Усталый свет: Гипотезы о красном смещении и альтернативы расширению Вселенной.
Tired light
Усталая свет: альтернативные теории красного смещения и расстояния во Вселенной. Обзор гипотез о потере энергии фотонов и их несоответствиях наблюдениям.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Введение
Класс гипотетических механизмов красного смещения
Class of hypothetical redshift mechanisms
«Усталый свет» – это класс гипотетических механизмов красного смещения, предложенный в качестве альтернативного объяснения зависимости красного смещения от расстояния. Эти модели были предложены как альтернатива моделям, предполагающим расширение Вселенной. Концепция была впервые предложена в 1929 году Фрицем Цвикки, который предположил, что если фотоны со временем теряют энергию в результате столкновений с другими частицами закономерным образом, то более далёкие объекты будут казаться более красными, чем близкие. Цвикки признавал, что любое рассеяние света привело бы к большему размытию изображений далёких объектов, чем наблюдается. Кроме того, наблюдались изменение поверхностной яркости галактик со временем, замедление времени для космологических источников и тепловой спектр космического микроволнового фона – эффекты, которые не должны присутствовать, если космологическое красное смещение вызвано механизмом рассеяния «уставшего света». Несмотря на периодические пересмотры этой концепции, «усталый свет» не получил подтверждения наблюдательными данными и остаётся маргинальной темой в астрофизике.
Tired light is a class of hypothetical redshift mechanisms that was proposed as an alternative explanation for the redshift distance relationship. These models have been proposed as alternatives to the models that involve the expansion of the universe. The concept was first proposed in 1929 by Fritz Zwicky, who suggested that if photons lost energy over time through collisions with other particles in a regular way, the more distant objects would appear redder than more nearby ones. Zwicky acknowledged that any sort of scattering of light would blur the images of distant objects more than what is seen. Additionally, the surface brightness of galaxies evolving with time, time dilation of cosmological sources, and a thermal spectrum of the cosmic microwave background have been observed—these effects should not be present if the cosmological redshift was due to any tired light scattering mechanism. Despite periodic re examination of the concept, tired light has not been supported by observational tests and remains a fringe topic in astrophysics.
История и восприятие
Уставший свет был идеей, возникшей в результате наблюдения Эдвина Хаббла, что у далёких галактик красное смещение пропорционально их расстоянию. Красное смещение — это сдвиг спектра излучаемого электромагнитного излучения от объекта к более низким энергиям и частотам, связанный с эффектом Доплера. Наблюдатели спиральных туманностей, такие как Весто Слифер, заметили, что эти объекты (теперь известные как отдельные галактики) обычно демонстрируют красное смещение, а не синее, независимо от их местоположения. Поскольку эта зависимость выполняется во всех направлениях, её нельзя объяснить обычным движением относительно фона, который демонстрировал бы смесь красных и синих смещений. Всё удаляется от Млечного Пути. Вклад Хаббла состоял в том, чтобы показать, что величина красного смещения сильно коррелирует с расстоянием до галактик. Основываясь на данных Слифера и Хаббла, в 1927 году Жорж Леметр осознал, что эта корреляция может соответствовать нестационарным решениям уравнений теории гравитации Эйнштейна — решениям Фридмана — Леметра. Однако статья Леметра получила признание лишь после публикации Хаббла в 1929 году. Универсальная зависимость красного смещения от расстояния в этом решении объясняется влиянием расширяющейся Вселенной на фотон, движущийся по нулевому пространственно-временному интервалу (также известному как "светоподобная" геодезическая). В этой формулировке сохранялся эффект, аналогичный эффекту Доплера, хотя относительные скорости требовали более осторожного обращения, поскольку расстояния могут определяться по-разному в расширяющейся Вселенной. В то же время были предложены и другие объяснения, не согласующиеся с общей теорией относительности. Эдвард Милн предложил объяснение, совместимое со специальной теорией относительности, но не с общей, заключающееся в том, что произошёл гигантский взрыв, способный объяснить красное смещение (см. Вселенная Милна). Другие предполагали, что систематические эффекты могут объяснить корреляцию красного смещения и расстояния. В связи с этим Фриц Цвикки в 1929 году предложил механизм "уставшего света". Цвикки предположил, что фотоны могут медленно терять энергию, проходя огромные расстояния через статическую Вселенную, взаимодействуя с материей или другими фотонами, или каким-то новым физическим механизмом. Поскольку уменьшение энергии соответствует увеличению длины волны света, этот эффект приводил бы к красному смещению в спектральных линиях, которое увеличивается пропорционально расстоянию до источника. Термин "уставший свет" был предложен Ричардом Толманом в начале 1930-х годов для обозначения этой идеи. Хельге Краг отметил, что "гипотеза Цвикки была наиболее известной и разработанной альтернативой расширяющейся Вселенной, но она была далеко не единственной. Более десятка физиков, астрономов и учёных-любителей в 1930-х годах предлагали идеи "уставшего света", общим для которых было предположение о взаимодействии небулярных фотонов с межгалактической материей, которой они передавали часть своей энергии". Краг особо отметил Джона Куинси Стюарта, Уильяма Дункана Макмиллана и Вальтера Нернста. Механизмы "уставшего света" были одними из предложенных альтернатив теории Большого взрыва и космологии стационарного состояния, обе из которых опирались на общее релятивистское расширение Вселенной, описываемое метрикой FRW. В середине XX века большинство космологов поддерживали одну из этих двух парадигм, но были и учёные, особенно те, кто работал над альтернативами общей теории относительности, которые использовали альтернативу "уставшего света". По мере развития наблюдательной космологии в конце XX века и накопления большего количества точных данных теория Большого взрыва стала космологической теорией, наиболее подтверждаемой наблюдательными данными, и остаётся общепринятой моделью консенсуса с текущей параметризацией, точно определяющей состояние и эволюцию Вселенной. Хотя предложения "уставших световых космологий" в настоящее время в значительной степени отправлены на свалку истории, как полностью альтернативное предложение "уставшие световые космологии" рассматривались как отдалённая возможность, достойная рассмотрения в космологических текстах вплоть до 1980-х годов, хотя и отвергались как маловероятные и искусственные основными астрофизиками. К 1990-м и в XXI веке ряд опровергающих наблюдений показали, что гипотезы "уставшего света" не являются жизнеспособными объяснениями космологического красного смещения. Например, в статической Вселенной с механизмами "уставшего света" поверхностная яркость звёзд и галактик должна быть постоянной, то есть чем дальше объект, тем меньше света мы получаем, но его видимая площадь также уменьшается, поэтому отношение полученного света к видимой площади должно быть постоянным. В расширяющейся Вселенной поверхностная яркость уменьшается с расстоянием. По мере удаления наблюдаемого объекта фотоны излучаются с уменьшенной скоростью, поскольку каждому фотону приходится преодолевать расстояние, немного большее, чем предыдущее, а его энергия немного уменьшается из-за увеличения красного смещения на большем расстоянии. С другой стороны, в расширяющейся Вселенной объект кажется больше, чем он есть на самом деле, потому что он был ближе к нам, когда фотоны начали своё путешествие. Это приводит к разнице в поверхностной яркости объектов между статической и расширяющейся Вселенной. Это известно как тест поверхностной яркости Толмана, который в этих исследованиях подтверждает гипотезу расширяющейся Вселенной и исключает статические модели "уставшего света". Красное смещение непосредственно наблюдается и используется космологами в качестве прямой меры времени всматривания в прошлое. Они часто ссылаются на возраст и расстояние до объектов в терминах красного смещения, а не лет или световых лет. В такой шкале Большой взрыв соответствует красному смещению, равному бесконечности.
Tired light was an idea that came about due to the observation made by Edwin Hubble that distant galaxies have redshifts proportional to their distance. Redshift is a shift in the spectrum of the emitted electromagnetic radiation from an object toward lower energies and frequencies, associated with the phenomenon of the Doppler effect. Observers of spiral nebulae such as Vesto Slipher observed that these objects (now known to be separate galaxies) generally exhibited redshift rather than blueshifts independent of where they were located. Since the relation holds in all directions it cannot be attributed to normal movement with respect to a background which would show an assortment of redshifts and blueshifts. Everything is moving away from the Milky Way galaxy. Hubble's contribution was to show that the magnitude of the redshift correlated strongly with the distance to the galaxies. Basing on Slipher's and Hubble's data, in 1927 Georges Lemaître realized that this correlation could fit non static solutions to the equations of Einstein's theory of gravity, the Friedmann–Lemaître solutions. However Lemaître's article was appreciated only after Hubble's publication of 1929. The universal redshift distance relation in this solution is attributable to the effect an expanding universe has on a photon traveling on a null spacetime interval (also known as a "light like" geodesic). In this formulation, there was still an analogous effect to the Doppler effect, though relative velocities need to be handled with more care since distances can be defined in different ways in an expanding universe. At the same time, other explanations were proposed that did not concord with general relativity. Edward Milne proposed an explanation compatible with special relativity but not general relativity that there was a giant explosion that could explain redshifts (see Milne universe). Others proposed that systematic effects could explain the redshift distance correlation. Along this line, Fritz Zwicky proposed a "tired light" mechanism in 1929. Zwicky suggested that photons might slowly lose energy as they travel vast distances through a static universe by interaction with matter or other photons, or by some novel physical mechanism. Since a decrease in energy corresponds to an increase in light's wavelength, this effect would produce a redshift in spectral lines that increase proportionally with the distance of the source. The term "tired light" was coined by Richard Tolman in the early 1930s as a way to refer to this idea. Helge Kragh has noted "Zwicky’s hypothesis was the best known and most elaborate alternative to the expanding universe, but it was far from the only one. More than a dozen physicists, astronomers and amateur scientists proposed in the 1930s tired light ideas having in common the assumption of nebular photons interacting with intergalactic matter to which they transferred part of their energy." Kragh noted in particular John Quincy Stewart, William Duncan MacMillan, and Walther Nernst. Tired light mechanisms were among the proposed alternatives to the Big Bang and the Steady State cosmologies, both of which relied on the general relativistic expansion of the universe of the FRW metric. Through the middle of the twentieth century, most cosmologists supported one of these two paradigms, but there were a few scientists, especially those who were working on alternatives to general relativity, who worked with the tired light alternative. As the discipline of observational cosmology developed in the late twentieth century and the associated data became more numerous and accurate, the Big Bang emerged as the cosmological theory most supported by the observational evidence, and it remains the accepted consensus model with a current parametrization that precisely specifies the state and evolution of the universe. Although the proposals of "tired light cosmologies" are now more or less relegated to the dustbin of history, as a completely alternative proposal tired light cosmologies were considered a remote possibility worthy of some consideration in cosmology texts well into the 1980s, though it was dismissed as an unlikely and ad hoc proposal by mainstream astrophysicists. By the 1990s and on into the twenty first century, a number of falsifying observations have shown that "tired light" hypotheses are not viable explanations for cosmological redshifts. For example, in a static universe with tired light mechanisms, the surface brightness of stars and galaxies should be constant, that is, the farther an object is, the less light we receive, but its apparent area diminishes as well, so the light received divided by the apparent area should be constant. In an expanding universe, the surface brightness diminishes with distance. As the observed object recedes, photons are emitted at a reduced rate because each photon has to travel a distance that is a little longer than the previous one, while its energy is reduced a little because of increasing redshift at a larger distance. On the other hand, in an expanding universe, the object appears to be larger than it really is, because it was closer to us when the photons started their travel. This causes a difference in surface brilliance of objects between a static and an expanding Universe. This is known as the Tolman surface brightness test that in those studies favors the expanding universe hypothesis and rules out static tired light models. Redshift is directly observable and used by cosmologists as a direct measure of lookback time. They often refer to age and distance to objects in terms of redshift rather than years or light years. In such a scale, the Big Bang corresponds to a redshift of infinity.