Физический смысл реликтового излучения

Реликтовое излучение было обнаружено американскими физиками Пензиасом и Вильсоном в 1965 г., за что им была присуждена Нобелевская премия [6].

Экспериментальная зависимость интенсивности реликтового излучения от длины волны (рис. 31) подобна зависимости излучения остывающего черного тела (рис. 30) [2]. Это явилось основанием считать, что реликтовое излучение – результат охлаждения Вселенной, образовавшейся при так называемом «Большом взрыве» [6].

Рис. 31. Зависимость реликтового излучения Вселенной от длины волны [6]

Мы уже показали ошибочность интерпретации многих фундаментальных экспериментальных данных с помощью физических теорий ХХ века [4], [5]. Настала очередь анализа существующей интерпретации реликтового излучения.

Зависимость интенсивности излучения черного тела (рис. 30) от длины волны излучения хорошо описывается формулой Планка

, (164)

где: - плотность излучения, Дж/; - частота излучения, Гц; - скорость света, м/с; - постоянная Планка, ; - постоянная Больцмана, Дж/K; - абсолютная температура, K; - энергия фотона, Дж.

Физический смысл формулы Планка прояснился недавно, после того, как был найден вывод этой формулы, основанный на классических представлениях о сути процесса, который она описывает [4], [5]. Физический смысл первого сомножителя

(165)

- плотность фотонов в единице объёма.

Математический и физический смысл следующего сомножителя

(166)

-сумма ряда максвелловских распределений энергий фотонов, излучаемых электронами атомов и молекул при энергетических переходах с на все другие энергетические уровни атомов и молекул, которые находятся в среде с температурой .

С учетом физического смысла составляющих формулы Планка, физический смысл всей формулы – статистическое распределение количества фотонов разных энергий в полости черного тела с температурой [2], [3]. Из этого следует, что в полости черного тела (рис. 30) максимальное количество фотонов, формирующих температуру , имеют длину волны примерно м (134). Максимальное количество фотонов, формирующих температуру , имеют длину волны около м (135). Вполне естественно, что остальная часть зависимости плотности излучения черного тела характеризует количество (плотность) фотонов с другими длинами волн.

На рис. 31 приведена зависимость плотности излучения Вселенной (реликтовое излучение) от длины волны излучения. Считается, что формула (164) Планка описывает и эту зависимость, а температура Вселенной всего Т=3К. Если это так, то в зависимости плотности излучения Вселенной отражена статистика распределения количества фотонов, излучаемых какими – то атомами Вселенной. Чтобы выяснить химический элемент, атомы которого формируют реликтовое излучение, проведем более детальный анализ структуры этого излучения. Для этого изменим рис. 31 так, чтобы длина волны увеличивалась вдоль оси ОХ так же, как у черного тела (рис. 30). Попутно повторим расчет теоретической зависимости по формуле (164) Планка. В результате будем иметь информацию, показанную на рис. 32.

Рис. 32. Зависимость реликтового излучения Вселенной от длины волны:

теоретическая – жирная линия; экспериментальная – тонкая линия

Многократно повторенные расчеты по формуле Планка, дали результаты, которые отмечены светлыми точками и жирной линией. Тёмные точки и тонкая линия – результат переноса экспериментальных данных с рис. 31. Нам не удалось воспроизвести более точный перенос экспериментальных данных. Однако, и этого достаточно, чтобы увидеть аналогию между экспериментальной и теоретической зависимостями. Видимо, этого достаточно, чтобы приступить к анализу реликтового излучения.

Формула (164) Планка характеризует плотность фотонной энергии в кубическом метре пространства. В полости черного тела при температуре и длине волны , соответствующей максимуму этой температуры, она равна примерно , а во Вселенной, в зоне максимума реликтового излучения - .

Возникает вопрос: почему формула Планка работает в условиях, когда плотность энергии в единице объёма пространства отличается почти на 11 порядков? Ответ может быть один – потому что источник формирования обоих излучений один и тот же, а именно – энергетические переходы электронов в атомах. Этому источнику и приписывается закономерность излучения черного тела. Закономерность же реликтового излучения приписывается какому-то мистическому «Большому взрыву». Почему?

Астрофизик Ханнес Алвен рассматривает идею «Большого взрыва», как оскорбление здравого смысла [9]. Но его мнение игнорируется. Происходит это потому, что сила стереотипа научного мышления, сформированного ошибочными физическими теориями ХХ века, оказалась сильнее здравого смысла. Сейчас мы покажем, что лауреат Нобелевской премии Ханнес Алвен прав. Источник реликтового излучения - не мистический «Большой взрыв», а процесс рождения атомов водорода звездами Вселенной.

Известно, что основным химическим элементом звезд Вселенной является водород. Известно также, что атомарный водород существует при температуре выше . С увеличением этой температуры электрон атома удаляется от его ядра (протона), переходя на более высокие энергетические уровни. Чем выше температура, тем выше энергетический уровень, на котором находится электрон в атоме.

При энергии, равной энергии ионизации атома водорода, или температуре

. (167)

электрон отрывается от протона и атом водорода разрушается. Если температура понижается, то электрон вновь соединяется с протоном и, по мере уменьшения температуры, переходит ступенчато с одного уровня на другой, приближаясь к протону и излучая фотоны. При этом энергия связи электрона с протоном изменяется по простой зависимости (32) [4], [5]

Энергия связи электрона с протоном равна энергии фотонов, излучаемых им при энергетических переходах [4], [5]. Поскольку синтез атомов водорода происходит при высоких температурах, то температура звезд, как раз и формирует условия для синтеза этих атомов. В табл. 14 представлен спектр атома водорода. Посмотрим на возможности этого спектра формировать реликтовое излучение.

Итак, формула (164) Планка представляет собой математическую модель, описывающую зависимость плотности излучаемой энергии (плотности фотонов в единице объёма пространства) от длины волны излучения (фотонов). Опишем словесно формирование статистической закономерности, описываемой формулой Планка.

Максимуму плотности реликтового излучения соответствует длина волны излучения примерно равная 0,001м (рис. 32, точка 3). Энергия фотона, соответствующая этой длине волны равна

. (168)

Эта энергия соответствует энергии связи электрона атома водорода с протоном в момент пребывания его на 105 энергетическом уровне (табл. 14). Это значит, что при синтезе атома водорода свободный электрон, устанавливая связь с протоном, излучает фотон с длиной волны , соответствующий максимуму реликтового излучения (рис. 32, точка 3). Конечно, процесс этот статистический. В других атомах электроны оказываются в момент синтеза атома водорода на других уровнях, близких к 105 уровню. Однако, большая часть атомов начинает формироваться в условиях прихода электронов на 105-е энергетические уровни.

Что же будет делать электрон атома водорода в процессе его удаления от звезды? Так как температура среды будет понижаться, то он начнет ступенчато переходить на более низкие энергетические уровни, излучая при этом фотоны. Например, при переходе со 105 на 104 энергетический уровень он излучит фотон с энергией (табл. 14)

. (169)

Длина волны этого фотона равна

. (170)

Закон Вина позволяет определить температуру, которую формируют фотоны с такой длиной волны.

. (171)

Она соответствует длине волны реликтового излучения (точка 6 рис. 32). Далее, при последовательном переходе с одного энергетического уровня на другой, энергия излучаемых фотонов будет увеличиваться, а длина волны – уменьшаться. Последовательно переходя с уровня на уровень, электрон будет излучать фотоны, которые будут формировать интенсивность реликтового излучения в диапазоне (рис. 32) от точки 6 до точки 3.

При переходе с 29 на 28 энергетический уровень (табл. 14) электрон излучит фотон с энергией

. (172)

Длина волны этого фотона также соответствует зоне максимума (точка 3 рис. 32) реликтового излучения. Таким образом, количество фотонов с длиной волны, соответствующей максимуму реликтового излучения, удваивается. Но это не всё. Некоторые атомы водорода окажутся в условиях с большим перепадом температур. В результате их электроны будут переходить с уровня на уровень не последовательно, а пропуская несколько уровней. Так, например, если электрон перейдет со 105 энергетического уровня на 75 энергетический уровень, то он излучит фотон с энергией

(173)

Длина волны этого фотона также близка к длине волны, соответствующей зоне максимума (точка 3 рис. 32) реликтового излучения.

Если электрон перейдёт со 105 энергетического уровня на 60 уровень, то он излучит фотон с энергией и длиной волны , что соответствует интервалу между точками 1 и 2 на рис. 32. При переходе электрона с 15 энергетического уровня на 14 он излучит фотон с энергией и длиной волны , что соответствует точке 1 на рис. 32. Поскольку, от 15 до, примерно, 2 энергетического уровня (табл. 14) количество уровней значительно меньше количества уровней от 105 до 15, то количество фотонов излученных при переходе с 15 уровня и ниже будет значительно меньше, количества (а значит и их плотность в пространстве) фотонов, излученных при переходе со 105 на 15 энергетический уровень. Поэтому интенсивность излучения с длиной волны меньше резко уменьшается (рис. 32, точки 2 и 1). К этому следует добавить, что в момент перехода электрона с 15-го уровня и ниже излучаются фотоны другого диапазона. Например, при переходе электрона с 15-го на 2-ой энергетический уровень (табл. 14) излучается фотон с энергией и длиной волны, соответствующей световому диапазону (табл. 11)

. (174)

Кроме этого, в зоне от 4-го энергетического уровня и ниже начинается процесс синтеза молекул водорода, при котором также излучаются фотоны светового диапазона. Так как при синтезе атомов водорода рождается больше фотонов, чем при синтезе молекул, то плотность фотонов, рождающихся при синтезе молекул водорода во Вселенной будет значительно меньше, плотности фотонов, рождающихся при синтезе атомов водорода.

Таким образом, причина отсутствия экспериментальных данных при длине волны реликтового излучения меньше 0,0005 м (рис. 32) получает объяснение.

Поскольку закономерность изменения плотности реликтового излучения формируется при рождении атома водорода – первого и самого простого химического элемента, то у нас есть основание назвать это излучение «Начальным», а значит и реликтовым. Оно родилось тогда, когда появился атом водорода и с тех пор отражает постоянно текущий процесс его рождения в недрах звёзд.

Из новой интерпретации реликтового излучения следует большое количество новых следствий. Часть из них мы изложим здесь. Прежде всего, обратим внимание на то, что зависимость интенсивности реликтового излучения от длины волны формируется разным количеством фотонов в единице объёма. Наибольшее количество фотонов в единице объёма соответствует максимуму реликтового излучения. Из нашего анализа следует совпадение длин волн фотонов с длиной волны излучения. Поскольку плотность излучения формируется количеством фотонов с определённой энергией, то все они передают электронам антенны приёмника импульсы, соответствующие их энергиям, а значит и длинам волн. В результате длина волны излучения и длина волны фотонов, формирующих его, совпадают. Из этого следует, как мы уже неоднократно отмечали в прежних публикациях, что длина волны фотона не может быть больше длины волны реликтового излучения [4], [5].

К этому следует добавить, что реликтовое излучение может усиливаться стареющими фотонами. Это обусловлено тем, что все фотоны с длиной волны меньше длины волны реликтового диапазона, согласно эффекту Комптона, увеличивают длину своей волны в процессе взаимодействия с атомами и молекулами среды. Теперь мы видим, что пределом этого увеличения является реликтовый диапазон.

Обратим внимание на показатель степени в формуле (164) Планка. . Величина - энергия фотона. Величина - тепловая энергия фотона, эквивалентная кинетической энергии молекулы идеального газа, поглотившей или излучившей этот фотон, поэтому

. (175)

Так как температура Вселенной равна примерно , то длина волны фотона, соответствующего этой температуре, определится по формуле

. (176)

Энергия фотона, имеющего такую длину волны, относится к межуровневым переходам электрона в атоме. Определим её.

. (177)

Эта энергия соответствует энергии фотона, излучаемого электроном атома водорода при переходе с 47 на 46 энергетический уровень (табл. 14).

, (178)

. (179)

Итак, формулы (176) и (179) дают близкие результаты. Поскольку фотоны реликтового диапазона формируются электронами атомов водорода, то можно использовать спектр этого атома для выявления максимальной длины волны фотона.

Если Вселенная имеет температуру близкую к Т=3К, то длина волны фотона, формирующего эту температуру, в соответствии с формулой Вина (133), равна 0,001м. Энергия связи электрона атома водорода, соответствующая этой длине волны (табл. 14), равна 0,00123337 eV и соответствует пребыванию электрона на 105 энергетическом уровне (табл. 14).

В первом приближении величину длины волны фотона, соответствующую максимуму реликтового излучения, можно считать близкой к максимальной длине и равной 0,001м. Вторым приближением можно считать величину 0,005м, которая получается при расчете по формулам (176) и (179).

Теперь мы должны учесть, что переход электрона со 105 энергетического уровня на 104 энергетический уровень является первым неизбежным переходом, в результате которого электрон обязательно излучит фотон с энергией 0,000024eV (169). Длина волны фотона, соответствующего этой энергии, равна 0,05м. Это – третье приближение к максимальной длине волны фотона.

Из этого следует, что если 105 энергетический уровень электрона атома водорода является предельным, то максимальная длина волны фотона не может быть больше 0,05м. Электрон атома водорода не сможет излучить фотон с большей длиной волны.

Мы уже показали, что если все электроны любого атома присутствуют в нём, то их энергии связи с ядрами изменяются по такому же закону, что и энергии связи электрона атома водорода и не могут иметь меньших значений на соответствующих энергетических уровнях [4], [5]. Из этого следует, что электроны всех атомов, так же не смогут излучить фотоны с длиной волны больше 0,05м. Следовательно, у нас есть основания считать эту длину волны фотона предельной или очень близкой к предельной величине.

Тут сразу возникает вопрос об источнике излучений реликтового диапазона, соответствующем излучению с длиной волны больше 0,05м.

Анализ рис. 32 показывает, чтобы уменьшить расхождения между результатами расчета по формуле Планка и результатами измерений, необходимо повторить измерения интенсивности излучения Вселенной. Причем, провести эти измерения с большей точностью, чем раньше. Если эти расхождения удастся уменьшить, тогда возникнет необходимость объяснения причин формирования излучения с длиной волны более 0,05м.

Поскольку длина волны более 0,05м – дециметровый диапазон, то источником излучения таких волн являются технические устройства, передающие радио и теле информацию не единичными фотонами, а их импульсами (рис. 8).

Сразу возникает вопрос: во сколько раз длина волны фотона (на рис. 8 это – шарики) отличается от длины волны импульса фотонов ? Это зависит от температуры передающей антенны. Если она равна, например, , то её электроны непрерывно поглощают и излучают фотоны с длиной волны

(180)

Чтобы антенна, поглощающая и излучающая фотоны с длиной волны начала передавать информацию, надо сделать так, чтобы она излучала фотоны не непрерывно, а импульсами с длиной волны, например, 0,5 м. Тогда длина волны импульса (рис. 8) будет в раза больше длины волны фотонов, формирующих этот импульс.

Отметим, что закономерности излучения черного тела и Вселенной отличаются тем, что первая из них (рис. 7, а) формируется энергетическими переходами электронов атомов различных химических элементов при сравнительно низкой температуре (), вторая (рис. 7, b) формируется энергетическими переходами электронов в основном атомов водорода при значительно большей температуре . Фотоны, излученные электронами атомов водорода в процессе их удаления от звезд, охлаждаясь, заполняют Вселенную и формируют реликтовый диапазон.

Заключение

Излучение Вселенной, названное реликтовым, формирует охлаждающийся атомарный водород, который рождается в недрах звёзд Вселенной.

Реликтовое излучение не имеет никакого отношения к так называемому «Большому взрыву».

Дата добавления: 2014-01-04