Старение света как физическая гипотеза

Закон Хаббла

Э. Хаббл отметил, что длина волн света, который приходит от галактик, находящихся на больших расстояниях, смещается в сторону длинных волн (в красную сторону спектра), если сравнивать со светом, который излучают тела, которые находятся на меньшем расстоянии.

При обнаружении космологического красного смещения еще не было информации о том, что в вакууме имеются флуктуации, и электромагнитные волны теряют свою энергию за счет ее перехода во внутреннюю энергию вакуума. Было предложено единственное объяснение наблюдаемому явлению, а именно, эффект Доплера.

С таким объяснением согласились не все:

1. Одна часть ученых полагали, что эффект Доплера объясняет красное смещение.
2. Другие ученые, в том числе и Э. Хаббл, предположили, что происходит «старение света» («усталый свет»), поскольку не существует волн, которые распространялись бы без диссипации энергии. Так, Э. Хаббл в 1927 году говорил о том, что красное смещение не может обладать доплеровской природой, Вселенная не расширяется. Он предложил искать красному смещению другое объяснение, назвав причину условно «старением фотонов».

В настоящее время космологическое красное смещение объясняют в квантовой теории поля. Полагая, что вакуум является материальной средой, составленной из огромного числа виртуальных частиц. Эти частицы вызывают колебания электронов, которые перемещаются по орбитам (лэмбовский сдвиг) и оказывают влияние на движения всяких элементарных частиц. Фотоны, взаимодействуя с виртуальными частицами, теряют электромагнитную энергию, что и ведет к красному смещению линий спектра тел, испускающих свет.

Так, потери энергии волн света происходят за счет «раскачивания» заряженных виртуальных частиц.

Колебания подразумевают преобразования энергии, которое неизбежно сопровождается ее потерями. При этом часть энергии волн переходит во внутреннюю энергию среды, проявляющуюся в виде флуктуаций. Диссипация энергии световых волн порождает космологическое красное смещение.

Закон Хаббла является эмпирическим законом, который связал красное смещение галактик и расстояние от них:

$cz=H_0 r (1),$

где:

• $z=\frac{\nu_0-\nu}{\nu}$ - величина красного смещения;
• $\nu_0$ - частота источника;
• $\nu$ - частота приемника;
• $r$ - расстояние до Галактики;
• $c$ - скорость света;
• $H_0=2,4 \bullet 10^{-18} (Гц)$ - постоянная Хаббла.

В соответствии с классическим законом Хаббла (1) для определения величины уменьшения частоты фотона:

$\nu z=\nu_0-\nu (2)$

постоянную Хаббла умножают на время жизни фотона и частоту:

$\nu z=t\nu H_0 (3)$,

где $t\nu=n$ - количество колебаний, следовательно:

$\nu_n=\nu z=n H_0 (3)$.

В формуле (3) мы видим прямую зависимость $\nu_n$ от числа колебаний. Получаем, что со временем частота уменьшается по экспоненциальному закону:

$\nu(t)=\nu_0 e^{-H_0t}(4).$

Поскольку закон Хаббла связан с красным смещением электромагнитных квантов, то он должен иметь квантовый характер и иметь квантовую форму.

С этой целью в классическую форму связи $z (t)=H_0t$ подставляют период одного колебания (T=\frac{1}{\nu}), где $\nu$ - частота одного фотона.

Тогда получают красное смещение в течение одного периода колебаний:

$Z_T=\frac{H_0}{\nu} (5),$

где $\nu Z_T$ - величина, на которую уменьшается частота фотона за период колебания.

Квантовую форму закона Хаббла представляют так:

$\nu_n=nH_0 (6),$

где $n$ - количество выполненных колебаний на расстоянии, пройденном светом.

$n=\frac{t}{T}=\frac{r}{\lambda}=\frac{r\nu}{c}(7).$

$\nu_n = \nu_0-\nu$ - разность частот.

Постоянная Хаббла рассматривается как квантовый параметр, на который уменьшается частота фотона за один период колебания на зависимо от длины волны.

Рассеяние энергии фотона в течении одного периода колебаний составит:

$E_T=hH_0 (8),$

где $h$ - постоянная Планка.

Представление закона Хаббла в квантовой форме показывает, что красное смещение в космологии обладает квантовой природой. Оно зависит только от числа колебаний за расстояние, которое проходит свет.

Теория А. А. Белопольского

А. А. Белопольский в 1930 году выдвинул свою гипотезу, объясняющую красное смещение света. Ученый допустил, что имеется какой-то эффект изменения частоты света, связанный с пропорциональностью расстояния до небесного тела. Этим эффектом Белопольский планировал объяснять сдвиг света в сторону красного конца спектра. При этом предполагалось, что галактики не разбегаются, а имеют небольшие случайные скорости. Данную гипотезу назвали гипотезой старения света.

Сам ученый говорил о старении света, что обычно смещение линий спектра рассматривают как следствие перемещения излучающего космического тела вдоль луча зрения. Но могут присутствовать иные причины данного смещения. Можно рассматривать смещение линий в результате:

• величины скорости перемещения (эффект Доплера),
• как результат неизвестной причины, при этом расстояние от источника света может оказывать влияние на длину волны.

Большинство ученых не согласились с идеями Белопольского, уже потому, что непонятна природа этого гипотетического эффекта.

Белопольский и его сторонники старение света связывали с постепенной потерей фотонами, которые испускаются галактиками, их начальной энергии ($E=h\nu$) при движении частиц света. Исходя из этого, гипотеза получила название старения (усталости) света.

Чуть раньше Белопольского в 1929 году гипотезу о постепенной потере фотонами света энергии выдвинул Ф. Цвикки.

Проблемы гипотезы старения света

Ошибочность теории заключена уже в том, что величина красного смещение не зависит от длины волны, тогда как из концепции Белопольского фотоны разных энергий должны обладать разной величиной смещения.

• Гипотеза не может пояснить отсутствие рассеяния световых волн, которые идут от далеких источников.
• Модели старения света предполагают, что Вселенная не расширяется, что ведет к фоновому излучению спектра, а это противоречит наблюдениям.

Вероятно, что если гипотеза старения света является верной, то все фоновое космическое излучение должно приходить к нам от тел, которые расположены ближе, чем галактика Андромеды $M31$. Все остальное мы видеть не можем.

Данная гипотеза не может объяснить законы излучения свет сверхновыми.

Гипотеза старения света не дает основания для построения полной космологической картины, которая стала бы достойной альтернативой теории Большого Взрыва.