Тяжелый фотон
Астрофизики предложили рассмотреть модель с массивным фотоном, в которой на галактических масштабах появляется новая сила. Это воздействие можно описать как «отрицательное давление», которое заставляет тела стремиться к центру, аналогично гравитации. Авторы применили данную идею к динамике Млечного Пути в надежде найти объяснение форме кривой вращения — зависимости скорости движения звезд от расстояния до центра галактики. Редакция N + 1 обсудила предложенную теорию с доктором физико-математических наук, главным научным сотрудником Института ядерных исследования РАН Дмитрием Горбуновым.
Иногда физики-теоретики сталкиваются с ситуациями, когда для объяснения того или иного эффекта им может быть проще не вводить новые сущности, а пересмотреть фундаментальные представления о мире. Например, предположить, что гравитация может меняться со временем или что фотоны могут иметь массу. Одна из таких ситуаций — коллизия вокруг темной материи.
Известно, что скорости вращения галактик, точнее, зависимости скорости движения звезд от расстояния до центра, не соответствуют теоретическим предсказаниям. Скорость должна снижаться по мере приближения к краю диска, однако в реальности во многих случаях зависимости от расстояния практически нет: почти на любом удалении звезды, как правило, движутся примерно с одной скоростью. Обычно для объяснения этого факта физики используют представление о темной материи — гравитирующем невидимом веществе, распределенном в виде огромного гало вокруг каждой галактики.
Однако это решение не является единственным, существует масса альтернативных объяснений формы кривых вращения, не предполагающих введения новых видов материи, а изменяющих известные взаимодействия или вводящих новые. Именно с такой идеей выступили Дмитрий Будкер и его коллеги, которые предложили в своей работе, получившей широкую огласку в СМИ, рассмотреть модель с массивным фотоном.
С точки зрения современной физики свет — это связанные колебания электрического и магнитного полей, которые двигаются с предельной быстротой, то есть со скоростью света. В квантовой теории частицы света — фотоны — не имеют массы. Согласно полученным в новой статье результатам, если фотон будет иметь массу, то появится новое воздействие, которое можно описать как «отрицательное давление», заставляющее тела стремиться к центру, аналогично гравитации. Это позволяет иначе взглянуть на проблему кривых вращения.
Предпринятая группой Будкера попытка альтернативного объяснения достаточно радикальна, так как предполагает иной взгляд на давно изучаемые физикой процессы. В частности, согласно этой идее свет должен двигаться не со скоростью света, а с несколько меньшей, так как только безмассовые частицы могут достигать предельной быстроты перемещения. Для полноценного описания электромагнетизма в таком случае придется также модифицировать уравнения Максвелла. Тем не менее, авторы пишут, что требуемая для оказания обсуждаемого эффекта масса настолько мала, что ее невозможно непосредственно зафиксировать современными приборами, и, следовательно, во многих случаях отклонениями от стандартной физики можно пренебречь.
Мы обсудили предложенную теорию с доктором физико-математических наук, главным научным сотрудником Института ядерных исследований РАН, специалистом по теории поля Дмитрием Горбуновым.
N + 1: С точки зрения современной теории, фотон является безмассовым, но проверяют ли это экспериментально?
Дмитрий Горбунов: Есть прямые ограничения на массу фотона, полученные в лабораторных условиях, а есть ограничения непрямые. Например, если бы фотон имел массу, то по-другому бы эволюционировали звезды, охлаждались бы иначе. Или, например, в космосе происходит вспышка, от которой приходит сигнал в виде целого спектра частот. Если у фотона есть масса, то на некоторых частотах сигнал мог бы задерживаться или приходить искаженным.
Если бы у частиц света была масса, то они бы экранировали магнитное поле. В частности, в Галактике есть крупномасштабное магнитное поле. В целом мы ожидаем его обнаружить в каждой галактике и более или менее видим во всех случаях. Есть некоторые указания на то, что существуют еще более масштабные магнитные поля в скоплениях галактик, которые больше отдельных галактик раз в десять. Однако если бы у фотона была масса, то магнитные поля были бы экранированы, то есть на больших расстояниях их как бы не было, мы не смогли бы их заметить. Но мы их наблюдаем — вот отсюда тоже можно получить ограничение на массу фотона.
На самом деле есть целый ряд разнообразных экспериментальных фактов. Существует международное объединение физиков под названием Particle Data Group, которые занимаются систематизацией измерений параметров различных частиц и публикацией результатов. Если вы зайдете на их сайт, то в разделе про фотон отдельно представлены как прямые ограничения на массу, так и разнообразные астрофизические и космологические.
Экспериментальные ограничения на массу фотона
Для оценки массы фотона можно, например, использовать тот факт, что при ненулевой массе фотона дипольное магнитное поле в плазме порождает дополнительную силу, изменяющую ее концентрацию. В случае Солнечной системы этот эффект должен приводить к увеличению плотности солнечного ветра, поэтому наблюдения позволяют ограничить массу фотона. Именно этот метод Particle Data Group считает наиболее надежным. Согласно этим данным, масса фотона не может превышать 10 -18 электронвольт.
Наиболее легкие частицы из несомненно обладающих массой — это нейтрино. Тем не менее, по сравнению с фотоном они в любом случае очень тяжелы: по крайней мере два из трех типов этих частицы должны обладать массой, причем самое тяжелое весит как минимум 0,05, а другое — 0,009 электронвольт.
Получается, что массивный фотон не дальнодействующее взаимодействие переносит?
Он дальнодействует вплоть до величины, обратной своей массе. В этом смысле это взаимодействие экранируется на соответствующем радиусе, который определяется его массой. Если масса соответствует одному обратному сантиметру, значит взаимодействие будет ощущаться вплоть до расстояния в один сантиметр, если один обратный метр — то до одного метра.
Дальнодействие и масса частицы-переносчика
Обмен безмассовыми частицами-переносчиками может осуществляться на любое расстояние, поэтому такие взаимодействия называют дальнодействующими. Однако в случае массивных переносчиков это не так: рождение промежуточной частицы с массой должно согласовываться с законом сохранения энергии, для чего время между ее появлением и поглощением должно быть связано с энергией соотношением неопределенностей ΔE × Δt ⩾ ħ, где ħ — постоянная Планка. Следовательно, ограниченным оказывается время жизни частицы Δt ≈ ħ / ΔE = ħ / (m × c 2 ), за которое она успеет пройти расстояние не больше l = c × Δt ≈ ħ / (m × c). Получается, что в качестве эффективного радиуса взаимодействия, обеспечиваемого обменом массивными частицами, можно взять величину λ = ħ / (m × c), которая называется комптоновской длиной волны. Например, для Z-бозона она составляет порядка 10 -18 метров.
В обсуждаемой работе для соответствия наблюдениям на галактическом масштабе комптоновская длина волны массивного фотона должна находиться в диапазоне от 0,04 до 2 парсек, что соответствует массе на 4-6 порядков меньше, чем текущие оценки, приводимые Particle Data Group.
Кривые вращения галактик. По горизонтальной оси отложено расстояние от центра. Ожидалось, что скорость будет падать по мере удаления, но она оставалась постоянной и даже росла у некоторых галактик.
Авторы данной работы предлагают включить в рассмотрение уравнение Прока. Можно ли сказать, что такой массивный фотон аналогичен Z-бозону?
Можно сказать, что в определенном смысле аналогичен. Но в случае Z-бозона необходимо иметь в виду вот что: если вы рассматриваете рассеяние частиц с образованием Z-бозонов в ситуации, когда у вас энергия больше, чем масса Z-бозонов, то необходим хиггсовский механизм, чтобы сделать теорию, как говорят, унитарной, то есть чтобы вычисляемые вероятности были меньше единицы. Поэтому если вы хотите такую теорию с массивным фотоном рассмотреть в более широком контексте, то вам также понадобится некий механизм сокращения активного рождения таких частиц в ситуации, когда рассеяние происходит при энергиях больше их массы.
Уравнение Прока
Уравнение Прока — это обобщение уравнений Максвелла, которое позволяет описывать массивные частицы со спином 1. В Стандартной модели такими объектами являются векторные бозоны W и Z. Если рассмотреть уравнение Прока для случая безмассовой частицы, то оно переходит в уравнения Максвелла в вакууме.
С точки зрения теории поля, мог бы массивный фотон приобретать массу по механизму Хиггса?
Можно сделать и механизм Хиггса. На самом деле люди обсуждают в некотором смысле похожие идеи. Например, пусть у нас есть еще один другой фотон, у которого есть масса, обычно его называют темным фотоном. Эта масса обеспечивается механизмом Хиггса. В таком случае, если вы исследуете их рождение, то не задумываетесь о таком катастрофическом росте излучения, потому что есть хиггсовские частицы, которые все регуляризуют и этого роста нет. Тогда происходит излучение только поперечных мод, как у обычных фотонов: у них поляризация бывает круговая, влево или вправо. И вы только поперечные моды рассматриваете, так как они основные.
В то же время проблемы возникают обычно с продольными модами, если говорить об унитарности. Вот с этими модами должен что-то делать хиггсовский механизм. Но, как правило, люди говорят: мы знаем, что должен быть данный механизм, который регуляризует рождение частиц, но нам сейчас детали не важны, нам интересно исследовать другие эффекты.
Если такие массивные частицы сами по себе, свободные, то это никого не беспокоит. Но если они начинают участвовать во взаимодействии, — а, конечно, интересно, чтобы они участвовали во взаимодействии, чтобы их родить, зарегистрировать и так далее — то тогда возникают такие проблемы. Поэтому теорию надо соответствующим образом модифицировать.
Можно ли сказать, что модификации электродинамики являются активным направлением теоретической физики или это удел какой-то небольшой группы исследователей?
В таком контексте, как в данном случае про массу фотона, модификации уравнения Максвелла — это редкая вещь. Например, есть такая задача, когда обсуждают электродинамику и гравитацию, то есть ситуацию наличия одновременно больших электрических и гравитационных полей. В таком случае есть некоторые специфические решения уравнений. Можно сказать, что они несколько математические, потому что подобные условия в реальном мире редко где можно найти. Может быть, электродинамика модифицируется на планковских масштабах.
Но здесь другое, так как авторам хочется модифицировать ее на больших расстояниях. В такой постановке мотивация не очень понятна. Это редкое направление.
Считаете ли вы их мотивацию и доказательную базу сомнительными или достойными внимания?
Насколько я понял, у них не получилось в полной мере то, что они хотели. Они хотели придумать модель с массивным фотоном, в которой из-за наличия магнитного поля в Галактике появляются некие дополнительные силы. Эти силы в некотором смысле действуют аналогично гравитации. Однако если это электромагнитная сила, то она действует только на электрически взаимодействующие частицы, то есть, например, на горячий ионизованный газ. А, например, на звезды, которые в целом электрически нейтральны, действие должно быть весьма слабым.
В их модели массивные короткоживущие звезды ощущают дополнительную силу, потому что рождены в движущемся газе, а маломассивные звезды от этой динамики оказываются отделены и двигаются только в гравитационном потенциале.
Дело в том, что у нас накоплено много наблюдений за различными галактиками и звездами. С одной стороны, объяснение через темную материю позволяет единообразно все описать. С другой стороны, в Млечном Пути есть области активного звездообразования: там облака горячего газа, для которых подобный эффект может быть значим. А есть области, где звездообразование не идет, нет таких облаков газа, не на что подобным образом воздействовать. Когда-то в этих регионах был газ, но сейчас его нет, а наблюдаем мы их в данный момент, поэтому и объяснять необходимо текущую динамику. Есть еще облака нейтрального газа, которые расположены далеко, но их движение также необходимо описать. На них подобная сила тоже не должна оказывать влияния, ведь даже если какое-то электромагнитное воздействие происходит за счет диполя, то лишь очень слабенькое. При этом все эти компоненты двигаются согласованно, как будто на них действует универсальная сила, которой, как и гравитации, подчиняется все. Поэтому мне кажется, что эта идея нереалистична.
Темная материя отвечает не только за плоскую кривую вращения. Можно ли ухищрениями вроде модификации уравнений Максвелла объяснить все ее наблюдательные проявления?
Нет, конечно, но мы это и не обсуждаем, потому что там очень много всего. В этом смысле стандартные модели, такие как слабо взаимодействующие массивные частицы, удовлетворяют множеству разнообразных выдвигаемых к темной материи требований, а данная модель — нет. Поэтому про это говорить я бы не стал.
Есть ругаемая многими теория MOND — модифицированная ньютоновская динамика. Ее сторонники выдвигают гипотезу, что при очень маленьких абсолютных ускорениях порядка 10 -10 сантиметров на секунду в квадрате меняется второй закон Ньютона. В школе было F = ma, а в MOND рассматривается пропорциональность a 2 для ускорений значительно меньше некоторого порогового значения.
В рамках такого подхода удается описывать кривые вращения множества галактик. То есть MOND, в отличие от обсуждаемой модели, способен объяснить наблюдательные факты. Другое дело, что получается это не во всех галактиках, но есть и множество удачных примеров. Поэтому MOND можно назвать популярной моделью: на эту тему есть статьи, конференции, есть ученые, которые этим занимаются.
Тем не менее, темная материя — это более стандартный взгляд на данную проблему, и MOND не претендует, что он объясняет что-то еще, помимо кривых вращения. И все-таки MOND — куда более развитая и легитимная теория, чем то, что представлено в этой работе.
То есть вы стали бы доверять выводам такой концепции еще меньше, чем результатам в рамках MOND?
Да. Но хочу еще раз отметить: поскольку в рамках их модели не удалось полностью объяснить кривые вращения галактик, то и вопрос о том, доверять им или не доверять, сам собой снимается. Это обычное для науки явление: одна группа ученых предложила некую идею, другие ученые подвергли ее изучению и проверке, но в результате оказалось, что идея не работает. В данном случае сами авторы свою идею же и проверили, и сами говорят, что она не работает. Вопрос закрыт (возможно, пока не появятся новые идеи).
Субстанциональная модель фотона
Сечение фотона, распространяющегося вдоль оси . Положительный заряд вещества фотона вблизи оси обозначен знаком +, отрицательные заряды лепестков обозначены знаком – . Вращение вещества фотона приводит к винтовой пространственной конфигурации.
В рассматриваемой модели фотон, излучаемый из атома во время квантового перехода, формируется под действием электромагнитного поля атома из релятивистских праонов, являющихся составной частью динамического электрогравитационного вакуума. [1] [2] Свойства праонов, включая их массу, заряд и скорость движения, выводятся в рамках теории бесконечной вложенности материи с учётом подобия уровней материи. По отношению к нуклонному уровню материи праонный уровень материи относится так же, как нуклоны относятся к звёздам. Это означает, что все адроны и лептоны нуклонного уровня материи, а также и фотоны состоят из праонов в том или ином их состоянии. Праонная структура протона и нейтрона представлена в статьях субстанциональная модель протона и субстанциональная модель нейтрона.
Согласно субстанциональной модели электрон в атоме представляет собой объект дискообразной формы. Спин электрона появляется тогда, когда центр диска смещён относительно ядра атома и вращается вокруг ядра, в этом случае происходит излучение фотона из атома. В первом приближении весь диск заменяется точечным электроном, помещённым в центр диска и вращающимся вокруг ядра. Это даёт возможность вычислить электрическое и магнитное поля вращающегося электрона в ближней, дальней и волновой зонах для водородоподобного атома. Указанные поля действуют на релятивистские праоны вакуума, проходящие сквозь электронный диск, и заставляют их образовывать вращающуюся винтовую структуру фотона. Так у фотона возникает внутренняя периодическая волновая структура.
Фотон излучается вдоль оси электронного диска, но некоторая часть энергии в виде электромагнитного излучения уходит из возбуждённого атома по другим направлениям. Это излучение находится в фазе с колебаниями внутри фотона. Последнее может объяснить результаты опыта Юнга с малой интенсивностью света, когда наблюдается интерференция у практически одиночных фотонов. В этом случае каждый фотон проходит через ту или иную щель, а сопутствующее ему когерентное излучение из атома проходит через другую щель, давая в итоге интерференционную картину.
![~G_<<pr></p>
<p>Фотон представляет собой сложную лепестковую структуру и имеет форму длинного и тонкого вращающегося цилиндра, центральная часть которого содержит преобладающий положительный заряд, а поверхностная часть заряжена отрицательно. Предполагается, что на праонном уровне материи действует сильная гравитация, причём постоянная гравитации достигает величины >=1,752\cdot 10^>» width=»» height=»» /> м 3 •с –2 •кг –1 , получаемая из постоянной сильной гравитации с помощью соотношений подобия. В гравитационном поле со столь большой постоянной гравитации праоны фотона могут составлять достаточно жёсткую структуру для того, чтобы фотон мог, не распадаясь, преодолевать большие космические расстояния.</p>
<p>В гравитационной модели сильного взаимодействия сильное взаимодействие между частицами появляется как результат сложения электромагнитных сил, сильной гравитации и сил от полей кручения. Основными компонентами здесь являются сила гравитационного притяжения и спин-спиновая сила отталкивания. При расстояниях между частицами, меньших радиуса нуклона, возможно равновесие сил и образование таких составных объектов, как атомные ядра и даже нейтронные звёзды. [3] Таким образом, в фотоне праоны вещества имеют собственное спиновое вращение такое, чтобы возникающее поле кручения создавало давление, противодействующее действию сильной гравитации.</p>
<h3> <b>Строение фотона</b> </h3>
<p>Праоны обладают зарядом порядка <img decoding=](https://sergf.ru/sph_files/dfcdc8856af101eb75aacdaf11d29729.png)
, сопутствующую фотону, определить компоненты электромагнитного поля и поля сильной гравитации, и понять движение праонов внутри фотона в этой системе отсчёта. [2]
В системе отсчёта 
, движущейся вместе с фотоном вдоль 
лабораторной системы отсчёта 
, роль угловой скорости вращения праонов в плоскостях 
играет величина
где 
.
Угловая скорость 
существенно меньше, чем угловая скорость вращения 
электрона в атоме и угловая частота излучаемого фотона в , как следствие эффекта замедления времени. При этом в длина волны фотона равна 
, а в она становится больше и равна
что связано с эффектом сокращения продольных размеров движущихся тел в .
При мгновенном перемещении вдоль оси 
в на расстояние 
внутри фотона обнаруживается сдвиг фазы вращения лепестков на величину 
Таким образом в собственной системе отсчёта фотон представляет собой медленно вращающуюся винтовую структуру с шагом правого винта вдоль оси , равным 
. В лабораторной системе отсчёта шаг винтовой структуры фотона равен длине волны фотона . Это приводит к волновой картине движения вещества фотона и соответственно к его волновому электромагнитному полю от вращения распределённого в лепестках фотона электрического заряда. В данном случае фотон имеет круговую поляризацию.
Свойства фотона
Внутри каждого лепестка фотона предполагается достаточно плавное распределение заряда, от положительного заряда в центре до преобладания отрицательного заряда на концах лепестков. Это должно сопровождаться также плавным изменением плотности массы вдоль лепестков. В этом случае лепестки кроме отрицательных праонов содержат в себе и значительное количество положительных праонов, обеспечивая электронейтральность фотона. При этом положительные праоны сопоставляются с протонами, отрицательные праоны (праэлектроны) сопоставляются с электронами, а нейтральные праоны рассматриваются как аналоги нейтронов.
С помощью преобразований Лоренца можно пересчитать компоненты электромагнитного поля из системы отсчёта фотона в лабораторную систему отсчёта . Если в фотоне некоторый лепесток в данный момент времени ориентирован вдоль оси 
, то в данном лепестке имеется электрическое поле 
, в данном лепестке появляется магнитное поле 
и массой покоя 
, следующая:
, 
– скорость частицы на поверхности фотона, 
– фактор Лоренца движения фотона в целом. Появление связано с тем, что практически скорость частиц фотона близка к скорости света и перпендикулярна центростремительному ускорению от электрической силы, приводящей частицы во вращение.
Для фотона предполагается, что половину его энергии 
составляет энергия вращения частиц, а другая половина энергии есть суммарная энергия всех полей. При этом в системе отсчёта момент импульса фотона 
и выражается формулой, которая соответствует вращающемуся цилиндру, составленному из 
частиц:
=>L_
\omega =>\hbar \omega =>W.» width=»» height=»» />
Разделив энергию фотона на объём фотона, получим плотность энергии, которую можно приравнять к удвоенной плотности электромагнитной энергии внутри фотона:
есть Боровский радиус, времени излучения фотона 
и заряд и массу праона, можно оценить фактор Лоренца для фотона: 
у фотона ожидается в водородоподобном атоме, имеющем ядро с наибольшим количеством протонов, и для электронных переходов вблизи наименьших орбит. В этом случае на праоны возникающего фотона действуют наибольшие поля атома, передавая им свою энергию.
Расчёт показывает, что отношение потоков гравитационной и электромагнитной энергии в фотоне получается равным отношению массы протона к массе электрона. Оценка продольного магнитного поля внутри рассматриваемого фотона даёт значение 
дипольный магнитный момент фотона равен 
показывает, что для данного фотона 
, импульс 
частицы:
=p^c^+m^c^.» width=»» height=»» />
Как правило, полагают, что масса покоя фотона равна нулю, 
и тогда энергия фотона зависит только от его импульса: 
Последнее соотношение позволяет найти импульс фотона через энергию или угловую частоту фотона. Фотон же при этом должен двигаться со скоростью света 
.
В субстанциональной модели энергия фотона 
характеризует вращательную энергию частиц фотона и энергию полей внутри фотона с точки зрения лабораторной системы отсчёта . Однако фотон движется ещё со скоростью , поскольку выполняется соотношение 
достигает десятков тысяч и более.
Инвариантная масса фотона, понимаемая как инвариантная масса праонов, входящих в состав фотона, получается равной величине 
и соответствующей энергии и импульса. Однако основная доля энергии фотона, заключённая в релятивистском движении праонов, уносится вместе с ними в момент распада фотона и рассеянии его на отдельные праоны.
Можно предположить, что скорости 
потоков праонов в вакуумном поле порядка скорости света, 
. При этом фотоны движутся со скоростью объясняется тем, что праоны в фотоне не только движутся вдоль оси , перпендикулярной плоскости электронного диска в момент излучения фотона, но ещё и вращаются вокруг этой оси по некоторым спиралям. Вращение праонов зависит от частоты фотона и его энергии, что должно влиять на скорость движения фотонов
Известно, что фотон в виде гамма-кванта, имеющий энергию , превышающую удвоенную энергию покоя электрона, при взаимодействии с атомным ядром или тяжёлой заряженной частицей может создать электрон-позитронную пару в процессе рождения пар. Поскольку фотоны, адроны и лептоны предполагаются состоящими из праонов и содержат в себе частицы с зарядами разных знаков, вещество и энергия фотона имеют возможность трансформироваться в вещество и энергию пары противоположно заряженных частиц. Разделение зарядов в веществе фотона может происходить благодаря действию сильных электрических и магнитных полей вблизи нуклонов.
Будучи частицами электрогравитационного вакуума, релятивистские праоны пронизывают вещество и действуют на заряженные частицы вещества согласно модернизированной теории Фатио-Лесажа так, что между зарядами возникает электрическая сила и становится справедлив закон Кулона. [5] [1] Таким образом, концепция праонов позволяет не только понять устройство фотона и найти его массу, но и дать общее объяснение основным электромагнитным явлениям.
Ссылки
3. Федосин С. Г. Физические теории и бесконечная вложенность материи. Пермь, 2009, 844 стр., Табл. 21, Ил.41, Библ. 289 назв. ISBN 978-5-9901951-1-0.
Как фотоны воспринимают время?
У каждого есть мечта; я хотел бы дожить до рассвета, но знаю, что мне осталось менее трёх часов. Будет ночь, но это неважно. Умирать просто. Для этого не нужен свет. Так тому и быть: я умру при свете звёзд.
— Виктор Гюго
Перемещаясь со скоростью света, фотоны, испущенные Солнцем, достигают Земли примерно за 8 минут. Путь в 150 миллионов километров по пустому космосу – это не препятствие для света, но для нас это значит, что глядя на Солнце, мы видим его таким, каким оно было незадолго до этого, а не таким, какое оно в данный момент является. Если бы Солнце мгновенно исчезло прямо сейчас, мы не узнали бы об этом – ни из-за света, ни из-за гравитации – пока не прошли бы восемь минут. Но как это выглядит с точки зрения фотона? Известно, что если перемещаться со скоростью, приближающейся к скорости света, включается СТО Эйнштейна, время замедляется, а длина уменьшается. Однако же фотоны двигаются со скоростью не близкой, а равной скорости света. И насколько же тогда стареет фотон, испущенный Солнцем, к тому времени, как он достигает Земли?
Сложно будет спорить с вами, если вы интуитивно ответите «на восемь минут». В самом деле, для нас этот фотон постарел настолько. Если прогулка в магазин длиною в 0,8 км занимает у вас восемь минут, и вы пошли в магазин, вы постарели на восемь минут. Если продавец заметил, что вы идёте в магазин, для него вы также постареете на восемь минут. И если бы мы просто придерживались ньютоновского определения времени – как абсолютной величины – это же было бы правдой для всего остального. Все и везде ощущали бы, что время идёт с одной скоростью в любых обстоятельствах. Но в этом случае скорость света не могла бы оставаться постоянной.
Представьте, что вы стоите на земле и светите фонарём в одном направлении, в котором на расстоянии в одну световую секунду находится объект. Теперь представьте, что вы бежите к этому объекту, светя тем же фонарём. Чем быстрее вы бежите, тем быстрее, по вашему мнению, должен перемещаться и свет – со скоростью света, сложенной со скоростью вашего бега.
Почему это обязательно?
Представим, что у вас с собой часы, но не такие, в которых вращаются шестерёнки и перемещаются стрелки, а такие, в которых единственный фотон света отражается вверх-вниз между двумя зеркалами. Если ваши часы покоятся, фотон перемещается вверх-вниз, и секунды идут как обычно. Но если часы двигаются, то как изменится ситуация?
Очевидно, время между отражениями увеличится, если скорость света будет оставаться постоянной. Если бы время текло с одинаковой скоростью для всех, везде и в любых условиях, то скорость света могла бы быть любой, тем выше, чем быстрее кто-либо двигался. Что ещё хуже, если бы кто-то, двигаясь очень быстро, повернул бы фонарик назад, мы бы увидели, что свет почти не двигается: он почти покоится.
Но свет так себя не ведёт, и не меняет свою скорость в вакууме ни в каких ситуациях, поэтому мы знаем, что такое представление неверно.
В 1905 Эйнштейн предложил свою специальную теорию относительности, отметив, что провал эксперимента Майкельсона-Морли, а также изменение длины и скорости течения времени можно объяснить, если скорость света в вакууме будет универсальной константой, с. Это значит, что быстро движущийся наблюдатель увидит, что он прошёл более короткую дистанцию и путешствовал меньше, чем это кажется покоющемуся наблюдателю.
Космический корабль Союз, пристыкованный к модулю МКС Пирс, вернёт на землю космонавтов, постаревших чуть меньше, чем если бы они оставались на земле, благодаря релятивистскому растяжению времени.
На самом деле, после вашего похода в магазин, благодаря теории относительности Эйнштейна, ваши часы – если бы они были идеально точными и изначально совпадали с часами продавца – почти на две наносекунды отставали бы относительно часов продавца. Эффекты относительности, хотя они в обычных условиях и малы, действуют всегда.
Причина в том, что предметы не просто двигаются в пространстве, и не только перемещаются вперёд во времени. Это происходит потому, что пространство и время объединены в единую ткань пространства-времени.
Впервые до этого додумался один из учителей Эйнштейна, Герман Минковский в 1908 году, после чего он записал:
Взгляды на пространство и время, которые я хочу изложить вам, выросли на почве экспериментальной физики, и в этом их сила. Они радикальны. Следовательно, пространству самому по себе и времени самому по себе суждено исчезнуть в тенях, и только лишь объединение их двоих сохранится в роли независимой реальности.
Работает это следующим образом: все и всё сущее всегда двигаются через пространство-время, и всегда определённым образом: вы перемещаетесь на определённое расстояние в пространстве-времени, неважно, с какой скоростью вы двигаетесь относительно всего остального.
Растяжение времени слева и сокращение расстояний справа показывают, как время кажется идущим медленнее, а расстояния – укорачивающимися, при приближении к скорости света.
Если с какой-то точки зрения вы двигаетесь в пространстве быстро, то по времени вы двигаетесь медленнее: поэтому путшествие в магазин отняло у вас на 2 наносекунды меньше, чем у продавца: вы двигались через пространство быстрее его, а значит, через время вы двигались медленнее. Если по пути в магазин вы будете двигаться со скоростью, очень близкой к скорости света – около 99,9999999% от с – то для продавца прошло бы в 22 000 раз больше времени, чем для вас.
Памятуя обо всём этом, вернёмся к фотону. Он двигается не близко к скорости света, но точно со скоростью света. И все наши формулы при попытке описать поведение наблюдателя, движущегося со скоростью света, дают бесконечные ответы. Но бесконечность не обязательно означает ошибки физики – иногда она означает, что физика противоречит интуиции. Когда вы двигаетесь со скоростью света, то это значит, что:
• Вы в принципе не можете обладать массой. Если бы вы ею обладали, вы бы переносили бесконечное количество энергии. Вы обязаны быть безмассовым.
• Вы не воспримете ваше путешествие через пространство. Все расстояния по направлению вашего движения сократятся до точки.
• Вы не воспримете течение времени. Ваше путешествие покажется вам мгновенным.
Для наблюдателя на Земле свет испускается Солнцем за восемь (8:20) минут до того, как он его видит, и если бы мы могли наблюдать за путешествием фотона, он бы двигался со скоростью света всю дорогу. Но будь на борту этого фотона часы, для нас они бы показались остановившимися. Эти восемь минут для нас прошли бы как обычно, но фотон не воспринял бы течение времени.
Особенно это удивляет, когда обращаешься к удалённым галактикам Вселенной.
Свету, испущенному ими, требуются миллиарды лет, чтобы достичь нас, с точки зрения наблюдателя, находящегося в Млечном пути. За это время расширение Вселенной заставляет пространство растягиваться, и энергия испущенных фотонов заметно падает: происходит космологическое красное смещение. Но, несмотря на это удивительное путешествие, фотон вовсе не воспринимает того, что мы зовём временем: он просто испускается, а потом мгновенно поглощается, и всё путешествие происходит для него буквально мгновенно. Судя по всему, что нам известно, фотон вообще не стареет.
Модель фотона Текст научной статьи по специальности «Физика»
В статье в историческом аспекте рассматривается появление понятия фотон , введенное благодаря работам Планка, Эйнштейна, Комптона, Льюиса. Отмечается, что фотон обладает как корпускулярными характеристиками (импульс, масса, энергия), так и волновыми (частота, длина волны), которые взаимосвязаны между собой. Таким образом, фотон обладает двойственностью свойств — частицы и волны. Дается анализ описанных в литературе моделей фотона , предложенных С.М и О.С Поляковыми, Ф. М. Конаревым-Краузером, В.Г.Козловым и С.И. Червяковым, их достоинства и недостатки. Предлагается вариант модели фотона в виде двух одинаковых, но разноименно заряженных полумасс, которые одновременно совершают поступательное, вращательное и колебательное движения. Показан вывод выражения амплитуды колебания двух полумасс фотона , связанной простым соотношением с длиной волны, описываемой этим фотоном. На основании этого, делается вывод, что состояние фотона характеризуется вращательным движением его разноименно заряженных полумасс, радиус которого r равен амплитуде колебательного процесса каждой из полумасс, а описываемая разноименно заряженными полумассами окружность длиной S в развернутом виде в результате поступательного движения есть не что иное, как длина волны λ. Выводится волновое уравнение, описывающее движение фотона в виде стоячей волны, являющееся полной аналогией стационарного уравнения Шредингера для движения электрона в атоме водорода
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Александров Борис Леонтьевич
Тепло, теплота и внутренняя энергия тела
Механизм формирования и распространения волн в электромагнитной среде
К вопросу о структуре микромира
Структура электрона и теория Янга-Миллса
Фотонные процессы в связанном состоянии частиц
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
MODEL OF A PHOTON
The article examines the historical aspect of the appearance of the concept of the photon , which was introduced through the works of Planck, Einstein, Compton, Lewis. It is noted that the photon has both corpuscular characteristics (momentum, mass, energy) and wave (frequency, wavelength), which are interconnected. Thus, the photon has dual properties of a particle and a wave. The article deals with the analysis described in the literature of the photon model proposed by S.M. Polyakov and O.S. Polyakova, F.M. Konarevym-Krauzerom, V.G.Kozlovym and S.I. Chervyakov, as well as with their advantages and disadvantages. A version of the model in the form of a photon of two identical but oppositely charged half-mass, which simultaneously perform translational, rotational and vibrational motion was suggested. We have shown derivation of the amplitude of vibration of the two half-mass photon connected with simple relation with wavelength, described with this photon . On this basis, it is concluded that the state of a photon is characterized by a rotational movement of its oppositely charged half-stuff, which radius (r) is the amplitude of the oscillation process of each of the half-mass, and described by oppositely charged half-mass circumference length S in expanded form in a result of the progressive movement is the length wave l. This work displays the wave equation describing the motion of photons in the form of a standing wave which is a complete analog-independent Schrödinger equation for the motion of an electron in a hydrogen atom
Текст научной работы на тему «Модель фотона»
Научный журнал КубГАУ, №111(07), 2015 года
01.00.00 Физико-математические науки
Александров Борис Леонтьевич д.г.-м..н., профессор alex2e@vandex.ru
Кубанский государственный аграрный университет, Краснодар, Россия
В статье в историческом аспекте рассматривается появление понятия фотон, введенное благодаря работам Планка, Эйнштейна, Комптона, Льюиса. Отмечается, что фотон обладает как корпускулярными характеристиками (импульс, масса, энергия), так и волновыми (частота, длина волны), которые взаимосвязаны между собой. Таким образом, фотон обладает двойственностью свойств — частицы и волны. Дается анализ описанных в литературе моделей фотона, предложенных С.М и О. С Поляковыми, Ф. М. Конаревым-Краузером,
В.Г.Козловым и С.И. Червяковым, их достоинства и недостатки. Предлагается вариант модели фотона в виде двух одинаковых, но разноименно заряженных полумасс, которые одновременно совершают поступательное, вращательное и колебательное движения. Показан вывод выражения амплитуды колебания двух полумасс фотона, связанной простым соотношением с длиной волны, описываемой этим фотоном. На основании этого, делается вывод, что состояние фотона характеризуется вращательным движением его разноименно заряженных полумасс, радиус которого r равен амплитуде колебательного процесса каждой из полумасс, а описываемая разноименно заряженными полумассами окружность длиной S в развернутом виде в результате поступательного движения есть не что иное, как длина волны 1. Выводится волновое уравнение, описывающее движение фотона в виде стоячей волны, являющееся полной аналогией стационарного уравнения Шредингера для движения электрона в атоме водорода
Ключевые слова: ПРОТОН, НЕЙТРОН, ЭЛЕКТРОН, ФОТОН
Physics and Mathematical Sciences MODEL OF A PHOTON
Alexandrov Boris Leontievich Dr.Sci.Geol.-Min., professor alex2e@yandex.ru
Kuban state agrarian University, Krasnodar, Russia
The article examines the historical aspect of the appearance of the concept of the photon, which was introduced through the works of Planck, Einstein, Compton, Lewis. It is noted that the photon has both corpuscular characteristics (momentum, mass, energy) and wave (frequency, wavelength), which are interconnected. Thus, the photon has dual properties — of a particle and a wave. The article deals with the analysis described in the literature of the photon model proposed by S.M. Polyakov and O.S. Polyakova, F.M. Konarevym-Krauzerom, V.G.Kozlovym and S.I. Chervyakov, as well as with their advantages and disadvantages. A version of the model in the form of a photon of two identical but oppositely charged halfmass, which simultaneously perform translational, rotational and vibrational motion was suggested. We have shown derivation of the amplitude of vibration of the two half-mass photon connected with simple relation with wavelength, described with this photon. On this basis, it is concluded that the state of a photon is characterized by a rotational movement of its oppositely charged half-stuff, which radius (r) is the amplitude of the oscillation process of each of the half-mass, and described by oppositely charged half-mass circumference length S in expanded form in a result of the progressive movement is the length wave l. This work displays the wave equation describing the motion of photons in the form of a standing wave which is a complete analog-independent Schrodinger equation for the motion of an electron in a hydrogen atom
Keywords: PROTON, NEUTRON, ELECTRON, PHOTON
Основным источником различных видов энергии являются фотоны [1]. Представление о фотоне возникло в ходе развития квантовой теории. В 1900г немецкий физик Макс Планк вывел формулу для спектра теплового
Научный журнал КубГАУ, №111(07), 2015 года
излучения абсолютно черного тела, исходя из предположения, что излучение электромагнитных волн происходит определенными порциями — «квантами», энергия (е) которых может принимать лишь дискретный ряд значений, кратных неделимой элементарной порции h.
где v — частота электромагнитной волны; h — постоянная Планка ( h = 6,626-10-34 Дж-с).
Макс Планк назвал постоянную h — квантом наименьшего действия.
Развивая идею М. Планка, А. Эйнштейн высказал гипотезу, что свет не только испускается, но распространяется и поглощается в виде отдельных квантов, электромагнитная энергия которых также может быть определена по формуле
Из сопоставления формул ( 1 ) и ( 2 ) следует, что масса фотона
где с — скорость света.
В опытах американского физика А.Комптона по рассеянию рентгеновских лучей было установлено, что кванты излучения подчиняются тем же кинематическим законам, что и частицы вещества, в частности, квант излучения с круговой частотой w обладает также и импульсом
h — w _ h — v _ h 2p c l
где l — длина волны.
Окончательно в 1929 г. американским физико — химиком Г.Н. Льюисом был введен термин «фотон», что по-гречески означает «свет». Этим
Научный журнал КубГАУ, №111(07), 2015 года
частицам присущи как волновые, так и корпускулярные свойства. Можно констатировать, что фотон — одна из главнейших частиц природы, без которой не происходят не только процессы в живой органической материи, но и в неорганической. В связи с этим, очень важно понять, что он из себя представляет.
Анализ известных моделей фотона
Известна модель фотона С.М. Полякова и О.С.Полякова [2], при обосновании которой авторы привлекли для этой цели соотношение неопределенности В. Гейзенберга в виде
где h-постоянная Планка; A Е — минимальная ошибка измерения энергии, пропорциональная периоду Т электромагнитного колебания. В результате модель линейно — поляризованного фотона авторы [2] рисуют в виде электростатической конструкции, состоящей из 137 пар разноименных зарядов, находящихся на расстоянии одной длины волны друг от друга, т. е. «электрическая длина» фотона, по их терминологии, включает 137 периодов колебаний кванта электромагнитного излучения. Истоки таких выводов выявляются при детальном анализе.
При обосновании величины постоянной Планка «h» авторы воспользовались ошибочной формулой постоянной тонкой структуры в виде
1 _ 2л- e2 137 _ hc ,
опубликованной в ряде справочной литературы по физике [3 и др.], вместо правильного её выражения [4] в виде
где m-магнитная постоянная; с-скорость света; е- заряд электрона; h -постоянная Планка.
Научный журнал КубГАУ, №111(07), 2015 года
Таким образом, столь экстравагантная модель фотона, предлагаемая на основе использования ошибочной формулы, не может быть принята для дальнейшего анализа.
Известна модель фотона Ф.М. Канарева [5,6], в соответствии с которой фотон состоит из шести петель с токами, соединенными по круговому контуру и удерживающимися в едином образовании замкнутыми друг с другом магнитными полями (рис.1, б). На рис.1,а — эта модель, скоструированная немецким физиком Walter Krauzer [7] c помощью постоянных магнитов. Считается [6], что если поменять магнитные и электрические поля местами, то работоспособность модели сохранится. Таким образом, весь квант представляется частицей в форме сложного вращающегося кольца, размер которого немного больше двух длин волн фотона (рис. 1).
Рис.1. Схема модели фотона в статическом состоянии (б) — теоретическая по Ф.М.Канареву [5,6], (шесть замкнутых вихревых контуров с токами и соответствующие им магнитные поля) и (а)- смоделированная Walter Krauzer [7].
По Ф.М. Канареву, фотон обладает вращением, но волновой процесс фотона в виде вращения описывает не сама частица, а её центр массы, который не совпадает с геометрическим центром, причем смещение центра
Научный журнал КубГАУ, №111(07), 2015 года
массы фотона от его геометрического центра равно длине волны. Квант рассматривается как «скачущий игольчатый диск», который вращается, движется прямолинейно и скачет, при этом механическим аналогом его по Ф.М. Канареву [5] . «может быть колесо телеги, у которого сняли обод и остались одни спицы. Движение такого колеса будет скачкообразным, импульсным. Время от момента касания одной спицей дороги, до момента касания ее следующей спицей можно принять за период одного скачка или период одного колебания. Когда колесо, опираясь на одну спицу, переходит к касанию дороги другой спицей, то в этот момент и происходит импульсное движение, в этот момент и рождается импульс». Им рисуется такое волновое движение фотона, радиус кривизны г которого примерно равен длине волны. Математически описать такое движение, у которого радиус кривизны был бы примерно равен длине волны возможно лишь приближенно, что является существенным недостатком модели, предположенной Ф.М. Канарёвым. Кроме того модель структуры такого фотона не позволяет представить наглядно процесс образования электронно-позитронной пары из фотона высокой энергии (g-кванта), а также обосновать явление дисперсии электромагнитных волн и ряд других физических явлений.
Известна также модель фотона В.Г.Козлова и С.И.Червякова [8], удовлетворяющая, по мнению этих авторов, сформулированным требованиям для возникновения токов смещения и не противоречащая его характеристикам как элементарной частицы. Отмечается, что частицу со спином J=1/2 можно рассматривать, как «вращающийся волчок», т.е. спинор. Частице со спином J=1 соответствует вектор. Спин фотона Jф = 1. Это, по мнению авторов, позволяет представить фотон как два спинора (J
с параллельными спинами. Каждый спинор является нейтральной
античастицей с «тяжелым» ядром и «легкими» сателлитами. Обе частицы
Научный журнал КубГАУ, №111(07), 2015 года
имеют одинаковые гравитационные массы и электрические заряды «тяжелых» ядер. Такая система имеет между античастицами
эквипотенциальную плоскость, где напряженности гравитационного (HG) и электрического (НЕ) полей равны нулю (HG = НЕ = 0). Ядра античастиц заряжены разноименно, как и сателлиты, и, вращаясь в разные стороны, создают одинаково направленный спиновый момент. Система в целом является электрически нейтральной (но не магнитонейтральной) и удерживается за счет равенства сил притяжения (гравитационное и электрическое) силам электромагнитного отталкивания. Динамические гравитационные, электромагнитные поля, как и ускорение системы, возбуждают в ней электромагнитные колебания. Построенная модель фотона как материальной структуры вакуума, по мнению В.Г. Козлова,
С.И. Червякова [8], находится в строгом соответствии с такими физическими явлениями, как поляризация вакуума в электрическом поле и испускание пары античастиц из одной «точки» вещества в сильных магнитных полях.
Как видно, в модели В.Г. Козлова и С.И. Червякова [8] акцентируются особенности фотона как элементарной частицы и не уделено должного внимания описанию ее волновых свойств, так как утверждение о размерах фотона в пределах сферы Шварцшильда с rf = 3,48 •10″ м ставит под сомнение проявление волновых свойств фотона. Авторами показан возможный механизм сил взаимодействия между двумя разно заряженными массами “тяжелых” ядер фотона, но их соотношения числено не доказываются.
В настоящее время для понимания природы корпускулярноволнового дуализма электромагнитного излучения обычно указывают, что волновые свойства электромагнитного излучения проявляются в диапазоне длинноволнового излучения, а при переходе в область высокочастотного излучения (коротких длин волн), особенно спектра рентгеновских и гамма-
Научный журнал КубГАУ, №111(07), 2015 года
излучений, проявляются корпускулярные свойства. Таким образом, преобладание волновых или корпускулярных свойств электромагнитного излучения связывается с их длиной волны или частотой излучения. Но это не дает достаточно ясного ответа на вопрос природы корпускулярноволнового дуализма. Как отмечает Кл.Э. Суорц [9] , . “несмотря на многочисленные попытки, никому еще не удалось дать наглядную интерпретацию двойственной корпускулярно-волновой природы фотонов”.
Предлагаемая модель фотона
Несомненно, что электромагнитное излучение во всем диапазоне частот одновременно характеризуется как свойствами волны, так и свойствами материальной частицы. Однако проявление этих противоположных и казалось бы взаимно исключающих свойств фотонов определяется условиями постановки опыта, причем основную роль играет соотношение между амплитудой колебания электромагнитной волны или амплитудой колебания фотона около положения равновесия при полете фотона вдоль некоторой траектории его движения и промежутком между атомами и молекулами вещества, на который «волна — фотон» падает и может проникнуть или отразиться. При обосновании модели фотона необходимо помнить, что фотоны находятся в постоянном движении со скоростью света. Движение каждого фотона — это электромагнитная волна, которая характеризуется величинами напряженностей электрической и магнитной составляющих. Кроме того, нейтральный по заряду фотон, при определенных условиях может распадаться на противоположно заряженные частицы, например, гамма-квант с энергией 1,02 МэВ может распадаться на электрон и позитрон, а при встрече электрона и позитрона могут образоваться два гамма-кванта, каждый их которых обладает энергией 0,51 МэВ. Более того, известно, что в недрах Солнца при термоядерных реакциях в виде дефекта массы излучаются фотоны очень
высокой энергии и частоты (v=10 -И0 Гц), но с поверхности Солнца
Научный журнал КубГАУ, №111(07), 2015 года
излучается порядка 50% фотонов видимой части спектра (v=(4^8)-1014 Гц), т.е. низкой частоты. Надо полагать, что в процессе миграции высокочастотных фотонов из недр Солнца к его поверхности аналогичным образом происходит последовательное преобразование высокочастотных фотонов в низкочастотные по схеме: превращение частиц поля в частицы вещества и наоборот — частиц вещества в частицы поля. В связи с этим, в статье предлагается модель фотона, удовлетворяющая его противоречивым свойствам корпускулярноволнового дуализма, а именно:
1) каждый фотон состоит из двух разноименно заряженных частей одинаковой массы — полумасс, которые вместе составляют общую массу фотона гантелеобразной формы, движущихся как единая частица прямолинейно со скоростью света, одновременно совершающих вращательные движения в некоторой плоскости, и колебания, разлетаясь на определенное расстояние друг от друга и снова слетаясь (рис.2);
2) две разноименно заряженные полумассы фотона одновременно и постоянно находятся под воздействием гравитационной, электрической и магнитной сил, изменение соотношения которых при удалении и сближении двух разноименно заряженных полумасс фотона сохраняет их в состоянии поступательно-вращательного и колебательного движений, представляющего сущность волнового процесса;
3) движение каждой из полумасс фотона описывается по гармоническому закону со сдвигом фазы между ними на величину п, а в целом движение фотона представляет стоячую волну, описываемую по аналогии со стационарным уравнением Шредингера вида
V ——-2—£fij = 0, вывод которого показан ниже;
Научный журнал КубГАУ, №111(07), 2015 года
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
где mfl и Sfi — масса и кинетическая энергия i-фотона; ф — волновая функция;
Рис.2 Предлагаемая модель фотона, состоящая из двух разноименно заряженных
Для доказательства справедливости такой модели рассмотрим соотношение взаимодействующих сил между разноименно заряженными полумассами фотона в разных точках волнового процесса их движения в условиях свободного полета фотона. Если бы фотон характеризовался только поступательным и вращательным движениями, то движение его полумасс описывалось бы уравнениями вида
х = d ± АвтоЛ = d ± Ав1п(2ру1),
у = АсовоЛ = Асов(2рп1) ,
где с — скорость поступательного движения фотона (скорость света); ю, v -круговая и циклическая частоты вращательного движения фотона.
Движение фотона характеризуется еще и колебательным процессом его полумасс. Колебания разноименно заряженных полумасс фотона
эквивалентны колебаниям на пружине тела с массой m около общего
Научный журнал КубГАУ, №111(07), 2015 года
положения равновесия под действием упругих сил проявления гравитационных и электромагнитных полей, т. е. в направлении оси х
а в направлении оси у
или соответственно дифференциальными уравнениями гармонических колебаний
где k — коэффициент упругости эквивалентной символической пружины между разноименно заряженными полумассами фотона, m — масса фотона.
Решением этих дифференциальных уравнений колебательного движения разноименно заряженных полумасс фотона являются выражения вида
если принять круговые частоты вращательного и колебательного движений разноименно заряженных полумасс фотона одинаковыми, т.е. w. Тогда общий вид сложного поступательно-вращательно-колебательного движения фотона должен описываться следующими уравнениями: по координате «х» уравнением
х = d ± Asinwt • sinwt = d ± Asin wt = d ± Asin (2pvt),
Научный журнал КубГАУ, №111(07), 2015 года
а по координате «у» — уравнением гармонических незатухающих колебаний вида
Здесь под х подразумевается величина перемещения за время t, под у — расстояние между двумя разноименными зарядами полумасс фотона, а А — амплитуда или максимальное значение этой величины. Знак (+) относится к полумассе фотона, вращающейся в данный момент в направлении поступательного движения фотона, а знак ( — ) — к полумассе фотона, вращающейся в данный момент в направлении, обратном поступательному движению фотона, независимо от знака заряда полумассы фотона.
Движение центра фотона описывается простым уравнением поступательного движения материальной точки (корпускулы) вида
Если поступательное движение происходит слева направо, а вращение фотона по часовой стрелке, то верхняя полумасса фотона, независимо от заряда, всегда имеет суммарную скорость больше, а нижняя полумасса фотона — меньше, чем скорость поступательного движения фотона в целом (с). Для верхней полумассы
у = Assort ■ coswt = Acos wt = Acos (2pvt),
= 4(c + 2wA cos cot ■ sin wt )2 + (- 2wA cos cot ■ sin cot)2
= ^(c + wA sin 2wt )2 + (- wA sin 2wt )2 =
= Vc2 + 2w-A■ c■ sin2wt + 2w2A2 sin2 2wt
а для нижней полумассы:
Научный журнал КубГАУ, №111(07), 2015 года
y/(c — 2wA cos cot • sin cot)2 + (- 2wA cos cot • sin cot)2 = y/(c — wA sin 2wt)2 + (- wA sin 2wt)2 =
= V c2 — 2w- A • c • sin2wt + 2w2 A2 sin2 2wt
В моменты ортогонального расположения фотона относительно направления поступательного движения, когда полумассы разлетаются на
величину у = А, Vy = — =0, наблюдается максимальная разница в
скоростях верхней и нижней полумасс, причем
Vв — Vk = 2юАsin2юt
При горизонтальном расположении полумасс фотона А = 0 и Vх
с, поэтому наблюдается максимальное объединение полумасс фотона в одну точку (рис 2).
При наклонном расположении полумасс фотона скорости верхней и нижней полумасс определяются по формулам :
V. = у/(с + юА sin2wt )2 + (- wAsin2wt )2
VH = у/(с — юА sin 2 wt )2 + (- wA sin 2 wt )2
Научный журнал КубГАУ, №111(07), 2015 года
Причем в условиях не докрученной гантели (рис. 3, а ) векторы скоростей VB и V создают разжимающие усилия, а в условиях перекрученной гантели ( рис. 3, б ) векторы скоростей V. и V создают сжимающие усилия на полумассы фотона. Под действием этих знакопеременных усилий продолжается колебательный процесс полумасс фотона около его центра массы.
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
Рис.3. Характер взаимоотношения векторов скоростей движения верхней и нижней полумасс фотона в условиях не докрученной гантели (а) и перекрученной гантели (б).
Любой движущийся электрический заряд создает вокруг себя магнитное поле, индукция которого В прямо пропорциональна скорости его движения V и обратно пропорциональна квадрату расстояния до точки определения параметра В. Из этого следует, что для принятой модели движения, верхний заряд всегда будет создавать величину магнитной индукции поля больше, чем нижний, т.е. Вв > Вн, причем в каждом полуцикле вращения будет меняться направление магнитного поля. Этот факт является благоприятным для постоянного изменения скорости
Научный журнал КубГАУ, №111(07), 2015 года
магнитного потока ——, которая определяет появление в пространстве
самого фотона индукционного электрического тока.
Для определения амплитуды колебания разноименно заряженных полумасс фотона и её зависимости от частоты их колебания рассмотрим фотон некоторой частоты V. Если линейная скорость фотона в вакууме
всегда равна скорости света ( с =2,998 • 10 м/с ), то частота колебания фотона, т.е. частота разлета положительно и отрицательно заряженных его полумасс, должна определяться скоростью Vy их перемещения в
направлении, перпендикулярном основному направлению движения фотона. Вероятно, чем выше Vy, тем за меньший промежуток времени две полумассы фотона, разлетевшись, снова приблизятся, т.е. тем меньше длина волны этого процесса и тем выше частота. Таким образом, связь, определяющая частоту колебания фотона со скоростью Vy перемещения его полумасс в направлении, перпендикулярном основному направлению движения, вероятно должна удовлетворять некоторым граничным условиям. В первом приближении за такие граничные условия можно принять следующие:
при Vy ® c , V ® ¥ при Vy ® 0 , V ® 1
Этим условиям удовлетворяет уравнение вида
Принимая условие, что колебательный процесс движения разноименно заряженных полумасс фотона описывается простым гармоническим уравнением (16), найдем выражение для скорости движения разноименно
Научный журнал КубГАУ, №111(07), 2015 года
заряженных полумасс фотона в направлении, перпендикулярном основному направлению его движения.
= dy = -2— ■ a sin (4—У) = 2— ■ vA ■ cos| 4—vt + — ]
Следовательно, амплитуда скорости колебательного процесса
где А — амплитуда отклонения разноименно заряженных полумасс фотона от положения равновесия.
Таким образом, преобразование уравнения (25) после подстановки в него Vy = 2—A, позволяет получить
Решение этого уравнения относительно параметра «А» приводит к выражению
c2 (у2 -1) @ c = 1 2—v 2—
где l — длина электромагнитной волны фотона.
Таким образом, амплитуда колебания А есть величина обратная
волновому числу к = — , т.е. А = — .
Следовательно, амплитуда электромагнитной волны фотона А связана простым соотношением с его длиной волны и она в 2— раз меньше длины волны.
Выражение (28) можно представить как
Научный журнал КубГАУ, №111(07), 2015 года
Оно аналогично выражению для длины окружности
Исходя из этой аналогии, можно сделать вывод, что состояние фотона характеризуется вращательным движением его разноименно заряженных полумасс, радиус которого r равен амплитуде колебательного процесса каждой из полумасс, а описываемая разноименно заряженными полумассами окружность длиной S в развернутом виде, в результате поступательного движения, есть не что иное, как длина волны 1.
Таким образом, фотон представляет собой аналог гантели, т.е. две электрически разноименно заряженные полумассы, объединенные между собой гравитационными, электрическими и магнитными силами. Эта гантель все время меняется в размере, т.к. происходит колебание полумасс фотона по линии, соединяющей их центры. Одновременно происходит вращение гантели в одной плоскости, что и отражает поляризационные свойства фотона.
При одновременном вращении гантели фотона, колебании его разноименно заряженных полумасс около их оси, происходит поступательное движение фотона, когда он свободен, или движение его вокруг заряженной частицы, когда он «захватывается» ею. Таким образом, фотон одновременно находится в трех движениях — поступательном, вращательном и колебательном.
Кроме того, по механизму происходящих процессов фотон подобен электрическому колебательному контуру, в котором по гармоническому закону колеблются параметры электрического и магнитного полей, причем
эти поля смещены по фазе на p. В моменты максимального разлета
полумасс отмечается четкое разделение электрических зарядов и фотон
Научный журнал КубГАУ, №111(07), 2015 года
характеризуется электрическим полем, а в момент максимального сближения разноименно заряженных полумасс — магнитным полем, причем
сдвиг по фазе между электрическим и магнитным полями равен К.
Если справедлива принятая модель фотона, по которой две разноименно заряженные его полумассы разлетаются на максимальное
расстояние, равное ymax = 2A = —, а затем слетаются до состояния у^0, то
в соответствии с гармоническим законом колебательного процесса амплитуда колебания каждой из полумасс фотона должна поочередно принимать положительное и отрицательное значения. В принятой нами модели это возможно лишь в том случае, если представить себе, что при колебательном процессе разноименно заряженных полумасс фотона они беспрерывно меняются местами за счет вращательного движения фотона в целом, т. е. если в первый полупериод вверху находилась отрицательная полумасса, а внизу — положительная, то в следующий полупериод колебания вверху должна находиться положительная, а внизу -отрицательная полумасса фотона. Следовательно в момент максимального сближения полумасс фотона его длинная ось совпадает с направлением полета и далее происходит разлет полумасс с изменением положения зарядов в пространстве (рис.4).
В целом вид колебательного процесса фотона аналогичен процессу сложения двух встречных волн с одинаковыми амплитудами и частотами, в результате которого образуется стоячая волна (рис.4) с амплитудой
Научный журнал КубГАУ, №111(07), 2015 года