Усталый свет - Tired light

Часть серии по
Физическая космология
Большой взрыв  · Вселенная Возраст вселенной Хронология Вселенной
Ранняя вселенная Эпоха Планка Эпоха великого объединения Электрослабая эпоха Кварковая эпоха Адронная эпоха Лептонная эпоха Фотонная эпоха Нуклеосинтез Большого взрыва Инфляция Темные времена Звездная эра Фоны Космический фоновый радиационный фон (CBR) Фон гравитационных волн (ФГВ) Космический микроволновый фон (CMB)  · Космический нейтринный фон (CNB) Космический инфракрасный фон (ИНБ)
Расширение· Будущее Закон Хаббла  · Красное смещение Расширение Вселенной Ускоряющееся расширение Вселенной Сопутствующие и правильные расстояния Метрика FLRW  · Уравнения Фридмана Неоднородная космология Будущее расширяющейся Вселенной Конечная судьба вселенной Тепловая смерть вселенной Большой разрыв Большой хруст Большой отскок
Составные части· Структура Составные части Лямбда-CDM модель Барионная материя Экзотическая материя Энергия Отрицательная энергия Нулевая энергия Энергия вакуума Радиация Фоновое излучение Темная энергия Квинтэссенция Фантомная энергия Темная материя Холодная темная материя Теплая темная материя Смешанная темная материя Горячая темная материя Светлая темная материя Самовзаимодействующая темная материя Скалярное поле темная материя Темное излучение Темная жидкость Зеркальное дело Структура Форма вселенной Реионизация  · Формирование структуры Формирование галактики Крупномасштабная конструкция Большая группа квазаров Нить галактики Сверхскопление Скопление галактик Группа галактик Местная группа Галактика Ореол темной материи Звездное скопление Солнечная система Планетная система Пустота
Эксперименты Бумеранг Исследователь космического фона (COBE) Обзор темной энергии Евклид Проект Illustris Обсерватория Веры К. Рубин Космическая обсерватория Планка Слоан цифровой обзор неба (SDSS) Обзор красного смещения галактики 2dF ("2dF") ВселеннаяМашина Микроволновая анизотропия Уилкинсона Зонд (WMAP)
Ученые Ааронсон Альфвен Альфер Бхарадвадж Коперник де Ситтер Дике Эддингтон Элерс Эйнштейн Эллис Фридман Галилео Гамов Гут Хаббл Лемэтр Linde Mather Ньютон Penzias Вбивать в голову Шмидт Шварцшильд Гладкий Старобинский Steinhardt Suntzeff Сюняев Толман Уилсон Зельдович
История темы Открытие космического микроволн фоновое излучение История теории большого взрыва Религиозные интерпретации теория большого взрыва Хронология космологических теорий
Категория  Астрономический портал

Усталый свет это класс гипотетических красное смещение механизмов, который был предложен в качестве альтернативного объяснения отношение красного смещения к расстоянию. Эти модели были предложены в качестве альтернативы моделям, требующим метрическое расширение пространства из которых Большой взрыв и Устойчивое состояние космологии самые известные примеры. Концепция была впервые предложена в 1929 г. Фриц Цвикки, который предположил, что если фотоны со временем теряют энергию из-за регулярных столкновений с другими частицами, более далекие объекты будут казаться краснее, чем более близкие. Сам Цвикки признавал, что любые рассеяние света может размыть изображения далеких объектов больше, чем то, что мы видим. Кроме того, поверхностная яркость галактик, эволюционирующих во времени, замедление времени космологических источников и тепловой спектр космический микроволновый фон наблюдались - эти эффекты не должны присутствовать, если космологическое красное смещение вызвано каким-либо утомленным механизмом рассеяния света.^[1][2][3] Несмотря на периодическое пересмотр концепции, усталый свет не подтвержден наблюдательными тестами и остается крайняя тема в астрофизике.^[4]

История и прием

Усталый свет была идея, возникшая в результате наблюдения, сделанного Эдвин Хаббл который далекие галактики имеют красные смещения пропорционально их расстояние. Redshift - это сдвиг в спектр из выпущенных электромагнитное излучение от объекта к более низким энергиям и частотам, связанным с явлением Эффект Допплера. Наблюдатели спиральные туманности Такие как Весто Слайфер заметил, что эти объекты (теперь известные как отдельные галактики ) обычно демонстрируют красное смещение, а не синее, независимо от того, где они расположены. Так как отношение сохраняется во всех направлениях, его нельзя отнести к нормальному движению по отношению к фону, который показал бы набор красных смещений и голубых смещений. Все движется прочь из галактики Млечный Путь. Вклад Хаббла заключался в том, чтобы показать, что величина красного смещения сильно коррелирует с расстоянием до галактик.

На основе данных Слайфера и Хаббла в 1927 г. Жорж Лемэтр понял, что эта корреляция соответствует нестатическим решениям уравнений теории гравитации Эйнштейна, решениям Фридмана – Лемэтра. Однако статья Лемэтра была оценена только после публикации Хаббла в 1929 году. Универсальное соотношение красное смещение-расстояние в этом решении объясняется влиянием расширяющейся Вселенной на фотон, движущийся по нулю. пространственно-временной интервал (также известный как «светоподобный» геодезический ). В этой формулировке все еще наблюдался аналогичный эффект для Эффект Допплера, хотя относительные скорости необходимо обрабатывать с большей осторожностью, поскольку расстояния можно по-разному определить в расширение показателей.

В то же время были предложены другие объяснения, не согласующиеся с общей теорией относительности. Эдвард Милн предложил объяснение, совместимое с специальная теория относительности но не в общей теории относительности, что произошел гигантский взрыв, который мог бы объяснить красные смещения (см. Вселенная Милна ). Другие предложили, чтобы систематические эффекты может объяснить корреляцию между красным смещением и расстоянием. По этой линии Фриц Цвикки предложил механизм «уставшего света» в 1929 году.^[5] Цвикки предложил фотоны может медленно проиграть энергия поскольку они путешествуют по огромному расстояния через статическая вселенная взаимодействием с веществом или другими фотонами, или каким-либо новым физическим механизмом. Поскольку уменьшение энергия соответствует увеличению света длина волны, этот эффект произвел бы красное смещение в спектральные линии это увеличение пропорционально с расстоянием до источника. Термин «усталый свет» был придуман Ричард Толман в начале 1930-х годов как способ обозначить эту идею.^[6]

Усталые световые механизмы были среди предложенных альтернатив Большой взрыв и Устойчивое состояние космологии, оба из которых основывались на общем релятивистском расширении вселенной метрики FRW. В середине двадцатого века большинство космологов поддерживало одно из этих двух парадигмы, но было несколько ученых, особенно те, кто работал над альтернативами общей теории относительности, которые работали с альтернативой усталого света.^[7] Как дисциплина наблюдательная космология В конце двадцатого века, и связанные с ним данные стали более многочисленными и точными, Большой взрыв стал космологической теорией, наиболее поддерживаемой наблюдательными данными, и она остается общепринятой. модель консенсуса с током параметризация это точно определяет состояние и эволюцию Вселенной. Хотя предложения о "космологии усталого света" сейчас более или менее отправлены на свалку истории, в качестве полностью альтернативного предложения космологии усталого света считались отдаленной возможностью, достойной рассмотрения в текстах по космологии еще в 1980-х годах, хотя это было отклонено как маловероятное и для этого случая предложение основных астрофизиков.^[8]

Тест Толмена на поверхностную яркость исключает объяснение космологического красного смещения усталым светом.

К 1990-м годам и в начале двадцать первого века ряд фальсифицированных наблюдений показал, что гипотезы "утомленного света" не являются жизнеспособным объяснением космологических красных смещений.^[2] Например, в статической Вселенной с утомленными световыми механизмами поверхностная яркость звезд и галактик должна быть постоянной, то есть чем дальше объект, тем меньше света мы получаем, но его видимая площадь также уменьшается, поэтому получаемый свет деление на видимую площадь должно быть постоянным. В расширяющейся Вселенной поверхностная яркость уменьшается с расстоянием. Когда наблюдаемый объект удаляется, фотоны испускаются с меньшей скоростью, потому что каждый фотон должен пройти расстояние, немного большее, чем предыдущий, а его энергия немного уменьшается из-за увеличения красного смещения на большем расстоянии. С другой стороны, в расширяющейся Вселенной объект кажется больше, чем есть на самом деле, потому что он был ближе к нам, когда фотоны начали свое путешествие. Это вызывает разницу в яркости поверхности объектов между статической и расширяющейся Вселенной. Это известно как Тест поверхностной яркости Толмана что в этих исследованиях поддерживает гипотезу расширяющейся Вселенной и исключает статические модели усталого света.^[9][10][11]

Красное смещение наблюдается непосредственно и используется космологами как прямая мера время ретроспективного анализа. Они часто относятся к возрасту и расстоянию до объектов с точки зрения красного смещения, а не лет или световых лет. В таком масштабе Большой взрыв соответствует красному смещению бесконечности.^[9] Альтернативные теории гравитации которые не имеют в себе расширяющейся Вселенной, нуждаются в альтернативе, чтобы объяснить соответствие между красным смещением и расстоянием, которое sui generis к расширение показателей общей теории относительности. Такие теории иногда называют «космологиями усталого света», хотя не все авторы обязательно осведомлены об исторических предпосылках.^[12]

Конкретные фальсифицированные модели

В Хаббл сверхглубокое поле это изображение галактик, удаленных от нас на расстояние более 10 миллиардов световых лет. Если бы усталый свет был правильным объяснением, эти галактики казались бы размытыми по сравнению с более близкими галактиками. То, что они не исключают предположения, что процессы рассеяния вызывают соотношение красное смещение-расстояние.

В общем, любой механизм "утомленного света" должен решать некоторые основные проблемы, а именно: наблюдаемое красное смещение должно:

• допускают одно и то же измерение в любом диапазоне длин волн
• не проявлять размытости
• следовать подробному соотношению Хаббла, наблюдаемому с сверхновая звезда данные (см. ускоряющаяся вселенная )
• объяснить связанные замедление времени космологически далеких событий.

На протяжении многих лет был предложен ряд механизмов усталого света. Фриц Цвикки, в своей статье, предлагающей эти модели, исследовал ряд объяснений красного смещения, исключая некоторые из них сам. Простейшая форма теории усталого света предполагает экспоненциальное уменьшение энергии фотонов с пройденным расстоянием:

${ Displaystyle E (x) = E_ {0} exp {(- { frac {x} {R_ {0}}})}}$

куда ${ displaystyle E (x)}$ это энергия фотона на расстоянии ${ displaystyle x}$ от источника света, ${ displaystyle E_ {0}}$ это энергия фотона в источнике света, а ${ displaystyle R_ {0}}$ - большая константа, характеризующая «сопротивление пространства». Соответствовать Закон Хаббла, постоянная ${ displaystyle R_ {0}}$ должно быть несколько гиговпарсек. Например, Цвикки рассматривал возможность интегрированного Эффект Комптона может учитывать масштабную нормализацию указанной выше модели:

... свет, исходящий от далеких туманностей, сместился бы в красный цвет из-за Эффект Комптона на эти свободные электроны [в межзвездных пространствах] [...] Но тогда свет, рассеянный во всех направлениях, сделал бы межзвездное пространство невыносимо непрозрачным, что опровергает приведенное выше объяснение. [...] очевидно, что любое объяснение, основанное на процессе рассеяния, таком как эффект Комптона или Рамановский эффект и т. д. окажутся в безнадежном положении в отношении хорошей четкости изображений.^[5]

Это ожидаемое «размытие» космологически далеких объектов не наблюдается в наблюдательных свидетельствах, хотя потребовались телескопы гораздо большего размера, чем те, которые были доступны в то время, чтобы показать это с уверенностью. В качестве альтернативы Цвикки предложил своего рода Эффект Сакса – Вульфа объяснение отношения расстояния красного смещения:

Можно было ожидать смещения спектральных линий из-за разницы статического гравитационного потенциала на разных расстояниях от центра галактики. Этот эффект, конечно, не имеет никакого отношения к удалению наблюдаемой галактики от нашей собственной системы и, следовательно, не может дать никакого объяснения феномену, обсуждаемому в этой статье.^[5]

Согласно более поздним наблюдениям, предложения Цвикки были тщательно представлены как несостоятельные:

... [а] гравитационный аналог эффекта Комптона [...] Легко видеть, что указанное выше красное смещение должно асимметрично уширять эти линии поглощения в сторону красного. Если эти линии можно сфотографировать с достаточно высокой дисперсией, смещение центра тяжести линии даст красное смещение независимо от скорости системы, из которой излучается свет.^[5]

Такое уширение линий поглощения не наблюдается у объектов с большим красным смещением, что опровергает данную гипотезу.^[13]

Цвикки также отмечает в той же статье, что, согласно модели усталого света, соотношение расстояния и красного смещения обязательно будет присутствовать в свете от источников в нашей собственной галактике (даже если красное смещение будет настолько маленьким, что его будет трудно измерить. ), которые не появляются в теории, основанной на скорости разбегания. Он пишет, говоря об источниках света в нашей галактике: «Особенно желательно определять красное смещение независимо от собственных скоростей наблюдаемых объектов».^[5] После этого астрономы терпеливо нанесли на карту трехмерное положение скорости. фазовое пространство для галактики и обнаружил, что красные и синие смещения галактических объектов хорошо согласуются со статистическим распределением спиральной галактики, исключая собственное красное смещение компонент как эффект.^[14]

Вслед за Цвикки в 1935 г. Эдвин Хаббл и Ричард Толман сравнили рецессионное красное смещение с нерецессионным, написав, что они:

... оба склоняются к мнению, однако, что если красное смещение не связано с рецессионным движением, его объяснение, вероятно, будет связано с некоторыми совершенно новыми физическими принципами [... и] использованием статической модели Вселенной Эйнштейна, в сочетании с предположением, что фотоны, испускаемые туманностью, теряют энергию на своем пути к наблюдателю из-за какого-то неизвестного эффекта, который линейно зависит от расстояния и приводит к снижению частоты без заметного поперечного отклонения.^[15]

Выполнение этих условий стало практически невозможным, и общий успех общих релятивистских объяснений связи красного смещения и расстояния является одной из основных причин того, что модель Вселенной Большого взрыва остается космологией, которую предпочитают исследователи.

В начале 1950-х гг. Эрвин Финлей-Фрейндлих предложил красное смещение как «результат потери энергии наблюдаемыми фотонами, пересекающими поле излучения».^[16] который цитировался и аргументировался как объяснение связи между красным смещением и расстоянием в астрофизической теории 1962 года. Природа бумага Манчестерский университет профессор физики П. Ф. Браун.^[17] Выдающийся космолог Ральф Ашер Альфер написал письмо Природа три месяца спустя в ответ на это предложение с резкой критикой подхода: «Никакого общепринятого физического механизма для этой потери предложено не было».^[18] Тем не менее, до тех пор, пока не наступил так называемый «Век точной космологии» с результатами WMAP космический зонд и современный обзоры красного смещения,^[19] Модели уставшего света время от времени могли публиковаться в основных журналах, в том числе в журналах, опубликованных в феврале 1979 г. Природа предлагая "распад фотона" в искривленном пространстве-времени^[20] это было пять месяцев спустя раскритиковано в том же журнале как полностью несовместимое с наблюдениями гравитационное красное смещение наблюдается в солнечный край.^[21] В 1986 году в журнале «Истоки света» была опубликована статья, в которой утверждалось, что теории усталого света объясняют красное смещение лучше, чем космическое расширение Астрофизический журнал,^[22] но десять месяцев спустя в том же журнале было показано, что такие модели усталого света несовместимы с существующими наблюдениями.^[23] По мере того как космологические измерения становились более точными, а статистика в наборах космологических данных улучшалась, предложения об утомленном свете в конечном итоге были фальсифицированы^[1][2][3] в той степени, в которой теория была описана в 2001 году научным писателем Чарльз Сейф как "твердо на граница физики 30 лет назад; тем не менее, ученые искали более прямые доказательства расширения космоса ".^[24]

Смотрите также

• Дисперсия (оптика)

Рекомендации