т.3 No 1

45

О природе метагалактического красного смещения

Согласно Вавилову, для каждого вещества характерна некоторая предельная длина волны ₀, за которой начинается резкое спадание выхода" [24, стр. 29]. Характерная кривая зависимости выхода люминесценции от длины волны возбуждающего света (по Вавилову) приведена на рис. 10.

Рис. 10 Квантовый выход люминесценции в зависимости от длины возбуждающего света (по Вавилову) [24, стр. 30, рис. 13]

На графике мы видим существенное отличие экспериментальных результатов от теоретических (пунктирная линия) в области экстремума. Отклонение от линейного закона возрастания выхода люминесценции с ростом длины волны начинается уже при /₀ 2 ; амплитуда максимума составляет 0,8 от расчётной, а спад выхода люминесценции затягивается в запрещённую область. "Резко спадающая ветвь отвечает той так называемой антистоксовой области, в которой, в нарушение правила Стокса, излучаемые кванты имеют энергию большую, чем поглощенные; добавочная энергия черпается молекулами, очевидно, за счёт их колебательной энергии" [24, стр. 31]. Это означает, что переходы между уровнями атомов вещества не столь жёстко определены, как это постулируется в квантовой теории. Возбуждение люминесценции более сродни процессу синхронизации резонансных колебаний электронов между устойчивыми орбитами, чем процессу поглощения/испускания квантов энергии. При приближении длины волны синхронизирующего ЭМ поля к ₀  возрастает влияние тепловых колебаний и ударов 2-го рода, нарушающих процесс синхронизации для части атомов вещества и тем самым уменьшающих выход люминесценции. В запретной же зоне, даже при недостаточном уровне синхронизации, в части атомов будут сохраняться резонансные колебания. Это показывает, что квантовое представление является только очень грубым символическим приближением некоторой совокупности волновых процессов, происходящих в атоме при его взаимодействии с динамическим ЭМ полем. В сравнительно простых случаях устойчивого резонансного взаимодействия квантовые соотношения даже удобны, поскольку позволяют упрощённо производить расчёты. Но когда условия взаимодействия подходят к границам неустойчивости процессов, когда синхронизация внешнего поля и резонансного колебания электронов между уровнями нарушается для части атомов, когда процессы тепловых колебаний становятся сравнимыми по влиянию с синхронизирующим внешним воздействием, мы обязаны учитывать не только и не столько постулаты квантовой механики, сколько физику процессов, описывающую баланс между синхронизирующим и десинхронизирующим влиянием на процессы в атомах вещества.

В случае разреженных газов влияние температурных флуктуаций существенно ослабляется. "В достаточно разреженных атомных парах, в которых среднее время между соударениями атомов значительно превышает среднее время данного возбуждённого состояния, выход люминесценции должен быть равен единице. Это подтверждается экспериментальными данными о выходе резонансной флуоресценции" [23, стр. 33].

В приложении описанных вкратце закономерностей к условиям межзвёздного газа, мы должны дополнительно учесть ряд важных особенностей, проанализированных нами в предыдущей части работы.

Во-первых, при столь низкой плотности частиц (0,02 - 1 частица/см³) полностью исключается возможность безызлучательных переходов. "Так как никакие процессы взаимодействия возбуждённых атомов с веществом и излучением "не успевают" произойти, практически все атомы, ионы и молекулы могут совершать переходы только "вниз", в основное состояние, излучая соответствующие кванты" [20, стр. 37]. "Тогда энергия, запасённая в метастабильном состоянии, будет в конце концов отдаваться в виде излучения "запрещённых" спектральных линий, т.е. таких линий, которые излучаются крайне редко. Так возникают линии испускания, наблюдаемые в спектрах планетарных туманностей и полярных сияний; в земных условиях эти линии до сих пор воспроизвести не удаётся" [25, стр. 353].

Во-вторых, несмотря на большую разреженность межзвёздного газа, он проявляет все свойства сплошной среды, что позволяет говорить не о взаимодействии отдельных частиц, а о взаимодействии ансамблей частиц с внешним излучением.

В третьих, низкая кинетическая температура межзвёздного газа при большом времени между соударениями способствует тому, чтобы атомы, ионы и молекулы находились на самом "низком" энергетическом уровне. Это находит своё отражение на указанном Шкловским несоответствии между цветовой температурой и очень низкой плотностью лучистой энергии. В действительности, никакого несоответствия здесь нет. Отсутствие условий для безизлучательных переходов, повышающих, как известно, тепловые колебания атомов вещества, делает наиболее вероятными переходы с максимальным излучением энергии. Поэтому возбуждённые атомы имеют высокую цветовую температуру, в то время как их собственная кинетическая температура остаётся низкой. Вся остальная энергия просто "транслируется" через атом, не повышая его тепловую энергию.

В-четвёртых, как указывалось ранее, особенностью метастабильного уровня водорода в условиях межзвёздного газа является очень малое его отличие от невозбуждённого уровня. Это способствует тому, что, несмотря на низкую кинетическую температуру газа, этот уровень остаётся достаточно "населённым", поскольку в этих условиях его энергия перехода сравнима с тепловой энергией атома. "Находящийся на верхнем уровне сверхтонкой структуры атом водорода с гораздо большей вероятностью перейдёт на нижний уровень без излучения кванта 21 см. Это будет иметь место при обычных столкновениях между атомами водорода. Для атома водорода, находящегося в облаке межзвёздного газа, промежуток времени между двумя такими столкновениями будет "всего лишь" несколько сотен лет - срок относительно ничтожный. С другой стороны, такие же столкновения будут приводить к возбуждению верхнего уровня сверхтонкой структуры. В результате установится некоторое равновесное распределение атомов по уровням сверхтонкой структуры, при котором на верхнем уровне будет атомов в три раза больше, чем на нижнем" [20, стр. 44]. Установлению указанного баланса будут способствовать не только и не столько соударения между атомами, которые происходят слишком редко, но в большей степени обмен электромагнитным тепловым излучением. Кроме того, в столь специфических условиях межзвёздного газа приобретают существенное значение индукционное влияние атомов ансамбля друг на друга.