблемы термодинамики и нетрадиционная энергетика. //Топливно-энергетический комплекс, 2004, №3, с. 344-346.

15.  -Свентицкий И.И. Фундаментальные проблемы науки и истоки их решения. //Аграрная наука, 2001,№ 3, 4; с. 2 — 4 и 2 — 3.

16. Тимирязев К. А. Избранные сочинения в четырех томах. т. 1У, Дарвин и его учение, ОГИЗ-СЕЛЬХОЗГИЗ, М., 1949.

17. -Эйнштейн А. Физика и реальность. М., Наука, 1965.

 

НА ГЛАВНУЮ СТРАНИЦУ                                                                                                              НАЗАД