Сегодня хотел рассмотреть эффект красного смещения электромагнитного спектра удаленных галактик на примере одного фотона, который будучи испущен миллиарды лет назад, дошел до наших измерительных приборов.
Для начала давайте уточним, какие варианты изменения энергии фотонов известно ученым. А в конце статьи Вы узнаете мою идею покраснения фотонов.
Эффект Доплера - явление изменения частоты излучения при взаимном перемещении источника и приемника. Данный факт является доказанным и наблюдаемым в лабораторных условиях.
Эффект гравитационного смещения электромагнитного спектра. Проявляется в условиях, когда излучатель и приемник излучения находятся в гравитационном поле с разным гравитационным потенциалом. Это явление так же доказано эмпирическим путём в земных экспериментах.
Космологическое красное смещение. Изменение энергии фотона при прохождении через растягивающее пространство. Описывается Общей теорией относительности при объяснении покраснения спектра далеких галактик. Данная идея считается общепринятой. По идее, космологическое красное смещение является разновидностью гравитационного воздействия на спектр. Несмотря на то, что гравитационное красное смещение доказано экспериментально, прямых опытов по фиксации процесса растягивания (увеличения) области пространства, насколько мне известно, нет. Поэтому я считаю, что космологическое красное смещение не является доказанным экспериментальным фактом.
Эффект Комптона - явление изменения частоты электромагнитного излучения, при прохождении фотонов через облако электронов. В этом случае фотоны рассеиваются, поскольку изменяют направление распространения. Явление изучено в лабораторных экспериментах с рентгеновскими лучами.
Утомление или старение света. Гипотетическая идея связанная с тем, что по каким-то причинам фотоны теряют энергию при своем путешествии сквозь пространство. Гипотеза отвергнута физическим сообществом по причине того, что она не поддерживает идею расширения Вселенной. Поэтому не будем рассматривать это влияние на фотоны.
Вот основные теории и гипотезы, которые так или иначе могут объяснить изменение частоты электромагнитного спектра.
Но давайте поставим себя на место фотона и проследим каким образом он может менять свою энергию при движении от далекой галактики в сторону земного наблюдателя.
Итак, представим, что в одной из звезд галактики 10 млрд. лет назад родился фотон синего цвета и начал свое путешествие в сторону Земли.
Какой вклад в изменение энергии фотона внесло каждое из перечисленных явлений?
Гравитационное и космологическое красное смещение будем считать одним и тем же видом влияния (космологическим), поскольку описываются одними формулами из Общей теории относительности.
По идее, у нас остается только два вида воздействия - эффект Доплера и космологическое. Эффект Комптона выпадает из этого списка, поскольку изменение спектра сопровождается изменением направления распространения и в наши датчики вероятность попадания таких фотонов равна нулю.
Согласно концепции Большого взрыва, в каждой точке Вселенной локальные скорости галактик относительно реликтового фона примерно соизмеримые, а центры масс сверсхскоплений практически не движутся относительно местного вакуума. Исходя из этого, наш синий фотон может как чуточку "покраснеть", так и стать более синим непосредственно в момент излучения. Все зависит от того, как локально двигалась галактика относительно вакуума на момент излучения.
Это приводит к заключению, что доля эффекта Доплера в спектре далеких галактик почти равна статистической погрешности, а все покраснение фотона связано с космологическим красным смещением.
Каков же механизм уменьшения энергии нашего синего фотона испущенного 10 млрд.лет назад? Давайте порассуждаем.
Вот летит себе фотон, никого не трогает, и тут бац...энергия немного просела на величину постоянной Планка (квант действия). К слову сказать, энергия может меняться только на эту величину, поэтому плавного изменения энергии происходить не должно.
От чего, почему, что случилось? Что заставило фотон потерять частичку энергии? И главный вопрос, куда денется потерянная энергия?
Я ответить на эти вопросы в рамках общепринятых теорий не могу. Может быть уважаемые читатели смогут прояснить ситуации.
Кстати давайте посчитаем, сколько таких скачков приходится на единицу пробега. 10 млрд. световых лет равны 9,46х10^25 м. Частота синего фотона равна 6,5х10^14 Гц. Для галактик, удаленных на расстояние 10 млрд. световых лет, красное смещение равно 2, это говорит о том, что энергия и частота фотонов уменьшилась в 2 раза. То есть энергия синих фотонов уменьшилась на 3,25х10^14 значений постоянной Планка. Если принять уменьшение энергии фотона равномерным, то один энергетический скачок в среднем должен происходить через каждые 2,91x10^8 км, или через каждые 16 минут. К слову сказать, при данной концепции фотоны красного цвета должны уменьшать свою энергию реже, через каждые полчаса, другими словами вероятность уменьшения энергии зависит от частоты.
Исходя из этих соображений, интересно, позволяют ли современные технические средства сделать замеры изменения спектра, если бы источник синего света находился на космическом аппарате "Вояджер"?
За 20 часов следования фотонов от "Вояджера" до Земли энергия синих фотонов упала бы на 75 значений постоянной Планка. Это очень маленькое значение. Я не думаю, что современные технологии позволят сделать замеры спектра с точностью 10^(-13), чтобы выявить "покраснение" фотонов на таких расстояниях.
Выводы
Подводя итог сказанному, я все же выскажу свое субъективное мнение, которое заключается в том, что подобная концепция уменьшения энергии фотонов из за растяжения пространства является маловероятной. Исходя из этого, в рамках гипотезы MoND.2019 я предлагаю уважаемым читателям рассмотреть еще вариант развития событий, связанных с покраснением фотонов.
Суть идеи заключается в том, что фотоны изначально были излучены с той энергией, с которой мы ее наблюдаем в свои приборы, плюс-минус с поправкой на эффект Доплера.
Причина, по которой их энергия была маленькой связана с тем, что атомам в ранней Вселенной требовалось меньше энергии, чтобы излучать или поглощать фотоны. В современных лабораториях, в наше время, требуется гораздо больше энергии, чтобы атомы рождали фотоны в тех же линиях спектра (серия Бальмера, Лаймана, Пашена и т.п.) Энергия излучения атомами зависит от плотности энергии вакуума, которая на ранних этапах эволюции Вселенной по ряду причин была меньше, чем энергия вакуума, в котором находится Земля сейчас. На эту тему у меня есть отдельная статья.
Спасибо за прочтение! На вежливые вопросы, предложения и возражения стараюсь отвечать.
ОТДЕЛЬНАЯ БЛАГОДАРНОСТЬ за помощь в продвижении канала лайками, репостами и денежными средствами!
Михаил Н. Бровкин 29 августа 2020 г.