ДРЕЙФ МАССЫ ЭЛЕКТРОНА
реклама
ДРЕЙФ МАССЫ ЭЛЕКТРОНА Охрименко Б.А.,(bao@univ.kiev.ua) Следствием процесса разбегания галактик является представление о расширении пространства, а также всех объектов в пространстве, включая атомы. Чтобы с увеличением размеров атомов их спектры оставались узнаваемыми, необходимо допустить, что масса электрона уменьшается с течением времени, то есть имеет место дрейф электронной массы. Альтернативному предположению об увеличении со временем массы электрона соответствует процесс уменьшения размеров атомов со временем, что в стационарном пространстве приводит к красному смещению спектров далеких галактик, пропорциональному их удаленности. Оценена скорость дрейфа электронной массы me , которая составляет dme dt = me ⋅ 10−10 год . Современная трактовка Концепция Большого взрыва приводит к представлению о расширении пространства. Расстояния между галактиками возрастают с течением времени. Каждая галактика занимает некоторую область пространства, которая никак не изолирована от общего пространства. Вследствие этого процесс расширения охватывает не только межгалактические расстояния, но и сами галактики. Повторяя операцию выделения все более мелких областей пространства, приходим к выводу, что процесс расширения пространства сопровождается расширением атомов. Иными словами, размеры атомов современного мира превышают размеры атомов, существовавших несколько миллиардов лет тому назад. Условимся называть древние атомы малыми, а современные атомы – большими. Излучение, преодолевшее расстояние в несколько миллиардов световых лет, содержит информацию о древних атомах. Эта информация заключена в спектрах излучения древних (малых) атомов. Установлено, что спектры излучения древних (малых) атомов похожи на спектры излучения современных (больших) атомов, но смещены в длинноволновую область спектра. Это смещение называют красным смещением спектров галактик. Чтобы спектры излучения из мира малых атомов были узнаваемыми в мире больших атомов, должны выполняться некоторые общие закономерности в обоих мирах. Рассмотрим некоторые спектральные закономерности на примере атома водорода. Известная формула для спектральных серий атома водорода имеет вид −1 4π h 3c 1 1 λnk = (1) − , mee 4 n 2 k 2 где n и k - квантовые числа нижнего и, соответственно, верхнего состояний атома водорода, λnk - длина волны излучения, испускаемого при переходе из состояния k в состояние n , c - скорость света, h - постоянная Планка, me и e масса и заряд электрона, соответственно. 1 Длину волны излучения целесообразно измерять в атомных единицах, в качестве которой выберем боровский радиус a0 h2 a0 = . mee2 (2) На основании (1) и (2) получаем λnk −1 4π 1 1 = (3) 2− 2 , α n k a0 где α = e2 ( hc ) – безразмерная постоянная тонкой структуры. Выражение (3) должно быть справедливо и для больших, и для малых атомов. Из (3) следует, что спектральные закономерности для больших и малых атомов будут одинаковыми, если постоянная α = e2 ( hc ) имеет одно и то же значение в обоих пространствах. Это требование налагает определенные ограничения на значения физических постоянных в двух сопоставляемых пространствах. Рассмотрим выражение для комптоновской длины волны электрона D c и выражение для классического радиуса электрона r0 h Dc = , (4) mec e2 r0 = . (5) mec 2 Из выражений (2), (4) и (5) получаем следующие соотношения D c r0 e2 = = =α , (6) a0 D c hc которые также должны выполняться в обоих пространствах. Из структуры выражений (2), (4) и (5) следует, что удовлетворить одновременно соотношения (3), (6) и неравенство a0+ > a0 , где a0+ и a0 – боровский радиус в расширенном и нерасширенном пространстве, соответственно, можно в том случае, если допустить, что выполняется неравенство me+ < me , (7) где me+ и me – масса электрона в расширенном и нерасширенном пространстве, соответственно. Остальные постоянные должны сохранять свое значение в обоих пространствах. В частности, должно выполняться равенство c + = c , то есть скорость света в обоих пространствах должна иметь одно и то же значение. Обеспечить одновременное выполнение неравенства a0+ > a0 и равенства c + = c возможно при условии неравенства эталонных временных интервалов T + > T . Эталонный интервал времени целесообразно выбрать также на основе модели Бора для атома водорода. Известно, что в модели Бора электрон движется по орбите, длина которой в основном состоянии атома водорода равна длине волны де Бройля, то есть a0 = h υ me . С учетом данного 2 соотношения получаем, что скорость движения электрона по орбите радиуса a0 определяется из соотношения υ = e 2 h = α c . Полагая, что единица временного интервала равна периоду полного оборота электрона по орбите радиуса a0 , получаем выражение 2π h 3 . (8) T0 = mee 4 Из формул (2) и (8) следует, что при переходе от расширенного пространства к нерасширенному пространству величины a0 и T0 изменяются одинаковым образом. По этой причине скорость света сохраняет свое значение c = e 2 α h . Можно использовать такую формулировку: если в нашем пространстве скорость света равна 300000 километров за секунду, то в сжатом пространстве скорость света будет, например, 300000 полукилометров за полсекунды. Воспользуемся заключением о том, что возрастание величины a0 обусловлено уменьшением со временем массы электрона. Предположим, что me+ уменьшается со временем в соответствии с выражением me+ = me − m& e ∆t , (9) где m& = dm dt . Подставляя в выражение (2) вместо me выражение (9) для me+ получим 2 h2 h 2 m& e ∆t m& e ∆t a = ≈ 1+ + (10) + ... . 2 2 & m − m ∆ t e m e m m ( e e ) e e e Из сказанного следует, что спектр излучения галактики, расположенной на расстоянии нескольких миллиардов световых лет и неподвижной относительно Солнечной системы, должен быть смещен в синюю область спектра, то есть в область малых длин волн. В действительности наблюдается не синее, а красное смещение, что объясняется разбеганием галактик. Скорость движения каждой из галактик имеет как бы две составляющих. Первая составляющая обеспечивает сдвиг спектральных линий древних малых атомов до положения спектральных линий современных больших атомов, а вторая составляющая обеспечивает дальнейший длинноволновый сдвиг по отношению к спектральным линиям современных больших атомов. Отметим, что закон Хаббла учитывает лишь вторую составляющую, которую можно назвать хаббловской. По умолчанию используется предположение, что спектры древних малых атомов тождественны спектрам современных больших атомов. По этой причине первая составляющая скорости считается равной нулю. Если же учесть ненулевое значение первой составляющей, то вычисленная (полная) скорость разбегания галактик увеличится по сравнению с хаббловской скоростью примерно в два раза. Воспользуемся следующей трактовкой постоянной Хаббла. Пусть галактика №2 находится на расстоянии в один мегапарсек от галактики №1. Согласно закону Хаббла галактика №2 будет удаляться от галактики №1 со + 0 3 скоростью 57 км/с. За год расстояние между галактиками №1 и №2 возрастет на 0.58·10-10 часть от исходного расстояния. На такую же часть исходного расстояния будет возрастать в год расстояние от центра галактики №1 до любой материальной точки в пространстве. В частности, если галактика №3 расположена на исходном расстоянии в 2 мегапарсека, то ее скорость будет 114 км/с и за год она пройдет расстояние вдвое больше, чем галактика №1. Данному процессу можно поставить в соответствие следующее выражение L/& L ∆t = L 0 1 + ∆t , L ( ) () () ( ) где L 0 и L ∆t - исходное и конечное расстояния материальной точки от центра галактики №1, ∆t - интервал времени, L/& L = H - постоянная Хаббла, которая равна примерно 57 (км/с)/Мпк. Поскольку процесс расширения охватывает всю Вселенную, то аналогичные процессы происходят в любой ее области. В частности, за счет данного процесса хаббловская компонента скорости отдаления Луны от Земли составляет около 2.1 см за год, а полная – вдвое больше. Такая оценка весьма близка к значению 3.8 см в год, которое получено экспериментально в результате лазерной локации Луны. Альтернатива Ранее земная твердь считалась недвижимой, а все небесные объекты подвижными. Нечто похожее имеет место и сейчас: земные масштабы считаются неизменными, а все галактики синхронно убегают от Земли со скоростью, возрастающей вместе с их удаленностью от Земли. Естественным образом возникает вопрос: "А не повторяется ли прежнее заблуждение, только на новом уровне?". Поясним высказанное предположение. Отвлечемся от возможных процессов расширения или сжатия пространства. Предположим, что со временем масса электрона не подчиняется (9), а медленно возрастает, то есть имеет место дрейф массы электрона в сторону ее увеличения. В таком случае вместо формулы (9) будем иметь me− = me + m& e ∆t . (11) В соответствии с формулами (2) и (11) размеры атомов должны медленно уменьшаться с течением времени. В результате такого процесса современные атомы будут меньше, чем древние атомы. В соответствии с формулой (1) спектры древних атомов по отношению к современным будут смещены в длинноволновую (красную) область спектра. Смещение будет тем больше, чем «моложе» атомы, то есть чем дальше от Земли расположены атомы-излучатели. На первый взгляд высказанное предположение о возрастающей массе электрона можно проверить экспериментально, измеряя длину метрового эталона с интерферометрической точностью через определенные промежутки времени. Такой метод, однако, является некорректным, поскольку и эталон, и длина волны излучения, используемого при измерениях, будут одинаковым образом изменяться с течением времени. 4 Одним из возможных вариантов экспериментальной проверки обсуждаемого предположения является определение скорости увеличения среднего расстояния между Землей и Луной. Допустим, что наблюдаемая скорость возрастания расстояния между Землей и Луной обусловлена полностью изменением величины a0 , а измеряемое расстояние L является строго постоянным. Пусть измерения разделены промежутком времени ∆t . За этот промежуток времени единица измерения расстояния изменится по аналогии с (10) от a0 до a0− = a0 1 − m& e ∆t me , что справедливо в случае, если ( ) m& e ∆t me << 1 . В результате измерений получим m& ∆t L = N 0 a0 = N a0 − a0 e . me Из данного соотношения следует bN 0 ∆N 1 = , N ∆t a0 N 0 где ∆N = N − N 0 , b = a0 m& e me . Поскольку a0 N 0 = 380000 км и bN 0 = 3.8 см за год, то на основании приведенных данных имеем m& ∆N 1 b = = e = 10−10 за год. N ∆t a0 me Сопоставляя полученный результат с результатом в завершающей части первого раздела данной работы, убеждаемся в том, что заключение об отдалении Луны от Земли в обоих случаях можно рассматривать как следствие зависимости массы электрона от времени. Вводя величину τ = 1 10−10 = 1010 лет, на основании последнего соотношения получаем дифференциальное уравнение dme me = dt τ , откуда следует выражение, которое определяет дрейф электронной массы, то есть зависимость массы электрона от времени () tτ m t = mee . С учетом дрейфа электронной массы из формулы (2) получаем выражение для зависимости боровского радиуса от времени () a t = a0e −t τ , (12) из которого следует, что размеры всех атомов со временем уменьшаются. Рассмотрим некоторые следствия, вытекающие из данного утверждения. Обратимся вновь к Луне. Уменьшение размеров атомов приводит к «усадке» Луны. Смещение атомов к центру Луны сопровождается переходом в тепло их потенциальной энергии в гравитационном поле Луны. Выделение тепла в недрах Луны стимулирует тектонические процессы и, в частности, извержение газов из недр Луны, что и наблюдалось Козыревым Н.А. в 1958 г. 5 Процесс «усадки» Земли и Солнца является дополнительным источником тепла в их недрах, что, по всей вероятности, является одной из причин наблюдаемого потепления климата планеты. Рассмотрим некоторые процессы, которые возможны в отдаленном будущем. Уменьшение размеров атома будет сопровождаться приближением его внутренних электронов к ядру. Формально в (12) такое приближение ничем не ограничено. Постепенное приближение электронов к ядру может завершиться «падением» электрона на ядро и превращением химического элемента в соседний элемент по таблице Менделеева. Такой процесс представляется актуальным для наиболее тяжелых элементов из таблицы Менделеева. Вследствие данного процесса со временем должно происходить обеднение Вселенной тяжелыми элементами. В связи с этим представляется допустимым предположение, что некоторые небулярные спектральные линии могут быть отнесены к исчезнувшим элементам. Обратимся к отдаленному прошлому. По мере смещения по шкале времени в прошлое размер атома водорода согласно (12) будет возрастать, а энергия его ионизации будет уменьшаться. Постепенное уменьшение энергии ионизации атома водорода приведет к тому, что атом водорода исчезнет как устойчивое образование. Следствием этого будет исчезновение спектральных линий водорода из спектров далеких галактик. Естественным образом возникает вопрос о возможном источнике энергии, взаимодействие с которым приводит к возрастанию массы электрона. Наиболее вероятным представляется предположение, что таким источником является взаимодействие электрона с нулевыми колебаниями радиационных осцилляторов. Как известно, наличие такого взаимодействия приводит, по мнению Бете, к появлению лэмбовского сдвига. Лэмбовский сдвиг уровня 2S1/2 относительно уровня 2P1/2 впервые был экспериментально изучен Лэмбом методами радиоспектроскопии, а позже подтвержден Хэншем с использованием методов лазерной спектроскопии. Сопоставление В двух предыдущих разделах данной работы представлены две точки зрения, позволяющие объяснить красное смещение спектров галактик и возрастание смещения спектральных линий по мере увеличения расстояния до галактик. В соответствии с названиями двух разделов работы будем называть эти точки зрения современной и альтернативной. В данном разделе основное внимание уделим сопоставлению указанных точек зрения. Анализ современной точки зрения приводит к заключению о дрейфе массы электрона с течением времени. Исходным положением альтернативной точки зрения является признание существования дрейфа массы электрона. Это обстоятельство является общим для обеих точек зрения. Различие заключается в том, что в современной точке зрения дрейф можно назвать отрицательным, поскольку он соответствует уменьшению массы электрона со временем (9), а в альтернативной – положительным, поскольку он соответствует увеличению массы электрона со временем (11). В соответствии с направлением дрейфа массы электрона имеет место дрейф размера атомов. Согласно современной 6 точке зрения размер атомов увеличивается с течением времени и, следовательно, современные атомы больше, чем древние атомы. Согласно альтернативной точке зрения имеет место уменьшение размеров атомов с течением времени (12) и, следовательно, современные атомы меньше древних. Чем больше атом, тем больше длины волн его спектральных линий и наоборот. Отсюда следует, что спектры «неподвижных» далеких галактик должны быть смещены в синюю область спектра, поскольку мы наблюдаем излучение древних малых атомов. Однако согласно современной точке зрения синхронное разбегание галактик обеспечивает красное смещение их спектров. Отсюда следует вывод о том, что распределение галактик в пространстве должно быть согласовано с их скоростью движения. Чтобы пояснить данное заключение, воспользуемся следующими соображениями. Во Вселенной существует выделенная система координат, по отношению к которой реликтовое излучение изотропно. Пусть начало координат данной системы находится в точке, где располагался исходный «заряд», вследствие Большого взрыва которого возникла современная Вселенная с разбегающимися галактиками. По отношению к данной системе координат крупномасштабное среднестатистическое распределение галактик и их скоростей должно характеризоваться сферической симметрией, что схематически представлено на рис.1. 60 60 40 40 20 20 0 0 y y 80 -20 -20 -40 -40 -60 -60 -80 -80 -60 -40 -20 0 x 20 40 60 80 Рис.1. Распределение масс и скоростей после взрыва заряда для неподвижного наблюдателя. -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 x Рис.2. То же, что на рис.1, но для наблюдателя, движущегося вместе с одним из «осколков». На рис.1 схематически представлено распределение масс после взрыва в плоскости сечения, содержащей начало координат. Отрезки линий красного цвета указывают направление движения масс, длина отрезков пропорциональна скорости их движения. Поскольку все подобные плоскости сечения равноправны, то на основании рис.1 можно заключить, что имеет место сферическая симметрия распределения масс и их скоростей. Это следует понимать так, что на поверхности любой сферы с центром в начале координат должно располагаться примерно одинаковое количество галактик. На рис.2 представлено то же, что на рис.1, только скорости указаны для наблюдателя, который движется вместе с одним из «осколков» с координатами 7 x ≈ 40 , y = 0 . Для наблюдателя на рис.2 имеет место не сферическая, а осевая симметрия распределения масс и скоростей. К заключению о характере симметрии распределения масс после взрыва можно прийти на основании общих соображений. Изначально предполагается расположение «заряда» в начале координат, что можно рассматривать как особую точку. Никакое выделенное направление не задается. Такая постановка задачи предполагает наличие центра симметрии и равноправие различных направлений, то есть сферическую симметрию, что и отражено на рис.1. Во втором случае, которому соответствует рис.2, есть две выделенных точки – начало координат и положение наблюдателя. Тем самым задается выделенное направление, что и определяет осевую крупномасштабную симметрию распределения масс и их скоростей. В случае альтернативной точки зрения распределение масс предполагается произвольным, а распределение сдвигов спектральных линий условно неподвижных галактик определяется лишь расстоянием их от наблюдателя. Сферически симметричное распределение не тождественно изотропному, что видно из рис.1. В любой точке, кроме начала координат, существует выделенное направление, что подчеркивает рис.2. Если распределение галактик во Вселенной является крупномасштабно изотропным, то этот факт свидетельствует в пользу альтернативной точки зрения. Согласно современной точке зрения атомы расширяются с течением времени, поэтому нет оснований говорить об «усадке» Луны, и, следовательно, о выделении тепла в ее недрах за счет указанного процесса. По этой причине наблюдавшееся Козыревым Н.А. выделение газов на поверхности Луны допустимо рассматривать как свидетельство в пользу альтернативной точки зрения. В завершающей части первого раздела данной работы с использованием современной точки зрения выполнена оценка скорости отдаления Луны от Земли. Данная оценка практически совпала с экспериментальной. Этот факт, казалось бы, однозначно говорит в пользу современной точки зрения. Однако в действительности дело обстоит иначе. Если бы отдаление Луны от Земли было обусловлено расширением пространства, то этот процесс сопровождался бы пропорциональным увеличением единицы измерения расстояний. При таких условиях эксперимент показал бы отсутствие отдаления Луны от Земли. Это замечание также свидетельствует в пользу альтернативной точки зрения. Заключение Концепция Большого взрыва приводит к выводу о расширении пространства и к понятию дрейфа массы электрона. Альтернативное предположение изменяет направление дрейфа на противоположное. Рассмотрены свидетельства, подтверждающие данное предположение. Явление дрейфа массы электрона влечет за собой дрейф современных эталонов длины и времени. Это обстоятельство повышает значимость системы единиц Планка, которую не затрагивает дрейф массы электрона. 8
