Роль нейтрино в красном смещении и в микроволновом фоновом космическом излучении

Оглавление:

• • 1. Строение и размеры нейтрино

  • 2. Молекулярное нейтрино

  • 3. Нейтринная материя

  • 4. Красное смещение

  • 5. Природные источники фонового космического излучения

  • 6. Влияние молекулярных нейтрино на длительность световых вспышек

  • 7. Достоверность экспериментальных данных

1. Строение и размеры нейтрино

Согласно полевой теории элементарных частиц нейтрино представляет собой вращающееся переменное электромагнитное поле с постоянной составляющей. Внешний вид нейтрино приведен на рис. 1.

Рис. 1 Нейтрино

Радиус нейтрино (т.е. радиус вращения переменного электромагнитного поля) определяется ее величиной массы покоя. Ну а поскольку физика установила пока только величину верхнего предела массы покоя электронного нейтрино (0.28 ev/c²) и утверждает что реальная величина массы покоя нейтрино меньше либо равна ней, то мы можем определить минимальный радиус частицы равный

R=0,977 ħ/2m₀c = 3,6×10^-5 см (1)

Как видим из рисунка ширина и толщина нейтрино равна 4R а высота 2R.

Таким образом, нейтрино является достаточно крупным (по размерам) объектом, значительно больше атомов.

2. Молекулярное нейтрино

Зададимся вопросом: что представляет собой нейтрино в межгалактическом пространстве. Для этого рассмотрим взаимодействия электромагнитных полей пары электронных нейтрино в ближней зоне, используя для этого полевую теорию элементарных частиц. Из полевой теории можно получить кроме линейных размеров нейтрино структуру их постоянных электрических и магнитных полей. Затем с помощью классической электродинамики рассчитаем их взаимодействия.

Рис. 2 Потенциальная энергия взаимодействия двух электронных нейтрино

На рисунке 2 представлена потенциальная энергия взаимодействия двух электронных нейтрино с антипараллельными спинами в ближней зоне. При этом была взята величина массы покоя равная 0,28ev (данные взяты из Википедии). Расчеты производились с помощью полевой теории элементарных частиц.

Из рисунка видно наличие потенциальной ямы глубиной 1,54×10^-3ev с минимумом на расстоянии 8,5×10^-5 см. Как видим, пара нейтрино должна обладать связанным состоянием с нулевым спином с энергией порядка 0,72×10^-3ev (более точную величину можно определить с помощью квантовой механики).

Это связанное состояние будет напоминать молекулу водорода с той разницей, что в данной «молекуле» нейтрино взаимодействуют своими электромагнитными полями.

Назовем данное образование электронных нейтрино – молекулярным нейтрино. Мюонное нейтрино также может образовывать молекулярное состояние, но вследствие нестабильности мюонных нейтрино его влиянием во Вселенной можно пренебречь.

При слиянии двух свободных покоящихся нейтрино в молекулярное состояние должна выделяться энергия в виде испускания кванта электромагнитного излучения (фотона) с энергией равной величине энергии связи минус энергии импульса отдачи, получаемого парой нейтрино. Ну а поскольку слияние нейтрино происходит с разными скоростями их движения, то в среднем мы получим разброс спектральной линии. При этом, величине энергии фотона 0,72×10^-3ev соответствует длина волны 1,64 мм, что согласуется с длиной волны максимума микроволнового фонового космического излучения (1,9 мм).

Итак, мы нашли один из основных природных источников фонового космического излучения.

3. Нейтринная материя

Полевая теория элементарных частиц, утверждая о наличии в природе связанных состояний нейтрино, рассматривает их во множественном числе. Т.е. молекулярное нейтрино (ν₂) рассматривается как простейшее соединение нейтрино, а в природе должны наблюдаться и более сложные соединения. К числу таких соединений полевая теория предлагает, прежде всего, соединение, состоящее из четырех нейтрино – ν₄. Энергия связи такого соединения будет примерно на порядок больше энергии связи молекулы ν₂ (более точный ответ может дать квантовая механика, после измерения подлинной величины массы покоя электронного нейтрино). Молекула ν₄ может образовываться при столкновениях пары простейших молекулярных нейтрино (ν₂) при их определенной ориентации и наличии достаточной кинетической энергии. При образовании молекулы ν₄ будет испускаться фотон с энергией равной разнице энергий связи минус энергии импульса отдачи полученной ν₄, что соответствует участку 34 спектра фонового космического излучения (рис. 4).

Необходимо отметить, что нейтринные соединения будут обладать набором возбужденных состояний, вызванных квантованием их вращательного момента, поскольку эти образования, будучи симметричными, могут вращаться вокруг своей оси. В результате в природе фоновое космическое излучение должно наблюдаться и в длинноволновом диапазоне.

Полевая теория допускает наличие и более сложных соединений нейтрино: ν₆ , ν₁₂ , ν₁₆ , и других.

Но чем больше связанное состояние, тем оно будет большей мишенью для релятивистских нейтрино и фотонов достаточных энергий, способных его разбить. Следовательно они будут более редкими.

Таким образом, согласно полевой теории элементарных частиц, в природе кроме барионной материи должна быть и нейтринная материя в виде газа состоящего из отдельных электронных нейтрино, молекулярного нейтрино (ν₂) и более сложных нейтринных соединений (ν₄ и др.). В связи с особенностью строения, поведение нейтринной материи будет отличаться от поведения барионной материи и нуждается в изучении его физикой.

4. Красное смещение

Мы будем рассматривать взаимодействие электронного нейтрино с фотоном видимого, инфракрасного и ближнего ультрафиолетового диапазона, т.е. создающими спектральные линии химических элементов, при этом энергия фотона значительно выше энергии связи молекулярного нейтрино.

При прохождении фотона через молекулярное нейтрино результат взаимодействия будет зависеть от расстояния и ориентации молекулярного нейтрино относительно траектории фотона, поэтому усредним его.

Введем следующие обозначения:

o l_ср – средняя длина свободного пробега фотона между столкновениями с молекулярным нейтрино,

o α_ср – средняя доля энергии теряемой фотоном в результате взаимодействия с молекулярным нейтрино (ее величина должна превышать энергию связи молекулярного нейтрино, поскольку кроме разрыва соединения каждой частице будет передана некоторая кинетическая энергия).

Пусть источник света испустил одиночный фотон с энергией Е₀ и длиной волны λ₀. Пролетев в нашем направлении расстояние R= l_ср фотон столкнулся 1 раз с молекулярным нейтрино. В результате их взаимодействия фотон передал молекулярному нейтрино энергию равную α_ср Е₀ и тем самым его новая энергия будет:

Е₁=Е₀×(1- α_ср). (2)

Длина волны такого фотона вырастет и будет:

λ₁= λ₀ /(1- α_ср) (3)

В следующем столкновении с нейтрино фотон будет уже участвовать с меньшей начальной энергией. Поэтому он передаст следующему нейтрино меньшую величину энергии, и мы получим:

Е₂=Е₁×(1- α_ср) = Е₀×(1- α_ср)2. (4)

Длина волны такого фотона вырастет и будет:

λ₂= λ₁ /(1- α_ср) = λ₀ /(1- α_ср)2. (5)

При этом мы не учитываем зависимость αср от длины волны фотона (λ). Но пока энергия фотона не сильно изменилась ей можно пренебречь.

Пройдя большое расстояние (R) фотон будет иметь n=R/l_ср столкновений с нейтрино. В результате чего энергия фотона будет равна:

Е_n = Е₀×(1- α_ср)n (6)

а длина волны:

λ_n = λ₀ /(1- α_ср)n. (7)

Или в общем виде длина волны как функция λ(R) будет:

Λ(R) = λ₀ /(1- α_ср)(R/I_ср) (8)

Как видим мы имеем дело с нелинейной функцией λ(R) . При малой величине α_ср (что и имеет место во взаимодействиях фотона с молекулярным нейтрино) ее можно заменить следующей приближенной функцией:

λ(R) = λ₀ ×(1+ α_ср) (R/I_ср) (9)

Разложив данную функцию в ряд и взяв первый линейный член, мы получим:

λ(R) = λ₀ ×(1+ (R/ l_ср) × α_ср) = λ₀ ×(1+ ξ×R) (10)

где ξ = α_ср×/ l_ср

Как видим, мы получили выражение для красного смещения соответствующее эмпирическому закону Хаббла, что и должно было произойти. Поскольку никакого Большого взрыва в истории Вселенной не было то у красного смещения должны быть природные источники, что мы и наблюдаем.

Необходимо помнить, что формула (10) является лишь приближенной и действует на малых расстояниях. Если мы желаем посмотреть красное смещение на расстояниях, где сказываются нелинейности то необходимо пользоваться формулой (8). Но на этих расстояниях может проявиться и зависимость α_ср(λ).

5. Природные источники фонового космического излучения

Уточним, как происходит образование фонового космического излучения.

Пролетая сквозь молекулярное нейтрино фотон видимого, ультрафиолетового или инфракрасного диапазона разбивает его на отдельные частицы при этом, теряя малую часть (α_ср) своей энергии (тем самым получилось красное смещение). Затем через некоторое время, освободившееся электронное нейтрино встречается с нейтрино, освободившегося от столкновения другой пары с другим фотоном. Они сливаются в молекулярное состояние с испусканием микроволнового фотона (фотона микроволнового фонового космического излучения). Так обыкновенный свет при движении через межгалактическое пространство за счет своего красного смещения создает одну из компонент фонового космического излучения.

Следующим источником фонового космического излучения являются электронные нейтрино излучаемые звездами. Поскольку эти нейтрино уносят значительную часть энергии реакции то они в состоянии разбить множество молекулярных нейтрино на отдельные частицы. Вероятность таких столкновений наиболее высока вблизи источников излучения нейтрино: звезд и галактик. В нашей галактике это будет область млечного пути.

Еще источником фонового космического излучения значительно меньшим по интенсивности, но большим по излучаемой энергии является прямое столкновение отдельных нейтрино излученных разными звездами. При таком столкновении оба нейтрино перейдут в возбужденное состояние (следствие полевой теории элементарных частиц), с последующим переходом в состояние с меньшей энергией с испусканием более высокоэнергичных фотонов. Величина энергии этих фотонов будет порядка величины массы покоя нейтрино и выше (см. рис 4 участок спектра 59). Здесь возможен набор спектральных линий.

Рис. 3 Карта фонового космического излучения

На рисунке 3 представлена карта фонового космического излучения, согласующаяся с данными рассуждениями. Красная полоса в центре соответствует млечному пути.

Рис 4 Спектр фонового космического излучения

Итак, мы определили несколько природных источников фонового космического излучения. Со временем физика найдет и другие источники. Но теперь совершенно ясно, что божественному происхождению «реликтового излучения» пришел конец.

6. Влияние молекулярных нейтрино на длительность световых вспышек

Пусть в некоторой произвольной точке Вселенной (в свободном пространстве) расположен некоторый источник света, посылающий импульс света в заданном направлении, состоящий из последовательного числа фотонов равного n0 и длиной волны λ0. Т.е. за каждым фотоном будет излучаться следующий фотон той же длины волны. Поскольку свет является еще и волной, то мы будем иметь непрерывный волновой пакет длиной

l₀=n₀ λ₀ (11)

Если рядом с источником света поместить наблюдателя, то он сможет зафиксировать световой импульс длиной волны λ0 и длительностью

t₀=l₀/c (12)

где с – скорость света в вакууме.

Теперь переместим наблюдателя вдоль луча на значительное расстояние (R) от источника, при котором уже будет наблюдаться красное смещение. При прохождении через молекулярное нейтрино каждый фотон будет терять некоторую величину своей энергии, в результате чего будет увеличиваться его длина волны. Следовательно, общая длина волнового пакета вырастет и будет равна:

l = n₀λ(R) = n₀λ₀ ×(1+ ξ×R) (13)

Если мы теперь на пути света поместим наблюдателя, он зафиксирует иную длительность световой вспышки, возросшую одновременно с красным смещением

t = l/c = n₀(λ₀/c) ×(1+ ξ×R) = t₀ ×(1+ ξ×R) (14)

Поскольку свет является волной, то увеличивая длительность каждого отдельного периода, мы увеличиваем длину всего пакета, в результате чего возрастает время прохождения светового пакета мимо наблюдателя.

Можно рассмотреть различные волновые пакеты, чтобы убедиться в том, что результат будет аналогичным. Напомню, что Вселенная при этом считалась стационарной.

Ну а теперь что нам мешает выбрать в качестве источника света сверхновую. Как видим бездоказательное утверждение о том, что гипотеза «стационарной Вселенной» не объясняет увеличение длительности вспышек сверхновых от расстояния до них, не соответствует действительности.

Рассмотрим еще случай, когда источник света (достаточно большой по размерам) испустил одиночный импульс из фотонов длиной волны λ0. Т.е. в нашу сторону будут лететь параллельно фотоны, независимо друг от друга (чтобы волновыми эффектами можно было пренебречь). Пролетая сквозь нейтрино, каждый фотон будет не только терять часть своей энергии, но и будет задерживаться, поскольку скорость света в веществе (каковым является и нейтрино) ниже скорости света в вакууме. Это приведет к тому, что часть фотонов (повстречавшихся с большим числом нейтрино) со временем начнет запаздывать по отношению к другой части фотонов (повстречавших меньше нейтрино). В результате этого фотоны кроме того как покраснеют и увеличат свою длину волны еще растянутся в пространстве. Таким образом, удаленный наблюдатель будет наблюдать достаточно длительную вспышку покрасневшего света.

Как видим наблюдаемое не всегда соответствует произошедшему. И, следовательно, математические модели, построенные на астрономических наблюдениях удаленных объектов, частично могут не соответствовать действительности. Мы видим, не то что произошло - а то, что дошло до нас и в том виде, в каком оно дошло до нас. Действительность может быть иной.

7. Достоверность экспериментальных данных

Большинство современных экспериментальных данных получено в результате обработки результатов измерений математическими моделями. Возникает вопрос насколько можно доверять таким «экспериментальным» данным.

Дело в следующем. Многие математические модели являются упрощенным отражением действительности, часть несущественных (с точки зрения авторов) параметров в них опущена в целях упрощения вычислений. Очень часто такой подход оправдан и дает возможность получить требуемые экспериментальные данные. Но в природе упрощенный снимок не может точно соответствовать оригиналу, поскольку между ними есть разница, а подлинным является только оригинал.

Таким образом, математические модели вносят искажения в обрабатываемые данные связанные не только с точностью вычислений, но и с неточностями или ошибками самой модели. Ярким примером того является множество сказок сочиненных Стандартной моделью в физике микромира считающей элементарные частицы либо бесструктурными образованиями либо состоящими из не существующих в природе кварков. Такое упрощение позволяет обрабатывать экспериментальные данные, получаемые на ускорителях, но вот вопрос: можно ли им всегда доверять. - Ответ очевиден: ни в коем случае. Упростив картину микромира путем игнорирования структуры элементарных частиц, мы заменили подлинную картину миражем.

То, что мы «видим» с помощью математической модели может быть продуктом самой модели, а не отражением действительности, и об этом никогда не следует забывать.

Владимир Горунович

11.2.2013