Впервые явление сдвига спектральных линий в спектрах звёзд при спектральном анализе было замечено французом И. Физо в 1848 году и он предложил это явление объяснить с помощью эффекта Доплера. Суть явления проста: чем больше смещение в красную сторону в спектрограмме объекта, тем быстрее удаляется от нас объект. Вообще, при удалении свет от объекта «краснеет», а при приближении «сдвигается» в фиолетовую сторону. Красное смещение есть и у целых галактик. Благодаря красному смещению было открыто вращение галактик. С одного края свет от галактики смещается в красную сторону, с другого — в фиолетовую. Соответственно, она вращается! Далёкие галактики имеют большее смещение, нежели близкие, и величина его растёт пропорционально расстоянию. Следовательно, чем дальше галактика — тем быстрее она удаляется от нас. Красное смещение, в соответствии с теорией относительности, рассматривается в концепции расширения пространства. Смещение это также вызвано и расширяющимся пространством, и собственным движением галактик. Объясняется все просто: за время путешествия в космосе света от источника до нас, происходит еще и расширение пространства. Как следствие, расширяется и длина волны от источника во время своего пути. При двукратном расширении пространства, длина волны тоже увеличится вдвое.
Расширение пространства
Красное смещение – индикатор расширения Вселенной. В процессе расширяющегося пространства, галактики увеличивают расстояния между собой, но их координаты остаются прежними. Этот процесс можно уяснить, если представить, что пространство – это резиновый шарик, на который «приклеены» галактики. При её сферичной форме, расстояния между объектами будут расти во всех точках при надувании шарика. Только вот центра, от которого происходит удаление, не будет. Но тогда должны изменяться линейные размеры и внутри Солнечной системы. Из этого следует, что должно изменится и значение эталона длины – метра. Тогда получается, что количество метров до удалённых объектов всегда остаётся прежнее, и возможности для измерения расширения пространства нет.
Красное смещение и квазары
Х. Арп, один из первооткрывателей квазаров, предполагает, что эти объекты обладают собственным, внутренним, красным смещением. Оно не зависит от удаления объекта. Квазары-достаточно маленькие объекты в космических масштабах. Но если красные смещения верны в свете закона Хаббла, то и расстояния до них, и их массы, да и скорости их удаления будут иметь громадные величины.
«Старение» света
Некоторые астрономы подвергают сомнению теорию красного смещения, вернее, вывода, что его природа заставляет галактики обязательно разбегаться, да ещё с фантастическими скоростями. Была выдвинута идея, что свет, из-за чрезвычайно долгого путешествия сквозь разреженный газ межгалактического пространства, краснеет. Это происходит из-за потери спектром коротких волн, и туманности становятся краснее, хотя линии спектра не смещаются. Но красное смещение подразумевает именно этот процесс. Возможно, свет, бесконечно долго путешествуя во Вселенной, теряет часть своей энергии. Из-за этого происходит удлинение волн, порождающее красное смещение, но не связанное с разбеганием галактик. Однако, эта теория ещё не нашла подтверждения, никто еще не смог доказать, что свет каким-либо образом может терять энергию. Да и куда эта энергия девается — большой вопрос. На примере квазаров видно: чем они дальше от нас, тем больше их красное смещение, и как говорилось, соответственно, больше их скорость удаления.
Что такое «Красное смещение» и почему оно так важно для астрофизиков и космологов
Нередко различные области науки или даже разные науки оказываются между собой причудливо переплетены, и открытие сделанное в одной из них совершенно неожиданно помогает объяснить непонятный эффект в другой.
Австрийский физик Кристиан Доплер был несомненно человеком наблюдательным, но и до него множество людей смотрели на волны на поверхности воды. Однако только этот ученый обратил внимание на то как меняется частота волн в зависимости от приближения или удаления их источника относительно наблюдателя.
Особенно ярко можно заметить эффект Доплера, если стоять возле железнодорожного полотна в момент проезда мимо поезда. Как только состав проносится мимо наблюдателя, звук им издаваемый становится ниже. То же самое можно сказать и относительно движущегося автомобиля.
Обнаруженный Доплером эффект оказался справедлив и для электромагнитных волн, частным случаем которых является видимый свет. Как известно из курса школьной физики, с помощью призмы (или взвеси жидкости) белый луч можно разложить на составляющие цвета — получится радужная полоска от фиолетового до красного (или всем нравящаяся радуга).
Различные звезды, в том числе и наше Солнце, испускают свет непрерывного спектра от фиолетового до красного. Но в их атмосферах присутствуют разные элементы, которые поглощают некоторые волны строго определенной длины (частоты), что при разложении света в спектр видится черной полоской. Поскольку различных элементов в атмосферах звезд обычно не так и мало, то и полосок (линий поглощения) на спектре оказывается соответствующее количество, причем каждая полоска в строго регламентированном месте.
Но картина меняется, если источник света движется относительно наблюдателя. Еще в 1848 году известный французский физик Арман Физо указал, что эффект Доплера имеет место и для видимого света, а также сделал расчет для Венеры. Француз указал, что при удалении источника света от наблюдателя, спектральные полоски (сохраняя свой порядок) дружно смещаются к красной части спектра, а если источник света движется навстречу наблюдателю, то происходит такое же смещение к фиолетовому краю.
Однако только в 1868 году указанное красное смещение было обнаружено в спектральных полосках звезд, ранее это не удавалось из-за несовершенства астрономического оборудования. В 1912 году американцы на горе Вильсон установили большой телескоп, с помощью которого началось масштабное изучение смещения спектральных полосок в спектре не только звезд, но и галактик.
Буквально за 2 года удалось установить, что у большинства галактик спектральная полоска смещена в красную сторону, то есть почти все галактики от нас удаляются. Правда та же Туманность Андромеды к нашей галактике приближается, но это, скорее, исключение.
В 1929 году Эдвин Хаббл сообщил миру об открытии связи между расстоянием до галактики и величиной красного смещения. По современным измерениям, лучевая скорость галактик увеличивается примерно на 75,5 км/сек на каждый мегапарсек.
Таким образом, галактики ускоренно разбегаются, а Вселенная постоянно расширяется. На данный момент красное смещение считается одним из главных доказательств теории Большого взрыва.
Ни по одной теме физики нет такого количества материалов, как по теме Большого взрыва. Обилие материалов уживается с их противоречивостью. Честно сказать, боялся касаться этой темы. Не знал – с какого краю к ней подступиться. Но понимал, что «трогать за вымя гражданина Корейко» рано или поздно придётся. Тема Большого взрыва соприкасается с самым таинственным, самым сакральным явлением – сотворением нашего мира. Или не было акта творения, и мир существовал всегда в том виде, в котором видим сегодня? Никто на этот вопрос ответить однозначно не сможет. Для значительной части учёных факт Большого взрыва не вызывает сомнений. Но есть учёные, вполне авторитетные и заслуженные, которые опровергают факт Большого взрыва, мол, можно обойтись и без него. Даже христианская церковь смирилась с идеей Большого взрыва, как с Божественным актом моментального творения всего из ничего. Но это от отчаяния. Разум же не может смириться с подобным фокусом Создателя. Физический мир материален, в нём работают законы, существует причинность. К сожалению, я не владею языком математики. Мне нужно попытаться изложить свои мысли обычным языком, но так, чтобы стать убедительным. И чтобы потом эти мысли можно было бы проверить математикой. Простите за банальность, но в науке физике сначала должна идти физика, а уж потом – математика, как проверка и подтверждение.
Задолго до открытия Эдвина Хаббла, на свет появилась Общая теория относительности Альберта Эйнштейна (1915 г.), новая теория гравитации. В теории автор выводит ряд уравнений, требующих своего нетривиального (оригинального) решения. В 1922 году российский математик Александр Фридман нашел несколько решений уравнений, показывающих, что в любом случае плотность материи вселенной не может быть статичной: материя либо расширяется по радиусу вселенной, либо сжимается, либо пульсирует (сжимается и расширяется по радиусу вселенной). До Общей теории относительности у Эйнштейна в 1905 году появилась Специальная теория относительности, где автор отбрасывает представления о материальном эфире и оставляет в качестве материи лишь электроны, движущиеся относительно друг друга, и ими излучаемый свет. Всё! Представление о протонах появится лишь в 1919 году. Вот с таким ничтожно малым набором физических ингредиентов Эйнштейн взялся за решение проблемы гравитации. Что оставалось делать? Толковать гравитацию не как силу взаимодействия материальных объектов (единой среды, тел), а как кривизну пространства-времени. Появилась достаточно логичная, стройная теория, сугубо математическая, но где в математику удалось внедрить физические реалии в виде тензора энергии-импульса, подразумевающую массу, которая и «искривляет» пространство-время. Получился невероятный симбиоз математики и физики, который до сих пор не могут переварить даже сами учёные. Они не понимают здесь смысла, хотя теория странным образом работает, даёт результаты!
Попробуем коротко разобраться со смыслом. Где пространство соединяется со временем – там кончается математика и начинается физика. Потому что симбиоз пространства и времени есть динамика, движение, и только движение, ничего другого! Двигаться в физике может только материальный объект (частица, тело) или среда (совокупность частиц, поле). Всякое движение есть энергия. Энергия не берётся ниоткуда и не уходит в никуда. Чтобы нам что-то двинуть – нужно затратить энергию. Какая сила, какая энергия двигает с ускорением падающее на землю тело? Эйнштейн говорит, что это вовсе не сила, а кривизна пространства-времени (в переводе на язык физики – изменение движения, градиент силы, градиент энергии). На самом же деле вот этот градиент силы – есть градиент плотности и давления материальной среды, которую упразднил Эйнштейн! Сегодня эта среда зовётся квантовым физическим вакуумом. Среда эта обладает невероятной плотностью и давлением (энергией движения). В сущности, это бесконечный резервуар энергии движения, который сохраняет наш физический мир в единстве, в целости. Физики прошлого не были так глупы, чтобы не понимать фундаментальность динамики в материальных средах. В девятнадцатом веке австрийский учёный Генрих Шрамм, а в России – Николай Умов, развили целую теорию о движении энергии в телах и средах, где константой скорости была выбрана скорость света в эфире. Шрамм вывел формулу эквивалентности энергии и массы через квадрат скорости света, а Умов дал формуле дополнительное обоснование. Потом эти идеи получили развитие в трудах других учёных. Во всей красе формула эквивалентности «всплыла» в 1905 году, в работах А. Эйнштейна. На самом деле смысл формулы Шрамма-Умова намного глубже, чем думал Эйнштейн и его последователи. Дабы соблюдался закон сохранения живой силы (энергии движения), поток вектора Умова-Пойтинга, втекающий в некоторую замкнутую область, всегда равен вытекающему потоку. В сумме их живая сила (энергия движения) равна нулю. Достаточно в эту картинку внести идею колебательной динамики, где происходят радиальные колебания плотности элементов поля в пределах условной сферы, как мы получим модель частицы протон: продольные радиальные осцилляции элементов поля, где фаза сжатия сменяется фазой расширения (дыхание вакуума). Сингулярность в центре условной сферы – лишь фаза в колебании, а не застывшее во времени состояние. Подобный радиальный осциллятор порождает вокруг себя постоянное волновое поле такой же природы. Решения уравнений ОТО Александром Фридманом говорят как раз об этом. В среде квантового вакуума не может быть статичных состояний, лишь – колебательная динамика сжатий и расширений. Релятивистский интервал в пространстве-времени Минковского обозначается как s в квадрате. Мне думается, что правильней интервал представлять в кубе (третья степень), или, может быть, даже в удвоенном кубе (шестая степень). Тогда, вероятно, легче будет найти общий язык между квантовой теорией поля и полевой теорией гравитации. Надо добавить, что эта квантовая динамика среды связана с термодинамикой, с её энергиями лишь опосредованно, в развитии форм движения. То есть квантовая колебательная динамика к нынешней надуманной идее Большого взрыва никакого отношения не имеет. В отличие от термодинамики, где стрела времени имеет только одно направление, в квантовой колебательной динамике время обратимо. Сумма прямых и обратных движений равна нулю. Как уже не раз говорил ранее, здесь основа законов сохранения в физическом мире и исток симметрии. Вселенная – это спектр амплитуд дыхания вакуума. Но вселенных может быть множество.
Протон, являясь трёхмерным продольным устойчивым колебанием среды, при рождении обретает инерционную массу. Чтобы изменить его положение в пространстве – нужно приложить силу. Протон – это та частица, которая противостоит колоссальной плотности и давлению квантового вакуума. Когда такие частицы со своими волновыми полями собираются в тела, в массу, то эти тела изменяют, деформируют плотность окружающего квантового вакуума, создавая вокруг себя градиент плотности и давления. Это то, что мы называем гравитационным полем. Минимум плотности и давления вакуума – на поверхности тела и в ближайших недрах. С удалением от тела плотность и давление вакуума пропорционально растут. Гравитация есть не притяжение, а выдавливание с ускорением более лёгких тел в направление минимума плотности и давления квантового вакуума. Квантовый вакуум в звёздных системах, в центрах галактик, можно назвать горячим вакуумом. Квантовый вакуум далеко от галактик, в межгалактических областях, можно назвать холодным вакуумом, где плотность и давление его максимальны. Свет далёких галактик, проходя сквозь этот холодный плотный вакуум, теряет свою энергию, длина волны увеличивается, свет «краснеет». Возникает эффект доплеровского красного смещения. И чем дальше от нас галактика, тем «покраснение» света больше. Никакого ускоренного разбегания галактик нет. Хотя движение галактик существует всегда и везде. Но это инерционное движение, полученное при возникновении звёздных островов, как инерционное движение планет вокруг центрального светила. Холодный вакуум межгалактических областей и есть та пресловутая тёмная материя и тёмная энергия, о которой там много говорят в последние годы. Идея Большого взрыва – экстраполяция на основе неверных знаний о природе и эволюции материи во вселенной. В сущности, материя – одна. Но формы её движения, формы динамик очень разнообразны: от простой колебательной динамики дыхания вакуума до мыслящего мозга человека. Мироздание может оказаться более фантастичным, чем нам кажется. Вселенных может быть множество, разного диаметра; не только статичных по месту в пространстве космоса, но и блуждающих…
Мысль о том, что «красное смещение» света далёких галактик может быть не доплеровской природы, – высказывалась неоднократно и до меня. Ничего нового тут нет. Но существует множество толкований природы красного смещения. Я просто хотел обратить внимание на самую естественную, очевидную причину красного смещения. Природа квантового вакуума, вероятно, величайшая загадка физического мира. Трудно поверить в его колоссальную плотность и давление. Но не будь их – наш мир не смог бы существовать. Огромная сила вакуумного давления соединяет физический мир в единое целое. Скорость света, скорости квантовых вакуумных колебаний, невероятные энергии звёздного космоса – всё отсюда, всё из чудесной природы вакуума. Физический вакуум прозрачен, мы не можем видеть его, потому что так называемое электромагнитное излучение проходит в нём как звуковая волна сквозь атмосферу. Цвет голубого неба над нашей головой обусловлен толщиной слоя земной атмосферы. Различной длины волны солнечного света рассеиваются молекулами и атомами воздушной атмосферы. Но сильнее рассеиваются здесь волны с короткой длиной – синие. Их мы и видим. На закате Солнца, у горизонта, особенно там, где много в атмосфере влаги или пыли, Солнце и само небо в этой части краснеют. Получается своего рода красное смещение. Волнам света при низком Солнце приходится пройти более длинный путь в атмосфере Земли. Волны света с короткой длиной как раз тут поглощаются атмосферой, задерживаются, а волны с большей длиной (красные) проходят легче. Можно сказать, доплеровский эффект без доплеровского эффекта.
А это как довесок. Недавно для себя сделал интересное открытие: формула закона Ома имеет удивительное подобие с формулой второго закона Ньютона. Оказывается, сюда же можно добавить третью формулу – формулу Шрамма-Умова (Эйнштейна)! Второй закон Ньютона: a = F/m Закон Ома: I = U/R Формула Шрамма-Умова: m = E/c2 В числителе всех трёх формул стоит величина, обозначающая силу, напряжение, энергию, что тождественно с общим понятием «давление». Величина ускорения тела напрямую зависит от силы давления (удар, напор). Величина тока напрямую зависит от силы давления (противоборство электронной и позитронной зарядовой плотности). Величина массы напрямую зависит от силы давления. Вот тут с природой давления надо разбираться. В знаменателе формул: масса, сопротивление, квадрат скорости света. Если инертную массу тела ещё как-то можно отождествить с сопротивлением движению, то вот квадрат скорости света вызывает сомнение… Если инертная масса тела и сопротивление – величины изменяющиеся, то квадрат скорости света – величина неизменная. Следовательно, масса частицы (!) зависит только от силы (энергии) давления! В случае с массой частицы протон – это амплитуда колебания квантового вакуума, которое совершается в прямом и обратном направлении со скоростью света в среде с давлением (дыхание вакуума). В этом – эквивалентность (в случае частицы протон) массы и энергии через квадрат скорости света (E = mc2), формула, известная как уравнение Эйнштейна. Хотя Эйнштейн на авторство этой формулы никогда и не претендовал. Что претендовать, если формула была известна учёным Европы с 1872 года (Г. Шрамм)! Эйнштейн нашел лишь свой оригинальный и достаточно спекулятивный путь к пониманию этой эквивалентности. К слову сказать, противники приоритета формулы эквивалентности массы и энергии через квадрат скорости света Шрамма-Умова говорят о том, что идеи их были предварительными, сомнительными, без чёткого понимания сути. На самом деле и Шрамм, и Умов достаточно ясно понимали суть эквивалентности. В 1874 году Умов написал в своей диссертации фразу об эквивалентности массы и энергии, которую в двадцатом веке дословно повторит Эйнштейн. Корни идеи об эквивалентности массы и энергии движения уходят глубже, к Фарадею и Максвеллу. Фарадей представлял частицу материи (массу) как устойчивое волновое колебание эфира. И эти волновые частицы взаимодействуют между собой по волновым же законам. Идеи Фарадея сегодня находят своё подтверждение. Среда квантового вакуума (по старому – эфир) – среда с колоссальной плотностью и давлением. Частицы вещества, известные нам, как протоны, не инородные квантовому вакууму образования, а лишь колебательная динамика вакуума в малом объёме (дыхание вакуума). Колебания диполя протона в атоме рождают вихревые квазичастицы – электроны и позитроны. Электроны и позитроны, аннигилируя, рождают так называемые электромагнитные волны. Никакие волны не могут распространяться в средах без потерь энергии; и чем дальше источник – тем больше потери энергии. Так что «красное смещение» волн света далёких галактик – вполне закономерное, обычное физическое явление. Но самое невероятное здесь то – как может существовать в бесконечности пространства среда с такой колоссальной плотностью и давлением! Кажется, такое давление можно создать лишь в ограниченном объёме с толстенными стенками…
Красное смещение может возникнуть в следствие одной из следующих причин или их комбинацией:
Красное смещение и гравитация
Гравитационное красное смещение является проявлением эффекта изменения частоты электромагнитных волн по мере удаления от массивных объектов (звезд, планет). Оно наблюдается как сдвиг спектральных линий близких к массивным телам источников в красную область спектра. Свет, приходящий из областей с более слабым гравитационным полем, будет испытывать гравитационное синее смещение. Гравитационное красное смещение было предсказано А. Эйнштейном при разработке общей теории относительности (ОТО):
, где:
Для электромагнитных волн, излучаемых на расстоянии r от центра масс массивного тела и принимаемых на бесконечности (R=∞), гравитационное красное смещение приблизительно равно:
,
Существенных вопросов к гравитационному красному смещению, в общем нет.
Красное смещение и старение света
Старение света (англ. tired light) — гипотеза, выдвинутая сторонниками стационарной Вселенной, в качестве альтернативного объяснения обнаруженной зависимости красного смещения от расстояния до объекта. Данная гипотеза не предполагает расширения Вселенной.
Концепция впервые была предложена Фрицем Цвикки в 1929 году, который предположил, что фотоны теряют энергию в столкновениях с другими частицами пространства.
Некоторые физики поторопились похоронить эту гипотезу, не зная реального строения элементарных частиц и подлинной картины их взаимодействий, Но полевая теория элементарных частиц позволяет по новому взглянуть на данную гипотезу и установить, как фотоны теряют часть своей энергии при прохождении через вселенную. Более того полевая теория нашла кандидатов на «темную материю» и «темных» переносчиков энергии (взамен «темной энергии»). Рассмотрим это более подробно.
Фотон-нейтринные взаимодействия
Одно дело, когда фотон летит параллельно с нейтрино (движущейся с около световой скоростью) одним курсом, когда они были оба излучены солнцем и совсем другое дело, когда фотон сталкивается с покоящимся нейтрино, со связанным состоянием из двух нейтрино, или с нейтрино, выпущенным другой звездой (движущейся в другом направлении). Теряемая фотоном энергия зависит от ориентации спина нейтрино, траектории по которой фотон проходит через нейтрино, а также от энергии самого фотона. Это не просто посчитать, но можно измерить с помощью космических аппаратов и лазеров.
Необходимо отметить, что данное взаимодействие не соответствует стандартной модели, поскольку последняя наделяет участвующие в нем элементарные частицы разными типами фундаментальных взаимодействий:
Количество нейтрино во Вселенной и возраст Вселенной
Теперь попытаемся оценить, сколько по Вселенной «гуляет» нейтрино.
Взаимодействия нейтрино
Красное смещение и эффект Доплера
Параметр смещения определяется как:
, где λ и λ0 — значения длины волны в точках наблюдения и испускания излучения соответственно.
Доплеровское смещение длины волны в спектре источника, движущегося с лучевой скоростью и полной скоростью , равно:
, При движении к источнику излучения длина волны будет уменьшаться, а при движении от источника излучения длина волны будет увеличиваться, и будет наблюдаться красное смещение.
Исходя из наблюдения красного смещения в спектрах галактик и эффекта Доплера делается вывод, что все галактики разбегаются и следовательно вселенная расширяется.
Никаких прямых доказательств того, что галактики разбегаются, в физике в настоящий момент нет. Никто не измерял напрямую расстояния до галактик и не обнаружил, что за некоторый интервал времени они выросли. Таким образом, факт разбегания галактик физикой в настоящий момент не установлен. Это всего лишь не доказанные предположения, основанные на наличии красного смещения в спектрах галактик и толковании его в пользу эффекта Доплера. Таким образом «теория Большого взрыва» продолжает оставаться недоказанной гипотезой.
Красное смещение и расширение Вселенной
Красное смещение, вызванное эффектом Доплера, если оно имеет место в природе, должно вызвать расширение космического пространства в масштабах всей Вселенной. Считается, что такое расширение Вселенной должно быть почти однородным и изотропным (расширение происходит почти равномерно в каждой точке Вселенной).
Утверждается, что экспериментально расширение Вселенной наблюдается в виде выполнения закона Хаббла. Предполагается, что началом расширения Вселенной является так называемый «Большой взрыв». Теоретически явление было предсказано и обосновано А. Фридманом на раннем этапе разработки общей теорией относительности.
Горунович В.А. Роль нейтрино в красном смещении и в микроволновом фоновом космическом излучении
Понравилась статья? Подпишитесь на канал, чтобы быть в курсе самых интересных материалов
,