3.6. Красное смещение

Мельников В.И.

Красное смещение было открыто Слайфером в 1914 г. по спектрам небольшого количества космических объектов (внегалактических туманностей). В 1929 г. на более обширном материале Хаббл установил примерную линейную зависимость его от расстояния. Фиолетовое смещение обнаружено для ближайших галактик. Красное смещение в настоящее время является основным фактом, лежащим в основе современной космологии [15, 16, 17, 33, 34, 49, 94]. Красное смещение измеряется одной величиной

где Δλ – изменение длины электромагнитного излучения; λ – длина исходной волны.

Независимость Z от λ лежит в основе современной интерпретации метагалактического красного смещения как обобщенного эффекта Доплера. В системе отсчета, сопутствующей Метагалактике, этот эффект сводится к собственно продольному эффекту Доплера, обусловленному деформацией этой системы. Обсуждение вопроса о возможности иного объяснения метагалактического красного смещения показало, что все другие физические процессы, привлекавшиеся для такого объяснения, как гипотетические, так и действительно существующие, недостаточны. Они либо вообще не могут привести к красному смещению (таково, например, рассеяние фотонов на дираковском фоне электронов или спонтанное расщепление фотонов), либо приводят к слишком слабому красному смещению (таково, например, излучение гравитационных волн электромагнитными волнами), либо, наконец, должны вызывать, кроме красного смещения, такие побочные явления, которые в действительности отсутствуют (таково, например, рассеяние фотонов на каких-либо частицах). Таким образом, в результате дискуссии пришли к выводу, что продольный эффект Доплера (по отношению к сопутствующей системе отсчета) остается единственным известным физическим явлением, которым можно объяснить свойства метагалактического красного смещения.

Доплерово истолкование красного смещения приводит к представлению о расширении Метагалактики, именно о взаимном удалении одиночных галактик и скоплений галактик, т.е. об увеличении расстояний между ними, которое, вообще говоря, не сопровождается подобным же увеличением размеров галактик и космических тел.

Однако дальнейшая история подобной интерпретации и использование ее для построения многочисленных космологических моделей Вселенной на основе использования общей теории относительности, однородной и неоднородной, изотропной и анизотропной Вселенной, однородности и неоднородности пространственно-временного континуума, предложений о тех или иных распределениях массы во Вселенной и других исходных условий, привели к построению большого количества различных космологических моделей Вселенной.

Основные затруднения, сыгравшие явную или неявную роль в появлении новых теории, заключаются в следующем [33, 34].

1. Множественность моделей. Во-первых, при любом значении космологической постоянной уравнения Эйнштейна допускают однородные изотропные модели разных типов, различающиеся значением k и (при ) характером поведения со временем. Во-вторых, для каждого типа уравнения дают континуум решений. Множественность моделей естественна, если их применяют лишь к ограниченным областям вселенной. Но модель Вселенной как целого, если такая модель вообще принципиально возможна (что далеко не очевидно), должна быть единственна, как единственна и сама Вселенная.

2. Необъясненная эмпирическая связь метагалактических параметров с микрофизическими константами. Именно безразмерные отношения микрофизических (составленных из с, элементарного заряда е и массы электрона m) величин к Н (постоянная Хаббла) и ρ (распределенная плотность материи во вселенной, т.е. Q₁ = mc³ / e³H и Q₂ = m⁴c⁶ / e⁶ρ) в современную эпоху по порядку величины (грубо говоря, около 10⁴⁰) мало отличаются друг от друга и от отношения электростатической и гравитационной сил, действующих между протоном и электроном (т.е. Q₃ = e² / γ m m_p, где m_p – масса протона, γ – гравитационная постоянная). Следствием этих двух совпадений являются и другие, например близость числа нуклонов в сфере радиуса сН^-1 (Q₄ = 4 π c³p / 3 m_p H²) к Q₁², Q₂², Q₃². (В моделях, для которых существует алгебраическая связь между Н и ρ, число независимых совпадений снижается до одного). Для объяснения указанных совпадений одной лишь теории тяготения, очевидно, недостаточно.

Возможно, эти совпадения относятся лишь к некоторым предельным значениям метагалактических параметров и имеют чисто космогоническое значение. Последнее естественно, если применять модели к ограниченным областям вселенной. Но по отношению к модели вселенной как целого указанные совпадения приобретают иной, существенно космологический характер.

3. Наличие сингулярностей («особых состояний») в начале расширения (за исключением типов A₂ и M₂ при Λ > 0) и в конце сжатия (Λ – коэффициент из уравнений Эйнштейна). Эти сингулярности в решениях являются границами интервала времени, на котором теория применима или имеет смысл, и могут указывать, например, на недостаточность теории тяготения Эйнштейна при очень высокой плотности (во всяком случае, выше ядерной). В применении ко Вселенной как целому они истолковывались как границы (начало, конец) течения времени или существования Вселенной, что было очевидным образом использовано для теологических выводов. Вместе с тем в прошлом предполагали, что происхождение химических элементов можно объяснить прохождением вселенной через состояния, близкие к особым. Это предположение способствовало сохранению идеи расширения от «особого состояния». В настоящее время происхождение элементов в грубых чертах объясняют в теории эволюции звезд, вне связи с идеей «особого состояния».

4. Затруднения со шкалой времени, т.е. невязки между продолжительностью эпохи расширения Т, с одной стороны, и космогоническими оценками возрастов различных объектов – с другой. При старой шкале метагалактических расстояний, принятой до 1952 г., H₀^-1 = 1,8 млрд. лет. Это значение меньше оценок возрастов земной коры и химических элементов, что приводило к противоречию при Λ <= 0, когда T < H₀^-1. Но так как в прошлом эмпирическое значение q0 было еще менее определенным, чем в настоящее время, то для устранения противоречия можно было положить Λ > 0. Однако и при этом было чрезвычайно трудно согласовать продолжительность эпохи расширения с оценками порядка 10¹² – 10¹³ лет, которые получались (в 1920–30-х гг.) для возрастов галактик и их скоплений на основании статистико-механических и других соображений (так называемая «долгая» шкала – в отличие от «короткой» шкалы в 10⁹ – 10¹⁰ лет, которая получалась для расширения Метагалактики и возрастов земной коры и химических элементов).

Впоследствии «долгая» шкала была признана неосновательной и почти всеми оставлена. В настоящее время можно говорить лишь о невязках в пределах «короткой» шкалы (между продолжительностью эпохи расширения и возрастом наиболее старых звезд и галактик).

5. Затруднения, испытываемые космогонией при объяснении происхождения различных космических объектов в современных физических условиях. В прошлом, ввиду этих затруднений, пытались относить образование космических объектов в прошедшие эпохи с иными физическими условиями к состояниям высокой плотности в моделях с сингулярностями, к стадии слабо ускоренного расширения в моделях типов A₂ и М₁ (Λ > 0) и даже к эпохе извечного сжатия в модели типа М₂ (Λ > 0). Однако впоследствии было выяснено, что существуют звезды и галактики различных возрастов и что процесс их образования (из диффузной или плотной материи), по-видимому, происходит и в настоящее время. Затруднения в объяснении их происхождения, в сущности, касаются больше космогонии, чем космологии.

6. Некоторые уклонения в распределении и движении галактик от однородности и изотропии. Обнаружение этих уклонений заставляет оттеснять применение постулатов однородности и изотропии ко все большим, менее исследованным масштабам.

Все перечисленные затруднения, кроме последнего, сыграли в соответствующее время свою роль в появлении новых теорий однородной изотропной Вселенной. Для развития теории анизотропной неоднородной Вселенной наибольшее значение имеют проблема сингулярностей, затруднения со шкалой времени (в их современной форме) и уклонения от однородности и изотропии.

Модели А. Эйнштейна, де Ситтера, А. Фридмана, Г. Робертсона, Ж. Леметра, А.З. Петрова, Э. Эддингтона, П. Дирака, Иордана, Милна, Бонда-Голда, Хойла, Гамова, Альфера, Зельдовича, Дж. Пиблса, А. Гута, А. Линде, Х. Альфена, А. Сахарова и др. [15, 31, 33, 49, 82, 85, 94, 113, 115] пытались устранить вышеуказанные и другие противоречия, но постепенно становилось ясно, что принятых при разработке моделей исходных данных либо недостаточно, либо они неверны, либо требуется принципиально новая постановка основных вопросов космологии, включая само определение космологии, ее основы, и даже понятия Вселенной [34].

Одним из таких принципиально новых постановок известных космологических вопросов и их решения может явиться использование в качестве методологической основы ТЗС и разработанной на ее основе модели обобщенного физического процесса (далее модель) (разд. 3.2). Указанная модель позволяет интерпретировать красное смещение, как результат некоторого гипотетического процесса затухания энергии волны, пропорционального пройденному расстоянию.

В соответствии с моделью процесс распространения электромагнитных волн является рядовым физическим процессом, описываемым рядом обобщенных параметров, в частности, уровнем, интенсивностью, сопротивлением, мощностью и др.

Интенсивность любого процесса в обобщенных параметрах (п. 3.2) описывается следующим выражением

I = U / R

где I и U – соответственно интенсивность и уровень процесса; R – сопротивление, преодолеваемое уровнем процесса.

Уровень U включает в себя все активные, движущие силы процесса, а сопротивление R объединяет все факторы, тормозящие процесс. Интенсивность I приобретает смысл результативности противостояния активных и тормозящих факторов.

Применительно к процессу перемещения в пространстве интенсивность приобретает смысл скорости перемещения, уровень – обобщенной движущей силы F₀, а R₀ – удельной обобщенной силы сопротивления относительно скорости v, т.е.

(24)

Переходя к обобщенному параметру мощности, получим

(25)

где N₁⁰ – обобщенная мощность, передаваемая внешней обобщенной силой F⁰ движущемуся объекту; N₂⁰ – обобщенная мощность, поглощаемая обобщенной силой сопротивления R⁰v.

Равенство N₁⁰ и N₂⁰ означает выполнение закона сохранения энергии. Из зависимости (24) и (25) следует, что при F⁰ = const v = ∞, если R⁰ = 0 и R⁰ > 0, если v < ∞.

Тело, обладающее массой, при отсутствии сопротивления R и действии некоторой внешней силы будет двигаться, как известно, ускоренно. Вследствие асимметрии области вторичного взаимодействия ее с окружающим вакуумом (разд. 3.2 и 3.3) возникнет сила инерции, направленная против движения и система сил будет замкнута.

Аналогично при перемещении в пространстве фотона в общем случае будут последовательно меняться состояния проходимых им точек пространства. Вследствие этого будут возникать вторичные («боковые») процессы взаимодействия этих измененных областей пространства с их окружающей средой (разд. 1.2), т.е. фотон, как перемещаемый элемент переменного электромагнитного поля, будет взаимодействовать не только с точками пространства по линии его движения, но и вследствие разницы состояний и по всем другим областям, расположенным по траектории его движения. На это «боковое» вторичное взаимодействие будет затрачиваться определенная часть его состояния (в частности энергии), пропорциональная объему этой суммарной среды и, следовательно, в целом пройденному пути, т.е. при распространении электромагнитных волн происходит уменьшение их энергии. При отсутствии внешнего источника энергии для излученного источником света фотона с энергией E = ħω потери энергии на преодоление пространства могут восполняться только за счет снижения частоты колебаний ω (при ħ = const).

Если рассматривать видимую часть спектра электромагнитных волн, то уменьшение частоты означает смещение их спектра в «красную» сторону. Механизм изменения частоты перемещаемой электромагнитной волны является предметом будущих исследований, но сама постановка такого вопроса уже является определенным вкладом в его решение. Естественно, с одной стороны возникает вопрос о правомерности распространения действия указанной модели на частный случай перемещения фотона. А с другой стороны, не менее справедливо можно поставить вопрос об обоснованности и причине отклонения одного частного физического процесса от законов обобщенного процесса, синтезированного из необозримого множества других частных процессов.

Таким образом, гораздо более вероятным является вывод об изменении частоты электромагнитной волны вследствие расходования части ее энергии на преодоление сопротивления среды при ее распространении. Следовательно, модель подтверждает гипотезу П. Дирака о «старении» фотонов, высказанную еще в 30-е годы 20 столетия. Диссипация энергии фотона в процессе перемещения рассматривалась и другими исследователями [62].

Поскольку такими же частными, рядовыми процессами являются и другие виды перемещения в пространстве, то явления затухания при перемещении, пропорциональные пройденному расстоянию, будут характерны и для них (например, распространение гравитационных волн).

В этом случае меняются представления о структуре, процессах и истории Вселенной.

В частности, можно предположить ряд возможных следствий.

1. Отсутствуют фотометрический, гравитационный и радиометрический парадоксы.

2. Снимается противоречие шкалы времени, начала и конца мира.

3. Нет необходимости вводить понятие сингулярности.

4. «Ближе» становятся космологические постоянные H, &pho; и микрофизические постоянные c, e и m_Э. Заметим, что масса электрона в соответствии с моделью имеет электрическую природу.

5. Создается возможность построения единой модели Вселенной, адекватной существующей реальной Вселенной как следствие п. 1–3.

В то же время наличие фиолетового смещения для некоторых близко расположенных галактик сохраняет вероятность его объяснения с помощью эффекта Доплера, как следствие пекулярных движений этих галактик. Примечательно, что речь идет лишь о близко расположенных галактиках, расстояние до которых не позволяет соответствующему затуханию «перекрыть» фиолетовое смещение.

В табл. 5 приведены результаты сопоставительного анализа результативности применения гипотез расширения Вселенной и «затухания» фотонов.

Таблица 5. Анализ вариантов интерпретации космологического красного смещения

Эмпирические данные и логические противоречия		Возможные варианты объяснения
		Эффект Доплера при расширяющейся Вселенной	Затухание фотонов
1.	Гравитационное красное смещение	–	+
2.	Ослабление яркости звёзд	–	+
3.	Красное смещение для дальних галактик	+	+
4.		+	возможен
5.	cz = H0r – для ближних галактик	+	возможен
6.	для дальних галактик	–	возможен
7.	Анизотропия красного смещения для близких галактик	–	возможен
8.	Размеры самих галактик и космических тел не увеличиваются	–	не требуется
9.	Фотометрический парадокс	+	+
10.	Гравитационный парадокс	+	+
11.	Радиометрический парадокс	+	+
12.	Зависимость красного смещения от звёздной величины	–	+
13.	Эмпирическая связь метагалактических и микрофизических параметров	–	возможен
14.	Противоречия между возможным возрастом космических объектов и временем существования Вселенной	–	возможен
15.	Отклонения в распределении и движении галактик	–	не требуется
16.	Нарушение законов сохранения	–	не требуется
17.	Нарушение принципов относительности	–	не требуется
18.	Причина расширения	–	не требуется
19.	Начало и конечность мира	–	не требуется
20.	Наличие сингулярности	–	не требуется
21.	Множество моделей	–	не требуется
22.	Кинематический фундамент мира	–	не требуется
23.	Основа мироздания – один частный, рядовой физический процесс	–	не требуется

* знак минус – нет объяснения, плюс – объяснение есть

Таким образом, введение гипотезы расширяющейся Вселенной ставит гораздо больше новых проблем, чем решает. Гипотеза с затуханием фотона не объясняет его механизма, но практически не ставит новых проблем.

Приведенное обоснование интерпретации космологического красного смещения, как следствие некоторого гипотетического процесса затухания электромагнитных волн при их распространении, снимает значительное число имеющихся противоречий и способствует созданию единой модели Вселенной.