Виртуальные частицы и темная энергия

 
   Интерес к структуре вакуума возрос после открытия американским астрономом Эдвином Хабблом красного смещения. Оказалось, что связь скорости убегания галактик и расстояния до них линейная: Закон Хаббла следует из экспериментальных наблюдений. Наблюдается красное смещение в спектрах далеких галактик, которое оказывается пропорционально удалению этих галактик от нас. Закон Хаббла является доказательством того, что наша Вселенная не статична, как казалось ранее, а постоянно расширяется. Появилась возможность заглянуть в прошлое расширяющейся Вселенной, чтобы понять, из чего все появилось. Такой взгляд в прошлое привел к ряду теорий, в том числе к доминирующей ныне теории  «Большого Взрыва». Наблюдаемая скорость расширения Вселенной соответствует возрасту Вселенной около 10-15 миллиардов лет.

  При движении в прошлое, по мере сжатия Вселенной, количество квантов излучения и атомов водорода в единице объема возрастает одинаково. Одновременно длина волны реликтового излучения сжимается вместе с пространством. Увеличивается энергия кванта и соотношение между плотностью вещества и излучения. На ранних этапах развития Вселенной излучение  доминирует, температура излучения была около 14000К.

   Вселенная в это время непрозрачна — квант света, пытающийся пересечь горячую Вселенную, будет поглощён и излучён вновь. При расширении Вселенной излучение остывает и в тот момент, когда энергия квантов снизится примерно до 3000К, ионизация прекратится. Смогут существовать стабильные атомы. Этот момент датируется примерно 380000 лет от момента Большого Взрыва.    Никакое наблюдение за очень далекими Галактиками не даст нам возможность заглянуть за предел 380000 лет. Аппроксимация в прошлое – это научный метод (замена расширения на сжатие), физически провести такой опыт невозможно и связать срок в 380000 лет с размером области, которую может занять материя в конце этого периода тоже невозможно.
 
   В 1980 году американский физик Алан Гут представил теорию космологической инфляции, которая ныне вошла составной частью в теорию Большого Взрыва. Суть теории в том, что колоссальная сгустки энергия за время в  миллионные доли секунды разлетается на миллиарды световых лет и в каждой из точек появления сгустков начинают формироваться звезды, галактики и излучения по известным нам законам с возможностью опытов и наблюдений. Аналогом инфляции является взрывная кристаллизация в перенасыщенном растворе. В теории Большого Взрыва процесс инфляции рассматривается как расширение пространства.

 Таким образом, для математиков и физиков-теоретиков выделяется промежуток 10-36 секунд после момента Большого взрыва, а для экспериментаторов и наблюдателей промежуток в 13,7 миллиарда световых лет и не менее ста миллионов галактик. В области несколько миллиардов световых лет произвольно разбросаны не менее сто миллионов сгустков, в каждом сгустке в среднем одна стомиллионная часть всей барионной материи, и одна стомиллионная часть темной материи.


   В современной Вселенной темная энергия доминирует и обуславливает ускорение расширения Вселенной, в прошлом, с большей плотностью вещества, это было не так. Переход от доминирования вещества к доминированию тёмной энергии произошел около 9 млрд. лет от Большого Взрыва. До этого момента расширение Вселенной замедлялось под действием гравитационных сил, после этого момента — стало ускоряться.

  В господствующей теории изначально сингулярность содержало вещество и темную материю. При этом отношение на темную материю приходилось 95% вещества. На протяжении начальных 9 млрд. лет  в каждом из сгустков происходил переход темной материи в темную энергию, достигнув отношения 45:50.  Далее в течение следующих 5 млрд. лет Вселенная начинает расширяться и между веществом, темной материей и темной энергией соотношение достигает современных значений 5:25:70.

   После окончания эпохи инфляции вещество начиняет собираться в более сложные формы. Появляется излучение, содержащее фотоны всех диапазонов. Фотоны сталкивается с частицами темной материи, разбивая их на все более мелкое части, и распадается на фотоны меньшей энергии и виртуальные частицы. Суммарная энергия образовавшихся фотонов и частиц равна энергии столкнувшихся фотонов. Частица темной энергии разваливается на меньшие частицы, уже не вступающие во взаимодействие с фотонами. При этом выделяется темная энергия, которая включает в себя и переносчика энергии.  Количество темной материи уменьшается.

  Количество темной энергии увеличивается, и распространятся между сгустками, заполняя все пространство ограниченное радиусом инфляции. Потоки энергии от разных сгустков складываются по правилу сложения векторов. Поскольку сгустки располагаются хаотично, возникают флюктуации в растекающейся энергии. В результате флюктуаций опять же появляются виртуальные частицы.

   Из принципа неопределенности в квантовой теории вытекает,  что  мы принципиально не в состоянии определить  энергию этой системы точнее, чем  E=h/t, где t – очень короткий промежуток времени. Из этого следует неожиданная с  точки зрения классической   физики возможность  —  кратковременного возникновения пар частиц, чтобы обеспечить другие законы  сохранения в вакууме. Масштаб времени, о  котором идет речь для виртуальной пары электрон – позитрон  t = 6x10-22 сек. Для более тяжёлых частиц это время ещё меньше, для более легких соответственно больше. Таким образом, квантовая теория приводит к представлению о вакууме, как о своеобразном «кипящем супе» постоянно рождающихся и уничтожающихся пар элементарных частиц. Эти частицы называют виртуальными.

   Умножением времени существования виртуальной частицы на скорость света определяется расстояние, которое может преодолеть виртуальная частица до своего исчезновения. Это расстояние имеет порядок диаметра ядра атома, увеличивается пропорционально атомному весу и уменьшается пропорционально увеличению энергии частицы. Виртуальные частицы перераспределяют энергию вакуума, фактически являясь переносчиками энергии. Чем больше виртуальных частиц на единицу объема, тем больше энергия вакуума.  Энергия вакуума зависит от суммы виртуальных частиц, которая представляет собой сумму гармонического ряда натуральных чисел.

   В 1740 году Эйлером было получено асимптотическое выражение для последовательной суммы  гармонического ряда, начиная с единицы. Сумма равна натуральному логарифму  n  числа членов ряда. Функция Эйлера бесконечно монотонно возрастает и обладает тем свойством, что с некоторого достаточно большого числа n приращение функции чрезвычайно мало. Функция практически не отличается от прямой линии на достаточно большом промежутке приращений. Скорость приращения есть производная от натурального логарифма 1/n.

     Несколько лет назад при быстром изменении скорости распространения света в массиве из сверхчувствительных магнетометрах физикам удалось извлечь из вакуумного квантового шума  (из поля виртуальных частиц) фотоны микроволн. Это фазовый переход количества в качество. Фотон характеризуется своей частотой, которая пропорциональна значению n. Отсюда следует, что скорости фотонов разных частот различны, эту разницу можно вычислить.

   Из ассоциативных соображений о том, что большое число виртуальных фотонов в малом ограниченном объеме соответствует очень большой энергии вакуума, можно предположить, что это число определяется соотношением времени отделения гравитационного взаимодействия 10-43 сек. ко времени отделения сильного взаимодействия 10-36 сек. в теории Большого Взрыва. В этом случае фазовому переходу соответствует число десять миллионов виртуальных частиц. Это значение есть коэффициент пропорциональности между частотой фотона и значением n.

     Далее просто определяем разницу ( 1/f1 - 1/f2 ), умножаем на  10+7  -  коэффициент пропорциональности, результат получается в долях. Чтобы получить результат в процентах – умножаем на 100. Относительно скорости фотонов  оптического диапазона, скорость фотонов радиодиапазона оказывается увеличенной на 3%, скорость фотонов гамма диапазона уменьшена на тысячные доли процента.

 В ограниченном диапазоне (оптическом) относительно скорости фотонов  зеленой части спектра оптического диапазона, скорость фотонов красной части спектра оказывается увеличенной на 0.06%, скорость фотонов фиолетовой части уменьшена на 0.04%. Скорость света самого маленького фотона (f1 = 1) возрастает вдвое. Ничто не запрещает предположить наличие диапазонов левее значения f1. В начале каждого из этих диапазонов скорость удваивается относительно конца диапазона. Математика описать может все! В том числе и объяснить инфляцию.


   Изменение скорости фотонов определяется сопротивлением «моря виртуальных частиц». Поэтому фотоны, двигаясь в вакууме, оказываются причиной флюктуацией и оставляют за собой шлейф (кильватерный поток) из виртуальных частиц. Шлейф начинается вихревой дорожкой и продолжается расширяющимся конусом исчезающих частиц. Процесс продолжается до тех пор, пока фотон не исчезнет, наткнувшись на препятствие. Фотон состоит минимум из десяти миллионов виртуальных частиц. Удержаться они могут только за счет вращения перпендикулярного направлению движения. Расширяющийся конус образует поперечную волну, обладающую круговой поляризацией.

  Препятствием может оказаться барионная материя, темная материя. Фотон сталкивается с препятствием, разваливается на более мелкие частицы, в том числе и фотоны меньшей энергии. Появляется красное смещение как сдвиг всего спектра влево в сторону меньших частот фотонов. Чем дольше путь фотона, тем больше вероятность его встречи с препятствием, приводящим к развалу фотона. У дальних галактик космологическое красное смещение выше.