Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?

Научные направления
Поделиться:
Разделы: Астрономия, Физика, За горизонтом современной науки
Размещена 05.04.2022. Последняя правка: 05.04.2022.
Просмотров - 340

Модель Вселенной – частицы. Свойства Вселенной и законы эволюции космических тел

Курков Андрей Андреевич

кандидат физико-математических наук

безработный

пенсионер

Аннотация:
Вторая компонента гравитационного поля не только дополнила закон Всемирного тяготения до полноценной полевой теории, но и показала квантовые свойства космических тел. Квантовая теория гравитации положена в основу эмпирической модели Вселенной – частицы. Модель позволила открыть закон космологического расширения, законы эволюции звезд и космических тел. Показано, что расширение касается не только пространства, но и самих космических тел, а красное смещение в спектрах звезд связано с их эволюцией. Реликтовое излучение обязано светимости мелких тел.


Abstract:
The second component of the gravitational field not only supplemented the law of Universal gravitation until a full-fledged field theory, but as well indicated the quantum properties of cosmic bodies. The quantum theory of gravity is the basis of the empirical model of the Universe - particles. The model made it possible to discover the law of cosmological expansion, the laws evolution of stars and cosmic bodies. It is shown that the expansion concerns not only space, but also the cosmic bodies themselves and the red shift in the spectra of stars are associated with their evolution. Relic radiation is due to the luminosity of small bodies.


Ключевые слова:
вторая компонента гравитационного поля; свойства Вселенной; расширение Вселенной; реликтовое излучение; законы эволюции космических тел; красное смещение в спектрах звезд

Keywords:
the second component of the gravitational field; properties of the universe; the expansion of the universe; relic radiation; laws of evolution cosmic bodies; red shift in the spectra of stars


УДК 524

Введение

М. Планк: «Г. Кирхгофф показал, что свойства теплового излучения, которое образуется в пустом пространстве, ограниченном равномерно нагретой поверхностью вполне независимы от природы этой поверхности. Было доказано, что существует некоторая универсальная функция, зависящая только от температуры и длины волны излучения, но не от свойств вещества поверхности. Отыскание этой функции сулило глубокое проникновение в сущность связи между энергией и температурой, связи, которая является не только главной проблемой термодинамики, но и всей молекулярной физики» [1].

Планк целенаправленно изучал тепловое излучение абсолютно черного тела, что привело его к открытию важнейших физических взаимосвязей, которые ни одна из существующих теорий не могла объяснить. Для связи энергии кванта электромагнитного излучения с его частотой он выдвинул постоянную, которая стала в дальнейшем основной константой квантовой физики. Принятие гипотезы порций энергии позволило Планку построить теорию теплового излучения, прекрасно согласующуюся с экспериментом. Располагая известными из опыта спектрами теплового излучения, Планк вычислил значение этой постоянной.

Выдвинутая Планком 14 декабря 1900 г гипотеза считается моментом рождения квантовой физики. Она заключается в том, что при тепловом излучении энергия испускается и поглощается порциями. Планк не смог связать квант действия с классической механикой, но его исследования показали, что квант действия играет в физике важнейшую роль, не предполагавшуюся вначале.

При исследовании поведения материи вблизи абсолютного нуля В. Нернст указал, что кванту энергии колебания должен соответствовать квант энергии вращения. Третье начало термодинамики (теорема Нернста) описывает и объясняет поведение энтропии при приближении температуры к абсолютному нулю только в рамках квантовой физики.

После появления в 1913 г. работ Н. Бора, связавших гипотезу квантов с проблемой строения атома, начался этап бурного развития квантовой физики.

Звезда – космическое тело, светящийся плазменный шар. В звездах заключена основная масса светящегося вещества. Продолжительность жизни звезд так велика, что астрономы не могут проследить их эволюцию от начала до конца. В Галактике сотни миллиардов звезд, отличающихся между собой большим разнообразием. Их ни кто не считал, но некоторые из звезд имеют имена благодаря исключительности своих характеристик.

По мере совершенствования технических возможностей наблюдения и накопления данных о звездах, возникла проблема их упорядочивания и классификации. Два астрофизика независимо друг от друга эмпирически установили зависимость между светимостью звезд и их спектральным классом и вывели диаграмму, которую сегодня принято называть диаграммой Герцшпрунга – Рассела (далее диаграмма ГР). С этого времени, в начале двадцатого века, произошел переломный период в астрономии. Вместо описания космических объектов, протоколирования их движения и периодических явлений, астрономы задались новым вопросом - почему все происходит именно так?

По осям диаграммы отмечается светимость (или абсолютная звёздная величина) и температура поверхности (или спектральный класс) звезды. Появление этой диаграммы привело астрономов к мысли, что она отражает ход эволюции звезд.

Современная наука предполагает, что космические тела начинают свою последовательную эволюцию из разреженного облака межзвёздного газа, сжимающегося под действием собственного тяготения.

Когда при сжатии температура в ядре тела достигает нескольких миллионов градусов, начинаются термоядерные реакции, гравитационное сжатие за счет них прекращается и силы уравновешиваются. После этого звезда переходит на главную последовательность (далее ГП). Фаза эволюции, соответствующая ГП, связана с выделением энергии в процессе превращения водорода в гелий, и так как все звезды ГП имеют один источник энергии, то положение звезды на диаграмме ГР определяется ее массой и в малой степени химическим составом. Основное время жизни звезда проводит на ГП, поэтому это наиболее населенная группа (до 90% всех звезд лежат на ней). Солнце также относится к ГП. Срок жизни самых массивных звёзд на ГП - несколько миллионов лет, а самых маломассивных - десятки триллионов лет. Поэтому массивные звезды распространены значительно реже, чем мало массивные звезды.

Когда все термоядерное топливо выгорает, гравитационное сжатие продолжается, и жизнь звезды заканчивается взрывом. Само явление называется взрывом сверхновой.

Параметры звёзд варьируются в широком диапазоне. Их параметры удобней выражать в Солнечных величинах. В качестве меры светимости используют абсолютную звёздную величину: она равна видимой звёздной величине звезды, которую бы та имела, находясь на расстоянии 10 парсек от наблюдателя.

Обычно массы звёзд варьируются от 0,075 до 120 масс Солнца, хотя иногда встречаются светила и большей массы. Радиусы звёзд обычно располагаются в диапазоне от 10−2 до 103 радиусов Солнца. Наконец, абсолютные светимости звёзд могут составлять от 10−4 до 106 светимости Солнца.

Принципиального ограничения на наибольшую массу космического тела до некоторого времени не существовало. Изучая распределение звёзд по массе в звёздном скоплении Арочное, Д. Фигер установил отсутствие звёзд с массой более 130 масс Солнца. Учитывая неопределённости, это даёт верхний предел возможной массы звёзды в 150 масс Солнца, что имеет силу фундаментальной константы для теории эволюции звёзд и наблюдательной астрономии. Сам вопрос о предельной массе был поставлен теорией, однако точного её значения теория определить не может.

Одним из существенных моментов в понимании эволюции Вселенной является представление о начальной функции масс (НФМ) образующихся звезд. НФМ - эмпирическая функция, описывающая распределение масс звёзд по массам, с которыми они сформировались в элементе объёма пространства. НФМ звёзд более массивных, чем наше Солнце впервые была записана Э. Солпитером в 1955 г. Эта форма НФМ называется функцией Солпитера. Она показывает, что вероятность рождения звезды примерно обратно пропорционально квадрату её массы (в его работе показатель степени α = -2.35) и что число звёзд в каждом диапазоне масс быстро убывает с ростом массы. В настоящее время НФМ описывается степенной функцией в заданном объёме пространства и может быть выведена из функции светимости звёзд, существующих в настоящее время, с помощью соотношение масса-светимость.

Первым теоретическим развитием Общей теории относительности (ОТО) А. Эйнштейна стала модель Вселенной А. Фридмана (1922 г), описывающая однородную, изотропную и нестационарную Вселенную с веществом. Он лишь указал возможное решение уравнений Эйнштейна, а теоретики и наблюдатели придумали все остальное.

Независимо от Фридмана, похожую модель позднее разрабатывали Леметр (1927), Робертсон и Уокер (1935), поэтому решение уравнений Эйнштейна называют моделью Фридмана – Леметра – Робертсона – Уокера (FLRW).

Когда Э. Хаббл (1929 г.) обнаружил линейную корреляцию между красным смещением линий в спектрах галактик с расстоянием до них, что стало экспериментальным подтверждением модели Вселенной А. Фридмана.

Экстраполяция расширения в прошлое привела к гипотезе Большого взрыва (далее БВ), согласно которой все наблюдаемые объекты Вселенной примерно 14 млрд. лет назад находились в одной сингулярной точке пространства. Произошел взрыв, и с тех пор материя расширяется.

Предполагается, что начальная стадия БВ сопровождалась мощным излучением, температура которого по мере расширения уменьшалась. Когда в 1965 г. А. Пензиас и В. Вильсон обнаружили микроволновое фоновое излучение из космоса, то оно было интерпретировано как реликт БВ с температурой в максимуме спектра примерно 2,7 К.

Для оценки скорости расширения, астрономам нужно было найти класс объектов с известной светимостью, которые можно использовать для измерения космологических расстояний. Самыми удобными и надёжными «свечами» оказались сверхновые Iа - яркие сверхгиганты, вспыхивающие в тот момент, когда масса их предшественника (белого карлика) достигает хорошо известного предела Чандрасекара. Поскольку механизм взрыва универсален, то все сверхновые типа Ia, находящиеся на одном расстоянии от нас, должны иметь примерно одинаковую светимость в максимуме.

Наблюдая яркость вспышек, произошедших в разных галактиках, можно определить, как сильно эти галактики удалены от Земли.

Предполагается, что Вселенная расширяется из горячего плотного космического супа, созданного в процессе БВ, в куда более холодное и более разряженное собрание галактик и кластеров галактик, которое мы наблюдаем сегодня. Чем дальше от Земли находится та или иная галактика, тем выше скорость ее удаления от нас и, соответственно, тем сильнее смещены к красному концу линии ее спектра.

Метрическое расширение является ключевым элементом космологии БВ и математически моделируется с помощью метрики FLRW. Эта модель действует в современную эпоху только на больших масштабах (на масштабах скоплений галактик и выше). На меньших масштабах материальные объекты связаны друг с другом силой гравитации и не расширяются.

В научно-популярной литературе используется также термин «сфера Хаббла» - это сфера, чей радиус равен расстоянию, при котором скорость убегания равна скорости света.

В конце 1990-х годов было обнаружено, что в удалённых галактиках, расстояние до которых было определено по закону Хаббла, сверхновые типа Ia имеют яркость ниже той, которая им полагается. То есть расстояние до этих галактик, вычисленное по методу «стандартных свеч», оказывается больше расстояния, вычисленного на основании ранее установленного значения параметра Хаббла. За это открытие С. Перлмуттер, Б. Шмидт и А. Рисс получили Нобелевскую премию по физике за 2011 год. Был сделан вывод, что Вселенная не просто расширяется, а расширяется с ускорением.

Ранее существовавшие космологические модели предполагали, что расширение Вселенной замедляется. Они исходили из предположения, что основную часть массы Вселенной составляет материя - как видимая, так и невидимая «тёмная материя». Новые наблюдения, свидетельствующие об ускорении расширения, требуют наличия ранее неизвестной энергии с отрицательным давлением. Её назвали «тёмной энергией».

Современная модель Вселенной, так называемая «модель ΛCDM», является моделью Фридмана, но уже с учётом как космологической постоянной, так и тёмной материи.

По имеющимся оценкам, ускоряющееся расширение Вселенной началось приблизительно 5 млрд. лет назад. Предполагается, что до этого расширение замедлялось благодаря гравитационному действию тёмной и барионной материи. Плотность барионной материи в расширяющейся Вселенной уменьшается быстрее, чем плотность тёмной энергии. В конце концов, тёмная энергия начинает преобладать. Например, когда объём Вселенной удваивается, плотность барионной материи уменьшается вдвое, а плотность тёмной энергии остаётся почти неизменной.

Если ускоряющееся расширение Вселенной будет продолжаться бесконечно, то в результате галактики за пределами нашего Сверхскопления галактик рано или поздно выйдут за горизонт событий, их относительная скорость превысит скорость света, и мы всегда будем видеть их прошлое до момента ухода за горизонт с всё возрастающим красным смещением. Это не является нарушением теории относительности и уже произошло с достаточно далёкими галактиками.

Актуальность

Все космологические теории базируются на математических идеях и согласуются с результатами наблюдений формально.

Связь между космологическим красным смещением и эффектом Доплера не зафиксирована, – это всего лишь гипотеза. Кроме того, имеются ряд объектов с не согласующимся красным смещением, что позволяет усомниться против его доплеровской интерпретации.

Вызывает сомнение и сопоставление реликтового излучения с моделью БВ. Если взрыв был, то центральные области Вселенной могли излучать только на начальной стадии, так как излучение, генерируемое сегодня уже нельзя назвать реликтовым. В случае БВ часть пространства, содержащего реликтовые фотоны, должна иметь форму шарового слоя толщиной много меньше размера Вселенной, и этот слой удаляется от центра со скоростью света для любого наблюдателя внутри. Следовательно, наблюдать реликтовые фотоны невозможно, так как они вне горизонта видимости.

Если признать гипотезу БВ истинной, то мы должны сегодня наблюдать Вселенную на всех этапах ее развития с момента возникновения, но такой порядок не обнаруживается. Открытие ячеисто-сотовой структуры размещения галактик также не вписывается в гипотезу БВ [2, 3].

Вопрос об эволюции Вселенной во времени и в пространстве стал актуальным благодаря развитию техники наблюдений и с открытием целого ряда явлений, которые не находят объяснения в рамках существующих теорий и все более запутывают наше понимание устройства Вселенной.

Наблюдения сверхновых типа Ia и анализ полученных данных показал, что сверхновые в удаленных галактиках имеют яркость ниже ожидаемой «стандартной свечи». Предполагается, что дополнительному потускнению соответствует некоторая добавка расстояния. Но это возможно только тогда, когда космологическое расширение происходит с ускорением.

Это исследование обнаружило противоречие между общепринятым законом космологического расширения и общепринятой теорией эволюции звезд. Его предложено решить модификацией закона космологического расширения за счет вклада в плотность вещества во Вселенной различных составляющих.

Сверхновые звезды стали не только доказательством ускоренного расширения Вселенной, но и убедительной опорой для введения темной энергии. Теперь измерения космического микроволнового фона, изучение крупномасштабного распределения галактик и другие наблюдательные проекты служат поиску гипотетической темной материи и темной энергии.

Типичная ситуация, когда к наблюдениям, не укладывающимся в общепринятые теории, теоретики придумывают очередную виртуальную реальность, не обращая внимания на существующие эмпирические законы и на условия их получения.

Успехи наблюдательной астрономии выдвинули космологию на передовые рубежи в открытии новых законов физики и развития теорий о Вселенной.

Полноценная квантовая теория гравитации все еще не создана.

Существующие теории космологического расширения Вселенной и эволюции звезд, объяснение крупномасштабной структуры Вселенной и природы реликтового излучения, не справляются с потоком новых наблюдательных фактов, а требуют все более экзотических гипотез и предположений. Однако, если «темная материя» и «темная энергия» не регистрируются, то указанное скорее свидетельствует о кризисе теорий о Вселенной. Это тем более возможно, поскольку современные теории о Вселенной непригодны в описании космических объектов меньше галактики (Солнечной системы в целом и каждой из планет).

Цели, задачи, материалы и методы

Вслед за Ньютоном можно повторить: «Законов не изобретаю». Эти слова следует сделать девизом эмпирической науки. Современные теоретики предпочитают конструировать виртуальную реальность, но разучились проводить анализ эмпирических данных.

Среди всех законов, используемых в современных теориях о Вселенной только закон Всемирного тяготения можно отнести к эмпирическим законам в полной мере, остальное – это постулаты, предположения, гипотезы и подтасовка фактов под них.

Исследования микромира привели к гипотезам квантовой физики, а также выдвинули определенные требования к классической механике и электромагнитной теории поля для их дальнейшего развития.

С учетом требований этих трех различающихся между собой теорий был выполнен анализ наблюдательных данных устройства Солнечной системы. В результате найдена вторая компонента поля, вычислена соответствующая ей константа и скорость распространения гравитационного взаимодействия. Таким образом, выполнены требования электромагнитной теории: получена полноценная вторая компонента для гравитационного поля и показана конечная скорость передачи взаимодействия. Требование квантовой теории состоит в наличии кванта действия, ответственного также за квант вращения. Это требование также выполнено благодаря тому, что вторая компонента гравитационного поля представляет собой волновое пространство и это поле распространяется с конечной скоростью. В итоге получена полноценная квантовая теория гравитационного поля. Эта эмпирическая теория не только прекрасно описывает устройство Солнечной системы, но и демонстрирует связь между классической механикой, теорией поля и квантовой механикой.

Теперь дополненную новой компонентой теорию гравитации Ньютона, с учетом требований полученной квантовой теории гравитации, следует применить в космологии, включая Солнечную систему, звезды и планеты (то есть распространить на все космические тела).

Кроме того, наличие Константы структуры требует учесть совместный баланс электромагнитного и гравитационного взаимодействий в единой Вселенной, и на этом основании выполнить анализ эволюции звезд главной последовательности.

Научная новизна

В качестве теоретической основы науки о Вселенной использованы имеющиеся и открытые эмпирические физические законы. Новые законы, поскольку они названы эмпирическими, получены на основании имеющихся наблюдательных данных и с соответствующей значимостью они эти данные описывают.

Классическая и квантовая механики и теория электромагнитного поля используются вместе для описания Вселенной не только в мегамире, но и на уровне космического тела. Все эти теории использованы при анализе имеющихся данных о звездах ГП с целью получения эмпирических законов эволюции не только звезд, но и любого космического тела.

Предложена новая космология и теория Вселенной, основанная на эмпирических законах о космосе и эволюции космических тел, как элементов этой Вселенной.

1. Необходимость дополнения закона Всемирного тяготения второй компонентой гравитационного поля

Эмпирический закон Всемирного тяготения общепризнан, но приводит к фотометрическому парадоксу Г. Ольберса (1826) и гравитационному парадоксу Зеелигера (1895), если постулировать стационарность массы, отсутствие расширения пространства и бесконечность Вселенной.

Требования к теории гравитации со стороны теории поля состоят в необходимости второй компоненты и конечной скорости распространения поля. В соответствии с этими требованиями анализируя накопленные данные устройства Солнечной системы, получена полноценная вторая компонента поля. Для этой компоненты вычислена соответствующая константа, а также скорость распространения гравитационного поля и показано, что пространство представляет собой гравитационную волну вокруг тела [4-7].

Таким образом, эмпирически полученная вторая компонента гравитационного поля дополнила закон Всемирного тяготения до полноценной полевой теории гравитации. Кроме того, наличие волнового поля при конечной скорости его распространения определяют «константу вращения», аналогичную постоянной Планка в квантовой физике.

Полученная эмпирическая теория гравитации не только полноценная квантовая теория, но она дополняет классическую механику и предполагает возможность доработать электромагнитную теорию поля до квантовой теории [8].

Обозначения:

  •  - существующая гравитационная константа, входящая в закон Всемирного тяготения;
  •  - константа для второй компоненты гравитационного поля;
  •  - скорость распространения гравитационного поля.

Новая компонента гравитационного поля представляет собой волну вокруг космического тела. Длина основной гравитационной волны  определяется массой тела и новой физической константой:

                                                     .                                                (1)

Таким образом, пространство представлено гравитационным полем, оно волновое, а линейный размер занимаемого телом пространства конечен и строго определен массой тела.

В дополнение к волновому пространству обе гравитационные константы определяют скорость распространения поля:

                             километров в секунду.                        (2)

Здесь умышленно приведено значение скорости распространения гравитационного поля, чтобы показать его малую величину по сравнению со скоростью света.

С развитием квантовой механики привычное для классической физики изучение траекторий движения сменилось исследованием структуры материи. Принцип неопределенности, в этом случае, потребовался как квантовый критерий устойчивости классического понятия орбиты. Понятия уровень энергии, орбитальный момент, спин появились в терминологии квантовой физики благодаря наличию волновых свойств у частиц. Волновое поле вокруг частиц как раз и создает структуру пространства, иерархию энергетических уровней и «квантуемость» вращения.

Соответственно новая квантовая теория гравитации будет полной, если дополнить ее по аналогии постоянной Планка «константой гравитационного излучения» (момент импульса) . Учитывая уравнения (1) и (2), получим:

                                     .                                (3)

Для того чтобы придать классической теории электромагнитного поля квантовый вид также желательно связать постоянную Планка с уравнением для момента импульса, выраженного в константах этого поля.

Скорость распространения электромагнитного поля и скорость света (фотонов) – одинаковые, но поле электрического заряда не создается фотонами. Фотоны – это самостоятельные частицы и они распространяются в гравитационном поле, так как пространство и есть гравитационное поле. Как и для электромагнитного поля, скорость распространения гравитационного поля определяется константами двух его компонент и вычисляется по уравнению (2). При этом гипотетических гравитонов не существует, так как пространство Вселенной изначально задано распределенными в нем космическими телами с волновыми полями вокруг них.

Уравнение (1) необходимо не только для объяснения квантового устройства планетных систем, но и для понимания модели Вселенной – частицы, а также для описания всего мироздания и эволюции Вселенной [7].

Однозначная связь массы с периодом волны приводит к пониманию структуры Вселенной. Если радиус тела  больше основной гравитационной волны этого тела , то мы имеем дело с классической механикой. В этом случае волновое поле находится внутри тела, и такие тела взаимодействуют между собой своими поверхностями. Если радиус тела меньше его основной гравитационной волны , то здесь мы имеем дело с квантовой физикой. Это полевая и квантовая область для космических тел [9], так как в этом случае поле выходит за пределы тела, и они взаимодействуют своими волновыми полями.

Уравнение (1) и условие  объясняют, почему мы наблюдаем космические тела в практически пустом пространстве. Благодаря волновому полю, которое существует вокруг массы, космическое тело представляет собой строго ограниченную, замкнутую область. Таким образом, дополнение закона Всемирного тяготения второй компонентой поля автоматически разрешает гравитационный парадокс Зеелигера и все расходимости, связанные с теорией Ньютона.

В работе [9] показаны причины и условия существования крупномасштабной структуры Вселенной, связанные с разницей в скоростях распространения электромагнитного и гравитационного поля и с еще одной новой физической константой, названной «Константа структуры»:
                                               .                                           (4)

2. Модель Вселенной - частицы

Поле заряда представляет собой волну, скорость распространения которой не зависит от систем отсчета. Тогда Вселенную следует представить в виде частицы, границы которой – ее радиус, можно описать уравнением вида:

                                                     .                                                     (5)

Здесь t – текущий возраст Вселенной, C – скорость света.

Так как скорость света C – постоянная величина, то текущее значение радиуса Вселенной легко вычисляется по уравнению (5) для нужного возраста.

Такая частица с учетом уравнения (1) представляет собой замкнутую, ограниченную материю с однородным, непрерывным гравитационным полем внутри нее в качестве пространства, а ее расширение связано со свойством света распространяться с конечной скоростью.

Рассмотренное выше уравнение (1) служит исходным аргументом в пользу предлагаемой модели Вселенной – частицы благодаря связи массы тела (заряда) с занимаемым им линейным пространством. При этом следует учитывать, что пространство представлено полем и это поле волновое. В этом случае замкнутость и ограниченность Вселенной – частицы строго определена гравитационным полем (волновым пространством) и границы этой частицы растягиваются со скоростью света.

Из уравнения (5) следует расширение линейных размеров не только пространства, но и самих тел с постоянной скоростью. Так как масса связана с его линейным пространством по уравнению (1), то массы тел также линейно увеличиваются. Другими словами массы тел (как и их радиусы и расстояния между телами) увеличиваются линейно с возрастом Вселенной.

Уравнения (1) и (5) позволяют представить Мироздание в виде частиц, где одной из частиц является наша Метагалактика, которая в этой статье названа Вселенной. Вселенная – частица обладает уникальными свойствами и сама, в свою очередь, состоит из «частиц» с предсказуемыми свойствами, а фотометрический парадокс Г. Ольберса разрешается автоматически.

Скорость, необходимая для преодоления притяжения тела (вторая космическая скорость), вычисляется из равенства кинетической и потенциальной энергии: , то есть: .

Найдем радиус тела  – расстояние от центра тяготеющей массы, на котором скорость частицы становится равной скорости света : . Более привычное название для  – радиус «черной дыры» для тела массой M.

Аналогично вычислим радиус  для тела массой M, на котором скорость частицы становится равной скорости распространения гравитационного взаимодействия : .

Баланс между гравитационным и электромагнитным взаимодействием выразим отношением:

                                                 .                                                (6)

Если связать количество фотонов в единице космического пространства  с электромагнитным полем, а количество барионов  с гравитационным полем, то баланс этих двух полей приводит к еще одной безразмерной фундаментальной константе:

                                 .                                 (7)

Назовем это соотношение «Уравнением баланса» [10].

3. Эмпирические свойства и закон расширения Вселенной

Уравнение (5) перепишем в более простом виде, удобном для применения к расчету расширения космических тел и расстояний между ними:

                                                      .                                                     (8)

Здесь R размер пространства (расстояние между телами или радиус тела), T – возраст Вселенной и ΔR – скорость увеличения указанного пространства.

В уравнении (8) следует учитывать размерность используемых величин. Например, если размерность R – метры, T – годы, то ΔR – приращение расстояния в метрах за год.

Покажем, что полученный космологический закон расширения по уравнению (8) описывает не только расширение большого космоса (разбегание галактик), но работает в Солнечной системе и описывает расширение космических тел.

С помощью лазерной локации поверхности Луны с Земли измерено, что Луна удаляется от Земли со скоростью  см/год, тогда возраст Вселенной, Галактики, Солнца и всех планет системы по уравнению (8) составляет:

                        млрд. лет.                        (9)

Здесь  см – расстояние Земля – Луна.

Этот эмпирически полученный результат хорошо совпадает с современными оценками возраста Вселенной и свидетельствует о справедливости уравнений (5), (8) и (9) как законов в описании расширения не только Вселенной, но и космических тел.

Воспользуемся уравнением (8) для описания расширения в рамках модели Вселенной – частицы и для сравнения с современной константой Хаббла:

                          км/(с·Мпк).                       (10)

Здесь r = 1 Мпк = 3.086×1019 км и константа  измеряется в км/(с·Мпк).

Значение современной константы Хаббла равно  км/(с·Мпк) [11].

Имеются и более низкие значения измеренной константы Хаббла, но все эти измерения используют красное смещение в спектрах звезд, тогда как значение  по уравнению (10) получено из наблюдений фактического удаления одного космического тела от другого.

Следует отметить также, что константа Хаббла должна с возрастом Вселенной убывать благодаря работе сил тяготения, тогда как в модели Вселенной – частицы расширение происходит с постоянной скоростью.

Уравнение (8) описывает расширение Вселенной в самом общем виде и в отличие от закона космологического расширения распространяется не только на разбегание галактик, но и на все космические тела, включая сами галактики, звёзды, планетные системы и планеты.

Если подставить полученный возраст планет T в уравнение (8), то получим, что радиус Земли ( мм) также увеличивается линейно от возраста на величину:  мм/год.

Полученный результат прекрасно согласуется с современными оценками увеличения радиуса Земли.

Таким образом, корреляция между красным смещением в спектрах галактик с расстоянием до них, обнаруженная Э. Хабблом, не является законом космологического расширения Вселенной. Так как космологическое расширение в корреляции Хаббла привязано к красным смещениям в спектрах звезд, то оно описывает только разбегание галактик и на более мелкие структуры не распространяется. Этому способствует принцип стационарности массы космических тел, существующая теория эволюции звезд и ограниченные возможности наблюдения.

Уравнения (5), (8) и (9) – это разные формы записи закона космологического расширения в модели Вселенной – частицы. Они подтверждаются непосредственным наблюдением удаления космических тел друг от друга и расширения самих космических тел.

Уравнения (1), (3), (5) и (7) служат основой модели Вселенной – частицы. В отличие от указанных выше гипотетических свойств Вселенной Фридмана, в модели Вселенная – частица все ее свойства имеют обоснование эмпирическими законами, полученными из наблюдений.

4. Эмпирические законы эволюции звезд и космических тел

Все свойства Вселенной (и всех составляющих ее «частиц») в рамках модели частицы получены благодаря балансу между электромагнитным и гравитационным полем, между только этими двумя фундаментальными взаимодействиями. Поэтому в данной статье рассматривается светимость космических тел, обеспечивающая баланс отношения количества фотонов к количеству барионов в единице пространства по уравнению (7) в рамках модели Вселенной – частицы, без учета ядерных процессов в звездах. Свойства Вселенной в модели Вселенной – частицы позволяют получить эмпирические законы эволюции всех космических тел (как звезд, так и планет).

Светимость звёзд современной наукой объясняется происходящими в их недрах ядерными реакциями, но измерения тепловых потоков от Юпитера и Сатурна свидетельствует об их способности генерировать тепло, в то время как протекание ядерных реакций в них считается невозможным. Кроме того, не получили объяснения аномальные характеристиками светимости квазаров.

Так как линейные размеры и масса космических тел в модели Вселенной – частицы линейно увеличиваются во времени, то их плотность падает по закону:

                        .                     (11)

Полученное уравнение служит примером динамичности эволюции плотности не только пространства, но и самих космических тел.

С помощью уравнений (1), (3), (5) и (7), и учитывая законы излучения черного тела, получим условие уравнения баланса между количеством излучаемых фотонов и количеством барионов.

Воспользуемся фундаментальной постоянной Вселенной – отношением количества фотонов  к количеству барионов  в единице пространства для обоснования светимости любого космического тела, а не только звезды. Для этого вычислим количество света испускаемого космическим телом, обеспечивающего баланс уравнения (5). При этом следует учесть, что линейные размеры пространства увеличиваются линейно во времени и линейно увеличивается масса тел.

Количество фотонов, излучаемых космическим телом, связано со спектральной светимостью тела , величиной его поверхности  (r – радиус космического тела), температурой  в максимуме спектра излучения (эффективная температура излучения) и временем свечения t, соотношением:

                                          .                                        (12)

Здесь использована спектральная светимость (излучательная способность) черного тела , учитывающая динамичность параметров Вселенной, а не интегральная светимость  .

В этом случае количество фотонов в единице объёма космического пространства равно:

                                              .                                            (13)

Здесь R - радиус объёма космического пространства.

Для каждого космического тела радиус объема занимаемого им пространства равен пространству занимаемого волной его поля и вычисляется по уравнению (1). То есть в уравнение (13) подставляем .

Условность выбора объёма космического пространства позволяет упростить формулу, если воспользоваться правилом пропорциональности , так как тело и пространство вокруг него расширяются одинаково:

                                                 .                                               (14)

Количество барионов в том же объёме пространства определяется массой тела:

                                                     .                                                  (15)

Для простоты оценок рассмотрим светимость тела относительно светимости Солнца:

                                           .                                         (16)

Здесь M и r – параметры космического тела выражены в относительных единицах к параметрам Солнца.

Для Солнца приняты следующие значения параметров:  K,  г и  см.

Усреднённые параметры звезд ГП приведены в таблице 1 [12].

В этой же таблице 1 приведена вычисленная по уравнению (16) относительная светимость  для каждого класса звёзд ГП.

Таблица 1. Характеристики звёзд главной последовательности

Для наглядности представим результаты расчета относительной светимости из таблицы 1 зависимостью от температуры звезды на рисунке 1.

 

Рисунок 1. Относительная светимость звезды в зависимости от эффективной температуры в спектре ее излучения. Точки – расчет для каждого класса звёзд ГП. Пунктирная линия – прогноз, равный 1 для всех масс космических тел.

Первые три точки (для классов звезд M5 – M8,5) выпадают из расчета возможно из-за особенностей свечения звезд этих классов. Далее, для классов звезд B4 – M0, согласие с расчетной относительной светимостью достаточно хорошее. Затем наблюдается некоторый «переходный период». Далее для классов звезд B3 – O8 значение относительной светимости выходит на другую постоянную величину, равную . Даже для самых оптимальных классов звезд B4 – M0 значение относительной светимости несколько выше прогноза и составляет . Учитывая большую ошибку при измерении физических параметров звезд, можно утверждать, что теоретическая светимость хорошо согласуется с прогнозом. При этом прогноз охватывает весь диапазон классов звёзд.

Используя данные таблицы 1, получим эмпирическую зависимость, связывающую эффективную температуру в спектре излучения звезд с их радиусом (рисунок 2).

 

Рисунок 2. Зависимость эффективной температуры звезды от её радиуса. Точки – исходные данные. Линия – линейная регрессия проведена через начало координат.

Уравнение регрессии на рисунке 2 получено по исходным данным методом наименьших квадратов и имеет вид прямой линии, проходящей через начало координат:

                                                .                                              (17)

Коэффициент детерминации полученной регрессии высокий и равен R2 = 99.12%.

Следовательно, прямая линия из рисунка 2 отлично описывает наблюдательные данные. Для малых радиусов звезд  наблюдается некоторое систематическое превышение наблюдаемой температуры звезды над регрессией, что отмечалось выше при обсуждении рисунка 1.

Самой лучшей проверкой модели является прогноз, поэтому применение уравнения (16) в области планет будет интересен. Прогноз для планет закономерен, так как в модели Вселенной - частицы рассматривается светимость всех космических тел.

В таблице 2 приведены параметры некоторых избранных космических тел: планет-гигантов, Земли и тела с эффективной температурой в спектре, равной 2.73 К (для этой температуры в таблице 2 соответствующая строка помечена M*).

Таблица 2. Характеристики избранных космических тел

Для космических тел из таблицы 2 в скобках указан соответствующий прогноз. Сравнение температуры по прогнозу с наблюдением для планет-гигантов показывает хорошее согласие и тем лучше, чем дальше планета от Солнца. Для Земли температура прогноза значительно меньше наблюдаемой, что связано с нагревом поверхности планеты Солнцем. Из этого следует, что Земля обладает слабым собственным источникам тепла, а излучает то тепло, которое получило от Солнца.

Кроме прогноза для планет вычислим параметры космического тела, имеющего эффективную температуру «реликтового излучения» Teff= 2.73 К. Этой температуре по уравнению (16) соответствует следующая масса и радиус (пересчитаны в метрические единицы измерения):  грамм;  километров.

Полученным параметрам хорошо соответствуют масса и размер спутников планет. Таким образом, в модели Вселенная – частица «реликтовое излучение» объясняется светимостью этих самых маленьких космических тел, причем не освещаемых соседними звездами. Таких объектов во Вселенной должно быть максимальное количество.

Более мелкие, по сравнению с  тела, слабо связаны гравитацией (по уравнению (1), когда ) и в процессе эволюции такие космические тела рассыпаются.

Так как модель Вселенной – частицы работает для всех космических тел (рисунок 1 и таблица 2), то можно утверждать, что красное смещение в спектрах звезд линейно связано с возрастом, так как  (рисунок 2), а «реликтовое излучение» соответствует излучению относительно легких космических тел.

5. Наблюдения в динамичной и расширяющейся Вселенной

В отличие от стационарной в динамически развивающейся Вселенной характеристики наблюдаемых объектов зависят от их возраста, но так как регистрируются фотоны, распространяющиеся с конечной скоростью, то необходимо учесть удаление наблюдателя из-за расширения пространства между объектом наблюдения и наблюдателем за время движения света между ними.

Уравнения (11) и (17) демонстрирует динамичность характеристик объектов Вселенной и эффективной температуры в спектрах звезд, а уравнения (5) и (8) – космологическое расширение. При этом эффективная температура в спектрах звезд линейно увеличивается в зависимости от их возраста (красное смещение), так как радиусы звезд линейно увеличиваются с возрастом, а эффективная температура в их спектрах линейно зависит от их радиусов. В такой динамичной и расширяющейся системе важно знать точный возраст наблюдаемого объекта, чтобы правильно измерить красное смещение. С этой целью рассмотрим рисунок 3.

 Рисунок 3. Определение истинного возраста наблюдаемого объекта в расширяющейся Вселенной.

На рисунке 3 светлым кружком изображен изучаемый объект. Серый кружок – наблюдатель, до которого свет достиг бы за время T1 в случае стационарной Вселенной. Черный кружок – наблюдатель в расширяющейся Вселенной. За время прихода света от объекта к наблюдателю, последний успел сместиться на некоторое расстояние ΔR1 из-за расширения пространства, что потребовало дополнительного времени для движения света и «исказило» возраст объекта наблюдения на величину ΔT1.

Воспользуемся уравнением (8) с учетом размерности и вычислим возраст Вселенной  и добавочное расстояние . Тогда «искажение» возраста объекта составит .

Если возраст наблюдаемого объекта в стационарной Вселенной равен , то в расширяющейся – . Так как T - возраст Вселенной, то выполняется условие , из которого следует .

Представим полученный результат на рисунке 4 в единицах возраста объекта относительно возраста Вселенной.

 

Рисунок 4. Зависимость относительного возраста наблюдаемого объекта от его относительного возраста с учетом расширения.

Здесь важно понять, что именно возраст звезды (возраст объекта)  входит в r на рисунке 2 и определяет эффективную температуру в спектре звезды (красное смещение).

Заключение

Теория гравитации, включающая закон Всемирного тяготения,  дополнена найденной второй компонентой поля, что сделало ее не только полноценной полевой теорией, но и соединило вместе классическую и квантовую механику. Вторая компонента поля разрешила известные парадоксы теории Ньютона и послужила основой для эмпирической модели Вселенной – частицы, так как вторая компонента поля установила связь массы космического тела с волновым пространством, которое оно занимает.

Математическая тождественность теории электромагнитного поля и гравитации позволила в модели Вселенная – частица определить границу в виде фронта, расширяющегося со скоростью света, а также установить баланс между этими двумя взаимодействиями в виде отношения количества фотонов к количеству барионов в единице пространства.

Расширение границы Вселенной со скоростью света соответствует закону космологического расширения, который благодаря второй компоненте гравитационного поля эквивалентен частице из-за ее замкнутости и однородности. Этот закон позволяет количественно вычислить не только скорость расширения пространства между телами, но и расширение самих тел. Это эмпирический закон, так как подтвержден наблюдениями.

Баланс двух взаимодействий и замкнутость Вселенной этими полями позволил на основании данных о звездах ГП установить эмпирические законы их эволюции и распространить их на все космические тела.

В результате установлено, что красное смещение в спектрах звезд есть следствие их эволюции, в результате которой происходит линейный рост массы звезд, их радиусов и, соответственно, их эффективной температуры от возраста.

Хаббл обнаружил корреляцию между красным смещением в спектрах звезд с расстоянием только потому, что и смещение спектров и расстояние до звезд меняется линейно от возраста. Закон Хаббла не распространяется на все космические тела только потому, что малые тела не видимы с достаточно больших расстояний, достаточных, чтобы измерить скорость их разбегания. В статье показано, что «ускоренное расширение» ранней Вселенной связано с тем, что расширение Вселенной и законы эволюции звезд – это разные законы.

Так как в модели Вселенной – частицы установлено, что не только звезды, но и все космические тела излучают свет, то реликтовое излучение связано именно с этими телами. Максимум в спектре излучения связан с распределением космических тел не только по массам, но в пространстве и от возраста.

Предложенная и эмпирически обоснованная модель Вселенной - частицы позволяет не только представить все мироздание в виде частиц «Вселенных», но и количественно проследить эволюцию каждого космического тела в нашей Вселенной, например, Венеры, Земли и Марса.

Выводы

Новые, эмпирически подтвержденные свойства гравитации позволили сформулировать модель Вселенной – частицы, которая не только хорошо описывает устройство мироздания (как совокупности частиц, подобных Вселенной), но и позволила получить ряд эмпирических законов Вселенной:

  1. закон космологического расширения;
  2. закон эволюции космических тел;
  3. закон увеличения (смешения) эффективной температуры в спектре звезд от возраста;
  4. «реликтовое излучение» обязано светимости космических тел малой массы.

При этом разрешены парадоксы теории тяготения Ньютона, но утрачена привычная стационарность и бесконечность мира: постоянство массы и абсолютность пространства.

Уравнение (11) демонстрирует высокую динамичность мироздания. Оно полезно при описании ранней Вселенной, для которой характерны компактные, плотные, очень яркие объекты со спектрами излучения, сильно сдвинутыми в красную область.

Библиографический список:

1. Семенченко В. М. Планк. Возникновение и постепенное развитие теории «квант». Нобелевская речь, прочитанная 2 июня 1920 г. в Шведской Академии Наук в Стокгольме // Под знаменем марксизма. 1923 г., № 2-3, С. 121-133.
2. Павленко А.Н. Принцип «наблюдаемости»: почему нереализуема теория бесконечной Вселенной? Вестник РУДН, серия Философия, 2009, № 3, С. 5-15.
3. Моисеев Б.М. Современная космология в общефизическом и философском аспектах // Философия науки, 2013, №4 (59), С. 114-124.
4. Курков А.А. Новые фундаментальные константы // «European Journal Of Natural History». – 2011. – №3. – С. 104-105.
5. Курков А.А. Теория устройства солнечной системы // Успехи современного естествознания. – 2011. – №9. – С. 85-88.
6. Курков А.А. Пространство – переносчик гравитационного взаимодействия // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2011. – № 10. – С. 35-37.
7. Курков А.А. Эмпирическая теория Вселенной: монография. ‒ М.: Издательский дом Академии Естествознания, 2016. – 84 с.
8. Курков А.А. Эмпирическая квантовая теория гравитации: вычисление необходимых констант и применение в описании вселенной // Электронный периодический рецензируемый научный журнал «Sci-article.ru», № 91 (март) 2021, С. 72-97.
9. Курков А.А. Введение. Физика структур // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 10-4. – С. 615-623.
10. Курков А.А. Излучение света космическими телами – свойство вселенной // Современные наукоемкие технологии. – 2011. – № 6. – С. 70-74.
11. Adam G. Riess, Lucas M. Macri, Samantha L. Hoffmann, at all. A 2.4% Determination of the Local Value of the Hubble Constant // arXiv:1604.01424. - 9 Jun 2016.
12. Федосин С.Г. Дискретность параметров звёзд http://sergf.ru/dps.htm




Комментарии пользователей:

Оставить комментарий


 
 

Вверх