Красное смещение и закон Хаббла

Здесь мы не будем вникать в детали комплексной процедуры, используемой для обоснования лестницы расстояний. Заметим только, что эта процедура включает в себя много теоретических интерпретаций, в которых много сомнительных мест, и, которые подвергались ревизии, часто в неожиданных местах. Это будет проявляться по мере изложения».

Хаббл, используя свой метод аппроксимации расстояний, обосновал пропорциональную зависимость, известную сейчас как закон Хаббла, между величиной красного смещения и расстоянием до галактики. Он полагал, что ясно показал то, что наиболее далекие галактики имеют наибольшие красные смещения и поэтому движутся от нас наиболее быстро. Он принял это как достаточное доказательство, что Вселенная расширяется.

С течением времени эта идея так твердо обосновалась, что астрономы начали применять ее наоборот: Если расстояние пропорционально красному смещению, то по измеренному красному смещению можно просто вычислить расстояние до галактик.

Но как мы заметили, расстояния Хаббла определены не прямым измерением расстояния до галактик. Наоборот, они получены косвенно, из измерения видимой яркости галактик. Таким образом, модель расширяющейся Вселенной имеет два потенциальных изъяна:

во-первых, яркость небесных объектов может зависеть от других факторов, а не только от расстояния, и таким образом, расстояния, вычисленные из видимых яркостей галактик, могут быть недействительными;

во-вторых, возможно, что красное смещение не связано со скоростью.

Фактически, некоторое количество астрономов утверждают, что некоторые красные смещения не вызваны эффектом Доплера. И до сих пор стоит вопрос о правильности концепции расширяющейся Вселенной.

Астрономом, который поставил под сомнение интерпретацию, что все красные смещения вызваны эффектом Доплера, является Хэльтон Арп. На Паломаре он наблюдал много примеров противоречивых красных смещений, которые не подчиняются закону Хаббла. Анализируя их, он предположил, что красные смещения в общем случае могут быть вызваны другими, отличными от эффекта Доплера, механизмами.

Здесь возникает вопрос, почему ученые интерпретируют красные смещения исключительно эффектом Доплера. Может быть правильно то, что эффект Доплера вызывает красное смещение, но откуда наверняка можно знать, что красное смещение вызвано именно эффектом Доплера?

Одной из главных причин такого заключения является то, что согласно современной физике красное смещение может вызывать, исключая эффект Доплера, только мощное гравитационное поле. Если свет движется против гравитационного поля, то он частично теряет свою энергию и испытывает красное смещение. Однако, астрономы не находят такое объяснение приемлемым для звезд и галактик, потому что, чтобы вызвать наблюдаемое красное смещение, гравитационное поле должно быть неправдоподобно сильным.

Арп сообщает, что он нашел объект с большим красным смещением в непосредственной близости от другого, имеющего малое красное смещение. Согласно стандартной теории расширяющейся Вселенной, объект с малым красным смещением должен быть относительно ближе к нам, а объект с большим красным смещением должен быть дальше. Таким образом, два объекта, находящиеся близко друг к другу, должны иметь примерно одинаковые красные смещения.

Однако, Арп приводит следующий пример: Спиральная галактика NGC 7603 связана с соседней галактикой при помощи светящегося моста, и тем не менее соседняя галактика имеет красное смещение на 8000 километров в секунду больше чем спиральная галактика. Если судить по разнице их красных смещений, галактики должны быть в значительных расстояниях друг от друга, определенно, соседняя галактика должна находиться на 478 миллионов световых лет дальше - уже странно, ведь две галактики достаточно близки для физического контакта. Сравнения их, наша Галактика отстает от ближайшей соседки, галактики Андромеды, всего на 2 миллиона световых лет.

Конечно, имеются сторонники стандартной точки зрения, которые сильно не согласны с интерпретацией Арпа. Они полагают, что объекты на самом деле расположены далеко друг от друга, а их видимая близость только кажущаяся. Так называемый светящийся мост существует, но более далекая галактика только случайно оказалась сзади моста вдоль нашего луча зрения.

Тем не менее, Арп отмечает значительную поверхностность в рассуждениях противников его идеи: «Галактика, которую они показывают, в любом случае необычна. Светящийся мост к звезде является просто одним из его обычных спиральных рукавов». Однако в примере Арпа мост является необычной структурой, не является нормой в таких галактиках. Вероятность того, что две галактики указанных типов расположатся в такой конфигурации намного меньше чем вероятность того, что звезда Млечного Пути встанет на одной линии с обычной галактикой.

Арп нашел много других примеров, которые противоречат традиционному пониманию красного смещения. Здесь представлен один из наиболее спорных открытий. Квазар Makarian 205, вблизи спиральной галактики NGC 4319 визуально связан с галактикой посредством светящегося моста. Галактика имеет красное смещение 1,800 километров в секунду, соответствующее расстоянию около 107 миллионам световых лет. Квазар имеет красное смещение 21,000 километров в секунду, который должен означать, что он находиться на расстоянии 1,24 миллиардов световых лет. Но Арп предположил, что эти объекты определенно связаны и это показывает, что стандартная интерпретация красного смещения ошибочна в этом случае. (Можно заметить, кстати, тот факт, что астрономы выражают красное смещение в километрах в секунду. Это показывает их приверженность к идее, которая объясняет красное смещение эффектом Доплера.)

Критики заявили, что не нашли связующего моста, показанного в картине Арпа на фотографии галактики NGC 4319. Другие сообщили, что мост является "поддельным фотографическим эффектом". Но позднее Джек М. Сулентик из Алабамского университета сделал обширное фотометрическое исследование этих двух объектов и заключил, что связующий мост реален.

Другим примером противоречивого красного смещения, замеченный Арпом, является находка в высшей степени необычной цепи галактик, называемой, Воронцов-Вельяминов 172, в честь русского первооткрывателя. В этой цепочке галактик меньший, более компактный член имеет красное смещение вдвое больше чем другие.

Кроме пары галактик с противоречивыми красными смещениями, Арп обратил внимание на кое-что даже более страннее - оказывается, что квазары и галактики могут извергать другие квазары и галактики. Здесь приводятся несколько примеров: Взрывающаяся галактика NGC 520 имеет явно малое красное смещение. Четыре слабых квазара, расположены вдоль прямой линии, движущихся к юго-востоку от галактики. Арп доказал, что эти слабые квазары единственные в этом регионе. Может ли быть простой случайностью, что они выстроились почти в одну линию от галактики? Арп утверждал, что такой шанс крайне мал и предположил, что квазары извергаются из взрывающейся галактики.

Достаточно интересно, что квазары имеют красное смещение намного больше, чем галактика, которая, кажется, является их родителем. Примечательно, что согласно стандартной теории красного смещения, квазары должны быть намного дальше, чем галактика. Арп интерпретирует этот и другие сходные примеры, предполагая, что только что извергнутые квазары рождаются с большими красным смещениями, и постепенно, их красные смещения уменьшаются с течением времени.

Некоторые ученые задают вопрос, реально ли для галактики извергать другие массивные объекты, такие как, галактики или квазары. В ответ Арп указывает на поразительную фотографию гигантской галактики М87, извергающую струю материи. Когда мы рассматриваем эллиптические галактики в регионе вокруг галактики М87 (тоже эллиптического типа), мы видим, что они все падают в направлении извергаемой струи материи. Астрономы предполагают, как и Арп, что эти галактики извергнуты из М87.

Как может одна галактика испускать другую галактику? Если галактика является "островной вселенной", состоящей из обширного агрегата звезд и газа, как она может испускать другую галактику, являющейся таким же агрегатом из звезд и газа?

Вполне вероятно, что радиоастрономия может дать ключ. В последнее время радиоастрономы уверяют, что обширные области радиоэмиссии могут быть извергнуты из галактик. Эти эмиссионные области существуют в парах с каждой стороны некоторых галактик. Для объяснения этого, астрономы постулируют существованье гигантских вращающихся черных дыр в центре галактики, которые пожирают ближайшие звезды и выплевывают материю в обоих направлениях вдоль оси вращения. Тем не менее, если анализ Арпа верен, он не только объясняет области эмиссионного излучения, которые могут состоять из тонкого газа, но и такой факт, что внутренность галактики или предшественники галактик могут вылетать.

Возвращаясь к красным смещениям таких вылетающих галактик и квазаров, Арп нашел следующее: Извергнутые объекты обладают намного большим красным смещением, чем их родитель, хотя и находятся в непосредственной близости от него. Арп объясняет это только тем, что их красные смещения не вызваны эффектом Доплера. Так что астрономы измеряют не скорость, с которым объект удаляется. Скорее всего, красное смещение связано с реальным физическим состоянием объекта.

Однако настоящие законы физики не дают ответ на вопрос, что за состояние это может быть. До сих пор думают, что галактика состоит из отдельных звезд плюс облаков газа и пыли. Какие же качества она может иметь, чтобы в результате получить красное смещение, вызванное не эффектом Доплера или гравитацией? Это не может быть объяснено в терминах известных физических законов.

Конечно, находки Арпа очень спорны, и многие астрономы сомневаются, что такая связь между галактиками и квазарами может быть действительно реальна. Но это всего лишь одна линия доказательства, предполагающая, что стандартная интерпретация красного смещения галактик может быть изменена.

Другая линия доказательства включает в себя постоянную Хаббла, которая является ядром модели расширяющейся Вселенной. Как было видно, согласно модели большого взрыва, чем дальше находиться галактика, тем быстрее она движется. Согласно закону Хаббла скорость удаления галактик должна равняться расстоянию до него, умноженному на число, называемой постоянной Хаббла. Астрономы, используя этот закон, получают возможность вычислить расстояние до галактик просто из красного смещения. Найдя красное смещение и разделив на постоянную Хаббла, и получаем расстояние.

Также по постоянной Хаббла астрономы получают размеры Вселенной. Они могут измерить красное смещение до наиболее далеких объектов и использовать постоянную Хаббла для определения их расстояния. Поэтому, постоянная Хаббла является крайне важным числом. Например, если удвоить постоянную, а также удвоить оцениваемый размер Вселенной. Очевидно, что точная величина постоянной Хаббла необходима для определения размера Вселенной с любой степенью точности.

Однако, в разные годы разные ученые получали много различных величин постоянной Хаббла. Эта постоянная выражается в километрах в секунду на мегапарсек. (Мегапарсек - это единица космических расстояний, равная 3.3 миллионам световых лет.) В 1929 году величина постоянной Хаббла была 500. В 1931 году она была равна 550. В 1936 году она была равна 520 или 526. В 1950 году она была дана как 260, т.е. значительно упала. В 1956 году она упала до 176 или 180. В 1958 году она упала еще дальше вниз, до 75, но в 1968 году она подпрыгнула обратно до 98. В 1972 году она, по большому счету,

простиралась от 50 вплоть до 130. Сегодня, постоянную Хаббла приняли как 55. Все это изменение привело одного астронома сказать, что, возможно, постоянную Хаббла лучше назвать переменной Хаббла.

Конечно, эти изменения в течение десятилетий можно объяснить тем, что ученые улучшали свои методы и повышали качество вычислений. Но даже в этом случае, кажется, что не все здесь верно.

Если Вселенная расширяется согласно закону пропорциональности равномерно, как может быть, что так много наблюдателей получают так много различных величин для скорости расширения?

Один из ученых - Вигер заметил, что когда астрономы измеряют в различных направлениях, они находят различные скорости расширения. Затем он обратил внимание на что-то даже более страннее: Небо может быть разделено на два набора направлений. Первым является набор направлений, в котором множество галактик лежат впереди более далеких галактик. Вторым является набор направлений, в котором далекие галактики находятся без галактик переднего фона.

Согласно Вигеру, когда свет проходит сквозь пространство, ее спектр испытывает красное смещение просто после прохождения определенного расстояния. Это происходит в согласии с физическими законами, точно подобно другим явлениям. Существует закон требующий, что когда свет движется в пространстве, он испытывает красное смещение, Однако, этот эффект так мал, что не может просто измеряться в земных лабораториях, но когда свет проходит обширные расстояния между галактиками, эффект начинает проявляться.

Этот эффект называется гипотезой старения света, потому что свет теряет свою энергию, пересекая пространство. И чем больше свет стареет, тем краснее он становиться. Поэтому красное смещение пропорционально расстоянию, а не скорости объекта. Вигер обрисовал Вселенную как не расширяющуюся. Все галактики более или менее стационарны. Красное смещение - это не эффект Доплера; ничего не надо делать со скоростью источника света. Красное смещение вызвано внутренним свойством самого света, т.е. свет становиться старее после прохождения достаточно длинной дистанции.

Вигер предположил, что существует некий сорт частиц в межгалактическом пространстве, который взаимодействует со светом, таким способом, что эти частицы отбирают энергию света. В громадном большинстве массивных объектов этих частиц больше чем других. Используя эту идею, Вигер объяснил различные красные смещения следующим способом: Свет проходя через галактики переднего фона, встречает больше этих частиц и поэтому, теряет больше энергии, чем свет не проходящий через область галактик переднего фона. Таким образом, свет пересекающий области галактик переднего фона, испытывает большее красное смещение и это приводит к различным величинам для постоянной Хаббла.

Вигер также сослался на дополнительное доказательство для не скоростных красных смещений. Например, если измерить свет от звезды, проходящего близко к Солнцу, то он покажет большее красное смещение, чем если бы звезду наблюдали в другой области неба. Такие измерения могут проводиться только во время полного солнечного затмения, когда звезды, близкие к солнечному диску, станут, видимы в темноте.

Вигер объяснил красные смещения в терминах не расширяющейся Вселенной, в котором поведение света чем-то отлично от нормально предполагаемого поведения. Вигер претендует на то, что его модель аппроксимирует астрономические данные лучше чем стандартная модель расширяющейся Вселенной, которая не может объяснить широкого различия величин, полученных для постоянной Хаббла. Согласно Вигеру, не скоростные красные смещения могут быть глобальной особенностью Вселенной. Вселенная очень хорошо может быть статичной, и, таким образом, здесь нет необходимости в теории большого взрыва.

Заключение

Анализ так называемых космологических парадоксов позволяет заключить следующее.

1. Мировое пространство не является пустым, оно заполнено некоторой средой, назовем ли мы эту среду эфиром или физическим вакуумом. При движении в этой среде фотоны теряют энергию пропорционально пройденному ими расстоянию, вследствие чего излучение фотонов смещается в красную часть спектра. В результате взаимодействия с фотонами температура вакуума или эфира повышается на несколько градусов выше абсолютного нуля, вследствие чего вакуум становится источником вторичного излучения, соответствующего его абсолютной температуре, что и наблюдается в действительности. На частоте этого излучения, которое действительно является фоновым излучением вакуума, все небо оказывается одинаково ярким.

2. В бесконечной Вселенной, размеры которой не могут быть выражены никаким, сколь угодно большим числом, равномерно заполненной веществом при ненулевой его плотности, величина сил тяготения, действующих в любой точке Вселенной, равна нулю – это и есть истинный гравитационный парадокс бесконечной Вселенной. Равенство нулю сил тяготения в любой точке бесконечной Вселенной, равномерно заполненной веществом, означает, что пространство в такой Вселенной всюду является Евклидовым.

В конечной Вселенной, т.е. во Вселенной, размеры которой могут быть выражены какими-то, пусть и очень большими числами, на пробное тело, находящееся «на краю» Вселенной, действует сила притяжения, пропорциональная массе заключенного в ней вещества, вследствие чего это тело будет стремиться к центру Вселенной – конечная Вселенная, вещество которой равномерно распределено во всем ее ограниченном объеме, обречена на сжатие, которое никогда не сменится расширением без какого-то внешнего воздействия.

Таким образом, все возражения, или парадоксы, направленные, как считают, против возможности существования бесконечной во времени и пространстве Вселенной, в действительности направлены против возможности существования именно конечной Вселенной. В действительности, Вселенная бесконечна и в пространстве, и во времени; бесконечна в том смысле, что ни размеры Вселенной, ни количество заключенного в ней вещества, ни время ее жизни не могут быть выражены никакими, сколь угодно большими числами – бесконечность, она и есть бесконечность. Бесконечная Вселенная никогда не возникала ни как результат внезапного и необъяснимого расширения и дальнейшего развития некоторого «доматериального» объекта, ни как результат Божественного творения.

Список используемой литературы:

1. Климишин И.А. Релятивистская астрономия. М.: Наука, 1983.

2. Хокинг С. От большого взрыва до черных дыр. М.: Мир, 1990.

3. Новиков И.Д. Эволюция Вселенной. М.: Наука, 1983.

4. Наука в культуре. – М.: «Эдиториал УРСС», 1998. – 384 с.

5. Никифоров А.Л. Философия науки: История и теория (учебное пособие). – М.: Идея-Пресс, 2006. – 264 с.

6. Розен В.В. Концепции современного естествознания: конспект лекций. – М.: Айрис - Пресс, 2004, - 240 с.

7. Агекян Т.А. Звезды, галактики, Метагалактика. Главная редакция физико-математической литературы. М.: Наука, 1981.

8. Маркс К. Энгельс Ф. Избранные сочинения, т. 5. М.: Издательство политической литературы, 1986.