Программа исследований

Физические идеи, основные результаты, направление дальнейших исследований

Исследования проводятся, главным образом, по проблеме электрона и по проблеме времени.

Проблема электрона, представляющая собой центральную проблему квантовой электродинамики (КЭД), может быть сформулирована следующим образом: из первых принципов построить непротиворечивую модель электрона, учитывающую опытные факты, т.е. отыскать динамическое уравнение, которое описывает внутреннюю структуру частицы, ее физические свойства, поведение и тем самым объясняет ту роль, какую она играет в электромагнитном взаимодействии.

Значение проблемы электрона хорошо выражают слова В. Томсона: 'Скажи мне, что такое электрон, и я объясню тебе все остальное'.

Стандартная формулировка КЭД исходит из предположения о том, что электрон - бесструктурная точечная частица. Это предположение приводит к серьезной трудности - расходимости собственной энергии электрона.

Еще одно затруднение стандартного подхода состоит в том, что квантовая механика неспособна объяснить стабильность электрона. Волновые пакеты, которые могли бы претендовать на роль волновых функций, описывающих поведение свободного точечного электрона, расплываются во времени, что противоречит опытному факту стабильности частицы.

Указанные выше трудности очень серьезны. Согласно П. Дираку, трудности КЭД 'ввиду их принципиального характера могут быть устранены лишь радикальным изменением основ теории, вероятно, столь же радикальным, как переход от теории боровских орбит к современной квантовой механике' ([1], с.403). 'Правильный вывод, - подчеркивает Дирак, - состоит в том, что основные уравнения неверны. Их нужно существенно изменить так, чтобы в теории вообще не возникали бесконечности'.

Детальный анализ проблемы показывает, что неизбежен отказ от представления о точечности электрона, причем ключом к решению проблемы электрона является учет кулоновского самодействия, т.е. обратного воздействия на частицу со стороны его собственного поля. Следует подчеркнуть, что учет самодействия автоматически ведет к тому, что электрон перестает быть точечным и уравнение движения становится нелинейным.

Одна из наиболее смелых идей, относящихся к проблеме электрона, была выдвинута Э.Шредингером. Ему принадлежит исторически первая физическая интерпретация квантовой механики, согласно которой величина

(e - заряд электрона, - его волновая функция) представляет собой пространственную плотность распределения заряда электрона и поэтому линейные размеры электрона порядка линейных размеров атома [2,3]. Эту интерпретацию, однако, не удалось обосновать, и она была отвергнута большинством физиков [4].

Интерес к шредингеровской интерпретации возродился в связи с новым подходом к исследованию радиационных явлений [5-7]. Важный шаг к правильному пониманию физической природы электрона сделан А. Барутом с сотрудниками [6,7], которые сформулировали и развили квантовую теорию электромагнитных процессов (the Self-Field QED), основываясь на картине собственной энергии. Используя выражение для полной собственной энергии электрона, им удалось получить лэмбовский сдвиг и другие радиационные поправки и показать, что радиационные явления могут быть описаны с помощью функции действия без привлечения метода вторичного квантования. Как указывает Барут [5], 'правильным квантовым уравнением движения реального электрона является не уравнение Дирака или уравнение Шредингера для 'голого' электрона, а уравнение, содержащее дополнительный нелинейный член собственной энергии'.

Новый подход к решению проблемы электрона предложен в работах [8-13]. Здесь рассматривается формулировка электродинамики, представляющая собой синтез общепринятой квантовой электродинамики и идей теории самоорганизации [14].

Физический механизм самоорганизации электрона состоит в самодействии - обратном действии на частицу создаваемого ею в окружающем пространстве собственного поля, которое в частном случае частицы, покоящейся в некоторой инерциальной системе отсчета, превращается в статическое кулоновское поле. Сущность развиваемого подхода заключается в том, что собственное поле, создаваемое электроном, рассматривается как врожденное, неотъемлемое физическое свойство электрона, внутренне присущее частице по самой природе вещей, и поэтому собственное поле и самодействие включаются в определение частицы на самом начальном этапе построения теории. Это значит, что в качестве исходного, нулевого приближения используется не 'голая' частица, изолированная от ее собственного электромагнитного поля, а частица, способная порождать собственное поле и испытывать с его стороны обратное влияние.

С математической точки зрения учет обратной реакции на электрон со стороны поля, порождаемого им самим, приводит к нелинейности динамического уравнения, описывающего поведение электрона. Следовательно, электрон является самоорганизующейся системой, физические свойства, геометрическая форма и размеры которой определяются самосогласованно из решений основного уравнения динамики. Электрон предстает как квант (элементарное возбуждение) поля самодействующей электрически заряженной материи.

Поскольку собственное поле, порождаемое электроном в окружающем пространстве, является дальнодействующим, окружение электрона превращается в физическую среду, которая может влиять на поведение частицы. Ввиду дальнодействующего характера кулоновских сил, электрон оказывается неразрывно связанным со средой, которую сам же создает, и превращается, таким образом, в открытую, неизолированную систему. В некотором смысле вся Вселенная принимает участие в формировании электрона. Наглядной картиной электрона как открытой системы может служить паутина силовых линий собственного поля частицы, которые, исходя из электрона, окутывает все тела во Вселенной, наделяя пространство физическими свойствами.

Следует подчеркнуть, что в основе всей современной физики лежит модель изолированной системы, использование которой отражает глубоко укоренившееся в умах физиков представление о том, что физическая система может существовать сама по себе, в отрыве от окружающего мира (какой бы ни была физическая система, если ее изолировать от окружающей среды, она не утратит своей индивидуальности). Однако природа устроена, по-видимому, так, что элементарные кирпичики мироздания (например, электроны), из которых образуются материальные тела, являются принципиально неизолированными системами. Физическая сущность открытой системы состоит в том, что она неразрывно связана с окружающим миром и своим поведением и физическими свойствами обязана взаимодействию с ним [15].

Итак, электрон является открытой самоорганизующейся системой, представляющей собой квант (элементарное возбуждение) поля самодействующей электрически заряженной материи. Порождая собственное поле в окружающем пространстве, электрон тем самым наделяет пространство (и время! - в силу неразрывной связи между пространством и временем) физическими свойствами.

Так как открытая система обладает более богатым физическим содержанием по сравнению с изолированной, то для ее описания нужно привлечь существенно новые физические идеи. Прежде всего, для описания открытой системы нужно увеличить число независимых динамических переменных. В самом деле, электрон как открытую систему можно представить себе состоящим из двух частей - собственно частицы и окружения, взаимодействующих между собой. Следовательно, нужно ввести динамические переменные, относящиеся к собственно электрону, и динамические переменные, относящиеся к окружению. В наших работах [8-13,15,16] рассмотрен простейший вариант теории, в котором каждой динамической переменной , фигурирующей в стандартном подходе, ставятся в соответствие две переменные: и ( относится к собственно электрону, а - к окружающей частицу среде), причем величины и интерпретируются как компоненты волновой функции электрона.

Кроме того, систему нужно подчинить условию открытости, выражающему собой требование неразрывной связи собственно частицы с окружением (неотделимости частицы от порождаемой ею среды). Условие открытости можно сформулировать следующим образом: открытая система должна иметь смысл лишь в том случае, если имеются одновременно обе компоненты - собственно частица и окружение, причем эти компоненты должны быть равноправными. В развиваемом подходе выполнение условия открытости обеспечивается тем, что пространство волновых функций с положительно определенной квадратичной формой заменяется пространством с индефинитной метрикой

(1)

В работах [9,11-13] из принципа действия выведено основное уравнение динамики, учитывающее принцип относительности и описывающее самодействующий электрон как открытую самоорганизующуюся систему. Это уравнение имеет вид (для компоненты ):

(2)

где - 4-вектор, и - вихревая и потенциальная компоненты 4-вектора , и - матрицы Дирака, - тензор электромагнитного поля, . По внешнему виду это уравнение совпадает с обычным уравнением Дирака для заряженной частицы во внешнем поле, описываемом 4-потенциалом. Однако в действительности оно существенно отличается от уравнения Дирака. Различие состоит в том, что предложенное уравнение является нелинейным и нелокальным, причем нелокальность имеет как пространственный, так и временной характер. Потенциальная () и вихревая () компоненты 4-потенциала, входящего в уравнение, отличаются друг от друга по своей физической природе: первая описывает кулоновское поле и выражается квадратично через компоненты волновой функции электрона, а вторая описывает поперечные электромагнитные волны и однозначно выражается через электромагнитные поля. Эти две существенно различные по своей природе величины объединяются в нашей теории в единый 4-вектор.

Анализ решений основного уравнения динамики показывает, что они описывают локализованные в пространстве сгустки самодействующей электрически заряженной материи, т.е. электрон является солитоном [16].

Спектр внутренней энергии электрона дискретный с бесконечно большим числом уровней, причем каждому значению внутренней энергии отвечают определенные размеры пространственного распределения заряда частицы и определенная геометрическая форма. С увеличением увеличиваются размеры и число экстремумов волновой функции [8,16].

Распределение электрического заряда электрона в основном состоянии состоит из области основной локализации с линейными размерами порядка боровского радиуса и хвоста, простирающегося до бесконечности. Существенно, что из-за нелинейности динамического уравнения электрона волновая функция не подчиняется принципу суперпозиции. В силу этого электрон приобретает свойства абсолютно твердого тела: возмущение, испытываемое электроном в момент времени в области основной локализации, в следующий момент становится известным на любом расстоянии от нее.

Отметим также, что в работах [8-13,16]

• получено обобщение известного соотношения Эйнштейна , учитывающее уровни внутренней энергии атома;
• показано, что атом представляет собой систему взаимодействующих между собой ядерного и электронного солитонов; подробно исследован атом водорода;
• показано, что спектр внутренней энергии атома водорода, обусловленный электромагнитным взаимодействием, имеет зонный характер;
• исследованы релятивистские уравнения движения и рассмотрены позитронные состояния; показано, что уровни энергии позитронов находятся внутри запрещенной зоны вблизи границ с континуумом;
• проведено вторичное квантование поля самодействующих электрически заряженных частиц;
• исследовано поведение самодействующего электрона во внешнем электромагнитном поле; получены и исследованы нестационарные состояния электрона во внешнем поле;
• получено обобщение теорем Эренфеста на случай самодействующего электрона, взаимодействующего с внешним полем;
• построена теория возмущений, как стационарная, так и временная, для уравнения самодействующего электрона.

Наличие зонной структуры спектра внутренней энергии атома водорода объясняется следующим образом. Свободное ядро, из-за существования кулоновского самодействия, имеет дискретный спектр внутренней энергии. Так как взаимодействие ядра с электроном мало по сравнению с энергией кулоновского самодействия ядра, то его можно учесть по теории возмущений. Отсюда сразу же следует, что каждый уровень энергии свободного ядра расщепляется в зону. Возникает бесконечно много зон и в каждой имеется бесконечно много уровней энергии.

Согласно общепринятой в настоящее время точке зрения, скорость света в вакууме является максимально возможной скоростью передачи сигнала, существующей в природе. Этот вывод сформулирован А. Эйнштейном (1907 г.) как следствие специальной теории относительности следующим образом: ' ... не существует никакого способа посылать сигналы, которые распространялись бы быстрее, чем свет в пустоте' (см. [17], с. 157).

Вместе с тем астрономические наблюдения, проведенные Н.А.Козыревым и др. [18-21], показали, что в природе существует механизм дистанционного взаимодействия, происходящего со сверхсветовой скоростью. Выводы Козырева получили подтверждение исследованиями, проведенными в Новосибирске под руководством акад. М.М. Лаврентьева и И.А. Егановой [22,23], а также в Киеве под руководством А.Ф. Пугача [24].

При анализе проблемы происхождения сверхсветовых сигналов мы исходим из представления о том, что в природе существуют физические носители таких сигналов. Очевидно, что таким носителем не могут быть электромагнитные волны, поскольку они являются потоком фотонов, скорость которых равна скорости света в любой инерциальной системе отсчета. Исследование показывает, что физическим носителем сверхсветовых сигналов может быть собственное поле электрона [25-28].

Хотя собственное поле и подчиняется системе уравнений Максвелла, оно не являются независимой степенью свободы электромагнитного поля и качественно отличается от поля фотонов, будучи неразрывно связанным с порождающим его электрическим зарядом. Его следует трактовать как врожденное, неотъемлемое физическое свойство, внутренне присущее электрону.

Собственное поле имеет двойственный характер: с одной стороны, собственное поле подчиняется уравнениям Максвелла и поэтому является электромагнитным полем, а с другой - оно порождается заряженной частицей и не может существовать в ее отсутствие, т.е. представляет собой в некотором смысле составную часть частицы. Последнее приводит к тому, что по своим физическим свойствам собственное поле частицы существенно отличается от поля электромагнитных волн: оно является полем стоячих волн материи, жестко связанных с частицей, имеет чисто классический характер и не может быть сведено к совокупности фотонов. Образно говоря, силовые линии собственного поля электрона как бы образуют паутину, которая тянется от частицы, обволакивая все тела во Вселенной. Это и есть среда, создаваемая частицей, его своеобразная аура, превращающая частицу в открытую систему. Одно из физических свойств этой среды состоит в том, что она способна мгновенно передать сигнал (информацию) о возмущении, происходящем в некоторой точке пространства, на сколь угодно большое расстояние. Это значит, что среда, порождаемая электроном, приобретает свойства абсолютно твердого тела.

Чтобы уточнить физический механизм, лежащий в основе сверхсветовой передачи информации собственным полем частиц, обратимся к последовательной квантовой теории, учитывающей самодействие. Согласно этой теории, электрон - это солитон, т.е. такой сгусток поля заряженной материи, который обладает свойствами абсолютно твердого тела (из-за невыполнения принципа суперпозиции). Это сложная динамическая система, состоящая из области основной локализации, хвоста, простирающегося до бесконечности, и собственного поля. Наличие хвоста проявляется в том, что плотность заряда самодействующего электрона оказывается отличной от нуля (хотя и весьма малой по величине) далеко вне области основной локализации частицы. Если в некоторый момент времени в области основной локализации частицы возникает возмущение, то благодаря тому, что хвост и дальнодействующее собственное поле подобны среде, обладающей свойствами абсолютно твердого тела, это возмущение немедленно ощущается на любом расстоянии от указанной области. Аналогичным образом, если в этой области происходят колебания плотности заряда, то с помощью хвоста и собственного поля информация о них мгновенно передается на любые расстояния. В этом и проявляется свойство абсолютно твердого тела, присущее электрону. Существует, таким образом, эффект благодаря которому мир мгновенно узнает о любом событии, происшедшем с электроном: каким бы ни было внешнее воздействие на электрон, возникающее в ограниченной области пространства в момент времени , в следующий момент об этом воздействии становится известно всей Вселенной. Подчеркнем, что мгновенные сигналы неразрывно связаны с процессами самоорганизации, приводящими к тому, что частица становится пространственно протяженной системой. В случае точечной частицы этот эффект отсутствует.

Поперечное вихревое электромагнитное поле состоит из двух компонент - электромагнитных волн и собственного поля заряженных частиц, существенно отличающихся друг от друга по своим физическим характеристикам. Двум компонентам электромагнитного поля отвечают два механизма передачи сигнала (информации): (1) передача сигнала через посредство собственного поля заряженных частиц, представляющего собой стоячие волны материи, жестко связанные с частицами и идущие от них на бесконечность или к другим частицам; собственное поле может передавать возмущения как со скоростью света, так и мгновенно; (2) передача сигнала со скоростью света с помощью электромагнитных волн, излучаемых частицами при их ускоренном движении и отрывающихся от частиц. Оба эти механизма действуют одновременно, как бы дублируя друг друга.

Согласно уравнениям Максвелла, напряженность электрического поля в точке , порождаемого 4-током , определяется формулой

(3)

Функция Грина описывает распространение сигнала из точки в точку со скоростью света (механизм 2), сверхсветовая же передача сигнала описывается 4-плотностью тока и заряда , если только частица является пространственно протяженной (механизм 1). Последний механизм отсутствует в случае точечной частицы.

Существование мгновенных сигналов с необходимостью следует как из законов электродинамики, так и из самых общих соображений. Поскольку собственное поле электрона неотделимо от частицы, то электрон и его собственное поле нужно рассматривать как единую физическую систему. Ввиду дальнодействующего характера собственного поля, эта система заполняет все пространство. Чтобы такая система была стабильной, необходимо существование физического механизма, связывающего ее части в единое целое. Таким механизмом и является, по-видимому, мгновенная передача информации через посредство собственного поля. Эти же соображения естественно распространить и на Вселенную: ввиду дальнодействующего характера гравитационного поля, Вселенная не могла бы существовать в отсутствие возмущений, передающихся мгновенно и связывающих воедино ее части.

Как известно, необходимым условием существования волн является наличие среды, способной переносить колебания из одной точки пространства в другую. Такой средой для электромагнитных волн и является, по-видимому, собственное поле, которое подобно упругим нитям, связывающим электрические заряды с окружающей средой и наделяющим ее свойствами абсолютно твердого тела. Эти нити неотделимы от заряженной частицы, не имеют фотонной структуры и поэтому их невозможно уничтожить, не уничтожив саму частицу, с которой они связаны. При ускоренном движении заряженной частицы от ее собственного поля отщепляется поле фотонов. Можно показать, что при этом вихревое собственное поле частицы деформируется и перестает быть аксиально симметричным.

Сделанный нами вывод о возможности сверхсветовой передачи сигнала с помощью собственного поля заряженных частиц находится в явном противоречии с общепринятой точкой зрения, которая была впервые сформулирована А. Эйнштейном как следствие специальной теории относительности [17]. Следует подчеркнуть, однако, что проблема причинно-следственной связи между двумя событиями - это проблема динамики, ибо речь идет о передаче взаимодействия от одного события к другому. Следовательно, она может быть решена только путем анализа решений уравнений движения, подчиняющихся надлежащим граничным условиям. Оставаясь в рамках кинематики, решить проблему причинно-следственной связи принципиально невозможно. Рассуждения, на основании которых обычно делается вывод о невозможности сверхсветовых сигналов [17], не касаются динамики вовсе и поэтому вывод о невозможности сверхсветовых сигналов не является обоснованным.

В работе [27] на примере осцилляций частицы установлено существование нового физического явления - явления относительности физических процессов, вызванных сверхсветовыми сигналами: если наблюдатели, находящиеся в движущихся друг относительно друга инерциальных системах отсчета, регистрируют событие, вызываемое в какой-либо точке сверхсветовым сигналом, то их точки зрения на это событие могут быть существенно различными. В частности, для одного из них событие может происходить в момент наблюдения, а для другого - оказаться пустым, если только с его точки зрения вызывающее его событие еще не произошло.

Существование сверхсветовых сигналов не противоречит СТО. Носителем сверхсветовых сигналов является собственное поле электрона (и других электрически заряженных частиц), которое представляет собой стоячие волны материи и имеет классическую (нефотонную) природу. Собственные поля частиц и тел образуют физическую среду, обладающую свойствами абсолютно твердого тела и способную передавать со сверхсветовой скоростью информацию о физических процессах. Результаты работы существенно дополняют и развивают общепринятые представления о пространстве и времени.

Проблема времени нас интересует, главным образом, с точки зрения физики. Мы исходим из того, что время неотделимо от пространства и что физические свойства пространства-времени проявляются не иначе, как через взаимодействие полей и частиц, существующих в природе. Поскольку наиболее разработанной частью естественных наук является в настоящее время квантовая электродинамика (КЭД), то, очевидно, на основе исследований в области КЭД физическую сущность времени можно выявить наиболее полно и глубоко.

Вопросом о том, что такое время, каково физическое содержание понятия времени, зависит ли темп времени от материальных процессов, интересовались многие мыслители. Вот некоторые высказывания:

Время есть мера движения и само измеряется движением небесных тел.

Время дано, и оно не подлежит обсуждению. Обсуждаешься ты, разместившийся в нем.

Абсолютное, истинное и математическое время само по себе и в силу своей природы протекает равномерно и безотносительно к какому-нибудь другому объекту :

События не только существуют во времени, но и происходят с его участи