Уточнение смысла физической величины скорость света в вакууме Р. А. Юсупов

Уточнение смысла физической величины скорость света в вакууме
Р. А. Юсупов
свободный исследователь
Виртуальный университет, лаборатория физики и космологии
690018, Владивосток, Россия
05 октября 2014 г
Скорость света в вакууме, наряду с гравитационной постоянной Ньютона и
элементарным зарядом, является одной из трех фундаментальных физических величин.
В настоящей статье представлены результаты авторского исследования вопроса о
смысле физической величины скорость света в вакууме. Отправным пунктом
исследований стала констатация существования минимальных натуральных величин
массы, длины и времени в природе. Это привело к понятию натуральной единицы
времени. Отправной точкой исследований явилась физическая величина планковский
импульс. Смысл величины планковский импульс привел к пониманию разности между
натуральной единицей времени и секундой. В статье раскрыт смысл постоянной тонкой
структуры.
Ключевые слова: материя, природа, крупица материи, планковский импульс, постоянная
тонкой структуры, скорость света в вакууме.
УДК: 53.01, 53.081.6, 524.934
PACS numbers: 06.20.F-, 06.30.Ft, 06.20.Jr
Содержание
1.
Введение (1).
2.
Базовые единицы: масса, длина, время (2).
3.
Планковский импульс и крупица материи (3).
4.
Метрическая система единиц и СИ (4).
5.
Натуральная единица времени и универсальная шкала (5).
6.
Единица времени секунда (7).
7.
Планковский импульс и постоянная тонкой структуры (8).
8.
Вычисление скорости света (9).
9.
Заключение (12).
Список литературы (12).
1. Введение
Окружающий нас мир материален. Природа материальна. Автор придерживается
материалистического взгляда на окружающий мир. Что такое материя? Это наиболее
1
Yusupov Robert Speed of light 05.10.14
общее понятие для обозначения начальной сущности, первоосновы природы. На этот
вопрос Ленин В. И. в своем труде “Материализм и эмпириокритицизм” [1] отвечает так:
“Материя есть философская категория для обозначения объективной реальности,
которая дана человеку в ощущениях его, которая копируется, фотографируется,
отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них”. Автор в своих
произведениях, конкретизирует понятие материя. По мнению автора, вся материя
Вселенной собрана и сосредоточена в крупицах материи. Автор в своих произведениях
вводит в рассмотрение физическую величину элементарное количество материи. Эти
положения и ряд других выводов используются в настоящей статье. Более подробную
информацию по этим и другим вопросам мироустройства можно найти в статье автора
“Теория природы (YRA-гипотеза)” [2]. На вопрос: “Чему равна скорость света в
вакууме?”, есть простой ответ:
. Это экспериментально
установленный факт. Скорость света является фундаментальной физической величиной.
Никто не возражает. Сформулируем вопрос иначе: “Действительно ли в природе, за
интервал времени равный 1 секунде, свет (фотон) проходит расстояние, равное
299 792 458 метров?” Выяснению ответа на этот вопрос и посвящена настоящая статья.
2. Базовые единицы: масса, длина, время
Физическая величина скорость служит для обозначения отношения двух разнородных
физических величин длины (пройденного расстояния) и времени (интервала времени,
длительности). В результате выполнения математической операции деления над
числовыми величинами мы получаем некоторое числовое значение. По сути дела это
числовое значение есть отношение этого числового значения и единицы:
.
Последняя дробь (а с ней величина v) имеет следующий «физико-математический
смысл». Она показывает, сколько единиц физической величины s приходится на 1
единицу физической величины t. Точно также и величина скорости света в вакууме,
которую мы знаем как
, показывает, сколько метров (это
) фотон света «пролетает» за 1 секунду, за временной интервал равный 1
секунде. Итак, скорость это путь, расстояние проходимое телом, частицей за единицу
времени. А каков в реальности этот единичный временной интервал и как он
соотносится с интервалом длины нам вроде бы и не нужно знать. Вернее, мы как бы по
умолчанию считаем, что масштабы физических величин массы, длины и времени
2
Yusupov Robert Speed of light 05.10.14
совпадают. То есть мы считаем, что на некоторой виртуальной числовой оси у нас
единица масштаба соответствует единицам массы (1 kg), длины (1 m) и единице времени
(1 s). Это для нас как бы само собой разумеющееся. Мы нисколько над этим не
задумываемся. Так ли это на самом деле? Что такое интервал длины в 299 792 458 m
понятно. Это интервал числовой оси ,
- при масштабе 1 m. А что такое
интервал времени в 1 s? Кто объяснит? Какой интервал шкалы времени или интервал
числовой оси принять за интервал равный 1 секунде. В справочнике “Физические
величины” [3] Чертова А. Г. дается определение: “Интервал времени – время, истекшее
между двумя событиями”. Это определение отсылает нас к менее определенному и
более туманному понятию событие. Получается, что событие в природе первично, стоит
перед временем, а время вторично. Что-то не так в этом определении. По мнению автора,
интервал времени, - это интервал шкалы времени, т. е. числовой интервал. Приведем
шкалу времени (единица
) к единому масштабу со шкалой длины (единица
) и со
шкалой массы (единица
) и совместим эти три шкалы на одной числовой оси, так
чтобы совпали начальные нулевые значения и единичные значения всех трех шкал.
Неделимый символ “ut” , используемый для обозначения единицы времени, означает
“unit of the time”, единица времени. Эта единица совсем не обязательно должна быть
равной одной секунде (
). Но эта единица обязательно должна быть натуральной
единицей времени. Что это означает? Единица длины
это произвольная, случайная,
но природная единица, она реально существует в природе, мы всегда сможем отмерить
расстояние длиной в
. Мы также на числовой оси можем отметить (от начала
координат) интервал любой конечной длины. Единица массы
также произвольная,
случайная единица. Но и она также природная единица. Она реально существует в
природе, и мы всегда можем отмерить массу в
. Мы можем измерить также любую
конечную массу. Числовое значение этой массы мы можем указать на числовой оси. В
своей практической потребности человек выбирает произвольные единицы массы (
)
и длины (
)
). Это по большому счету случайный выбор. Люди и единицу времени (
также выбирают произвольно, случайно. По умолчанию считается, что все эти величины,
длины, массы и времени независимые друг от друга величины. Это так решили люди. А
так ли это обстоит в природе. Давайте подумаем.
3. Планковский импульс и крупица материи
Рассмотрим физическую величину планковский импульс:
.
3
Yusupov Robert Speed of light 05.10.14
Планковские величины планковская длина (
время (
), планковская масса (
), планковское
) воплощают в себе идею о дискретности природы на планковском уровне,
масштабе. Планковские величины также являются следствием идеи о наличии в природе
минимальных величин массы, длины и времени. Именно поэтому они и были введены в
физику. Что же тогда выражает физическая величина планковского импульса (
)? Если
внимательно посмотреть на формулу планковского импульса, то становится понятным,
что эта формула выражает существенную внутреннюю связь между этими
минимальными величинами. Тогда, по идее, планковский импульс должен быть
постоянной величиной. Но тогда планковские величины *
+ связаны между
собой через планковский импульс, который является постоянной величиной.
Получается, что планковские величины зависимы между собой. Это есть естественная,
натуральная связь. Легко видеть, на примере формулы планковского импульса, если две
величины независимы, то третья величина будет зависимой от этих двух. Например, если
приведенное выше равенство записать в виде:
*
+
,
то при условии независимости величин планковской длины (
(
) планковское время (
) и планковской массы
) будет зависимой величиной. Сами по себе ни планковская
масса, ни планковская длина, ни планковское время не могут существовать по
отдельности. Они не могут быть отвлеченными, виртуальными понятиями в природе. Но
так как природа материальна, то должна существовать некая материальная связь между
этими величинами. Материя является единственной сущностью природы. Значит,
материальная связь есть просто некая материальная сущность, микроскопический
сгусток материи, крупица материи, “атом” материи. И тогда эти минимальные величины
должны задавать соответствующие характеристики этой крупицы материи. Этими
характеристиками являются минимальная масса, минимальная длина и минимальное
время, т. е. планковские величины *
+. Но в природе материя первична и
значит, крупица материи первична. Поэтому крупица материи определяет, задает собой,
если можно так выразиться, свои “собственные” параметры, которые и являются
планковской массой (
), планковской длиной (
) и планковским временем (
).
Природа, ее сущность материя, конкретное проявление материи в виде крупицы
материи определяют, задают минимальные натуральные величины, которые называются
планковскими. Вот так обстоит дело. Материя в природе представлена в виде
элементарных материальных образований, крупиц материи, а крупица материи задает
минимальные, планковские величины массы, длины и времени *
+. Еще раз
4
Yusupov Robert Speed of light 05.10.14
подтверждается старая истина: материя первична, сущностью природы является
материя. Итак, если идти от природы, и от крупицы материи, от ее характеристик, как
природных единиц, то должно иметь место простое равенство:
[
].
(1)
Это равенство имеет силу закона природы. Это противоречит ранее приведенному
равенству. Но не может Природа, держать про этот случай, где-то в своей «памяти»
подгоночное число 6,525, это не естественно. Естественно, то, что планковский импульс,
как импульс крупицы материи, должен равняться единице. Это мы должны
констатировать. Но это означает, что планковский импульс крупицы материи,
выраженный в природных единицах, имеет значение равное единице. Это и есть закон
мироздания, основной закон природы. Он отражает внутреннюю взаимосвязь
минимальных величин природы, являющихся характеристиками крупицы материи, а
значит и самой природы. В наших обозначениях это есть планковские величины:
планковская масса, планковская длина и планковское время *
+. И это
зависимые величины:
.
4. Метрическая система единиц и СИ
При использовании метрической системы единиц (или СИ) мы должны учитывать эту
внутреннюю связь, зависимость. Если мы выбираем произвольно единицу массы 1 kg и
единицу длины 1 m, то единицу времени 1 ut мы должны взять в соответствии с этим
равенством. Это будет соответствие природе. Пусть, например,
и
, тогда за единицу времени необходимо взять такую единицу
(
)
. В этом случае для планковского импульса будет иметь место следующее
равенство относительно новой *
+системы единиц:
(
)(
(
)
)
[
].
Таким образом, в этом равенстве будет заложен основной закон природы. Закон природы
имеет место относительно минимальных натуральных единиц (
относительно системы единиц *
) и он имеет место
+. Единицы новых величин массы (1 kg), длины
(1 m) и времени (1 ut) в этом равенстве будут согласованны между собой,
соответствовать природе и все вместе (собранные в величине планковского импульса)
5
Yusupov Robert Speed of light 05.10.14
выражать суть природы. Выбранная, в соответствии с этим равенством (т. е. в согласии и
в соответствии с природой, с ее основным законом), единица времени 1 ut уже не будет
произвольной, не будет случайной, она будет зависимой и однозначно определяемой
величиной. Единица времени (1 ut) будет предопределена (задаваться) единицами массы
(1 kg) и длины (1 m). Произведение коэффициентов (
) будет коэффициентом
пропорциональности (связи) для новой единицы времени. На этом основании, можно
говорить о новой единице времени (1 ut), как о природной единице времени, внутренне,
неразрывно связанной с двумя другими единицами, которые произвольно, случайным
образом были предварительно выбраны. Это единицы массы (1 kg) и длины (1 m). Все
это находит свое отражение в величине планковского импульса, относительно новых
единиц, и числовое значение этой величины есть единица:
[
].
5. Натуральная единица времени и универсальная шкала
Итак, единица времени (1 ut) является натуральной единицей времени. Получается, что
наряду с произвольным нашим выбором двух новых единиц длины и массы, природа
упрямо «рекомендует» нам свою единицу времени. Это будет натуральная единица (1 ut)
времени. Все сказанное выше относительно натуральных минимальных единиц можно
представить графически, с помощью числовой оси. Совместим на единой числовой оси,
шкалы длины (единица 1 m), массы (единица 1 kg) и природного времени (единица 1 ut).
При этом совмещении начальные точки отсчета всех шкал совместятся с нулем числовой
оси, а единичные точки шкал совместятся с единицей числовой оси. Этим мы по сути
дела превратили числовую ось в универсальную шкалу отсчета. Можно сказать, что
единицы длины, массы и времени приведены к единому масштабу. Единой мерой
(единицей, единичным интервалом универсальной шкалы) мы теперь сможем измерять
разносортные сущности массу, длину и время. Понятно, что за единой мерой “всего и
вся” в природе, которую можно назвать мерилом, может стоять только материя и ее
элементарная сущность крупица материи. Значит, числовая ось может быть
ассоциирована со шкалой материи. Поэтому по этой универсальной шкале (шкале
материи) мы можем измерять массу, длину и время. Масштаб известен, единица
универсальной шкалы соответствует
и
и
(
)
. А также единица универсальной шкалы соответствует единице количества материи.
Заметим, что на взаимосвязь между минимальными величинами природы, задаваемую
формулой планковского импульса (1) можно взглянуть и по-иному. Можно, например,
6
Yusupov Robert Speed of light 05.10.14
предположить, что элементарные величины являются векторными величинами. Тогда
можно записать следующее равенство для векторного произведения (длина вектора):
|⃗⃗⃗⃗⃗⃗
⃗⃗⃗ |
|[⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗ ]|
̂
(⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗ )
Если векторы ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ и ⃗⃗⃗ ортогональны, то
⃗⃗⃗ |
|⃗⃗⃗⃗⃗⃗
Поэтому, если положить ⃗⃗⃗⃗
⃗⃗⃗⃗⃗⃗
̂
(⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗ ).
|⃗⃗⃗⃗⃗⃗ | |⃗⃗⃗ |
|[⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗ ]|
и, следовательно,
|⃗⃗⃗⃗⃗⃗ | |⃗⃗⃗ |.
⃗⃗⃗ , то тройка векторов {⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ }, соответствующая
элементарным величинам, будет ортогональной. Эта тройка векторов выражает
неразрывную внутреннюю природную связь характеристик крупицы материи. Векторное
равенство (⃗⃗⃗⃗
⃗⃗⃗⃗⃗⃗
⃗⃗⃗ ) означает естественную согласованность минимальных величин
природы. Продолжим повествование. В силу ранее сказанного, можно массу, длину,
время (все эти сущности) измерять с помощью одной универсальной шкалы. Единицей
масштаба этой универсальной шкалы является единица количества материи или просто
единица материи. Только при таком совмещении всех четырех шкал (это есть
соответствие природе), станет возможным сравнивать и сопоставлять все эти сущности
посредством единой меры (мерила). Еще раз отметим, что при произвольном выборе
единиц массы и длины, природная единица времени не может быть произвольной, она
уже определена этим выбором:
(
)
. Здесь отражается
внутреннее природное единство минимальных величин массы, длины и времени. Это
проявление сути природы.
6. Единица времени секунда
Для природной единицы времени (
) все понятно, теперь перейдем к секунде.
Является ли наша единица времени, секунда одновременно и природной единицей
времени? Скорее всего, нет, ведь выбор секунды был произвольным, случайным. Если
секунда не является природной единицей времени (а это, скорее всего, так и есть), то
относительно метрической системы единиц (и СИ) имеет место соотношение:
[
]
[
],
где I – числовое значение планковского импульса. Отсюда следует:
и
.
7
Yusupov Robert Speed of light 05.10.14
В начале статьи приводилось значение планковского импульса. С учетом последующих
разъяснений можно записать следующие равенства:
⁄
.
В переложении на универсальную шкалу отчета это означает, что нашей единице
времени секунде на этой шкале отсчета соответствует точка с координатой 6,525, тогда
как природной единице времени соответствует единица универсальной шкалы. Это
также означает, что временная длительность единицы натурального времени меньше
временной длительности секунды. Числовое значение планковского импульса и задает
это расхождение временной длительности. Понятно, что числовое значение 6,525
планковского импульса вычислено исходя из планковских величин, а не найдено
экспериментальным путем. Нам же надо экспериментально вычислить числовое
значение величины импульса
(
)(
)
, аналогично тому, как мы вычислили
экспериментально скорость света в вакууме {
Ньютона {(
)(
}
)
*
*
}
+ и гравитационную постоянную
+. Фигурные скобки в этих равенствах обозначают числовые
значения соответствующих физических величин. Но мы не знаем, как найти числовое
значение величины импульса
(
)(
)
. Поэтому на помощь приходит гипотеза.
7. Планковский импульс и постоянная тонкой структуры
Гипотеза. Имеет место следующее равенство {
(
)(
)
}
, где
– постоянная тонкой
структуры, а выражение в фигурных скобках обозначает числовое значение величины.
Из этой гипотезы следует, что планковский импульс будет равен равен:
.
Из этой гипотезы также следует (с учетом ранее сказанного), что временная
длительность природной единицы времени (интервал универсальной числовой оси) и
временная длительность секунды (тоже интервал этой оси) связаны между собой
соотношениями:
.
Этим единицам времени на универсальной оси будут соответствовать интервалы
различной длины. Единице природного времени будет соответствовать интервал ,
-,
8
Yusupov Robert Speed of light 05.10.14
длиной 1. Единице нашего времени секунде будет соответствовать интервал ,
длиной в
-,
единиц. Когда мы говорим о скорости, мы говорим об отношении длины
(пройденного расстояния) к единице временной длительности. При одной и той же длине
(пройденном расстоянии) и разных временных длительностях получаются разные
скорости. Так же мы вычисляем и скорость света. Поэтому скорость света рассчитанная,
как отношение пройденного пути к затраченному времени, хотя и будет иметь один
размер физической величины, но будет иметь различные числовые значения для
природной единицы времени и секунды. Мы знаем скорость света в вакууме
. Значит, скорость света в вакууме относительно природной единицы
времени должна быть равна следующей величине:
,
что примерно в 137 раз меньше значения
. Когда выше мы уже упоминали
про расчет скорости света в вакууме, имелось в виду отношение двух интервалов
универсальной оси. Один интервал является длиной пройденного светом (фотоном)
расстояния в метрах, другой интервал является соответствующим этому расстоянию
интервалом временной длительности (времени движения фотона). С длиной
(расстоянием) вопросов не возникает. Возникает вопрос о длительности времени и
соответствующем этой длительности интервале универсальной оси.
8. Вычисление скорости света
Как мы определяли длину “временного” интервала во время эксперимента по
определению скорости света в вакууме? Ответ однозначный, - никак. Мы при расчете
скорости света не использовали только, что приведенные доводы. Мы определяли
скорость света не прямым измерением временного интервала, а действовали другим,
обходным путем. Какой же это другой путь? Давайте разберемся. Предположим, что нам
известны минимальные природные единицы массы, длины и времени
, и их
связь с метрической системой единиц:
{
где
или {
,
– числовые коэффициенты связи. Автор исследовал эту тему и пришел к
выводу, что планковские величины *
+ не являются минимальными
9
Yusupov Robert Speed of light 05.10.14
натуральными единицами. С подробностями и деталями исследования можно
ознакомиться в статье автора [2]. Здесь же приведем конечные результаты:
{
. Отсюда {
и{
,
или {
.
Скорость света в вакууме и гравитационная постоянная Ньютона определяются так:
[ ]
{
[
.
]
Это определение относительно системы натуральных единиц. Относительно же
метрической системы единиц (и СИ) эти определения примут вид:
[ ]
{
(
(
)
)(
)
[
.
]
Из последних определений видно, что величина скорость света в вакууме и величина
гравитационная постоянная Ньютона определяются через значения коэффициентов связи
. Если эти коэффициенты подставить в формулу скорости света в вакууме, то
[ ]. Это в полном соответствии с экспериментальными
мы получим
данными. По сути дела коэффициент
минимального времени
природа (
это секунда (
играет роль частоты. Это частота вхождения
в единицу натурального времени, которую “определила” нам
) или которая была выбрана людьми произвольно, случайным образом, ). Это частота есть природная или “планковская” частота. Результат
расчета числового значения скорости света в вакууме по этому алгоритму (по частоте)
никаким образом не зависит от реальной временной длительности единицы времени (и
минимального времени
натурального времени (
тоже). И для временной длительности равной единице
) и для временной длительности равной одной секунде (
получается одно и то же числовое значение
)
. Экспериментальное
определение приводит нас к значению:
10
Yusupov Robert Speed of light 05.10.14
[ ].
[ ] приводят теоретические расчеты автора, приведенные
К значению
в настоящей статье. Казалось бы, что из этих двух равенств, можно было сделать вывод
, т. е. секунда и натуральная единица времени это одна и та же физическая
величина. Однако это не так. Это разные единицы времени. И они имеют разные
временные длительности. Формула элементарного импульса приводит к следствию:
.
Если считать величину
постоянной величиной, что практически так и есть, то
можно считать элементарные величины длины и времени пропорциональными
величинами. Тогда рассчитывая скорость света как отношение соответствующих
интервалов расстояния s, пройденного фотоном, и затраченного на это время t, мы
получим:
{}
{
}
{ }
{
}
.
Для любых интервалов длины s и времени t, в том числе и для единиц времени
натуральной единицы и секунды получим одно и то же указанное выше значение. Но
реально это будет расстоянием в m проходимым фотоном за единицу натурального
времени
. Тогда расстояние проходимое фотоном света за одну секунду (1 s) ,будет
равно:
.
Это и будет “правильной” скоростью света в вакууме. Получается, что при расчете
скорости света мы определили скорость относительно единицы натурального времени, а
не относительно секунды. Мы ошиблись в наших расчетах скорости света в вакууме.
Реальная скорость света относительно секунды будет больше рассчитанной почти в 137
раз. Реальная скорость света равна:
[ ]
[ ].
Это означает следующее: за временную длительность, равную 1 s фотон пролетит
расстояние равное 41 082 358 997 м. За временную длительность равную единице
натурального времени (
) фотон пролетит расстояние, равное 299 792 458 м.
Мы ошиблись в расчетах скорости света в вакууме. Ошибка возникла потому, что мы
11
Yusupov Robert Speed of light 05.10.14
неявным образом отождествили нашу единицу времени, секунду и природную единицу
времени. Таковы факты.
9. Заключение
Стоит сказать кратко. Физическая величина скорость света в вакууме имеет вполне
определенный размер, но разные числовые значения относительно систем натурального
и нашего обычного времени. Эта величина равна:
[ ]
[ ].
Этот вывод соответствует реальности, соответствует природе. Такова Природа. Автор
благодарен внуку Максиму за совместные прогулки, во время которых хорошо думалось
над проблемами, разрешенными в данной статье.
Список литературы
1.
Ленин В И Материализм и эмпириокритицизм. Критические заметки об одной
реакционной философии. ПСС, изд. 5, т. 18 (М.: ИПЛ, 1968)
2.
Юсупов Р А http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/13905.html (доступ 05.10.14)
3.
Чертов А Г Физические величины (терминология, определения, обозначения,
размерности, единицы): Справочник (М.: “Аквариум”, 1997)
12
Yusupov Robert Speed of light 05.10.14