Эффекты распространения света на большие расстояния

Размещено на http://www.allbest.ru/

Эффекты распространения света на большие расстояния

В.И. Неудахин

Представлена простая модель Вселенной, которая является частью четырехмерного, изотропного, безграничного, пространства. Это пространство имеет евклидову метрику, но в некоторой, возмущенной, области пространства (собственно нашей Вселенной) формируются условия, переводящие евклидово пространство в пространство Минковского. Из представленной модели становится понятным, почему время является особым, однонаправленным вектором. Из модели следует простое объяснение тому, почему скорость света не может складываться не с какой другой скоростью, а также, почему частицы, двигающиеся со скоростью света, не имеют массу покоя. Из модели становится понятным, какие физические процессы стоят за математическим формализмом, описывающим участие бозона Хигса в обретении частицами массы. В рамках модели, зависимость светимости сверхновых типа Ia от параметра z прекрасно согласуется с наблюдательными данными, является простой и естественной, без введения такого понятия как ускоренное расширение Вселенной. Согласно модели, время существования Вселенной - 14.4 млд лет. Из модели следует, что радиус последнего рассеивания существенно превышает ранее принятую величину и составляет ~ 14000000 лет.

Введение

Все разделы науки физики пронизаны понятием скорости света. В частности, инвариантность скорости света заложено в основу специальной теории относительности (СТО) и общей теории относительности (ОТО). Фактически, в СТО исследователи, используя математический аппарата, отвечают на вопрос: что будет, если скорость передачи сигнала будет конечной, фиксированной и одинаковой во всех системах отсчета. В то же время, до сих пор нет ответа на вопрос, какие объективно существующие свойства окружающего мира ответственны за это.

Согласно имеющимся научным представлениям, свойства света играют основную роль и в установлении геометрии реального физического пространства¹. Однако, такое высказывание является справедливым, если геометрия пространства-времени, в свою очередь, не влияет на параметры распространения света, или если имеется возможность учитывать это влияние.

Знание особенностей распространения света, в том числе и на большие астрономические расстояния, является весьма насущным для астрономии, так как эта наука в значительной степени построена на результатах анализа поступающих из космоса электромагнитных колебаний. И если имеющиеся данные о характере распространения этих колебаний являются приемлемыми для исследования объектов, расположенных на близких астрономических расстояниях, то справедливость их применения к объектам, расположенным на больших расстояниях, в настоящее время, вызывает сомнения.

В настоящее время имеются разные модели пространства-времени, которые, тем ни менее не дают ответа на ряд вопросов:

- почему скорость света является инвариантом;

- почему частицы, перемещающиеся со скоростью света, не имеют массу покоя;

- какие физические причины лежат в основе нелинейности пространства-времени в нашей Вселенной.

Наиболее проработанными и признаваемыми в настоящий момент, являются модели, в которых наша Вселенная, пространство и время возникли в момент Большого взрыва². Уже в своем первоначальном виде, эти модели имели несоответствие с наблюдательными данными по времени жизни Вселенной, а потом добавилось несоответствие с наблюдательными данными по светимости сверхновых типа Ia. Эти несоответствия были устранены введением подгоночного параметра, в рамках CDM- модели. Следствием такого подход появилась необходимость признать, что расширение Вселенной на последнем этапе своего развития является ускоренным. А это, в свою очередь, потребовало введение нового понятия “темная энергия”. Однако, как будет показано ниже, несоответствие наблюдательных данных и модели, о которой было сказано выше, скорее всего, вызваны неадекватностью модели Вселенной и реальности.

Обычно предполагается, что сигнатура пространства-времени является его неотъемлемым физическим свойством. Однако, в ряде работ ^3,4 высказываются гипотезы о существовании состояний физического континуума, включающих области с различной сигнатурой метрики. В частности, Я.Б. Зельдович⁴ высказал гипотезу о множественном образовании замкнутых Вселенных из первичного пустого мира Минковского.

В предлагаемой здесь работе также рассматривается модель замкнутой Вселенной, обладающей неевклидовой метрикой, но размещенной в евклидовом пространстве.

1. Модель

Представленная здесь модель основывается на предположение, что пространство четырехмерно. Оно безгранично, изотропно, имеет евклидову метрику. Этому пространству присущи некоторые физические свойства, в том числе и структурность. Структурные элементы пространства обладают ограниченной подвижностью, подобно атомам в кристалле и инерцией. Вследствие этого в пространстве могут возникать и распространяться волны плотности. Волны плотности самого пространства, а не вещества, помещенного в пространство. Такое пространство можно описывать скалярным полем плотности, векторным полем скоростей и, следовательно, характеризовать его как физическую среду. То есть, в данной модели речь идет не о физической среде, вложенной в пространство, а о том, что само пространство обладает свойствами физической среды. Как следствие, пространство может быть подвержено деформации: сжатию, растяжению.

Предположение о структурности пространства имеет самый общий характер и не накладывает ограничений на характер структуры. Это может быть 4-решетка, 4-идеальная жидкость⁵ и т.д. В данной статье рассматривается вариант модели пространства, в которой пространство является 4-х мерной решеткой, подобной той, что присуща кристаллу.

В данной модели также высказывается предположение, что наша Вселенная является выделенной областью этого 4-х мерного пространства. И в этой выделенной области реализуется пространство Минковского.

Такое возможно, если в пространстве, которое обладает свойствами физической среды, из области затравочной неоднородности концентрически распространяются волны возбуждения пространства.

Для такого предположения есть основание. Известно решение задачи с начальными затравочными значениями для трехмерного волнового уравнения⁶. Это решение толкуется следующим образом: по истечении некоторого времени область с начальным, затравочным возбуждением трансформируется в некий трехмерный шаровой слой, в котором сосредоточены все волновые процессы. Решение имеет четкий внешний и внутренний волновые фронты. За пределами шарового слоя, как снаружи его, так и внутри, существуют области покоя.

В данной работе предполагается, что распространение возбуждения в 4-х мерном пространстве приведёт к результатам подобным тем, что и для трёхмерного пространства: будут существовать внешний и внутренний волновые фронты, с тем отличием, что «поверхностный» слой, заключённый между этими фронтами, будет четырёхмерный. А за пределами этого слоя будут области покоя.

Этот тонкий шаровой четырехмерный слой и есть наша Вселенная. Все волновые процессы сосредоточены именно в этом узком слое. Передний фронт и задний фронт слоя ограничивают нашу Вселенную от остального 4-х мерного пространства. Понятно, что центр расширения шарового слоя (нашей Вселенной) должен лежать вне шарового слоя, то есть за пределами нашей Вселенной.

Назовем для краткости этот шаровой четырехмерный слой Н-слоем. Сам Н-слой и есть наша Вселенная.

Важным является то, что при расширении Вселенной происходит не растягивание самого пространства-времени [7], а происходит расширение области, которую занимает наша Вселенная в бесконечном пространстве. Подобно звуковым волнам в твердом теле, здесь нет переноса материала пространства, осуществляется только движение возмущенной области.

Модель не оговаривает, какого рода была затравочная неоднородность. В данной статье рассматриваются только характер расширения Вселенной и особенности распространения света, поэтому этапы развития Вселенной до времени последней рассеяния не принимаются во внимание.

Учитывая, что 4-х мерное пространство, по определению, является эвклидовым, двумерным сечением нашей Вселенной (сечением 4-х мерного шарового слоя) является кольцо. На (рис. 1а) это кольцо показано для двух моментов времени t1 и t2.

Ширина кольца ограничена двумя движущимися фронтами: передним фронтом FF и задним фронтом FB. На рис. 1а, на момент времени t1, передний фронт и задний фронты нашей Вселенной обозначены как FF(t1), FB(t1) соответственно, а на момент времени t2, как FF(t2) и FB(t2) соответственно.

Так как расширение Вселенной идет радиально от центра и равномерно во времени, то расстояние между событием, обозначенным точкой A(t1) и событием, обозначенным точкой A(t2) характеризует длительность времени между этими событиями, а направление вектора T₁ соответствует направлению вектора времени в точке A.

Точно также, расстояние между событием, обозначенным точкой B(t1) и событием, обозначенным точкой B(t2) характеризует длительность времени между этими событиями, а направление вектора T₂ соответствует направлению вектора времени в точке B.

Отсюда следует, что вектора времени в двух различных точках нашей Вселенной всегда неколлинеарны. На небольших расстояниях, учитывая большие размеры Вселенной, влияние этого эффекта на характер распространения света может быть незаметно, но на больших астрономических расстояниях этот эффект, как это будет показано ниже, становится весьма существенным.

Так как вектор времени в любой точке Вселенной направлен по лучу от геометрического центра расширения Вселенной и по нормали к линии фронта, то пространственная координата, которая должна быть перпендикулярной временной координате, должна совпадать с касательной к движущемуся фронту. А с учетом малой кривизны Вселенной можно говорить, что пространственная координата совпадает с линией движущегося фронта.

В силу тех особенностей, о которых говорилось выше, характер распространения сигнал в свободном пространстве и внутри Н-слоя должен сильно различаться. Если в свободном пространстве распространение сигнала происходит за счет продольных колебаний решетки пространства, то в тонком Н-слое, учитывая, что электромагнитные колебания имеют поперечный характер, распространение сигнала, осуществляются поперечными волнами типа волны Лява [8]. Эти волны распространяются на границе раздела двух твердых тел или в тонких слоях твердых тел. У этих волн упругая деформация представляет собой чистый сдвиг.

1.1 Распространение сигнала в свободном пространстве

Так как 4-х мерное пространство обладает свойствами физической средой, распространения сигнала в свободном (за пределами H-слоя) 4-х мерном пространстве подобно распространению звуковых волн в идеальном кристалле. Здесь речь идет о продольных волнах, у которых чередуются области уплотнения и разрежения в структуре пространства

Здесь важно отметить, что скорость распространения сигнала, независимо от того продольная это волна или поперечная не может превышать своего максимального, фиксированного значения, определяемого физическими параметрами 4-х мерного пространства. По аналогии со скоростью распространения звука в твердом теле, скорость распространения сигнала должна быть функцией упругости пространства. Эта скорость равна скорости света. Под скоростью света здесь и в дальнейшем понимается скорость света в вакууме.

Отсюда следует, что скорость движения расширяющихся фронтов равна скорости света, а величина, которая в научной литературе известна, как временной масштаб, на самом деле является возрастом нашей Вселенной. При величине постоянной Хаббла H = 73 км/с на мегапарсек время существования нашей Вселенной (T₀) составляет 14,4 млрд. лет. Такой результат хорошо согласуется с известными наблюдательными данными.

1.2 Свойства Н-слоя

На рис. 1в представлен участок двумерного сечения Н-слоя. Н-слой отделен от свободного пространства передним фронтом FF и задним фронтом FB.

Так как расширение 4-х мерного шарового слоя является распространением волн упругой деформации по решетке пространства, то, как и у всякой волны, здесь должны присутствовать две области: область сжатия и область растяжения. На рис.1в эти области обозначены эпюрами разнонаправленных напряжений. Области разделены некоторой условной границей О-О. Вблизи условной границы О-О напряжения решетки пространства минимальны и, следовательно, элементы пространства здесь квазисвободны.

В переходной области, примыкающей к переднему фронту FF, напряжения в решетке пространства нарастают от своего минимального значения вблизи границы О-О до максимального значения вблизи FF. А подвижность элементов решетки в этой области, соответственно, уменьшается при приближении к FF.

Точно также, в переходной области, примыкающей к заднему фронту FB, напряжения в решетке пространства нарастают от своего минимального значения вблизи границы О-О до максимального значения вблизи FB. А подвижность элементов решетки в этой области, соответственно уменьшается при приближении к FB.

На самих фронтах FF и FB, в областях максимального сжатия и максимального растяжения, элементы решетки находятся в своих крайних положениях и лишены подвижности. Следовательно, они не могут передавать колебания дальше, и являются физическими ограничителями для распространения всякого рода волн (сигнала) за пределы Н-слоя.

В переходных областях, на участках вблизи О-О области, подвижность элементов пространства достаточная для частичного проникновения в эти области

Таким образом, изотропность пространства внутри H-слоя нарушается. Фактически, в этом случае можно говорить об искривлении пространства. При этом подвижность элементов пространства приближается к нулю вблизи фронтов и максимальна в середине H-слоя. Подобное свойство пространства характерно для геометрии пространства Минковского.

Понятно, что параметры Н-слоя должны проявляться в характеристиках микромира, хотя в настоящее время не ясно как. Соблазнительно было бы предположить, что толщина Н-слоя, каким- то образом, соотносится с постоянной Планка. Например, энергия частицы может быть определена количеством волновых участков, входящей во временной отрезок равный толщине Н- слоя. Грубой аналогией может быть спиральная пружина, зажатая между двумя эластичными пластинами (фронтами H-слоя). Тогда, увеличение числа волновых участков должно приводить к усилению деформации пространства-времени и, как следствие, к увеличению запасенной энергии в данной точке. Однако, такое предположение пока ничем не может быть подтверждено.

1.3 Перемещение объектов микромира внутри Н-слоя

Как будет показано ниже, объекты микромира, по характеру перемещения в Н-слое, должны быть разделены на две группы. К первой группе относятся частицы, которые имеют радиальную составляющую скорости перемещения (вдоль вектора времени) меньше скорости движения фронта расширяющейся Вселенной. Напомним, что скорость движения фронта равна скорости света.

Ко второй группе относятся частицы, у которых радиальная составляющая скорости перемещения равна скорости света.

1.3.1 Перемещение объектов микромира, у которых радиальная составляющая скорости меньше скорости света

В этом случае переходная область, примыкающая к заднему фронт Н-слоя должен «догнать» частицу и с ней взаимодействовать.

Характер взаимодействия можно проиллюстрировать методом, который в свое время использовал А. Эйнштейн для пояснения искривления пространства-времени под действием массивного тела. Тогда на натянутую резиновую мембрану помещались металлические шарики, которые под действием гравитации продавливали мембрану, изменяя ее кривизну.

В нашем случае место мембраны занимает задний фронт FB вместе со своей переходной областью. Вместо гравитации действует давление, оказываемое на частицу движущимся задним фронтом FB.

Так как в части переходной области, примыкающей к заднему фронту, элементы пространства обладают достаточной подвижностью, частица будет «вдавлена» в переходную область в направлении противоположном направлению расширения Вселенной (против вектора времени). Фронт в месте нахождения частицы будет локально искривлен и, следовательно, частица должна оказаться в энергетической яме. Чем больше глубина проникновения частицы в переходной слой, тем больше должно быть затрачено энергии для начала ее движения.

Движение частицы вдоль пространственных координат в этом случае будет движением по поверхности заднего фронта расширяющейся Вселенной. Деформация переходной области, вокруг частицы, наделяет частицу свойствами, которые обозначаются как масса частицы, а также порождает явление, называемое гравитацией.

Постоянное расширение Вселенной и, следовательно, постоянный процесс расширения линии фронта должен сопровождаться уменьшением удельной энергии в любой точке фронта. Это, в свою очередь, должно приводить к уменьшению жесткости фронта.

Такой механизм массобразования дает основание предполагать, что массовые и гравитационные характеристики объектов микромира должны изменяться со временем.

Становится наглядно понятным известное положение СТО о том, что только безмассовые частицы могут двигаться со скоростью света. Хотя более правильным (с позиции причина - следствие) является другое утверждение: только та частица, которая движется со скоростью света, не имеет массу покоя.

Из представленной выше модели становится понятным, какие физические процессы стоят за математическим формализмом, описывающим участие бозона Хигса в обретении частицами массы.

Подробное рассмотрение передвижения частиц, обладающих массой покоя, выходит за рамки данной статьи. Здесь можно только отметить, что предложенная модель дает наглядное, представление о физической причине возрастания массы частицы при увеличении ее скорости.

Из СТО известно, что переход от одной инерциальной системы отсчета к другой равносилен повороту осей координат в псевдоевклидовом пространстве. Согласно предложенной модели, это эквивалентно локальному искривлению Н-слоя. А любое искривление Н-слоя должно сопровождаться деформацией решетки пространства. И чем сильнее поворот осей координат - тем больше деформация решетки пространства и значит больше запасенная энергия решетки пространства-времени в этом месте.

1.3.2 Перемещение объектов, у которых радиальная составляющая скорости перемещения равна скорости света

Для описания распространения света обычно используется понятие светового конуса в пространстве Минковского. В данной статье, для большей наглядности будет рассматриваться распространение света в двумерном пространстве Минковского.

На плоскости Минковского гиперболический конус вырождается в две пересекающиеся прямые линии, которым соответствует уравнение: x² - t² = 0. В нашем случае x - линия распространяющегося фронта; t - время, вектор которого перпендикулярен линии фронта в данной точке.

То, что распространение света в пространстве Минковского описывается прямой линией, применительно к представленной модели означает, что в середине H-слоя находится некоторый, очень узкий участок с не искривленной решеткой пространства-времени и с квазисвободными элементами пространства. Пространство на этом участке должно быть изотропно, так как |x| = |t|. В рассматриваемой модели это условие выполняется, так как подвижность элементов решетки в середине H-слоя, на узком его участке, высокая. Фактически, во все время своего движения фотон не выходит за пределы тонкого слоя вблизи О-О области, двигаясь синхронно с движением фронта! А в этой области сохраняются условия свободного 4-х мерного пространства, обладающего евклидовой метрикой (решетка пространства не искажена, а элементы пространства имеют высокую подвижность). Следовательно, угол между вектором вылета фотона и вектором времени в точке вылета должен составлять 45 градусов.

Это подтверждается также тем, что полная энергия частицы с ненулевой массой покоя в собственной системе отсчета равна, а не , хотя вся энергия частицы должна переходить в кинетическую энергию разлетающихся фотонов. То есть, в действительности модуль вектора скорости света равен , а проекция вектора скорости на пространственную ось равна c.

2. Распространение света на большие расстояния

Наиболее удобным для описания распространения света на большие расстояния является использование базиса, помещенного в 4-х мерное пространстве, в точке, являющейся геометрическим центром расширяющейся Вселенной. В данном случае помещение базиса в точке, не принадлежащей нашей Вселенной (Н-слою), является обоснованным, так как сам Н-слой принадлежит 4х мерному пространству.

Исходя из изложенного в разделе 2, возможны два варианта движения фотона.

1. Вылетев под углом 45^О к вектору времени, фотон и дальше, двигаясь в 4-х мерном пространстве, на протяжении всего своего пути, сохраняет прямолинейное движение. В этом случае, угол между вектором вылета фотона и вектором времени в точке вылета должен сохраняться на протяжении всей траектории движения фотона, а угол между вектором движения фотона и вектором времени в точке нахождения фотона, будет уменьшаться по мере движения фотона.

Здесь важно отметить, что двигаясь прямолинейно в 4-х мерном пространстве, фотон все время остается в 2-х мерной плоскости (пространство-время). Следовательно, траектория фотона должна лежать в плоскости сечения, как это представлено на рис. 2. Траектория распространения фотона в этом случае является прямой линией, в 4-х мерном евклидовом пространстве.

2. Угол между вектором движения фотона и любым вектором времени, который этот фотон пересекает, всегда остается равным 45 градусов.

Ниже рассмотрены оба эти варианты распространения света.

скорость свет вселенная

2.1 Прямолинейное распространение светав 4-х мерном пространстве

На рис. 2 показана часть (сектор) двумерного сечения нашей расширяющейся Вселенной. Отрезки дуг соответствуют разным моментам времени, отстоящим друг от друга на условную величину 0.1. За единицу принимается время с начала формирования Вселенной по настоящий момент.

Рассмотрим, из каких точек пространства-времени должен вылететь фотон, распространяющийся прямолинейно, чтобы сигнал попал наблюдателю, находящемуся в современный момент (t = 1.0), в точке B, на векторе времени T3. Этому условию соответствует, например, точка A, так как направление вылета фотона из точки A под углом 45° к вектору времени T1, на котором находится эта точка, совпадает с направлением, необходимым, чтобы попасть в точку B. Таким же условиям соответствует точка C, находящаяся на векторе времени T2. Этим условиям соответствуют и бесконечное множество других точек, которые образуют некую гиперповерхность вращения, двухмерное сечение которой обозначено на рисунке двумя последовательностями точек слева и справа от вектора времени T3.

Понятно, что с увеличением угла между вектором T3 и любым другим вектором точка вылета, для того чтобы фотон попал в точку B, сдвигается все глубже и глубже по времени. Так вектору T2 (угол 15°) соответствует точка C и время t = 0.7. Вектору T1 (угол 24°) соответствует точка A и время t = 0.5. Вектора TL и TR, отстоящие от вектора T3 на 45°, являются предельными векторами времени, которые ограничивают такое движение. Действительно, так как вектор движения фотона, вылетевшего под углом 45° из любой точки вектора TL будет параллелен вектору T3 то, следовательно, такой фотон никогда не достигнет вектора T3. То же можно сказать и про вектор TR. Таким образом, вся та часть Вселенной, которая находится за пределами векторов TL и TR, для наблюдателя, находящегося на векторе времени T3, недоступна для наблюдения во всем интервале времени от t = 0.0 до t = 1.0.

Из данных, представленных на рис. 2, следует также, что длительность принимаемого сигнала всегда больше длительности отправленного сигнала. При этом увеличение длительности усиливается неколлинеарностью векторов времени, на которых находятся точка отправления сигнала и точка приема. Действительно, если отрезок AM это - длительность сигнала, отправленного из источника, расположенного на векторе времени T1, то отрезок BF, расположенный на векторе T3, соответствует длительности принимаемого сигнала. Коэффициент увеличения длительности сигнала K_TL может быть определен, как отношение отрезков BF к отрезку AM. Используя построения, приведенные на рисунке, можно убедиться, что , где - угол между вектором времени, откуда вылетает фотон и вектором времени, где осуществляется его прием. То есть, коэффициент увеличения длительности принимаемого сигнала зависит от угла между векторами времени и, следовательно, от глубины нахождения, по времени, точки вылета.

Увеличение длительности принимаемого сигнала в точке приема, по сравнению с длительностью этого же сигнала в точке отправления, должно проявляться также в виде увеличения длины волны л кванта света.

В табл. 1 приведены результаты расчета величины K_TL и относительного изменения длины волны z = Дл/л для разных значений угла и, соответственно, для разных значений времени t нахождения точек вылета. Количество знаков для каждого рассчитанного параметра определяется достижением значимой величины.

Данные, представленные в табл. 1, прекрасно согласуются с результатами астрономических наблюдений. Так, например, известно⁹, что вспышка сверхновой в галактике с z = 0,5 наблюдается три недели, а в галактике с z = 1 - один месяц. В представленной таблице 1 значениям z = 0,5 и z = 1 соответствуют K_TL = 1.5 и K_TL = 2. Отношения этих коэффициентов соответствует пропорциям длительностей, полученным из астрономических наблюдений.

Имеются и другие важные следствия увеличения длительности сигнала в точке приема, которые следует учитывать при астрономических наблюдениях. В частности, это снижение интенсивности светового потока при увеличении расстояния. В данном случае, в месте приема происходит снижение интенсивности светового потока за счет увеличения времени поступления энергии в точку приема. Происходит рассеяние энергии во времени. Коэффициент K_SL уменьшения светового потока за счет увеличения длительности сигнала является величиной обратной коэффициенту K_TL. Данные, приведенные в табл. 1, находятся в прекрасном соответствии с результатами астрономических наблюдений¹⁰ за сверхновыми Ia, у которых z = 1. Эти результаты указывают на то, что причиной так называемого «аномального» снижения светимости сверхновых типа Ia, расположенных на больших расстояниях, является не ускоренное расширение Вселенной, а особенность распространения света в условиях расширяющейся Вселенной. Отсюда следует, что использовать сверхновые типа Ia для оценки больших расстояний можно только с учетом коэффициента уменьшения светимости K_SL.

Из экстраполяции длины волны реликтового излучения (температура ~ 2,725К; длина волны в максимуме спектра равна ~ 1,9 мм) в эпоху рекомбинации (T ~ 3000К, длина волны в максимуме спектра ~ 1,8 мкм), следует, что для этих условий z ~ 1000. Это соответствует последним известным данным WMAP. Однако, радиус поверхности последнего рассеяния, рассчитанный исходя из предложенной здесь модели, существенно превышает известную величину (~380 тыс. лет) и составляет ~ 0,001 от времени существования Вселенной или ~ 14400000 лет, если принять время существования Вселенной равным 14,4 млд. лет. Такое большое отличие радиуса последнего рассеяния от известных данных не должно вызывать удивления, так как ранее², при расчетах, доля барионного вещества в общем объеме материи принималась равной примерно 2,4 процента. Занижение доли барионного вещества в этих расчетах было вынужденной мерой, чтобы получить согласование с наблюдаемым временем жизни Вселенной и объяснить “аномальную” светимость сверхновых Ia. Как было показано выше, в рамках предлагаемой здесь модели занижать долю барионного вещества нет необходимости. Более того, из материалов, представленных в данной статье, следует, что принципиально не наблюдаемая часть барионная вещества Вселенной значительно превосходит её видимую часть и, следовательно, реальная плотность вещества во Вселенной должна быть во много раз больше, используемой в расчетах, что и должно приводить к увеличению радиуса последнего рассеяния.

Необходимо отметить, что угол между вектором движения фотона и вектором времени в точке приема всегда меньше 45° и уменьшается с увеличением расстояния до объектов, источников света. Этот эффект практически незаметен на малых астрономических расстояниях, так как линия фронта расширяющейся Вселенной из-за его малой кривизны мало отличается от прямой линии. Уменьшение угла между вектором движения фотона и вектором времени в точке приема предполагает уменьшение проекции вектора скорости фотона на пространственную ось (т.е. на линию перпендикулярную вектору времени в точке измерения) вблизи точки приема. Фактически, это означает уменьшение скорости света для таких фотонов, а также изменение соотношения импульс-энергия, по сравнению с известным соотношением. Скорость света (Cn) от далеких источников равна тангенсу острого угла между вектором движения фотона и вектором времени в этой точке. Например, в точке B (рис. 2). Следуя геометрическим построениям рисунка, а также учитывая, что вылет фотона из точки A осуществляется под углом 45° к вектору времени в точке вылета, скорость света . Здесь - угол (в радианах) между вектором времени в точке вылета и вектором времени в точке приема фотона. Из этого следует, что при 0, . Скорость Cn в этом случае, выражена в долях относительно известной скорости света и может рассматриваться как коэффициент уменьшения скорости света, приходящего от далеких объектов

В табл. 1 приведены значения коэффициента Cn при различных значениях угла и, следовательно, при различных z и различных расстояниях до источника света.

На первый взгляд может показаться, что модель, которая допускает уменьшение скорости света, не согласуется с законами СТО, которые многократно подтверждены экспериментально. Однако, как это будет показано в 4-ом разделе настоящей статьи, предложенная модель в полной мере соответствует экспериментальным и наблюдательным данным и не противоречит положениям СТО.

Распространение сигнала по прямой может создавать еще один эффект, который вносит элемент неопределенности в результаты наблюдений. Например, если при движении кванта света из точки A (рис. 3) в точку B он проходит мимо некоторого массивного объекта C, находящегося в точке D, на векторе времени T4, гравитационное поле G этого объекта будет оказывать на квант света свое отклоняющее влияние. Однако наблюдение самого объекта C, когда он находится в точке D, невозможно, и будет возможным только тогда, когда он передвинется по вектору времени T4 в точку K. Более того, объект C будет влиять на траекторию прохождения света из точки A в точку B дважды, в разные моменты времени: первый раз, когда он будет находиться в точке D, ниже траектории движения фотона, а второй раз, когда он будет находиться выше траектории движения фотона.

Такой эффект может быть объяснением (по крайней мере в части случаев) как проявление, так называемой, темной материи.

Существует и другой вариант, объясняющий наличие темной материи.

Волна возбуждения пространства, распространяющаяся из центра, может состоять из нескольких H-слоев, следующих один за другим и имеющих достаточно тонкую перегородку. Таким образом, речь идет о двух, а может быть и большем количестве Вселенных примыкающих друг к другу. Тогда массивный объект, находящийся в одном из соседних слоев, за счет упругой деформации пространства, может искривлять пространство нашей Вселенной, вызывая искривление траектории света. При этом сам объект в нашей Вселенной будет невидимым.

2.2 Распространение света, при условии сохранения угла равным 45 градусов между вектором движения фотона и любым вектором времени, который этот фотон пересекает

На рис. 4 показано двухмерное сечение нашей Вселенной, подобное тому, что и на рис. 2. Кривыми L и R обозначена совокупность точек в плоскости сечения, вылетев из которых, фотоны в состоянии достичь точки B, расположенной на векторе времени T3, в современный момент (t = 1.0). Так как, по определению, угол б между направлением движения фотона и любым вектором времени, который фотон пересекает в процессе движения, должен оставаться неизменным, то это означает, что кривые L и R являются логарифмическими спиралями. В данном случае, уравнением кривой в полярных координатах является с = exp(), так как ctg б равен единице (б = 45°). Угол , как и в предыдущих случаях, это - угол между вектором времени, на котором находится точка приема, и вектором времени, на котором расположена точка вылета фотона. В свою очередь, это означает, что коэффициент K_TS увеличения длительности сигнала в точке приема, относительно его длительности в точке отправления, также должен подчиняться экспоненциальному закону: K_{TS =} exp(). Так же как и в первом варианте, увеличение длительности сигнала в точке приема должно приводить к снижению наблюдаемой светимости объектов.

Данные, характеризующие распространение света на большие расстояния, для второго варианта представлены в табл. 2. Коэффициент увеличения длительности сигнала и коэффициент уменьшения светимости в табл. 2 обозначены K_TS и K_SS соответственно, чтобы избежать путаницы с подобными коэффициентами, характеризующими линейное распространение света. Остальные обозначения те же, что и в табл. 1.

Увеличение длительности сигнала в точке приема относительно точки отправления и, соответственно, снижение светимости сверхновых при z = 0. 5 и z = 1.0 представленные в табл. 2, практически не отличаются от результатов для линейного распространения света (табл. 1) и находится в полном соответствии с наблюдательными данными.

Из экстраполяции длины волны реликтового излучения в эпоху рекомбинации следует, что как и в случае линейного распространения света, радиусу поверхности последнего рассеяния, составляет ~ 0,001 от времени существования Вселенной или ~14000000 лет.

В этом варианте распространения света имеются существенные отличия по сравнению с вариантом прямолинейного распространения. Так как центр (t = 0.0) является асимптотой кривых L и R, это означает, что любая из этих кривых может пересекать один и тот же временной вектор несколько раз. Это, в свою очередь, означает, что существует принципиальная возможность одновременного наблюдения одного и того же объекта в разные моменты его существования и даже с противоположных направлений. Конечно, эти наблюдения будут соответствовать разным временам существования Вселенной и, следовательно разным значениям z для одного и того же объекта.

Кроме того, должны существовать несколько особых точек. Так, например, для наблюдателя, расположенного, в точке B, должны существовать две особые точки, которые находятся на пересечениях кривых L и R. Излучение от объекта, расположенного в особой точке A (угол = ; z ~22) (рис. 2), может распространяться до точки B в плоскости сечения, как по траектории кривой L, так и по траектории кривой R. Понятно, что существует также множество других траекторий, не лежащих в плоскости сечения, по которым излучение из точки A может попасть в точку B. И, следовательно, объект, расположенный в точке A (рис. 4), должен одновременно наблюдаться со всех направлений и иметь вид протяженного объекта, занимающего весь горизонт. Такое явление может иметь место только в том случае, если объект расположен строго в точке A, а гиперсфера пространства-времени геометрически идеальна. Кроме того, особая точка должна перемещаться по вектору, направленному в противоположную от вектора T3 сторону из-за расширения Вселенной.

Не менее существенным является и то, что все объекты, у которых z > 22, являются повторным изображением объектов, у которых z < 22. Это означает, что при оценке массы Вселенной должны учитываться только объекты с z < 22.

Существует еще только одна особая точка ( = 2; z ~ 532). Наблюдение объектов расположенных в других подобных особых точек ( = 3 и т.д.) невозможно, так как эти точки находятся за пределом поверхности последнего рассеяния (z ~ 1000).

Если, в действительности, имеет место второй вариант распространения света, то Вселенная вся доступна наблюдению.

3. Обсуждение

Наиболее важным из представленного выше является то, что эффект увеличения длительности сигнала в точке приема, по сравнению с точкой отправления, имеет место в любом из рассмотренных вариантов, и это увеличение прекрасно согласуется с известными измерительными данными. Таким образом, в рамках настоящей работы находит объяснение “аномальная светимость” сверхновых типа Ia без предположения ускоренного расширения Вселенной.

И хотя очень хорошие совпадения результатов, представленных в данной статье и тех, которые следуют из астрономических наблюдений, вряд ли могут быть случайными, эти результаты не отвечают на вопрос: каким их двух рассмотренных альтернативных вариантов распространяется свет.

На первый взгляд может показаться, что вариант с прямолинейным распространением света должен быть отброшен, так как в этом случае скорость света не является константой, и, следовательно, нарушается Лоренц - инвариантность - основа СТО и ОТО. И все же материалы, представленные в настоящей статье, не противоречат СТО и в то же время допускают возможность уменьшения скорости света от далеких объектов.

Дело заключается в том, что эффект уменьшения скорости света за счет неколлиниарности векторов времени в точках вылета и приема так мал, что зафиксировать его прямым измерением скорости света вряд ли возможно в обозримом будущем. Это связано с трудностями измерения скорости света в одну сторону^11-13, а также и в силу малости коэффициента Cn на расстояниях, на которых реально проведение измерений. Так, например, расстоянию равному одной световой секунде соответствует угол менее 2*10^-18 радиан. Коэффициент увеличения длительности сигнала K_TL с учетом малости угла , может быть записан K_TL = 1 + . То есть, современные методы измерения не смогут его выявить и, следовательно, можно говорить о неизменности скорости света в пределах погрешности измерения, на расстояниях сравнимых с размерами солнечной системы. То есть в тех условиях, в которых до настоящего времени проводились все эксперименты со светом. На больших астрономических расстояниях эксперименты не проводились и, следовательно, вопрос должен оставаться открытым до эксперимента подтверждающего или опровергающего положения данной статьи.

Здесь стоит обратиться к истории вопроса и вспомнить, что математические выражения, названные в последствие как преобразования Лоренца, возникли как ответ на выявленную экспериментально независимость скорости света от движения среды, в которой свет распространяется. Этот факт, а также то, что положения СТО были многократно подтверждены экспериментами, делают положение СТО незыблемым. Но известно также, что любая группа формул, связанных между собой, используемых в физике, отражают реальность лишь приближенно. Для любой формулы есть область ее применения. И если существует теоретическая предпосылка, пусть даже самая маленькая, к тому, что имеются границы применения какой-либо модели (формулы), важно экспериментально проверить справедливость такой предпосылки или опровергнуть ее, не отождествляя математическую модель с реальным миром.

Для подтверждения или опровержения варианта прямолинейного распространения света может быть использовано измерение скорости света, исходящего от далеких объектов, у которых z > 0. Меньшее значение скорости света от таких источников по сравнению с известным значением скорости света подтвердило бы справедливость первого варианта с высокой достоверностью. Измерение скорости света от далеких астрономических объектов может быть осуществлено путем наблюдения экранировки этих объектов. При «надвигании» экрана на светящийся объект, последний некоторое время будет наблюдаться на фоне экрана. Время наблюдения объекта на фоне экрана будет зависеть от разницы в скоростях света от далекого источника и отраженного от экрана, а также от расстояния до экрана. Это время, назовем его временем запаздывания t_z, записывается в виде:

,

где S - расстояние до экрана; Cn- коэффициент уменьшения скорости света, указанный в таблице 1; c - известная величина скорости света.

Для удобства выбора методики измерения, в табл. 1 приведены значения t_z для расстояния в одну световую секунду, при разных значениях z источников света.

В качестве экрана может быть использована одна из планет, или какой-либо другой объект солнечной системы.

Эффект запаздывания должен проявляться не только при «надвигании» экрана на светящийся объект, но также и при «сдвигании» экрана со светящегося объекта. Светящийся объект при этом должен появляться не на границе экрана, а сразу на некотором расстоянии от экрана.

Способом доказательства справедливости второго варианта распространения света, могло бы быть наблюдение объектов, который имеют z ~ 22 и которые, следовательно. располагаются вблизи особой точки A (рис. 4). Каждый из этих объектов, должен наблюдаться с двух противоположных направлений и при этом оба изображения должны обладать близкими световыми характеристиками. Понятно, что чем ближе такой объект будет к точке A, тем меньше будут различаться характеристики изображений, наблюдаемых с одного и другого направления. Особый интерес должны представлять несколько таких объектов, расположенных близко друг к другу. Тогда для отождествления этих объектов, наблюдаемых с двух противоположных направлений, могут быть использованы не только их световые характеристики, но также и взаимное расположение объектов. При наблюдении с двух противоположном направлении такие объекты должны иметь зеркальное положение друг относительно друга. Наблюдение таких объектов существенно увеличит достоверность наблюдений. К сожалению, в настоящее время, вследствие несовершенства имеющегося измерительного оборудования у наиболее далекого наблюдаемого объекта, красное смещение составляет 11,9 [14].

Заключение

Представлена простая модель Вселенной, в которой пространство обладает свойствами физической средой. Это пространство четырехмерно, изотропно, безгранично, имеет евклидову метрику, но в некоторой, возмущенной, области пространства (собственно нашей Вселенной) формируются условия, переводящие евклидово пространство в пространство Минковского.

В рамках предложенной модели пространство, обладающее физическими свойствами, в том числе и внутренней структурой, не противоречит положениям СТО. Более того, становятся наглядно понятными ответы на вопросы, которые возникают при рассмотрении положений СТО, и на которые до настоящего времени не было ответа:

- почему скорость света является инвариантом в разных системах отсчета;

- какие процессы наделяют объекты микромира массой и почему частицы, перемещающиеся со скоростью света, не имеют массу покоя;

- какие физические причины лежат в основе нелинейности пространства-времени в нашей Вселенной.

Из представленной выше модели становится понятным, какие физические процессы стоят за математическим формализмом, описывающим участие бозона Хигса в обретении частицами массы.

В предлагаемой модели срок жизни Вселенной на 700 миллионов лет больше по сравнению со стандартной космологической моделью. Это, почти на 680 миллионов лет отодвигает назад время начала формирования первых звезд, что лучше согласуется с имеющимися наблюдательными данными.

Признание структурности пространства дает основание и возможность для поиска внутренней структуры объектов микромира.

Из представленной модели следует, траектория движения фотона лежит в 2-х мерной плоскости (пространство - время).

Модель не имеет внутренних противоречий. В рамках модели, зависимость светимости сверхновых типа Ia от параметра z прекрасно согласуется с наблюдательными данными, является простой и естественной, без введения такого понятия как ускоренное расширение Вселенной. Причиной аномальной светимости сверхновых Ia, согласно модели, является неколлинеарность векторов времени в различных точках Вселенной.

Модель предполагает наличие новых эффектов, которые могут быть выявлены путем астрономических наблюдений.

Рассмотрены два альтернативных варианта распространения света. Каждый из двух представленных вариантов распространения света, имеет свои отличительные особенности, которые могут быть проверены наблюдательным путем. Следовательно, каждый из вариантов может быть идентифицирован или отвергнут.

Список литературы

1. В.А. Фок, Теория пространства, времени и тяготения, Изд. 3-е.М.: Изд-во ЛКИ, 2007, с. 20.

2. Д.С. Горбунов, В.А. Рубаков, Введение в теорию ранней Вселенной. Теория горячего Большого взрыва, Изд-во ЛКИ, 2006

3. А.Д. Сахаров, Космологические переходы с изменением сигнатуры метрики, ЖЭТФ 87, 375-383 (1984).

4. Я.Б. Зельдович, Письма в Астрономический ж. 7, 579 (1981).

5. A. Borowiec, W. Godlowski, and M. Szydlowsky, astro-ph/0602526 (2006).

6. И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев, Справочник по математике, М., Изд-во “Наука”, 1981, с. 454-455.

7. Д.С. Горбунов, В.А. Рубаков, Введение в теорию ранней Вселенной. Теория горячего Большого взрыва, Изд-во ЛКИ, 2006, с. 14.

8. Поверхностные акустические волны, под ред. А. Олинера, пер. с англ., М.,1981.

9. Ч. Линевивер, Т. Дэвис, В мире науки, № 7, 2005.

10. А.В. Тутуков, А.В. Федорова, Астрономический журнал, 2007, том 84, №4, с.328.

11. L. Karlov. Australian journal of physics. 23. 1970, p. 243-253.

12. C. Giannoni. Phil. Sci. 45, 1978, p. 17-46. 100.

13. Б.Б. Кадомцев, Л.В. Келдыш, И.Ю. Кобзарев, Р.З. Сагдеев. Успехи физических наук. 106, 1972, с. 660-662.

Приложение

Таблица 1.

Параметры линейного распространения света в четырехмерном пространстве-времени

Угол и, радиан	Время вылета фотона t, отн. ед.	z	KTL	KTS	Cn	Время запаздывания tz, с
0.04	0.96	0.04	1.04	0.96	0.92	0.08
0.08	0.92	0.09	1.09	0.91	0.85	0.17
0.12	0.87	0.15	1.15	0.87	0.78	0.27
0.16	0.83	0.21	1.21	0.83	0.72	0.38
0.20	0.78	0.28	1.28	0.78	0.66	0.51
0.24	0.73	0.36	1.36	0.73	0.61	0.65
0.28	0.68	0.46	1.46	0.68	0.55	0.81
0.295	0.67	0.50	1.50	0.67	0.53	0.87
0.32	0.63	0.57	1.57	0.64	0.50	0.99
0.36	0.58	0.71	1.71	0.58	0.45	1.27
0.40	0.53	0.88	1.88	0.53	0.41	1.46
0.425	0.50	1.00	2.00	0.50	0.38	1.65
0.44	0.48	1.09	2.09	0.45	0.36	1.78
0.48	0.43	1.35	2.35	0.42	0.31	2.17
076	0.036	26.84	27.84	0.037	0.025	38.36
0.772	0.019	51.78	52.78	0.019	0.013	73.63
0.779	0.009	109.5	110.5	0.009	0.006	155.29
0.7826	0.004	251.7	252.7	0.004	0.0024	356.38
0.784	0.002	504,7	505,7	0.002	0.001	714.28
0.78469	0.001	1011.8	998.5	0.001	0.0003	1411.10

Таблица 2. Параметры распространения света при его движении по спирали

Угол и, радиан.	Время t, отн.ед.	z	KTS	KSS	Угол и, радиан.	Время t, отн.ед.	z	KTS	KSS
0.04	0.96	0.041	1.04	0.96	0.72	0.49	1.05	2.05	0.49
0.08	0.93	0.083	1.08 1.110	0.92	0.76	0.47	1.14	2.14	0.47
0.12	0.90	0.127	1.13	0.87	1.40	0.25	3.06	4.06	0.25
0.16	0.87	0.17	1.17	0.85	1.44	0.24	3.22	4.22	0.24
0.20	0.84	0.22	1.22	0.82	3.04	0.05	19.91	20.91	0.048
0.24	0.81	0.27	1.27	0.79	3.08	0.046	20.76	21.76	0.046
0.36	0.70	0.43	1.43	0.70	3.12	0.044	21.65	22.65	0.044
0.40	0.67	0.49	1.49	0.67	3.14	0.043	22.10	23.10	0.043
0.405	0.667	0.50	1.50	0.667	3.16	0.042	22.57	23.57	0.042
0.44	0.64	0.55	1.55	0.64	6.24	0.0019	512	513	0.0019
0.48	0.62	0.62	1.62	0.62	6.28	0.0019	533	533	0.0019
0.60	0.55	0.82	1.82	0.55	6.32	0.0018	555	556	0.0018
0.64	0.53	0.90	1.90	0.53	6.84	0.0011	933	934	0.0011
0.68	0.51	0.97	1.97	0.51	6.88	0.0010	972	973	0.0010
0.695	0.50	1.00	2.00	0.50	6.91	0.0010	1001	1002	0.0010

Размещено на Allbest.ru