Про теорію єдиного поля та інерційно-гравітаційне поле Всесвіту
У відповідності з поглядами сучасної науки, загальний устрій Всесвіту та різноманіття тих подій які відбуваються в ньому, можна пояснити на основі чотирьох фундаментальних взаємодій (сил): гравітаційні, електромагнітні, сильні та слабкі. Ці взаємодії нерозривно пов’язані між собою та утворюють єдиний цілісний організм. Організм, в якому кожна взаємодія виконує певні функції та органічно доповнює функціональні обов’язки інших взаємодій. При цьому вчені переконані в тому, що всі відомі фундаментальні взаємодії, є певними проявами єдиного цілого, і що це єдине ціле можна пояснити в рамках цілісної теорії – теорії єдиного поля (об’єднаної теорії поля). Однак на сьогоднішній день, такої загально визнаної теорії не існує.
Не маю сумніву в тому, що однією з основних перешкод на шляху створення теорії єдиного поля, є факт того, що цю теорію намагаються створити без врахування реальності і фундаментальності тієї сили, та їй відповідної взаємодії, яку прийнято називати силою інерції. Сили, яка на відміну від сил гравітаційних, електромагнітних, сильних та слабких взаємодій, визначально проявляє себе не в певних визначених ситуаціях, а в масштабах всіх об’єктів і подій Всесвіту, починаючи від галактик та їх скупчень і закінчуючи молекулами, атомами та елементарними частинками. А це безумовно вказує на те, що саме інерційні взаємодії можуть бути тією ланкою яка дозволить об’єднати гравітаційно-інерційні, електромагнітні, сильні та слабкі взаємодії в межах єдиної цілісної теорії.
Власне про це і поговоримо.
Про теорію єдиного поля та інерційно-гравітаційне поле Всесвіту
Пояснюючи загальний устрій Всесвіту сучасна наука стверджує, що цей устрій можна пояснити на основі чотирьох фундаментальних взаємодій: гравітаційні, електромагнітні, сильні (ядерні) та слабкі. Кожна з цих взаємодій має свою сферу переважного застосування та виконує свої надважливі функції. Однак, лише у своїй нерозривній сукупності вони забезпечують гармонічну цілісність Всесвіту. Гранично стисло та спрощено пояснюючи суть, прояви і механізм дії кожної з фундаментальних взаємодій, можна сказати наступне.
Мал.1. Все різноманіття тих об’єктів і тих подій які відбуваються у Всесвіті, можна пояснити чотирма видами взаємодій.
Гравітаційні взаємодії – це такий вид матеріального зв’язку, який існує між тими об’єктами що мають масу і носієм якого є гравітаційне поле та його неподільні кванти які називаються гравітонами.
Гравітаційні взаємодії є гранично універсальними, тобто такими які діють практично між усіма матеріальними об’єктами Всесвіту. Адже всі ці об’єкти мають масу, якщо не масу спокою, то масу руху. Гравітаційні взаємодії є зарядово незалежними, тобто такими які діють як між зарядженими так і між незарядженими об’єктами. Ці взаємодії є далекодіючими, тобто такими, радіус дії яких необмежено великий. Гравітаційні взаємодії є силами притягування, тобто такими які завжди прагнуть безмежно наблизити взаємодіючі об’єкти. Гравітаційні взаємодії є взаємодіями наднизької інтенсивності, тобто такими питома силова потужність яких є надзвичайно малою. Скажімо та гравітаційна сила з якою два протони взаємодіють в атомному ядрі, приблизно в 1035 разів менша за силу їх електростатичної взаємодії і практично в 1038 разів менша за силу їх ядерної взаємодії. Іншими словами: Fел/Fгр ≈ 1035; Fя/Fгр ≈ 1038.
Варто зауважити, що на сьогоднішній день, загально прийнятої та загально визнаної методики оцінювання питомої силової потужності всіх видів взаємодій не існує. Зазвичай, цю питому потужність оцінюють величиною, яка називається відносною інтенсивністю взаємодій (k). Цей параметр по суті показує у скільки разів питома сила даної взаємодії більша за визначену в схожих умовах питому силу гравітаційних взаємодій. За сучасними даними, значення відносних інтенсивностей різних видів взаємодій є наступними:
– гравітаційні взаємодії k = 1
– електромагнітні взаємодії k = 1035
– сильні (ядерні) взаємодії k = 1038
– слабкі взаємодії k = 1032
Внесок гравітаційних взаємодій в ті події які відбуваються в світі елементарних частинок, атомних ядер, атомів, молекул та тіл земних масштабів, є мізерно малим. Однак, якщо мова заходить про об’єкти космічних масштабів, як то планети, зірки, галактики та Всесвіт в цілому, то для них гравітаційні взаємодії є визначальними. Адже саме сили гравітаційних взаємодій збирають величезні маси речовини в планети та зірки і формують з них планетарні системи, галактики та метагалактики. Саме ці сили запалюють в надрах зірок термоядерні топки та створюють умови для їх стабільної роботи. Саме гравітаційні сили стискають надмасивні зірки до розмірів атома, та перетворюють їх на так звані чорні діри. З рештою, саме гравітаційні сили утримують молекули атмосферного повітря та нас з вами біля поверхні Землі.
Мал.2. В масштабах космічних об’єктів і подій, визначальним силовим фактором є сили гравітаційних взаємодій.
Механізм дії гравітаційних взаємодій полягає в наступному. Будь який масивний об’єкт, створює в навколишньому просторі певне силове збурення простору-часу, яке називається гравітаційним полем. При будь якому просторовому зсуві (переміщенні) цього об’єкту створюється відповідна гравітаційна хвиля, яка поширюється з швидкістю с = 3·108м/с і передає силову інформацію про цей зсув навколишнім об’єктам.
За сучасними уявленнями, гравітаційні хвилі випромінюються та поглинаються певними неподільними порціями (квантами), які називаються гравітонами. Гравітон – це елементарна частинка, яка є неподільним квантом гравітаційного поля та носієм гравітаційних взаємодій. Гравітон є частинкою стабільною (τ = ∞), має нульову масу спокою (m0 = 0), нульовий електричний заряд (q = 0) та спін величиною в дві одиниці (s = 2ћ). В існуючих на Землі умовах, інтенсивність гравітаційних взаємодій є надзвичайно малою і тому експериментально підтвердити факт існування гравітонів поки не вдається. І тим не менше, практично всі вчені переконані в тому, що гравітони дійсно існують і що їх фізичні властивості в точності відповідають теоретично передбаченим.
Електромагнітні взаємодії – це такий вид матеріального зв’язку, який існує між тими об’єктами що мають електричний заряд або магнітний момент і носієм якого є електромагнітне поле та його неподільні кванти які називаються фотонами.
Електромагнітні взаємодії не є універсальними, адже притаманні лише тим об’єктам які є носіями електричного заряду або магнітного моменту. Електромагнітні взаємодії є далекодіючими та зарядово залежними. Вони є взаємодіями високої інтенсивності (k = 1035). Сили електромагнітної взаємодії можуть бути як силами притягування так і силами відштовхування.
Прояви електромагнітних взаємодій є надзвичайно різноманітними: сили електростатичної взаємодії, сили магнітної взаємодії, сили міжмолекулярного зв’язку, сили іонного, ковалентного, металічного, водневого та інших видів хімічного зв’язку, сили пружності, поверхневого натягу, тертя, світлового тиску – ось далеко не повний перелік проявів електромагнітних взаємодій.
Електромагнітні взаємодії об’єднують атомні ядра та електрони у відповідні атоми. Атоми, об’єднують у відповідні молекули. Атоми, молекули та іони об’єднують у відповідні тіла в тому числі і такі надскладні як живі організми. Сили електромагнітної взаємодії надають тілам певних механічних, хімічних, біологічних, електромагнітних та інших властивостей. Ці взаємодії значною мірою відповідальні за альфа-розпад атомних ядер, за взаємодії заряджених елементарних частинок, за анігіляцію електрон-позитронних пар та за багато інших процесів. Однак, якщо мова йде про обособлені космічні об’єкти, то для них електромагнітні взаємодії не мають суттєвого значення. Не мають тому, що ці об’єкти є практично незарядженими. Втім, це стосується лише тієї частини електромагнітних взаємодій яка описується законом Кулона.
Мал.3. Електромагнітні взаємодії об’єднують атомні ядер і електрони у відповідні атоми, атоми – в молекули, атоми і молекули – в тіла, та надають цим тілам все різноманіття механічних, теплових, електромагнітних, хімічних, біологічних та інших властивостей.
Механізм дії електромагнітних сил полягає в наступному. Будь який носій електричного заряду або магнітного моменту, створює в навколишньому просторі певне силове збурення простору-часу, яке називають електромагнітним полем. При будь якому просторовому зсуві цього носія, створюється відповідна електромагнітна хвиля, яка поширюється з швидкістю 3·108м/с і передає силову інформацію про цей зсув. Електромагнітні хвилі випромінюються та поглинаються певними неподільними порціями (квантами), які називаються фотонами. Фотон – це елементарна частинка яка є неподільним квантом електромагнітного поля та носієм електромагнітних взаємодій. Фотон є частинкою стабільною (τ = ∞), має нульову масу спокою (m0 = 0), нульовий електричний заряд (q = 0) та спін величиною в одну одиницю (s = 1ћ).
Сильні взаємодії – це такий вид матеріального короткодіючого зв’язку який виникає між важкими елементарними частинками (адронами) і носієм якого, за сучасними уявленнями, є глюонне поле та його неподільні кванти які називаються глюонами (m0 = 0; q = 0; s = 1ћ). Глюон – електронейтральна елементарна частинка, яка в сильних ядерних взаємодіях відіграє ту ж роль що і фотони в електромагнітних взаємодіях.
Сильні взаємодії не є універсальними, адже вони притаманні лише певному набору елементарних частинок. Сильні взаємодії є зарядово незалежними. Серед відомих фундаментальних взаємодій, сильні взаємодії є найпотужнішими (мають надвисоку інтенсивність k = 1038). Сильні взаємодії є короткодіючими, тобто такими радіус дії яких обмежений і становить 2·10–15м. В залежності від відстані між взаємодіючими частинками, сильні взаємодії можуть бути як силами притягування так і силами відштовхування.
Найвідомішим проявом сильних взаємодій є ядерні сили, тобто ті сили які об’єднують протони і нейтрони у відповідні атомні ядра. Важливим проявом сильних взаємодій є ті реакції, які називаються термоядерними і які є основним джерелом енергії Сонця та інших активних зірок. За певних умов, сильні взаємодії призводять до появи найрізноманітніших важких, енергетично нестійких елементарних частинок. Сильні взаємодії є визначальними при тих процесах які відбуваються в атомних ядрах, при взаємних перетвореннях елементарних частинок та при між ядерних взаємодіях. Однак, якщо мова йде про міжатомні та міжмолекулярні взаємодії, про властивості та взаємодії макротіл, то в цьому випадку, сильні взаємодії не мають суттєвого значення.
Елементарно пояснити сучасну теорію сильних взаємодій практично не можливо. Тому просто зауважимо, що ця теорія називається квантовою хромодинамікою. Якщо ж говорити про історично першу наукову теорію сильних взаємодій, то її автором є японський фізик Хідекі Юкава. Суть теорії Юкави полягає в тому, що в атомному ядрі, сильно взаємодіючі частинки (нуклони), постійно обмінюються частинками-посередниками, які називаються π-мезонами.
Мал.4. Сильні взаємодії визначально відповідальні за цілісність атомних ядер, та за ті події які відбуваються в цих ядрах.
Слабкі взаємодії – це такий вид матеріального короткодіючого зв’язку, який обумовлений тими процесами що відбуваються всередині елементарних частинок і який призводить до взаємоперетворення цих частинок.
Слабкі взаємодії є взаємодіями помірно високої інтенсивності (k = 1032). Ці взаємодії є надзвичайно короткодіючими. Радіус їх дії 2·10–18м. Слабкі взаємодії можуть спричиняти як розпад так і об’єднання елементарних частинок. І в цьому сенсі вони можуть бути як силами відштовхування так і силами притягування. Слабкі взаємодії відбуваються як в заряджених так і в електронейтральних частинках. І в цьому сенсі їх можна вважати зарядово незалежними. Втім, по відношенню до слабких взаємодій, застосовувати такі критерії оцінювання як зарядово залежні чи зарядово незалежні, сили відштовхування чи сили притягування, є некоректним. Адже мова йде не про взаємодію окремих обособлених частинок, а про ті процеси які відбуваються всередині певної елементарної частинки.
Найвідомішим проявом слабких взаємодій є бета-розпад нейтронів, тобто такий процес при якому електронейтральна частинка – нейтрон (1n0), розпадається на три частинки: протон (1p+1), електрон (0e–1) та антинейтрино (0ν0): 1n0 → 1p+1 + 0e–1 + 0ν0. Слабкі взаємодії відповідальні не лише за бета-розпад нейтрона та бета-радіоактивність, а й за спонтанний розпад переважної більшості відомих елементарних частинок. Ці взаємодії спричиняють так званий електронний захват та нейтронізацію ядер надмасивних зірок. Слабкі взаємодії відповідальні за взаємодію нейтрино з речовиною, за надпотужні вибухи старіючих зірок (червоних гігантів) та за багато інших важливих процесів.
Мал.5. Слабкі взаємодії визначально відповідальні за ті процеси які відбуваються всередині елементарних частинок.
Фундаментальні взаємодії нерозривно пов’язані між собою та утворюють єдиний цілісний організм. Організм, в якому кожна взаємодія виконує певні функції та органічно доповнює функціональні обов’язки інших взаємодій. При цьому вчені переконані в тому, що всі відомі фундаментальні взаємодії, є певними проявами єдиного цілого, і що це єдине ціле можна пояснити в рамках цілісної теорії – теорії єдиного поля (об’єднаної теорії поля). Інша справа, що на сьогоднішній день, такої загально визнаної теорії не існує.
Практично не маю сумніву в тому, що однією з основних перешкод на шляху створення теорії єдиного поля, є той ганебний факт, що цю теорію намагаються створити без врахування реальності і фундаментальності тієї сили, та їй відповідної взаємодії, яку прийнято називати силою інерції. Сили, яка протидіє прискореному руху будь якого фізичного об’єкту і яка проявляє себе у всіх динамічних процесах Всесвіту.
Сили, без розуміння та застосування якої не можливо притомним чином пояснити різноманіття тих динамічних подій які відбуваються у Всесвіті загалом, і на Землі зокрема. Не можливо пояснити, чому тіла рухаються за інерцією? Чому важкі і легкі тіла падають з однаковим прискоренням? Чому в кабіні штучного супутника Землі, тіла перебувають в станів невагомості і що представляє собою цей стан? Чим діюча на Землі сила тяжіння (Fт = mg) відрізняється від сили гравітаційної взаємодії (Fгр = GMm/R2) і чому в загальному випадку сила тяжіння не проходить через центр маси Землі? Чому Місяць не падає на Землю, а Земля не падає на Сонце? Чому Сонячна система дископодібна? Чому Земля дещо розтягнута в екваторіальній площині? Чому в північній півкулі океанічні течії рухаються за годинниковою стрілкою, а в південній – проти годинникової стрілки? Чому океанічні припливи та відпливи відбуваються двічі на добу? І таких чому? – тисячі і мільйони.
28 квітня 1686 року, Лондонському королівському товариству з розвитку знань про природу, було представлено перший том ньютонівських «Математичних начал натуральної філософії». В цій фундаментальній праці геніальний Ісак Ньютон не лише чітко визначив базові фізичні величини класичної механіки та сформулював її основні закони, а й з максимально можливою відвертістю і точністю описав властивості та прояви тієї «вродженої сили», яку прийнято називати силою інерції. Сили, яка ось вже протягом третини тисячоліття є предметом запеклих дискусій, суперечок та непорозумінь. І от що з цього приводу написано в першоджерелі (цитата з книги М. Джеммера, «Поняття маси в класичній та сучасній фізиці»: Москва, 1967 р. с.71).
«За відсутності сторонніх силових впливів, вроджена сила (vis insita) утримує тіло в стані спокою, або в стані рівномірного прямолінійного руху… Ця сила завжди пропорційна масі тіла, а якщо і відрізняється від інерції маси (inertia massae), то лише поглядами на її природу… Вроджену силу цілком слушно можна назвати силою інерції (vis inertiae). Ця сила виникає в тілі лише тоді, коли інша прикладена до тіла зовнішня сила призводить до зміни його швидкості. Прояви цієї сили можуть буди як у вигляді певного опору (resistentia) так і у вигляді певного напору (impetus). Як опір, ця сила протидіє зміні швидкості руху тіла, а як напор – є причинною зміни швидкості руху інших тіл».
Із аналізу вище наведеної цитати, з усією очевидністю випливає, що Ньютон визначає силу інерції («вроджену силу») як абсолютно реальну фізичну силу. Силу, яка: 1) пропорційна масі тіла: «ця сила завжди пропорційна масі тіла»; 2) виникає в процесі прискореного руху тіла: «ця сила виникає в тілі лише тоді, коли інша прикладена до тіла зовнішня сила призводить до зміни його швидкості»; 3) протидіє прискореному руху тіла: «ця сила протидіє зміні швидкості руху тіла». По суті це означає, що у відповідності з поглядами Ньютона, силі інерції можна дати наступне визначення:
Сила інерції – це сила, поява якої обумовлена прискореним рухом тіла і яка завжди протидіє появі та зростанню цього прискорення.
Позначається: Fі
Визначальне рівняння: Fі = – ma
Одиниця вимірювання: [Fі] = кг·м/с2 = Н, ньютон.
Аналізуючи ньютонівське пояснення властивостей та проявів сили інерції, не важко бачити, що говорячи про силу інерції як про силу опору, Ньютон має на увазі факт того, що ця сила протидіє (чинить опір) зміні швидкості руху тіла: «Як опір, ця сила протидіє зміні швидкості руху тіла». Це означає, що у відповідності з поглядами Ньютона, той на перший погляд безпричинний прямолінійний рух тіла, який прийнято називати рухом за інерцією, має свою силову причину. І ця причина – сила інерції, тобто та внутрішня сила, яка протидіє будь-якій зміні швидкості руху тіла: як тільки рухоме тіло прагне зменшити свою швидкість, автоматично з’являється (індуцирується) сила інерції, яка протидіє цим намаганням i «утримує тіло в стані прямолінійного рівномірного руху».
Коли ж силу інерції Ньютон називає силою напору, то має на увазі факт того, що в процесі контактної взаємодії рухомого тіла з перешкодою, це тіло гальмується і виникаюча при цьому сила інерції є тим силовим напором, який деформує перешкоду та надає їй відповідного прискорення: «як напор ця сила є причинною зміни швидкості руху інших тіл».
Головна проблема сили інерції полягає в тому, що на перший погляд здається, ніби не існує того фізичного об’єкту, взаємодія з яким призводить до появи цієї сили. Таке враження ніби сила інерції з’являється нізвідки, а точніше – в результаті взаємодії тіла з навколишнім простором.
Вирішуючи дану проблему, та не маючи підстав вважати простір (пустоту) певним матеріальним об’єктом (а в 17-му столітті таких підстав не було), геніальний Ньютон не випадково називає силу інерції «вродженою силою». Цією назвою він підкреслює факт того, що поява сили інерції обумовлена не взаємодією даного тіла з іншими тілами, а його вродженою, природною, якщо хочете божественною, здатністю протидіяти будь якій зміні швидкості руху самого тіла. При цьому Ньютон наголошує «Ця сила якщо і відрізняється від інерції маси (inertia massae), то лише поглядами на її природу». По суті це означає, що згідно з Ньютоном, сила інерції є такою ж природною, вродженою властивістю тіла, як і та його властивість яка називається інерцією і мірою якої є маса.
В певному сенсі, сила інерції не вписується в рамки загальноприйнятого визначення: «Сила – це міра взаємодії фізичних об’єктів». На цій підставі, від видання до видання, від покоління до покоління, від професора до професора, від академіка до академіка, переповідається нікчемна байка про те, що ніякої сила інерції не існує, і що ця надумана, віртуальна сила, то лише математична абстракція, яка дозволяє переходити від інерціальних систем відліку, до систем неінерціальних.
Звісно, можна скільки завгодно розповідати про віртуальність, надуманість та не справжність сили інерції. Можна скільки завгодно називати цю силу то безпричинною відцентровою, то силою бічною, то силою перевантаження, то силою Коріоліса, то даламберовою силою, то ейлеровою силою, ну і звісно ж – тією математичною абстракцією, яка дозволяє переходити від неінерціальних систем відліку до систем інерціальних. Можна скільки завгодно вигадувати якусь маячню на кшталт того, що Місяць не падає на Землю тому, що Земля знаходиться в інерціальній системі відліку, а Місяць – в неінерціальній. Однак від цього маячня не перестає бути маячнею, а сила інерції не перестає бути реально існуючою силою.
Бо всі ці системи відліку, то ж лише зручний спосіб наукового описання тих подій які відбуваються у Всесвіті. Бо Всесвіту, тим об’єктам які в ньому знаходяться і тим подіям які в ньому відбуваються, начхати, наплювати, на всі наші інерціальні, неінерціальні та які завгодно системи відліку. Бо ці об’єкти і ці події, існують та відбуваються не тому що є певні системи відліку, а тому що у Всесвіті діють певні, об’єктивні закони Природи. А у відповідності з цими законами, на будь-який фізичний об’єкт масою m, що рухається з прискоренням а неминуче діє певна сила інерції, яка дорівнює добутку маси тіла на його прискорення і яка направлена в сторону протилежну від прискорення: Fi = –ma.
Бо подобається нам чи не подобається, розуміємо ми чи не розуміємо, а в інерціальних і неінерціальних системах відліку, всі фізичні процеси відбуваються абсолютно однаково. Подобається нам чи не подобається, розуміємо ми чи не розуміємо, а сила інерції не менш реальна і не менш фундаментальна ніж та, яку називають силою гравітаційної взаємодії. Це вам каже не рядовий викладач фізики провінційного металургійного коледжу, а великий Ейнштейн і та фундаментальна система знань, яка називається загальною теорією відносності. Це вам стверджують ті базові, фундаментальні закони Природи, які називаються принципами загальної теорії відносності. А ці принципи наступні.
- Загальний принцип відносності: в інерціальних та неінерціальних системах відліку, всі фізичні процеси відбуваються абсолютно однаково.
- Загальний принцип постійності швидкості світла: в інерціальних та неінерціальних системах відліку, ніякі взаємодії і ніякі інформаційні сигнали, не можуть поширюватися з швидкістю, більшою за швидкість світла у вакуумі.
- Принцип еквівалентності: силові прояви гравітації та інерції еквівалентні.
Твердження про те, що силові прояви гравітації та інерції еквівалентні означає, що сила інерції, це не просто реально існуюча сила, а така сила, яку в принципі не можливо відрізнити чи відділити від сили гравітаційної. Скажімо та сила, яку ми називаємо силою тяжіння і яку визначаємо за формулою Fт = mg, є результуючою двох сил: сили гравітаційної взаємодії даного тіла з Землею (Fгр = GMm/R2) та діючої на те ж тіло сили інерції (Fі = –mад), поява якої обумовлена добовим обертанням Землі. І відрізнити, відділити, відокремити ці сили принципово не можливо. Не можливо створити такий прилад, який би реагував на силу гравітаційної взаємодії тіла з Землею і не реагував на ту силу інерції, яка обумовлена фактом обертання цього тіла навколо земної осі.
Факт еквівалентності гравітаційних та інерційних взаємодій означає, що Місяць не падає на Землю не тому, що існують якісь системи відліку, а тому, що на Місяць, окрім тієї сили яка називається силою гравітаційної взаємодії (Fгр = GMm/ℓ2), діє не менш реальна сила, яка направлена в сторону протилежну від доцентрового прискорення Місяця, і яка називається силою інерції (F = –mад). І відрізнити, відділити, відокремити ці сили принципово не можливо.
Мал.6. Місяць не падає на Землю не тому, що існують якісь системи відліку, а тому що на нього діють дві рівні за величиною і протилежні за напрямком сили, які динамічно урівноважують одна одну.
Варто зауважити, що сила інерції має певні умовно антигравітаційні властивості. Адже саме сила інерції протидіє гравітаційному падінню Місяця на Землю. Саме сила інерції протидіє гравітаційному падінню Землі та інших планет на Сонце. Саме сила інерції визначально протидіє тому, щоб під дією сил гравітаційного притягування, зірки галактик не опинялися в їх центрах мас, а системи галактик не перетворювалися на гігантські супер галактики. Антигравітаційні властивості сили інерції, органічно доповнюють однобічно притягувальні властивості гравітаційних сил, та забезпечують гармонічну цілісність інерційно-гравітаційних взаємодій.
А що стосується отого «не існує того фізичного об’єкту, взаємодія з яким призводить до появи діючої на тіло сили інерції», то в реальності такий об’єкт існує і називається простір-час Всесвіту. Бо простір-час, то ж не безкінечна, безструктурна, вічна пустота, яка не має жодних властивостей, окрім властивості бути тією безкінечною, безструктурною, вічною пустотою, в якій знаходиться певна сукупність матеріальних об’єктів та відбуваються певні події.
Простір-час Всесвіту, це надзвичайно складний, багатогранний, багатофункціональний фізичний об’єкт, параметри і властивості якого, певним чином залежать від тих речовинних об’єктів які знаходяться в цьому просторі-часі, та тих подій (рухів) які відбуваються в ньому. Певними ж проявами цих властивостей є гравітаційні, електричні та магнітні поля, електромагнітні та гравітаційні хвилі, видиме світло, інфрачервоне, ультрафіолетове, рентгенівське та гама випромінювання, тощо.
Знаєте, Всесвіт влаштований таким дивним чином, що в ньому найпростіші об’єкти є найскладнішими. Найскладнішими в тому сенсі, що практично не можливо уявити та пояснити як вони влаштовані. Скажімо у Всесвіті нема нічого простішого за світло. Адже світло, в мільярди разів простіше за те скло через яке воно потрапляє у вашу кімнату. І тим не менше, на питання «що таке світло?» відповідають чотири великі розділи «Оптики», а по суті – чотири науки. При цьому: Геометрична оптика обгрунтовано стверджує, що світло – це потік світлових променів. Хвильова оптика, не менш обгрунтовано наполягає на тому, що світло – це потік світлових (електромагнітних) хвиль. Квантова оптика, обгрунтовано доводить, що світло – це потік світлових частинок (фотонів). А фотометрія наполягає на тому, що світло – це потік світлової енергії.
Ви все життя будете вивчати властивості світла, знатимете про світло все що тільки можна знати, і в той же час не матимете певного уявлення про те, як воно влаштовано і на що схоже. Бо промінь – це щось пряме, а хвиля – щось хвилясте. Бо хвиля – це щось неперервне і певним чином розподілене у просторі, а частинка – щось дискретне і зосереджене в певному місці. І уявити те, що є частинкою-хвилею-променем одночасно, практично не можливо. Бо нічого подібного в тому макросвіті який ми бачимо, відчуваємо та аналізуємо, просто не існує.
І тим не менше, світло реально існує і має той набір властивостей який має. Бо в одних обставинах веде себе як потік променів, в інших – як потік хвиль, а в третіх – як потік частинок. І можна скільки завгодно говорити про те, що вам це не подобається, що такого не може бути, що це суперечить здоровому глузду. Однак від цього реальність не стане іншою, а властивості світла не стануть такими, що вам подобаються та не суперечать вашому «здоровому глузду».
Тепер уявіть наскільки складним та багатогранним є той фізичний об’єкт, який прийнято називати простором-часом Всесвіту. Адже те, що ми називаємо світлом, то лише один з незліченних проявів простору-часу. Бо всі ці гравітаційні електромагнітні, мезонні, гіперонні, глюонні та інші поля, всі ці електромагнітні та гравітаційні хвилі, всі ці інфрачервоні, світлові, ультрафіолетові, рентгенівські та гама випромінювання, а зрештою і все різноманіття елементарних частинок, а отже і ми з вами – то ж певні енергетичні збурення того, що називається простором-часом.
По суті простір-час такий же матеріальний як і ті об’єкти та явища які є певними проявами цього простору-часу. Більше того, в загальній теорії відносності стверджується, а експериментальними фактами підтверджується, що те, що ми називаємо матерією, рухом (подіями), простором та часом – то ж нерозривно взаємопов’язані частини єдиного цілого. Цілого, в якому параметри матерії (m), часу (t) і простору (ℓ), певним чином залежать від параметрів руху (v). А параметри руху, простору і часу, певним чином залежать від параметрів матерії. В якому матерія, мірою якої є маса і рух мірою якого є енергія, то дві різні назви одного і того ж – мас-енергії. В якому простір і час, то одна і та ж сутність – простір-час. В якому те, що називається матеріальним і що складається з атомів, молекул та елементарних частинок, по суті є певною сукупністю енергетичних збурень (флуктуацій) простору-часу. В якому матерія у вигляді речовини перетворюється в матерію у вигляді збуреного простору-часу (поля) і навпаки.
Важливим же проявом цього єдиного цілого, є та сила інерції яка однаковим чином діє у всіх куточках Всесвіту і на всі об’єкти цього Всесвіту, починаючи від елементарних частинок і закінчуючи галактиками та системами галактик. При цьому практично нема сумніву в тому, що тим об’єктом, взаємодія з яким призводить до появи сили інерції, є певне інерційне поле Всесвіту, джерелом якого є його загальна мас-енергія.
Іншими словами, подібно до того, як електричний заряд створює те силове збурення простору-часу яке називається електричним полем; подібно до того, як заряд що рухається створює те силове збурення простору-часу яке називається магнітним полем; подібно до того, як маса створює те силове збурення простору-часу яке називається гравітаційним полем; загальна мас-енергія Всесвіту створює те силове збурення простору-часу яке називається інерційним полем Всесвіту.
При цьому факт еквівалентності силових проявів гравітації та інерції, безумовно вказує на те, що подібно до того, як електричні і магнітні поля утворюють єдине електромагнітне поле, гравітаційні та інерційні поля утворюють єдине інерційно-гравітаційне поле.
Якщо ж говорити про механізм взаємодії прискорено рухомих мас з інерційно-гравітаційним полем Всесвіту, то він схожий на механізм взаємодії електричних зарядів з тим місцевим збуренням простору-часу яке називається електромагнітним полем: якщо електричний заряд рухається в електромагнітному полі, то у відповідності з законом електромагнітної індукції, неминуче виникає (індуцирується) сила, яка протидіє цьому руху. Щось подібне можна сказати і про механізм дії сили інерції: при взаємодії прискорено рухомого тіла (маси) з інерційно-гравітаційним полем Всесвіту, виникає (індуцирується) певна сила (сила інерції) яка протидіє прискореному руху тіла.
Мал.7. Якщо струмопровідне тіло рухається в магнітному полі, то у відповідності з законом електромагнітної індукції, неминуче виникає сила, яка протидіє цьому руху.
Подібно до того як електричні і магнітні поля створюються одним і тим же фізичним об’єктом – зарядом який рухається, загальне гравітаційне і загальне інерційне поля також створюються одним і тим же – загальною мас-енергією Всесвіту. Однак параметри та фізичні властивості цих полів є суттєво різними. Різними бодай тому, що параметри інерційного поля в усіх точках Всесвіту є однаковими, а параметри гравітаційного поля в різних точках Всесвіту різні і такі, що визначально залежать від концентрації речовини в околицях відповідної точки.
Коли ми стверджуємо, що в усіх точках Всесвіту, параметри інерційного поля є однаковими, то маємо на увазі факт того, що величина діючої на прискорено рухоме тіло сили інерції, не залежить від точки знаходження цього тіла у Всесвіті і визначається лише добутком маси тіла на його прискорення: Fі = –m·a. Якщо ж мова йде про гравітаційне поле, то його параметри в різних точках Всесвіту є різними. Різними в тому сенсі, що величина діючої на тіло гравітаційної сили залежить від місцезнаходження цього тіла, і визначається добутком маси тіла на ту величину яка називається напруженістю гравітаційного поля (g) у відповідній точці Всесвіту: Fгр = m·g.
По суті факт того, що параметри гравітаційного поля в різних точках різні, дозволяє охарактеризувати гравітаційне поле в тій чи іншій точці Всесвіту певною системою фізичними величинами, зокрема: напруженістю гравітаційного поля (g = Fгр/mп) – силова характеристика поля, та потенціалом гравітаційного поля (φ = А1→∞/mп) – енергетична характеристика поля.
Факт же того, що параметри гравітаційного поля визначально залежать від наявності того масивного об’єкту який знаходиться в околицях відповідної точки, по перше візуалізує гравітаційні взаємодії, а по друге, дозволяє стверджувати, що дане тіло гравітаційно взаємодіє з іншим тілом, або з певною системою тіл. При цьому силу гравітаційної взаємодії (Fгр) визначають як таку, що залежить як від параметрів даного тіла (його маси m), так і від параметрів відповідного гравітаційного поля (напруженості поля g): Fгр = m·g.
Якщо ж мова йде про загальне інерційне поле, то його параметри у всіх точках Всесвіту є однаковими. В такій ситуації, ми візуально не бачимо той фізичний об’єкт, взаємодія з яким призводить до появи діючої на тіло сили інерції. Складається враження ніби поява цієї сили є безпричинною. А тим більше в ситуації коли величина сили інерції залежить лише від параметрів самого тіла: його маси (m) та прискорення (a): Fі = –m·a.
Та як би там не було, а практично нема сумніву в тому, що поява сили інерції не є і не може бути безпричинною. І скоріш за все цією причиною є індукційна взаємодія прискорено рухомої маси з інерційним полем Всесвіту. Взаємодія на кшталт тієї яка протидіє руху заряджених частинок в магнітному полі. Інша справа, що за відсутності будь яких змін (збурень, викривлень) в структурі інерційного поля, відсутності видимого джерела цього поля, відсутності точних відомостей про величину загальної мас-енергії Всесвіту та загальної поведінки цієї мас-енергії, надзвичайно важко кількісно охарактеризувати параметри відповідного інерційного поля.
Впроваджуючи ті фізичні величини які певним чином характеризують інерційне поле, варто звернути увагу на факт того, що та величина яка є силовою характеристикою гравітаційного поля, і яка називається напруженістю гравітаційного поля (g = Fгр/mп), має розмірність прискорення [g] = Н/кг = кг·(м/с2)/кг = м/с2. Це може означати, що те прискорення а, факт наявності якого призводить до появи діючої на тіло сили інерції (Fі = –m·a), можна розглядати як певну напруженість (а = –Fі/mп), того місцевого інерційного поля, яке створюється фактом прискореного руху тіла.
Варто звернути увагу і на те, що та величина яку ми називаємо кінетичною енергією (Ек = mv2/2), по суті певним чином характеризує енергетичні параметри сили інерції (Fі = –ma), а відповідно й інерційного поля. Адже сама по собі кінетична енергія тіла не виконує певну (зокрема механічну) роботу (А = F·s·cosα). Вона характеризує лише здатність рухомого тіла виконати роботу, тобто певну енергозатратну дію. Цю ж роботу виконує саме сила інерції. При цьому не важко довести, що величина виконаної силою інерції роботи, дорівнює Аі = mv2/2. Дійсно.
Задача. Тіло масою m, рухається з горизонтальною швидкістю v. При взаємодії з горизонтально розташованою пружиною, тіло деформує її і зупиняється. Визначити величину виконаної при цьому механічної роботи.
Дано:
m
v = v0
vк = 0
Аі = ?
Силове рішення задачі. По суті, тією силою яка виконує роботу по деформації пружини на величину s = Δℓ є та сила інерції (Fi = –ma), яка виникає в процесі гальмування тіла і яка фактично тисне на пружину та деформує її. Величину того прискорення з яким рухається тіло в процесі деформації пружини, можна визначити із кінематичних міркувань: Δℓ = (vк2 – v02)/2a = –v02/2a, звідси a = –v2/2Δℓ, де знак « – » вказує на те, що рух тіла є рівносповільненим (прискорення направлено в сторону протилежну від напрямку руху тіла, а отже сила інерції направлена в напрямку руху тіла).
Враховуючи, що напрям тієї сили яка виконує роботу (сили інерції) співпадає з напрямком деформації пружини, тобто що α = 0°; соs0° = 1, можна записати: Aі = Fі·s·cosα = m·a·Δℓ = m(v2/2Δℓ)Δℓ = mv2/2.
Відповідь: Aі = mv2/2.
Не варто забувати і про те, що на відміну від сил гравітаційних, електромагнітних, сильних та слабких взаємодій, які визначально проявляють себе лише в певних ситуаціях, сили інерційних взаємодій в однаковій мірі діють як в масштабах галактик та їх систем, так і в масштабах земних тіл, атомів та елементарних частинок. При цьому скоріш за все, на рівні елементарних частинок інерційні взаємодії набувають квантового характеру. По суті це означає, що саме інерційні взаємодії можуть бути тією ланкою яка дозволить об’єднати гравітаційно-інерційні, електромагнітні, сильні та слабкі взаємодії в межах єдиної цілісної теорії.
І тут знову ж можна спертися на факт того, що в масштабах атомів, молекул та елементарних частинок, та величина яка опосередковано характеризує енергетичні параметри інерційних взаємодій, і яка називається кінетична енергія (Ек = mv2/2), прямо пов’язана з тією величиною яка називається температурою (Т), і яка є мірою середньої кінетичної енергії мікрочастинок речовини (Т = Екс/1,5k, де k = 1,38·10–23Дж/К).
Говорячи про теорію єдиного поля загалом та теорію інерційно-гравітаційного поля зокрема, не можу не згадати того видатного вченого, який є моїм безумовним кумиром в науці, і з якого власне все й почалося. А все почалося з Майкла Фарадея. Син коваля і прачки, офіційна освіта якого чотири класи початкової школи, завдяки своїй наполегливій праці та самоосвіті, досяг того, що наряду з Галілеєм, Ньютоном, Максвелом і Ейнштейном, входить в п’ятірку найвидатніших вчених всіх часів і народів. Так от, цей Фарадей, не маючи ґрунтовної математичної освіти, але глибоко відчуваючи та розуміючи ті причино-наслідкові зв’язки які існують між різними проявами Природи, що називається «на пальцях» десятиліттями безуспішно переконував світил тогочасної науки, в реальності існування та взаємопов’язаності тих невидимих фізичних об’єктів які називаються електричними і магнітними полями.
Не відомо як би склалася історія науки, якби не молодий шотландський вчений Джеймс Клерк Максвелл. На відміну від Фарадея, представник знатного шотландського роду Максвелл, отримав блискучу освіту. Ще будучи студентом, він зацікавився вивченням електричних і магнітних явищ. При цьому із всіх робіт на цю тему, юного Максвелла найбільше вразила книга «Експериментальні дослідження з електрики». Автором цієї книги і був Фарадей. Пізніше Максвелл писав: «Я твердо вирішив не читати жодної роботи з цієї тематики, допоки досконало не вивчу фарадеєвські «Експериментальні дослідження з електрики».
Ознайомившись з роботами Фарадея, юний Максвелл стає палким та переконаним послідовником його ідей – ідеї реальності існування та взаємопов’язаності електричних і магнітних полів. Прагнучи реалізувати ці ідеї, він ставить перед собою амбітну задачу: розкрити механізм електричних та магнітних взаємодій і довести, що в цьому механізмі роль посередника між взаємодіючими тілами виконує особливий матеріальний об’єкт який називається електромагнітним полем.
Вирішуючи це завдання, Максвелл вводить в наукову практику систему фізичних величин які певним чином характеризують електричні і магнітні поля. Записує відомі на той час закони електромагнетизму на мові цих фізичних величин. З’ясовує та усуває наявні в цих законах неточності і протиріччя. Доповнює систему відомих знань новими знаннями. І у підсумку, створює цілісну, математично та фізично бездоганну теорію електромагнітного поля. Теорію, яка фантастично розширила обрії сучасної науки і стала основою сучасної електронно-інформаційної цивілізації.
Не будучи бодай на мільйонну частину рівним Фарадею, все ж зауважу, що протягом щонайменше двох останніх десятиліть в своїх публікаціях, лекціях та підручниках, не втомлююся наполягати на тому, що сила інерції не менш реальна і не менш фундаментальна ніж сила гравітаційних взаємодії. Не втомлююсь наполягати на тому, що сила інерції є результатом індукційної взаємодії прискорено рухомих мас з інерційним полем Всесвіту. Не втомлююсь наполягати на тому, що інерційні та гравітаційні поля нерозривно пов’язані між собою, і що цей взаємозв’язком можна представити у вигляді відповідної наукової теорії – теорії інерційно-гравітаційного поля. І не маю сумніву в тому, що рано чи пізно теорія інерційно-гравітаційні поля, а разом з нею і теорія єдиного поля, дочекаються свого Максвелла.
11.02.2026.