Кто доказал что вселенная расширяется
Кто открыл расширение Вселенной: Хаббл или Леметр
Обнаружение расширения Вселенной стало действительно прорывным открытием, которое даже сумели подтвердить экспериментально. И благодарить за это стоит Эдвина Хаббла! Или нет?
Эйнштейн махнул рукой
Вы можете совершенно не разбираться в физике, но все равно должны были слышать об Альберте Эйнштейне и его общей теории относительности. Если говорить самым простым языком, то в центре теории находится принцип «относительности». То есть, все природные законы остаются одинаковыми относительно статичного или перемещающегося с неизменной скоростью тела.
Эта теория позволила избавиться от проблем в физике XX века, спрогнозировала существование черных дыр, показала, что световые лучи искривляются возле массивных тел, а также позволила совершенно по-новому взглянуть на пространство-время и подтолкнула ученых к новым важным открытиям.
Но в 1917 году Эйнштейн стал догадываться, что его теория предлагает два варианта для Вселенной: сжатие или расширение. Возможно, ученый был просто не готов развивать столь глобальную тему или не поверил в выводы собственных уравнений, но решил аккуратно обойти эту проблему. По сути, он создал искусственную космологическую постоянную. Впоследствии, Эйнштейн назовет этот поступок крупнейшей ошибкой.
Эдвин Хаббл и разбегающиеся галактики
Графическое представление сингулярности Вселенной
Многие прорывные открытия возникают в качестве суммирования и доказывания уже известных теорий или предположений. Можно сказать, что Эдвин Хаббл не придумал что-то с нуля, а внимательно изучил и объединил различные известные показатели. Например, богатую научную базу удалось получить от Генриетты Левитт, изучавшей переменные звезды – цефеиды.
Слайфер и Хьюмасон сумели измерить показатель красного смещения для галактик (сдвиг спектральных линий в красную сторону). Внимательность Хаббла позволила зафиксировать связь, а если говорить точнее, то зависимость, между дистанциями к объектам и значением красного смещения. Эта тенденция просматривалась для 46 галактик.
Таким образом, удалось вычислить постоянную Хабба (из-за ранних ошибок это значение намного выше современного) и закон Хаббла – Вселенная расширяется, а галактики разбегаются. Это произошло в 1929 году. Эти выводы подкрепляли уравнения Эйнштейна и вписывались в общую теорию относительности, поэтому были приняты научным сообществом и закрепились за Хабблом. Но стоит ли считать его первым?
Вклад Жоржа Леметра
Перед нами весьма необычный человек, так как был не только математиком и астрономом, но и священником. Можно сказать, что это один из первопроходцев в применении общей теории относительности. В 1927 году вышла его статья, где были представлены расчеты, приближенные к «постоянной Хаббла», появившейся лишь спустя 2 года.
Кроме того, Леметр был первым, кто четко утверждал, что далекие объекты представлены не звездами, а целыми системами, хотя слово «галактика» пока не употреблялось, но автор подразумевал именно его. Однако интересно, что в своих расчетах Леметр все же использовал данные Хаббла, с которым успел познакомиться еще в 1926 году.
Леметр был знаком с Альбертом Эйнштейном, поэтому последний читал его работу. Напомним, что еще в 1922 году советский математик А. Фридман предсказал вселенское расширение. Эйнштейн также читал эту работу и раскритиковал (он все еще не верил). При первом ознакомлении он повторил это и со статьей Леметра, но в более легкой форме.
Почему Хаббл, а не Леметр?
Если Леметр на 2 года опередил Хаббла, то почему большая часть почестей досталась второму? В некоторых источниках ссылаются на скромность Леметра, который не хотел добиваться справедливости и что-то доказывать. Но все не совсем так.
Начнем с фактора географии. Распространение работы Леметра и известность о нем касались только Европы. Его статью не переводили на другие языки и говорят, что сначала она затерялась и не произвела особого впечатления. То есть, он не обзавелся внушительной базой исследователей, которые бы распространили эту идею.
Хаббл жил в США, писал на английском и довольно быстро обзавелся сторонникам. Важно отметить, что Эйнштейн вспомнил о работе Леметра уже после ознакомления с доказательной базой Хаббла и начал активно продвигать первую статью (Леметра), так как наконец-то поверил в правдивость выводов.
Постскриптум
Всегда сложно определить первенство в научной среде. Многие ученые долгие годы работают, выдвигают теории и находят новые данные. Затем появляется тот, кому удается сделать прорыв за счет суммирования и доказательной базы. Большинство экспертов считают, что в конкретном случае Леметр был одним из тех, кто догадывался о расширении, но доказать его сумел именно Хаббл.
Однако в новостях все чаще поговаривают о необходимости переименовать закон. И это не просто слухи, а предварительное решение Международного астрономического союза. Возможно, в скором будущем появится закон Хаббла-Леметра. Суть не меняется, но это дань работе ученых. Но может тогда следует добавить еще и Фридмана?
Спросите Итана: откуда нам известно, что расширяется именно пространство?
Если вы посмотрите на любые окружающие вас объекты Вселенной, и увидите, что все они будут двигаться в сторону от вас, что вы решите? Может, что у вас есть отталкивающая сила? Или что ткань пространства расширяется? Что вы находитесь в центре произошедшего когда-то взрыва и всё разлетается в стороны от его центра? Все эти и некоторые другие варианты могут казаться разумными, но учёные почему-то всё время говорят о «расширяющейся Вселенной», будто бы другие альтернативы не годятся. Почему? Наш читатель спрашивает об этом:
Откуда нам известно, что расширяется пространство? По отношению к чему? Красное смещение разлетающихся галактик могло бы быть и в бесконечном пространстве, а не обязательно в расширяющемся.
Ответ на этот вопрос вытекает непосредственно из наблюдений за Вселенной.
Пространство-время вблизи нашего местоположения искривлено из-за гравитационного воздействия Солнца и других масс
Один из самых невероятных фактов, связанных с Эйнштейновской Общей теорией относительности – лидирующей теорией гравитации – заключается в том, что она связывает пространство-время и материю с энергией. Материя и энергия сообщают пространству-времени, как нужно искривиться; пространство-время говорит материи, как двигаться. Если мы узнаем, как распределена вся материя и энергия во Вселенной в какой-то момент времени, и узнаем, как они движутся, мы сможем воссоздать кривизну пространства-времени и его эволюцию в течение жизни Вселенной.
Двумерный срез регионов повышенной (красный) и пониженной (синий/чёрный) плотности в нашем участке Вселенной. Линии и стрелочки показывают направление пекулярных скоростей, но всё это также вписывается в ткань расширяющегося пространства
Наблюдая за галактиками Вселенной, мы видим, что на самые близкие к нам галактики больше всего влияет гравитационная динамика других соседних галактик. Млечный путь и Андромеда направляются навстречу друг другу, другие галактики местной группы в итоге также сольются с нами. Остальные галактики притягиваются в другим близлежащим массам – крупным галактикам, галактическим группам и скоплениям. В любом относительно небольшом участке пространства, размером от нескольких миллионов до десятков миллионов световых лет, массы этого пространства определяют, как именно будут двигаться галактики.
Ультрадальний снимок Вселенной показывает, как галактики движутся в направлении от нас с экстремально большими скоростями. На таких расстояниях галактик больше, они выглядят меньше по размеру и менее развитыми, и удаляются от нас с большим красным смещением по сравнению с соседними с нами
На крупных масштабах всё происходит не так. Мелкомасштабные движения, известные, как пекулярные скорости, могут достигать нескольких тысяч километров в секунду. Но они накладываются на более сильный эффект, который можно увидеть только на более крупных масштабах: чем дальше от нас галактика, тем быстрее она от нас отдаляется.
Красное смещение вызывается не просто удалением галактик от нас, а тем, что пространство между нами и галактиками смещает свет в красную часть спектра, пока он перемещается к нам от отдалённой точки пространства.
Это эмпирическое наблюдение известно, как закон Хаббла, и постулирует, что наблюдаемая скорость убегания от нас галактики пропорциональна расстоянию от неё до нас. Константа пропорциональности известна как постоянная Хаббла, и её довольно точно измерили, получив значение порядка 70 (км/с)/Мпк [66,93 ± 0,62 (км/с)/Мпк – данные 2016 года / прим. перев.] с погрешностью в 3-4 (км/с)/Мпк – зависит от того, как измерять.
Зависимость красного смещения от расстояния до далёких галактик. У не попадающих на линию точек разница в скорости объясняется пекулярными скоростями, но они отвечают лишь за небольшое отклонение от общего расширения. Первичные данные, изучавшиеся Эдвином Хабблом, и впервые использовавшиеся для демонстрации расширения Вселенной, уместились в красный прямоугольник слева внизу.
Но отчего так происходит? Почему всё убегает друг от друга, если не имеет гравитационной связи? Вернёмся к основам ОТО, к тому самому откровению, которое испытал Эйнштейн перед публикацией своей наиболее мощной идеи.
Выдвинув свою ОТО, Эйнштейн быстро понял, что у неё имеется последствие, которое ему не нравится: Вселенная, повсеместно наполненная материей, была бы нестабильна и подвержена гравитационному коллапсу. Эйнштейн решил этот поправить, введя невидимую расталкивающую силу, предотвращавшую коллапс, космологическую константу. Другие поняли, что, если не учитывать эту константу, можно получить Вселенную, не статичную во времени – в ней сама ткань пространства будет расширяться или сжиматься.
Аналогия расширения Вселенной на примере шарика с монетками. Отдельные структуры (монетки) не расширяются, но расстояния между ними увеличиваются.
Вселенная, подчиняющаяся законам относительности, и изотропно и гомогенно заполненная материей и излучением, не может быть статичной. Она должна расширяться или сжиматься, в зависимости от содержимого и его количества.
Разница между объяснением красного смещения только через движение галактик (пунктир) и предсказаниями ОТО (сплошная) для расстояний в расширяющейся Вселенной. С нашими наблюдениями однозначно совпадают лишь предсказания ОТО.
Довольно быстро стало понятно – ещё в 1930-х – что тут двух вариантов быть не может: Вселенная в самом деле расширяется. Это помог подтвердить тот факт, что красное смещение объекта очень хорошо совпадало с расчётным, полученным через расстояние, и с наблюдаемой скоростью расширения, вне зависимости от расстояния до объекта.
Но тому есть ещё больше доказательств. Если бы Вселенная расширялась, можно было бы ожидать наблюдения ещё нескольких явлений. Мы бы увидели, что чем дальше заглядываем в удалённое прошлое, тем плотнее становится материя Вселенной. Мы бы увидели, что скопления галактик оказываются плотнее, чем сегодня. Мы бы увидели, что спектр света от объектов со свойствами абсолютно чёрного тела таким бы и оставался, и не испытывал сдвига в энергии. А ещё мы бы увидели, что температура реликтового излучения раньше была выше, чем сегодняшние 2,7 К.
Исследование от 2011 года (красные точки) даёт наилучшие на сегодня доказательства того, что температура реликтового излучения в прошлом была выше. Спектральные и температурные свойства пришедшего издалека света подтверждают тот факт, что мы живём в расширяющемся пространстве.
Все эти свидетельства совместно учат нас тому, что Вселенная расширяется, и именно в этом причина красного смещения. Это не движение, не уставший свет, не результат взрыва. Само пространство расширяется, и та часть Вселенной, что мы можем видеть и изучать, со временем становится всё больше и больше. И хотя прошло всего 13,8 млрд лет с момента Большого взрыва, самые удалённые объекты, от которых до нас дошёл свет, сейчас удалены от нас уже на 46 млрд световых лет.
Наблюдаемая часть Вселенной простирается на 46 млрд световых лет во всех направлениях с нашей точки зрения, но за этими пределами определённо существует гораздо больше пространства, точно такое же, как наше,- возможно, даже бесконечное количество.
А что находится за этими пределами? Мы почти уверены, что там есть ещё больше «Вселенной», но свету оттуда просто не хватило времени, чтобы дойти до нас. Ненаблюдаемая Вселенная, расположенная за пределами наблюдаемой, может быть конечной или бесконечной; нам это просто неизвестно. Но даже если она уже бесконечная, она всё равно может расширяться! С расширением Вселенной мы просто умножаем её размер на множитель роста, поэтому если она изначально была конечной, она останется конечной (просто больше по размеру), а если она была бесконечной, она останется бесконечной. Мы уверены, что Вселенная меняется, расширяется и растягивается – и все эти эффекты непротиворечивы и неоспоримы. Но что находится за пределами наблюдаемой Вселенной? Мы работаем над тем, чтобы это выяснить. Как обычно, в науке есть ещё много того, что нужно сделать!
Расширение Вселенной — величайшее заблуждение в истории науки
Космологическое (метагалактическое) красное смещение — наблюдаемое для всех далёких источников (галактики, квазары) понижение частот излучения, объясняемое как динамическое удаление этих источников друг от друга и, в частности, от нашей Галактики, то есть как не стационарность (расширение) Метагалактики.
Графически оно выглядит так — Рис.1.
Рис.1 Графическое представление о космологическом красном смещении.
Красное смещение для галактик было обнаружено американским астрономом Весто Слайфером в 1912—1914 годах, а в 1929 году Эдвин Хаббл открыл, что красное смещение для далёких галактик больше, чем для близких, и возрастает приблизительно пропорционально расстоянию ( закон Хаббла).
Предлагались различные объяснения наблюдаемого смещения спектральных линий, например, гипотеза утомлённого света, но, в конечном итоге, связали с эффектом расширения межгалактического пространства по ОТО. Данное объяснение этого явления является общепринятым.
Красное смещение, вызванное расширением, часто путают с более знакомым красным смещением, вызванным эффектом Доплера, который обычно делает звуковые волны более длинными, если источник звука удаляется. То же верно и для световых волн, которые становятся более длинными, если источник света отдаляется в пространстве.
Доплеровское красное смещение и космологическое красное смещение – вещи абсолютно разные и описываются различными формулами. Первая вытекает из частной теории относительности, которая не принимает во внимание расширение пространства, а вторая следует из общей теории относительности. Эти две формулы почти одинаковы для близлежащих галактик, но различаются для отдаленных.
Сложность познания окружающего мира заключается в том, что выводы по многим наблюдательным и экспериментальным данным могут быть неверными и тогда искажается картина окружающей действительности. И хотя в науке принято выносить ту или иную теорию на широкое обсуждение, ошибки неизбежны. Всё зависит от того сколько последователей поддержали теорию. Зависимость Космологического красного смещения связали с расширяющимся пространством. Это общепризнанная теория.
Однако возможно другое объяснение Космологического красного смещения. Данная работа актуальна тем, что позволяет по-другому взглянуть на данное явление, ранее не озвученное ни одним исследователем. Это, по моему мнению, шаг в новую физику.
Цель статьи показать зависимость Космологического красного смещения от температуры среды распространения видимого излучения. Для решения данной задачи будем использовать экспериментальные и исследовательские данные современной науки. Эксперименты Планка показали, что частота излучения абсолютно черного тела с увеличением температуры возрастает. Чем выше температура, тем выше и частота излучения. Данная зависимость распространяется и на простые тела. Тем самым, чем выше температура, тем выше частота излучения (и поглощения) вещества, и водорода, в том числе.
Рассмотрим виды спектров.
1. Сплошной спектр — Рис.2.
Рис.2 Сплошной спектр видимого излучения
Спектр видимого излучения сплошной. Это говорит о том, что в данном спектре присутствуют все, без исключения, частоты видимого излучения. Характерной особенностью излучения является то, что излучение определённой частоты всегда ложится на одно и то же место в спектре. И исключений не бывает.
2. Линейчатый спектр — Рис.3.
Рис.3 Линейчатый спектр
Наличие вертикальных линий в спектре говорит о том, что в спектре отсутствуют некоторые частоты излучения и ничего более. Теперь, обратившись к Рис.1, мы можем утверждать, что в спектре позиции 1 отсутствует часть излучения, относящаяся к зелёному цвету, на позиции 2 отсутствует часть излучения, относящаяся к жёлтому цвету, на позиции 3 отсутствует часть излучения, относящаяся к синему цвету.
Спектр излучения в видимом диапазоне любой галактики непрерывный. На этот спектр накладываются фраунгоферовы линии поглощения водорода. О чём это говорит? Это говорит о том, что часть волн определённой длины были поглощены водородом. То есть, по мере приближения к наблюдателю часть волн спектра были потеряны. Само собой это не имеет никакого отношения к процессу излучения и связано с окружением галактик. Окружение галактик это водородная среда, которая и поглощает часть волн. Я подчёркиваю, это окружение тех галактик, которые непосредственно излучают волны в видимом диапазоне. Регистрируется это излучение только в том случае, если прошло в вакууме напрямую к наблюдателю, минуя любые другие галактики. Если бы это было не так, т.е. излучение проходило бы через вещество, то оно было бы полностью поглощено. На некоторых спектрах видимого излучения далёких галактик накладываются фраунгоферовы линии и на другие частоты спектра, это говорит о том, что поглощены эти длины волн средой окружения более близких галактик. Поэтому наложение фраунгоферовых линий прочно связано с водородом окружающим галактики, которые непосредственно излучают и вблизи которых проходит излучение. Но все галактики окружены водородом. Так почему же фраунгоферовы линии накладываются на разные части спектра видимого излучения? И чем дальше галактика, тем в более длинноволновую зону видимого спектра сдвигаются фраунгоферовы линии поглощения водорода. Ответ только один. Температура водородной среды, окружающей галактики, различна. Чем ниже температура среды поглощения, тем в более длинноволновую часть спектра сдвигается фраунгоферова линия поглощения водорода. Это доказывают спектральные серии излучения водорода, которые располагаются во всех диапазонах излучения.
Спектральные серии водорода.
Серия Лаймана
Открыта Т. Лайманом[en] в 1906 году. Все линии серии находятся в ультрафиолетовом диапазоне. Серия соответствует формуле Ридберга при n′ = 1 и n = 2, 3, 4, …; линия Lα = 1216 Å является резонансной линией водорода. Граница серии — 911,8 Å.
Серия Бальмера
Открыта И. Я. Бальмером в 1885 году. Первые четыре линии серии находятся в видимом диапазоне и были известны задолго до Бальмера, который предложил эмпирическую формулу для их длин волн и на её основе предсказал существование других линий этой серии в ультрафиолетовой области. Серия соответствует формуле Ридберга при n′ = 2 и n = 3, 4, 5, …; линия Hα = 6565 Å, граница серии — 3647 Å.
Серия Пашена
Предсказана Ритцем в 1908 году на основе комбинационного принципа. Открыта Ф. Пашеном в том же году. Все линии серии находятся в инфракрасном диапазоне. Серия соответствует формуле Ридберга при n′ = 3 и n = 4, 5, 6, …; линия Pα = 18 756 Å, граница серии — 8206 Å.
Серия Брэккета
Открыта Ф. С. Брэккетом в 1922 году. Все линии серии находятся в ближнем инфракрасном диапазоне. Серия соответствует формуле Ридберга при n′ = 4 и n = 5, 6, 7, …; линия Bα = 40 522 Å. Граница серии — 14 588 Å.
Серия Пфунда
Открыта А. Г. Пфундом в 1924 году. Линии серии находятся в ближнем (часть в среднем) инфракрасном диапазоне. Серия соответствует формуле Ридберга при n′ = 5 и n = 6, 7, 8, …; линия Pfα = 74 598 Å. Граница серии — 22 794 Å.
Серия Хэмпфри
Открыта К. Д. Хэмпфри в 1953 году. Серия соответствует формуле Ридберга при n′ = 6 и n = 7, 8, 9, …; основная линия — 123 718 Å, граница серии — 32 823 Å.
Расположение серии зависит от температуры излучения.
Альтернативное объяснение причины Космологического красного смещения с позиции влияния среды распространения на видимое излучение далёких галактик новое слово в науке. Ранее никто из учёных не высказывал такое объяснение Причины Космологического красного смещения.
На сплошной спектр видимого излучения далёких галактик накладываются фраунгоферовы линии поглощения определённой частоты водородом-средой распространения. Эти линии смещаются в длинноволновую сторону, что говорит об изменении свойств среды распространения, а не свойств самого излучения (изменении длины волны) и связаны эти изменения, прежде всего с температурой. А это, в свою очередь говорит о том, что Вселенная в своём эволюционном развитии нагревается.
Учёные совершенно не учитывают то, что водород, в зависимости от температуры излучает волны разной длины. Соответственно, в зависимости от температуры, он поглощает волны разной длины. Поэтому космологическое красное смещение обусловлено температурой во Вселенной, чем дальше, тем температура среды распространения волн, а среда-это водород, была ниже.
Вывод. О чём говорят фраунгоферовы линии на непрерывном спектре видимого излучения далёких галактик? Непрерывный спектр видимого излучения без фраунгоферовых линий говорит о том, что в спектре есть волны всех длин (частот) присущих видимому спектру. Наличие фраунгоферовых линий говорит о том, что на спектре отсутствуют волны определённой длины (частоты). Самый распространённый элемент в космосе водород. Он окружает звёзды и далёкие галактики. Водород и поглощает кванты, несущие волны этих длин видимого спектра. С этим, скажем так, дефектом, излучение видимого спектра и доходит до наблюдателя. Отсутствующие в спектре волны не могут ни удлинить свою длину, ни укоротить. Их просто нет в наличии, тем самым удлиняться нечему. Их отсутствие обусловлено поглощением их водородом в зависимости от температуры водорода. Вы только подумайте, как может изменяться, удлиняться то, чего в спектре нет? Изначально в спектре отсутствуют волны определённой длины, и длина их измениться не может. Значит, водород может поочерёдно излучать (и поглощать) волны всех длин спектра от радио до гамма в зависимости от температуры. Вселенная не расширяется, Вселенная нагревается.
Данный вывод можно доказать экспериментом. Один из вариантов такого эксперимента постепенный нагрев железного стержня (или вольфрамового) в герметичной камере в среде водорода. Железо, да и вольфрам, начиная с определённой температуры, излучает непрерывный спектр видимого излучения. Нагревать можно током. Спектр регистрировать спектрометром.
1. Бор Н. Теория атома и принципы описания природы / /Сб. Н. Бор. Из бранные научные труды. Т. 2. М.: Наука, 1971
2. Иродов, И.Е. Квантовая физика. Основные законы: Учебное пособие / И.Е. Иродов. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010
4. LEKTSII Изучение спектра атома водорода lektsii.org/12-58456.html
5. PANDIA Отчёт по лабораторной работе № 7 «Изучение спектра атома водорода» pandia.ru/text/80/548/84450.php
6. POZNAUKA Спектральные серии излучения атома водорода. poznayka.org/s68583t1.html
7. Савельев, И.В. Курс физики: Учебное пособие в 3-х тт. Т.3. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц, / И.В. Савельев. — СПб.: Лань, 2007
8. Яворский Б.М, Селезнёв Ю.А. Справочное руководство по физике. Москва «Наука» 1989 г.