Необычные размышления о…
- -
- 100%
- +
Эффект Комптона это убедительно доказал. Аналогично обстоит дело с импульсом и моментом, которые фотон переносит через пространство. Световой или солнечный парус, своими поступательным и вращательным движениями, подтверждает это на практике. Для частиц, с массой, равной нулю, и, движущейся со скоростью света (для фотона), справедливо следующее соотношение: p=E/c= h*f/с. Мы видим, что энергия и импульс фотона зависят от его частоты f. Согласно эффекту Комптона, при столкновении фотона с материальным объектом, происходит уменьшение частоты фотона, а, следовательно, уменьшаются переносимые фотоном энергия и импульс. То есть, после такого столкновения, фотон располагает уменьшенной энергией и импульсом.
Уменьшение энергии и импульса фотона зависит от характера столкновения фотона с материальным объектом (электроном, протоном). Если столкновение лобовое, то весь импульс передается протону или электрону. Импульс фотона становится нулевым, то есть фотон перестает перемещаться или прекращает свою жизнь, ибо неподвижных фотонов в природе не существует. При этом, вся энергия фотона передается частице, с которой произошло столкновение. И частица, приобретя от фотона энергию и импульс, начинает ускоренно перемещаться (увеличивается ее кинетическая энергия) в направлении первоначального перемещения фотона (из-за полного израсходования импульса).
Если столкновение не лобовое (касательное, рикошетирующее), то фотон изменяет свое направление движения, но при этом продолжает жить. Правда, его энергия уменьшается в соответствии с выводами Комптона (частота фотона уменьшается согласно формуле Комптона). Импульс фотона также уменьшается. Именно этим (эффектом Комптона) объясняется красное смещение. То есть столкновениями фотонов с частицами в космосе, а не каким-то мифическим эффектом Доплера. Такой эффект применим только к звуковым частотам, но не к световым (электромагнитным).
Откуда в космическом пространстве электроны, протоны и другие частицы? Напомним, что только наше Солнце ежесекундно выбрасывает в космическое пространство около 4 миллионов тонн различных частиц. А, в нашей галактике свыше 100 миллиардов звезд, многие из которых, намного крупнее Солнца. Так называемые, туманности простираются в пространстве на десятки триллионов километров. И все они заполнены атомами водорода, гелия, другим веществом и множеством различных частиц. Так что электромагнитному излучению звезд (в том числе и свету), есть с чем столкнуться в космосе, и, тем самым переместиться в длинноволновую сторону (в том числе – и в красно волновом диапазоне частот).
12.1. Заблуждения Перлммутера
Многие астрономы уверены в том, что красное смещение позволяет определить относительную скорость удаления объекта (звезды, галактики) от земного наблюдателя. К сожалению, это не так. Красное смещение позволяет приближенно обнаружить засорение космического пространства различными элементарными частицами и атомами вещества. Чем дальше галактика или звезда находятся от земного наблюдателя, тем больше шансов у света, исходящего от таких галактик, наткнуться на целые анклавы космического засорения частицами и, дойти до земного наблюдателя в виде красного смещения.
В свое время, лауреат Нобелевской премии, Сол Перлммутер, для определения расстояния до галактики, предложил опереться на, так называемые, стандартные свечи. В качестве таких свечей, он рассматривал сверхновые типа А, то есть взрывы белых карликов. Яркость таких сверхновых у всех приблизительно одинакова и убывает по квадратичной зависимости с расстоянием. Да, таким способом, весьма приблизительно, можно определить расстояние до галактики, в которой проявилась сверхновая. Но Перлммутер претендует на то, чтобы обнаружить скорость удаления галактик, замеряя красное смещение света, идущего от галактик. Тем самым, ему хочется доказать явление разбегания галактик, а, значит, и расширение вселенной.
Увы, господин Перлмуттер, красное смещение никак не демонстрирует нам удаление галактик. Оно свидетельствует лишь, о наличии засоренности космического пространства частицами и веществом. Внимательно изучайте эффект Комптона. Наблюдая за Солнцем, вы сможете убедиться в том, что, когда Солнце в зените, то никакого красного смещения не существует. На Солнце без защитных очков трудно смотреть. Ультрафиолетовое излучение может разрушить рецепторы на сетчатке глаз, из-за слишком большой энергичности ультрафиолетового излучения.
Красное смещение появляется во время заката Солнца. На закате Солнце пребывает в диапазоне красного света. На него можно смотреть без защитных очков, поскольку фотоны красного света не энергичны, в сравнении с ультрафиолетовым светом. И, во время заката, и, в зените, Солнце находится на одном и том же расстоянии от Земли – 150 млн. километров, и никуда не удаляется. Тогда, почему в зените Солнце бело-желтое и ультрафиолетовое, а во время заката – преимущественно красное. Все дело – в эффекте Комптона.
При нахождении Солнца в зените, и в закате, свет проходит сквозь толщу атмосферы и попадает на сетчатку глаз. Однако, толщина атмосферы и в том, и в другом случае – различная. В зените, толщина атмосферы в вышину – 10 километров (выше – почти разреженная атмосфера), и столкновение фотонов с атомами и частицами атмосферы проистекает именно на таком расстоянии. Во время заката, путь фотонов происходит в плотных слоях атмосферы по касательной к поверхности Земли. Такой путь составляет – сотни (если не тысячи километров). Так что шанс, чаще столкнуться с частицами атмосферы, у фотонов намного выше во время заката.
Поэтому ультрафиолетовые фотоны во время заката, согласно эффекту Комптона, при таких столкновениях трансформируются в красный и даже в инфракрасный свет, о чем свидетельствует сумеречная (темная) обстановка во время заката. Ибо наши глаза не воспринимают инфракрасное излучение, или, воспринимают такое излучение как темноту.
В зените, ультрафиолетовые фотоны на очень маленьком расстоянии (10 километров) не успевают трансформироваться, согласно эффекту Комптона, в красный свет. Ситуацию с Солнцем мы привели специально для господина Перлммутера, чтобы он прочувствовал, что красное смещение не связано с удалением от нас звезды или галактики. И не претендовал на роль учителя о расширении вселенной.
Постулаты термодинамики убеждают нас в том, что тепло не может передаваться от холодного тела к горячему. Действительно, если в печи бани мы сжигаем дрова, то при этом в огне производится желтый свет. Если сжигаем природный газ, то в огне производится и синий и фиолетовый свет. Но и в том, и в другом случае, при очень длительной топке, труба бани начинает светиться малиновым или красным светом, или невидимым инфракрасным (тепловым) светом. Но ни синим светом или фиолетовым.
Объяснение простое. Желтые, синие, фиолетовые фотоны, образующиеся в пламени, сталкиваются с атомами трубы и, в соответствии с эффектом Комптона, такие фотоны уменьшают при столкновениях свою частоту в красную и инфракрасную сторону. Вот, если бы при таких столкновениях, увеличивалась бы частота фотонов, то стало бы возможным по-иному трактовать начала термодинамики. Так что, за современную трактовку постулатов термодинамики, ответственность несет все тот же эффект Комптона.
Инспекторы ДПС, чтобы проконтролировать скорость автомобиля, используют прибор, который опирается на частоту излучения, исходящего или отраженного от автомобиля. Называют такой прибор доплеровским измерителем скорости в диапазоне электромагнитного излучения. На самом деле, такой прибор следует назвать комптоновским измерителем скорости. Да, с удалением автомобиля от сотрудника ДПС, происходит изменение частоты излучения. Но, объясняется это эффектом Комптона. При таком удалении автомобиля, происходит увеличение слоя атмосферы между автомобилем и сотрудником ДПС, который с помощью своего прибора измеряет увеличивающуюся толщину слоя атмосферы. Сотрудники ДПС могут также опереться на измерение временных интервалов прихода нескольких отраженных от инспектируемого автомобиля световых сигналов. Однако, в этом случае потребуются слишком точные часы. Из-за слишком большой скорости света (или иного электромагнитного излучения).
Доплеровский эффект не применим к электромагнитному излучению. Не верите – проверьте. Возьмите протяженный цилиндр. Вставьте в него поршень. На торцах цилиндра и поршня (внутри цилиндра) закрепите излучатель и приемник излучения, так, чтобы приемник и излучатель были оптически сопряжены. Откачайте воздух из цилиндра с обеих сторон от поршня (именно с обеих, иначе поршень не стронется с места – давление воздуха не позволит) до состояния глубокого вакуума. Начните отодвигать поршень от торца цилиндра и при этом производите замеры частоты излучения. С какой бы скоростью вы не удаляли приемник вместе с поршнем от излучателя, ваш приемник не обнаружит изменение частоты излучения, исходящего от излучателя.
Вторая часть эксперимента состоит в том, чтобы в цилиндр запустить воздух из атмосферы и повторить все действия, изложенные выше. При этом вы убедитесь в том, что приемник обнаружит изменение частоты излучения. Из-за эффекта Комптона. Правда, вторую часть эксперимента нет смысла проводить, поскольку, природа уже провела его. Такой эксперимент природы называется закатом Солнца. Мы его уже подробно рассмотрели. Господин Перлммутер может заявить: “Какая разница – комптоновский эффект или допплеровский. Нельзя использовать допплеровский эффект, применим комптоновский для измерения скорости удаления галактики”.
Да, действительно, опираясь на комптоновский эффект, косвенным путем можно почувствовать удаление галактики от Земли. Дело в том, что при удалении некой галактики от Земли, происходит увеличение расстояния между галактикой и Землей. Такой промежуток пространства с течением времени заполняется частицами, что ведет к дополнительному проявлению комптоновского эффекта.
Однако, при этом, вряд ли, удастся сказать что-либо конкретное. Допустим, что какая-то галактика удаляется от нас со скоростью 1000 км/сек. Производим первый замер частоты света, идущего от галактики. Через 10 лет производим второй замер такой частоты. За десять лет галактика удалится от Земли на расстояние – 320 млрд. километров и такое пространство как-то заполнится частицами. Казалось бы, что основание для проявления комптоновского эффекта, имеет место быть. Однако, вспомним, что расстояние до ближайшей звезды, Альфа Центавра (в нашей галактике) – 4,4 световых года или свыше 40 триллионов километров. Расстояние до ближайшей галактики Туманность Андромеды, почти в миллион раз больше. А, речь идет о галактиках, отстоящих от Земли, в сотни миллионов и, даже, в миллиарды световых лет.
Что из себя представляют какие-то жалкие 320 млрд. километров, в сравнении с миллиардами триллионов километров? Тем более, что заполнение космического пространства частицами – исключительно бессистемно и неоднородно. Например, туманность “Конская Голова”, которая заполнена многими частицами и атомами вещества (и даже пылью), имеет пространственную протяженность 4 световых года на 3,5 световых лет.
Вместе с тем, на пути фотона могут встретиться много триллионные космические пустоты, в которых не найдется ни одной частицы вещества. И, потом, наша галактика тоже летит со скоростью в 1000 км/сек. в каком-то направлении. Значит, расстояние от Земли до космических объектов (звезд, галактик), расположенных в диаметрально противоположной стороне от направления полета нашей галактики, должно все время увеличиваться, и на небесной сфере такие объекты должны смотреться более красными. Однако, до сих пор такого эффекта никто не наблюдал.
Так что, господин Перлммутер, вряд ли вы нас порадуете убедительными доказательствами разбегания галактик или расширения вселенной. Кроме того, использование сверхновых типа: один А, в качестве стандартных свечей, для определения расстояния до галактик, весьма сомнительно. Представьте себе ситуацию, когда две сверхновые взрываются на одинаковых расстояниях от Земли. Только свет от одной сверхновой проходит сквозь туманность “Конская Голова”, а свет от другой сверхновой, проходит сквозь абсолютную пустоту. Вы такую ситуацию, по наблюдениям за светом от сверхновых, интерпретируете таким образом, что, якобы, сверхновые находятся на разных расстояниях от Земли. Поскольку, световые картинки, пришедшие от таких сверхновых, будут существенно различаться.
Ранее мы рассказали, что фотон (электромагнитное излучение) является переносчиком энергии и импульса. Но, затем мы отвлеклись на господина Перлммутера и не рассмотрели вопрос переноса фотоном вращательного момента. Фотон пребывает в когорте бозонов. И его спин равен единице. Что такое спин?
Тривиальное объяснение спина сводится к рассмотрению сочетания вращательного движения частицы (например, фотона) с волновым движением такой частицы. Применительно к фотону: спин фотона (равен единице) обусловлен одним оборотом вращения фотона вокруг своей оси за один период колебательного движения такого фотона. То есть, спин фотона – находится в зависимости от частоты фотона (частоты света). Таким образом, энергия, импульс и момент вращения частицы (фотона) взаимосвязаны. Такая взаимосвязанность обусловлена частотой частицы (фотона).
Эффект Комптона учитывает зависимость энергии частицы (фотона) от частоты. Косвенно, эффект Комптона учитывает зависимость импульса от частоты, но не рассматривает зависимость вращательного движения частицы (фотона) от частоты.
13. Понятие «поле» означает степень незнания явлений
Все явления обусловлены воздействием фотонов и нейтрино с их энергией, импульсом и спином.
Современная физика уже признала, что практически все виды взаимодействий (кроме гравитационных) сегодня можно объяснить воздействием такого переносчика таких взаимодействий, как фотон. Например, явления электричества и магнетизма без такого посредника, как фотон, невозможно объяснить. Правда, читатель может возразить. Дескать, Фарадей и Максвелл, опираясь на понятие “поле”, сумели объяснить все. Применительно к электромагнетизму, понятие “поле” ввел Фарадей, который потратил умственные усилия, чтобы понять и объяснить механизмы электромагнетизма. И, когда такие механизмы не смогли возникнуть в сознании Фарадея, тогда и появилось понятие “поле”, как некий обобщающий эквивалент незнания конкретики.
Кстати, аналогичная ситуация случилась и в гравитации. Когда Ньютона попросили объяснить, что представляет невидимая рука, которая высовывается из Земли, хватает яблоко Ньютона и тянет его к Земле, Ньютон честно сказал: – “Гипотез не измышляю”. То есть, признался, что ничего не знает о механизме притяжения. Тогда также появилось понятие “гравитационное поле”, определяющее уровень незнания конкретики.
Ранее мы приводили пример распространения электрического тока в проводниках. Ключевым понятием для распространения тока является движущая сила (ЭДС), которая, якобы, передвигает электроны по проводнику. Такая сила, якобы, является полем. Этакая баба Яга, которая щелчками, направленно, перегоняет электроны с одного места на другое. А направленное движение электронов – это и есть электрический ток. Под воздействием нечистой силы?
Что смущает? Это то, что электроны в проводнике перемещаются с крайне незначительной скоростью (миллиметры в секунду), а, так называемая, ЭДС – распространяется со скоростью света в данном проводнике. А, что распространяется со скоростью света в той или иной среде? Свет или фотоны определенной частоты.
Следовательно, электрический ток – это не только направленное движение электронов, но и направленное движение фотонов в проводнике, которые не только являются посредниками между электронами по передаче энергии, импульса и момента, но и определенным образом ориентируют в пространстве эти самые электроны. Тем самым, создается направленное движение электронов, которое формирует направленное движение фотонов в проводнике. Но, тогда, электрический ток – это направленное движение и электронов, и фотонов.
В процессе такого направленного движения обеих частиц (электронов и фотонов) происходит непрерывный, эстафетный обмен энергией, импульсами, моментами вращательных движений между электронами и фотонами. Ключевое слово: “направленное”. Электроны и фотоны в свободном состоянии (то есть, не в атоме) – это, возможно, маленькие пульсирующие сферы. Вопрос. Как на сфере выделить какое-то направление? Ответ. Заставьте сферу вращаться. И, тогда ось вращения сферы будет тем самым особым, выделенным направлением. Иными словами, спины электронов и фотонов обусловливают направленность тока. Если бы электроны и фотоны не вращались в пространстве, то вряд ли бы, мы получили такое явление, как электрический ток. Но, тогда, направление электрического тока должно совпадать с направлениями спинов электронов и фотонов.
Нам представляется следующий механизм электрического тока. В какой-то части проводника создается избыточное множество электронов, спины которых ориентированы вдоль оси проводника. Каждый электрон из такого множества генерирует по одному фотону определенной частоты. Спин такого фотона в пространстве ориентирован также, как и спин, испустившего его электрона (согласно закону сохранения вращательного момента). Множество таких фотонов встречают на своем пути новые электроны и передают им энергию, импульс и момент.
В результате такие электроны перемещаются в пространстве в направлении спина, передавшего импульс, фотона. А их спины ориентируются по спину такого фотона. Таким образом, между электронами, фотонами и новыми электронами, фотонами, осуществляется эстафетная передача энергии, импульса, момента движения. Что, в сущности, и является электрическим током.
Какова частота фотонов, участников электрического тока? Надо измерять. Скорее всего, частота фотонов пребывает в инфракрасном, микроволновом, но не в световом диапазоне. Иначе, мы бы видели электрический ток. При такой, нашей интерпретации электрического тока, омическое сопротивление обусловлено изменениями в движении и электронов, и фотонов. Например, при тепловых колебаниях кристаллической решетки проводника и электроны, и фотоны, сталкиваясь с атомами кристаллической решетки, теряют (изменяют) энергию, импульс, спин (по направлению), что ведет к нарушению порядка в перемещениях электронов и фотонов (к омическому сопротивлению).
Вместе с тем, если интенсивность фотонов в проводнике слишком велика, то это приводит к изменениям на атомном уровне кристаллической решетки. Фотоны (и электроны) электрического тока возбуждают атомы кристаллической решетки. Что приводит к дополнительному появлению в проводнике фотонов от возбужденных атомов. Частота таких фотонов соответствует различным частотным диапазонам (световым, рентгеновским, гамма).
Например, при коротких замыканиях и в молниях, мы наблюдаем фотоны в видимом частотном диапазоне излучений, а в молниях – в рентгеновском и гамма – диапазоне. Во время молниевых разрядов обнаружили и рентгеновское и гамма-излучения.
Объяснить их происхождение можно следующим образом. Накопленные в атмосфере электроны, порождают интенсивные потоки фотонов, которые, вместе с электронами, приводят в движение атомы атмосферных частиц, происходят их соударения, что является причиной возникновения плазменных каналов в атмосфере, по которым перемещаются и электроны и протоны. В результате таких соударений, кроме световых фотонов, появляется рентгеновское излучение и гамма излучения.
13.1. О явлениях электричества и магнетизма
Принято считать, что под воздействием магнитного поля, проводники с током могут притягиваться или отталкиваться. Что такое “под воздействием магнитного поля” нам не совсем понятно. То ли, это баба Яга (магнитное поле), сидящая в одном проводнике с током, своей невидимой рукой хватает другой проводник с током и тянет (или отталкивает) его к себе, то ли это что-то другое. Не знаем. Но участие нечистой силы в таком притягивании, как-то не хочется признавать. А потому механизм притягивания (или отталкивания) проводников с током, будем рассматривать через призму взаимодействия электронов и фотонов, обладающих энергией, импульсом и моментом количества движения.
Пусть, для определенности, в двух параллельных проводниках, электрические токи текут в одну и ту же сторону. Практика показывает, что такие проводники притягиваются. Правильнее сказать, перемещаются навстречу друг к другу. В 1820 году Ампер установил закон взаимодействия токов. Согласно такому закону, сила взаимодействия, приходящая на единицу длины каждого из параллельных проводников, пропорциональна произведению величин токов в таких проводниках, и обратно пропорциональна расстоянию между проводниками.
О нечистой силе, которая, якобы, обусловливает такое взаимодействие, сказано выше. Как нам представляется такое взаимодействие? Мы знаем, что электрический ток – это направленное движение и электронов, и фотонов, которые в основном перемещаются вдоль проводника. Вместе с тем, часть фотонов вылетает из проводника и перемещается в сторону параллельного проводника с током и даже проникает в параллельный проводник с током, и такие фотоны вступают во взаимодействие с электронами параллельного проводника.
К чему приводит такое взаимодействие?
Не будем забывать, что и фотоны, и электроны обладают спином, то есть вращаются в пространстве и их можно рассматривать в качестве специфических гироскопов. В результате, после столкновений фотонов из первого проводника, с электронами из второго проводника, возникающий специфический гироскопический эффект приводит к тому, что электроны внутри второго проводника перемещаются в пространстве таким образом, что, подталкиваемый такими электронами второй проводник, в целом перемещается в сторону первого проводника.
Точно также, аналогичные процессы, происходящие во втором проводнике, приводят к тому, что первый проводник с током перемещается в сторону второго проводника. Возникает видимость взаимного притяжения проводников.
Не сложно понять, что, если в двух параллельно размещенных проводниках, электрические токи текут в противоположных направлениях, то такие проводники будут перемещаться в противоположные стороны друг от друга (создается видимость отталкивания). Заметим, что при такой интерпретации электрических токов, мы не нуждаемся в понятии “поле”. И для объяснения явлений “притягивания” (“отталкивания”) проводников, нечистая сила (баба Яга) нам тоже не нужна.
Вместе с тем, очень хотелось бы знать все о полете фотона и электрона в пространстве. Например, как ориентирован спин фотона к вектору скорости фотона, когда фотон перемещается в вакууме? Или, когда фотон перемещается в проводнике с током. Или в стекле. Что происходит с частотой фотона, когда фотон в проводнике с током сталкивается с кристаллической решеткой проводника? Как, в этом случае, проявляется эффект Комптона? Как ориентирован спин электрона по отношению к вектору скорости перемещения электрона в пространстве? В вакууме, в проводнике, в иных средах? Знание ответов на такие вопросы помогло бы подправить закон Кулона, а также закон взаимодействия проводников с токами (закон Ампера).
Подправить – это значит вместо зарядов в числителе закона Кулона, поставить параметры, характеризующие фотон. Например, частоту фотонов, их интенсивность, скорость перемещения в соответствующей среде. Ведь, именно фотоны, в конечном счете, являются переносчиками силового воздействия (энергии, импульса, момента количества движения). Подправить – это значит, в законе Ампера (о взаимодействии проводников с токами), вместо токов, в числителе поставить расшифровку токов. То есть, поставить все те же характеристики фотонов, которые ответственны за силовой, эстафетный механизм распространения токов в проводнике.
Попробуем объяснить явление притяжения и отталкивания постоянных магнитов. По-прежнему считаем, что электроны испускают фотоны. Магнит – это специфический материал, в котором спины электронов ориентированы в одном направлении. Достигается такая одинаковая ориентированность спинов электронов процедурой, называемой процессом намагничивания (подробности опускаем) магнитов. Область магнита, в котором спины электронов ориентированы в пространстве одинаковым образом, называют доменом.
Магнит – это однодоменная структура. Железный гвоздь – это много доменная структура. Но если гвоздь разделить на множество опилок (чем мельче опилки, тем лучше выражена однодоменная структура таких опилок), то каждый опилок с большой степенью вероятности становится однодоменной структурой или магнитиком. Направление электронных спинов в магните задает полюса магнита.
Каким образом спины электронов задают полюса магнитов, мы не знаем. Может быть, в однодоменных структурах, спины электронов параллельны (или перпендикулярны) линии, соединяющей северный и южный полюс магнита. На этот вопрос должна ответить практика.