При расширении вселенной скорость разбегания галактик

О МЕХАНИЗМЕ РАСШИРЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ

Из закона Всемирного тяготения следует, что галактики должны притягиваться друг к другу, сближаясь в результате взаимодействия. Однако такого сближения, как всеобщей тенденции, не наблюдается. Напротив, как установлено, галактики удаляются друг от друга. Возможно, силам тяготения, в глобальном масштабе, противодействуют силы отталкивания, например порожденные действием таинственной «темной энергии». Также возможно и то, что закон Всемирного тяготения неприменим в отношении галактик, а их разбегание обусловлено действием иного механизма. В настоящее время наиболее популярна модель с «темной энергией». Но нет ли иных причин для разбегания галактик? Исследованию этого вопроса посвящена данная статья.

Открытие в начале 20 века красного смещения в спектрах излучения галактик выявило, что Вселенная является нестационарной системой, галактики в которой удаляются друг от друга (разбегаются) согласно закону Хаббла [1] со скоростью v » H ₀ × R , где H ₀ – постоянная Хаббла, R – расстояние до галактики. Последующее изучение движения галактик обнаружило его некоторые особенности [2]:

— в ближних окрестностях нашей галактики, ряд галактик, находящихся на расстоянии более 1. 2 Мпк от нее, удаляется по закону Хаббла, образуя местный хаббловский поток, а другие, находящиеся ближе (Местная группа), движутся иначе, аналогичное поведение – разделение галактик на движущиеся согласно закону Хаббла и не подчиняющиеся этому закону, характерно и для других скоплений галактик;

— значение постоянной Хаббла, определенное для сравнительно небольших объемов пространства с неравномерным распределением галактик, близко к ее значению для значительных по размеру областей Вселенной, в которых галактики распределяются равномерно, местная постоянная Хаббла составляет 72 ±  8 км/с/Мпк, в масштабах от 4 до 200 Мпк значение постоянной Хаббла составляет 62 ±  7 км/с/Мпк;

— наблюдение сверхновых звезд выявило положительное ускорение движения (разбегания) наиболее удаленных галактик.

Основной причиной разбегания галактик называют, подтверждаемое теоретически, явление антитяготения, порождаемое действием «темной энергии», причем считается, что граница в 1,3. 1,5 Мпк обусловлена началом преобладания антитяготения над тяготением [2]. Однако природа и механизм действия «темной энергии» остаются до настоящего времени невыясненными и поэтому гипотеза о наличии «темной энергии» представляется спорной.

В качестве альтернативы предлагается другая гипотеза, объясняющая причины разбегания галактик, в соответствии с которой удаление галактик друг от друга связано с уменьшением плотности распределения галактик в результате их свободного перемещения по пространству (блуждания), описываемого законом нормального распределения. Такое движение галактик возможно, если гравитационное взаимодействие между ними осуществляется иначе, чем это следует из закона Всемирного тяготения, и не является определяющим для их поведения. Возможность отклонения величины гравитационного притяжения галактик от закона Всемирного тяготения отмечена в [3]. Суть альтернативной модели изложена ниже.

Пусть имеется трехмерное пространство, разбитое на одинаковые ячейки с размерами l ´ l ´ l , пронумерованные от центра пространства так, что номера ячеек вдоль каждой оси принимают значения: 0; ±   1; ±   2; ±   3 … . Пусть некоторый объект, первоначально находившийся в ячейке с номером «0, 0, 0» — центр пространства, осуществляет переходы по трем осям одновременно, изменяя за один шаг номер ячейки, в которой находится, на единицу вдоль каждой оси, при этом вероятности увеличения или уменьшения номеров ячеек равны. Тогда, по теореме Лапласа [4], после совершения n переходов, вероятность попадания объекта в ячейку с номером ( m_x ; m_y ; m_z ) составит

Если переходы по трехмерному пространству из ячейки «0, 0, 0» совершают одновременно N объектов, а время совершения одного шага t = t / n , где t — время, прошедшее с начала блуждания, то величина

где r — минимальное расстояние между объектами в ячейке, является скоростью относительного движения соседних объектов в ячейке ( m_x ; m_y ; m_z ), при условии, что объекты распределены в этой ячейке равномерно. Такая скорость может быть, как больше нуля – взаимное удаление объектов при ( m_x 2 + m_y 2 + m_z 2 ) 3n – область уменьшения плотности распределения объектов, так и меньше нуля – взаимное сближение объектов при ( m_x 2 + m_y 2 + m_z 2 ) > 3n – область увеличения плотности распределения объектов. Величина

подобна постоянной Хаббла H ₀ .

Если r = l – размер ячейки, то

представляет собой, условно, скорость линейного расширения указанной ячейки. Если объекты, для которых определяется скорость их взаимного удаления, расположены в разных ячейках пространства, то искомая величина скорости определяется суммой скоростей расширения ячеек, расположенных между данными объектами.

Рассмотрим движение объекта относительно центра пространства. Пусть объект находится в ячейке такой, что m_x = m_y = m_z = m . Тогда, при m > > 1, расстояние от центра пространства до объекта

а скорость его удаления от центра пространства

где m – пропорционально расстоянию до удаляющегося объекта, а n – пропорционально времени, прошедшему с начала блуждания, причем величины m и n – безразмерные.

Ускорение удаления от центра пространства объекта, находящегося в ячейке m_x = m_y = m_z = m , определяется выражением

При m > ( 3 n / 2 ) 1 / 2 , ускорение удаления положительно ( a > 0 ) , а величина H уменьшается более чем в два раза по сравнению с ее значением в центре пространства при m = 0 ( H 0,5 / 2 t ) .

В ячейке m_x = m_y = m_z = m , при m > ( 3 n / 2 ) 1 / 2 , вероятность появления объекта P_n _, _m 0,1 × ( 2 / p n ) 3 / 2 . То есть, изменение плотности распределения объектов по пространству, в области отрицательных значений ускорений удаления, достаточно мало изменяется (в пределах одного порядка) от расстояния до центра пространства, и в большей степени зависит от прошедшего с момента начала блуждания времени (количества совершенных шагов).

Как видно из вышеизложенного, если большую часть наблюдаемой Вселенной отождествить с областью отрицательных значений ускорения удаления объектов, а место наблюдения (галактику Млечный путь) считать расположенным достаточно глубоко внутри этой области, то поведение объектов, участвующих в процессе случайного блуждания, аналогично поведению галактик:

— скорость взаимного удаления объектов, также как и в законе Хаббла, приблизительно пропорциональна расстоянию между ними и обратно пропорциональна времени, прошедшего с начала блуждания;

— при увеличении расстояния между объектами, скорость взаимного удаления объектов отклоняется от линейной зависимости в сторону уменьшения, что находит подтверждение в некотором уменьшении величины постоянной Хаббла с увеличением расстояний, для которых эта постоянная определялась;

— на значительных расстояниях от центра пространства, ускорение движения (удаления) объектов положительно так же, как ускорение разбегания наиболее удаленных галактик.

Тот факт, что величина постоянной Хаббла, определенная для небольших объемов пространства с неравномерным распределением галактик, близка к ее значению для значительных по размеру областей, в которых галактики распределяются равномерно, подтверждает независимость этой постоянной от плотности распределения вещества в пространстве.

В области снижения плотности объектов, вплоть до границ возникновения положительных значений ускорения их удаления от центра пространства, различия в плотности распределения объектов по величине не превышают одного порядка, что близко к ситуации с приблизительно равной плотностью распределения галактик в наблюдаемой части Вселенной [2].

Разделение галактик на «Местную группу» и хаббловский поток может быть объяснено следующим образом. Скорость движения галактики содержит случайную и систематическую составляющие. Случайная составляющая – это собственная скорость галактики, как предполагается независящая от расстояния до этой галактики. Систематическая составляющая – это скорость, связанная с уменьшением плотности распределения галактик вследствие их свободного блуждания, приблизительно линейно увеличивающаяся с расстоянием. Если галактики расположены сравнительно недалеко друг от друга, систематическая составляющая меньше случайной – галактики движутся в произвольных направлениях. При увеличении расстояния между галактиками, величина систематической составляющей возрастает – галактики разбегаются.

Если предлагаемая альтернативная гипотеза верна, то в закономерностях движения галактик должно наблюдаться следующее:

— отношение скорости удаления галактики к расстоянию до нее должно уменьшаться при увеличении этого расстояния;

— ускорения удаления галактик должны иметь преимущественно отрицательные значения, положительные значения должны наблюдаться на больших расстояниях от места наблюдения, при низких, относительно величины местной постоянной Хаббла, значениях этой постоянной;

— в области наблюдаемой Вселенной (до границ возникновения положительных значений ускорения удаления) должна проявляться пространственная анизотропия плотности распределения галактик (в пределах одного порядка) и величины постоянной Хаббла (до двукратного уменьшения относительно местной постоянной Хаббла).

1. Физика: Энциклопедия./Под ред. Ю.В. Прохорова. – М.: Большая Российская энциклопедия, 2003. – 944 с.: ил.

2. И.Д. Караченцев, А.Д. Чернин. Темная энергия в ближней Вселенной. http :// inauka . ru / .

3. Физика темноты или умножение сущностей. http :// ankajnov . narod . ru /

4. Математика: Энциклопедия./Под ред. Ю.В. Прохорова. – М.: Большая Российская энциклопедия, 2003. – 845 с.: ил.

А. Кайнов. Январь 2010 г.

Другие работы автора этой статьи можно посмотреть на сайте:

http :// ankajnov . narod . ru / . Адрес для сообщений: ankajnov @ yandex . ru

Источник

Решебник по астрономии 11 класс на урок №30 (рабочая тетрадь) — Расширяющаяся Вселенная

вкл. 28 Ноябрь 2016 .

Решебник по астрономии 11 класс на урок №30 (рабочая тетрадь) — Расширяющаяся Вселенная

1. Отметьте знаком «+» верные ответы.

а) Скорости разбегания галактик: пропорциональны расстоянию от наблюдателя.

б) С помощью постоянной Хаббла можно определить следующий параметр Вселенной: возраст.

в) Если галактика удаляется со скоростью 3000 км/с, то расстояние до нее: 40 Мпк.

2. Принимая постоянную Хаббла Н = 75 км/(с * Мпк), определите расстояние до галактики, если красное смещение в ее спектре составляет 10000 км/с.

D = v / H = 10000 / 75 = 133 (Мпк)

3. Сравнение смещений спектральных линий в различных частях одной и той же галактики показывает, что эти смещения неодинаковы по величине. Какой вывод можно сделать на основании этого факта?

Различные части галактики имеют разные скорости, что свидетельствует о вращении галактики.

4. Наши наблюдения показывают, что по всем направлениям в космосе расположено примерно равное число галактик и все они от нас удаляются. Значит ли это, что наша Галактика — центр всей Вселенной? Ответ обоснуйте.

Нет, наша Галактика — не центр Вселенной. У Вселенной нет центра. Пространство раздувается, но центра расширения нет. Из любого места наблюдения картина расширения будет одинакова.

5. Величина, обратная постоянной Хаббла, дает примерную оценку времени, которое прошлое момента начала расширения Вселенной. Подсчитайте это время.

t = 1 / H = 4 ⋅ 10 17 (с), или 13 млрд лет.

Источник

При расширении вселенной скорость разбегания галактик

Даже астрономы не всегда правильно понимают расширение Вселенной. Раздувающийся воздушный шар – старая, но хорошая аналогия расширения Вселенной. Галактики, расположенные на поверхности шара, неподвижны, но поскольку Вселенная расширяется, расстояние между ними возрастает, а размеры самих галактик не увеличиваются.

В июле 1965 г. ученые объявили об открытии явных признаков расширения Вселенной из более горячего и плотного исходного состояния. Они нашли остывающее послесвечение Большого взрыва – реликтовое излучение. С этого момента расширение и охлаждение Вселенной легло в основу космологии. Космологическое расширение позволяет понять, как формировались простые структуры и как они постепенно развивались в сложные. Спустя 75 лет после открытия расширения Вселенной многие ученые не могут проникнуть в его истинный смысл. Джеймс Пиблз (James Peebles), космолог из Принстонского университета, изучающий реликтовое излучение, писал в 1993 г. : «Мне кажется, что даже специалисты не знают, каково значение и возможности модели горячего Большого взрыва».

Известные физики, авторы учебников по астрономии и популяризаторы науки порою дают неверную или искаженную трактовку расширения Вселенной, которое легло в основу модели Большого взрыва. Что же мы имеем в виду, когда говорим, что Вселенная расширяется? Несомненно, сбивает с толку то обстоятельство, что теперь говорят об ускорении расширения, и это ставит нас в тупик.

ОБЗОР: КОСМИЧЕСКОЕ НЕДОРАЗУМЕНИЕ

* Расширение Вселенной – одна из фундаментальных концепций современной науки – до сих пор получает различное толкование.

* Не следует воспринимать термин «Большой взрыв» буквально. Он не был бомбой, взорвавшейся в центре Вселенной. Это был взрыв самого пространства, который произошел повсеместно, подобно тому, как расширяется поверхность надуваемого воздушного шара.

* Понимание различия между расширением пространства и расширением в пространстве крайне важно для того, чтобы понять, каков размер Вселенной, скорость разбегания галактик, а также возможности астрономических наблюдений и природы ускорения расширения, которое, вероятно, испытывает Вселенная.

* Модель Большого взрыва описывает лишь то, что случилось после него.

Что такое расширение?

Когда расширяется что-нибудь привычное, например, влажное пятно или Римская империя, то они становятся больше, их границы раздвигаются, и они начинают занимать больший объем в пространстве. Но Вселенная, похоже, не имеет физических ограничений, и ей некуда двигаться. Расширение нашей Вселенной очень похоже на надувание воздушного шара. Расстояния до далеких галактик увеличиваются. Обычно астрономы говорят, что галактики удаляются или убегают от нас, но не перемещаются в пространстве, как осколки «бомбы Большого взрыва». В действительности расширяется пространство между нами и галактиками, хаотически движущимися внутри практически неподвижных скоплений. Реликтовое излучение заполняет Вселенную и служит системой отсчета, подобной резиновой поверхности воздушного шара, по отношению к которой движение и может быть измерено.

Находясь вне шара, мы видим, что расширение его искривленной двухмерной поверхности возможно только потому, что она находится в трехмерном пространстве. В третьем измерении располагается центр шара, а его поверхность расширяется в окружающий его объем. Исходя из этого, можно было бы заключить, что расширение нашего трехмерного мира требует наличия у пространства четвертого измерения. Но согласно общей теории относительности Эйнштейна, пространство динамично: оно может расширяться, сжиматься и изгибаться.

Дорожная пробка

Вселенная самодостаточна. Не требуются ни центр, чтобы расширяться от него, ни свободное пространство с внешней стороны (где бы она ни находилась), чтобы туда расширяться. Правда, некоторые новейшие теории, такие как теория струн, постулируют наличие дополнительных измерений, но при расширении нашей трехмерной Вселенной они не требуются.

В нашей Вселенной, как и на поверхности воздушного шара, каждый объект отдаляется от всех остальных. Таким образом, Большой взрыв не был взрывом в пространстве, а скорее это был взрыв самого пространства, который не произошел в определенном месте и затем не расширялся в окружающую пустоту. Это произошло всюду одновременно.

НА ЧТО БЫЛ ПОХОЖ БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ?

НЕВЕРНО: Вселенная родилась тогда, когда вещество, подобно бомбе, взорвалось в определенном месте. Давление было высоким в центре и низким в окружающей пустоте, что и вызвало разлет вещества.

ВЕРНО: Это был взрыв самого пространства, который привел вещество в движение. Наше пространство и время возникло в Большом взрыве и начало расширяться. Нигде не было центра, т.к. условия всюду были одинаковыми, никакого перепада давления, характерного для обычного взрыва, не было.

Если представить, что мы прокручиваем киноленту в обратном порядке, то увидим, как все области Вселенной сжимаются, а галактики сближаются, пока не столкнутся все вместе в Большом взрыве, как автомобили в дорожной пробке. Но сопоставление тут не полное. Если бы речь шла о происшествии, то вы могли бы объехать затор, услышав сообщения о нем по радио. Но Большой взрыв был катастрофой, которую невозможно избежать. Это похоже на то, как если бы поверхность Земли и все дороги на ней смялись, но автомобили оставались бы прежнего размера. В конце концов машины столкнулись бы, и никакое сообщение по радио не помогло бы предотвратить это. Так же и Большой взрыв: он произошел повсеместно, в отличие от взрыва бомбы, который происходит в определенной точке, а осколки разлетаются во все стороны.

Теория Большого взрыва не дает нам информации о размере Вселенной и даже о том, конечна она или бесконечна. Теория относительности описывает, как расширяется каждая область пространства, но ничего не говорится о размере или форме. Иногда космологи заявляют, что Вселенная когда-то была не больше грейпфрута, но они имеют в виду лишь ту ее часть, которую мы сейчас можем наблюдать.

У обитателей туманности Андромеды или других галактик свои наблюдаемые вселенные. Наблюдатели, находящиеся в Андромеде, могут видеть галактики, которые недоступны нам, просто из-за того, что они немного ближе к ним; зато они не могут созерцать те, которые рассматриваем мы. Их наблюдаемая Вселенная тоже была размером с грейпфрут. Можно вообразить, что ранняя Вселенная была похожа на кучу этих фруктов, безгранично простирающуюся во всех направлениях. Значит, представление о том, что Большой взрыв был «маленьким», ошибочно. Пространство Вселенной безгранично. И как его ни сжимай, оно таковым и останется.

Быстрее света

Ошибочные представления бывают связаны и с количественным описанием расширения. Скорость, с которой увеличиваются расстояния между галактиками, подчиняется простой закономерности, выявленной американским астрономом Эдвином Хабблом (Edwin Hubble) в 1929 г. : скорость удаления галактики v прямо пропорциональна его расстоянию от нас d, или v = Hd. Коэффициент пропорциональности H называется постоянной Хаббла и определяет скорость расширения пространства как вокруг нас, так и вокруг любого наблюдателя во Вселенной.

Некоторых сбивает с толку то, что не все галактики подчиняются закону Хаббла. Ближайшая к нам крупная галактика (Андромеда) вообще движется к нам, а не от нас. Такие исключения бывают, поскольку закон Хаббла описывает лишь среднее поведение галактик. Но каждая из них может иметь и небольшое собственное движение, поскольку галактики гравитационно воздействуют друг на друга, как, например, наша Галактика и Андромеда. Отдаленные галактики также имеют небольшие хаотические скорости, но при большом расстоянии от нас (при большом значении d) эти случайные скорости ничтожно малы на фоне больших скоростей удаления (v). Поэтому для далеких галактик закон Хаббла выполняется с высокой точностью.

Согласно закону Хаббла, Вселенная расширяется не с постоянной скоростью. Некоторые галактики удаляются от нас со скоростью 1 тыс. км/с, другие, находящиеся вдвое дальше, со скоростью 2 тыс. км/с, и т.д. Таким образом, закон Хаббла указывает, что, начиная с некоторого расстояния, называемого хаббловским, галактики удаляются со сверхсветовой скоростью. Для измеренного значения постоянной Хаббла это расстояние составляет около 14 млрд. световых лет.

Но разве частная теория относительности Эйнштейна не утверждает, что никакой объект не может иметь скорость выше скорости света? Такой вопрос ставил в тупик многие поколения студентов. А ответ состоит в том, что частная теория относительности применима лишь к «нормальным» скоростям – к движению в пространстве. В законе Хаббла речь идет о скорости удаления, вызванного расширением самого пространства, а не движением в пространстве. Этот эффект общей теории относительности не подчиняется частной теории относительности. Наличие скорости удаления выше скорости света никак не нарушает частную теорию относительности. По-прежнему верно, что никто не может догнать луч света.

МОГУТ ЛИ ГАЛАКТИКИ УДАЛЯТЬСЯ СО СКОРОСТЬЮ ВЫШЕ СКОРОСТИ СВЕТА?

НЕВЕРНО: Частная теория относительности Эйнштейна запрещает это. Рассмотрим область пространства, содержащую несколько галактик. Из-за ее расширения галактики удаляются от нас. Чем дальше галактика, тем больше ее скорость (красные стрелки). Если скорость света – предел, то скорость удаления должна в итоге стать постоянной.

ВЕРНО: Разумеется, могут. Частная теория относительности не рассматривает скорость удаления. Скорость удаления бесконечно возрастает с рассто- янием. Дальше некоторого расстояния, называемого хаббловским, она превышает скорость света. Это не является нарушением теории относительности, пос- кольку удаление вызвано не движением в простран- стве, а расширением самого пространства.

МОЖНО ЛИ УВИДЕТЬ ГАЛАКТИКИ, УДАЛЯЮЩИЕСЯ БЫСТРЕЕ СВЕТА?

НЕВЕРНО: Конечно нет. Свет от таких галактик улетает вместе с ними. Пусть галактика находится за пределом хаббловского расстояния (сфера), т.е. удаляется от нас быстрее скорости света. Она испускает фотон (помечено желтым цветом). Пока фотон летит сквозь пространство, само оно расширяется. Расстояние до Земли увеличивается быстрее, чем движется фотон. Он никогда не достигнет нас.

ВЕРНО: Конечно можно, поскольку скорость расширения изменяется со временем. Сначала фотон действительно сносится расширением. Однако хаббловское расстояние не постоянно: оно увеличивается, и в конце концов фотон может попасть в сферу Хаббла. Как только это случится, фотон будет двигаться быстрее, чем удаляется Земля, и он сможет достичь нас.

Растяжение фотонов

Первые наблюдения, показывающие, что Вселенная расширяется, были сделаны между 1910 и 1930 г. В лаборатории атомы испускают и поглощают свет всегда на определенных длинах волн. То же наблюдается и в спектрах далеких галактик, но со смещением в длинноволновую область. Астрономы говорят, что излучение галактики испытывает красное смещение. Объяснение простое: при расширении пространства световая волна растягивается и поэтому ослабевает. Если в течение того времени, пока световая волна дошла до нас, Вселенная расширилась вдвое, то и длина волны удвоилась, а ее энергия ослабла в два раза.

ГИПОТЕЗА УСТАЛОСТИ

Каждый раз, когда Scientific American публикует статью по космологии, многие читатели пишут нам, что, по их мнению, галактики на самом деле не удаляются от нас и что расширение пространства – иллюзия. Они полагают, что красное смещение в спектрах галактик вызвано чем-то вроде «утомления» от долгой поездки. Некий неизвестный процесс вынуждает свет, распространяясь сквозь пространство, терять энергию и поэтому краснеть.

Данной гипотезе уже более полувека, и на первый взгляд она выглядит разумной. Но она совершенно не согласуется с наблюдениями. Например, когда звезда взрывается как сверхновая, она вспыхивает, а затем тускнеет. Весь процесс длится примерно две недели у сверхновых того типа, который астрономы используют для определения расстояний до галактик. За этот период времени сверхновая излучает поток фотонов. Гипотеза усталости света говорит, что за время пути фотоны потеряют энергию, но наблюдатель все равно получит поток фотонов длительностью в две недели.

Однако в расширяющемся пространстве не только сами фотоны растягиваются (и поэтому теряют энергию), но и их поток также растягивается. Поэтому требуется более двух недель, чтобы все фотоны добрались до Земли. Наблюдения подтверждают такой эффект. Вспышка сверхновой в галактике с красным смещением 0,5 наблюдается три недели, а в галактике с красным смещением 1 – месяц.

Гипотеза усталости света противоречит также наблюдениям спектра реликтового излучения и измерениям поверхностной яркости далеких галактик. Пришло время отправить на покой «утомленный свет» (Чарльз Линевивер и Тамара Дэвис).

Сверхновые звезды, как эта в скоплении галактик в Деве, помогают измерять космическое расширение. Их наблюдаемые свойства исключают альтернативные космологические теории, в которых пространство не расширяется.

Процесс можно описать в терминах температуры. Испускаемые телом фотоны имеют распределение по энергии, которое в целом характеризуют температурой, указывающей, насколько тело горячее. Когда фотоны движутся в расширяющемся пространстве, они теряют энергию и их температура снижается. Таким образом, Вселенная при расширении охлаждается, как сжатый воздух, вырывающийся из баллона аквалангиста. К примеру, реликтовое излучение сейчас имеет температуру около 3 К, тогда как оно родилось при температуре около 3000 К. Но с того времени Вселенная увеличилась в размере в 1000 раз, а температура фотонов понизилась во столько же раз. Наблюдая газ в далеких галактиках, астрономы прямо измеряют температуру этого излучения в далеком прошлом. Измерения подтверждают, что Вселенная со временем охлаждается.

В связи между красным смещением и скоростью также существуют некоторые противоречия. Красное смещение, вызванное расширением, часто путают с более знакомым красным смещением, вызванным эффектом Доплера, который обычно делает звуковые волны более длинными, если источник звука удаляется. То же верно и для световых волн, которые становятся более длинными, если источник света отдаляется в пространстве.

Доплеровское красное смещение и космологическое красное смещение – вещи абсолютно разные и описываются различными формулами. Первая вытекает из частной теории относительности, которая не принимает во внимание расширение пространства, а вторая следует из общей теории относительности. Эти две формулы почти одинаковы для близлежащих галактик, но различаются для отдаленных.

Согласно формуле Доплера, если скорость объекта в пространстве приближается к скорости света, то его красное смещение стремится к бесконечности, а длина волны становится слишком большой и поэтому недоступной для наблюдения. Если бы это было верно для галактик, то самые отдаленные видимые объекты на небе удалялись бы со скоростью, заметно меньшей скорости света. Но космологическая формула для красного смещения приводит к другому выводу. В рамках стандартной космологической модели галактики с красным смещением около 1,5 (т.е. принимаемая длина волны их излучения на 50% больше лабораторного значения) удаляются со скоростью света. Астрономы уже обнаружили около 1000 галактик с красным смещением больше 1,5. А значит, нам известно около 1000 объектов, удаляющихся быстрее скорости света. Реликтовое излучение приходит с еще большего расстояния и имеет красное смещение около 1000. Когда горячая плазма молодой Вселенной испускала принимаемое нами сегодня излучение, она удалялась от нас почти в 50 раз быстрее скорости света.

Бег на месте

Трудно поверить, что мы можем видеть галактики, движущиеся быстрее скорости света, однако это возможно из-за изменения скорости расширения. Вообразите луч света, идущий к нам с расстояния большего, чем расстояние Хаббла (14 млрд. световых лет). Он движется к нам со скоростью света относительно своего местоположения, но само оно удаляется от нас быстрее скорости света. Хотя свет устремляется к нам с максимально возможной скоростью, он не может угнаться за расширением пространства. Это напоминает ребенка, пытающегося бежать в обратную сторону по эскалатору. Фотоны на хаббловском расстоянии перемещаются с максимальной скоростью, чтобы оставаться на прежнем месте.

Можно подумать, что свет из областей, удаленных дальше расстояния Хаббла, никогда не сможет дойти до нас и мы его никогда не увидим. Но расстояние Хаббла не остается неизменным, поскольку постоянная Хаббла, от которой оно зависит, меняется со временем. Эта величина пропорциональна скорости разбегания двух галактик, деленной на расстояние между ними. (Для вычисления можно использовать любые две галактики.) В моделях Вселенной, согласующихся с астрономическими наблюдениями, знаменатель увеличивается быстрее числителя, поэтому постоянная Хаббла уменьшается. Следовательно, расстояние Хаббла растет. А раз так, свет, который первоначально не достигал нас, может со временем оказаться в пределах хаббловского расстояния. Тогда фотоны окажутся в области, удаляющейся медленнее скорости света, после чего они смогут добраться до нас.

ДЕЙСТВИТЕЛЬНО ЛИ КОСМИЧЕСКОЕ КРАСНОЕ СМЕЩЕНИЕ – ЭТО ДОПЛЕРОВСКОЕ СМЕЩЕНИЕ?

НЕВЕРНО: Да, потому что удаляющиеся галактики движутся в пространстве. В эффекте Доплера световые волны растягиваются (становясь более красными), когда их источник удаляется от наблюдателя. Длина волны света не меняется во время его путешествия сквозь пространство. Наблюдатель принимает свет, измеряет его красное смещение и вычисляет скорость галактики.

ВЕРНО: Нет, красное смещение не имеет никакого отношения к эффекту Доплера. Галактика почти неподвижна в пространстве, поэтому испускает свет одинаковой длины волны во всех направлениях. За время пути длина волны становится больше, поскольку пространство расширяется. Поэтому свет постепенно краснеет. Наблюдатель принимает свет, измеряет его красное смещение и вычисляет скорость галактики. Космическое красное смещение отличается от доплеровского смещения, что подтверждают наблюдения.

Однако галактика, пославшая свет, может продолжать удаляться со сверхсветовой скоростью. Таким образом, мы можем наблюдать свет от галактик, которые, как и прежде, всегда будут удаляться быстрее скорости света. Одним словом, хаббловское расстояние не фиксировано и не указывает нам границы наблюдаемой Вселенной.

А что в действительности отмечает границу наблюдаемого пространства? Здесь тоже происходит некая путаница. Если бы пространство не расширялось, то самый отдаленный объект мы могли бы наблюдать теперь на расстоянии около 14 млрд. световых лет от нас, т.е. на расстоянии, которое свет преодолел за 14 млрд. лет, прошедших с момента Большого взрыва. Но поскольку Вселенная расширяется, пространство, пересеченное фотоном, расширилось за время его пути. Поэтому текущее расстояние до самого удаленного из наблюдаемых объектов примерно втрое больше – около 46 млрд. световых лет.

Раньше космологи думали, что мы живем в замедляющейся Вселенной и поэтому можем наблюдать все больше и больше галактик. Однако в ускоряющейся Вселенной мы отгорожены границей, вне которой никогда не увидим происходящие события – это космический горизонт событий. Если свет от галактик, удаляющихся быстрее скорости света, достигнет нас, значит, расстояние Хаббла увеличится. Но в ускоряющейся Вселенной его увеличение запрещено. Удаленное событие может послать луч света в нашем направлении, но этот свет навсегда останется за пределом расстояния Хаббла из-за ускорения расширения.

Как видим, ускоряющаяся Вселенная напоминает черную дыру, тоже имеющую горизонт событий, извне которого мы не получаем сигналов. Нынешнее расстояние до нашего космического горизонта событий (16 млрд. световых лет) целиком лежит в пределах нашей наблюдаемой области. Свет, испущенный галактиками, находящимися сейчас дальше космического горизонта событий, никогда не сможет достигнуть нас, т.к. расстояние, которое сейчас соответствует 16 млрд. световых лет, будет расширяться слишком быстро. Мы сможем увидеть события, происходившие в галактиках прежде, чем они пересекли горизонт, но о последующих событиях мы не узнаем никогда.

Во Вселенной расширяется все?

Люди часто думают, что если пространство расширяется, то и все в нем тоже расширяется. Но это неверно. Расширение как таковое (т.е. по инерции, без ускорения или замедления) не производит никакой силы. Длина волны фотона увеличивается вместе с ростом Вселенной, поскольку в отличие от атомов и планет фотоны не связанные объекты, размеры которых определяются равновесием сил. Изменяющаяся скорость расширения действительно вносит новую силу в равновесие, но и она не может заставить объекты расширяться или сжиматься.

Например, если бы гравитация стала сильнее, ваш спинной мозг сжался бы, пока электроны в позвоночнике не достигли бы нового положения равновесия, чуть ближе друг к другу. Ваш рост немного уменьшился бы, но сжатие на этом прекратилось бы. Точно так же, если бы мы жили во Вселенной с преобладанием сил тяготения, как еще несколько лет назад считало большинство космологов, то расширение замедлялось бы, а на все тела действовало бы слабое сжатие, заставляющее их достигать меньшего равновесного размера. Но, достигнув его, они бы больше не сжимались.

НАСКОЛЬКО ВЕЛИКА НАБЛЮДАЕМАЯ ВСЕЛЕННАЯ?

НЕВЕРНО: Вселенной 14 млрд. лет, поэтому наблюдаемая ее часть должна иметь радиус 14 млрд. световых лет.Рассмотрим самую далекую из наблюдаемых галактик – ту, чьи фотоны, испущенные сразу после Большого взрыва, только теперь достигли нас. Световой год – это расстояние, проходимое фотоном за год. Значит, фотон преодолел 14 млрд. световых лет

ВЕРНО: Поскольку пространство расширяется, наблюдаемая область имеет радиус больше, чем 14 млрд. световых лет. Пока фотон путешествует, пространство, которое он пересекает, расширяется. К моменту, когда он достигает нас, расстояние до испустившей его галактики становится больше, чем просто вычисленное по времени полета, – приблизительно втрое больше

Фактически же расширение ускоряется, что вызвано слабой силой, «раздувающей» все тела. Поэтому связанные объекты имеют размеры немного больше, чем были бы в неускоряющейся Вселенной, поскольку равновесие сил достигается у них при немного большем размере. На поверхности Земли ускорение, направленное наружу, от центра планеты, составляет мизерную долю ($10^<–30>$) нормального гравитационного ускорения к центру. Если это ускорение неизменно, то оно не заставит Землю расширяться. Просто планета принимает чуть больший размер, чем он был бы без силы отталкивания.

Но все изменится, если ускорение не постоянно, как полагают некоторые космологи. Если отталкивание увеличивается, то это может в конце концов вызвать разрушение всех структур и привести к «Большому разрыву», который произошел бы не из-за расширения или ускорения как такового, а потому что ускорение ускорялось бы.

А ОБЪЕКТЫ ВО ВСЕЛЕННОЙ ТОЖЕ РАСШИРЯЮТСЯ?

НЕВЕРНО: Да. Расширение заставляет Вселенную и все находящееся в ней увеличиваться. В качестве объекта рассмотрим скопление галактик. Раз Вселенная становится больше, то и скопление – также. Граница скопления (желтая линия) расширяется.

ВЕРНО: Нет. Вселенная расширяется, но связанные объекты в ней не делают этого. Соседние галактики сначала удаляются, но в конечном счете их взаимное притяжение пересиливает расширение. Формируется скопление такого размера, которое соответствует его равновесному состоянию.

По мере того как новые точные измерения помогают космологам лучше понять расширение и ускорение, они могут задаться еще более фундаментальными вопросами о самых ранних мгновениях и наибольших масштабах Вселенной. Чем было вызвано расширение? Многие космологи считают, что в этом виноват процесс, называемый «инфляцией» (раздуванием), особый тип ускоряющегося расширения. Но возможно, это лишь частичный ответ: чтобы она началась, похоже, Вселенная уже должна была расширяться. А что относительно наибольших масштабов за пределом наших наблюдений? Расширяются ли разные части Вселенной по-разному, так, что наша Вселенная – это всего лишь скромный инфляционный пузырь в гигантской сверхвселенной? Никто не знает. Но мы надеемся, что со временем мы сможем прийти к пониманию процесса расширения Вселенной.

ОБ АВТОРАХ:
Чарльз Линевивер (Charles H. Lineweaver) и Тамара Дэвис (Tamara M. Davis) – астрономы из австралийской обсерватории Маунт-Стромло. В начале 1990-х гг. в Калифорнийском университете в Беркли Линевивер входил в группу ученых, открывших с помощью спутника COBE флуктуации реликтового излучения. Он защитил диссертацию не только по астрофизике, но и по истории и английской литературе. Дэвис работает над созданием космической обсерватории Supernova/Acceleration Probe (Исследователь сверхновых звезд и ускорения).

ЗАМЕЧАНИЯ К СТАТЬЕ «ПАРАДОКСЫ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА»
Профессор Засов Анатолий Владимирович, физ. ф-т МГУ: Все недоразумения, с которыми спорят авторы статьи, связаны с тем, что для наглядности чаще всего рассматривают расширение ограниченного объема Вселенной в жесткой системе отсчета (причем расширение достаточно маленькой области, чтобы не учитывать разность хода времени на Земле и на далеких галактиках в земной системе отсчета). Отсюда представление и о взрыве, и о доплеровском смещении, и распространенная путаница со скоростями движения. Авторы же пишут, и пишут правильно, как все выглядит в неинерциальной (сопутствующей) системе координат, в которой обычно работают космологи, хотя в статье прямо не говорится об этом (в принципе, все расстояния и скорости зависят от выбора системы отсчета, и здесь всегда есть некий произвол). Единственно, что написано нечетко, так это то, что не определено, что же в расширяющейся Вселенной понимается под расстоянием. Сначала у авторов это скорость света, умноженная на время распространения, а далее говорится, что необходим еще учет расширения, которое удалило галактику еще больше, пока свет был в пути. Таким образом, расстояние уже понимается как скорость света, умноженная на время распространения, которое он потратил бы, если бы галактика перестала удаляться и излучила свет сейчас. В действительности все сложнее. Расстояние – величина модельно зависимая и непосредственно из наблюдений не получаемая, поэтому космологи без него прекрасно обходятся, заменяя красным смещением. Но может быть, более строгий подход здесь и неуместен.

26 Апреля 2011, 9:09 Oleg 101336 12

Очень познавательная статья. Есть только два вопроса в одном. А именно, в данной статье говорится: » Если отталкивание увеличивается, то это может в конце концов вызвать разрушение всех структур и привести к «Большому разрыву», который произошел бы не из-за расширения или ускорения как такового, а потому что ускорение ускорялось бы.»

Об этом всеобъемлющем «разрыве» говорится и в других источниках, причем, «разрыв» затрагивает все масштабы от космологических до масштабов Элементарных частиц.

В работе Я.Б. Зельдовича «Горячая «МОДЕЛЬ ВСЕЛЕННОЙ» говорится о природе Реликтового излучения связанного тоже с расширением Вселенной следующим образом: » Однако энергия квантов при расширении убывает в соответствии с тем, что длина волны увеличивается в той же пропорции, в которой в ходе расширения растут все расстояния между каждой заданной парой частиц или парой галактик». «

И там, и там речь идет о возможном росте расстояний и в масштабе галактик, и в масштабе элементарных частиц связанных с расширением Пространства.

Вопрос: «Можно ли считать пространство аутентичным с возможным «расширением», независящим от масштабного фактора?

К Антонов Анатолий от 27 June, 13:48

Извините но ваш вопрос мне непонятен.

Наиболее информативно с моей точки зрения

ЗАМЕЧАНИЯ К СТАТЬЕ «ПАРАДОКСЫ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА» .

Для устранения разночтений в расстояниях в космомасштабах, я думаю, надо отбросить все антропные единици измерения длин (метр, парсек, световой год. ) и перейти к более естесственным для этих масштабов единицам измерения расстояний.

В этом случае многие вопросы канут в лету сами собой, а единая естесственная космоединица измерения расстояний будет новым мощным толчком в едином мысепроцессе.

Релятивистский эффект Доплера (если вектор скорости совпадает с направлением на источник) для инерциальной системы отсчёта:
1+z=e^,
где V=c*Arth(v/c) — быстрота, т. е. аддитивная скорость (от 0 до бесконечности), которая равна обычной скорости v при v .

К green от 29 Июня 2012, 6:04

Гипотеза уставшего света это одна из альтернативных (и неправильных) попыток объяснить красное смещение.

С течением времени масштабный фактор $a(t)$ увеличивается, так что расстояния между точками с фиксированными пространственными координатами $x^i$ увеличиваются — Вселенная расширяется. Из-за этого длина волны фотона, испущенного в прошлом удаленным источником, увеличивается при движении фотона к наблюдателю, т. е. фотон испытывает красное смещение.

Физически корректное описание этого эффекта можно посмотреть здесь

К den от 29 Июня 2012, 15:45

В гипотезе усталости , неправильным явялется , по моему мнению, определение и ряд неудачных трактовок , а совсем не идея .

Объяснение же красного смещения исключительно гипотетическим расширением Вселенной , противоречит ОТО (поскольку не учитывает влияние гравитации на ЭИ) , законам термодинамики (предпологая передачу энергии без потерь ) и не поддерживается большим количеством современных ученых .

«Люди часто думают, что если пространство расширяется, то и все в нем тоже расширяется. Но это неверно. Расширение как таковое (т.е. по инерции, без ускорения или замедления) не производит никакой силы. Длина волны фотона увеличивается вместе с ростом Вселенной, поскольку в отличие от атомов и планет фотоны не связанные объекты, размеры которых определяются равновесием сил. Изменяющаяся скорость расширения действительно вносит новую силу в равновесие, но и она не может заставить объекты расширяться или сжиматься.»

Неверное утверждение, ибо все объекты являются частью, подмножеством пространства, и, таким образом, расширяются вместе с ним. Не существует пространства отдельно от объектов, ибо пространство — это атрибут материи.

Наблюдение сверхновых типа Ia показало, что космологическое красное смещение не совпадает с вычислениями по эффекту Доплера (теория Большого взрыва), а подчиняется экспоненциальному закону затухающих колебаний, где постоянная Хаббла представляет показатель затухания электромагнитных колебаний. Т.е. постоянная Хаббла — это квантовая величина, на которую уменьшается частота фотона за один период колебания. Чтобы определить, насколько уменьшилась частота фотона, надо постоянную Хаббла умножить на число совершенных колебаний, что в точности соответствует результатам, полученным современным методом «стандартных свеч» (Нобелевская премия за 2011 год).
Статья «Квантовый закон Хаббла»: http://alemanow.narod.ru/hubble.htm

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите или зарегистрируйтесь пожалуйста.

Источник