Эффект Доплера или «растяжение» световой волны?

Эффект Доплера или «растяжение» световой волны?

Вернемся, однако, к объяснению «красного смещения». В 1927 году Ж. Лемэтр предпринял попытку объяснить этот эффект на основе общей теории относительности (ОТО) применительно к расширяющейся Вселенной. Хотя он использовал термин «эффект Доплера», фактически его модель явления опиралась не на величину относительной скорости (т. е. на кинематический фактор), а на величину расстояния до галактики в момент излучения ею фотона. Такая модель основана на фундаментальном утверждении общей теории относительности о том, что свет распространяется по геодезическим мировым линиям с постоянной скоростью. Геодезические линии — это линии кратчайшего расстояния между точками в пространстве данной кривизны. На плоскости они являются прямыми, а на сфере — дугами.

Из постоянства скорости следует, что в процессе пространственного расширения Вселенной пропорционально «растягивается» и время. Далее Лемэтр рассмотрел моменты излучения и наблюдения переднего и заднего гребней световой волны: поскольку на этапе наблюдения интервалы времени растянуты относительно этапа излучения. Он и сделал вывод о «красном смещении» светового кванта.

Наблюдения подтверждают вывод о растяжении времени: так, теоретически стандартный период времени между основными фазами кривой яркости сверхновой при наблюдениях действительно оказывается пропорциональным удаленности сверхновой от земного наблюдателя. Поэтому объяснение красного смещения, предложенное Лемэтром, является общепринятым. Однако такое объяснение входит в фундаментальное противоречие с законом сохранения энергии во Вселенной. Поскольку энергия светового кванта однозначно определяется длиной его волны — чем больше длина волны, тем меньше энергия, — то, если длина волны растет (квант «краснеет»), энергия световых квантов в процессе расширения Вселенной уменьшается. Но куда исчезает этот избыток энергии? Если энергия кванта в процессе движения не передается ничему, то ее уменьшение может иметь место лишь при нарушении закона сохранения энергии; если же квант терял бы часть своей энергии («старел»), передавая ее другим фотонам или частицам среды, то направление его движения изменялось бы, изображения далеких галактик были бы расплывчатыми, нечеткими и размытыми тем сильнее, чем дальше эта галактика находится. На самом же деле изображения как близких, так и далеких галактик достаточно четкие и не зависят от их удаленности от наблюдателя.

Поэтому появились работы, в которых изучалась возможность использования эффекта Доплера для объяснения красного смещения. Так, в недавней работе Фульвио Мелиа из США (arXiv:1202.0775v1) обращается внимание на весьма интересное обстоятельство: точно такое же выражение для параметра красного смещения получается в статической метрике (точнее, в шести различных моделях статической метрики), где расширение Вселенной вообще не имеет места, и речь может идти только об эффекте Доплера.

Более того, в работах Банна и Хогга (Bunn, E. F., Hogg, D. W. 2009, AmJPh, 77, 688 (BH9), а также М. Ходоровского (Michal J. Chodorowski, arXiv:0911.3536v3) авторы обосновывают тезис, согласно которому космологическое красное смещение имеет чисто кинематическую природу.

Однако, вопреки этим результатам, в работе Браека и Элгароу (Simen Braeck and Oystein Elgaroy, arXiv:1206.0927v1) выводится точная формула для космологического красного смещения. В правой части этой формулы стоит произведение обычного выражения для релятивистского (кинематического) эффекта Доплера и хорошо известного «гравитационного» отношения радиусов кривизны Вселенной в моменты излучения и наблюдения света для космологического красного смещения. Из формулы следует, что для сопутствующих наблюдателей, т. е. наблюдателей, движущихся вместе со световым квантом, красное смещение является эффектом, обусловленным исключительно расширением Вселенной, и оно может рассматриваться в качестве эффекта Доплера только тогда, когда расстояние между наблюдателем и источником света обращается в нуль (о переводах этих работ см. выше сноску). Что ж — дискуссия продолжается…

Данный текст является ознакомительным фрагментом.