§ 10. Является ли красное смещение доказательством расширения Вселенной

Как мы уже отмечали во введении, идея нестационарности Вселенной далеко не сразу получила всеобщее признание. Принципиальная важность вывода вызывала много возражений, основанных на предвзятых соображениях. Уж очень грандиозна картина расширяющейся Вселенной. Казалось гораздо привычнее и спокойнее представление о неэволюционирующей Вселенной. Это породило многочисленные попытки отстоять стационарность Вселенной, дать какое-то иное объяснение "красному космологическому смещению", отличное от объяснения его эффектом Доплера, вызванного удалением галактик. Если бы такие попытки делались только в прошлом, в первые годы после открытия красного смещения, то о них можно было бы сейчас и не говорить, оставив их для историков космологии, но, к сожалению, подобные попытки встречаются еще и в наше Еремя. Поэтому мы должны рассмотреть вопрос: насколько однозначна интерпретация красного смещения в спектрах галактик как эффекта Доплера. Не может ли другая физическая причина вести к покраснению квантов света - фотонов?

В общей теории относительности устанавливается, что световые кванты краснеют, когда они распространяются из области большего по абсолютной величине гравитационного потенциала к меньшему, т. е. выходят из сильного поля тяготения. Например, краснеют фотоны, уходящие от Солнца или в другом случае, идущие снизу вверх в лаборатории у поверхности Земли. Фотоны, движущиеся в лабораторном эксперименте сверху вниз становятся более фиолетовыми. Несмотря на малость этих эффектов, они измерены.

Однако эффект покраснения фотонов в сильном поле тяготения никак не может объяснить космологическое красное смещение в спектрах галактик. Во-первых, он чрезвычайно слаб в однородной Вселенной при современной средней плотности вещества, во-вторых, смещение пропорционально квадрату расстояния, а не первой степени, и в-третьих, самое важное, имеет другой знак - смещение должно быть фиолетовым, а не красным! Последнее легко понять. Действительно, вернемся снова к мысленно выделенному шару на рис. 2. Представим, что луч света испускается галактикой Л на поверхности шара и движется к наблюдателю в О. Вспомним, что вещество вне шара гравитационного поля внутри шара не создает и поэтому надо рассматривать движение фотона в поле тяготения только массы шара. Движение фотона от поверхности шара к центру соответствует движению сверху вниз для фотонов на Земле, т. е. ведет к фиолетовому смещению.

Разумеется, гравитационное изменение частоты квантов учитывается в точных формулах релятивистской теории космологического красного смещения, но это эффект "второго порядка малости". Он во всяком случае, не основной в красном смещении. Мы до сих пор о нем не говорили, так как отложили рассмотрение всех релятивистских эффектов до следующих глав, а пока рассматривали сравнительно малые расстояния, при которых всеми релятивистскими эффектами можно пренебречь.

Для объяснения красного смещения высказывались идеи о покраснении квантов за счет потери энергии при их распространении в пространстве. Так как энергия кванта пропорциональна частоте по формуле Е = hv, где h = 6,6*10^-27 г*^см2/_сек - постоянная Планка, то потеря энергии означает уменьшение частоты, т. е. увеличение длины волны - покраснение кванта.

Один из таких механизмов мог бы осуществляться при длительном распространении света в межгалактическом пространстве за счет взаимодействия с межгалактическим веществом (или - в некоторых вариантах гипотезы - с излучением). Но в этом случае при столкновении фотонов с частицами вещества (или излучения) изменялась бы не только энергия, но и направление движения квантов. Взаимодействие носит характер рассеяния. Такой эффект приводил бы не только к покраснению квантов, но и к размыванию изображений галактик. Ничего подобного не наблюдается.

Этот эффект отпадает. Нет даже необходимости останавливаться на других трудностях этой гипотезы.

Вторым мыслимым механизмом является гипотетический процесс самопроизвольного распада кванта света с испусканием каких-то частиц.

Советский физик М. П. Бронштейн показал еще в 1934 г., что такой процесс, если бы он существовал, был бы давно замечен в лабораторных экспериментах. Дело в том, что вероятность самопроизвольного распада фотона, если бы фотон действительно распадался, должна быть обратно пропорциональна частоте фотона, а значит, красное смещение зависело бы от частоты, чего нет в эффекте Доплера и в наблюдаемом красном смещении в спектрах галактик. Этот вывод получается следующим образом.

Рассмотрим, как меняется время жизни какой-нибудь неустойчивой частицы (например, μ-мезона) с ростом энергии этой частицы. Обозначим через Т₀ время жизни покоящейся частицы. Тогда, если она движется со скоростью v, то ее время жизни Т согласно специальной теории относительности есть

(21)

Энергия движущейся частицы с массой покоя m₀ есть

(22)

Отношение Т к Е есть величина постоянная:

(23)

Вероятность распада частицы обратно пропорциональна времени жизни . Поэтому вероятность распада оказывается обратно пропорциональной энергии

(24)

Эта формула универсальна для всех частиц, в том числе и для фотонов (хотя для них формулы (21) и (22) сами не имеют смысла, так как фотоны всегда движутся со скоростью с). Для фотонов остается в формулу (24) вместо энергии подставить Е = hv. В результате оказывается, что время распада фотона должно быть обратно пропорционально его частоте. Но если бы вероятность распада фотона действительно была обратно пропорциональна частоте, то особенно быстро распадались бы кванты радиоволн. Однако прямые наблюдения радиолинии λ = 21 см у 30 далеких галактик, выполненные в шестидесятых годах, показали, что красное смещение в радиодиапазоне точно такое же, как и в оптическом диапазоне.

Следовательно, предположение о старении квантов полностью отпадает.

Единственным возможным объяснением космологического красного смещения является эффект Доплера, вызванный расширением Вселенной^*.

^* (На очень больших расстояниях надо учитывать также эффекты общей теории относительности; см, гл, 2.)

Подчеркнем здесь еще раз, что нестационарность Вселённой была предсказана теоретически до ее экспериментального обнаружения (см. § 2), и открытие красного смещения только подтвердило это предсказание. Удивляться надо не существованию красного смещения и расширению Вселенной (нестационарность ее есть прямое следствие фундаментальных законов физики), а поразительной живучести консервативных взглядов.

Если бы наблюдения показали отсутствие систематического смещения линий в спектрах галактик, т. е. отсутствие нестационарности Вселенной, то это бы означало, что законы тяготения (и Ньютона и Эйнштейна) нуждаются в уточнении, что какая-то неизвестная универсальная сила во Вселенной мешает тяготению сделать Вселенную нестационарной.

Любопытно, что на самой заре современной космологии, еще до Фридмана и Хаббла, попытка введения такой новой силы была сделана Альбертом Эйнштейном. Об этом рассказывается в следующем параграфе. Нам остается только добавить, что некоторые современные астрофизики указывают на возможность наличия у отдельных квазаров и галактик наряду с космологическим красным смещением, вызванным расширением Вселенной, еще добавочного красного смещения, вызванного другими причинами, например, сильным гравитационным полем или, даже, неизвестными еще процессами. В принципе такие явления, конечно, возможны. Однако автору кажется, что наблюдения, приводимые в поддержку этих идей, не имеют доказательной силы и могут быть объяснены естественным путем. Интересующихся отсылаем к сборнику докладов: Сопоставление теории и наблюдений в космологии, "Мир", 1978.

xameliax.com