О "красном смещении" в спектрах удаленных галактик (звездных систем)
О "красном смещении" в спектрах удаленных галактик (звездных систем)
Известно, что в спектрах значительно удаленных от нас галактик наблюдается смещение всех линий спектра в красную (низкочастотную) область, причем, чем дальше от нас находится галактика, тем больше это смещение. Если пойти традиционным путем, объясняя явление красного смещения эффектом Доплера, то будут сделаны (и уже сделаны астрофизиками) следующие выводы:
- все галактики удаляются от нашей;
- чем дальше от нас расположена галактика, тем больше скорость ее удаления.
Эти выводы требуют объяснения, и, так как мы привыкли верить в невероятное, то можем дать своей фантазии волю:
1. Первый вариант объяснения состоит в придании нашей галактике статуса "пупа вселенной", т.е. Большой Взрыв, возможно имевший место в начале мироздания, произошел именно у нас - потому-то все галактики и разлетаются от нас в разные стороны. Наличие же ускорения в их движении можно проигнорировать - во вселенной и без того много загадок...
2. Второй вариант объяснения более красив с точки зрения научной фантастики. Представим себе, что вселенная расширяется... это значит, что каждый кубический сантиметр пространства постепенно увеличивается в объеме. Весьма наглядной является аналогия с резиновым воздушным шариков, на поверхности которого нарисован узор. Мы надуваем шарик, и каждый элемент узора увеличивается в размерах. Если бы вместо поверхности шарика было трехмерное пространство, то получилась бы прекрасная модель расширяющейся вселенной.
Совершенно ясно, что в расширяющемся пространстве расстояние между объектами будет расти с течением времени, и чем дальше объекты будут находиться друг от друга, тем быстрее будет расти расстояние между ними. Иными словами, все галактики в нашей вселенной удаляются друг от друга за счет расширения пространства, причем удаляются с ускорением. Это, вроде бы, объясняет "красное смещение" и связывает его с эффектом Доплера.
Рассмотрим по порядку оба варианта:
1. Первый, очевидно, несерьезен, если только не ставить своей целью доказать, что Земля - колыбель мироздания. Да и ускорения в разлете галактик этот вариант не объясняет.
2. О втором варианте стоит поговорить подробнее. Философский вопрос: можно ли, находясь в расширяющемся пространстве, заметить это расширение?
Вспомним аналогию с шариком - конечно, если взять линейку и замерить расстояние между двумя точками на его поверхности, а затем надуть шарик посильнее и повторить измерение, то это расстояние увеличится... А что будет, если наша линейка нарисована на поверхности шарика?
В это случае расстояние между точками останется прежним, поскольку сама линейка также растянется. То же происходит и в пространстве - увеличивается в размерах каждый кубический миллиметр, но при этом также увеличиваются в размерах и все объекты, находящиеся в этом пространстве: звезды, планеты... Также увеличивается и длина волны электромагнитного излучения, не изменяя своей относительной длины (в наших растягивающихся вместе с пространством миллиметрах, ангстремах или любых других единицах измерений).
Ясно, что если Вселенная равномерно расширяется, то относительные внутрисистемные расстояния в ней остаются неизменными (поскольку измерительная "линейка" расширяется вместе с системой), что исключает возможность объяснения красного смещения в спектрах удаленных объектах эффектом Доплера (случай неравномерного расширения возвращает нас к первому варианту, т.е. к "пупу Вселенной").
До сих пор мы рассматривали как аксиому ту гипотезу, что красное смещение в спектрах удаленных галактик связано только со скоростями их движения, т.е. с эффектом Доплера. Очевидно, что это не так. Это по-прежнему справедливо для многих относительно близких к нам объектов - скорости их хаотического движения действительно заметно влияют на спектры излучения (сдвигая линии в спектрах то в "красную", то в "фиолетовую" сторону). Однако, в спектрах значительно удаленных галактик "красное смещение" преобладает настолько, что делает незаметным влияние эффекта Допплера.
Пожалуй, стоит призадуматься: а не действует ли здесь какой-либо другой фактор, не связанный с движением источника излучения? Если эффект Доплера ни при чем, то как объяснить столь значительное "красное смещение" в спектрах далеких внегалактических объектов?
Известно, что энергия кванта электромагнитной волны связана с его частотой следующим образом:
E = h*n
где Е - энергия кванта;
h - постоянная Планка;
n - частота.
Если по какой-то причине за время своего полета от источника в далекой галактике к нам квант потеряет часть своей энергии, то так же снизится его частота (линейно с коэффициентом h). То, что такое явление до сих пор не обнаружено в земных условиях, еще не доказывает его отсутствия - возможно, скорость затухания энергии кванта настолько мала, что проявляется лишь при прохождении им пути в десятки миллионов световых лет.
И именно это затухание энергии кванта может приводить к смещению всех спектральных линий в "красную" (низкочастотную) область.
Москва, 1996 год
P.S. Коэффициент предположительного затухания электромагнитной волны в вакууме нетрудно вычислить через постоянную Хаббла, как это и было сделано мной в самом конце моей профанации под названием "Чего не сказал Бодхидхарма или ("Основной вопрос философии")" - первую часть этого трактата можно смело пропустить, как не имеющую отношения к астрофизике.
15 июня 2002 г.
ДОПОЛНЕНИЕ 1. О нерасширяемых элементарных частицах.
Я упустил из рассмотрения возможность того, что в пространстве существуют элементарные частицы материи, которые сами не будут расширяться при расширении пространства. Также можно предположить, что они жестко связаны друг с другом (нерасширяемыми связями). Хотя оба эти предположения (особенно второе) мне кажутся несколько надуманными, я все же разберу их.
Сначала аналогия.
К поверхности надувного резинового шарика приклеена песчинка. Шарик начинают надувать - площадь его поверхности увеличивается (она "расширяется" в каждой точке), а песчинка остается на месте - ведь она приклеена и нерасширяема (по крайней мере, ее расширением можно пренебречь). Понятно, что через некоторое время песчинка отвалится (так как клей не выдержит напряжения), но это пока имеет большого значения. Главное, что продемонстрировано: "пространство" расширялось, а "частица" - нет.
Если представить, что таких песчинок - две, и что они связаны между собой (в прямом смысле - некими стержнями или нерастяжимыми нитками), то при надувании шарика частицы не будут смещаться. Понятно, что вскоре станет заметно, что поверхность шарика "провисает" между скрепленныи частицами (ведь она приклеена к ним), и вскоре шарик лопнет, или частицы - отвалятся... Впрочем, частицы действительно не будут разлетаться от расширения пространства в случае нерастяжимости связей между ними - это и должна была показать аналогия.
Теперь более подробное рассмотрение.
1. Модель.
Существуют "элементарные частицы материи" (далее ЭЧМ). Они неделимы, нерастяжимы и имеют конечный размер (много меньший, чем размер атома водорода). Не стоит путать это понятие с физическим термином "элементарная частица" - ведь протон, к примеру, может состоять из большого количества ЭЧМ.
Частицы разделены пространством. Оно - растяжимо.
Частицы связаны между собой посредством каких-то "связей" (физический смысл пока оставим).
Время изменяется равномерно и однонаприавленно.
2. Предположение.
Предположим, что пространство расширяется
3. Задача.
Установить, можно ли обнаружить расширение пространства по изменению расстояний между частицами материи в нем.
4. Решение.
Прежде всего нужно определиться, как измеряется расстояние. Можно предложить несколько способов, суть которых сводится к двум вариантам:
a) Прямое измерение сравнением с эталоном длины.
b) Косвенное определение длины посредством измерения времени прохождения некоего "зонда", движущегося с известной скоростью из точки A в точку B (в импульсной радиолокации, например, таким "зондом" является радиоимпульс). В этом случае эталоном является скорость "зонда".
В обоих случаях, для успешного обнаружения изменения расстояния между объектами из-за расширения пространства нужно быть уверенным в неизменности эталонов. Рассмотрим их по-порядку:
a) Эталон длины.
В условиях предложенной модели эталоном может быть только линейка (эталон) из элементарных частиц, пригнанных друг к другу абсолютно плотно (без малейшего "зазора пространства" между ними), или частицы линейки находятся на некотором расстоянии друг от друга, но нерастяжимо связаны между собой. В противном случае линейка будет расширяться, поскольку будет расти расстояние между ее частицами.
Если частицы связаны между собой жестко (нерастяжимо), то они не будут смещаться при расширении пространства. Значит не будут расти расстояния межлу ними. Но, также не будут расти расстояния между нуклонами, атомами, молекулами, звездами, галактиками... (ведь они сделаны из той же материи, что и линейка). Следовательно, расширение пространства не будет обнаружено.
Остается только гипотетический эталон с абсолютно плотно пригнанными между собой частицами материи. Вопрос: является ли это технически реализуемым? В любом случае, на настоящий момент времени такого эталона нет.
Выводы:
Невозможно определить расширение пространства прямым измерением, поскольку не существует эталона длины, независящего от этого расширения.
Элементарные частицы материи не могут быть нерастяжимо связаны друг с другом, так как в этом случае все макроматериальные объекты останутся неподвижными при расширении пространства. Предположение о действии жестких связей исключительно на микроуровне является совсем натянутым, но, даже если это так - нет возможности получить эталон для измерения длины.
b) Эталон скорости.
Если пустить "световой луч" из пункта A в пункт B и получить в пункте A отражение этого луча, то можно, зная скорость распространения света, определить расстояние между точками A и B. Изменение расстояния между этими точками будет определяться по запаздыванию отраженного сигнала.
Для успешного применения такого подхода необходимо, чтобы скорость света была постоянна относительно размера элементарной частицы материи. Однако, в этом случае, значение скорости света относительно координат пространства будет постоянно уменьшаться при расширении пространства. Именно это значение скорости света (относительно пространства) является для нас измеряемым (ведь размеры ЭЧМ остаются прежними, а наши "линейки" - растут). Действительно ли скорость света за пять миллиардов лет существования Земли уменьшилась в несколько раз? Сомнительно...
Кроме того, нужно принять во внимание, что свет имеет электро-магнитную природу, определенно родственную магнитному полю. Одним из свойств магнитного моля является постепенное уменьшение напряженности с расстоянием. Напряженность магнитного поля становится равной нулю только в бесконечности, а, значит, оно существует во всем пространстве (пусть и в ничтожной доле).
Является ли магнитное поле - расширяемым (то есть состоит ли оно из каких-то своих элементарных частиц), или оно нерасширяемо? Если справедливо последнее, то как может расширяться пространство, заполненное нерасширяющимся полем?
Следовательно, либо поле расширяемо и состоит из своих элементарных частиц (сейчас не важно, являются ли они ЭЧМ, или это другие частицы), либо пространство не расширяется. Чтобы учесть возможность того, что поле все же - конечно, поправлюсь: если поле нерасширяемо, то пространство также нерасширяемо в пределах действия поля - то есть в обозримой части Вселенной ).
Приходится утверждать (пытаясь найти способ измерить расширение пространства), что поле состоит из элементарных частиц, разделенных пространством, и, следовательно, растяжимо. При расширении пространства электромагнитная волна, как имеющая полевую природу, также должна "расширяться", то есть увеличивать свою длину относительно ЭЧМ (оставаясь неизменной относительно координат пространства).
Если это так, то скорость ее останется неизменной относительно координат пространства. Если же скорость света будет постоянна относительно текущих расстояний в пространстве, то, очевидно, что расширение пространства зафиксировано не будет.
Остается последний шанс: возможно, что размер элементарной неделимой частицы поля совпадает с размером кванта электромагнитной волны - тогда она не может расширяться. Однако, в этом случае придется предположить, что электромагнитная волна имеет другую природу (принципиально отличную от природы электро-магнитного поля, поскольку размеры квантов волны непостоянны и заведомо больше предполагаемого размера гипотетических "элементарных частиц поля").
Точно также, как нельзя получить запаздывание отраженного сигнала, невозможно зафиксировать эффект Допплера от излучателей, удаляющихся друг от друга из-за расширения пространства (длина волны растет относительно ЭЧМ, но постоянна относительно координат в пространстве). Спектр излучения не изменится еще и потому, что объекты неподвижны относительно координат расширяющегося пространства.
Выводы:
Невозможно определить расширение пространства косвенным измерением, поскольку не существует эталона скорости, независящего от этого расширения.
И, наконец, общий вывод.
Если пространство и расширяется, то мы не можем определить это расширение ни прямо (измерением "линейкой"), ни косвенно - за счет радиолокации или эффекта Допплера. Принципиальная возможность какого-то иного косвенного пути подтверждения гипотезы о расширении пространства остается, да и не было моей задачей опровергнуть саму идею расширения (хотя она и представляется мне надуманной).
Побочные эффекты рассуждений о расширении пространства и нерасширяемости элементарных частиц материи (необоснованные, можно назвать их домыслами).
1. Вероятнее всего, если и существуют некие ЭЧМ (элементарные неделимые и нерастяжимые частицы материи), то они должны иметь размер, стремящийся к нулю. Или, если исходить из дискретности пространства, то ЭЧМ должны иметь минимально допустимый размер, равный дискрету пространства.
2. Если пространство абсолютно пусто, то в нем нечему расширяться. Приходится предположить существования в нем хоть чего-то ("эфир", "мировые линии", "материализованная система координат" - не важно, как это назвать, так как физический смысл неясен).
3. Получается, что материя инородна по отношению к пространству (так как ЭЧМ "не содержат пространства в себе") . Выходит, что пространство "облегает" материю или "несет ее на себе". Приходится предполагать четкую границу между "материей" и "пространством" - что крайне трудно представить, а, потому, сомнительно. Создается впечатление, что имеется лишняя сущность, некое искусственное разделение неделимого.
Повторюсь, что все эти рассуждения были сделаны только ради опровержения предположения о возможности зафиксировать расширение пространства с помощью эффекта Допплера. Доказательство шло "от противного".