главная страница список всех работ
Владимир Юровицкий
,
Дата: 22.03.1999
Юровицкий первым высказал мысль о необходимости
использования спинорного дальнодействия для
объяснения ряда наблюдаемых эффектов.) Полезно
отметить: генераторы В. Юровицкого спинорного
поля. Запатентован впервые в мире
Уже целый век продолжается одно из самых удивительных и вопиющих заблуждений физики.
Скажите, видел ли кто-нибудь на Земле, в космосе, на звездах, в квартире, в бане изотемпературное распределение по высоте? Ничего похожего не встречается нигде. Всегда с высотой или глубиной температура среды _ газообразной, жидкой, твердой, плазменной или еще какой меняется в самой сильной степени.
Везде, но только не в теоретической физике. В ней в качестве равновесного термодинамического распределения в гравитационном поле фигурирует именно изотемпературное распределение.
И столь фантастическое расхождение наблюдений и теории никого до сих пор не смущает.
Людвиг Больцман - злой гений термодинамики.
Кто же ввел в физику изотермическое термодинамически равновесное распределение в гравитационном поле? Увы, выдающийся немецкий ученый Людвиг Больцман целый век назад. И это его "доказательство" переписывается из одного учебника в другой, не замечая всей его ошибочности.
Газовая динамика в настоящее время достигла поразительнейших успехов. И вот в газовой термодинамике сначала тоже было введено предположение, что адиабатное (без притока тепла извне) газовое течение является изотермическим. Но механики (великий Эйлер) очень быстро сообразили всю ошибочность этого утверждения и ввели представление об изэнтропическом характере адиабатного газового течения. И после этого газовая динамика стала буквально королевой классической механики, столько прекрасных и глубоких результатов в ней получено, на основе которых конструируются паровые и газовые турбины, реактивные двигатели и многое другое.
Но разве неподвижность не есть частный случай движения, движения с нулевой скоростью? Ясно, что при этом не могут перестроиться законы природы. Значит, и при неподвижном состоянии газа или жидкости термодинамическое состояние должно быть изэнтропическим.
В отдельных случаях изэнтропическое состояние совпадает с изотермическим. Например, если газ расположен вне гравитационного поля, либо им можно пренебречь. Но там, где влиянием гравитационного поля нельзя пренебречь, там, естественно, термодинамически равновесным будет изэнтропическое, неизотермическое распределение. Казалось бы самые простые соображения.
Увы, в начале века Людвиг Больцман "открыл" свое распределение в гравитационном поле, приняв его изотермический характер. При этом он исходил из микроканонического распределения Гиббса, которое касается только распределения молекул, которые интенсивно взаимодействуют друг с другом. Но скажите, какое взаимодействие может иметься между молекулами в атмосфере на расстоянии километров, когда свободный пробег молекул равен микронам? Микроканоническое и макроканонические распределение совершенно разные вещи. Фактически из распределения Гиббса следует, что в объеме свободного пробега молекулы (на расстояниях нескольких микронов) температура должна быть постоянна, а в применении ко всей атмосфере это означает всего лишь непрерывность этого распределения.
Таким образом, правильное распределение в адиабатной атмосфере (а в первом приближении атмосфера адиабатна, тепловыми потоками можно пренебречь) есть изэнтропическое распределение. А распределение Больцмана является ошибочным.
Легко проверить это утверждение на нашей атмосфере, точнее, на ее нижнем слое _ тропосфере. В метеорологии давно пользуются так называемой стандартной атмосферой, т.е. усредненным распределением давления и температуры в атмосфере
.
На рисунке показаны три распределения давления и температур по высоте: для стандартной, изотермической и изэнтропической атмосфер. Мы видим, как близко совпадают кривые температурного распределения для стандартной и изэнтропической атмосфер, и ничего близкого не видно для изотермической.
А вот распределений давлений для всех трех моделей очень близки друг к другу. Это случайное совпадение сыграло роковую роль, отчасти объясняющую, почему никто не решился подвергнуть сомнению распределение Больцмана в течение целого века.
Может ли тепло распространяться от холодного тела к теплому?
Мы привыкли, что тепло самопроизвольно переходит от теплого тела к холодному. Оказывается, все не так. В гравитационном поле тепло может распространяться от холодного тела к теплому. Действительно, если, к примеру, на некоторой высоте равновесная температура равна -60 градусов Цельсия, а на эту высоту вторглась "теплая" воздушная масса с температурой -40 градусов, то она будет свое избыточное тепло отдавать во все стороны, в том числе и к поверхности, где равновесная температура, к примеру, 20 градусов. И это хорошо известный метеорологический факт. Ведь когда наступает жара в 30 градусов и метеорологи говорят о вторжении теплых масс воздуха, то эти массы занимают фронт по высоте километры, и смешно думать, что на высоте десять километров температура этих "теплых масс" равна пятидесяти градусам. Нет, их температура может быть -30, но если это на двадцать градусов выше равновесной, то на поверхности земли будет ужасная жара именно от этих "теплых масс" с температурой тридцать градусов мороза.
Три вида температурных распределений в гравитационном поле
Анализ изэнтропического распределения в гравитационном поле показывает, что характер этого распределения целиком определяется, так называемым, температурным коэффициентом сжимаемости.
Обычно при повышении температуры (при постоянном давлении) тела расширяются и их плотность, соответственно уменьшается. Такие среды дают нормальное распределение температуры в гравитационном поле _ с ростом высоты температура падает, с падением высоты температура растет. Так происходит в нижнем слое атмосферы.
Если же с ростом температуры плотность возрастает, то имеем инверсное распределение температур, с повышением высоты температура будет возрастать. Так, к примеру, происходит в ионосфере.
Но существует и аномальное распределение температуры. Это когда температура не зависит от высоты, постоянна по высоте. Это происходит в том случае, когда температурный коэффициент сжимаемости нулевой. Здесь имеет место больцманово распределение, но именно в качестве аномалии.
Роль океана в жизни Земли
Мы хорошо понимаем, как велика роль океана. Но, кажется, не до конца.
Спросим себя, а почему он вообще существует? Ведь на океанических глубинах - 5-10 километров - под материками температура составляет сотни градусов. Потоки тепла из земных глубин идут не только под материками, но и под дном океана. И если эти потоки тепла нагревают литосферу до сотен градусов, то почему океан еще не выкипел миллиарды лет назад?
Вот загадка, которую до сих пор не могла решить геофизика.
Оказывается, все дело в аномальных свойствах воды. Она имеет максимум плотности при температуре 4оС. И при этой температуре термический коэффициент сжимаемости равен нулю, а значит в воде при этой температуре в гравитационном поле будет изотермическое распределение.
И в океанах мы видим, что с определенной глубины и до самого дна как раз и находится масса воды при этой температуре, в которой распределение температуры изотермическое.
К чему это приводит? Через большой слой вещества с аномальным распределением не могут идти тепловые потоки. Действительно, чтобы такие потоки шли, необходим градиент температуры. Но появление даже небольшого градиента температуры в достаточно большом слое вызовет уже крупномасштабную температурную перестройку всего этого слоя. Например, если градиент равен 1 градус на сто метров, то при слое в 1 км температура на верхней поверхности станет стразу на десять градусов. Ясно, что такая температурная перестройка требует громадных энергетических затрат. На самом деле ситуация еще сложнее. Градиент переводит среду из среды с аномальным распределением в другую среду, среду с нормальным или инверсным распределением, и даже в условиях равновесия потребуется очень серьезная перестройка всего температурного поля, к малому градиенту должен будет добавиться (или вычесться) градиент нормального или инверсного распределения, а значит либо должно будет выделиться или необходимо затратить громадное количество энергии. Если необходимо первое, то этот процесс уже давно бы произошел. Значит, требуется добавить много энергии извне. Мы имеем типичный пример квазиравновесия. Океаническое ядро находится в квазиравновесном энергетическом состоянии, аналогично тому, как камень в лунке на вершине горы. Ясно, что истинное равновесие камня _ это нахождение его у подножья. Но для того, чтобы его перевести в это равновесие, нужно сначала затратить большое количество энергии, чтобы вытащить его из его лунки.
В результате мы приходим к фундаментальному результату. Слой вещества с аномальным температурным распределением является сверхтеплоизолятором. Через него не могут проходить тепловые потоки. И наше океаническое термодинамически аномальное ядро и является таким сверхтеплоизолятором, оно не поглощает и не пропускает тепловых потоков, потому только и существует столько времени. Будь у воды чуть иные свойства, и вся вода в океане давно бы выкипела, и не имели бы мы на Земле ни жизни, ни нас самих.
Но ведь из-под дна океана тепловая энергия идет. Через слой океанической воды она пройти не может. Куда же она девается?
Теплоперенос может происходить и через теплопроводность, и через конвективные движения. Так как теплопроводный механизм закрыт, то вблизи океанического дна развиваются конвективные движения, которые и уносят выделяющуюся из ядра Земли энергию. Эти конвективные движения охватывают океаническое ядро, идут вдоль дна океана и выходят на поверхность в виде системы океанических течений, которые мы и наблюдаем. Таким образом, океанические течения есть лишь наблюдаемая часть системы вертикальных вихревых течений вокруг океанического ядра.
А теперь погрузимся под дно океана. Температура на дне океана 4 градуса Цельсия. На этой глубине под материком 400 градусов Цельсия. Значит имеем мощные горизонтальные температурные градиенты ниже земной коры, распространяющиеся на достаточно большую глубину. А земная кора расположена на текучем слое. И горизонтальные градиенты температур в этом слое приводят также к горизонтальным конвективным движениям. Они увлекают за собою материки, которые начинают двигаться вместе с движением этого вязкого текучего слоя. В результате мы и имеем тектонику литосферных плит. Одни материки движутся навстречу друг другу, схлопывая океан, а с тыла этого движения происходит расширение океана, в океанических желобах происходит рождение новой океанической коры. И этот результат прекрасно подтверждается современной тектонической наукой. Отсюда и землетрясения, вулканическая деятельность и вообще вся тектоническая активность Земли. И причина опять-таки в океаническом аномальном ядре.
Атмосферное динамо
А теперь вновь вернемся к атмосфере. В атмосфере также разыгрываются события колоссальной мощности. Это тайфуны, штормы, ураганы и многое другое. В этих явлениях выделяются громадные энергии. Понятно, что источником этой энергии является солнечная радиация.
Но энергия солнечной радиации является диссипированной энергией. Она равномерно осыпается на Землю. А для штормов и тайфунов необходима гигантская концентрация энергии. Каков же механизм концентрации солнечной энергии? Все это вроде бы даже противоречит второму закону термодинамики, который утверждает, что диссипация энергии есть единственный естественный процесс, на основе которого даже возникла теория тепловой смерти вселенной. Современная геофизика и метеорология не дают ответа.
Но рассмотрим внимательно строение атмосферы. Над слоем тропосферы находится стратосфера, в которой температура постоянна. Что это значит? Это значит, что в ней имеем также аномальное термодинамическое распределение. Но это возможно только для вещества с нулевым термическим коэффициентом сжимаемости. Воздух вроде имеет отрицательную термическую сжимаемость: больше температура _ меньше плотность.
Парадокс? Нет, дело в том, что в стратосфере находится озоновый слой. Именно в этом слое интенсивно идет рождение озона из кислорода. Из трех молекул кислорода рождается две молекулы озона. Ясно, что при рождении озона падает количество частиц, а, следовательно, падает и давление.
Но для рождения озона необходимо, чтобы как минимум две или три молекулы кислорода встретились. Чем чаще они будут встречаться, тем больше будет производиться озона. А чаще они будут встречаться, если будут быстрее двигаться, т.е. чем выше температура. Таким образом, производство озона растет с повышением температуры, и одновременно падает и давление, а если давление поддерживать постоянным, то увеличивается плотность или, по крайней мере не падает. Итак, именно производство озона в стратосфере и создает в ней нулевую термическую сжимаемость, создает в ней термодиномически аномальный слой с постоянной температурой.
Но такой слой является сверхтеплоизолятором. Энергия от Солнца падает в виде световой энергии, которая проходит через атмосферу почти без поглощения. А отраженная энергия от поверхности Земли имеет уже далекий инфракрасный спектр, и она хорошо поглощается атмосферой, потому и распространяется она в виде тепловой энергии. Но пройти эта энергия через стратосферу не может. И потому у нижней кромки стратосферы должны возникнуть конвективные потоки. Известны таковые? Хорошо известны в виде струйных течений большой интенсивности в тропопаузе, т.е. на границе тропосферы и стратосферы. Эти струйные течения также охватывают всю Землю. В них происходит преобразование тепловой энергии в энергию движения. Образуется как бы атмосферное динамо. Энергия все идет и идет, динамо все раскручивается и раскручивается, пока в один момент оно не разряжается, прорывается либо в нижние слои тропосферы, создавая разнообразные высокоэнергетические атмосферные явления, например, тайфуны, ураганы, циклоны, антициклоны и т.д., либо прорывая стратосферу, вызывая какие-то другие явления.
Подобные же процессы могут происходить и на внешней поверхности стратосферы, в стратопаузе.
Итак, мы видим, какую глобальную роль играют аномальные термодинамические слои в океане и атмосфере. И роль озонового слоя состоит не только в защите от ультрафиолета. На самом деле именно озоновый слой создает погоду, создает все богатство метеорологических явлений _ бури, штормы, циклоны и антициклоны, ураганы, дожди, грозы и тайфуны. Без него земля бы нагревалась днем и остывала ночью, да дули постоянные ветры, и больше ничего бы не было. Возможно, это и есть на Венере.
Что внутри звезд?
Согласно современным астрофизическим представлениям в звездах монотонно растет температура и давление по мере движения к центру звезды.
Ясно, что в первом приближении можно звезду рассматривать как термодинамически равновесную систему, поток энергии в звезде составляют малую величину ее общего энергосодержания. Поэтому и для звезд в первом приближении можно использовать изэнтропическое распределение.
У нас еще недостаточно сведений о внутреннем состоянии вещества внутри звезд. Но, сделав некоторые простейшие предположения о характеристиках звездного вещества, удалось рассмотреть два предельных состояния звезды. Первое, когда плотность возрастает неограниченно (ускорение свободного падения внутри звезды на всех ее уровнях постоянно), и второй случай, когда плотность не зависит от глубины. Ясно, что реальность лежит в промежутке.
И получился интересный результат. В первом случае температура не растет неограниченно, как можно было бы представить, а сначала быстро растет, а затем выходит на насыщение к центру звезды. Во втором случае температура росла до некоторого значения, а затем спадала до нуля в центре звезды.
Из этих модельных примеров можно сделать вполне резонное предположение, что в реальных звездах температура вовсе не монотонно растет с глубиной, а достигает некоторого максимального значения, а затем спадает к центру звезды. Другими словами, в противоречии с существующими представлениями, мы получаем, что наиболее термодинамически активным является не звездное ядро, а некоторый промежуточный мезослой. А само ядро звезды может, в принципе, быть даже холодным. И если уж совсем быть смелым в гипотезах, то оно может быть даже сверхпроводящим (например, из высокотемпературного сверхпроводящего металлического водорода), и тогда звездные магнитные поля легко объясняются незатухающими токами в сверхпроводящем звездном ядре. Дипольный характер таких полей хорошо известен. Точно также и магнитное поле Земля имеет дипольный характер, и можно даже предположить, что и Земля имеет сверхпроводящее ядро, и, следовательно, она является неким внутренним остовом звезды, сбросившей свою наружную оболочку. А, возможно, и вся Солнечная планетная система состоит из осколков взорвавшейся звезды, причем на разные планеты пошли разные ее части.
Эти представления позволяют по-новому взглянуть и на проблему сверхновых звезд. Активный мезослой звезды может находиться вовсе и не на очень большой глубине. Более того, внутри звезды могут оказаться и аномальные слои, вблизи которых возникает собственное звездное динамо с накоплением динамической энергии. И это звездное динамо может также периодически прорываться на поверхность, при этом может происходить либо выброс внутреннего вещества на поверхность, а может, вероятно, звезда лопаться как перезрелый арбуз, обнажая свои внутренности. Таким образом, звезды при вспышках новых и сверхновых, возможно, как раз и демонстрируют нам свое нутро. И значит увидеть внутренность звезд, оказывается, мы можем.
Необходимо создавать новую гравитационную термо- и газотермодинамику
Газодинамика достигла потрясающих успехов, когда рассматривает горизонтальные течения. Но как только пыталась рассматривать вертикальные течения, так приходила к полному фиаско. Даже простейшую задачу движения газа по вертикальной трубе (обычная дымовая труба) она не смогла решить. И это естественно при господстве в умах распределения Больцмана. Как могла бы газодинамика от изэнтропического течения перейти, при стремлении скорости течения к нулю, к изотермическому состоянию Больцмана? Никак.
В результате до сих пор весь огромнейший круг вопросов, связанный с состоянием и движением сред в гравитационных полях, не имеет адекватной научной теории и пользуется всякого рода эмпирическими соображениями и соображениями размерности. Но представим, что механика, вместо второго закона Ньютона, имеет в своем арсенале только соображения размерности и подобия? Многое бы она смогла изучить? Точно также и здесь.
Геофизика и метеорология не имеют теории, так как им приходится пользоваться эмпирическими параметрами стандартной атмосферы. Не могут же они всерьез использовать распределение Больцмана. Энергетика, теплоснабжение, физика звезд и планет, и многие другие науки распределение Больцмана буквально парализовало.
Нужно создавать новую гравитационную термо- и термогазодинамику, Идти в двадцать первый век с вековым позором физики _ распределением Больцмана, думается, недопустимо.