О красном смещении

Размещено на http://www.allbest.ru/

О красном смещении

В 1913 году американский астроном Весто Мелвин Слифер (Vesto Melvin Slipher), изучая спектры света, проходящего из десятка известных туманностей, подметил один важный аспект в полученных данных, а именно: наблюдаемая длина спектральных световых волн, излучаемых атомами удаленных галактик, несколько ниже длины спектральных волн, излучаемых теми же атомами в условиях земных лабораторий. То есть в спектре излучения соседних галактик квант света, излучаемый атомом при скачке электрона с орбиты на орбиту, смещен по частоте в направлении красной части спектра по сравнению с аналогичным квантом, испущенным таким же атомом на Земле. Слифер объяснил красное смещение эффектом Доплера и решил, что галактики должны удаляться от наблюдателя.

Следующий шаг, ведущий к убеждению в расширении Вселенной, был сделан в 1917 году, когда Эйнштейн опубликовал свою теорию Относительности [32]. Согласно теории Эйнштейна, существует множество форм, которое может принимать пространство. Одна из них - замкнутое пространство без границ, похожее на поверхность сферы; другая - отрицательно искривлённое пространство, которое бесконечно простирается во всех направлениях. Сам Эйнштейн думал, что Вселенная статична, и он приспособил своё уравнение для этого. Но почти в то же время, датский астроном Вильям де Ситтер (Willem de Sitter) нашёл решение уравнения Эйнштейна, которое предсказывало расширение Вселенной.

Работа Вильяма де Ситтера вызвала интерес среди астрономов всего мира. Среди них был Эдвин Хаббл (Edwin Hubble). Он присутствовал на конференции Американского Астрономического Общества (American Astronomical Society) в 1914 году, когда Слифер докладывал о своих оригинальных находках в движении галактик

В 1928 году в обсерватории Маунт Вильсон (Mt. Wilson) Хаббл взялся за работу в попытке соединить теорию Вильяма де Ситтера о расширяющейся Вселенной и наблюдения удаляющихся галактик Слифера.

Хаббл рассуждал примерно так: - «в расширяющейся Вселенной, вы должны ожидать удаление галактик друг от друга. И, более далёкие галактики будут удаляться друг от друга быстрее. Это должно означать, что из любой точки, включая Землю, наблюдатель должен видеть, что все другие галактики удаляются от него, и, в среднем, более далёкие галактики должны двигаться быстрее…». Он наблюдал, что в спектрах большинства галактик имеет место красное смещение, и галактики в наибольших расстояниях от нас имеют бульшее красное смещение. Хаббл взял на себя смелость интерпретировать это наблюдение как проявление эффекта Доплера, а это означало, что все наблюдаемые соседние галактики удаляются от Земли, поскольку у практически всех галактических объектов за пределами Млечного Пути наблюдается именно красное спектральное смещение, пропорциональное скорости их удаления (космологическое красное смещение).

Хаббл сопоставил результаты своих измерений расстояний до соседних галактик (по наблюдениям переменных цефеид) с измерениями скоростей их удаления (по красному смещению) и выяснил, что чем дальше находится галактика, тем с большей скоростью она удаляется. Это самое явление «разбегания» видимой Вселенной с нарастающей скоростью по мере удаления от локальной точки наблюдения и получило название закона Хаббла:

V = H* r

где V-- скорость удаления галактики от нас, r -- расстояние до нее, а H -- так называемая постоянная Хаббла. Последняя определяется экспериментально, и на сегодняшний день оценивается как равная примерно 70 км/(с·Мпк) (километров в секунду на мегапарсек; 1 Мпк приблизительно равен 3,3 миллионам световых лет). А это означает, что галактика, удаленная от нас на расстояние 10 мегапарсек, убегает от нас со скоростью 700 км/с, галактика, удаленная на 100 Мпк, -- со скоростью 7000 км/с, и т. д. И, хотя изначально Хаббл пришел к этому закону по результатом наблюдения всего нескольких ближайших к нам галактик, ни одна из множества открытых с тех пор новых, всё более удаленных от Млечного Пути галактик видимой Вселенной из-под действия этого закона не выпадает.

Итак, главное следствие закона Хаббла - Вселенная расширяется!

Однако закон Хаббла подсказал еще кое-что о природе Вселенной -- у Вселенной было начало во времени. И это весьма несложное умозаключении, если мысленно «прокрутить назад» условную кинокартину наблюдаемого нами расширения Вселенной -- и мы дойдем до точки, когда всё вещество мироздания было сжато в плотный комок протоматерии, заключенный в совсем небольшом в сопоставлении с нынешними масштабами Вселенной объеме. Представление о Вселенной, родившейся из сверхплотного сгустка сверхгорячего вещества и с тех пор расширяющейся и остывающей, получило название теории Большого взрыва, и считается наиболее удачной на сегодня космологической моделью происхождения и эволюции Вселенной.

Второе следствие закона Хаббла - теория Большого взрыва.

Закон Хаббла, помог также оценить возраст Вселенной (конечно, весьма упрощенно и приблизительно). Предположим, что все галактики с самого начала удалялись от нас с той же скоростью V, которую мы наблюдаем сегодня. Пусть t -- время, прошедшее с начала их разлета. Это и будет возраст Вселенной, и определяется он соотношениями:

V * t = r, или t = r/V

А из закона Хаббла следует, что

r/V = 1/H

Значит, измерив скорости удаления внешних галактик и экспериментально определив Н, мы тем самым получаем и оценку времени, в течение которого галактики разбегаются. Это и есть предполагаемое время существования Вселенной. По самым последним оценкам, возраст нашей Вселенной составляет около 15 миллиардов лет, плюс-минус несколько миллиардов лет.

Кроме космологического красного смещения известно понятие гравитационного красного смещения. Ослабление энергии света, излучаемого звездами с сильной гравитацией, было предсказано Джоном Митчеллом еще в 1783 году, на основе корпускулярного представления о свете. Влияние гравитации на свет исследовали в свое время Пьер-Симон Лаплас и Иоганн Георг Ван Зольднер (1801) задолго до того, как Альберт Эйнштейн в статье 1911 года о свете и гравитации вывел свой вариант формулы для этого эффекта. Эйнштейн пошел намного дальше своих предшественников и показал, что ключевым следствием из гравитационного красного смещения является гравитационное замедление времени. Это была очень оригинальная и революционная идея. Эйнштейн впервые предположил, что потерю энергии фотоном при переходе в область с более высоким гравитационным потенциалом можно объяснить через разность хода времени в точках приема и передачи сигнала. Энергия кванта электромагнитного излучения пропорциональна его частоте согласно знаменитой формуле Эйнштейна , где - постоянная Планка. Таким образом, если время для приёмника и передатчика течет с разной скоростью, наблюдаемая частота излучения, а вместе с ней и энергия отдельных квантов, тоже будет различной для приёмника и передатчика.

Открытие эффекта Мессбауэра [1] создало возможность экспериментальной проверки общей теории относительности (ОТО) в лабораторных условиях, а именно возможность показать влияние гравитационного поля Земли на частоту фотона. И такие эксперименты были проведены в 1959 году Паундом и Ребкой [21-23]. Однако результаты этих опытов вызвали большую дискуссию на страницах научных журналов.

Паунд и Ребки провели эксперимент, в котором приемник гамма-излучения был расположен на высоте Н = 22.5 м над источником (также проводился эксперимент, когда источник находился вверху, приемник внизу). Соответствующее изменение гравитационного потенциала должно было привести к гравитационному смещению спектральных линий в красную сторону на величину Z = 2.5*10^-15. Сдвиг линий испускания и поглощения оказался в соответствии с теорией [21-23]

Следует отметить, что в научной литературе по ОТО существует два объяснения красного гравитационного смещения спектральных линий [30].

Сторонники первого объяснения [4,11-19] считают, что фотон обладает энергией E и, следовательно, он обладает массой . Когда фотон движется против действия гравитационного притяжения, то он совершает работу, и в результате его энергия уменьшается на величину:

.

Так как частота фотона н пропорциональна его энергии:

,

то уменьшение энергии фотона приводит к понижению его частоты:

.

И наблюдатель, находящийся выше источника излучений, обнаружит, что частота фотонов, испускаемых атомами источника и прилетевших в приемник, ниже, чем частота фотонов, испускаемых точно такими же атомами возле приемника, на относительную величину .

Сторонники второго объяснения [2,3,5-8,26-29] считают, что местное время в источнике течёт медленнее, чем в приемнике, находящемся выше, на относительную величину. Например, стандартные атомные часы в области, где гравитационный потенциал больше, будут идти медленнее, чем точно такие же часы в области с меньшим гравитационным потенциалом. Наблюдатель в верхней точке обнаружит, что все физические процессы, происходящие в нижней точке, идут медленнее, чем у него. В частности, он обнаружит, что частота фотонов, испускаемых атомами источника, меньше на относительную величину , чем частота фотонов, испускаемых точно такими же атомами возле приемника.

Во многих учебниках, научно-популярных книгах и даже монографиях по ОТО [12-19] оба эти объяснения преподносятся так, как будто это просто разные способы описания одного и того же явления. Однако простой анализ показывает, что это не так.

Предположения, которые лежат в основе этих объяснений, противоречат друг другу. В первом предполагается, что частота фотона, испущенного атомом внизу точно такая же, как и частота фотона, испущенного атомом вверху, и изменяется лишь в пути. А это, в свою очередь, означает, что скорость хода атомных часов (частота опорного генератора) внизу будет точно такой же, как и вверху. И это явно противоречит предположению, которое лежит в основе второго объяснения согласно которого скорость хода атомных часов внизу меньше, чем вверху.

Таким образом, два существующих объяснения красного смещения - это не различные взаимодополняющие способы описания одного явления. Эти объяснения явно противоречат друг другу [24, 25].

Кроме того, необходимо отметить, что проблема интерпретации красного смещения, несмотря на свою, казалось бы, логическую простоту, до сих пор актуальна. И об этом свидетельствуют статьи в журнале “Доклады академии наук” и в зарубежных журналах [27-29].

Более того, существуют публикации, в которых для объяснения гравитационного смещение спектральных линий не используют знаний общей теории относительности. Здесь гравитационное смещение спектральных линий объясняют, основываясь только на законе сохранения энергии и равенстве инертной и гравитационной масс, не используя при этом ни принцип эквивалентности, ни предположение о замедлении времени. Такой вывод красного смещения изложен, например, в [5, с.129], [10, с.34].

Учитывая, что гравитационное смещение спектральных линий не имеет до сих пор однозначного объяснения, принятого всеми физиками, предлагаю объяснение, которое, на мой взгляд, отвечает на все вопросы этого явления, в том числе о связи космологического и гравитационного красного смещения.

Начнем с того, что практически во всех исследованиях по гравитационному смещению спектральных линий, а спектральные линии свидетельствуют о таком параметре как длина волны, говорят про изменение частоты фотона, т.е. рассматривают пропорциональное соотношение между частотой и длиной волны, принимая по умолчанию соотношение (С - скорость фотона, света, н - частота фотона). При этом бесспорным считается постоянство скорости света С.

В экспериментах по излучению гамма-квантов наблюдали изменение именно длины волны и это экспериментальный факт. Причем, если приемник находился выше источника, наблюдали красное смещение спектральных линий, если приемник находился ниже источника, то наблюдали фиолетовое смещение. Коэффициент смещения при этом определяется как и для смещения в красную сторону получается со знаком “+”, а для смещения в фиолетовую сторону получается со знаком “-“ (индекс ( 0 ) - на источнике, индекс ( ` ) - на приемнике).

Однако, затем обычно выполняют ошибочное действие, подставляя в выражение для коэффициента смещения выражения

 и , и получают .

Ниже будет показано, почему такое действие неверно. Кроме того, получая на приемнике спектральные линии (реальную картинку на приборе) и их смещение относительно спектральных линий источника почему-то переводят разговор на частоту и сообщают о неизменности частоты и энергии фотона при его движении в гравитационном поле.

В это же время вызывает удивление то обстоятельство, что не учитывают при этом изменение скорости света в гравитационном поле [2, 20], а “…уменьшение скорости света в гравитационном поле - это не просто теоретическое следствие, вытекающее из самого фундамента общей теории относительности. В настоящее время замедление скорости света в гравитационном поле - это экспериментально установленный факт. Начиная со второй половины 20-го века, неоднократно проводились эксперименты по измерению временной задержки радиолокационного сигнала, проходящего вблизи Солнца. Общая теория относительности предсказывает, что свет (электромагнитный сигнал), проходя вблизи Солнца, должен задерживаться примерно на 240 мкс (при радиолокации Меркурия), и эксперименты подтверждают это предсказание с точностью около 0,1%. Об этом написано, например, в 5-м томе Физической энциклопедии [9] в статье “Тяготение” …” [30]

Что будет если учесть изменение скорости света в гравитационном поле? В этом случае выражение для длины волны фотона на источнике имеет вид , соответственно на приемнике: .

В этом случае выражение для коэффициента смещения примет вид:

.

Полученное выражение отличается от выражения, которое используется в физике для определения коэффициента смещения () и показывает зависимость частоты фотона от его скорости в момент получения фотона приемником.

Однако, если получили выражение для коэффициента смещения через длину волны, через частоту фотона, то логично было бы получить выражение и через скорость (света) фотона.

Известно, что если волновой сигнал получил каким-либо образом приращение скорости , то его смещение определяется как .

Приращение скорости света определяется как . Здесь приращение (торможение) скорости фотона в гравитационном поле гравитирующего объекта в зависимости от направления движения фотона. Тогда коэффициент гравитационного красного смещения при изменении скорости фотона между неподвижными источником и приемником определяется как

.

Отсюда получаем:

и .

Таким образом, если “…замедление скорости света в гравитационном поле - это экспериментально установленный факт…” [30], то частота фотона и длина волны при движении его от источника к приемнику изменяются по установленным выше зависимостям. При этом если скорость света уменьшается (фотон движется против сил тяжести), то длина волны увеличивается на величину , а частота фотона уменьшается на величину . Если скорость света увеличивается (фотон движется по направлению действия сил тяжести), то длина волны фотона уменьшается на величину , а частота фотона увеличивается на величину .

Далее учитывая, что и , получим выражение для определения коэффициента смещения через частоту:

Дополнительно получим выражение для частоты на приемнике в зависимости от коэффициента смещения:

При этом будет соблюдаться выражение:

Проверим полученные зависимости на результатах эксперимента Паунда-Ребки.

Участок 22.5 м от источника, находящегося внизу фотон преодолевает за время с, при этом его скорость уменьшится на величину м/с, коэффициент красного смещения получим как .

Сравниваем со смещением, полученным в эксперименте как смещение спектральных линий в соответствие с выражением . Сдвиг линий испускания и поглощения полученный как результат изменения скорости фотона оказался точно таким же, как полученный в эксперименте.

Полученные выражения позволяют говорить о гравитационном красном смещении как о явлении присущем каждому гравитирующему объекту - Солнцу, нейтронной звезде, квазару и т.п., и это смещение может быть независимо обнаружено по скорости, длине волны и частоте излучения объектов.

Далее вспомним про эксперименты по измерению временной задержки радиолокационного сигнала, проходящего вблизи Солнца. ОТО предсказывает, что свет (электромагнитный сигнал), проходя вблизи Солнца, должен задерживаться примерно на 240 мкс (при радиолокации Меркурия, - когда Земля, Солнце и Меркурий находятся приблизительно на одной линии с Земли на Меркурий посылается радиосигнал, который проходит вблизи Солнца, отражается от Меркурия и возвращается обратно на Землю.) В эксперименте измеряется полное время t движения радиосигнала “туда” и “обратно”.[9, 20]

Проверим - какой же результат получим, на примере радиолокации Меркурия если используем предложенную гипотезу об изменении скорости света, частоты и длины волны радиосигнала в гравитационном поле Солнца.

В расчетном эксперименте получены следующие результаты: радиосигнал проходит путь от Земли до Меркурия за 693.813004 с, Обратно за 693.813268 с, задержка в пути составляет 264 мкс. При этом частота принятого назад сигнала уменьшается в 1.00000003 раза.

Следует добавить, что сигнал испускается с Земли со скоростью 299792458 м/с. На пути до Солнца (150 млн. км) сигнал увеличит свою скорость до 299793150.7 м/с за счет гравитации Солнца. Далее на пути от Солнца до Меркурия (58 млн. км) скорость сигнала уменьшится до 299792885.3 м/с. Далее сигнал отражается от поверхности Меркурия (т.е. приобретает скорость 299792458 м/с в результате переизлучения фотонов) и на пути от Меркурия до Солнца увеличивает скорость до 299793146.2 м/с. Затем на пути от Солнца до Земли скорость сигнала уменьшается до 299792453.5 м/с.

Если бы в натурном эксперименте измерили величину красного смещения, то обнаружили бы смещение спектральных линий радиосигнала в красную сторону с коэффициентом 1.52*10^-8.

Расчет проведен численным методом на Excele и недостаточной примененной точностью расчета можно объяснить отличие результата расчета (264 мкс) от экспериментально полученного результата (240 мкс).

Далее рассмотрим для гравитационного красного смещения спектральных линий Солнца. Красное смещение Солнца, определенное экспериментально, равно 2.1*10^-6.

Расчет для проверки красного смещения, обусловленного гравитацией Солнца, выполнен численным методом по алгоритму, подобному предыдущему (для объяснения экспериментов Паунда-Ребки), т.е. определяем уменьшение скорости луча света под воздействием гравитации Солнца, которое с Земли будет наблюдаться как замедление скорости света.

В алгоритме находим время, за которое свет проходит путь на текущем расчетном участке, затем находим приращение скорости (замедление) луча на этом участке. Суммарное приращение скорости света (замедление) находим как сумму приращений на всех расчетных участках при достижении расстояния 149.241 млн. км от Солнца и 258.6 тыс. км не доходя до Земли. В этой точке имеет место равенство ускорений свободного падения Солнца и Земли. Справедливости ради отметим, что необходимо проводить совместный расчет одновременно для Солнца и Земли, однако это даст увеличение точности не более чем на 1%. От этой точки луч света начинает увеличивать свою скорость под действием гравитации Земли. Приращение скорости света в гравитационном поле Земли находим по аналогичному алгоритму.

Получены следующие результаты: приращение (уменьшение) скорости света в гравитационном поле Солнца = 624.27 м/с, приращение (увеличение) скорости света в гравитационном поле Земли = 0.203 м/с и суммарное приращение скорости = 624.067 м/с. Красное смещение Солнца вычисляем по выражению: . Сравниваем со смещением, полученным в эксперименте как смещение спектральных линий в соответствие с выражением

.

Таким образом, объяснение красного смещения спектра излучения Солнца выполнено также при условии, что свет, испускаемый Солнцем, вначале тормозится гравитацией Солнца, а затем незначительно увеличивает свою скорость под воздействием гравитации Земли, при этом суммарное смещение в спектре излучения получается красным.

Объяснение аномального замедления космических аппаратов “Пионер-10” и “Пионер-11”, удаляющихся почти радиально из Солнечной системы, выполнено также при условии, что радиолуч получает дополнительную скорость под воздействием гравитации Солнца.

Следует отметить, что для удаленных космических аппаратов получаем ситуацию полностью идентичную той, которая воспроизведена в опытах Паунда-Ребки. Поэтому используем алгоритм, аналогичный тому, который представлен выше.

Разбиваем весь путь радиолуча от космического аппарата (район Сатурна) до Земли (здесь расположен приемник) на определенное число участков, находим время, за которое радиолуч проходит данный участок, находим величину ускорения свободного падения на каждом участке по известной формуле, находим приращение скорости радиолуча, обусловленное гравитацией Солнца на этом участке, находим суммарное приращение скорости радиолуча на всем пути его следования от космического аппарата до Земли.

Получены следующие результаты:

Суммарное приращение скорости радиолуча составляет 2.94 м/с.

Фиолетовое смещение в спектре излучения радиопередатчика космического аппарата составляет

.

В результате этого расчета также обнаружено, что при расстояниях от 20 до 70 а.е. фиолетовое смещение изменяется на величину не превышающую 5%, а при расстояниях от 40 до 70 а.е. - на величину не более 1%, что хорошо объясняет результаты американских исследователей, у которых начиная с 20 а.е. величина аномального ускорения получалась практически неизменной (8*10^-8 см/с²).

Таким образом, за аномальное ускорение космических аппаратов “Пионер-10, 11” приняли увеличение скорости радиолуча в гравитационном поле Солнца.

В рассмотренных случаях приращение скорости незначительно, однако оно объясняет возникающие при этом эффекты. Подобным же образом могут быть объяснены эффекты красного смещения массивных космических объектов и показано, что изменение скорости света имеет место быть.

Продемонстрируем это на отвлеченном примере:

Например, получено смещение спектральных линий в спектре излучения квазара , т.е. измерен коэффициент красного смещения в спектре излучения квазара на длине волны :

.

Из выражения находим км/с.

Т.е. скорость света от квазара уменьшилась от 300 тыс. км/с до 150 тыс. км/с у Земли.

Находим частоту излучения квазара:

Гц.

Частота на приемнике:

Гц

Проверка: скорость света на приемнике:

км/с.

Красное смещение через частоту:

.

Далее рассмотрим для конкретного случая на примере нейтронной звезды:

В журнале Nature от 7 ноября 2002г (авторы J. Cottam, F. Paerels, США и M. Mendez, Голландия) показан результат измерения гравитационного красного смещения нейтронной звезды. Вот цитата из этой статьи:

“…Наблюдения вспыхивающего рентгеновского источника EXO0748-676 на космической рентгеновской обсерватории XMM-Newton позволили обнаружить и отождествить спектральные линии, образованные вблизи поверхности нейтронной звезды.

Всего источник в двойной рентгеновской системе EXO0748-676 наблюдался почти полмиллиона секунд в феврале-апреле 2000 г. При этом было зарегистрировано 28 вспышек в рентгене общей продолжительностью 3200 с - почти час (примерно по две минуты на вспышку). При вспышке поверхность нейтронной звезды резко нагревается и ее свечение забивает свечение аккрецирующего (падающего) газа. Газ, более холодный, чем поверхность звезды, поглощает излучение поверхности - образуются линии поглощения, как в классических звездных атмосферах. Струи газа, оттекающие от звезды могут давать эмиссионные линии - как классический звездный ветер.

Авторам удалось отождествить основные детали в спектре в основном с почти полностью "ободранными" ионами железа Fe XXVI и XXV с переходами n = 2 - 3, а также кислорода O VII и VIII, n = 1 - 2. Длины волн этих линий действительно смещены в красную сторону. Измеренное красное смещение одинаково для всех отождествленных линий. Отсюда следует, что радиус этой нейтронной звезды всего лишь 2.2 радиуса Шварцшильда, т.е. отношение радиуса R (км) к массе M (в массах Солнца) есть R/M = 6.6.

К сожалению, масса этой нейтронной звезды неизвестна. Если она нормальная, как у большинства пульсаров, т.е. около 1.4 масс Солнца, то цифры R/M = 6.6 вполне вписываются в модели обычного нейтронного вещества, без привлечения фазовых переходов в пионный или каонный конденсат или в кварк-глюонную плазму. Если же масса меньше, если M < 1.1 массы Солнца, то радиус оказывается слишком мал (он должен расти с уменьшением массы), и без экзотики в уравнении состояния не обойтись. Поэтому для проверки теории нужно мерить массу M…”.

Из данной статьи известно красное смещение Z = 0.35 и соотношение R/M=6.6. С учетом этих исходных данных определим, с позиции влияния гравитации на формирование скорости света, испускаемого нейтронной звездой, каковы могут быть значения массы и радиуса нейтронной звезды и какова скорость света, с которой свет этой звезды доходит до нас.

Предлагается численный алгоритм решения, который уже применяли ранее:

Разбиваем весь путь от поверхности звезды до некоторого расстояния, где приращения скорости света будут уже незначительны, на участки, например 100 м (решение будет более точным, если выбор длины участка производить автоматически, исходя из заданной точности);

Определяем время, за которое свет пройдет выбранный участок, на первом участке скорость света равна 299792458 м/с, приращение скорости нулевое;

Находим по известной формуле ускорение свободного падения на этом участке, определяем приращение скорости на данном участке (приращение в смысле замедления скорости света по мере удаления от поверхности звезды, что определяется знаком минус);

Переходим на следующий участок, и так далее по всем участкам. При достижении конечного участка находим суммарное приращение (здесь уменьшение) скорости света () как сумму приращений скорости на всех участках.

Получены следующие результаты:

При радиусе нейтронной звезды, равном 8.365 км и массе, равной 1.3 масс Солнца, км/с (скорость света уменьшилась на 77761 км/с), при этом красное смещение Z = 0.35. Так как для наблюдателя на Земле скорость света, приходящего от нейтронной звезды, будет меньше на величину замедления ее гравитацией звезды, то красное смещение определяем как

= 77761/(299792 - 77761) = 0.35.

Однако, при этом соотношение R/M = 6.435. Неравенство полученного соотношения величине 6.6 можно объяснить не достаточной выбранной точностью расчета.

Также определены радиусы нейтронной звезды для масс: 1, 1.1, 1.2, 1.4 масс Солнца, обеспечивающие красное смещение Z = 0.35, соответственно - 6.425, 7.071, 7.718, 9.012 км.

Что касается квазаров, то для них не известны ни масса, ни радиус. Впервые квазары обнаружили в 1960 г. как радиоисточники, совпадающие в оптическом диапазоне со слабыми звездообразными объектами. В 1963 г. М. Шмидт (США) доказал, что линии в их спектрах сильно смещены в красную сторону. Принимая, что это красное смещение вызвано эффектом Доплера, возникшего в результате удаления квазаров, до них определили расстояние по закону Хаббла. В 2000 году были определена галактика с красным смещением Z около 6.5.

Обнаружено уже более 5000 квазаров. Ближайший из них и наиболее яркий (3С 273) имеет блеск около 13^m и красное смещение Z = 0.158 (что соответствует расстоянию около 2 млрд. световых лет). Самые далекие квазары, благодаря своей гигантской светимости, превосходящей в сотни раз светимость нормальных галактик, видны на расстоянии более 10 млрд. св. лет. Изучая ближайшие квазары, удалось определить, что они располагаются в ядрах крупных галактик; вероятно, это характерно и для остальных квазаров. Нерегулярная переменность блеска квазаров указывает, что область генерации их излучения имеет малый размер, сравнимый с размером Солнечной системы.

Относительно массы квазара известна информация [31], в которой В. Гинзбург и Л. Озерной подсчитали, что ветер от миллиардов звезд способен слепить в центре галактики некое магнитоплазменное тело, масса которого достигнет сотен миллионов солнц.

Таким образом, в качестве исходных данных для расчета приращений скорости в гравитационном поле квазара имеем массу, которая «достигнет сотен миллионов солнц» и красное смещение, величины которого от 0.158 до 6.5.

Расчет производим по алгоритму, который использовали для нейтронной звезды.

При этом задаем какое-то значение массы квазара, например 10 млн. масс Солнца, и подбираем его радиус, при котором получаем заданное красное смешение.

Получены следующие результаты:

При массе квазара равной 10 млн. масс Солнца, получаем его радиус, равный 42.19 радиусов Солнца и км/с (скорость света уменьшилась на 239921 км/с), при этом красное смещение Z = 4.0073. Так как для наблюдателя на Земле скорость света, приходящего от квазара (аналогично как с нейтронной звездой), будет меньше на величину замедления ее гравитацией квазара, т.е. равна разности (299792 - 239921), то красное смещение определяем как = 239921 / (299792 - 239921) = 4.0073. При этом соотношение R/M = 29.32.

Расчетные эксперименты, результаты которых хорошо совпадают с опытными данными, показывают, что красное смещение в спектрах излучений удаленных объектов Вселенной характеризует степень уменьшения скорости света гравитацией этих объектов, которое сопровождается уменьшением частоты и увеличением длины волны излучения объектов.

Исследования, приведенные выше позволяют найти объяснение аномальному красному смещению из наблюдений Хельтона Арпа [32] (с позиций ОТО объяснения не найдены), - «который сообщает, что 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 дальше. Таким образом, два объекта, находящиеся близко к друг к другу, должны иметь примерно одинаковые красные смещения.

Арп приводит следующий пример: Спиральная Галактика NGC7603 связана с соседней галактикой при помощи светящегося моста, и, тем не менее, соседняя галактика имеет красное смещение на 8000 км/с 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 ради, наша Галактика отстоит от ближайшей «соседки», галактики Андромеды М31 (NGC224), всего на 2,9 миллиона световых лет.

Вот еще одно «спорное» открытие Арпа: квазар Makarian 205, вблизи спиральной галактики NGC4319 визуально связан с галактикой посредством светящегося моста. Галактика имеет красное смещение 1700 км/с, соответствующее расстоянию около 107 миллионов световых лет. Квазар имеет красное смещение 21000 км/с, которое должно означать, что он находится на расстоянии 1,24 миллиарда световых лет. Но Арп предположил, что объекты определенно связаны. (For example, the disturbed galaxy NGC4319 and the nearby quasar Makarian 205 have very different redshifts (cz = 1,700 and 21,000 respectively), get anyone can see from the photographs that they are connected. Thus the quasar is close to the galaxy in space, not at its redshift distance according to the Hubble law. Despite much criticism, this result, which plainly contradicts conventional assumptions, has been confirmed by several independent lines of evidence».

В обоих случаях красное смещение в спектрах излучений Объектов характеризует лишь величину уменьшения скорости света от них. Т.е. скорость света, приходящего к наблюдателю на Земле от спиральной галактики NGC7603, на 8000 км/с меньше, чем скорость света приходящего от соседней с ней галактики, а скорость света от квазара Makarian 205 составляет 279000 км/с, тогда как скорость света от спиральной галактики NGC4319 составляет 298300 км/с. При этом без дополнительных исследований ясно, что Спиральная Галактика NGC7603 связана с соседней галактикой при помощи светящегося моста, и они находятся в непосредственной близости друг от друга, а квазар Makarian 205 находится в непосредственной близости от спиральной галактики NGC4319.

Таким образом, гравитационное красное смещение спектральных линий характерно для всех гравитирующиих объектов - чем больше масса объекта и меньше при этом его размеры, тем больше смещение, то гравитационное красное смещение является всего лишь характеристикой параметров гравитирующего объекта и никак не характеристикой скорости удаления объектов от наблюдателя (кроме случаев движения объектов по орбитам, когда проявляется эффект Доплера - здесь может наблюдаться как красное смещение, так и фиолетовое, т.е. гравитационное красное смещение может или усиливаться или ослабляться). Т.е. гравитационное и космологическое красное смещение это одно и то же.

С учетом вышесказанного имеет смысл рассмотреть изменение хода времени в условиях разного гравитационного потенциала.

Рассмотрим, например спутник системы ГЛОНАСС (Н = 19100 км), который постоянно посылает радиосигналы приемникам на земле. Радиосигнал на пути с орбиты получает приращение скорости 0.16 м/с в гравитационном поле Земли. При этом сигнал прибывает на землю чуть быстрее, чем его ожидают, т.е. прибывает за время

t₁ =19100000/(299792458+0.16)=0.0673710742149 с.

Наблюдатель на Земле считает, что сигнал должен прибыть за время

t₂ = 19100000/299792458 = 0.0673710742183 с,

и увидев, что сигнал пришел раньше, делает вывод о том, что время на орбите идет чуть быстрее, а именно в (t₂ -t₁)/t₂ = 5.25*10^-10 раз.

Если при этом рассмотреть смещение спектральных линий радиосигнала, то обнаружим смещение в фиолетовую сторону

= - 0.16/(299792458+0.16) = - 5.25*10^-10.

При этом имеет место изменение частоты радиосигнала на приемнике по сравнению с частотой спутника в соответствие с выражением

.

Если сигнал со спутника ГЛОНАСС отправляется с частотой МГц, то принимается на приемнике с частотой МГц. И если определять коэффициент смещения по частотам спутника и приемника в соответствие с выражением:

то убедимся в правильности предложенного подхода, при этом коэффициент смещения будет показывать - во сколько раз реально изменилась частота на приемнике по сравнению с источником.

Однако в соответствие с неправильной формулой получают относительное увеличение частоты , что вводит в заблуждение экспериментаторов, так как коэффициент смещения, полученный из анализа смещения спектральных линий, не совпадает с полученным таким путем относительным увеличением частоты.

Следует отметить, что для компенсации релятивистских эффектов частота, формируемая бортовым стандартом частоты, с точки зрения наблюдателя, находящегося на спутнике, смещена относительно базовой на относительную величину (почти совпадает с - 5.25*10^-10), т.е. часы спутника перед его запуском на орбиту искусственно замедляются на указанную относительную величину.

Вместе с тем видно, что якобы отличие хода времени на орбите из-за разницы гравитационных потенциалов точно равно разности между ожидаемым временем прибытия сигнала с орбиты на землю и его реальным временем прибытия (по отношению к времени в пути). Правильный учет соотношений между скоростью, частотой и длиной волны радиосигнала позволяет говорить о независимости хода времени от значения гравитационного потенциала.

Таким образом, если принять, что изменяется скорость фотона в гравитационном поле [2, 9, 30], то различному ходу времени при отличающихся гравитационных потенциалах нет места в дальнейших рассуждениях.

Выводы

1. Фотон испускается любым атомом в любой точке Вселенной со скоростью 299792458 м/с, но с отличающимися частотой и длиной волны.

2. Скорость, частота и длина волны фотона взаимосвязано изменяются при его движении в гравитационном поле.

3. Гравитационное красное смещение спектральных линий характерно для всех гравитирующиих объектов - чем больше масса объекта и меньше при этом его размеры, тем больше смещение. Поэтому красное смещение является всего лишь характеристикой параметров гравитирующего объекта и никак не характеристикой скорости удаления объектов от наблюдателя (кроме случаев движения объектов по орбитам, когда проявляется эффект Доплера - здесь может наблюдаться как красное смещение, так и фиолетовое, т.е. гравитационное красное смещение может или усиливаться или ослабляться).

4. Красное смещение можно определить по следующим выражениям:

= .

5. Учет взаимосвязанного изменения параметров фотона (скорости, частоты и длины волны) при его движении в гравитационном поле не оставляет места рассуждениям о различном ходе времени при отличающихся гравитационных потенциалах.

Список литературы

красное смещение гравитационный спектральный

1. http://fishelp.ru/raz1/3.6.htm

2. Эйнштейн А. “О влиянии силы тяжести на распространение света” (Собрание научных трудов, том 1, Москва, Наука, 1965)

3. Ландау Л., Лифшиц Е. “Теория поля”, Москва: Наука, 1988

4. Киттель Ч., Найт В., Рудерман М. “Берклеевский курс физики” том 1, Механика. Москва: Наука, 1983

5. Фейнман Р., Мориниго Ф., Вагнер У. “Фейнмановские лекции по гравитации”, Москва: Янус-К, 2000

6. Паули В. “Теория относительности”, Москва: Наука, 1983

7. Вейнберг С. “Гравитация и космология. Принципы и приложения общей теории относительности”, Волгоград: Платон, 2000

8. Уилл К. “Теория и эксперимент в гравитационной физике”, Москва: Энергоатомиздат, 1985

9. “Физическая Энциклопедия” в 5-и томах, Москва, 1988-1998

10. Дикке Р. “Гравитация и Вселенная”, Москва: Мир, 1972

11. Борн М. “Эйнштейновская теория относительности”, Москва: Мир, 1972

12. Мизнер Ч., Торн К., Уилер Дж. “Гравитация” (в трёх томах), Москва: Мир, 1977

13. Сиама Д. “Физические принципы общей теории относительности”, Москва: Мир, 1971

14. Зельдович Я., Новиков И. “Общая теория относительности и астрофизика” (Эйнштейновский сборник - 1966, Москва: Наука, 1966)

15. Зельдович Я., Новиков И. “Релятивистская астрофизика”, Москва: Наука, 1967

16. Гинзбург В. “Экспериментальная проверка общей теории относительности” (в сборнике “Эйнштейн и современная физика”, Москва: Гостехиздат, 1956, с.107)

17. Гинзбург В. “О теории относительности”, Москва: Наука, 1979

18. Хокинг С. “Краткая история времени: От большого взрыва до чёрных дыр”, Санкт-Петербург: Амфора, 2001

19. Брагинский В., Полнарёв А. “Удивительная гравитация (или как измеряют кривизну мира)”, Москва: Наука, 1985

20. Шапиро И. “Экспериментальная проверка общей теории относительности” (в сборнике “Астрофизика, кванты и теория относительности” Москва, Мир, 1982)

21. Pound R., Rebka G. Phys. Rev. Lett. vol.4, p.337 (1960); vol.4, p.275 (1960); vol.3, p.439 (1959)

22. Pound R., Snider J. Phys. Rev. B vol.140, p.788 (1965); Phys. Lett. vol.13, p.539 (1964)

23. Паунд Р. “Успехи физически наук” т.72 с.673 (1960)

24. Окороков В. “О противоречивости экспериментов, подтверждающих некоторые выводы общей теории относительности”, Доклады Академии Наук (Физика) т.378, № 5, с.617-619 (2001)

25. Окунь Л., Селиванов К. “О не противоречивости экспериментов подтверждающих общую теорию относительности”, “Доклады Академии Наук” (Физика) т. 384, № 6, с.768 (2002)

26. Окунь Л., Селиванов К., Телегди В. “Гравитация, фотоны, часы”, “Успехи физически наук” т.169, № 10, с.1141-1147 (1999)

27. Okun L., Selivanov K., Telegdi V. Amer. J. Phys. vol.68, p.115-119 (2000)

28. Okun L. “Photons and static gravity”, Modern Physics Letters A, vol. 15, No. 31, p.1941-1947 (2000)

29. Okun L. “A Thought Experiment with Clocks in Static Gravity”, Modern Physics Letters A, vol. 15, No. 32, 2007-2009 (2000)

30. Янчилин В. “Гравитация и квантовая механика”, Новосибирск: Редакционно-издательский центр Новосибирского Государственного Университета, 2001

31. http://astrolib.narod.ru/articles/Quasars.htm

32. http://new-idea.kulichki.net/?mode=physics *Изучение ранее неисследованных свойств пространства-времени и их влияние на построение модели Вселенной, Рындюк К.Д.

Размещено на Allbest.ru

...