Томский ученый вместе с коллегой внесли серьезное уточнение в Общую теорию относительности Эйнштейна
Профессор Томского политеха Игорь Шаманин и профессор, академик Российской академии наук Юрий Трутнев дали строгое теоретическое определение ранее объясненному только на уровне предположений явлению в физике — дефекту масс. Этот результат, по словам ученых, вносит серьезное уточнение в Общую теорию относительности Эйнштейна и в дальнейшем может помочь науке найти ответы на ряд еще не решенных вопросов, сообщает пресс-служба ТПУ.
«Феномен дефекта масс был обнаружен еще в начале XX века, на заре зарождения ядерной физики как науки. Сегодня ни один физик-ядерщик не сможет работать, не учитывая при своих расчетах дефекта масс. Суть феномена в следующем. Представьте себе 10 горошин одинакового размера и массы. Что будет, если слить их воедино? По логике вещей, мы должны получить одну большую горошину, масса которой будет равна сумме масс всех этих маленьких горошин. Однако, в ядерной физике, если несколько частиц сливаются в одну, масса этой новой частицы почему-то меньше, чем сумма масс всех образовавших ее частиц. Получается парадокс. Мы ведь знаем, что есть универсальный закон сохранения массы, согласно которому “Ничто не может произойти из ничего, и никак не может то, что есть, бесследно исчезнуть”. В таком случае, куда пропадает часть общей арифметической массы этих частиц? И почему при делении ядра атома суммарная масса ранее его составляющих вместе с массовым эквивалентом их энергии тоже оказывается меньше, чем изначальная масса этого ядра? Ответ на этот вопрос мы и постарались найти в своем исследовании», — рассказывает один из авторов научной статьи, профессор Отделения естественных наук Школы базовой инженерной подготовки ТПУ Игорь Шаманин.
Сейчас, по словам ученого, феномен дефекта масс существует как аксиома, без объяснений. Попытки дать ему определение ранее делались только в виде предположений, без формальных обоснований. Игорь Шаманин и его коллега Юрий Трутнев стали первыми, кому удалось показать математически, почему возникает феномен дефекта масс. Полученный результат согласуется с экспериментальными данными.
«Сначала мы построили математическую модель, получили определяющее соотношение, провели расчеты, а затем проверили свои результаты на самых легких ядрах. Это такие элементы, как, например, гелий. Мы выделили в составе этих ядер базовые пары взаимодействующих нуклонов, а дальше, пользуясь табличными экспериментальными данными по массе этих составляющих, соотнесли эту сумму с результатами своих расчетов. В результате, нам удалось показать, куда девается та самая “пропавшая” масса», — объясняет Игорь Шаманин.
Ученые выявили, что разница масс не исчезает. Она, как одна из форм существования материи, трансформируется в другую форму — энергию поля, которое образовано силами, формирующими конечную устойчивую физическую систему. Если интенсивность этих сил велика, то и дефект масс значителен.
Добиться успеха ученым удалось за счет того, что они провели свои расчеты вне свойств геометрии пространства-времени.
«В большинстве работ по теоретической физике, которые касаются теории гравитации и ядерной физики, почти аксиоматично полагается, что метрика пространства-времени определяет особенности протекания физических процессов. Мы же придерживались другой, менее популярной среди физиков теории, согласно которой именно физические процессы определяют локальную метрику пространства-времени», — уточняет Игорь Шаманин.
Метрика пространства-времени — это рабочий «инструмент» для физика, с помощью которого можно создать математический образ физического процесса, протекающего в пространстве-времени.
«Мы решили отойти от такой логики. Вместо этого просто брали отдельную локальную точку и работали с ней, вне свойств пространства-времени. Полученный нами результат подтверждает то, что именно протекание физических процессов определяет, какой будет локальная метрика пространства-времени. Возможно, объяснение этого феномена поможет нам в перспективе ответить и на ряд других нерешенных вопросов в теоретической физике», — говорит Игорь Шаманин.
Например, сегодня принято считать, что фотон — частица света — не имеет массы. Однако существуют предположения, что масса у фотона все-таки есть. Более того, он имеет внутреннюю структуру. Предложенный нами формализм поможет получить неоспоримый ответ на этот вопрос».
Кроме этого, добавляет он, наш подход может помочь в поиске ответов на вопросы существования темной материи и темной энергии. К примеру, вне свойств пространства-времени можно попробовать рассчитать массу всей темной материи во Вселенной.
«Еще одним интересным вопросом является открытие новых частиц. Мы знаем, что при столкновениях двух частиц на субсветовых скоростях практически всегда образуются новые. Сегодня существует множество элементарных частиц, их разделяют на разные виды. Однако, если принять во внимание то, что именно физические процессы влияют на структуру пространства-времени, а не наоборот, вполне вероятно, что мы открываем уже существующие частицы с измененной локальной метрикой пространства-времени. Это как смотреть на один и тот же объект с разных сторон. Справа он нам будет казаться одним, а слева — уже совсем другим….Конечно, наша работа не претендует на то, чтобы найти ответы на все нерешенные вопросы, но первый шаг сделан и, возможно, двигаясь дальше в этом направлении, мы узнаем еще немало интересного», — заключает Игорь Шаманин.
Результаты исследования опубликованы в журнале JP Journal of Heat and Mass Transfer (Q2, Scopus).
Пространство-время — это физико-математическая модель, описывающая понятие о среде, в которой пребывают все объекты изучаемого физикой мира. Это теоретическая конструкция, которая не является исчерпывающим описанием действительности, но, по возможности, приближается к ней наиболее полно. В настоящее время общепринятой теорией пространственно-временного континуума является описание Эйнштейна. Современная теория пространства-времени имеет четыре измерения, три из которых пространственные и одно временное. При этом координаты пространства и времени равноправны, и только от наблюдателя зависит, какая из них будет принята за систему отсчета. То есть, они взаимозаменяемы. Пространство-время имеет динамическую природу, а инструмент, с помощью которого измерения взаимодействуют с физическими телами и объектами – это гравитация.