книги / Физика и философия подобия от преонов до метагалактик

ранняя Вселенная должна представлять из себя систему первичных вихрей, что тре­ бует выяснения природы этих вихрей.

6 . Проблема преобладания вещества над антивеществом. При высоких темпера­ турах в ходе расширения горячей Вселенной должны были существовать частицы и их античастицы, находящиеся в термодинамическом равновесии. При падении тем­ пературы частицы и античастицы проаннигилируют и никакого вещества не оста­ нется. Следовательно, необходим механизм, посредством которого можно объяснить преобладание вещества над антивеществом.

7. Проблема энтропии. Измерение концентрации реликтовых фотонов в пространстве дает величину около 4* 10е м '3. Размазанная концентрация нуклонов в пространстве Метагалактики приблизительно равна 1 нуклону на кубический метр. Тогда на каждый нуклон приходится 4-108 фотонов. Если считать, что возраст Метагалактики не превышает периода времени, прошедшего с момента Большого взрыва, то высокая удельная энтропия является характерным свойством расширяю­ щейся Вселенной и требует своего объяснения.

Внастоящее время указанные проблемы пытаются решить в моделях раздуваю­ щейся или хаотической Вселенной (смотри [115] ). При этом предполагается, что вначале Вселенная расширялась экспоненциально быстро от неустойчивого вакуум­ ного состояния, за время порядка 10"35 секунд расширение покрывает область, во много раз превышающую размеры нашей Метагалактики. Затем происходит перестройка вакуума с образованием и разогревом вещества и обычное медленное расширение в рамках теории горячей Вселенной.

В[15] проведено сравнение космологических тестов с выводами фридмановских моделей, в том числе и с инфляцией (раздуванием). Сделано следующее заключение:

1)Линейность закона Хаббла на масштабах 4 - 2 0 Мпк не связана с однородно­ стью распределения вещества (космологическим принципом Эйнштейна), посколь­ ку в ячейках размером до 300 - 400 Мпк галактики распределяются фрактально, по иерархическому принципу, в виде двойных галактик, групп галактик, скоплений, ipynn скоплений и сверхскоплений. Это ставит под сомнение требование космоло­ гических фридмановских моделей о необходимости существования большой скры­ той от наблюдения массы вещества.

2 ) Глубокие подсчеты числа слабых галактик требуют, чтобы критический пара­

метр фридмановских моделей qQ был менее 0,05 , в то время как измерения ампли­ туды квадруполя анизотропии фонового микроволнового излучения согласуются с теорией лишь при q0 > ОД.

3) Для объяснения проблемы плоскостности привлекаются фридмановские моде­ ли с инфляцией и параметром q0 = 0,5, но это дает заниженную постоянную Хаббла Н = 35 км/(с* Мпк) вместо наблюдаемого значения 50 —100 км/(с* Мпк) и противо­ речит существованию гигантских эллиптических галактик с красным смещением z ~ 3, имеющих спектры старых звездных населений и требующих космологическо­ го времени для своей эволюции.

Напомним, что q0 = —, где Q - — есть отношение текущей средней плотности

2 рс

вещества р0 к критической плотности вещества рс. Плотность р с определяется че­ рез постоянную Хаббла Н0 и гравитационную постояннуюю у:

— °

Рс = 8 жу

При q0 > 0,5 мы имеем согласно теории замкнутый мир, при q0 < 0,5 - открытый мир [77].

Предлагаемая нами космологическая модель должна быть простой, описывать эволюцию Метагалактики в соответствии с космологическими принципами § 37 и быть свободной от проблем, характерных для теории Большого взрыва. Кроме этого, она должна по-своему обьяснить красные смещения в спектрах далеких галактик, реликтовое излучение, содержание гелия и тяжелых элементов, возраст галактик - то есть все основные наблюдательные факты астрономии.

а) Сценарий эволюции Метагалактики.

Предположим, что в бесконечной Вселенной вещество распределено однородно, причем неважно, из каких обьектов состоит вещество - это может быть один водо­ родный газ или звезды, находящиеся на одинаковых расстояниях друг от друга (ситуация, рассмотренная еще Ньютоном). Тогда все точки пространства равноправ­ ны, единый центр отсутствует, и при наличии притягивающих сил и случайных откло­ нений от равновесия начнется образование отдельных сгустков. Вначале они будут распределены однородно, но вследствие флуктуаций образовавшиеся сгустки начнут формироваться в сгустки еще большего размера. Этот процесс может быть непрерыв­ ным, рождая согласно принципу направленности эволюции элементарные частицы, молекулярные комплексы и пылинки, звезды, галактики, Метагалактику и другие обьекты из менее плотной среды. Вобщем случае мелкие объекты рождаются быстрее, чем крупные, из-за разности в скоростях течения собственного времени, поэтому ес­ тественным процессом является последовательный рост большихобьектов из мелких.

Однако в реальной Вселенной обьекты не статичны, они движутся, взаимодейст­ вуют, и описанная картина усложняется. Например, можно представить, что в резу­ льтате какого-то процесса облако газа с массой галактики обособилось от других обьектов и стало коллапсировать. Тогда образование данной галактики начнется фактически раньше, чем образуются первые звезды, и ее возраст окажется больше, чем возраст звезд (но меньше, чем возраст атомов). Здесь видно, что ход коллапса за­ висит от начальных условий, которые во Вселенной могут быть различающимися для разных типов обьектов. Так, согласно критерию Джинса, масса сжимающегося газо­ вого облака должна быть не меньше определенной величины для того, чтобы силы гравитации могли преодолеть силы газового давления [167]:

здесь М —минимальная масса облака, р - плотность,

к—постоянная Больцмана,

Т—температура,

Мр —масса протона,

у—гравитационная постоянная.

В(342) мы видим существенную зависимость от плотности и температуры сжимающейся среды. В случае других обьектов, отличающихся от газового облака, соотношение между массой и параметрами среды может быть другим. Считая, что Метагалактика обособилась раньше, чем в ней появились звезды, оценим ее возмож­ ный возраст по стандартной формуле, описывающей гравитационное падение веще­ ства [222]. При получении этой формулы предполагается, что внешние части Метагалактики при сжатии за время t проходят путь R:

R =

здесьg - ускорение свободного падения,

М-масса Метагалактики,

р- средняя плотность.

Врезультате приходим к следующему:

/8,5*1010лет,

где предполагаемая плотность Метагалактики р = 10" 27 кг/м3.

Возраст галактик и Метагалактики может быть оценен с помощью коэффициента подобия по времени П0 = 7,4Ы025 из (85). В § 34 рассмотрено подобие мелких пы­ линок и галактик, а в работе [2 12 ] можно найти, что время роста пылинок в различ­ ных опытах не превышает tn = 10" 6 секунд. Отсюда получаем условие для времени

образования Метагалактики:

/< tn n о = 2 *1 0 ,2 лет.

Всоответствии с принципом вложенности при коллапсе Метагалактики в ней об­ разуются и коллапсируют все более мелкие объекты - скопления галактик, галакти­ ки и первые звезды. Естественно, что максимальный возраст этих объектов не сильно отличается от возраста Метагалактики. Если в теории расширяющейся Вселенной по постоянной Хаббла, количеству материи в пространстве и плотности энергии вакуума получается ее возраст 8,9 - 11,5 миллиардов лет [250], то теория звездной эволюции для шаровых скоплений звезд предсказывает их возраст 1 3 - 1 8 миллиардов лет. Возраст звезды CS 22892-052 был независимо определен по методу нуклеокосмохронологии с учетом измерений содержаний отдельных элементов, и в частности 23STh, период полураспада которого порядка 14 миллиардов лет. Оценка возраста звезды дает 17±4 миллиарда лет [250]. Согласно [307] возраст нашей Галактики равен 22*5 миллиардов лет.

Поскольку коллапс вещества во Вселенной происходит непрерывно на всех уровнях, автоматически решается проблема начальных флуктуаций, требуемых для коллапса.

Высокая степень изотропии реликтового фона свидетельствует о том, что в про­ шлом Метагалактика была гораздо более однородной, чем сейчас. Такие наблюдае­ мые неоднородности и скопления вещества, как звезды, галактики и их скопления возникли в ходе естественной эволюции, а именно в процессе коллапса, сжатия, притяжения вещества с постепенным ростом масштаба скучивания. Типичное бога­ тое скопление содержит тысячи галактик в области размером до 3 Мпк с общей мас­ сой порядка 1015 Мс и имеет правильную эллипсоидальную (сферическую) форму. Сверхскопления со средними размерами 2 0 - 75 Мпк обычно сплюснуты и вытяну­ ты.

Вбольших масштабах Метагалактика имеет сетчатую, ячеистую структуру из ско­ плений и сверхскоплений галактик, что можно трактовать как кристаллическую структуру твердого гравитационно-связанного тела (смотри § 37). В этом случае можно предположить, что Метагалактика имеет общее твердотельное вращение.

Вменьших масштабах существенно дифференциальное вращение, которое не может предотвратить коллапс, но может повлиять на ход эволюции объектов и их форму. Особенно сильно вращение сказывается в некоторых галактиках и планетных системах, которые становятся весьма плоскими. Вероятно, именно вращение и соу­ дарения протогалактик ответственны за наблюдаемую сейчас морфологию галактик:

при слабом вращении звезды образуются быстрее, чем происходит окончательное сжатие протогалактического газово-пылевого облака, и тогда большая звездная сис­ тема остается сфероидальной, то есть эллиптической галактикой. Потере вращатель­ ного момента могут способствовать соударения протогалактик. Если вращение протогалактического облака быстрое, то звезды рождаются медленнее, вещество об­ лака вдоль оси вращения успевает стечь к центру галактики, растекается вдоль диска и образуются уплощенные системы —спиральные галактики. Впромежуточном слу­ чае образуются линзовидные галактики SO.

В[59] предполагается, что сжатие нашей протогалакгики происходило одновре­ менно с возникновением и взаимодействием множества фрагментов, массы которых определялись критерием Джинса (342) и могли иметь величину от 107до 109 Мс. При столкновениях происходило уплотнение фрагментов. Внутри фрагментов образовы­ вались первичные массивные звезды, которые успевали полностью проэволюционироватъ и взорваться как сверхновые еще до завершения сжатия протогалактики.

Всоответствии с рассуждениями в [167], газ, из которого образовалась наша Галактика, мог быть холодным, разреженным и состоять в основном из водорода без тяжелых элементов. Тогда все первичные звезды были массивными, яркими и короткоживущими (до 10 миллионов лет). Дело в том, что тяжелые элементы сильно охлаж­ дают нагревающиеся при коллапсе газовые облака, что увеличивает их плотность и уменьшает возможные массы рождающихся звезд. Взрывы первичных звезд в виде сверхновых явились источником наблюдающегося сейчас распределения тяжелых элементов, включая, вероятно, гелий. При вспышке сверхновой происходит взрыв­ ной ядерный синтез элементов за счет высокой температуры, а часть элементов обра­ зуется еще в ходе спокойной эволюции звезды. Например, при температурах порядка 109 К гелий образуется в реакциях [90]:

где п —нейтрон, р - протон,

D —дейтерий,

Г-тритий,

у—электромагнитный квант (фотон).

За время, пока Галактика сколлапсировала до наблюдаемого сейчас состояния, в ней за счет первичных массивных звезд могло сформироваться основное содержание гелия и тяжелых элементов. Уже из обогащенной тяжелыми элементами межзвезд­ ной среды образовалось большинство тех звезд, которые мы находим в Галактике. Этот вывод подкрепляется следующими доводами. Наблюдения других галактик по­ казывают, что приблизительно один раз в 30 лет в них происходит вспышка сверхно­ вой. В ранней Галактике предполагается [167] по одной вспышке сверхновой в год, иначе сейчас мы наблюдали бы много маломассивных звезд с большим дефицитом металлов. Но таких звезд немного, кроме этого, концентрация металлов в направле­ нии центра Галактики увеличивается, что объясняется падением обогащенного ме­ таллами газа к центру Галактики.

В [90] сделан приблизительный расчет накопления гелия в нашей Галактике. Пусть 10й звезд Галактики дают общую светимость 1037 Вт в течении Ю10лет, а гелий образуется в недрах звезд. Тогда излученная энергия равна 3*1054Дж. Эта энергия об­ разовалась в основном в реакциях синтеза гелия, когда при образовании одного ядра гелия выделяется 4,3-10" 12 Дж. Следовательно, за все время образовалось 1066 ядер гелия или 7 • 1039 кг. Если масса Галактики, состоящей в основном из водорода, равна 4-1041 кг, то отношение массы гелия к массе водорода равно 7/400 или 1,7 %. Но в

атмосферах звезд гелия по массе до 28 %, в потоках вещества от Солнца —20 %. Зна­ чит, гелий должен был образоваться в ранней Галактике. По данным из [161], на ри­ сунке 59 представлен выход нуклеосинтеза согласно теории звездной эволюции для О

иранних В-звезд.

Ввеществе солнечного типа массовая доля нуклидов уменьшается вдоль ряда: 4Не, 1бО, |2С, (Si + Fe), Ne, Mg. На рисунке 59 видно, что массовая доля нуклидов в

выбросах сверхновых зависит от массы звезд, и при М = 10 - 16 Мс приблизительно выполняется то же соотношение между массовыми долями нуклидов, что и для Солнца. Следовательно, первичные звезды с массами 1 0 - 1 6 Мс могли быть источ­ ником начального обогащения вещества гелием и тяжелыми элементами.

В эллиптических галактиках очень мало газа, звездообразование давно закончи­ лось, но атмосферы звезд содержат значительные количества тяжелых элементов. Можно предположить, что и в этих галактиках до обычных звезд существовали пер­ вичные звезды - гиганты, породившие современное содержание тяжелых элементов.

М я/М с

Рис. 59. Выход нуклеосинтеза согласно теории звездной эволюции для О и ранних В-звезд по [161]. Обозначения: вверху М/ Мс- массы предсверхновых звезд в солнечных массах, SP —спек­ тры звезд, внизу Мя/М с - массы гелиевыхядер этих звезд, слева g f - доля нуклида / по массе в

выбросе из звезды массы М, справа —gf - доля нуклида i по массе для современного Солнца.

Не исключено, что молодые галактики при большой частоте появления сверхно­ вых были весьма активными объектами. Когда астрономы из Кембриджского уни­ верситета под руководством М. Райла составили каталог слабых источников радиоволн, то выяснилось, что число радиоисточников в единице объема в удален­ ных областях больше, чем вблизи [208]. Из этого возможны такие выводы: либо дале­ ких радиоисточников действительно много, либо их много потому, что мы наблюдаем их в виде молодых активных галактик (здесь следует учесть, что из-за больших расстояний свет от этих галактик идет к нам очень долго и был испущен давно). В [324] также нашли, что самые слабые радиоисточники не обнаруживают тенденции к преимущественному расположению в скоплениях или группах. Напро­ тив, мощные протяженные радиоисточники находятся в местах с повышенной плот­ ностью галактик.

Согласно [90], в квазарах гелия приблизительно в 10 раз меньше, чем в обычных галактиках (эффект молодости квазаров?).

Зафиксированные с помощью американского спутника IRAS в 1983 году мощные инфракрасные галактики, сравнимые по энергетике с квазарами, как полагают, яв­ ляются той стадией квазаров, когда они покрыты облаками пыли и газа и в них толь­ ко начинается вспышка интенсивного начального звездообразования.

В сверхновых первичных звездах кроме тяжелых элементов и гелия мог образова­ ться очень горячий межгалактический газ с температурой до 107 К, обнаруженный в большом количестве в коронах и скоплениях галактик. Этот газ сильно ионизован, имеет концентрацию 103 — 104 м~3 согласно [198], а содержание тяжелых элементов вплоть до железа почти в 10 раз меньше, чем на Солнце. Эти данные были получены из наблюдений в рентгеновской области и в ультрафиолете, причем излучение оказа­ лось изотропным с точностью до нескольких процентов.

Наблюдения показывают, что в настоящее время образование звезд происходит в больших и плотных молекулярных облаках. Если молодые массивные звезды обычно находятся рядом с темными облаками, то менее массивные звезды типа Т Тельца рассеяны по всему обьему темных облаков [154]. Звезды Т Тельца при той же свети­ мости, как и обычные звезды, имеют большие размеры из-за еще незавершившегося коллапса, более холодные и красные, быстро вращаются. Некоторые из них имеют пылевые оболочки, возможно, в виде дисков. Обычные звезды Т Тельца имеют воз­ раст 106 лет, их массы меньше 2 МСл а радиусы 1 - 6 Rc, Облака пыли и газа вокруг этих молодых звезд являются достаточно тонкими и пропускают излучение. Из этого следует, что конденсация большей части вещества уже произошла, а планетезимали не видны из-за малых размеров.

До 50 % звезд Т Тельца составляет их разновидность - звезды типа YY Ориона, в окрестностях которых по эффекту Допплера обнаружены быстрые движения фраг­ ментов вещества.

Часто в областях звездообразования видны пекулярные межзвездные компакт­ ные эмиссионные туманности или обьекты Хербига-Аро, которые ассоциируются с сопутствующими продуктами образования звезд [353].

Большая часть молодых звезд спектральных классов О-В объединена в ОВассоциации, включающие в себя по несколько сотен звезд. Каждая ассоциация состо­ ит из подгрупп по 5 - 20 звезд, причем оказывается, что возраст звезд от одного края ассоциации монотонно растет до другого края ассоциации. Складывается впечатле­ ние, что звездообразование вдоль облака проходит в виде волны. По оценкам из [248], разница возрастов между соседними подгруппами (2 - 4) • 10sлет, расстояние 10-40 пк, то есть процесс образования ОВ-звезд распространяется через облако со скоро­ стью 5 - 1 0 км/с. В качестве спусковых механизмов звездообразования предлагаются следующие: ударные волны, возбуждаемые ионизацией водорода вблизи горячих

звезд и давлением излучения; звездный ветер; вспышки сверхновых; волны плотно­ сти в спиральных рукавах Галактики; столкновения облаков, приводящие к увеличе­ нию их массыдо пределаДжинса или к возникновению ударных волн. Согласно [161], сейчас образование звезд происходит в очень маленькой области Галактики, занима­ ющую всего лишь 10“ 7 от ее полного объема, и в основном в плоскости диска.

В соответствии с принципом вложенности, планетные системы должны возни­ кать одновременно со звездами, что согласуется с почти одинаковыми значениями возрастов Земли и Солнца (4,5 - 5 миллиардов лет). По теории аккумуляции Солнечной системы предполагается почти такая же картина эволюции, как и при об­ разовании быстро вращающихся спиральных галактик. Значительная часть пыли и га­ за могла осесть вдоль оси вращения начального облака и распределиться частично в диск и частично в ядро будущего Солнца, причем пылинки оседают быстрее (на них не действуют силы газового давления). В результате гравитационной неустойчивости и столкновений частички пыли слипались, образуя все более массивные обьекты — планетезимали, из которых в конце концов образовались все крупные обьекты Солнечной системы. При этом вещество прошло через стадии ударной переработки, частичного расплавления и дегазации. Подтверждением столкновений частиц явля­ етсято, что в метеоритахчасто находят мелкозернистые агрегаты, зерна которых име­ ют разный изотопный состав. Некоторые метеориты (углистые хондриты) содержат смеси разнообразных хондр, нерегулярных агрегатов и фрагментов горных пород разных типов, вкрапленных в мелкозернистую матрицу. Хондры обычно являются сферическими телами из силикатов, сульфидов, окислов и металлов, и имеют диамет­ ры 1 - 2мм (иногда больше). Следовательно, в Солнечной системе существовало мно­ жество центров конденсации вещества. Большинство исследователей сейчас отрицают возможность образования газовых протопланет в протосолнечном облаке [43].

Столкновения тел в период активной аккумуляции больших объектов, дливший­ ся приблизительно 108 лет, отмечен большим числом кратеров на поверхности пла­ нет и спутников. В дальнейшем межпланетное пространство постепенно очищалось за счет аккреции газа, столкновений больших и малых тел и излучения Солнца. Внутренние планетезимали из-за высокой температуры горячего Солнца не смогли удержать основную часть оставшегося к этому моменту газа и потеряли его. Возле внешних планет температура газа была ниже и он аккрецировал в основном на Юпитер и Сатурн, состоящие почти полностью из водорода и гелия.

Следствием теории аккумуляции является то, что все системы спутников похожи друг на друга - они имеют общее преобладающее вращение и орбиты, близкие к кру­ говым.

Как показано в § 15 с помощью закона сохранения вращательного момента, пла­ нетные системы могут существовать вокруг всех звезд главной последовательности, образовавшись в едином процессе рождения звезд и планет.

Исследования намагниченности метеоритов доказывают, что намагничивание происходило в магнитных полях с напряженностью порядка 80 А/м, которые могли образоваться в Солнечной системе за счет гидромагнитного динамо [114]. Тогда маг­ нитное поле могло способствовать перераспределению момента количества движе­ ния в протопланетном диске так, как сейчас оно наблюдается у планет. По мере уменьшения газового диска основным источником магнитного поля становится Солнце, при этом оно может испытывать магнитное торможение за счет уноса мо­ мента частицами солнечного ветра. По данным в [81], для звезд типа Т Тельца в ин­ тервале возрастов от 10б до 4,5* 109 лет скорость экваториального вращения убывает со временем приблизительно как Г0,5, что показано на рисунке 60. Более массивные

лишний момент импульса. Взаимо­ действие сил гравитации, инерции и электромагнетизма происходит в

колебательном режиме —плотность потоков газа периодически меняется, так что ре­ активные струи состоят из хорошо различаемых отдельных порций вещества.

В заключение укажем, как в описанной выше краткой и схематичной картине эволюции Метагалактики можно объяснить некоторые проблемы, характерные для теории Большого взрыва.

1. Проблема сингулярности практически исчезает в коллапсирующей, а не рас­ ширяющейся Вселенной. Конденсация разреженного вещества в наблюдаемые объ­ екты приводит в конце концов к образованию вырожденных объектов, в которых долговременная стабильность обеспечивается квантовыми законами. Это значит, что в этих объектах сжимающие силы сравниваются по мощности с силами давления, характерными для частиц, образующих уплотненные вырожденные обьекгы.

2.Однородность Метагалактики в больших масштабах является следствием одно­ родности той окружающей среды, из которой обособилась Метагалактика.

3.Плоскостность или евклвдовость пространства вытекает из самого процесса коллапса и незначительного изменения средней плотности Метагалактики вдоль ее текущего радиуса.

4.Начальные флуктуации плотности существуютдля всех классов объектов и при коллапсе они только усиливаются.

5.Фрагменты, из которых образовались все наблюдаемые обьекгы, ранее имели большие размеры и поэтому могли обладать незначительными линейными и экваториальными скоростями при том же вращательном моменте.

6 . Отсутствие высоких температур в ранней Метагалактике не требует

одновременного существования вещества и антивещества и решения проблемы преобладания вещества над антивеществом.

7. Обьяснение высокой удельной энтропии, характеризуемой отношением числа фотонов к числу нуклонов, может быть сделано в рамках коллапсирующей Вселенной (смотри далее пункт в )).

Как отмечалось выше, наблюдаемое распределение тяжелых элементов, включая гелий, может быть обьяснено ядерным нуклеосинтезом в первичных звездах. Наконец, возраст наблюдаемых в Метагалактике крупных объектов —звезд, галактик и их скоплений, оказывается сравнимым с возрастом самой Метагалактики, что со­ гласуется с теорией коллапса.

б) Красное смещение.

Рассмотрим теперь такой фундаментальный факт наблюдательной астрономии, как красное смещение линий спектра галактик, увеличивающееся по мере того, как мы все дальше заглядываем в глубины Метагалактики. Обычным обьяснением крас­ ного смещения является эффект Допплера, откуда следует, что скопления галактик должны повсеместно разбегаться друг от друга, а Метагалактика расширяться. Изме­ рение красного смещения галактики позволяет найти расстояние до нее по формуле Хаббла (197):

где г —расстояние до галактики, с—скорость света,

z = — - красное смещение линий спектра,

А

Н - (50 —100) км/(с-Мпк) - постоянная Хаббла.

Другое объяснение красного смещения, не связанное с разбеганием галактик, получается при рассмотрении процесса прохождения света через космическое пространство. Упорядоченное движение, каким является движение фотона (распространение электромагнитной волны), должно необратимо сопровождаться превращением упорядоченной энергии фотона в неупорядоченную энергию движе­ ния окружающей среды (физического вакуума). Если бы это было не так, то мы полу­ чили бы идеальный процесс - движение фотона в физическом вакууме, который наполнен мельчайшими частицами, без диссипации энергии, что явно противоречит второму началу термодинамики для открытых систем (смотри § 49. 3).

Зададимся теперь вопросом, имеет ли фотон внутреннюю структуру? Сама поста­ новка вопроса вытекает из следующих рассуждений. Любые катаклизмические явле­ ния в космосе сопровождаются излучением электромагнитных колебаний (фотонов). Например, наблюдая вспышку сверхновой, мы можем интерпретировать ее как излучение звездой одного мощного кванта энергии с длительностью, равной длительности вспышки. В то же время мы знаем, что этот мощный квант состоит из множества фотонов, испущенных отдельными атомами и быстрыми частицами.

Возбужденные микрочастицы, как известно, могут переходить в основное состояние, испуская фотоны. Так, возбужденное атомное ядро может испустить гамма-квант. При этом энергия гамма-кванта равна изменению энергии связи ядра до и после излучения этого кванта. С другой стороны, для излучения электромагнитных волн необходимо движение зарядов - источников волн. Следовательно, заряженные частицы, из которых состоит атомное ядро, должны для излучения гамма-кванта двигаться таким образом, чтобы общая энергия их связи могла измениться на величи­ ну энергии гамма-кванта. При этом каждая заряженная частица может излучать, поэ­ тому гамма-квант можно представить в виде суперпозиции излучений от этих частиц. Вполне возможно, что вследствиежестких правил квантования, действующих в атом­ ном мире, излучения указанных частиц могут быть, например, когерентными и узко­ направленными, как в лазере. Тогда гамма-квант может оказаться мощным пучком

излучений от отдельных заряженных частиц (пучком микрофотонов). Похожими примерами являются узконаправленное излучение от пульсаров, а также излучение радиоволн антенной, в которой складываются излучения отдельных электронов.

Подтверждением определенной пространственной ориентации фотонов является то, что излучение отдельных атомов всегда поляризовано, а фотоны переносят им­ пульс и момент импульса. Оценим характеристики некоторых фотонов, включая их энергии W и объемную плотность энергии £ с помощью следующих формул:

где h - постоянная Планка, v —частота излучения,

с —скорость света, Я —длина волны, V—объем фотона,

т - время излучения фотона, а произведение тс- длина фотона,

S - площадь сечения области, излучившей фотон (приблизительная площадь сечения фотона).

Время г близко к времени релаксации возбужденного изолированного излучате­ ля и для атомов может быть найдено экспериментально по затуханию излучения в каналовых атомных лучах в вакууме. Теоретический расчет для времени затухания колебаний осциллятора (возбужденного электрона в атоме) дает согласно [224]:

__ 6лМЕсге0

1 ~~ т т 3

где М Е—масса электрона, £0 —электрическая постоянная,

со = 2 n v - циклическая частота колебаний, е - заряд электрона.

Величину т можно найти также, зная естественную ширину спектральной линии [233]:

т= — , где h = -------постоянная Планка,

Г2л

Г—полная энергетическая ширина резонансного уровня.

Воптическом диапазоне длин волн полученные разными способами величины г

обычно имеют значения 1(Г9 - 1 0 '6 секунд, хотя для метастабильных уровней г мо­ жет быть значительно больше. В Таблице 62 приведены характеристики некоторых фотонов, в квадратных скобках указаны ссылки на литературу, откуда были взяты значения т. Длина фотона определяется произведением (т с) и для красной линии На равна 4,5 метра, а для распада ?у-мезона - 2,1 • 10'10метра. Радиус сечения фотона R оценивался по размеру соответствующего излучателя, а площадь сечения по формуле: S = лК 2.

Если считать, что плотности электрической и магнитной энергий внутри фотона одинаковы, то можно найти среднюю напряженность электрического поля:

Е = V£Ao.

где £ —плотность энергии фотона, е0 — электрическая постоянная.