Парадокс ГЗК

Парадокс ГЗК (GZK paradox). В настоящее время в рамках стандартного подхода общепризнан лимит на величину энергии релятивистских частиц, рассеивающихся на "реликтовом микроволновом излучении", равный величине $5\cdot 10^{19}$ эВ (50 эксаэлектрон-вольт). Этот лимит получил официальное название [Предел Грайзена — Зацепина — Кузьмина][1-3]. В то же время даже на 2000-й год существовало более 20-ти событий, энергия которых превышала значение $10^{20}$ эВ[4]. Последующие уточнения точности экспериментальных погрешностей измерения каскадных лучей лишь подтвердили достоверность полученных результатов. Поэтому в дальнейшем это явление и получило название парадокса ГЗК, поскольку не вписывается в рамки стандартного подхода и объективно требует "новой физики". Поскольку поток сверхэнергетического излучения $~10^{20} \$ эВ очень мал - $1 particle/km^2/century \$ (одна частица на квадратный километр в столетие!), то в настоящее время отсутствует детальный спектр излучения, что приводит к многочисленным спекуляциям в этой области.

Основные проблемы, возникающие в связи с парадоксом ГЗК, следующие:

• Во первых, чрезвычайно затруднительно ускорять микрочастицы выше энергии $~10^{20} \$ эВ в рамках известных стандартных физических механизмов.
• Во вторых, ядра с энергией выше $5\cdot 10^{19} \$ эВ, будут интенсивно терять энергию вследствие рассеяния на микроволновом излучении (предел ГЗК). Это приводит к тому, что стандартные микрочастицы, такие как нуклоны, ядра или фотоны должны быть «рождены» внутри сферы, радиуса около 60Мпс. Но в этой области отсутствуют космические объекты, которым можно было бы приписать способность к генерации подобных микрочастиц.
• В третьих, размеры нашей Галактики достаточно малы, чтобы удерживать и ускорять микрочастицы подобных энергий в рамках известных ускоряющих механизмов. Более того, отсутствует анизотропия, связанная с галактическим диском, в которой возможно ускорение подобных микрочастиц. Поэтому, считается, что источники сверхэнергетических микрочастиц находятся за пределами нашей Галактики.

«Решение» парадокса ГЗК ищется с помощью двух подходов. В рамках первого подхода используется «новая физика»: нарушение инвариантности Лоренца, суперсимметрии, учет малой массы нейтрино, новые типии взаимодействия нейтрино с материей, и т.д. В рамках другого подхода используется предположение о существовании супертяжелых микрочастиц с массой более $~10^{21} \$ эВ, т.н. «перевернутый сценарий» развития Вселенной, в котором первичные частицы не ускоряются, а только теряют энергию с течением времени.

Пардокс ГЗК в рамках гравидинамики

В последние декады происходит бурное развитие "гравидинамики", базирующееся на т.н. гравитационных уравнениях Максвелла[5-7]. Здесь важно даже не столько то, что ОТО при слабых гравитационных полях совпадает с гравитационными уравнениями Максвелла, а то, что восстанавливается "естественный путь развития физики", как науки о Природе. Таким образом, «математическая физика» становится на свое законное место («служанки»), а ее методы по мере необходимости могут быть использованы в качестве «модели» или «теории» (например, математические уравнения Максвелла могут быть использованы, как в электродинамике, так и в гравидинамике и т.д.). Более того, те многочисленные наработки, полученные в рамках классическеой электродинамики, могут быть перенесены (с определенными замечаниями) на область гравидинамики в частности, и «чистой» механики вообще. Наконец, в рамках «восстановившейся» физики возможно решение не только парадокса ГЗК, но и более старого «парадокса отсутствия гравитационных волн», предсказанных в рамках ОТО. Действительно, в силу практически полной аналогии между электродинамическими и гравидинамическими явлениями, за исключением отсутствия разноименных «гравитационных зарядов» (гравитационная масса всегда положительна!), мы имеем полное право рассматривать «акустические механические волны», распространяющиеся в «механической среде», как «гравитационные волны» в той же среде. Основное различие между электромагнитными и гравитационными волнами состоит в том, что «физические среды» по разному влияют на распространение электромагнитных и гравитационных волн (хотя в вакууме они имеют одинаковую скорость, равную скорости света). Дело в том, что «коэффициент преломления» (относительно вакуума) физических сред для электромагнитных волн имеет малую величину (не более 4-х для кварца!), тогда как для гравитационных волн его величина почти на четыре-пять порядков выше! Резкий скачек характеристического сопротивления и коэффициента преломления при переходе от вакуума в физическую среду привел к существующему на сегодня «разграничению» на т.н. «акустические волны» (которые широко регистрируются экспериментально) и «гравитационные волны» (которые не регистрируются никакими методами даже в вакууме!).

Известно, что основным источником взаимодействия электромагнитных волн с веществом является наличие «индуцированных» электрических зарядов в волне и «металлургических» электрических зарядов в веществе. Именно малая величина различия этих зарядов (металлургических и индуцированных) и приводит к малому значению относительного коэффициента преломления вещества для электромагнитных волн. А малая величина скачка характеристического сопротивления на границе вакуум- среда в значительной мере облегчает регистрацию электромагнитных излучений живой природой и инженерными сенсорами. Таким образом, сам факт наличия биполярных электрических зарядов в Природе и является основным смягчающим фактором, способствующим созданию оптических и антенно-фидерных устройств в живой и не живой природе (мы имеем металлы, полупроводники и диэлектрики в рамках электродинамики).

Другое дело гравидинамика. К сожалению (а может скорее к счастью!) в нашем Мире отсутствуют разноименные гравитационные заряды, которые смогли бы тривиально «компенсироваться» без изменения баланса энергий (как это происходит в электродинамике с электрическими зарядами). Мы имеем только «положительную металлургическую/гравитационную массу», которая к тому же еще и однозначно связана с энергией (через квадрат скорости света!). Но, в силу эквивалентности электромагнитной и гравитационной волн, «индуцированные массы» в волне могут иметь РАЗНЫЙ знак! Более того, возникает большая проблема, с ЧЕМ должна «взаимодействовать» индуцированная масса в материальном веществе, где имеются только обобщенные электроны и ядра решетки (про газ можно скромно умолчать). Итак, по порядку. Индуцированная масса в гравитационной волне имеет порядок величины массы Планка! Именно поэтому ей как-то несподручно «взаимодействовать» с малыми массами электронов и ядер вещества (ей нужны другие масштабы масс!). Действительно, мы живем в Солнечной системе, т.е. на «планетарном уровне», где справедлив «Слабый масштаб Планка», для которого характерна масса:

$m_W=\sqrt{\alpha_W}m_P=2.89747\cdot 10^{-13} \$кг,

где $\alpha_W=1.772316723\cdot 10^{-10} \$ - счиловая постоянная этого масштаба, а $m_P=2.17645\cdot 10^{-08} \$ кг – масса Планка. Этой массе соответствует энергия - $W_W=1.625361575\cdot 10^{+23} \$ эВ. Более того, средний показатель преломления среды на планетарном уровне равен:

$n_W=\frac{1}{\sqrt{\alpha_W}}=7.511546021\cdot 10^{+04} \$,

что соответствует скорости распространения звука в среде:

$v_W=\frac{c}{n_W}=3.991088615\cdot 10^{+03} \$м/с.

Тогда, экспериментально обнаруженный сегодня «предел» сверхэнергетичных микрочастиц» можно представить в виде:

$W_{th}=W_w\cdot \frac{\alpha_S}{4}=2.965209115\cdot 10^{+20} \$ эВ,

где $\alpha_S=7.297352568\cdot 10^{-03} \$ - силовая постоянная масштаба Стони.

Таким образом, гравитационные волны (они же и акустические!) в механической среде взаимодействуют не с отдельными атомами решетки (или газа), а с своеобразными кластерами, имеющими массу порядка «минимальной массы» планетарного масштаба материи.

Смотри также

• Предел Грайзена — Зацепина — Кузьмина
• Излучение ультразвука высокоскоростными микрочастицами в жидкостях
• Удвоенно слабый масштаб Планка
• Масштаб Планка
• Масштаб Стони
• Природный масштаб

Литература

• 1. Зацепин Г. Т., Кузьмин В. А., «О верхней границе спектра космических лучей», Письма в ЖЭТФ, 1966, Т.4, № 3, 114—117.
• 2. Greisen, Kenneth (1966). «End to the Cosmic-Ray Spectrum?». Physical Review Letters 16 (17): 748–750.
• 3. R.U. Abbasi, et all. First Observation of the Greisen-Zatsepin-Kuzmin Suppression. arXive:astro-ph/0703099v2, 15 Feb 2008.
• 4. PIJUSHPANI BHATTACHARJEE. Ultra high energy cosmic rays above 10^11 GeV: Hints to new physics beyond Standard Model. PRAMANA — journal of physics, Vol. 55, Nos 1 & 2
• 5. L. Forward, Proc. IRE 49, 892 (1961).
• 6. R. M. Wald, General Relativity (University of Chicago Press, Chicago, 1984).
• 7. V. de Sabbata and M. Gasperini, Introduction to Gravitation (World Scientific, Singapore,1985).