В первой статье мы рассказали про взрыв Челябинского метеорита и взрыв при выстреле из пушки Рельсотрон, которая стреляет без пороха. При этом не изменяется ни радиация, ни химический состав в воздухе. Удивительное явление, ведь нас учили, что взрыв может быть вызван или химической или ядерной реакцией, а здесь мы наблюдаем "чистый взрыв". Взрыв метеорита похож на взрыв газового баллона с кислородом, и также представляет собой фазовый переход первого рода.
Что такое фазовый переход? Обычно фазовый переход связывают с изменением агрегатного состояния вещества, например, вода-лед или вода-пар. Известно, что фазовые переходы связаны с изменением симметрии вещества. Основоположником современной теории фазовых переходов является Ландау. Однако, в случае с взрывом, изменяется симметрия не вещества, а изменяется симметрия поля взаимодействия (тензора дисторсии). В молнии поле взаимодействия переходит из пассивного материального состояния в активное состояние, что в итоге приводит к высокотемпературной плазме (см. ниже). Мы уже показывали, что взрыв газового баллона и молния в грозовом облаке подобны.Теперь нам надо показать, что взрыв метеорита подобен молнии.
В статье было показано, что фазовый переход разрушения сплошной среды, типа молнии, происходит при критическом значении поля плотности дислокаций. Поле дислокаций проникает в сплошную среду и поэтому наблюдается линейный дефект в воздухе заполненный плазмой, дислокация в сплошной среде так и определяется, как линейный дефект. С другой стороны, плотность дислокаций, по определению, это производная тензора дисторсии. Из закона Гука нам известно, что смещение пропорционально силе в сплошной среде при ее сжатии, или что тензор дисторсии (обобщение тензора деформаций) пропорционален тензору напряжений. Таким образом, плотность дислокаций в сплошной среде пропорциональна производным от компонент тензора напряжений.
Однако в воздухе тензор напряжений превращается в обычное давление. Следовательно, компоненты плотности дислокаций в воздухе пропорциональны обычным производным давления, которые являются компонентами силы, так как производные давления это и есть сила. Как известно, в результате разности давлений, или градиента давления, в атмосфере дует ветер. Получается, что если существует критическая плотность дислокаций, то существует и критическая сила, при действии которой на сплошную среду должна произойти молния! Согласитесь, что это похоже на научную фантастику!
Но на этом мы не будем останавливаться. Что происходит, когда сила действует на газ? Очевидно, что газ ускоряется. Зная критическую силу, можно вычислить критическое ускорение в газе. После подстановки силы в выражение для плотности дислокаций, мы получим простое выражение: что компоненты критической плотности дислокаций равны компонентам критического ускорения, деленным на скорость звука в квадрате. Можно легко проверить, что физические размерности у этих выражений совпадают. Таким образом, мы только что доказали, что в воздухе (или газе) существует критическое ускорение, приводящее к разрушению сплошной среды типа молнии.
Критическое значение плотности дислокаций вычисляется из термодинамики, когда состояние молнии энергетически более выгодное, чем состояние сплошной среды. Получается, что если очень быстро или сильно разогнаться, то можно взорваться и сгореть, как в молнии! Активное состояние фононного поля (или тензора дисторсии) будет энергетически более выгодное, чем пассивное состояние, в котором выполняется закон Гука. Закон Гука, по сути дела, и определяет сплошную среду: это состояние в котором есть звук или фононное поле пассивное, и в котором не может быть дырок – тех самых дислокаций в виде трещин, ведь сплошная среда "не терпит" пустоты. По-простому говоря, это состояние, в котором мы живем. Мораль: нельзя быстро ездить, можно взорваться и сгореть.
Как говориться, в каждой шутке есть доля шутки. Критическая плотность дислокаций обратно пропорциональна корню квадратному из плотности сплошной среды. Это означает, что на высоте 70-80 км над поверхностью Земли критическое ускорение в 100 раз меньше чем на Земле, и на этой высоте надо замедляться, чтобы не привести воздух к критическому ускорению и не взорваться. Например, спускаемым космическим аппаратам чтобы не сгореть в, так называемых "плотных слоях атмосферы", надо притормаживать. И наоборот, чтобы гарантированно сгореть, перед падением на Землю, надо ускориться на высоте выше 100 км, это удобно для утилизации космических аппаратов. Мы уже говорили, что метеориты не могут искусственно замедляться, поэтому они и сгорают в "плотных слоях атмосферы"
Слои эти, конечно, не плотные, а скорее наоборот, очень разреженные. Плотность их в десять тысяч раз меньше по сравнению с плотностью воздуха на Земле, Это сравнение плотности даже не воздуха и воды, а плотности воздуха и ртути. Чтобы избежать фазового перехода в активное состояние фононного поля, надо не ускорять сплошную среду выше критического ускорения, при движении в ней. Поэтому спускаемые на Землю космические аппараты притормаживают на границе двух фаз – на высоте, где заканчивается северное сияние и начинается состояние сплошной среды, которое не пропускает внутрь себя плотность дислокаций. Плотность дислокаций – это те самые линейные дефекты в виде трубочек наполненных плазмой, которые мы видим во время молнии. Сплошная среда их не пропускает внутрь себя, потому что она – сплошная и "не терпит" пустоты в виде дырок. А выше 90-100 км атмосфера пропускает эти дырки-дислокации, но дискретно – в виде северного сияния.
Конечно, на поверхности Земли сгореть от критического ускорения воздуха, при разгоне, нам не грозит, потому что это ускорение очень большое, его легче достичь при резком торможении. При разгоне такое ускорение достигается, например, при выстреле из пушки. В технологических процессах, чтобы не допустить мини-взрыва ставят глушители, например на выхлопную трубу автомобиля. При этом надо не забывать, что всегда выполняется закон сохранения энергии. Какой кинетической энергией обладают выхлопные газы, соответственно, такой мощности и взрыв.
Очевидно, что большие метеориты обладают огромной кинетической энергией. Поэтому энергия взрыва их также огромна, взрыв челябинского и тунгусского метеорита тому подтверждение. Процесс перехода кинетической энергии в тепловую энергию за доли секунды – вот вопрос, на который мы сейчас попробуем ответить. Откуда появляется высокотемпературная плазма? Как Вы понимаете, этот вопрос не простой и "в лоб" не решается. Здесь нам опять поможет фазовое превращение. Грубо говоря, критическое ускорение, или критическое поле плотности дислокаций, это как искра для костра, потому что после фазового перехода начинают работать совсем другие законы физики. Давайте рассмотрим, что происходит после фазового перехода в активное состояние фононного поля.
Почему мы так боимся этого активного фононного поля, что в нем такого особенного? Дело в том, что фононный потенциал (или 4-тензор дисторсии) по своей структуре аналогичен 4-вектору электромагнитного потенциала, и так же как электромагнитное поле имеет две напряженности – вихревую и центрально-симметричную. Для электромагнитного поля это хорошо известные нам магнитная и электрическая напряженности, соответственно. Вихревую напряженность тензора дисторсии мы описали, с ней связаны плотность дислокации или линейные дефекты – трещины. А вот центрально-симметричная напряженность интересна тем, что она производит работу, когда действует на заряд, также как производит работу электрическая сила Кулона, например в электроприборах. Давайте посмотрим, какую работу производит центрально-симметричная сила фононного поля в воздухе. Для этого нам надо знать, что является зарядом для фононного поля.
Еще в 1982 году Кадич и Эделен проследили аналогию между теорией дислокаций и электродинамикой. Мы эту аналогию получили из минимума энергии, а здесь просто воспользуемся аналогией Кадича-Эделена. Из их теории следует, что существует аналогия между плотностью дислокаций и магнитным полем, а также между импульсом и электрическим зарядом, так как закон сохранения импульса аналогичен закону сохранения электрического заряда и представляет собой уравнение непрерывности в теории. Если мы знаем, что импульс – это заряд для фононного поля, то сейчас вместе с Вами "на пальцах" получим взрыв.
Рассмотрим самое простое первое приближение. Предположим, что центрально-симметричная напряженность фононного поля однородная и постоянная. Так как в сплошной среде она пропорциональна производной давления по времени, то в воздухе это скалярная величина. Итак, нам надо решить простую задачку: как будут двигаться молекулы воздуха (или газа) под действием постоянной скалярной напряженности фононного поля с импульсом, как зарядом. В этом случае, уравнение движения молекул газа имеет простой вид dPi/dt=PiE, где Pi – компоненты импульса, t – время, E – та самая, скалярная центрально-симметричная напряженность фононного поля – это просто число. Из школьного курса известно, что когда производная функции пропорциональна самой функции, то такое уравнение имеет решение в виде экспоненты. Но ведь экспонента – это есть самая быстрорастущая функция: Pi=Pioexp(Et). Именно ею и описывают взрывы (здесь Pio мы обозначили начальный импульс молекулы). Таким образом, экспоненту мы получили только из того знания, что заряд фононного взаимодействия – это импульс!
Так как поле E – пропорционально скорости фазового перехода или скорости проникновения плотности дислокаций в сплошную среду во время молнии, то это поле очень большое. Таким образом, показатель экспоненты в выражении для импульса: Pi=Pioexp(Et), будет огромным. Следовательно, даже за очень малый промежуток времени, за тысячные доли секунды, импульс всех молекул воздуха в активном фононном поле увеличивается на несколько порядков.
Что произойдет, если величина импульса каждой молекулы воздуха мгновенно увеличится, например в тысячу или миллион раз в объеме, где произошло разрушение сплошной среды, при этом направление импульса у каждой молекулы останется прежним? Очевидно, что это и есть взрыв! Ведь если соударения молекул были бы упругими, то импульс молекул возрастал бы неограниченно. Но этого не происходит, так как при определенной энергии молекулы начинают выбивать друг у друга электроны, соударения перестают быть упругими, и энергия взрыва переходит в энергию высокотемпературной плазмы и излучения, что мы и наблюдаем во время взрыва или молнии.
Ударная волна объясняется так же просто. Увеличение импульса всех молекул воздуха в некотором объеме приводит к резкому расширению газа, аналогичному взрыву воздушного шарика. Когда у Вас в одной области пространства импульс всех молекул увеличился на несколько порядков, а в соседней области – нет, то, очевидно, произойдет ударная волна. Так как фононное поле описывает звук в сплошной среде, то при его проникновении в сплошную среду в виде плотности дислокаций, мы слышим характерный звук, присущий всем разрушениям – громкий треск (слово треск произошло от слова трещина, обозначающее разрушение).
Высокая температура плазмы, следует из определения температуры в молекулярно-кинетической теории Ньютона. Чем выше кинетическая энергия молекул, тем выше температура. Здесь даже доказывать ничего не надо. Увеличение импульса молекул газа – это и есть увеличение температуры.
Если обратить внимание, как происходит взрыв грозового облака, то это может пролить свет на Большой Взрыв. Что нам известно про взрыв грозового облака? Этот взрыв был обусловлен неоднородной флуктуацией плотности и давления в некоторой области пространства. Действительно, грозовое облако растет, плотность его увеличивается, оно становится свинцовым, поднимается ветер, так как давление в облаке увеличивается, и оно взрывается – происходит молния. Молнии продолжаются до тех пор, пока грозовое облако не теряет критическую массу в виде осадков.
Если предположить, что аналогичная флуктуация плотности возникла где-то на ранних стадиях зарождения Вселенной, то такая неоднородность могла привести к взрыву. Чем больше неоднородность, тем сильнее взрыв. Как Вы видите, для взрыва ничего не надо, только флуктуация плотности и давления. Энергия берется из самого сжатия или неоднородности, ведь именно так взрываются газовые баллоны! Почему образовалось огромное давление в малой области пространства? На этот вопрос мы, вряд ли, сможем ответить. Но, что происходит после этого события, нам прекрасно демонстрирует взрыв баллона с нейтральным газом или взрыв типа молнии в грозовом облаке.
В сплошной среде, где есть конкуренция двух состояний, после взрыва состояние сплошной среды оказывается энергетически более выгодным состоянием, чем состояние с плазмой или активное состояние фононного поля. Поэтому взрыв прекращается и происходит обратный фазовый переход из активного состояния фононного поля в пассивное – материальное состояние. Это тот самый переход, который описал Хиггс: переход в состояние массивного бозона, когда фононное поле материализуется и превращается в давление. Но в космосе нет сплошной среды, поэтому тот Большой Взрыв, который был давно, до сих пор продолжается!
Если предположить, что в космосе существует очень-очень маленькое фононное поле, которое осталось от того Большого Взрыва, и которое разлетелось вместе с материей во все стороны Вселенной, то как будут двигаться звезды с планетами и целые галактики в этом фононном поле? Очевидно, они будут двигаться все по тому же закону экспоненты Pi=Pioexp(Et), Только теперь скалярное поле E, характеризующее плотность энергии фононного поля, здесь очень малая величина, в отличие от того момента, когда произошел Большой Взрыв. То есть, звезды и галактики будут как бы разлетаться друг от друга, также как при обычном взрыве разлетаются молекулы газа, так как импульс всех тел, даже в малом поле E, будет увеличиваться в сторону их же движения по экспоненте. Только показатель экспоненты будет очень малой величиной, поэтому эта экспонента будет практически равна единице.
Но ведь именно такую картину и наблюдают сейчас астрофизики, и не могут ее объяснить. Обнаружился этот разлет галактик с ускорением относительно недавно, в связи с появлением более точных измерительных приборов, используемых в астрофизике. Для объяснения картины, расширяющейся с ускорением Вселенной, физики предположили, что наша Вселенная заполнена "Темной энергией". Мы видим, что это обычная энергия фононного поля, плотность которой пропорциональна E в квадрате. Она аналогична плотности энергии электрического поля. При этом Большой Взрыв, который был давно, продолжается в космосе до сих пор, так как "тормозить его некому". Нет основания для фазового перехода в пассивное состояние фононного поля, так как нет сплошной среды, где фононное поле превращается в давление и как бы "отдыхает" – не разгоняет молекулы. В звуковой волне центрально-симметричная напряженность фононного поля E – равна нулю, поэтому работу она не производит (см. в следующей статье).
При этом энергия фононного поля в космосе – огромная величина. Чтобы ее вычислить надо очень малую плотность энергии фононного поля: E в квадрате, умножить на объем Вселенной, размеры которой измеряются в световых годах. Поэтому, в итоге, это будет огромная энергия. Здесь даже вычислять ничего не надо, достаточно просто ночью посмотреть на это небо.
Надеемся, что на этом закончится миф о существовании непонятной "Темной энергии", которая заполняет нашу Вселенную. Мы показали, что это обычный фононный потенциал или тензор дисторсии, который является таким же полем, как электромагнитный потенциал. В пассивном состоянии это поле превращается в давление и описывает звук в сплошной среде, а в активном состоянии действует на импульсы, как на заряд, и увеличивает их. Очевидно, что источником этого поля является импульс, как заряд, который возник при Большом Взрыве. Так как именно заряд задает поле взаимодействия, также как электрический заряд задает электрическое поле, например.
Материал основан на исследованиях физика Александра Брагинского. Продолжение следует.