Сегодня речь пойдёт о последнем из трёх тестов, предложенных самим Эйнштейном для подтверждения своей общей теории относительности. Этот тест должен был подтвердить предсказанное ОТО гравитационное красное смещение электромагнитных волн от массивных источников, например, таких как звёзды.
Современная научная мысль оперирует тремя физическими красными смещениями. Первое красное смещение это так называемый эффект Доплера или доплеровское смещение, второе это гравитационное красное смещение Эйнштейна и третье это космологическое красное смещение, вызванное расширением вселенной. Причём все три смещения проявляют себя абсолютно одинаково и в ходе прямых измерений отличить одно смещение от другого невозможно. Вот такие загадки порой подбрасывают нам научные теории. А что говорит по поводу красного смещения всезнающая википедия?
Красное смещение – явление, при котором длина волны электромагнитного излучения для наблюдателя изменяется относительно её же для источника.
Гравитационное красное смещение – проявление эффекта изменения частоты испущенного некоторым источником света по мере удаления от массивных объектов, таких как звёзды и чёрные дыры; оно наблюдается как сдвиг спектральных линий в излучении источников, близких к массивным телам, в красную область спектра.
Для тех, кто знает, что такое красное смещение эти формулировки ничего не добавят в понимании этого явления. Те же, кто не знаком с физической сутью этого феномена, скорее всего, из приведённых определений так и не смогут прояснить для себя, в чём заключается смысл красного смещения. Поэтому проведём сначала небольшой ликбез для чёткого понимания сути обсуждаемой проблемы под названием красное смещение. Представьте себе наблюдателя на берегу водоёма.
Специально для него другой человек в лодке генерирует волны. Примерно так, как показано на рисунке выше. Длина волны это расстояние от вершины одной волны до вершины другой волны. Пока лодка неподвижна волны, исходящие от лодки во все стороны, имеют одинаковую длину волны λ0 . Как только лодка начнёт удаляться от наблюдателя, длина волн, распространяющихся в сторону наблюдателя, увеличится на ∆λ , а в противоположном направлении уменьшится на такую же величину.
Это вызвано тем, что скорость распространения волн сложится со скоростью лодки и длина волн в противоположных направлениях изменится в точном соответствии со скоростью движения источника волн. Т.е. волны исходящие от лодки будут чаще ударять в противоположный от наблюдателя берег. Рассмотренная модель может быть принята в качестве хорошей аналогии классического эффекта Доплера, описывающего распространение электромагнитных волн от двигающихся источников этих волн. Так как длина ЭМ-волны характеризует её видимый спектр, то волны с большей длиной располагаются в красном и инфракрасном спектре, а волны с меньшей длиной, смещены в сторону синего и ультрафиолетового спектра. Поэтому увеличение длины ЭМ-волны от удаляющегося источника называют красным смещением, а сокращение длины волны от приближающегося источника носит название синее смещение. Для количественного описания величины смещения введена величина:
Будем считать, что теперь предметная область обсуждаемого вопроса стала более понятной.
Так вот герр Эйнштейн высказал предположение, что если источник и наблюдатель ЭМ-волн находятся в точках пространства с различными гравитационными потенциалами, то наблюдатель, находящийся в поле действия большего гравитационного потенциала, должен фиксировать красное смещение спектра ЭМ-волны. И обосновал это следующим образом. Так как согласно ОТО в гравитационных полях массивных объектов время замедляется, а энергия фотона связана с частотой следующим выражением:
то из-за замедления времени, частота фотона должна уменьшаться. Дальше всё просто. В общем случае длина волны связана с её частотой обратной пропорцией. Для случая с фотоном эта формула выглядит следующим образом:
Исходя того, что скорость света в ОТО постоянна, длина волны фотона в приведённой выше формуле должна увеличиваться. Такое увеличение длины ЭМ-волны должно происходить в радиусе действия гравитационного искривления пространства и для внешнего наблюдателя будет выглядеть как красное смещение. Как будто источник ЭМ-волн удаляется от наблюдателя.
Как вы считаете, уважаемые читатели, насколько безупречна такая логика? Можно ли увеличить длину ЭМ-волны с помощью растяжения пространства и замедления времени, или это всё-таки необоснованные фантазии? Давайте не будем огульно отвергать любые предположения, какими бы фантастическими на первый взгляд они нам не представлялись. А лучше попробуем разобраться в логических построениях великого учёного. Поэтому для начала просто зафиксируем тот факт, что причиной изменения длины ЭМ-волны в озвученной гипотезе является искривление пространства и замедление времени в окрестностях массивного объекта. Далее воспользуемся простенькой моделью распространения ЭМ-волн от массивного источника к удалённому наблюдателю.
На представленной выше картинке изображён источник ЭМ-волн (пусть это будет квазар) и удалённый наблюдатель, комфортно расположившийся на планете Земля. Всё расстояние между источником и приёмником (наблюдателем) ЭМ-волн условно можно разделить на две части. Первый участок находится в зоне действия гравитационного поля квазара (выделен на картинке красным цветом). На этом отрезке пространство искривлено гравитацией квазара и ЭМ-волны растянуты. Второй отрезок соответствует большей части расстояния между квазаром и Землёй (обозначен зелёным цветом). На этом отрезке действуют неизвестные гравитационные поля от различных космических объектов, встречающихся на пути ЭМ-волн. Для простоты моделирования пренебрежём их влиянием как несущественным. Масштабы, естественно, не соблюдены, но это не должно как-то повлиять на моделируемую картину. Разница гравитационных потенциалов φ между квазаром и Землёй более чем достаточная, что бы гарантированно обеспечить красное смещение электромагнитному излучению квазара. Итак, в полном соответствии с теорией относительности Эйнштейна длина ЭМ-волн в радиусе действия гравитационного поля квазара увеличивается на ∆λ . Соглашаемся с этим утверждением и продолжаем внимательно следить за ЭМ-волной дальше. И что мы видим? Покинув искривлённое пространство с замедленным временем, ЭМ-волна продолжает двигаться на втором участке по не искривлённому пространству, в котором восстановлен нормальный ход времени. Следовательно, ЭМ-волна автоматически восстановит свою первоначальную длину. Она просто обязана это сделать, потому что искривлённое пространство закончилось. Причина, вызвавшая увеличение длины волны, исчезла. Если пространство обратно сжалось до своих нормальных размеров, замедленное время ускорилось до нормального хода, то частота фотонов должна увеличиться, так как скорость света постоянна, и длина волны в таком случае также должна вернуться к своей исходной величине. Но в таком случае к удалённому наблюдателю ЭМ-волна попадёт, имея свою истинную первоначальную длину λ0 . И никакого гравитационного красного смещения наш наблюдатель не обнаружит. Да, только так и ни как иначе! Любая другая трактовка так называемого гравитационного красного смещения неизбежно приводит к нарушению причинно-следственных связей. На такое грубое нарушение основополагающего физического принципа причинности даже ОТО претендовать не может.
Таким образом, если предположить, что гравитационное искривление пространства существует, в чём лично я очень сильно сомневаюсь, то гравитационное красное смещение в окрестностях таких «искривителей» пространства можно наблюдать только непосредственно из этого искривлённого пространства и никак иначе. Насколько физически реализуемы такие наблюдения, это другой вопрос. Над ним пусть ломают голову релятивисты. За пределами гравитационного искривления пространства любые удалённые наблюдатели будут всегда фиксировать нормальную длину ЭМ-волн на всём протяжении их пути, при условии, что источник волн неподвижен относительно наблюдателя. Так как неподвижных источников ЭМ-волн в реальной вселенной не существует, то для наблюдателя с Земли свет от любой звезды, квазара, галактики должен всегда иметь пусть и незначительное красное или синее смещение, в зависимости от направления движения этого источника относительно Земли, в полном соответствии с эффектом Доплера. Думаю, Эйнштейн знал об этом не хуже нас. Поэтому он смело предложил свой третий тест. Ведь способов отличить доплеровское красное смещение от гравитационного нет. Не случайно сам Эйнштейн утверждал, с неким налётом лицемерия, дескать к большому сожалению, практических способов, обнаружить гравитационное красное смещение, не существует. Однако он ошибся в другом. Выстроенная им логика причинно-следственных связей для предсказываемого общей теорией относительности гравитационного красного смещения содержит грубый просчёт, нарушающий один из основополагающих физических принципов. Этот принцип требует сохранения однозначной зависимости событий друг от друга в любой их реализации. Аккуратный анализ логической модели гравитационного красного смещения, выполненный с соблюдением этих требований, показывает, что для внешнего наблюдателя этот эффект принципиально не наблюдаем. Ну что ж, ОТО с блеском провалила и третий тест. Как ОТО не справилась с первым и вторым тестами можно почитать здесь и здесь.
Постоянство отрицательных результатов при тестировании ОТО свидетельствует о том, что эта теория, мягко говоря, не способна правильно описывать явления, происходящие в окружающем нас мире.
Завершая тему тестирования ОТО, будет уместно предоставить слово автору этой теории. Что говорил сам Эйнштейн по поводу трёх тестов своей теории относительности? А говорил он следующее:
Главная привлекательность теории заключается в её логической полноте. Если хотя бы один из выводов, сделанных на её основе, окажется неверным, то отказаться от него, или изменить его, не разрушив всю конструкцию, окажется невозможным.
Следуя этой логике и немного перефразируя историческую надпись на стенах поверженного Рейхстага можно констатировать – «Развалинами ОТО удовлетворён!».
PS Предварительные обсуждения материалов данной статьи со сторонниками ОТО показали, что вся так тщательно выстроенная аргументация автора разбивается вдребезги об эксперимент Паунда. Поэтому, уважаемые читатели, прошу вас уделить ещё немного своего времени для рассмотрения этого эксперимента.
Эксперимент Паунда и Ребки, подтвердивший замедление времени и гравитационное красное смещение, заключался в том, что с высоты 22,5 метров стреляли фотонами в мишень, расположенную строго на одной вертикали внизу под "стрелялкой". В качестве "стрелялки" использовалось возбуждённое ядро изотопа железа 57. Материал мишени представлял собой тот же самый изотоп железа 57. Основная идея эксперимента заключается именно в том, что излучатель фотонов и мишень сделаны из одинакового материала. Благодаря этому у мишени должна быть идеальная, близкая к 100%, поглощающая способность. Так как из практических экспериментов было известно, что поглощение фотонов любым материалом сильно зависит от частоты этих фотонов. Чем ближе частота поглощаемого фотона к частоте возбуждения мишени, тем лучше поглощаются фотоны. Так как частота излучаемых фотонов изотопа железа 57 и частота возбуждения материала мишени, состоящего из такого же изотопа железа 57, по определению одинаковая, Паунд предложил подсчитать количество фотонов на выходе из стрелялки и количество поглощённых мишенью фотонов. Эта разница позволяет определить разность частоты фотона на пути между стрелялкой и мишенью. Так как изменение частоты фотона однозначно свидетельствует об изменении его энергии, то факт искривления пространства и замедления времени можно считать доказанным. По мнению защитников ОТО других причин потери фотонами энергии в изолированной двадцати метровой трубе нет. Проведению такого эксперимента мешала одна маленькая деталь. При стрельбе фотонами, так же как и при стрельбе из пушки, возникает отдача, которая приводит в движение источник фотонов – атомное ядро. Т.е. источник фотонов начинает двигаться. Из-за этого возникает доплеровское смещение, которое, как вы помните, сопровождается изменением длины волны и её частоты. Что бы компенсировать эффект Доплера Паунд предложил применить эффект Мёссбауэра, «вмораживание» источника фотонов в некую кристаллическую структуру. Так как масса кристалла на много порядков больше массы отдельного ядра атома, то эффект отдачи в этом случае практически отсутствует, а ядро атома остаётся неподвижным после испускания фотона.
В этом месте теоретическое обоснование эксперимента Паунда содержит две грубые ошибки. Во-первых, считать ядро атома подвижным источником фотонов нельзя. Так как отдача возникает только в момент испускания фотона в результате поглощения части его энергии атомным ядром. Т.е. эффекту Доплера в этом случае неоткуда появится, в момент испускания фотона ядро было неподвижно. Во-вторых, даже если в кристалле отдача не наблюдается, то реально она никуда не исчезла, так как энергии на испускание фотона ядром расходуется столько же. Просто она теперь распределяется по всей структуре кристалла и не может быть зафиксирована в виде смещения отдельного ядра, а для видимого смещения всей кристаллической структуры этой энергии явно недостаточно. Следовательно, резонанс частот мишени и поглощаемого ею фотона нарушается не из-за доплеровского эффекта и не из-за искривления пространства, а потому что часть энергии излучаемого фотона уходит в отдачу и поэтому его частота уменьшается. Такую разность частот ни в коем случае нельзя трактовать как замедление времени. Это результат расходования части энергии фотона на отталкивание атомного ядра и ничего более. Третий закон Ньютона – действие равно противодействию, пока никто не отменял.
Есть в этом эксперименте и более тонкий методический нюанс, позволяющий подвергать сомнению его результаты. Он заключён в вероятностном характере поглощения фотонов мишенью. Надёжно установлено, что с рассогласованием резонансной частоты мишени и фотонов изменяется вероятность поглощения фотонов. Чем меньше разность резонансных частот, тем выше вероятность поглощения. Точной формулы устанавливающей однозначную зависимость между частотой фотонов и их поглощением нет. Есть некая вероятностная зависимость, основанная на большой статистической выборке, полученной из практических наблюдений. В ходе любого реального эксперимента вероятность равная единице, не может быть достигнута ни при каких условиях и это априори снижает достоверность данных, полученных в результате такого эксперимента и доверие к подобным опытам в целом.