Расширяется ли Вселенная?
Фролов Виталий Петрович
Московское общество Испытателей Природы
Аннотация
Альтернативой эффекту Доплера как причине красного смещения спектральных линий излучения далёких астрономических объектов, могут быть два процесса: – отдача части энергии фотонов электронам свободных атомов межзвёздного газа по механизму, описанному Фейнманом и дисперсия фотонов в прозрачной среде. Происхождение микроволнового фонового излучения и все его особенности – следствие эффекта Комптона на связанных электронах межзвёздных атомов.
Ключевые слова: Вселенная, смещение, взрыв, излучение, спектральная линия, астрономический объект, сверхновые.
. vpfrolov38@bk.ru
Do the Universe epxand?
Abstract
By an alternative to the effect of Doppler as reasons of spectral lines of radiation of distant astronomic objects there can be two processes: First is a turn of part of energy of photons to the electrons of free atoms on the mechanism described by Feynman. Second is dispersion of photons in an environment. The origin of microwave baseline radiation and all his features can be conditioned by the effect of Compton on the constrained electrons of interstellar atoms.
Key words: Doppler effect, red shift, bang, radiation, spectral line, astronomic object, interstellar atoms.
Внедрение спектроскопии в астрономию убедило мир в материальном единстве Вселенной – спектры излучения звёзд содержат линии тех же химических элементов, которые имеются и на Земле. Было замечено, что спектральные линии далёких астрономических объектов сдвинуты относительно положения линий тех же «земных» элементов в красную сторону спектра – в сторону более длинных волн. Естественной причиной «сдвигов» посчитали эффект Доплера – изменение частоты (и длины волны) излучения, связанное со скоростью увеличения расстояния между источниками и приёмниками излучения. Неожиданно оказалось, что в красную сторону смещаются спектральные линии всех далёких объектов независимо от направления их наблюдений. Это означает, что все далёкие астрономические удаляются от нас как от центра Вселенной. Из доплеровской интерпретации красного смещения следует лестный для каждого, особенно верующего, землянина вывод, что был момент, когда все наблюдаемые астрономические объекты были возле нас, и, что именно мы являемся центром Вселенной [1]. Так появилась теория расширяющейся Вселенной, с Большим Взрывом в качестве причины её появления. Последовавшие далее наблюдения показали, что величины сдвигов пропорциональны расстояниям до объектов и, и чем объекты дальше – тем они удаляются быстрее. К 1929 году Хаббл определил величины смещений спектральных линий всех далёких источников света, расстояния до которых считались известными, и оказалось, что величины смещений спектральных линий практически пропорциональны расстояниям до источников излучения. С точки зрения теории взрыва эта пропорциональность выглядит естественной – чем большую скорость получил объект при взрыве – тем дальше он успел «удалиться» к моменту испускания своего, наблюдаемого сейчас, излучения и продолжает удаляться. Из соотношения между этими параметрами было определено и время, когда этот взрыв мог произойти. По мере обнаружения всё более далёких объектов, дату взрыва несколько раз переносили на более отдалённое время, пока не остановились на цифре в 13, 7 миллиардов лет.
Трудности в регистрации спектров излучения далёких объектов заставили астрофизиков обратить внимание на вспышки одного из видов близких сверхновых звёзд, наблюдаемая интенсивность суммарного излучения которых обратно пропорциональна квадрату расстояния до них. Эта зависимость позволила по доплеровским сдвигам откалибровать излучения близких к ним объектов, и результат был экстраполирован на объекты столь далёкие, спектрограммы от которых получать не удавалось. Это позволило оценивать расстояния до далёких объектов по яркости близких к ним сверхновых. Среди объектов нашлись и такие, свет от которых шёл к нам почти всё время существования Вселенной. Т.е. испущен он был вскоре после большого взрыва. По этой причине современные астрономы называют эти, самые далёкие объекты молодыми. Но как эти объекты могли оказаться так далеко от нас и друг от друга вскоре после взрыва (своего «рождения»)? Сомнения в приемлемости доплеровской трактовки красного смещения первым высказал сам Эдвин Хаббл в 1936 году на заседании Американского Астрономического Общества. Он предложил поискать красному смещению другую причину, назвав её условно «старением» фотонов. Ходят слухи, что из-за этого выступления его фамилию вычеркнули из списка кандидатов на нобелевскую премию [2].
Классическая (проверяемая экспериментально) физика допускает существование, по крайней мере, ещё двух причин уменьшения энергии фотонов, движущихся в космической прозрачной (?) среде. Одной из причин может быть рассмотренное Фейнманом в учебнике по физике [3] действие электромагнитного поля фотона на электроны, движущиеся по орбитам свободных атомов. Поскольку длины волн (и амплитуды!) фотонов, испускаемых атомами, заметно больше самих атомов, поля их излучения можно считать (для пересекаемых ими атомов) внешними. Так что электрическая компонента поля фотона вызывает «дрожание» орбитальных электронов атомов, направленное поперёк вектора скорости фотона, что почти не вызывает потери его энергии. Магнитная же компонента действует на электроны, пересекающие магнитные силовые линии фотонов силой, типа силы Лоренца, т.е. направленной вдоль направления движения фотонов. В результате такого действия космические электроны должны получать импульс вдоль траектории фотона, а фотоны этот импульс терять. Экспериментальным подтверждением реальности такого взаимодействия является появление направленного движения атомов газа в лазерном луче, не поглощаемом этим газом. Другой причиной «растягивания» волн фотонов является их немонохроматичность. С позиций классической физики частота волны, излучаемой электроном, должна в каждый момент совпадать с частотой вращения электрона по орбите атома. А поскольку в процессе перехода электрона с верхней орбиты на нижележащую, частота его вращения по орбите увеличивается – увеличивается к концу и частота излучаемого цуга волн. А, как известно, среда, прозрачная для излучения, обладает нормальной дисперсией, т.е. длинные волны проходят её с большей скоростью, чем волны короткие. Так что волны, движущиеся в начале цуга волн (более длинные), имеют тенденцию к «убеганию» от волн, движущихся в конце – цуг может растягиваться. По причине дисперсии волн физиками была отвергнута, предложенная Бомом модель электрона, в виде «волнового пакета». Такой пакет должен в прозрачной среде – среде, обладающей нормальной дисперсией, расплываться. Это сочли противоречием наблюдаемой целостности электрона, движущегося с постоянной скоростью.
Наглядность и проверяемость рассмотренных выше механизмов взаимодействия фотонов с атомами межзвёздной среды позволяют считать эти взаимодействия естественной причиной красного смещения спектральных линий. С этой точки зрения пропорциональность величины красного смещения фотонов пройденному ими расстоянию объясняется только количеством свободных атомов, с которыми фотоны взаимодействовали по пути к нам – чем больше «пройденное» расстояние – тем больше атомов пересеклись фотонами. Эта причина самым естественным образом объясняет «неожиданное» увеличение красного смещения спектральных линий далёких астрономических объектов после прохождения их излучения в окрестностях недавно вспыхивавших сверхновых. Ведь, после таких «вспышек» на прежнем пути фотонов, появляются новые атомы, ранее находившиеся в «теле» звезды. И очевидно, что появление на пути фотонов «новых» атомов, ранее находившихся в звёздах, является более естественной причиной уменьшения их энергии, чем предположение об ускоренном расширении Вселенной.
С большим взрывом, породившим Вселенную, учёные неожиданно связали и микроволновое фоновое излучение (МФИ), пронизывающее всё пространство практически изотропно. Один из авторов идеи большого взрыва как причины расширения Вселенной, бывший наш соотечественник Георгий Гамов предполагал, что вся энергия взрыва была, в первые мгновения, сосредоточена в очень жёстком излучении, которое затем превращалось в вещество. Он надеялся на возможность сохранения остатков – следов этого, названного им реликтовым, излучения (РИ) до наших дней. При открытии же МФИ, соответствующего излучению абсолютно чёрного тела с температурой около 3о К, его всё же связали (другие учёные) с большим взрывом и расширением Вселенной. Эти «учёные» предположили, что до большого взрыва не было и самой Вселенной. Причиной такого предположения о происхождении МФИ они посчитали его необычайно высокую интенсивность – суммарное количество «фотонов» МФИ в сотни раз превышает общее число всех фотонов, «испущенных» всеми атомами всего вещества Вселенной, появившегося в результате большого взрыва. Важность МФИ для науки подчёркивается двумя нобелевскими премиями – одну за его открытие и вторую – за обнаружение в нём неоднородности. Эти «особенности» МФИ вызывают интерес к подробностям превращения «самого горячего» излучения, выплеснутого когда-то из одной точки, в самое холодное, приходящее теперь в каждую точку Вселенной практически изотропно. И вот как описывает это превращение физическая энциклопедия: В течение первых 300 000 лет после взрыва это излучение находилось в термодинамическом равновесии с образующимся веществом и за его пределы практически не выходило. К этому времени произошла рекомбинация электронов и ионов вещества, вещество превратилось в нейтральный газ, стало для РИ прозрачным и оно из вещественной части Вселенной выделилось. (Это вполне логично). Но вот что написано далее: «Затем, (выделившееся?) излучение расширялось вместе с пространством» и расширилось до МФИ, [3,4,5] (примерно в 10 тысяч раз). При этом энциклопедией почему-то был проигнорирован тот факт, что часть пространства содержится и внутри атомов вещества. И эта (внутриатомная) часть пространства почему-то не расширилась – атомы не изменились – они до сих пор излучают тот же спектр, линии которого «расширились» только по Хабблу! И странно, что РИ, которое из вещества через 300 тысяч лет после взрыва выделилось, и всё время от него удаляется со скоростью света, всё ещё находится среди его вещественной части, расширяющейся медленнее (в том числе среди нас). Эти противоречия в объяснении происхождения и эволюции МФИ особенно заметны на фоне существования простой и естественной причины его появления, никак не связанной с Большим Взрывом и расширением Вселенной. И вот эта причина, которую почему-то упустил из виду Хаббл:
Известно, что каждый вид атомов излучает свой набор спектральных линий, из которых формируются спектры, характеризующие атомы. Большинство людей (как и Хаббл) думает, что атомы и поглощают только свои характеристические фотоны, и что фотоны поглощаются только целиком. За экспериментальное (в 1905 году) доказательство этого «факта» Эйнштейн получил нобелевскую премию только в 1919 году! Что это «доказательство» верно не всегда, заметил в 1920 году Артур Комптон и к 1922 году убедил в этом всех: Атомы оказались способными переходить в возбуждённое состояние, поглощая нужную для перехода энергию и от фотонов с большей энергией, а избыток энергии они просто «отбрасывают». За доказательство делимости фотонов Комптон получил нобелевскую премию уже в 1927! Покажем, как может возникнуть МФИ в процессе реализации «эффекта Комптона на связанном электроне» и почему фотонов МФИ так много:
Как известно, излучается свет горячими телами, атомы в которых движутся быстро, и потому, из-за эффекта Доплера, линии их излучения заметно смещены в обе стороны спектра – уширены. Поглощается же излучение холодными атомами, движущимися медленно, и потому поглощают они, в основном, резонансные фотоны – узкую полоску из центра уширенной линии. Например, при фоторегистрации обычного спектра электрического разряда (в земных лабораториях) в самом центре изображения некоторых из уширенных линий видны светлые полоски (фотоэмульсия там засвечена слабее). Причина этого как раз в поглощении фотонов атомами, только что покинувшими зону разряда, успевшими остыть, но не успевшими улететь из спектрометра; так что излучение разряда по пути от места разряда до фотопластинки проходит сквозь эти остывшие продукты разряда и частично ими поглощается. Эффект ослабления интенсивности излучения в центре эмиссионных линий спектроскописты называют самообращением. Присмотревшись к форме светлой полоски, можно заметить, что она несимметрична – сильнее “размыта” со стороны коротких волн. Причина асимметрии как раз в эффекте Комптона на связанном электроне – остывшими атомами разряда поглощаются не только резонансные фотоны из центра спектральных линий, но и часть фотонов с большей (избыточной для холодных атомов) энергией. Эту – избыточную энергию остывшие атомы не воспринимают – после поглощения фотона они избавляются от избытка мгновенным его излучением.
В космосе такие условия реализованы ещё резче. Излучение горячих звёзд, состоящих, в основном из водорода, содержит его уширенные спектральные линии. Свободный водород – основной компонент и холодного межзвёздного газа. А, например, спектральная линия водорода с длиной волны в 125 нанометров – самообращаемая, т.е. поглощается хорошо. Средняя, зависящая от температуры, скорость движения атомов в звёздах, определяет величину доплеровского уширения излучаемых линий. Скорость движения атомов (v) на поверхностях звёзд задаётся формулой Больцмана
v = 1.41·(kT/m)1/2 . (1)
Здесь: k – константа его имени, равная 1. 38·10-16 эрг/о К, Т – абсолютная температура, а m – масса атома водорода – 1,67·10-24 г. Если за температуру звёзд принять температуру Солнца – 6 000 градусов, то наиболее вероятное (эффективное) значение скорости (v) будет ~ 106 см/сек. Формула Доплера
υ = υ0 /(1- (v/c)cos α) (2)
даёт для этой скорости величину уширения, равную (в единицах частоты):
υ - υ0 = υ0 (v/c) cos α ≈ 1011 гц, (3) которая соответствует длине волны около 3 мм, т.е. близкой к максимуму интенсивности МФИ!
Вторая особенность МФИ – высокая интенсивность, легко объяснима с точки зрения на Вселенную как на вечную и бесконечную. Плотность любого излучения в такой Вселенной устанавливается временем его «жизни» между генерацией и поглощением. Электромагнитное излучение полностью поглощается телами, поперечное сечение которых больше длины волны излучения. Например, МФИ может поглощаться объектами, размер которых превышает 3 мм. Это галактики, звёзды, планеты, астероиды и метеориты. Количество таких объектов в космосе мало по сравнению с количеством там свободных атомов, которые МФИ практически «не замечают». Излучать же МФИ могут все атомы межзвёздного водорода, поглощающие излучение горячих звёзд. Такое происхождение МФИ объясняет и его изотропность. А замеченная его неоднородность объяснена движением Солнечной системы, при предположении абсолютной сферичности МФИ. К бесконечной Вселенной не имеет отношения и вывод из общей теории относительности о её нестабильности – ведь в бесконечной вселенной за центр масс можно принять любую её точку, в которой притяжения далёких объектов друг друга компенсируют. Например, физическая энциклопедия содержит фразу: «опыт показывает, что в реальной Вселенной тяготение определяется в основном близкими массами» притяжения же далёких масс полностью друг друга компенсируют [9, 10, 11].
Выводы: 1). Обосновано удлинение волн спектральных линий электромагнитного излучения далёких астрономических объектов его взаимодействием с орбитальными электронами свободных атомов космической среды. Источник микроволнового фонового излучения – эффект Комптона на связанных электронах атомов межзвёздного пространства.
2). Физическим обоснованием появления вселенной от большого взрыва является расширение на неё принципа неопределённостей квантовой механики в виде (ΔF˟Δt> Ћ/2)
ЛИТЕРАТУРА
1. В.Ю. Теребиж «Красное смещение» // Физическая энциклопедия (ФЭ). М.: 1990. т. 2, с. 487,
2. А.В. Чернин «Космология. Большой Взрыв». Фрязино: Изд-во. Век-2, 2005. с. 26.
3. Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс // Фейнмановские лекции по физике. М.: Наука. 1967. т. 3. с. 176.
4. Р.А. Сюняев «Микроволновое фоновое излучение», ФЭ, т. 3, с. 135, (1988)
5. И.Д. Новиков «Горячей вселенной теория», ФЭ т. 1, с. 518, (1988)
6. В.П. Фролов «Монохроматичен ли фотон?», ж. Физическая Мысль России, № 2, с. 24 – 28, (2000г)
7. В.П. Фролов «Скрытый параметр квантовой механики», ж. Актуальные проблемы современной науки, № 2, с. 183, (2003г)
8. В.П. Фролов «Структуры из электромагнитного поля», ж. Сознание и физическая реальность, №3, с.52 – 55, (2011)
9. И.Д. Новиков «Космология», ФЭ, т. 2, с. 476, (1988)
10. А.Л. Зельманов «Гравитационный парадокс», ФЭ, т.1,с. 531, (1988)
11. В.К. Милюков «Изменяется ли гравитационная постоянная?», «Природа», 1986, №6, с. 96
References
1. V.Y. Terebihg. Red shift. physical Enciklopedy (FE). M. 1990. T.2, c. 487
2. A.V. Thsernin. Cosmology. Big Band. (Fryazino) 2005, s. 26.4
3. R. Feinmаn, R. Leyton, M. Sends. Fеynmanoskie lectures on physics. M. Nauka.1967. t. 3. s.176
4. R.A. Syunyaev. Microwave basety the radiation. (FE). T. 3. s.135.1988
5. I.D. Novikov. Hotted lodget theory . (FE), t.1, s. 518. 1988
6. V.P. Frolov. Monochromatitsen li photon?, Physical idea of Russya, № 2, s. 24—28
7. V.P. Frolov. Fridden parameter of quantum mechanics, Issues of the day of modern science and physical reality № 2, s.183, (2003)
8. V.P. Frolov. Strukturi iz elektromagnitnogo polya, Soznanie i fizitheskaya realnost, №3, s. 52 – 55. (2011)
9. I.D. Novikov. Cosmology. (FE),t.2, s. 476.1988
10. A.L. Zelmanov. Gravitational Paradox, (FE), t.1, s.531, 1988
11. V.K. Milyukov. Wether the gravitational permanent changes. Nature, №6, s.96, 1986