Красное смещение: доплер-эффект или гравитация?
Тема обсуждения
В недавно опубликованном здесь материале о космологической модели Неустойчивой решётки (НР), то есть модели Вселенной без Большого взрыва (БВ), не обсуждались такие доводы в пользу БВ, как космологическое красное смещение, наличие космологического горизонта и реликтового микроволнового излучения, которых в квазистационарной Вселенной быть, казалось бы, не должно. «Старение фотонов», объясняющее красное смещение света и наблюдаемое в некоторых случаях аномальное торможение тел передачей кинетической энергии от тел и фотонов флуктуациям вакуума, подвергается сомнениям после моделирования обстоятельств торможения аппаратов «Пионер», доказывающего тепловую природу торможения [1]. Наконец, и старение фотонов, и гравитационная гипотеза «покраснения» выглядят не совместимыми с динамикой эволюции сверхновых, которая коррелирует с их красным смещением, а в рамках этих двух гипотез, вроде, не должна бы.
Первый довод можно попытаться оспорить, заявив, что бесконечно протяжённая Вселенная не обязана быть стационарной, поскольку не придумано пока ещё запретов на её расширение (с соответствующим красным смещением) по каким-нибудь причинам. Другое дело, что неизвестная причина расширения — это на данный момент «излишняя сущность», а «бритва Оккама» настойчиво рекомендует таковых избегать при «измышлении гипотез». Удастся ли вписать красное смещение и т. п. в модель НР, не прибегая, по возможности, к новым сущностям?
Рассмотрим гравитационную гипотезу более внимательно.
Экскурс в корпускулярно-волновой дуализм
Двухщелевая интерференция одиночных микрообъектов (фотонов, электронов, атомов и даже довольно больших молекул) убедительно доказала их непредставимость только в виде волн или только в виде дискретных частиц. Распространяясь свободно, они ведут себя, как волны, а в актах взаимодействия типа рассеяния, поглощения или рождения — как частицы. Через щели интерферометра они проходят, как волны, а на экране, где регистрируются акты поглощения — как частицы. Щели интерферометра имеют размеры и удаление друг от друга, много превышающие размеры частиц экрана, которые поглощают прошедшие через щели частицы. Это значит, что фронт волны одиночной частицы много больше области, где эта частица может быть обнаружена.
Именно поэтому при прохождении препятствия с произвольным набором отверстий волновые фронты одиночных фотонов испытывают влияние всей конфигурации отверстий, что сказывается на распределении вероятных мест регистрации фотона после прохождения экрана. Но на фронт волны, помимо распределения коэффициента поглощения в этом препятствии могут действовать и другие пространственно протяжённые факторы.
На рисунке 1 изображена схема двухщелевого интерферометра, находящегося в однородном гравитационном поле, направленном против распространения фронта волны фотона. Здесь дополнительно проявляется красное смещение длины волны фотона вдоль направления распространения фронта, возрастающее по мере движения фотона, и соответствующее увеличение периода интерференционных полос (схематично изображённых справа от интерферометра) при удалении интерферометра от источника фотонов. Это значит, что гравитационное поле действует на весь фронт так, что места регистрации фотонов оказываются зависимыми от расстояния между источником фотонов и интерферометром.
Рисунок 1. Двухщелевая интерференция в однородном гравитационном поле
Перейдём к делу
Ю.В. Барышев, разделявший гравитационную гипотезу (о чём он мне сообщил в устной беседе), показал, что из наблюдений галактик, находящихся в пределах 100 МПс от Солнечной системы, следует, что их распределение соответствует фракталу с размерностью, примерно равной 2 [2]. Это означает, что количество галактик внутри некоторой сферы при увеличении её радиуса в k раз возрастает в k2 раз (а не в k3 раз, как было бы при равномерном распределении галактик в пространстве, то есть при фрактальной размерности, равной 3). Средняя плотность материи внутри этой сферы с увеличением её радиуса в k раз во столько же раз, в среднем, уменьшается.
Вернёмся к космологическим фотонам. Любой испущенный точечным источником фотон имеет сферический волновой фронт, радиус которого увеличивается со скоростью света. Расширяющийся сферический фронт космологического фотона (см. грубое приближение на рис. 2) находится под влиянием гравитации всей возрастающей гравитационной массы, охватываемой фронтом (часть этой массы в окрестности центра сферы изображена в виде сплошного чёрного круга). К любому участку сферического фронта на рис. 2 можно пододвинуть двухщелевой интерферометр и с некоторой вероятностью получить интерференционную картину, так же, как показано в верхней части рис. 1 (или обложить всю сферу интерферометрами и зарегистрировать интерференционную картину с большей вероятностью).
Сферически симметричное, в среднем, распределение тяготеющих масс, внешних по отношению к волновому фронту, отображённое в виде чёрного фона на периферии рисунка, создаёт лишь некоторые флюктуации напряжённости поля тяготения (идеальное сферически однородное их распределение напряжённости внутри фронта вообще не создаёт).
Рисунок 2. Гравитационное воздействие на фронт световой волны одиночного фотона
При фрактальном, по Барышеву, распределении галактик их суммарное поле, действующее на сферический фронт, не зависит от радиуса сферы, и фотон, испытывающий воздействие постоянного, в среднем, поля галактик изнутри фронта его волны, должен терять энергию равномерно в ходе увеличения радиуса фронта, в какой бы точке фронта он ни был, в конце концов, зарегистрирован (уже со 100%-й вероятностью). Всё как в опыте с однородным полем, изображённым в нижней части рис. 1. Несмотря на неожиданность такого подхода, я не нашёл в нём слабых мест.
Таким образом, постоянное, в среднем, гравитационное воздействие на сферические фронты излучаемых фотонов со стороны тяготеющих масс, охватываемых каждым из волновых фронтов, должно приводить к красному смещению, в среднем, пропорциональному длине пути фотона (радиусу его сферического фронта в момент его регистрации). Смещение спектров складывается, в общем случае, из доплеровского смещения (красного и фиолетового, вследствие разброса пекулярных скоростей), и гравитационного красного смещения, в среднем, пропорционального пути света от излучателя до приёмника.
В этой модели космологическим горизонтом оказывается геометрическое место точек, от которых до наблюдателя в принципе может дойти свет, преодолевая тяготение галактик Вселенной с фрактальной размерностью 2, охватываемых фронтом его волны.
Наличие горизонта исключает фотометрический парадокс, поскольку свет доходит до наблюдателя не от всех звёзд Вселенной, да и тот, что доходит из зоны космологического горизонта, оказывается значительно более красным, чем свет, исходящий от Солнца и подобных ему близких звёзд. То есть, в реальности невидимым для глаза.
Реликтовое микроволновое излучение в этой модели — это равновесное излучение от совокупности источников из зоны вблизи космологического горизонта, испущенное около 14 млрд лет назад. В каком-то смысле — аналог свечения звёздного неба, только сильно покрасневшего, по Ольберсу. Степень изотропности микроволнового фона локально соответствует степени сферической симметрии распределения источников вблизи горизонта. Вопрос о его теоретическом спектре — тема отдельной работы, пока не ясно, как к ней подойти. Но не всё сразу, как говорится.
Аргументы против гравитационной гипотезы исчерпаны?
Критики утверждают, что гипотеза «старения» фотонов (типа потерь на трение в вакууме) объясняет только космологическое красное смещение, но не влияет на измерение интервалов времени между удалёнными событиями в неподвижной системе отсчёта. Если замедление динамики развития удалённых сверхновых, действительно, коррелирует с их красным смещением, то гипотеза «старения» фотонов оказывается в затруднительном положении. Существует ли это затруднение в рамках гравитационной гипотезы?
Пусть по собственному времени сверхновой две фазы её развития разделяет промежуток времени в N периодов волны фотона с некоторой эталонной частотой. Очевидно, что удалённый наблюдатель зарегистрирует интервал времени между этими же фазами, также равный N периодам волны того же эталонного фотона, но испытавшего, в силу вышеизложенного, большее красное смещение к моменту его регистрации. То есть интервал между двумя фазами развития сверхновой, с точки зрения удалённого наблюдателя должен быть тем больше, чем дальше от этой сверхновой находится наблюдатель. Что и наблюдается, если верить сообщениям.
Из вышеизложенного я бы рискнул заключить, что серьёзных аргументов против гравитационной природы космологического красного смещения пока не видно. Но и победе радоваться рановато: не ясно ведь, как проявляется энергия, всё отдаваемая и отдаваемая фотонами гравитационному полю, да и вопрос о температуре фонового излучения остаётся… Время покажет!
ЛИТЕРАТУРА
1. Rievers B., Lämmerzahl C. High precision thermal modeling of complex systems with application to the flyby and Pioneer anomaly // Annalen der Physik : journal. — 2011. — Vol. 523, no. 6. — P. 439.
2. Барышев Ю., Теерикорпи П., Фрактальная структура Вселенной, САО РАН, 2005.
