Гравитация Том 2 - Мизнер Ч.
Скачать (прямая ссылка):
Из всех когда-либо выдвигавшихся объяснений космологического красного смещения удовлетворительное объяснение дает лишь расширение Вселенной (см. ниже). В разные времена и различными авторами выдвигалась идея, что действует некоторый новый процесс («усталость света»), в котором фотоны на пути от источника к приемнику взаимодействуют с атомами и электронами и тем самым теряют часть своей энергии. Я. Б. Зельдович [457] дает проницательный анализ трудностей любой подобной идеи:
1. «Если потеря энергии вызвана взаимодействием с межгалактическим веществом, то она сопровождается передачей импульса, т. е. изменением направления движения фотона. Это вызвало бы размазывание изображений; удаленная звезда имела бы вид диска, а не точки, а это не то, что наблюдается».
2. «Предположим, что фотон распадается у— отдавая небольшую часть своей энергии некоторой частице Ar. Из законов сохранения следует, что частица к должна двигаться в направлении фотона (это, между прочим, позволяет избежать размазывания изображений) и должна иметь нулевую массу покоя. Однако из-за статистической природы процесса некоторые фотоны теряли бы энергии больше,
Наблюдаемые
особенности
космологического
красного
смещения
Почему красное смещение не может быть вызвано «усталостью света»?
2
454 29. Современное состояние и будущая эволюция Вселенной
Вывод формулы для красного внещевия:
¦ /коэффициенту ^ расширения )
чем другие, что привело бы к спектральному уширению линий, которое также не наблюдается».
3. Если существует любой такой процесс распада, то простыв аргументы специальной теории относительности, которые Зельдович приписывает М. П. Бронштейну и подробно разъясняет, требуют выполнения соотношения
^универсальная постоянная \ /вероятность «распада\ ^c размерностью с-2 /
\ фотона» за 1 с / (частота фотона в с-1)
«Таким образом,— заключает Зельдович,— если распад фотона вообще возможен, то фотоны в радиоволнах должны распадаться особенно быстро! Это означает, что должно измениться уравнение Максвелла для статического электрического поля... Экспериментальное указание на существование таких эффектов отсутствует: радиочастотное излучение от удаленных источников проходит к нам ничуть не хуже, чем видимый свет, а красное смещение, измеренное в различных участках спектра, точно одинаково... Поэтому предположения о том, что имеется объяснение красного смещения, отличное от фридмановского, терпит полный провал».
He последним среди рассуждений, приведших к принятию общего разбегания галактик в качестве объяснения красного смещения, явилось то обстоятельство, что это общее разбегание было предсказано [458] прежде, чем наблюдалось красное смещение [364].
Космологическое красное смещение легко понять (фиг. 29.1) в рамках стандартной горячей модели большого взрыва Вселенной. Детальный анализ сосредоточивается на трех процессах: испускание света, распространение света в искривленном пространстве-времени от излучателя к приемнику и прием света. Испускание и прием происходят в собственных системах отсчета (ортонормаль-ных тетрадах) излучателя и приемника, они представляют собой явления, описываемые специальной теорией относительности. В противоположность зтому распространение является общерелятивистским процессом, оно определяется законом геодезического движения в искривленном пространстве-времени.
Для расчета всех трех процессов (испускания, распространения и поглощения) необходима система координат. Воспользуемся координатами (t, %, 0, ф) или (т), х» 0> Ф), введенными в гл. 27, и ориентируем оси пространственных координат таким образом, чтобы траектории световых лучей в этой системе координат были простыми. Это лучше сделать, выбрав начало координат (% = 0), на Земле. Тогда излучающая галактика будет лежать на некотором «радиусе» Xe и в некотором угловом положении (0е, фе).
§ 29.2. Космологическое красное смещение 455
Испускание:
Атом возбуждает л-моду стоячей волны;
Вселенная маленькая, а (Ье) —
= Лисш
Длина волны маленькая (??) = лИсп»
Прием:
Вселенная больше, a (Ir) —
fltIlpHHt
длина волны больше A (tr) =
число узлов в стоячей волне не изменилось;
п — const
2л а 2ith
прин
прин
а
X
игп
исп
<ФИГ. 29.1.
Красное смещение как эффект стоячих волн. В любой замкнутой сферически-симметричной (фридмановской) модели Вселенной отношение длин волн ^прин^(!сп тождественно равно отношению размеров априн/аисп. Атом возбуждает п-ю моду стоячей волны во Вселенной. При расширении число п остается постоянным, поэтому длины волн растут пропорционально размерам Вселенной. При таком способе рассмотрения непосредственно видно, что красное смещение не зависит от следующих деталей: 1) почему происходит расширение (сферическая симметрия, но произвольное уравнение состояния), 2) однородна или неоднородна скорость расширения и 3) от расстояния между источником и приемником при испускании, при приеме или в любой промежуточный момент времени. Кажется, что соображения, приведенные яа схеме, зависят от замкнутости Вселенной (стоячие волны к = +1, а не О
