Preprint (20.07.2002)
Date: Fri, 26 Jul 2002 23:30:18 GMT
From:  redshift0@narod.ru
Organization:  
Newsgroups: sci.physics, sci.astro, alt.sci.physics.new-theories
Subject: The Indispensable Accuracy of the Measuring of an EM-wave's Energy

Key words:  Cosmology theory - stationary model - redshift - tired light - Hubble constant 

- - - - - - - - -

Расчет необходимой точности измерений энергии волны ЭМП

Чепик А.М., Нижний Новгород

20.07.2002

(Статья опубликована в ж."Spacetime & Substance" № 3(13)-2002,p.108)

Абстракт

Гипотеза «старения света» в настоящее время отвергается по косвенным признакам. В рамках этой гипотезы показано, что энергия ε=hH (где h – постоянная Планка, H – постоянная Хаббла) является величиной потерь энергии фотона в расчете на один цикл световой волны, независимо от длины волны. Лишь превысив указанную точность измерения энергии, можно доказать отсутствие или наличие «старения» света непосредственно в  эксперименте. Но в случае стационарной Вселенной можно проверить эту гипотезу по полученной экспоненциальной зависимости между красным смещением и расстоянием до источника.

 

  1.    Введение

В [2,с.487] даётся определение  понятия «красное смещение», как увеличение длины волны монохроматического компонента спектра источника излучения в системе отсчёта наблюдателя (λ) по сравнению с длиной волны этого компонента в собственной системе отсчёта (λ₀). Там же приводятся два факта:

А. Параметр смещения z=(λ-λ₀)/λ₀ не зависит от длины волны. Это подтверждается измерениями эффекта Доплера и гравитационного красного смещения.

B.   Закон Хаббла – приблизительно линейная зависимость космологического z_c от расстояния D до далёких галактик и их скоплений: z_c≈(H/c)D, где H – так называемый параметр Хаббла ( H₀ – константа Хаббла – значение параметра Хаббла в наше время).

Таким образом, рассматриваемое в этой статье космологическое «красное смещение», - это увеличение длины волны монохроматического компонента спектра источника излучения в системе отсчёта наблюдателя (λ) по сравнению с длиной волны этого компонента в собственной системе отсчёта (λ₀),  при котором параметр смещения z=(λ-λ₀)/λ₀ не зависит от длины волны и зависит от расстояния D до далёких галактик и их скоплений.

Гипотеза «старения света» заключается в предположении, что в нашей системе отсчёта энергия фотона должна уменьшаться при увеличении пройденного  расстояния.

Рассмотрим свет, как волну электромагнитного поля (ЭМП). Волна  ЭМП - это последовательное циклическое превращение электрического и магнитного полей друг в друга. …Внутри каждого четвертьволнового участка между узлами полей происходит независимая периодическая перекачка электрической энергии в магнитную и обратно. [3, ст. «Электромагнитные колебания»] Другими словами, волну ЭМП можно рассматривать как циклический процесс перекачки энергии одного вида в другой. Процесс именно циклический – последовательность событий этого процесса повторяется. Для конкретности циклом волны ЭМП будем считать два последовательных полуцикла между нулями электрической напряженности. Здесь используется понятие цикла волны ЭМП (оно подчёркивает цикличность процессов преобразования энергии), а не понятие периода волны, так период означает отрезок времени, который в нашем случае к тому же не является постоянным.

На основании фактов А. и В. в статье для стационарной модели Вселенной показан вывод экспоненциального закона изменения энергии света, откуда, в свою очередь, следуют гипотеза «старения света» и постоянство величины потери энергии фотона на одном цикле световой волны.

Затем для стационарной модели Вселенной из постоянства величины потери энергии фотона на одном цикле световой волны показан вывод экспоненциального закона изменения энергии света и фактов А. и В.

 

2.    В Стационарной Вселенной свет «стареет»

Рассмотрим в стационарной модели Вселенной параметр красного смещения для далёкого объекта

z = (λ-λ₀)/λ₀ = λ/λ₀ –1

Он не зависит от длины волны, зависит от расстояния R, пройденного светом (в силу фактов А. и В.), и не зависит от времени и места излучения света (в силу стационарности). Обозначим эту зависимость как  λ/λ₀ = F(R). Теперь поставим между неподвижными источником и приёмником наблюдателя N (который будет наблюдать проходящий свет на длине волны λ_N, отличающейся от λ и λ₀ в силу зависимости наблюдаемой частоты от расстояния), то есть разобьём путь луча R на два отрезка: путь от источника к наблюдателю R_NE и путь от наблюдателя к приемнику R_0N  ,     (R =R_NE +R_0N),     и  выполняется   λ_N/λ_E = F (R_NE ), λ₀/λ_N = F (R_0N).

Таким образом, функция от суммы двух параметров равна произведению функций от этих слагаемых параметров :

F(R_NE +R_0N)=F(R)=λ/λ₀ =(λ_N/λ₀)(λ/λ_N)= F(R_NE) F(R_0N)

Таким свойством обладает экспонента: F(R)= e ^R/Ch , где Ch- некоторый параметр. Получаем :

λ(R) = λ₀e^R/Ch                                       - зависимость длины волны

ν(R) = с/ λ(R)=  ν₀e^-R/Ch          - зависимость частоты волны

E(R) = ν(R) h=  E₀e^-R/Ch               -зависимость энергии фотона

Для удовлетворения этих формул факту В. должно выполняться Ch=c/H₀ , где  H₀= 58 км /(сек∙ Мпк) - постоянная Хаббла, Ch=  17∙10⁹ св.лет.

Заметим, что энергия фотона по этим формулам должна уменьшаться при увеличении пройденного  расстояния. То есть, получена гипотеза «старения света».

Теперь в формулу для энергии фотона поставим R = λ₀. Получаем потерю энергии фотона на одном цикле волны (для λ₀<<Ch, то есть практически всегда):

ε =E_потерь(R=λ₀)=E₀(1-e^-R/Ch)=h ν₀(1-(1- λ₀/Ch))=

 =h ν₀ λ₀/Ch= hH₀

Таким образом, величина потери энергии фотона на одном цикле световой волны постоянна.

 

3.    Расчет величины потери энергии фотона, если она постоянна

Покажем, что для постоянной  потери энергии на цикле факты А. и В. выполняются. 

Обозначим потерю энергии фотона на каждом цикле волны света через ε, энергию фотона после n циклов – E_n , ν_n – частота, λ_n – длина волны для E_n. Тогда E₀ – начальная энергия фотона, ν₀ – начальная частота, λ₀ – начальная длина волны связаны между собой формулой :

E₀= h ∙ ν₀ = h ∙ c / λ_{0 ,}                   (1)

         где h – постоянная Планка.

А энергия E_n фотона после n циклов , ν_n – частота, λ_n - длина волны связаны формулой :

 E_n= h ∙ ν_n = h ∙ c / λ_n= E₀ - n ∙ ε             (2)

         Таким образом, количество циклов преобразования ЭПМ для фотона конечно.

Остаток энергии после последнего цикла составляет величину, меньшую, чем ε.  Если этот остаток больше 0, то это означает, что существует объект ЭМП,  который не обладает свойством волны. Следовательно, величина энергии E₀ кратна ε. В то же время, если считать, что энергия волны после последнего цикла равна нулю, то получим, что последняя частота равна нулю, а последняя длина волны равна бесконечности. Поэтому последним циклом следует назвать состояние волны ЭМП, когда её энергия становится равной ε. После этого электромагнитная волна растворяется, исчезает как объект. Из этих рассуждений следует, что для фотона с начальной энергией E₀ максимальное число циклов N_max составляет выражение (E₀ - ε)/ ε, или

N_max+1= E₀/ ε  = h ∙ ν₀ / ε                     (3)

 Для фотона с начальной энергией E₀ время его жизни T_max составляет

		Nmax
	Tmax =	Σ  tn		(4)
		n=1

где t_n – время n-ого цикла ЭМП.

t_n = 1/ ν_n = h/ (E₀ - n ∙ ε) = (h/ε)/ (N_max+1 - n)                (5)

         Откуда следует, что время жизни фотона T_max составляет

	Nmax		Nmax		Nmax
Tmax =	Σ tn	=  (h/ε)	Σ(Nmax+1 - n)-1	=  (h/ε)	Σ n-1	(6)
	n=1		n=1		n=1

  или

T_max (E₀) ≈ (h/ε) (C+ln (N_max+1)) = (h/ε) (C+ln (E₀ / ε))     (7)

где С примерно равно 0.5.

Таким образом, время жизни фотона конечно.

Определим, через какое время после излучения T энергия фотона станет равна E_n . Для этого время T_max(E_n) вычтем из  времени T_max(E₀) :

T= T_max(E₀) - T_max(E_n) = (h/ε) ln (E₀ / E_n)          (8)

 Обозначив энергию фотона в этот момент E(T) , получаем формулу

 T = (h/ε) ln (E₀ / E(T))      (9)

 А для выражения энергии фотона через время  после излучения получаем формулу

 E(T) = E₀e^{-Tε / h}                 (10)

С учетом того, что расстояние, пройденное фотоном за время T, равно в стационарной Вселенной R=cT , получаем формулы зависимости от расстояния энергии E(R), частоты ν(R)  и длины волны λ(R)  :

 E(R) =  E₀e^{-Rε /ch}

ν(R) = E(R) / h =  ν₀e^{-Rε /ch}         (11)

λ(R) = λ₀e^{Rε /ch}

 Соответственно, формула зависимости красного смещения от расстояния имеет вид

 z = (λ- λ₀)/ λ₀ = e^{Rε /ch} -1           (12)

 Таким образом, красное смещение спектра частот от одного источника одинаково для всех частот! 

  В законе Хаббла V=R ∙ H₀ для малых расстояний скорость объекта V считается равной V=z ∙ c . Так как для малых расстояний  красное смещение z = e^{Rε /ch} –1= Rε /ch, то получаем выражение для постоянной Хаббла :

H₀ = ε /h                     (13)

 Таким образом, формула потери энергии имеет вид :

ε = h∙ H₀                                  (14)

 Видим, что теряемая энергия на одном цикле преобразования волны ЭМП пропорциональна постоянной Хаббла.

И, по аналогии с формулой Планка для кванта световой энергии E=h∙ν , можно назвать постоянную H₀ – частотой Хаббла, а ε - квантом Хаббла, или Постоянной Планка-Хаббла.

Для значения постоянной Хаббла H₀= 58 км /(сек∙ Мпк) получаем

ε =7.4∙ 10^-33 эв

Из-за малой величины этой энергии её можно также назвать квантом энергии 2-го порядка.

На 1 метре вакуума доля потери энергии  светом составляет

z=Rε /ch=6∙10^-27  ,

 что ещё не поддаётся измерению, поэтому до настоящего времени считается, что потеря энергии в волнах ЭМП отсутствует.

С учётом найденной величины ε перепишем формулу для времени жизни фотона

 T_max (E₀) = H^-1 (1/2- ln(hH)+ln E₀ )                        .

T_max (ν₀) = H^-1 (1/2- ln H+ln ν₀ )                        (15)

 

что для света с длиной волны 500 нм составляет примерно T_max = 1.33∙10¹² лет

Потеря энергии фотона практически пропорциональна пройденному им расстоянию до расстояния 1 000 000 000 световых лет (6% от Хаббловской длины).

Частота фотона ν на расстоянии R от источника зависит от начальной частоты фотона ν₀ по формуле :

 ν = ν₀ e ^-R/Ch       (16)

где  Ch = с/H₀= 17∙10⁹ св.лет – Хаббловская длина, имеющая размерность расстояния; H₀ = 58 км /(сек∙ Мпк) – постоянная Хаббла.

 

4.    Дополнительные рассуждения о «старении света»

 Почему невозможен вечный двигатель –  идеальный циклический преобразователь энергии? Потери энергии - вот причина отсутствия его «вечности». Всякий реальный циклический процесс преобразования энергии не бесконечен. В природе нет вечного двигателя, т.е. абсолютной циклической перекачки энергии (без потерь энергии того вида, который используется в циклическом процессе). Даже ядерные силы со временем ослабевают, в силу чего мы можем увидеть период полураспада. Почему волны ЭМП должны быть исключением? К тому же, некоторые виды уменьшения энергии волн ЭМП известны (гравитационное красное смещение, разделение фотона на части).

Из факта существования космологического «красного смещения» следует, что в нашей системе отсчёта частота и энергия волны ЭМП с течением времени её путешествия  уменьшаются.

Потеря энергии должна быть распределена по циклам волны. То есть, на каждом цикле должна быть потеря энергии. Иначе, если на соседних циклах происходят не совпадающие последовательности событий, то это не циклы.

Рассмотрим один фотон. В силу дуализма можно считать, что он обладает свойствами волны – частотой, периодом и длиной волны. Его квантовые и волновые свойства связаны формулой Планка : E= h ∙ ν, где E - энергия фотона, ν – его частота. Частота – это количество циклов в единицу времени.

Заметим, что формально на один цикл этой волны приходится одно и то же количество энергии, не зависящее от энергии фотона. Это же количество энергии приходится на один цикл волны любого фотона, независимо от его частоты. Именно поэтому величина теряемой фотоном энергии (на цикле) также постоянна. 

 

5.    Выводы

1.     Для стационарной модели Вселенной показана необходимость «старения» света, причем величина потери энергии фотона на одном цикле световой волны постоянна. 

2.     Получены также формулы для времени жизни фотона и зависимости его энергии от пройденного расстояния.

3.     Предложен взгляд на параметр Хаббла как на величину, имеющую размерность частоты.

4.     Самый удивительный вывод получается, если посмотреть на формулу потери энергии с другой точки зрения. Энергия ε =hH (постоянная Планка-Хаббла) является величиной потерь энергии фотона в расчете на один цикл световой волны не зависимо от длины волны! Следовательно, это мировая физическая константа! Постоянная Хаббла связала Макрокосмос и микромир.

5.     Получена величина потери энергии фотона на одном цикле световой волны (для значения постоянной Хаббла H = 58 км /(сек∙ Мпк)): ε = 7.4∙ 10^-33 эв. Постоянство этой потери наводит на мысль о существовании стабильной частицы с массой примерно 10^-66 грамм. Это показывает важность изучения не только сверхбольших энергий, но и сверхмалых.

6.     На 1 метре вакуума доля потери энергии светом составляет z =6∙10^-27 , что ещё не поддаётся измерению, поэтому до настоящего времени считается, что потеря энергии в волнах ЭМП отсутствует.

7.     Проверить гипотезу стационарности Вселенной можно по полученной зависимости между красным смещением и расстоянием до источника. Но для этого необходимо получить оценки расстояний до далёких галактик способом, не зависящим от модели Вселенной, или способом для конкретной (стационарной) модели Вселенной.

8.     Из-за равного вклада электрической и магнитной составляющей в энергию волны ЭМП, и из-за того, что в течение одного цикла происходит 4 передачи энергии между электрическим и магнитным полем, возможно, следует считать потерю энергии для каждого такого преобразования по ε/4.

 

Литература:

[1] Физическая энциклопедия, т.1.(М., Советская энциклопедия, 1988.)

[2] Физическая энциклопедия, т.2.(М., Советская энциклопедия, 1990.)

[3] Большая советская энциклопедия.(М., 2001.)

[4] Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц. Теория поля. (М., Наука, 1967.)

 

- - - - - - - - - - -

 

 

 

 

The Calculation of the Indispensable Accuracy of the Measuring of an EM-wave's Energy

Alex M. Chepick, Nizhni Novgorod
20.07.2002

Abstract

    The hypothesis of a "tired light" is now disclaimed by indirect signs. Within the framework of this hypothesis is demonstrated, that the energy ε=hH (where h - Planck constants, H -  Hubble constant ) is a value of energy  that is lost by a photon in respect to one cycle of a light’s wave, irrespective of a wavelength. Only having exceeding of the indicated measurement accuracy of energy, it is possible to demonstrate absence or presence of "tired" light directly in experiment. But in case of the stationary Universe it is possible to test this hypothesis by the obtained exponential dependence between redshift and distance up to a source. 

Email:  redshift0@narod.ru

- - - - - - - - - -

Главная страница                            Eng

Последняя коррекция 09.09.2002 09:09