|
Интересное квалифицированное сомнение неизвестного мне автора Евгения В.:
Начну с давно вроде известного. Наша Вселенная расширяется во всех направлениях. Далёкие объекты космоса удаляются от нас со скоростями, прямо пропорциональными расстоянию до них. Таков закон Хаббла, открытый еще в 1927-29 гг: v=Hr (где v-скорость, r-расстояние, Н - постоянная Хаббла).
Закон Хаббла прослежен до значительных расстояний в сотни миллионов световых лет и вроде неплохо соблюдается. Если предположить равномерное расширение Вселенной в прошлом, т.е., что галактики разлетались и раньше с постоянными скоростями, подобно осколкам гигантского космического взрыва или "фейерверка", напрашивается вывод, что и график "расстояние от времени" для разных галактик тоже линейный: r=Ut (где U - постоянная относительная скорость галактики, соответствующая расстоянию, на которое галактика отдалилась к настоящему моменту).
Экстраполируя назад во времени эти прямые, с очевидностью обнаруживаем, что все они начинаются из одной точки на оси времени, примерно 14 млрд. лет тому назад; точка эта и есть пресловутый Big Bang, положивший начало нашей Вселенной. Стало быть, возраст Вселенной примерно 14 млрд. лет.
Но - это вывод, следующий из модели линейного расширения! Заметим, что цифра - 14 млрд.лет - никем почему-то не пересматривалась, хотя для графика r(t) предлагают теперь хитроумные кривые, по всякому изогнутые для разных космологических эпох, включая экспоненциальный рост в последние 5 млрд. лет (который и стал поводом для моих раздумий), и нечто совсем трудновообразимое для начального периода инфляции. Но волшебным образом все кривые непременно утыкались в точку -14 млрд.лет.
Отсюда вопрос первый: не кажется ли Вам это странным, господа? Как-то на подгонку смахивает...
Если график "расстояние от времени" всё же линейный (r=Ut), то линейная зависимость в з-не Хаббла верна только на данный момент времени - T=14 млрд.лет, а для произвольного момента времени t скорость зависит не только от расстояния, но и от времени, простейшим образом: v(r,t)= r/t; т.е., "постоянная" Н в законе - не совсем постоянная, а величина, обратная времени: H=1/t (в прошлом Н была больше, а со временем будет уменьшаться). К счастью, формула всё еще предельно проста.
Но на этом в простой, на вид, модели начинается более сложная математика; и с ней рождаются новые вопросы.
Поставим перед собой такую цель: насколько возможно, беречь первоначальную линейную модель равномерного расширения, и только когда нам станет очевидно, что она нарушена, откажемся от нее. Не то ли делают физики, когда раскладывают сложные функции в степенной ряд, и отбрасывают члены высших порядков, оставляя от функции простую линейную зависимость?
Самой очевидной проблемой, буквально бросающейся в глаза, является то, что хаббловская зависимость задана для скоростей и расстояний, измеренных в единый момент времени. Но свет от удаленных на разные расстояния галактик приходит к нам с задержкой, зависящей от расстояния, которое преодолел свет со скоростью С. Мы наблюдаем галактики не там, где они сейчас, а там, где они находились в разные моменты времени. Причем, в модели расширяющегося пространства, расстояние, на котором они находились , не соответствует расстоянию, которое прошел свет. Т.е., расстояние, на котором была галактика в момент испускания света, расстояние, на котором она сейчас (на момент наблюдения), и расстояние, которое пролетел свет - это три РАЗНЫХ расстояния.
Отсюда второй вопрос: те расстояния, которые ставят на графиках "скорость от расстояния" закона Хаббла - это какие из трёх? Уважаемые физики-космологи, вы должны знать ответ (и еще до сложных манипуляций с уравнениями Эйнштейна-Фридмана, лямбдами, и энергией физического вакуума).
Что ж, попробуем сообразить сами. Нам нужно понять, что именно измеряется - из каких физически измеряемых величин получают скорости далеких объектов и расстояния до них?
Тут мы встречаемся с непростым моментом, требующим обязательного объяснения. На три разных вопроса - "как определяют скорость?", "как определяют расстояние?", и "как определяют возраст?" в отношении очень далеких объектов, вы чаще всего получите один ответ: "по красному смещению". Как так? Скорость удаления объекта по красному смещению (доплер-эффекту) можно определить, если точно знать, какой из формул следует пользоваться: формула вычисления релятивистского доплер-смещения в СТО и формула для равномерно расширяющегося координатного пространства совершенно разные. Что касается современной модели пространства, расширяющегося неравномерно в разные эпохи, - получается головоломная смесь разных формул. Но и потом, чтобы по скорости определить расстояние, надо знать наблюдаемый "возраст" объекта (время от момента Большого Взрыва). Не пытаемся ли мы по одному известному установить сразу три неизвестных?
К счастью, не совсем так. Потому что имеются дополнительные способы определения расстояний до галактик: в основном, по силе светимости звезд определенных классов, называемых "стандартными свечами" - цефеид, красных гигантов, сверхновых, - светимость которых точно известна. Степень рассеяния света, идущего от них, и, соответственно, ослабление их светимости дает примерное представление о расстоянии, с точностью до сотни КПарсек. Приблизительное знание расстояний до галактик и позволило открыть закон Хаббла. Оно же позволило отказаться от вычисления скорости по формуле СТО, и остановить выбор на формуле для расширяющегося пространства. Поясню: если бы галактики разлетались в статичном пространстве Минковского, как осколки взрыва колоссальной мощности, то значительная часть их удалялась бы от нас почти со скоростью света, но не выше(!). Все они находились бы от нас на расстоянии некой сферы - свего рода космического "горизонта" (14 млрд.св.лет, для нынешнего "возраста", значит, видели бы мы их на половинном расстоянии - 7млрд.св.лет). И, находясь почти на одинаковом расстоянии, они сильно различались бы по величине красного смещения и возрасту, из-за нелинейного замедления времени, резко нарастающего с приближением к скорости света. Но такая картина не наблюдается. Реальность куда лучше соответствует модели расширяющегося пространства. Поэтому её, несомненно, следует принять (но давайте "держать в уме" возможность суперпозиции космологического и релятивистского красного смещений, есло она может "спасти" модель линейного расширения координатного пространства!).
Итак, мы имеем красное смещение (redshift) и светимость "стандартных свеч" для определения возраста объекта, его скорости и расстояния до него. Посмотрим, как они связаны. Космологическое красное смещение имеет единственную причину - масштабное расширение пространства Вселенной (систему отсчета, привязанную к расширяющемуся пространству, называют "сопутствующей"). Величина красного смещения показывает во сколько раз растянулась электромагнитная волна; если пространство расширяется изотропно, то именно в такой пропорции выросло расстояние до объекта от момента излучения наблюдаемого сигнала до настоящего времени. Но ни информации о том, каковы были сами эти расстояния, ни о том, какова была зависимость расстояния от времени (линейной или нет) эта величина не содержит. Это лишь интегральная величина растяжения пространства, накопившаяся за НЕИЗВЕСТНОЕ время.
Светимость объекта обратно пропорциональна квадрату расстояния... но какого расстояния? Я убеждён - того расстояния, которое пролетел свет. А свет пролетел расстояние большее, чем было до объекта в момент излучения, но меньшее, чем оно сейчас!
Думаю, и тут требуется пояснение. Любой наблюдатель может с равным правом считать себя "неподвижным центром расширения Вселенной", т.к. края Вселенной мы не видим и она представляется равномерно расширяющейся во всех направлениях. Следовательно, в нашей СО, мы всегда расположены в нулевой точке. Наилучшей иллюстрацией происходящего со светом мне кажется пример паучка, бегущего по паутинке от края к центру с постоянной скоростью С, в то время как некий человек, взявшийся за край паутины, растягивает ее со скоростью V, большей чем С: V>C. В первые секунды движения паучок будет не приближаться, а УДАЛЯТЬСЯ от своей цели, но, если человек, растягивающий нить паутины, продолжит двигаться с постоянной скоростью, а паучок неутомим и настойчив, он непременно достигнет центра паутины. Правда, у него уйдет на это много больше времени, чем на бег по нерастянутой паутинке (но меньше, чем ушло бы на бег по паутинке, растянутой до той длины, которую она имеет уже на момент его "финиша").
Одно мы знаем точно - поскольку свет на любом этапе расширеня пространства движется с постоянной скоростью С, то это расстояние всегда пропорционально времени, прошедшему с момента излучения. Т.е., светимость содержит непосредственную информацию о "возрасте" объекта, но не ОТ начала Вселенной, а ДО настоящего момента. А, значит, время от момента излучения сигнала, неизвестное по красному смещению, становится величиной известной.
Таким образом, объединяя светимость с красным смещением, мы определили отношение расстояний до объекта в момент излучения и приема сигнала (но не сами расстояния), плюс время с момента излучения. Здесь следует задать третий вопрос: я нигде не ошибся с выводами?
Линейный график, т.е., график r=Ut (где U - const), удовлетворяющий этим условиям, есть только один. Но он обязательно есть! Потому что, при заданном интервале времени dt, всегда можно подобрать такую пару расстояний r(T-dt) и r(T), отношение которых будет соответствовать требуемому красному смещению, а прямая, проходящая через них будет выходить из нулевой точки на оси времени. Не имея возможности рисовать здесь графики, предлагаю Вам убедиться в этом самим. Вот только теперь, построив график, мы узнаём предполагаемую скорость объекта и исходное расстояние до него. Т.е., мы получили линейный график, удовлетворяющий закону Хаббла и возрасту Вселенной в теории Большого взрыва, для любой наблюдаемой пары "красное смещение-светимость"...
Но вот, в 90-е годы происходит "революция". По наблюдению очень далеких объектов делается вывод об ускоренном, экспоненциальном разбегании галактик в последние 4-5 млрд. лет. Вывод объявлен всеми внушающими доверие источниками "в высшей степени достоверным", за него даже вручен Нобель, куда уж боле. Вывод, между тем, сделан на основании отклонения наблюдаемых параметров этих объектов от известного графика "светимость-красное смещение", справедливого для равномерного расширения. Так, во всяком случае, я понял из Википедии и некоторых популярных статей. Там сказано, что светимость этих объектов ниже, чем должна быть при данном красном смещении. Т.е., они "расстояние до них больше, чем должно быть". И как мне теперь быть с выводом, сделанном мной в предыдущем параграфе. И это последний, четвертый вопрос?
Я понимаю, что на основании уравнений ОТО и прочих теоретических предположений можно делать выводы об ином, нелинейном законе расширения Вселенной. Но из наблюдаемых величин светимости и красного смещения сделать их, по-моему, невозможно.
Авторская поправка:
Должен "дезавуировать" свое последнее утверждение о том, что линейный график расширения Вселенной можно посроить для любой пары "светимость -красное смещение". Он должен еще соответствовать уравнению движения светового сигнала в СО наблюдателя, а это дифференциальное уравнение. Для линейного (равномерного) расширения пространства я могу его построить. Оно простое: x'=x/t-C (решить тоже могу, со справочником...). Но сути это не меняет. Не для всякой пары "светимость - красное смещение" есть соответствующий линейный график, начинающийся 14 млрд.лет назад.
Однако многие вопросы остаются... Почему, например, экспоненциальное расширение не обнаружило себя как раз на сравнительно близких (ближе 1 млрд.св.лет) объектах, свет от которых идет к нам именно в последнюю эпоху экспоненциального расширения? Почему в з-не Хаббла экспоненциальное расширение оказалась замаскировано "под линейное"?
|
Вход
FAQ
Поиск
