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.