О красном смещении
В 1913 году американский астроном Весто Мелвин Слифер (Vesto Melvin Slipher), изучая спектры света, проходящего из десятка известных туманностей, подметил один важный аспект в полученных данных, а именно: наблюдаемая длина спектральных световых волн, излучаемых атомами удаленных галактик, несколько ниже длины спектральных волн, излучаемых теми же атомами в условиях земных лабораторий. То есть в спектре излучения соседних галактик квант света, излучаемый атомом при скачке электрона с орбиты на орбиту, смещен по частоте в направлении красной части спектра по сравнению с аналогичным квантом, испущенным таким же атомом на Земле. Слифер объяснил красное смещение эффектом Доплера и решил, что галактики должны удаляться от наблюдателя.
Следующий шаг, ведущий к убеждению в расширении Вселенной, был сделан в 1917 году, когда Эйнштейн опубликовал свою теорию Относительности [32]. Согласно теории Эйнштейна, существует множество форм, которое может принимать пространство. Одна из них - замкнутое пространство без границ, похожее на поверхность сферы; другая - отрицательно искривлённое пространство, которое бесконечно простирается во всех направлениях. Сам Эйнштейн думал, что Вселенная статична, и он приспособил своё уравнение для этого. Но почти в то же время, датский астроном Вильям де Ситтер (Willem de Sitter) нашёл решение уравнения Эйнштейна, которое предсказывало расширение Вселенной.
Работа Вильяма де Ситтера вызвала интерес среди астрономов всего мира. Среди них был Эдвин Хаббл (Edwin Hubble). Он присутствовал на конференции Американского Астрономического Общества (American Astronomical Society) в 1914 году, когда Слифер докладывал о своих оригинальных находках в движении галактик
В 1928 году в обсерватории Маунт Вильсон (Mt. Wilson) Хаббл взялся за работу в попытке соединить теорию Вильяма де Ситтера о расширяющейся Вселенной и наблюдения удаляющихся галактик Слифера.
Хаббл рассуждал примерно так: - «в расширяющейся Вселенной, вы должны ожидать удаление галактик друг от друга. И, более далёкие галактики будут удаляться друг от друга быстрее. Это должно означать, что из любой точки, включая Землю, наблюдатель должен видеть, что все другие галактики удаляются от него, и, в среднем, более далёкие галактики должны двигаться быстрее…». Он наблюдал, что в спектрах большинства галактик имеет место красное смещение, и галактики в наибольших расстояниях от нас имеют бульшее красное смещение. Хаббл взял на себя смелость интерпретировать это наблюдение как проявление эффекта Доплера, а это означало, что все наблюдаемые соседние галактики удаляются от Земли, поскольку у практически всех галактических объектов за пределами Млечного Пути наблюдается именно красное спектральное смещение, пропорциональное скорости их удаления (космологическое красное смещение).
Хаббл сопоставил результаты своих измерений расстояний до соседних галактик (по наблюдениям переменных цефеид) с измерениями скоростей их удаления (по красному смещению) и выяснил, что чем дальше находится галактика, тем с большей скоростью она удаляется. Это самое явление «разбегания» видимой Вселенной с нарастающей скоростью по мере удаления от локальной точки наблюдения и получило название закона Хаббла:
V = H* r
где V-- скорость удаления галактики от нас, r -- расстояние до нее, а H -- так называемая постоянная Хаббла. Последняя определяется экспериментально, и на сегодняшний день оценивается как равная примерно 70 км/(с·Мпк) (километров в секунду на мегапарсек; 1 Мпк приблизительно равен 3,3 миллионам световых лет). А это означает, что галактика, удаленная от нас на расстояние 10 мегапарсек, убегает от нас со скоростью 700 км/с, галактика, удаленная на 100 Мпк, -- со скоростью 7000 км/с, и т. д. И, хотя изначально Хаббл пришел к этому закону по результатом наблюдения всего нескольких ближайших к нам галактик, ни одна из множества открытых с тех пор новых, всё более удаленных от Млечного Пути галактик видимой Вселенной из-под действия этого закона не выпадает.
Итак, главное следствие закона Хаббла - Вселенная расширяется!
Однако закон Хаббла подсказал еще кое-что о природе Вселенной -- у Вселенной было начало во времени. И это весьма несложное умозаключении, если мысленно «прокрутить назад» условную кинокартину наблюдаемого нами расширения Вселенной -- и мы дойдем до точки, когда всё вещество мироздания было сжато в плотный комок протоматерии, заключенный в совсем небольшом в сопоставлении с нынешними масштабами Вселенной объеме. Представление о Вселенной, родившейся из сверхплотного сгустка сверхгорячего вещества и с тех пор расширяющейся и остывающей, получило название теории Большого взрыва, и считается наиболее удачной на сегодня космологической моделью происхождения и эволюции Вселенной.
Второе следствие закона Хаббла - теория Большого взрыва.
Закон Хаббла, помог также оценить возраст Вселенной (конечно, весьма упрощенно и приблизительно). Предположим, что все галактики с самого начала удалялись от нас с той же скоростью V, которую мы наблюдаем сегодня. Пусть t -- время, прошедшее с начала их разлета. Это и будет возраст Вселенной, и определяется он соотношениями:
V * t = r, или t = r/V
А из закона Хаббла следует, что
r/V = 1/H
Значит, измерив скорости удаления внешних галактик и экспериментально определив Н, мы тем самым получаем и оценку времени, в течение которого галактики разбегаются. Это и есть предполагаемое время существования Вселенной. По самым последним оценкам, возраст нашей Вселенной составляет около 15 миллиардов лет, плюс-минус несколько миллиардов лет.
Кроме космологического красного смещения известно понятие гравитационного красного смещения. Ослабление энергии света, излучаемого звездами с сильной гравитацией, было предсказано Джоном Митчеллом еще в 1783 году, на основе корпускулярного представления о свете. Влияние гравитации на свет исследовали в свое время Пьер-Симон Лаплас и Иоганн Георг Ван Зольднер (1801) задолго до того, как Альберт Эйнштейн в статье 1911 года о свете и гравитации вывел свой вариант формулы для этого эффекта. Эйнштейн пошел намного дальше своих предшественников и показал, что ключевым следствием из гравитационного красного смещения является гравитационное замедление времени. Это была очень оригинальная и революционная идея. Эйнштейн впервые предположил, что потерю энергии фотоном при переходе в область с более высоким гравитационным потенциалом можно объяснить через разность хода времени в точках приема и передачи сигнала. Энергия кванта электромагнитного излучения пропорциональна его частоте согласно знаменитой формуле Эйнштейна , где - постоянная Планка. Таким образом, если время для приёмника и передатчика течет с разной скоростью, наблюдаемая частота излучения, а вместе с ней и энергия отдельных квантов, тоже будет различной для приёмника и передатчика.
Открытие эффекта Мессбауэра [1] создало возможность экспериментальной проверки общей теории относительности (ОТО) в лабораторных условиях, а именно возможность показать влияние гравитационного поля Земли на частоту фотона. И такие эксперименты были проведены в 1959 году Паундом и Ребкой [21-23]. Однако результаты этих опытов вызвали большую дискуссию на страницах научных журналов.
Паунд и Ребки провели эксперимент, в котором приемник гамма-излучения был расположен на высоте Н = 22.5 м над источником (также проводился эксперимент, когда источник находился вверху, приемник внизу). Соответствующее изменение гравитационного потенциала должно было привести к гравитационному смещению спектральных линий в красную сторону на величину Z = 2.5*10-15. Сдвиг линий испускания и поглощения оказался в соответствии с теорией [21-23]
Следует отметить, что в научной литературе по ОТО существует два объяснения красного гравитационного смещения спектральных линий [30].
Сторонники первого объяснения [4,11-19] считают, что фотон обладает энергией E и, следовательно, он обладает массой . Когда фотон движется против действия гравитационного притяжения, то он совершает работу, и в результате его энергия уменьшается на величину:
.
Так как частота фотона н пропорциональна его энергии:
,
то уменьшение энергии фотона приводит к понижению его частоты:
.
И наблюдатель, находящийся выше источника излучений, обнаружит, что частота фотонов, испускаемых атомами источника и прилетевших в приемник, ниже, чем частота фотонов, испускаемых точно такими же атомами возле приемника, на относительную величину .
Сторонники второго объяснения [2,3,5-8,26-29] считают, что местное время в источнике течёт медленнее, чем в приемнике, находящемся выше, на относительную величину. Например, стандартные атомные часы в области, где гравитационный потенциал больше, будут идти медленнее, чем точно такие же часы в области с меньшим гравитационным потенциалом. Наблюдатель в верхней точке обнаружит, что все физические процессы, происходящие в нижней точке, идут медленнее, чем у него. В частности, он обнаружит, что частота фотонов, испускаемых атомами источника, меньше на относительную величину , чем частота фотонов, испускаемых точно такими же атомами возле приемника.
Во многих учебниках, научно-популярных книгах и даже монографиях по ОТО [12-19] оба эти объяснения преподносятся так, как будто это просто разные способы описания одного и того же явления. Однако простой анализ показывает, что это не так.
Предположения, которые лежат в основе этих объяснений, противоречат друг другу. В первом предполагается, что частота фотона, испущенного атомом внизу точно такая же, как и частота фотона, испущенного атомом вверху, и изменяется лишь в пути. А это, в свою очередь, означает, что скорость хода атомных часов (частота опорного генератора) внизу будет точно такой же, как и вверху. И это явно противоречит предположению, которое лежит в основе второго объяснения согласно которого скорость хода атомных часов внизу меньше, чем вверху.
Таким образом, два существующих объяснения красного смещения - это не различные взаимодополняющие способы описания одного явления. Эти объяснения явно противоречат друг другу [24, 25].
Кроме того, необходимо отметить, что проблема интерпретации красного смещения, несмотря на свою, казалось бы, логическую простоту, до сих пор актуальна. И об этом свидетельствуют статьи в журнале “Доклады академии наук” и в зарубежных журналах [27-29].
Более того, существуют публикации, в которых для объяснения гравитационного смещение спектральных линий не используют знаний общей теории относительности. Здесь гравитационное смещение спектральных линий объясняют, основываясь только на законе сохранения энергии и равенстве инертной и гравитационной масс, не используя при этом ни принцип эквивалентности, ни предположение о замедлении времени. Такой вывод красного смещения изложен, например, в [5, с.129], [10, с.34].
Учитывая, что гравитационное смещение спектральных линий не имеет до сих пор однозначного объяснения, принятого всеми физиками, предлагаю объяснение, которое, на мой взгляд, отвечает на все вопросы этого явления, в том числе о связи космологического и гравитационного красного смещения.
Начнем с того, что практически во всех исследованиях по гравитационному смещению спектральных линий, а спектральные линии свидетельствуют о таком параметре как длина волны, говорят про изменение частоты фотона, т.е. рассматривают пропорциональное соотношение между частотой и длиной волны, принимая по умолчанию соотношение (С - скорость фотона, света, н - частота фотона). При этом бесспорным считается постоянство скорости света С.
В экспериментах по излучению гамма-квантов наблюдали изменение именно длины волны и это экспериментальный факт. Причем, если приемник находился выше источника, наблюдали красное смещение спектральных линий, если приемник находился ниже источника, то наблюдали фиолетовое смещение. Коэффициент смещения при этом определяется как и для смещения в красную сторону получается со знаком “+”, а для смещения в фиолетовую сторону получается со знаком “-“ (индекс ( 0 ) - на источнике, индекс ( ` ) - на приемнике).
Однако, затем обычно выполняют ошибочное действие, подставляя в выражение для коэффициента смещения выражения
и , и получают .
Ниже будет показано, почему такое действие неверно. Кроме того, получая на приемнике спектральные линии (реальную картинку на приборе) и их смещение относительно спектральных линий источника почему-то переводят разговор на частоту и сообщают о неизменности частоты и энергии фотона при его движении в гравитационном поле.
В это же время вызывает удивление то обстоятельство, что не учитывают при этом изменение скорости света в гравитационном поле [2, 20], а “…уменьшение скорости света в гравитационном поле - это не просто теоретическое следствие, вытекающее из самого фундамента общей теории относительности. В настоящее время замедление скорости света в гравитационном поле - это экспериментально установленный факт. Начиная со второй половины 20-го века, неоднократно проводились эксперименты по измерению временной задержки радиолокационного сигнала, проходящего вблизи Солнца. Общая теория относительности предсказывает, что свет (электромагнитный сигнал), проходя вблизи Солнца, должен задерживаться примерно на 240 мкс (при радиолокации Меркурия), и эксперименты подтверждают это предсказание с точностью около 0,1%. Об этом написано, например, в 5-м томе Физической энциклопедии [9] в статье “Тяготение” …” [30]