Йохан Керн jk@sigaret.net
О возможном источнике энергии горения звёзд
Показано, что в случае предположения, что выделение энергии в звезде вызвано внешним потоком эфира, получаемая формула зависимости между светимостью и массой хорошо согласовывается с действительностью даже при больших значениях массы звёзд. Это может в корне изменить многие представления в астрономии.
1. Блуждание от энергии костра до энергии ядерных реакций
Что такое звёзды и источник энергии горения звёзд издавна интересовали людей. И всегда существовали люди, знавшие совершенно точный ответ. Сначала стало известно, что это костры небесных охотников. Позже, когда кто-то случайно из глубокого колодца увидел, что звёзды горят и днём, проблема резко усложнилась: кто станет жечь костры днём? Когда в начале 20-го века была открыта атомная энергия, у астрономов, наконец, появилась надежда объяснить древнюю загадку. Первое энергетически возможное объяснение было дано на основе реакции синтеза лёгких химических элементов [1]. Тогда уже было известно соотношение L ~ M 3,6 между массой звезды М и светимостью L (Эдингтон, 1924) для звёзд главной последовательности [2]. Хотя оно из гипотезы термоядерного источника никак не следовало, желание объявить вековечную загадку разгаданной было так велико, что на это несоответствие решили не обращать внимание. Закрывать глаза на нежелательные факты было уже “доброй традицией” официальной физики с самого начала 20-го века. Поэтому, естественно, не имела никакого значения принципиальная неустойчивость ядерных реакций. Как известно, они или практически не идут, или же возникает цепная реакция (взрыв) с почти мгновенным выгоранием способного к реакции вещества. За последние полвека настолько привыкли к мысли о том, что термоядерный синтез является источником энергии звёзд, что почти никто уже не замечает явных противоречий.
Вернёмся к соотношению Эдингтона. Единственная опора на термоядерную реакцию состоит в том, что она якобы должна начинаться при 107 °K. Поэтому температура в центре звезды должна быть равна 107 °K. Почему температура в центре всех звёзд одинакова? Неизвестно. Почему температура после начала реакции не может вырасти? Неизвестно. Почему (принципиально неустойчивая) термоядерная реакция должна протекать с постоянной интенсивностью? Неизвестно.
Уже отсутствие ответа на эти вопросы заставляет относиться к выводу Эдингтона с недоверием. Этот вывод физически явно не обоснован. Поэтому полученная формула и не применима при очень больших массах звёзд. Математическая зависимость, не основанная на физическом представлении процесса (и постулированном источнике энергии), приводит к ложным представлениям о действительности. В частности, это относится к представлению о коротком времени жизни крупных звёзд и продолжительности жизни звёзд вообще.
Мнение о том, что L ~ M 3,6, разумеется, не могло возникнуть ни в одном горячечном мозгу теоретика само по себе. Оно было обобщением результатов измерений. Только после этого под этот результат подогнали и “теорию”. При этом исходили не из количества энергии, выделяемой в звезде в соответствии с определёнными физическими представлениями, а из энергии излучения звезды. Разумеется, в случае стационарного или квазистационарного состояния звезды, это одно и то же количество. Но не надо забывать, что излучение звезды является только вторичным явлением, т.е. - следствием. Первичным же является выделение (рождение) энергии в теле звезды. Изучая естественные выделения тела, вырабатываемые в результате какого-либо (неизвестного нам) процесса, протекающего в нём, без знания потребляемых (расходуемых) материалов, необходимых для его поддержания, без изучения самого процесса, вряд ли можно придти к правильному выводу о том, сколько времени этот процесс ещё будет длиться, и сколько времени будет существовать само тело.
2. Может ли источник энергии звезды находиться снаружи её?
То, что источник энергии горения звёзд может находиться внутри звёзд, основано на представлениях о химической или ядерной энергии. Представление же о том, что источник энергии звезды может находиться снаружи, детерминисту и материалисту в наше время кажется достойным сумасшедшего. Разумеется, если не помнить, например, следующего. Необходимость объяснения дальнодействия сил тяготения, а затем и электрических сил, прямо-таки вынудила физиков к рождению мысли о существовании некоторой “передаточной” среды, названной эфиром. Свойства этой среды до начала 20-го века так и не были выяснены. Они могли бы оказаться и такими, что её наличие было бы ответственно не только за “передачу” электрических сил и сил тяготения, но и за “вечное” горение звёзд.
В начале 20-го века в физике стало довлеть мнение, что никакого эфира не существует. Однако это мнение приводит к накоплению различных противоречий и к состоянию в физике, которое некоторые уже называют кризисом [3]. В связи с наличием указанных противоречий всё большее число физиков снова обращается к идее эфира, существовавшей из некоторых соображений ещё задолго до появления теории о всемирном тяготении. После появления теории тяготения изменились только представления о свойствах эфира. На основе гипотезы о существовании эфира, представление о том, что источник энергии горения звёзд может находиться снаружи, имеет право на существование, пока не будет доказано противоположное.
Рассмотрим первое из мыслимых предположений. Пусть источник энергии горения звёзд находится внутри и является частью небесного тела. Если этот источник находится в центре тела, то надо предполагать, что он обладает (постоянной) интенсивностью, не зависящей от размеров и массы тела. Если же он располагается (распределён) во всём теле звезды, то можно исходить из того, что развиваемая мощность его пропорциональна массе. (Мы могли бы предположить, что развиваемая мощность пропорциональна, кроме того, температуре, но тогда возникает опасность, что процесс будет неустойчивым, так как возрастание температуры может вызвать возрастание скорости возрастания температуры, это, в свою очередь, вызовёт ещё большую скорость возрастания и т.д. Процесс грозит стать цепным, т.е. взрывным.) При рассмотрении стационарных процессов, у нас нет никаких оснований считать, что выделяемая энергия будет пропорциональна некоторой степени массы, большей 1. Если мы скажем, что она пропорциональна второй или третьей степени, мы должны это обосновать. Какой подходящий известный нам процесс выделения тепла может вызвать такую зависимость?
Предположим теперь, что источник выделения энергии находится снаружи - поток частичек эфира. Так как мнение об эфире и его свойствах у всех разные, автор останавливается на том предположении, которое позволило установить зависимость между силами природы [4]. В этом случае частицы эфира летят из бесконечности, и потому поток энергии должен быть пропорциональным сечению тела π
R². Åсли поток частичек взаимодействует только с поверхностью, то абсорбируемая или выделяемая энергия W опять таки пропорциональна поверхности 4πR²:|
W = СR2 |
(1), |
где С - коэффициент пропорциональности. Казалось бы, из этих соображений мы также никак не можем получить соотношение L ~ M 3,6.
Предположим, что энергия потока частичек эфира частично абсорбируется или рассеивается при прохождении через тело. Первое дополнительно возникающее предположение состоит в том, что энергия, выделяемая частичкой эфира, пропорциональна некоторому множителю, показателю рассеивания или абсорбции ka = (1 - e
-bdR), где b - коэффициент, а d – плотность тела. Т.е., предполагается, что энергия выделяется вдоль линии, по которой летит частичка эфира внутри тела. Но так мы никак не получим зависимости от массы тела М. Если же мы предположим, что энергия выделяется в конусе, вершина которого лежит в точке входа частички эфира в звезду (Рис. 1, слева), то мы уже получим линейную зависимость от массы, так как конус при определённом угле конусности представляет определённую часть объёма шара или звезды при любом радиусе. Тогда мы предположительно получим множительka = (1 - e
–bМ).Испытаем этот множитель на таблице звёзд главной последовательности по статье [5]. ( На представляемой таблице позаимствованными являются колонки 1-4 и 8-9.) Простейшая прикидка показывает, что этот множитель нам не подходит. Чтобы получить зависимость Мn от n–й степени массы М, предположим, что образующая конуса является не прямой линией, а кривой, т.е. что угол конуса, в котором абсорбируется энергия частички эфира, постоянно расширяется по мере продвижения частички эфира внутри тела звезды (Рис. 1, справа ).
Рис.1.
Объём внутри нелинейно расширяющегося конуса пропорционален уже не массе, а некоторой степени массы. Мы видим, что в теле большего радиуса объём внутри нелинейного конуса занимает относительно большую часть объёма тела по сравнению с тело малого радиуса. В результате такого процесса рассеивания энергии, частичка эфира постоянно меняет своё направление и, в зависимости от величины массы звезды, может по множеству раз оказываться в любой области тела звезды, пока, наконец, покинет её. Рассеивание становится пропорциональным не массе звезды, а степени массы. При очень больших размерах звезды практически вся энергия частички эфира передастся атомам звезды. При этом мера рассеивания или адсорбции энергии частички эфира зависит только от числа атомов (водорода) звезды, но никак не от её плотности, другими словами, является функцией её массы, а не размеров.
Итак, мы получаем множитель
|
ka = (1 - e -bf(М)) |
(2), |
где
f(M) = Mn
Испытание функции W получаемой из объединения формул (1) и (2):
|
W = CR² (1 - e-bf(M)) |
(3), |
уже при f(M) = M2 даёт сносное приближение к зависимости L ~ M 3,6 по указанной таблице звёзд главной последовательности. Этот результат показан в колонке 5. (Все добавленные автором колонки показаны синим цветом). Значительно лучшее приближение к экспериментальным данным получается при f(M) = M2,4 (колонка 6). Автор не ставил целью подобрать оптимальные значения коэффициентов b и n. Приведённые в колонках 5 и 6 цифры получены при b = 10-4. Табличные значения очень слабо зависят от изменения величины этого коэффициента. Правильное значение коэффициента b, скорее всего, можно установить только экспериментально.
Изменения показателя n сильно влияют на получаемые значения, увеличение этого показателя по сравнению со значением n = 2,4 даёт лучшие значения для средних строчек таблицы, но ухудшают верхние и нижние. По смыслу, который придаётся показателю n, он должен бы зависеть от массы звезды и изменяться в зависимости от неё. Исходя из экспериментальных данных, приведённых в таблице, легко вычислить n для каждой строки таблицы. Эти значения приведены в последней, 11-й колонке таблицы. Однако эти значения не являются монотонной последовательностью, которую следовало бы ожидать. Однако разброс этих значений при сравнении со значением n = 2,4 меньше, чем разброс соответствующего показателя функции L = M n при сравнении с принятым средним значением L = M 3,5 (предпоследняя колонка, 10-я).
На рис. 2 приведены данные расчётов в колонках 5, 6 и 9 по сравнению с экспериментальными данными колонки 4 графически.
Рис.2.
3. Преимущества предложенной формулы
Предложенная формула (3) не только более точна (кстати, её точность может увеличиться при более правильном выборе как коэффициента b, так и показателя степени n). Она даёт качественно более полную картину, так как она справедлива при больших М, когда светимость становится, как принято говорить, пропорциональна массе (это выражение не совсем верно, оно будет ниже уточнено).
Предложенная гипотеза не основывается на формуле излучения, а потому может быть верна и для очень низких температур, т.е. не только для звёзд, но и для планет.
Предложенная гипотеза позволяет не только констатировать, но и понять, почему светимость звезды при определённых размерах может быть пропорциональна 3-й и более степени массы. Она в известной степени подтверждает мнение, высказанное в статье [6] о том, что до сих пор совершенно неправильно определяли возраст звёзд и их возможное время жизни. Время жизни звезды, возможно, принципиально ничем не ограничено и её конец определяется в известном смысле случаем. Один из них – возможный термоядерный взрыв, наблюдаемый нами в виде сверхновой [6].
С увеличением массы звезды множитель (1- e-kf(M)) достигает максимума и выражение W =CR² (1- e-kf(M)) упрощается до W = CR². При этом достигается максимальная температура излучения звезды Tmax. Как известно, светимость (энергия излучения) L звезды определяется из формулы
|
L = 4πR2 σT4 |
(4), |
где T – температура поверхности, а σ - постоянная Стефана-Больцмана. Но так как в случае стационарности звезды тепловыделение в ней должно быть равно излучению, то для очень больших звёзд
4πR
2σ Tmax4 = CR²откуда следует Tmax
4=С/4π σ. .е.Tmax = (С/4π
σ)0,25Значение С в этой формуле, как было сказано выше, можно определить экспериментально.
Формула (3) справедлива и при очень больших значениях массы, но только в случае стационарности звезды. После достижения звездой максимальной температуры, при дальнейшем увеличении массы звезды будет расти её сила притяжения, а так как её температура увеличиться не может, то будет увеличиваться её плотность. Вследствие этого её размеры могут уменьшиться, и температура начнёт падать. Это, в свою очередь, может привести к ещё большему возрастанию плотности и ещё большему падению температуры и т.д.. Мы получаем уже знакомую из астрономии картину коллапса звезды. Этот коллапс будет, по-видимому, происходить очень медленно, так как звезда не может остыть мгновенно. Во время этого процесса звезда будет нестационарной, и не будет подчиняться формуле (3). Другими словами, она сойдёт с кривой главной последовательности. Можно сказать, что несоответствие кривой (3) является возможным признаком нестационарности звезды.
Более подробное описание картины коллапса требует более подробных расчётов, в которые мы здесь вдаваться не будем.
Здесь можно найти таблицу звезд главной последовательности.4. Рождение и гибель звёзд, частичное обновление вселенной
Описанная картина создаёт определённое впечатление о стандартной “биографии” звезды. Однако это впечатление будет неполным (неправильным). Звёзды появляются (рождаются) различными путями, поэтому и отклонение звезды от главной последовательности может иметь различные причины.
Один из возможных путей возникновения звёзд – путь, описанный Кантом. Это постепенное накапливание массы и, в соответствии с формулой (3) - постепенный её разогрев. Исходя из этого воззрения, и наша Земля имеет шанс превратиться в звезду. Увеличение тяготения, например, вследствие постоянного падения метеоритов, приводит к тому, что со временем тела начинают притягивать и частицы газа, и постепенно превращаются в пылающих гигантов, состоящих в основном из водорода. Но если бы это был единственный путь, вселенная уже давным-давно состояла бы только из звёзд-гигантов.
Кроме теории Канта, существует множество других теорий о рождении и гибели звёзд. Но ни одна из них не показывает кругооборота энергии и массы. А такая возможность должна быть. Вселенная вечна, а потому в среднем всегда одинакова. Вследствие этого большие звёзды должны время от времени частично или полностью распылять свою массу в пространстве. Разумеется, здесь речь идёт не о термоядерном взрыве, ибо этот процесс связан с появлением более тяжёлых элементов и потому также является одним из процессов “старения”. Нет, речь идёт о полном обновлении части вселенной. Как это может происходить?
Если бы Кант был знаком с теорией “большого взрыва”, то он, возможно, догадался бы и об этой возможности. Как бы ни противоречива была теория “большого взрыва”, она всё-таки может натолкнуть на определённые мысли.
Идею о том, что масса звезды постоянно уменьшается вследствие излучения ею энергии, по-видимому, следует забыть. Если энергия звезды приходит извне, то дефицит массы из-за этого происходить, скорее всего, не может. Но звёзды притягивают другие тела и даже межзвёздный разрежённый газ. Их масса растёт медленно, но постоянно. Можно себе представить, что самая большая звезда когда-нибудь поглотит более мелкие звёзды галактики, в которой она
находится. Выполнение этого условия необязательно, но резко упрощает рассматриваемые далее возможные события. Мы получим вместо галактики огромное одиночное небесное тело, содержащее в себе материал целой галактики, а может и нескольких галактик. Представим себе, что где-то очень далеко от него образовалось ещё одно тело сравнимой по величине массы. Совершенно случайно их скорости направлены почти точно друг к другу или стали такими под действием тяготения. (Разумеется, допустим и случай, когда их скорости направлены точно друг к другу, но такой случай ещё более редкий.) По истечении определённого времени они с огромной скоростью пролетят друг мимо друга, почти касаясь или даже слегка касаясь друг друга. Оба эти тела вращаются вокруг своих осей, лежащих в разных плоскостях, и окружены мощными полями тяготения. Но в момент пролетания друг мимо друга, между ними образуется область, в одной из точек которой гравитация будет равна нулю. Эта точка может в течение короткого отрезка времени даже находиться внутри с краю одного из этих тел. В эту точку устремится часть материала одного, а возможно и обоих этих тел. В зависимости от скорости вращения этих тел и его направления, в зависимости от вязкости материала этих тел, отрываемая часть материала может выглядеть совершенно по разному, в частности в виде струи или даже серии капель. Находясь под огромным давлением, этот материал, двигаясь в сторону точки с нулевой гравитацией, будет одновременно взрывообразно расширяться.Можно себе представить, что этот процесс будет напоминать то, что сейчас называют “большим взрывом”. С тем существенным отличием, что этот процесс физически возможен, а взрыв одиночного тела сам по себе – нет [7]. В зависимости от начальных условий, струи или капли вещества этих тел могут превращаться в галактики или в отдельные звёзды. Исходное вращение тел, а также процесс отрыва части вещества могут определять последующее вращение рождённых звёзд и галактик. Можно допустить, что иногда часть этого вещества распыляется вплоть до образования разрежённого газа. Этим завершается кругооборот массы и энергии и возвращение к начальной точке цикла. Исходные тела, уменьшившиеся в размерах, могут продолжить свой путь, снова “бесконечно” далеко удаляясь друг от друга.
Родившиеся в результате такого катаклизма звёзды, разумеется, будут сперва нестационарными. Они будут или нагреваться или охлаждаться. Если же образуются многие галактики, то очень может случиться, что эта часть вселенной будет “разбегающейся”.
Так как подобные встречи очень тяжёлых тел с последующим их взрывом возможны, то надо исходить из того, что они уже бесконечно много раз случались и будут ещё бесконечно много раз случаться. Но в видимой нами части вселенной эти события, в зависимости от их масштаба, происходят несравнимо реже, чем появление “сверхновых”. Кстати, несимметричная растянутая картина, остающаяся после взрыва некоторых сверхновых, возможно, указывает на то, что имело место подобное столкновение-взрыв (относительно малых размеров).
Источники информации:
1. Bethe, Critchfield. - Phys. Rev.54, 248, 1938.
2. Vogel, Gerthsen Physik, 18 Auflage, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg 1995, S. 590
3. . Ф. Винтерберг, Миф Эйнштейна и кризис современной физики. Доклад на конференции “Физические интерпретации теории относительности – IX”, 3-6 сентября 2004 г., имперский колледж, Лондон
4. Й. Керн, От электростатики к схеме устройства вселенной http://zhurnal.lib.ru/j/johann_k/efir.shtml
5. Главная последовательность http://www.astronet.ru:8101/db/msg/1169759/evolut
ion/hr_diagram/ms.htm6. К.Хайдаров, Энергия эфира, 2004
7. Й. Керн, О физической обоснованности некоторых идей в физике и космологии, http://www.physics.nad.ru/newboard/messages/12378.html
|
|
 |
