Утомлённый свет
Утомлённый свет («старение света») — теория потери энергии фотонов со временем.
Здесь приведена одна из теорий.
В результате исследования эффекта «аномалии Пионеров» (англ. en:Pioneer anomaly) группой NASA под руководством В. Г. Турышева была получена формула ap = cH0 (совпадает в пределах погрешности), где ap — постоянная аномального торможения космических аппаратов (8.74±1.33)•1010 м/с², H0 — постоянная Хаббла (2.40±0.12)•10−18 1/с, c — скорость света. И, хотя формула приведена без лишних объяснений, из неё, согласно логике, прямо вытекает, что космологическое красное смещение и «аномалия Пионеров» — это один и тот же эффект, представляющий потерю кинетической энергии со временем, которая переходит в энергию флуктуаций вакуума.
В этом можно убедиться, сделав простые расчёты. Постоянная Хаббла на один мегапарсек (74.2±3.6) км/с. Свет проходит один мегапарсек (3.09•1019 км) за 3.26 миллиона лет (1.03•1014 сек). Умножив аномальное торможение на это время, получим величину, равную, в пределах погрешности, постоянной Хаббла на мегапарсек:
(8.74±1.33)•1010 м/с² × 1.03•1014 с = (90±13.7) км/с.
Это говорит о том, что на все частицы, включая фотоны, действует аномальное торможение, но так как фотоны представляют волны, всегда движущиеся со скоростью света, то уменьшается только энергия. Аналогичная ситуация, когда фотоны теряют энергию (краснеют) в гравитационном поле, другие же частицы, которые могут покоиться, тормозятся, теряя скорость. Согласно логике, если аномальное торможение действует на элементарные частицы, то оно также будет действовать и на фотоны, так как они тоже представляют элементарные частицы. Отсюда получается, что космологическое красное смещение можно рассчитывать при помощи постоянной аномального торможения. Аномальное торможение: V = apt, где t — время. Соответственно, «красное смещение» волн де Бройля: Z = apt/v, где v — скорость частицы. Так как для всех частиц действует принцип корпускулярно-волнового дуализма, то по этой же формуле можно вычислять и красное смещение волн фотонов: Z = apt/c, где c — скорость фотона (света). (Формулы приближённые, то есть справедливы для малых изменений.) Для примера, эта же формула для фотона через постоянную Хаббла имеет вид: Z = H0t и, соответственно, получается ap = cH0. Волны де Бройля для всех частиц, включая фотоны, рассчитываются одинаково: λ = h/p, где h — постоянная Планка, p — импульс. Поэтому неудивительно, что экспериментально подтвердился тот факт, что «красное смещение» волн де Бройля для всех частиц, включая фотоны, также рассчитывается по одной формуле: Z = apt/v.
В космическом пространстве необходимо учитывать сопротивление, которое могут оказывать квантовые флуктуации вакуума. То, что они существуют и могут оказывать давление, подтверждено экспериментально — эффект Казимира. Движущиеся объекты «натыкаются» на флуктуации вакуума, происходит как бы «трение» о виртуальные частицы. От флуктуаций вакуума «дрожат» электроны на атомных орбитах. Торможение космических аппаратов не связано с гравитацией, поэтому «аномалию Пионеров» и космологическое красное смещение правильнее было бы назвать — «эффект потери кинетической энергии в вакууме». Все эффекты, связанные с флуктуациями вакуума, настолько малы, что их очень сложно обнаружить, это же относится и к «эффекту потери кинетической энергии в вакууме». Флуктуации вакуума без разбора взаимодействуют со всеми элементарными частицами, включая фотоны.
Согласно квантовой физике, физический вакуум это не пустота, а представляет материальную среду — квантовое поле, которое постоянно взаимодействует с вещественной материей — лэмбовский сдвиг, эффект Казимира и пр. Взаимодействие представляет силу, поэтому оно может влиять на движение. Если в эффекте Казимира энергия флуктуаций подталкивает тела, приводя их в движение, то при эффекте торможения космических аппаратов, наоборот, — энергия движения тел переходит в энергию флуктуаций вакуума. То есть даже в вакууме свободно движущееся тело за счёт «эффекта потери кинетической энергии» в конце концов остановится и будет покоиться относительно физического вакуума. Например, если тело движется со скоростью 28 км/с, то примерно через миллион лет оно будет покоиться относительно вакуума, что по космическим меркам совсем небольшое время. То есть «Пионеры» из-за торможения не смогут далеко улететь. Получается, что вещество может увлекаться физическим вакуумом и наоборот. Квантовые флуктуации вакуума проявляют себя в эффекте Казимира, эффекте торможения космических аппаратов, эффекте «старения» фотонов и «дрожании» электронов на атомных орбитах. Под действием квантовых флуктуаций «дрожат» все элементарные частицы и, соответственно, космические аппараты «трясутся» как на неровной дороге, проходя через флуктуирующий вакуум, что приводит к их торможению.
Возникает вопрос — почему не наблюдается торможение планет? Видимо, действуют дополнительные силы. Например, известно, что Земля за счёт приливных сил, наоборот, с каждым годом удаляется от Солнца на 15 см, а Луна от Земли на 3.8 см. На этом фоне заметить действие аномального торможения очень сложно. Также аномальное торможение может не проявляться на малых (атомных) расстояниях при орбитальном движении. Например, электрон в атоме может находиться только на разрешённых орбитах, поэтому он только «дрожит» без плавного торможения.
Когда было обнаружено космологическое красное смещение, тогда ещё не знали, что в вакууме существуют флуктуации и, соответственно, распространение электромагнитных волн сопровождается потерями (диссипацией) энергии за счёт её перехода во внутреннюю энергию вакуума. Поэтому было выдвинуто единственное, как в то время казалось, верное объяснение — эффект Доплера. Но не все с этим были согласны и споры продолжались. Одни считали, что оно связано с эффектом Доплера, другие — со «старением света» («усталостью света»), так как в природе (в материальном мире) не существует идеалистических волн, распространение которых не сопровождалось бы диссипацией энергии. Волновые колебания — это перекачка в самой среде одного вида энергии в другой и наоборот. При таком физическом процессе всегда происходит потеря энергии, которая переходит во внутреннюю энергию среды, проявляющуюся в виде флуктуаций. То есть, соответственно законам физики, все волны обладают энергией и у всех физических волн происходит диссипация энергии. Отсюда, красное смещение электромагнитных волн — это естественный процесс, связанный с диссипацией энергии. Обнаруженный эффект «аномалии Пионеров» только подтверждает это.
Было установлено, что источником аномалии не являются технические аспекты. Например, мощность и температура атомных реакторов «Пионеров» на протяжении всего полета уменьшалась, но изменение теплового излучения никак не влияло на величину аномального торможения. Дальнейшие исследования показали, что тот же эффект торможения присутствует и у других космических аппаратов — «Галилео», «Кассини», «Улисс» и он не зависит ни от времени, ни от положения в пространстве. Поэтому «эффект потери кинетической энергии в вакууме» можно считать доказанным, так как он подтверждается новыми фактами. Постоянное увеличение числа космических аппаратов, у которых обнаруживается эффект торможения, в ближайшее время сделает «эффект потери кинетической энергии в вакууме» общепризнанным. Данный эффект, на первый взгляд кажущийся малозначительным — «маленьким облачком на научном небосводе», на самом деле представляет величайшее открытие, которое приведет к фундаментальному пересмотру существующих законов физики. Обнаруженный эффект «аномалии Пионеров» ещё раз подтверждает правильность принципа корпускулярно-волнового дуализма, то есть «красное смещение» волн де Бройля для всех частиц, включая фотоны, одинаковое — одна формула. Поэтому для получения более точного значения постоянной Хаббла, достаточно запустить космический аппарат с приборами, позволяющими точно измерить аномальное торможение.
Обобщая факты, можно сформулировать закон вакуумного торможения (закон «красного смещения» волн де Бройля в вакууме). У всех свободно движущихся в вакууме тел и элементарных частиц, включая фотоны, происходит «красное смещение» волн де Бройля по одной и той же формуле Z = apt/v, где ap — постоянная вакуумного торможения, t — время, v — скорость (формула справедлива для малых изменений). На сегодня данный закон подтверждается всеми известными экспериментальными фактами и соответствует принципу корпускулярно-волнового дуализма.
Например, если частица (тело) летит со скоростью 10000 м/c в течении 100 лет (3155760000 сек), то «красное смещение» волны де Бройля, вычисленное через постоянную аномального торможения, будет Z = apt/v = (8.74•10−10 м/с² × 3155760000 с) / 10000 м/c = 0.00027.
Также выведена уникальная формула диссипации (потери) кинетической энергии за один период колебания волны де Бройля, с помощью которой можно рассчитывать космологическое красное смещение и эффект «аномалии Пионеров». Формула является универсальной и подходит для всех тел и частиц, включая фотоны: WT = H0hс/v (формула «вязкости физического вакуума»), где H0 — постоянная Хаббла (2.40±0.12)•10−18 1/с, h — постоянная Планка, c — скорость света, v — скорость частицы (тела). Например, если частица (тело) массой в 1 грамм (m = 0.001кг) летит со скоростью 10000 м/c в течение 100 лет (t = 3155760000 сек), то волна де Бройля совершит число колебаний S/λ = vt/λ = tmv²/h = 4.76•1047, соответственно, диссипация кинетической энергии составит WD = tmv²/h × H0hс/v = H0сvtm = H0сpt = H0сSm = 22.7 Дж, где S — пройденный путь S = vt, p — импульс p = mv, λ — длина волны λ = h/mv. При этом скорость снизится до 9997.7 м/с, а «красное смещение» волны де Бройля будет Z = (10000 м/c — 9997.7 м/c) / 10000 м/c = 0.00023. Из формулы видно, что диссипация кинетической энергии прямо пропорциональна массе и пройденному расстоянию WD = H0сSm, а также импульсу и времени WD = H0сpt, — чем больше импульс, тем больше потеря энергии за единицу времени. Например, тело массой в 1 килограмм при прохождении расстояния в 1 метр теряет кинетическую энергию: WD = H0сSm = 7.2•10−10 Дж. Соответственно, сила сопротивления движению равна FD = H0cm = 7.2•10−10 Н, а величина торможения ap = сН0 = (7.20±0.36)•10−10 м/с². При таком торможении получается, что если тело движется со скоростью 1 метр в секунду, то оно остановится через t = v/сН0 = 44 года, пройдя расстояние S = v²/2сН0 = 700000 км. Фотоны рассчитываются аналогично, но только надо помнить, что потеря энергии не приводит к изменению скорости. Например, потеря энергии фотона ED = H0сvtm = H0tE = ZE, где E — энергия фотона, а за один период колебания ET = H0hс/v = H0h = 1.6•10−51 Дж — квант диссипации энергии фотона. Так как энергия фотона E = hv, то получается, что постоянная Хаббла — это величина, на которую уменьшается частота фотона за один период колебания, вне зависимости от длины волны. То есть, чтобы определить насколько уменьшилась частота фотона, надо умножить постоянную Хаббла на число совершенных колебаний: vn = nH0 — формула космологического красного смещения частоты фотона (формула старения света), где n — число совершенных колебаний, H0 — постоянная Хаббла 2.4•10−18 Гц. Например, фотон с частотой 6•1014 Гц, пройдя 40 мегапарсек (S = 1.234•1024 м), совершит число колебаний n = S/λ = 2.47•1030. При этом его частота уменьшится на vn = nH0 = 2.47•1030 × 2.4•10−18 Гц = 5.9•1012 Гц, смещение будет Z = 5.9•1012 Гц / 6•1014 Гц = 0.01. На больших расстояниях заметно увеличивается период колебаний и уменьшение частоты происходит по закону экспоненты v(t) = v0e-H0t. Налицо полное совпадение с экспоненциальным законом затухающих колебаний. Частота фотона прямо пропорциональна энергии, соответственно, E(t) = E0e-H0t — формула затухания фотона, где постоянная Хаббла представляет показатель затухания. Красное смещение фотона Z = eH0t — 1.
Волны де Бройля представляют кинетическую энергию движущихся частиц. У реальных волн де Бройля (не волн вероятности), так же как и у всех физических волн, частота колебаний равна v/λ. Если преобразовать WT = H0hс/v = H0mλс, то можно из формулы исключить скорость. Формулу можно считать точной, так как вычисляется всего один период колебания. То, что в формуле присутствуют только самые необходимые переменные и нет ничего лишнего, указывает на её фундаментальность. Удивительная по своей простоте формула WT = H0hс/v — это настоящий переворот в представлениях о свойствах физического вакуума. Развеян миф о существовании в вакууме идеальных волн, распространяющихся без диссипации. Это ещё раз подтверждает то, что любой идеализм недопустим в науке. Возможно, формула немного опережает свое время, так как, вопреки множеству экспериментальных фактов, ещё сохранились предрассудки, что вакуум — это пустота. Физика — это экспериментальная наука, поэтому, независимо от сохранившихся предрассудков, только по совпадению расчетных и экспериментальных данных можно судить, что является истиной, а что ересью. «Истина всегда рождается как ересь, а умирает как предрассудок» (Гегель). Физический вакуум представляет полевую среду, где даже в основном состоянии происходят квантовые флуктуации, их ещё называют нулевыми колебаниями поля. Все частицы, а не только фотоны — это возбужденные состояния поля, которые при движении представляют волну. Поэтому волны для всех частиц рассчитываются одинаково: λ = h/p, соответственно, диссипация волн также одинаковая: WT = H0hс/v. Данная формула отражает тот факт, что у всех волн помимо таких свойств как длина, частота и энергия имеется ещё и диссипация энергии из-за того, что при каждом колебании волны происходит перекачка одного вида энергии в другой и наоборот. Такая, хотя и очень маленькая, потеря кинетической энергии, переходящая во внутреннюю энергию вакуума (энергию флуктуаций вакуума), для космических объектов представляет заметное торможение. Выведенная формула поможет сделать расчеты более точными.
В 2011 году физики впервые зарегистрировали динамический эффект Казимира. То есть экспериментально подтверждено, что движущееся тело может «толкать» виртуальные частицы, что, соответственно, приводит к его торможению.