книги / Физика и философия подобия от преонов до метагалактик

Выражая Er из (488), Ez из (489) и подставляя в (487), получим дифференциальное уравнение, которое можно проинтегрировать:

(с - Vx)dVx = VYdVY + Vz dVz,

гдеЛ — постоянная интегрирования.

Для того, чтобы удовлетворить уравнениям (488) и (489), выберем VY и Vz в следующем виде:

В результате вновь получаем соотношения типа (485):

В отличие от (483) в поляризованной по кругу простейшей электромагнитной волне скорость частицы вдоль оси X оказывается постоянной, а сама частица дви­ жется вдоль оси X по винтовой линии с постоянным шагом и радиусом.

Следовательно, в скрещенных постоянных электрическом и магнитном полях за­ ряженная частица может двигаться с постоянной скоростью, перепендикулярной обоим полям. То же самое мы нашли и для поляризованной по кругу волны для ско­ рости Vx (492), хотя в этом случае поля не постоянны во времени.

4. Предположим теперь, что заряженные частицы двигаются не просто в поле по­ ляризованной по кругу электромагнитной волны, но и так, что они сами создают эту волну. Для движения по винтовой линии вдоль оси X необходима центростремитель­

ная сила, действующая на частицы в плоскости ZOY. Допустим, что мы имеем пучок частиц, часть которых ответственна за создание продольного постоянного магнитно­ го поля Вх , а другая часть вращается вокруг этого магнитного поля, создавая эффект круговой элеюромагнитной волны, движущейся вдоль оси X вместе с пучком частиц. Если Вх не равно нулю, то учитывая компоненты полей (486), из (481) получим:

(493)

(494)

(495)

Подставляя £ у из (494), Ez из (495) в (493), вновь приходим к: соотношению (490), так что зависимость Vx от Вх выпадает. Скорости (491) оказываются решени­ ями уравнений (494) и (495) при следующих условиях:

(496)

При этом скорость Vx будет иметь вид (492). Волновое число оказывается завися­ щим от амплитуды скорости кругового движения частиц V0, а частота волны созави­ сит также от компоненты магнитного поля Вх . Если вращение частиц зависит только от Вх, то для вращения положительно заряженных частиц вдоль оси X необходимо, чтобы Вх было отрицательным: Вх = — В0, кроме того, должно выполняться усло­ вие ларморовского вращения заряда в магнитном поле:

Q= - В , ,

т

В этом случае (496) примет вид:

со = кс - Q.

Если Q мало, то волна распространяется со скоростью света с = w/k\ однако когда £2=о) скорость волны будет только с/2.

Замедление скорости движения некоторых электромагнитных волн по-видимому действительно наблюдается в замагниченной межпланетной плазме. Так, согласно [125], при вспышке на Солнце 23 февраля 1956 года интенсивный солнечный ветер достиг Земли через 14 минут после наблюдения вспышки в оптике (предполагается, что оптическое излучение идет от Солнца 8,3 минуты со скоростью света). В то же время по данным спутника «Луна-12» радиовозмущения от Солнца идут со скоростью около половины скорости света и задерживаются по отношению к видимому изображению Солнца, закрываемому Луной.

5. Движущийся в пространстве пучок заряженных частиц, длительное время сохраняющий свою форму, может оказаться неплохой моделью для одиночного фотона. Согласно [143], в плазменных пучках обычно вдоль длины пучка устанавли­ ваются стоячие волны, причем азимутальное волновое число обратно пропорциона­ льно радиусу пучка. Вообще в любых плазменных структурах легко возникают и развиваются различные волновые процессы. Для построения простейшей модели фо­ тона возьмем преоны, из которых, как предполагается, состоят элементарные части­ цы (смотри § 38). Пусть р-преоны (мельчайшие аналоги протонов) движутся вдоль оси Х и частично поляризованы, так что их магнитные моменты складываются и соз­ дают некоторое постоянное магнитное поле Вх , «вмороженное» в движущееся веще­ ство. За стабильность пучка частиц в целом может быть ответственным пйнч-эффекг

— самофокусировка пучка при балансе между электрическими силами расталкивания одноименных зарядов и магнитным притяжением подобно параллельным электриче­ ским токам (следовало бы учесть еще и силы ядерной гравитации и силы инерции). Вокруг оси пучка могут вращаться е-преоны (аналоги электронов), а также и р-преоны, осуществляя волновое движение относительно внешнего наблюдателя, как

это было показано выше, и перенося момент импульса. Форма пучка при этом может напоминать вращающийся шнек от мясорубки. В данной картине корпускулярные и волновые свойства света объединяются в одно целое, и даже можно объяснить рожде­ ние фотонами элементарных частиц за счет аккумуляции преонов из фотонных пуч­ ков. Аналогично отклонение света в гравитационном поле может быть следствием влияния тяготения на частицы фотонных пучков.

Наличие «вмороженного» магнитного поля внутри отдельного фотона позволяет объяснить так называемый обратный эффект Фарадея, когда поляризованные по кругу мощные потоки света (например, от лазера), проходя через прозрачную среду, действуют как эффективное магнитное поле и вызывают намагниченность среды.

Энергия пучка частиц при распространении в космическом пространстве должна уменьшаться за счет взаимодействия с окружающей средой, что вероятно и приводит к закону Хаббла, связывающему красное смещение в спектрах с расстоянием до ис­ точника излучения (смотри § 38).

6.Из подобия звезд и нуклонов вытекает подобие свойств характерных скоростей

протона для звезд главной последовательности), позволяет определить предельную скорость СПР= CA/Z, где А и Z — массовое и зарядовое числа звезды. Величина Слр ограничивает максимальные скорости звезд как при собственном вращении, так и при орбитальном вращении в Галактике. У нейтронных звезд, аналогов протона среди вырожденных звезд, характерная скорость частиц меньше скорости света: С5 = 54000 км/с по (440). Как и скорость света для элементарных частиц, звездная скорость Cs должна выступать в качестве предельной для движения больших масс вещества и самих звезд и служить мерой для групповой скорости переноса значительных порций массы-энергии.

Рассмотрим некоторые примеры скоростей вещества. Согласно [343], средняя пекулярная скорость движения области размером 50 Мпк, включающей в себя 400 эллиптических галактик, равна 600 км/с. Вращение галактик в парах происходит со средней скоростью 170 км/с, вращение на окраине скоплений — со скоростью 200 — 300 км/с, а в плотных скоплениях галактик — до 400 — 600 км/с. Взрывные процессы характерны для квазаров и ядер галактик, джеты и выбросы из квазаров имеют ско­ рости до 20000 км/с и более, в сейфертовских галактиках скорости вещества достига­ ют 10000 км/с. Широко известны джеты у М87, ЗС84, 3C273, ЗС279, PKS0530+134. Полтора миллиона лет назад в галактике NGC 3034 (М82) произошел взрыв с разле­ том газа при скорости около 1000 км/с [3]. Скорости газовых объектов в центре на­ шей Галактики достигают 200 км/с [125]. При взрывах сверхновых скорости разлета оболочек звезд могут быть до 20000 км/с. Очень высокие скорости движения вещест­ ва обнаружены у объекта SS 433 (V 1343 Орла), который находится на расстоянии 5,1 кпк в остатке вспышки сверхновой W50. Применение эффекта Допплера к сдвигу линий в спектре дает лучевые скорости от + 50000 до — 30000 км/с в зависимости от ориентации двухджетов, направленных в противоположные стороны от объекта. Две узконаправленные струи видны и в туманности Гомункулус, окружающей комплекс звезд в районе 7] Киля.

В Таблице 66 по данным [193] проанализированы дифференциальные спектры различных объектов с целью определения групповой скорости переноса энергии. На­ пример, в рентгеновском спектре источника Лебедь Х-1 искался максимум произве­ дения Fv Е, где Fv — поток фотонов через единицу площади в секунду в единичном интервале энергий dE (размерность Fv есть число фотонов/(м2*с • кэВ )), Е — энер­ гия кванта. Тогда при Е0 = 26,5 кэВ достигается экстремум произведения Fv Е и

398 §47. Модель фотона, скорости частиц и активные ядра галактик

энергии космических лучей имеет экстремум при энергии протонов порядка 1000 МэВ, то есть когда энергия движения сравнивается с энергией покоя. Изложенное выше не противоречит высказанному нами утверждению: скорости отдельных час­ тиц (электронов и протонов) обычно меньше скорости света, а скорости переноса больших масс вещества и энергии не превышают звездной скорости Cs (440). Собст­ венно говоря, последнее вытекает из того, что во всех наиболее энергичных звездных и галактических процессах присутствуют нейтронные звезды, которые в принципе не мшуг перемещать большие количества вещества со скоростью, существенно пре­ вышающей собственную характерную скорость частиц Cs самих нейтронных звезд.

7. Ранее мы постулировали, что с увеличением массы составных объектов от нуклонов до квазаров уменьшается их предельно достигаемая средняя плотность (так, у нейтронных звезд плотность вещества меньше, чем у составляющих их нуклонов), при этом уменьшается и характерная скорость частиц внутри объектов. Это эквива­ лентно тому, что связанные между собой частицы двигаются медленнее, чем если бы они были свободными. Применяя данный подход к самим нуклонам, мы неизбежно получаем следующий результат: Если скорость Cs нуклонов в нейтронной звезде ме­ ньше скорости света, то и характерная скорость частиц в нуклонах, равная скорости света, в свою очередь меньше некоторой предельной скорости движения этих частиц с’. Полагая, что нуклоны состоят из преонов, оценим для них скорость с\ Поскольку

для нейтронных звезд отношение скоростей S' = Cs /с = 0,18 по Таблице 65, то предварительно можно записать: с/с' = 0,18 , где с — скорость света. Отсюда получа­ ется с' - 5,5 с = 1,65-109 м/с и вытекает теоретическая возможность передавать сиг­ налы со скоростью, превышающей скорость света. Возможно, что данный вывод подкрепляется и экспериментальными данными. Например, в [110] найдено влияние истинного положения трех звезд (в отличие от видимого положения, не совпадающе­ го с истинным из-за конечной скорости света и его запаздывания) на датчик, находя­ щийся в фокусе телескопа, что можно было бы объяснить существованием сигнала, передающегося со сверхсветовой скоростью. Этот же датчик реагирует на испарение ацетона вблизи него, растворение сахара и другие необратимые процессы. Допустим, что необратимая система отличается от обратимой тем, что интенсивно излучает или наоборот поглощает энергию. Тогда датчик регистрирует экстремальные изменения потока энергии по сравнению с фоном.

В работе [111] проводилась регистрация истинного положения Солнца с помо­ щью двух разных датчиков — металлопленочным резистором и биологической систе­ мой в виде клеток микроорганизмов Е. Coli, находящихся в состоянии анабиоза. Поскольку оптический сигнал от Солнца до Земли идет со скоростью света в течении 8,3 минут, то угловое разделение между истинным и видимым положениями Солнца при наблюдении с Земли составляет

углом ~ 30'. Датчики помещались в фокальную плоскость телескопа, причем глав­ ное зеркало телескопа закрывалось пластмассовой заслонкой. Тем не менее оба дат­ чика показали видимое отклонение от среднего значения, как это показано на рисунках 83 и 84 согласно [111]. Биологическая система сильнее всего реагировала на экспозицию истинного положения Солнца, а резистор отмечал три положения — за 16 минут до видимого Солнца, за 8 минут, то есть истинное Солнце, и наконец видимое Солнце. Поскольку обнаруживается истинное Солнце одновременно с видимым, то можно предположить распространение сигнала со сверхсветовой скоро­ стью. За появление первого сигнала (за 16 минут до видимого Солнца) может быть

Полагая, что средняя скорость движения звезд в галактиках равна звездной скорости С = 220 км/с, найдем коэффициент подобия по скоростям:

где Cs — характерная скорость частиц в нейтронной звезде (440).

Из (497), полагая его справедливым и для галактик, находим коэффициент

здесь Rs — радиус нейтронной звезды.

Мы видим, что галактика из 1011 нейтронных звезд должна уместиться в объеме с радиусом Rr приблизительно в одну астрономическую единицу для того, чтобы она была аналогом обычной звезды главной последовательности.

Используем (499) для вырожденной галактики, беря в качестве коэффициента подобия по скоростям величину S' = 0,18 из Таблицы 65:

должны фактически касаться друг друга так же, как это происходит с нуклонами в атомном ядре.

Если разделить объем с радиусом Rrиз (502) на 1011, то на каждую звезду придется обьем с радиусом 3,2* 107 метра, что в 2 -103 раз больше радиуса нейтронной звезды. Это не сильно отличается от отношения межядерного расстояния к размеру атомных ядер в твердом веществе.

Следовательно, галактики с размером (502) подобны твердой пылинке, содержа­ щей 1011атомов. С другой стороны мы обнаруживаем, что размер Rr может быть ха­ рактерным размером для ядер активных галактик, в первую очередь сейфертовских галактик и квазаров. Так, для квазаров ЗС 273 и ЗС 48 полагают, что массы их ядер порядка 109 Мс , а размеры ядер до 1013 метра [193] — это вытекает из наблюдений облаков газа со скоростями порядка 5000 км/с, двигающихся на расстоянии до 10 световых лет от центра масс.

Очевидно, что в ходе длительной эволюции массивные галактики могут образо­ вывать своеобразное твердое вещество, состоящее из нейтронных звезд. Чем больше накапливается нейтронных звезд в ядре галактики, тем большую совокупную мощ­ ность могут они излучать. Для сравнения приведем данные из [193] для ядра сейфертовской галактики NGC 4151 и ядер квазаров ЗС 48 и ЗС 273, которые в секунду выделяют энергию 9 1037 Дж, 4,5* 1039 Дж и 2-Ю40 Дж соответственно. Если мы разделим светимость Lr ядра одного из самых мощных квазаров ЗС 273 на число воз­ можных нейтронных звезд в его ядре N, то мы получим:

Величина Ls близка к критической светимости нейтронной звезды при аккреции вещества на ее поверхность. Следовательно, феномен квазаров и активных галактик вполне можно объяснить накоплением нейтронных звезд в их ядрах, а выделение энергии в галактиках напоминает процесс излучения от раскаленного вещества, состоящего из звезд, с выделением энергии их связи. При этом структура активных галактик должна быть такая же стабильная, как и у обычного вещества, то есть не