Фундаментальные запреты возникновения “нейтронных” звёзд, “черных дыр” и “Первичного взрыва”. Аннотация

Физика и астрономия
Жмудь А.А.
Фундаментальные запреты
возникновения “нейтронных” звёзд,
“черных дыр” и “Первичного взрыва”.
Аннотация
Показано, что известные фундаментальные физические
законы запрещают феномен “Первичного взрыва”,
образование “нейтронных” звёзд и “чёрных дыр”. При
этом формирование “Разбегающейся Вселенной”
оказывается всё же возможным, но уже как процесс
диссипации энергии.
Оглавление
1. Введение
2. Свойства свободных нуклонов, Электромагнитные и
Ядерные силы – основные факторы запрета образования
нейтронных звёзд.
3. Фундаментальные законы физики элементарных частиц и
квантовой механики – как запрет существования “черных
дыр”.
4. Диссипация энергии вместо “первичного взрыва”
Литература
1. Введение.
Гипотеза о возникновении и длительном существовании
сверхплотных космических объектов в виде нейтронных звёзд и
“чёрных дыр” возникла для объяснения существования ярких
быстропеременных звёзд [1] и связана с отсутствием насыщения
гравитационных сил.
Согласно данной гипотезе, отсутствие насыщения позволяет
силам гравитации достигнуть значений, способных вызвать коллапс
остывающих звёзд с образованием “нейтронной” звезды –
небольшого объекта с радиусом R ~ 10 - 20 км и плотностью
вещества в нём, превышающую плотность атомных ядер ρ > 1016
г/см3, уже при массе исходной звезды равной двойной массе Солнца
[2].
114
Доклады независимых авторов
2010 выпуск 15
Развитие таких представлений об эволюции звёзд привело к
появлению гипотез о существовании ещё более плотных мелких
объектов – “чёрных дыр”, содержащих внутри себя огромные массы
вещества, а также объектов, способных стать источником
“Первичного взрыва”, образовавшего видимую нами Вселенную
[2,3,4].
Однако объяснить существование быстропеременных звёзд
теория “нейтронных” звёзд в конечном итоге так и не смогла [2].
В данной работе показано, что известные в настоящее время
фундаментальные законы электродинамики, квантовой механики,
ядерной физики и физики элементарных частиц запрещают
образование нейтронных звёзд, “черных дыр” и феномен
“Первичного взрыва”.
2. Свойства свободных нуклонов, Электромагнитные и
Ядерные силы – основные факторы запрета образования
нейтронных звёзд.
Электромагнитные силы, также как и гравитационные не
проявляют эффекта насыщения. Это автоматически запрещает
возникновение сверхплотных сгустков вещества заряженных частиц,
т.к. электромагнитные взаимодействия сильнее гравитационных. По
этой причине в Астрофизике возможность существования таких
объектов не рассматривается.
Ключевым в гипотезах формирования нейтронных звезд
является момент обнуления суммарного заряда – образование облака
свободных нейтронов [2,3,4]. Однако в свободном состоянии
нейтрон может существовать не более τ ~103 сек, распадаясь на
протон и электрон с выделением антинейтрино [5]:
n → p+ + e - + ν ~ .
(1)
Соответственно, через несколько минут после обнуления заряда,
облако свободных нейтронов должно превратиться в облако
заряженных частиц, после чего возникновение нейтронной звезды
становится уже невозможным.
Предположим, что в силу каких-то процессов нейтронная звезда
сформировалась, и все нейтроны в ней попали в сферу действия
ядерных сил (Rяд ~ 10-13 см), т.е. перестали быть свободными. В
отличие от гравитационных и электромагнитных сил, ядерные силы
проявляют эффект насыщения, а на расстояниях ~ 10-14 см
становятся отталкивающими(*) [5]. Это означает, что нейтронная
115
Физика и астрономия
звезда в какой-то момент будет представлять собой огромное
атомное ядро с массовым числом равным количеству нейтронов в
ней:
АЗв = МЗв / mN,
(2)
где МЗв – масса звезды, а mN – масса нейтрона. В соответствии с
основными свойствами ядерных сил, для такого рода образования
будет энергетически выгоден процесс деления её на ядра с
массовым числом AN ~ 60. При этом должна выделиться энергия
(Рис. 1а) [5] , как минимум:
EΣ > ∆E • (АЗв / AN ) > 1055 Мэв,
(3)
где E – удельная энергия связи нуклонов, в данном случае 1 < ∆E
< 7 Мэв.
Рис. 1a. Примерный вид внутренней энергии звезды с массой 1 2 массы Солнца в зависимости от её радиуса. Зоны 1, 2 и 3
на оси R – состояния переменной светимости (периоды:
Т1 >> Т2 >>Т3).
116
Доклады независимых авторов
2010 выпуск 15
Ну, и поскольку в соответствии с основными законами ядерной
физики существование нейтрон - нейтронных пар запрещено (*), то
в каждом таком ядре примерно половина, или как минимум 1/3 всех
нейтронов должна распасться на протоны по схеме уравнения (1).
Таким образом, в соответствии с известными законами ядерной
физики и свойствами ядерных сил, нейтронная звезда не является
устойчивым образованием.
( )
* Если бы ядерные силы не имели указанных свойств, то могли бы
сами формировать точечные сверхплотные объекты из атомных
ядер.
3. Фундаментальные законы физики элементарных частиц
и квантовой механики – как запрет существования
“черных дыр”.
Допустим, что прежде чем распасться, нейтронная звезда успела
превратиться в “черную дыру” – сверхплотное массивное тело, силы
гравитации которого, не позволяют вырваться из поля её
притяжения никаким элементарным частицам, включая фотоны
[2,3,4].
Как уже показано выше, если нуклоны в такой звезде ещё
продолжают оставаться нуклонами, то с течением времени
количество протонов и нейтронов в ней должно выровняться или,
как минимум, стать одного порядка величины. При этом внутри ядра
“чёрной дыры” должны образоваться электроны, которые с одной
стороны не способны “вырваться наружу”, а с другой стороны, в
соответствии с различными законами ядерной и квантовой физики,
не могут находиться внутри нуклонов [5,6].
Данное противоречие может быть разрешено только, если
вещество внутри “чёрной дыры” в результате различных видов
распада превратилось в сгусток энергии, который, однако, в
соответствии с законами квантовой электродинамики должен иметь
распределение, сходное с распределением электростатического и
гравитационного поля (Рис. 1b) [5,6]:
Е ~ f (1/r),
(4)
где r – может быть сколько угодно большим, вплоть до
бесконечности.
117
Физика и астрономия
Полученный сгусток энергии, очевидно, должен иметь
огромный барионный заряд, а это означает, что в соответствии с
законами квантовой физики будет существовать вероятность
возникновения барионов на любом сколь угодно большом
расстоянии от него. При этом импульс возникшего бариона должен
быть направлен от центра сгустка энергии точно по радиусу,
аналогично тому, как это происходит при α распаде атомных ядер.
Таким образом, любая “чёрная дыра”, возникнув, должна в
конечном итоге неминуемо раствориться в пространстве в виде
облака разлетающихся элементарных частиц, и в частности
барионов.
Рис. 1b. Распределение энергии внутри “нейтронной” звезды
или “чёрной дыры” такой же массы в зависимости от
времени – t, ( t2 > t1 ).
4. Диссипация энергии вместо “первичного взрыва”
Итак, источник вещества с барионным зарядом, равным
количеству нуклонов нашей Вселенной, и относительно
небольшим, по звёздным масштабам, начальным радиусом, мог бы
возникнуть лишь в виде сгустка огромного количества энергии, с
распределением типа Гауссова, или аналогичного. Состояние
энергии в таком виде с одной стороны является неустойчивым, а с
другой стороны наличие барионного заряда и связанного с ним
118
Доклады независимых авторов
2010 выпуск 15
сильного гравитационного поля (глубокой потенциальной ямы –
Рис. 1а), не позволяет энергии просто “рассосаться” по Вселенной,
и в частности посредством “Первичного взрыва”. Однако, законы
квантовой механики и ядерной физики разрешают образование
элементарных частиц за пределами потенциальной ямы такого рода
в любой точке Вселенной с вероятностью пропорциональной
барионному заряду и обратно пропорциональной радиусу
потенциальной ямы - “туннельный эффект”. В результате,
первичный сгусток энергии станет превращаться в облако
разлетающихся элементарных частиц – “Разбегающаяся
Вселенная”. При этом, плотность энергии в центре сгустка будет
уменьшаться с постоянной времени τ = t2 - t1 ~ f(r/ρ) (Рис. 1b), где r
и ρ – некие эффективные радиус и плотность вещества
энергетического сгустка. Данный процесс можно охарактеризовать
как – “Диссипация энергии”. Причём даже в тех случаях, когда
постоянная τ окажется очень малой величиной, всё равно это будет
не взрыв в том смысле, как мы это понимаем сегодня – выброс
вещества из центральной точки, хотя внешне это может выглядеть
как мгновенное возникновение вещества по всей Вселенной
“как бы из ничего”.
В уменьшенном и сильно замедленном виде аналогичную
диссипацию энергии мы наблюдаем на Солнце, которое теряет
внутреннюю энергию в виде светового излучения и элементарных
частиц.
В свете сказанного, одним из возможных сценариев
возникновения нашей Вселенной могло бы быть бозонное
“высвечивание” предыдущей “Энергетической Вселенной”, в
случае,
если
наша
Вселенная
действительно
является
разбегающейся. Причём, в принципе, данный процесс к
настоящему времени может быть ещё и не закончен.
Литература
1. О. Struve, ets, Elementary Astronimy, N.Y., 1959.
2. Советский энциклопедический словарь, Москва, 1982.
3. G.S. Bisnovatyi-Kogan, "Stellar Physics”, I, II, Springer Verlag,
2001.
4. Соровская энциклопедия, Астрономия, nature.web.ru (см.
также сайт “Астронет”).
5. К.Н. Мухин, Экспериментальная ядерная физика, т.1-2,
Атомиздат, Москва, 1974.
6. Э. Вихман, Квантовая физика. Наука, Москва, 1974.
119