Ako neko misli da riječ "bježi" ima čisto sportski, ili u najboljem slučaju "antibračni" karakter, onda se vara. Ima mnogo zanimljivijih interpretacija. Na primjer, kosmološki Hubble zakon ukazuje da se... galaksije raspršuju!

Tri vrste maglina

Zamislite: u crnom, ogromnom bezvazdušnom prostoru, zvezdani sistemi se tiho i polako udaljuju jedan od drugog: „Zbogom! Zbogom! Zbogom!". Možda, ostavimo po strani "lirske digresije" i okrenimo se naučnim informacijama. Godine 1929. najuticajniji astronom 20. veka, američki naučnik Edvin Pauel Habl (1889-1953), došao je do zaključka da se Univerzum stalno širi.

Čovjek koji je cijeli svoj odrasli život posvetio razotkrivanju strukture kosmosa, rođen je u Marshfieldu. Od malih nogu je bio zainteresiran za astronomiju, iako je na kraju postao ovlašteni pravnik. Nakon što je diplomirao na Univerzitetu Cambridge, Edwin je radio u Čikagu na opservatoriji York. Borio se u Prvom svjetskom ratu (1914-1918). Godine na frontu samo su odgodile otkriće na vrijeme. Danas cijeli naučni svijet zna šta je Hablova konstanta.

Na putu ka otkriću

Vraćajući se s fronta, naučnik je skrenuo pažnju na opservatoriju Mount Wilson na velikoj nadmorskoj visini (Kalifornija). Tamo je primljen. Zaljubljen u astronomiju, mladić je proveo dosta vremena gledajući kroz sočiva ogromnih teleskopa veličine 60 i 100 inča. Za to vrijeme - najveći, gotovo fantastičan! Izumitelji su radili na uređajima skoro deceniju, postigavši ​​najveće moguće povećanje i jasnoću slike.

Podsjetimo se da se vidljiva granica Univerzuma zove Metagalaksija. Prelazi u stanje u vrijeme Velikog praska (kosmološka singularnost). Moderne odredbe navode da su vrijednosti fizičkih konstanti homogene (što znači brzina svjetlosti, elementarni naboj itd.). Vjeruje se da Metagalaksija sadrži 80 milijardi galaksija (nevjerovatna brojka zvuči i ovako: 10 sekstiliona i 1 septilion zvijezda). Oblik, masa i veličina - za Univerzum su to potpuno drugačiji koncepti od onih koji su prihvaćeni na Zemlji.

Misteriozne cefeide

Da bi se potkrijepila teorija koja objašnjava širenje Univerzuma, bila su potrebna dugoročna dubinska istraživanja, složena poređenja i proračuni. Početkom dvadesetih godina 20. veka, jučerašnji vojnik je konačno mogao da klasifikuje magline posmatrane odvojeno od Mlečnog puta. Prema njegovom otkriću, oni su spiralni, eliptični i nepravilni (tri vrste).

U najbližoj, ali ne i najbližoj, spiralnoj maglini, Andromedi, Edvin je uočio Cefeide (klasu pulsirajućih zvezda). Hubbleov zakon postao je bliži svom konačnom oblikovanju nego ikada. Astronom je izračunao udaljenost do ovih svjetionika i veličinu najvećeg prema njegovim zaključcima, Andromeda sadrži otprilike jedan trilion zvijezda (2,5-5 puta veće od Mliječnog puta).

Konstantno

Neki naučnici, objašnjavajući prirodu cefeida, upoređuju ih sa gumenim loptama na naduvavanje. Oni se ili povećavaju ili smanjuju, ponekad se približavaju, ponekad udaljavaju. Radijalna brzina u ovom slučaju fluktuira. Kada se kompresuje, temperatura "putnika" raste (iako se površina smanjuje). Pulsirajuće zvijezde su neobično klatno koje će, prije ili kasnije, stati.

Kao i druge magline, i Andromedu naučnici karakterišu kao ostrvski univerzalni prostor koji podseća na našu galaksiju. Edwin je 1929. otkrio: radijalne brzine galaksija i njihove udaljenosti su međusobno povezane i linearno zavisne. Određen je koeficijent, izražen u km/s po megaparsecu, takozvana Hubble konstanta. Kako se svemir širi, konstanta se mijenja. Ali u određenom trenutku, u svim tačkama u sistemu univerzuma, to je isto. U 2016. - 66,93 ± 0,62 (km/s)/Mpc.

Ideje o sistemu svemira koji nastavlja svoju evoluciju i širi se tada su dobile opservacijsku osnovu. Proces su astronomi aktivno proučavali do samog početka Drugog svjetskog rata. Godine 1942. vodio je odjel za vanjsku balistiku na poligonu Aberdeen (SAD). Da li je o tome sanjao sljedbenik možda najmisterioznije nauke na svijetu? Ne, on je želeo da "dešifruje" zakone skrivenih uglova dalekih galaksija! Što se tiče njegovih političkih stavova, astronom je otvoreno osudio vođu Trećeg Rajha, Adolfa Hitlera. Na kraju svog života, Hubble je postao poznat kao moćni protivnik upotrebe oružja za masovno uništenje. No, vratimo se na magline.

Great Edwin

Mnoge astronomske konstante se vremenom prilagođavaju i pojavljuju se nova otkrića. Ali svi se oni ne mogu porediti sa Zakonom širenja Univerzuma. Čuveni astronom 20. veka Habl (od vremena Kopernika nije imao ravnog!) stavlja se u ravan sa osnivačem eksperimentalne fizike Galileom Galilejem i autorom inovativnog zaključka o postojanju zvezdanih sistema , William Herschel.

Čak i prije nego što je Hubbleov zakon otkriven, njegov autor je postao član Nacionalne akademije nauka Sjedinjenih Američkih Država, kasnije akademija u različitim zemljama, i ima mnogo nagrada. Mnogi ljudi su vjerovatno čuli da je prije više od deset godina svemirski teleskop Hubble lansiran u orbitu i da uspješno radi. Ovo ime je dato jednoj od malih planeta koje rotiraju između orbite Marsa i Jupitera (asteroid).

Ne bi bilo sasvim pošteno reći da je astronom samo sanjao da ovjekovječi svoje ime, ali postoje indirektni dokazi da je Edwin volio privlačiti pažnju. Postoje fotografije na kojima veselo pozira pored filmskih zvijezda. U nastavku ćemo govoriti o njegovim pokušajima da "popravi" svoje postignuće na nivou laureata i tako uđe u historiju kosmologije.

Metoda Henrietta Leavitt

Čuveni britanski astrofizičar napisao je u svojoj knjizi Kratka istorija vremena da je “otkriće da se svemir širi bila najveća intelektualna revolucija 20. stoljeća”. Hubble je imao sreću da bude na pravom mjestu u pravo vrijeme. Opservatorija Mount Wilson bila je centar opservatorskog rada koji je bio u osnovi nove astrofizike (kasnije nazvane kosmologija). Najmoćniji teleskop na Zemlji, Hukerov teleskop, upravo je postao operativan.

Ali Hablovu konstantu teško da je otkrila samo sreća. Bilo je potrebno strpljenje, upornost i sposobnost da se poraze naučnici rivali. Ovako je američki astronom Harlow Shapley predložio svoj model Galaksije. Već je bio poznat kao naučnik koji je odredio veličinu Mlečnog puta. Široko je koristio tehniku ​​određivanja udaljenosti od Cefeida, koristeći tehniku ​​koju je 1908. sastavila Henrietta Swan Leavitt. Ustanovila je udaljenost do objekta na osnovu standardnih varijacija svjetlosti sjajnih zvijezda (Cepheid varijable).

Ne prašina i gas, već druge galaksije

Harlow Shapley je vjerovao da je galaksija široka 300.000 svjetlosnih godina (oko deset puta šira od normalne). Međutim, Shapley je, kao i većina astronoma tog vremena, bio siguran: Mliječni put je cijeli svemir. Uprkos pretpostavci koju je prvi izneo William Herschel u 18. veku, on je delio zajedničko uverenje da su sve magline za relativno obližnje objekte samo delovi prašine i gasa na nebu.

Koliko je gorkih, hladnih noći Habl proveo sedeći za moćnim Hukerovim teleskopom pre nego što je uspeo da dokaže da Šepli nije u pravu. U oktobru 1923. godine, Edwin je primijetio "svijetli" objekat u maglini M31 (sazviježđe Andromeda) i sugerirao da ne pripada Mliječnom putu. Nakon što je pažljivo proučio fotografske ploče koje su prikazivale istu oblast koju su prethodno proučavali drugi astronomi, uključujući Shapleyja, Edwin je shvatio da se radi o Cefeidi.

Svemir otkriven

Hubble je koristio Shapleyjevu metodu za mjerenje udaljenosti do promjenljive zvijezde. Ispostavilo se da je udaljen milionima svjetlosnih godina od Zemlje, koja je daleko izvan Mliječnog puta. Sama galaksija sadrži milione zvijezda. Poznati univerzum se dramatično proširio istog dana i – na neki način – otkriven je i sam Kosmos!

New York Times je napisao: "Otkrivene spiralne magline su zvjezdani sistemi. Dr. Hubbel (sic) potvrđuje stav da su one poput 'ostrvskih svemira' sličnih našem." Otkriće je bilo značajno za astronomski svijet, ali Hubbleov najveći trenutak tek je dolazio.

Nema statike

Kao što smo rekli, pobeda je došla do Kopernika br. 2 1929. godine, kada je klasifikovao sve poznate magline i izmerio njihove brzine iz spektra emitovane svetlosti. Njegovo zapanjujuće otkriće da se sve galaksije povlače od nas brzinama koje rastu proporcionalno njihovoj udaljenosti od Mliječnog puta šokiralo je svijet. Hubbleov zakon je ukinuo tradicionalnu ideju statičkog Univerzuma i pokazao da je i sam pun dinamike. I sam Ajnštajn je pognuo glavu pred tako neverovatnom moći zapažanja.

Autor teorije relativnosti ispravio je vlastite jednačine, kojima je opravdao širenje Univerzuma. Sada je Hubble pokazao da je Ajnštajn bio u pravu. Hubble vrijeme je recipročna vrijednost Hubble konstante (t H = 1/H). Ovo je karakteristično vrijeme širenja Univerzuma u trenutnom trenutku.

Eksplodirao i rasuo

Ako je konstanta u 2016. godini jednaka 66,93 ± 0,62 (km/s)/Mpc, tada ekspanziju trenutno karakterišu sljedeće brojke: (4,61 ± 0,05) 10 17 s ili (14,610 ± 0,016) 10 9 godina. I opet malo humora. Optimisti kažu: dobro je što se galaksije "rasipaju". Ako zamislimo da im se približavaju, prije ili kasnije bi došlo do Velikog praska. Ali s njim je počelo rođenje Univerzuma.

Galaksije su "jurile" (počele se kretati) u različitim smjerovima u isto vrijeme. Da brzina uklanjanja nije proporcionalna udaljenosti, teorija eksplozije je besmislena. Druga izvedena konstanta je Hablova udaljenost – proizvod vremena i brzine svjetlosti: D H = ct H = c/H. U trenutnom trenutku - (1,382 ± 0,015) 10 26 m ili (14,610 ± 0,016) 10 9 svjetlosnih godina.

I opet o lopti na naduvavanje. Postoji mišljenje da čak ni astronomi ne tumače uvijek ispravno širenje Univerzuma. Neki stručnjaci smatraju da nabubri poput gumene lopte, ne znajući za nikakva fizička ograničenja. Istovremeno, same galaksije ne samo da se udaljavaju od nas, već i haotično „švrljaju“ unutar stacionarnih klastera. Drugi tvrde da udaljene galaksije "odlebde" kao fragmenti Velikog praska, ali to rade smireno.

Mogao je postati nobelovac

Hubble je pokušao da dobije Nobelovu nagradu. Krajem 1940-ih čak je unajmio reklamnog agenta (sada bi ga zvali PR menadžer) da promovira posao. Ali napori su bili uzaludni: nije bilo kategorije za astronome. Edwin je umro 1953. tokom naučnog istraživanja. Nekoliko noći je posmatrao vangalaktičke objekte.

Njegov posljednji ambiciozni san ostao je neostvaren. Ali naučniku bi verovatno bilo drago da svemirski teleskop nazove njegovo ime. A generacije braće u umu nastavljaju da istražuju ogroman i divan prostor. Još uvijek krije mnoge misterije. Koliko otkrića je pred nama! A izvedene Hubble konstante će sigurno pomoći jednom od mladih naučnika da postane „Kopernik br. 3“.

Izazivati ​​Aristotela

Šta će se dokazati ili opovrgnuti, kada se teorija o beskonačnosti, večnosti i nepromenljivosti prostora oko Zemlje, koju je i sam Aristotel podržavao, raspala? Univerzumu je pripisivao simetriju i savršenstvo. Potvrdio je kosmološki princip: sve teče, sve se mijenja.

Vjeruje se da će za milijarde godina nebo biti prazno i ​​mračno. Ekspanzija će "odnijeti" galaksije izvan kosmičkog horizonta, odakle svjetlost neće moći doći do nas. Hoće li Hubble konstanta biti relevantna za prazan svemir? Šta će se dogoditi sa naukom kosmologije? Hoće li nestati? Sve ovo su spekulacije.

Crveni pomak

U međuvremenu je teleskop Hubble napravio sliku koja pokazuje da smo još daleko od univerzalne praznine. U stručnim krugovima postoji mišljenje da je otkriće Edwina Hubblea vrijedno, ali ne i njegov zakon. Međutim, on je bio taj koji je gotovo odmah prepoznat u naučnim krugovima tog vremena. Zapažanja „crvenog pomaka” ne samo da su izborila pravo na postojanje, već su relevantna i u 21. veku.

I danas, kada određuju udaljenost do galaksija, oslanjaju se na naučnikovo superotkriće. Optimisti kažu: čak i ako naša galaksija ostane jedina, neće nam biti "dosadno". Biće milijarde patuljastih zvezda i planeta. To znači da će pored nas i dalje postojati “paralelni svjetovi” koje ćemo morati istražiti.

Velikim fizičarima prošlosti, I. Newtonu i A. Einsteinu, Univerzum je izgledao statičan. Sovjetski fizičar A. Friedman je 1924. godine izneo teoriju o "rasejanju" galaksija. Fridman je predvidio širenje Univerzuma. Ovo je bila revolucionarna revolucija u fizičkom razumijevanju našeg svijeta.

Američki astronom Edwin Hubble istraživao je maglinu Andromeda. Do 1923. bio je u mogućnosti da vidi da su njegova predgrađa skupovi pojedinačnih zvijezda. Hubble je izračunao udaljenost do magline. Ispostavilo se da je to 900.000 svjetlosnih godina (tačnije izračunata udaljenost danas je 2,3 miliona svjetlosnih godina). Odnosno, maglina se nalazi daleko iza Mliječnog puta - Naše Galaksije. Nakon posmatranja ove i drugih maglina, Hubble je došao do zaključka o strukturi Univerzuma.

Univerzum se sastoji od skupa ogromnih zvezdanih jata - galaksije.

Upravo oni nam se čine kao daleki magloviti „oblaci“ na nebu, jer pojedinačne zvijezde jednostavno ne možemo vidjeti na tako velikoj udaljenosti.

E. Hubble je uočio važan aspekt u dobijenim podacima, koji su astronomi uočili ranije, ali ga je teško protumačiti. Naime: posmatrana dužina spektralnih svetlosnih talasa koje emituju atomi udaljenih galaksija je nešto veća od dužine spektralnih talasa koje emituju isti atomi u zemaljskim laboratorijama. To jest, u spektru zračenja susjednih galaksija, kvant svjetlosti koju emituje atom kada elektron skoči iz orbite u orbitu pomjeren je po frekvenciji prema crvenom dijelu spektra u poređenju sa sličnim kvantom koji emituje isti atom na Zemlji. . Habl je uzeo slobodu da ovo zapažanje protumači kao manifestaciju Doplerovog efekta.

Sve posmatrane susjedne galaksije se udaljavaju od Zemlje, jer gotovo svi galaktički objekti izvan Mliječnog puta pokazuju crveni spektralni pomak proporcionalan brzini njihovog uklanjanja.

Najvažnije, Hubble je bio u mogućnosti da uporedi rezultate svojih mjerenja udaljenosti do susjednih galaksija sa mjerenjima njihovih stopa recesije (na osnovu crvenog pomaka).

Matematički, zakon je formulisan vrlo jednostavno:

gdje je v brzina kojom se galaksija udaljava od nas,

r je udaljenost do njega,

H je Hubble konstanta.

I, iako je Habl u početku došao do ovog zakona kao rezultat posmatranja samo nekoliko galaksija koje su nam najbliže, nijedna od mnogih novih galaksija vidljivog univerzuma koje su otkrivene od tada, sve udaljenije od Mlečnog puta, ne spada van delokrug ovog zakona.

Dakle, glavna posljedica Hubbleovog zakona:

Univerzum se širi.

Samo tkivo svetskog prostora se širi. Svi posmatrači (a vi i ja nismo izuzetak) sebe smatraju u centru Univerzuma.

4. Teorija velikog praska

Iz eksperimentalne činjenice recesije galaksija procijenjena je starost Univerzuma. Ispostavilo se da je jednako - oko 15 milijardi godina! Tako je započela era moderne kosmologije.

Postavlja se prirodno pitanje: šta se dogodilo na početku? Naučnicima je trebalo samo 20 godina da u potpunosti revolucioniraju svoje razumijevanje Univerzuma.

Odgovor je predložio izvanredni fizičar G. Gamow (1904 - 1968) 40-ih godina. Istorija našeg sveta počela je Velikim praskom. Upravo to misli većina astrofizičara danas.

Veliki prasak je brz pad prvobitno ogromne gustine, temperature i pritiska materije koncentrisane u veoma maloj zapremini Univerzuma. Sva materija svemira bila je sabijena u gustu grudu proto-materije, sadržanu u vrlo maloj zapremini u poređenju sa trenutnom skalom Univerzuma.

Ideja o svemiru, rođenom iz super guste gomile supervruće materije i koja se od tada širi i hladi, naziva se teorijom Velikog praska.

Danas ne postoji uspješniji kosmološki model nastanka i evolucije Univerzuma.

Prema teoriji Velikog praska, rani svemir se sastojao od fotona, elektrona i drugih čestica. Fotoni su u stalnoj interakciji sa drugim česticama. Kako se Univerzum širio, hladio se i u određenoj fazi elektroni su počeli da se spajaju sa jezgrima vodonika i helijuma i formiraju atome. To se dogodilo na temperaturi od oko 3000 K i približnoj starosti Univerzuma od 400 000 godina. Od ovog trenutka, fotoni su se mogli slobodno kretati u prostoru, praktično bez interakcije sa materijom. Ali još uvijek imamo “svjedoke” tog doba - reliktne fotone. Vjeruje se da je kosmičko mikrovalno pozadinsko zračenje sačuvano od početnih faza postojanja Univerzuma i da ga ravnomjerno ispunjava. Kao rezultat daljeg hlađenja zračenja, njegova temperatura se smanjila i sada iznosi oko 3 K.

Postojanje kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja predviđeno je teorijski u okviru teorije Velikog praska. Smatra se jednom od glavnih potvrda teorije Velikog praska.

Trenutno je, prema astronomskim zapažanjima, utvrđeno da Univerzum je homogen u velikim razmerama, tj. sve njegove regije od 300 miliona svjetlosnih godina i više izgledaju isto. U manjem obimu, postoje regije u svemiru u kojima se nalaze jata galaksija i, obrnuto, praznine u kojima ih je malo.

Galaksija je sistem zvijezda koje imaju zajedničko porijeklo i povezane su gravitacionim silama. Galaksija u kojoj se nalazi naše Sunce je Mlečni put

Udaljenosti do nebeskih tijela u astronomiji se različito određuju u zavisnosti od toga da li su ti objekti blizu ili daleko od naše planete. U svemiru se za mjerenje udaljenosti obično koriste sljedeće jedinice:

1 a.u.( astronomska jedinica) = (149597870 2) km;

1 kom ( parsec) = 206265 a.u. = 3.086·10 m;

1. godina ( svjetlosna godina) = 0,307 pc = 9,5·10 m Svjetlosna godina je put koji svjetlost pređe za godinu dana.

Ovaj rad predlaže metodu za određivanje udaljenosti do udaljenih galaksija korištenjem “crvenog pomaka”, tj. povećanjem talasnih dužina u spektru posmatranog udaljenog izvora zračenja u poređenju sa odgovarajućim talasnim dužinama linija u standardnim spektrima.

Izvor svjetlosti se odnosi na zračenje udaljenih galaksija (najsjajnije zvijezde ili magline plina i prašine u njima). pod " crveni pomak" - pomak spektralnih linija u spektrima hemijskih elemenata koji čine ove objekte na dugovalnu (crvenu) stranu, u poređenju sa talasnim dužinama u spektrima standardnih elemenata na Zemlji. "Crveni pomak" je uzrokovan Doplerovim efektom.

Doplerov efekat je da će zračenje koje šalje izvor koji se udaljava od stacionarnog prijemnika primiti kao dužu talasnu dužinu, u poređenju sa zračenjem iz istog stacionarnog izvora. Ako se izvor približi prijemniku, tada će se valna dužina snimljenog signala, naprotiv, smanjiti.

Sovjetski fizičar Alexander Friedman je 1924. godine predvidio da se svemir širi. Trenutno dostupni podaci pokazuju da je evolucija Univerzuma počela od tog trenutka Veliki prasak. Prije otprilike 15 milijardi godina, Univerzum je bio tačka (tzv tačka singularnosti), na koju zbog jake gravitacije u njoj, vrlo visoke temperature i gustine ne vrijede poznati zakoni fizike. U skladu sa trenutno prihvaćenim modelom, Univerzum je počeo da se naduvava od tačke singularnosti sa sve većim ubrzanjem.

Godine 1926. dobijeni su eksperimentalni dokazi o širenju Univerzuma. Američki astronom E. Hubble, dok je proučavao spektre udaljenih galaksija pomoću teleskopa, otkrio je crveni pomak spektralnih linija. To je značilo da su se galaksije udaljavale jedna od druge, i to brzinom koja se povećavala s rastojanjem. Hubble je konstruirao linearnu vezu između udaljenosti i brzine povezanu s Doplerovim efektom ( Hubbleov zakon):

(1) , Gdje

r– udaljenost između galaksija;

v – brzina uklanjanja galaksija;

N– Hubble konstanta. Značenje N zavisi od vremena koje je proteklo od početka širenja Univerzuma do sadašnjeg trenutka, i varira u rasponu od 50 do 100 km/s·Mpc. U astrofizici se po pravilu koristi H = 75 km/s·Mpc. Preciznost određivanja Hubble konstante je

0,5 km/s Mpc;

With– brzina svjetlosti u vakuumu;

Z– crveni pomak talasne dužine, tzv. kosmološki faktor.

(2) , Gdje

– talasna dužina zračenja koje prima prijemnik;

– talasna dužina zračenja koje emituje objekat.

Dakle, mjerenjem pomaka linija, na primjer, ioniziranog vodika (H+) u vidljivom dijelu spektra, moguće je da galaksija posmatrana sa Zemlje odredi svoj crveni pomak koristeći formulu (2) Z i, koristeći Hubbleov zakon (1), izračunaj udaljenost do njega ili brzinu njegovog uklanjanja:

Radni nalog

1. Pozovite program “Određivanje udaljenosti do galaksija” na radnoj površini računara. Na ekranu monitora pojavit će se područje svemira sa devet različitih galaksija posmatranih sa površine Zemlje. Spektar vidljive svetlosti i marker talasne dužine za jonizovani vodonik H+ pojavljuju se na vrhu ekrana.

2. Postavite kursor na galaksiju koju je nastavnik pokazao i kliknite na taster.

3. Zabilježite talasnu dužinu i λ koje emituje ova galaksija dok se udaljava.

Razmotrite dvije galaksije koje se nalaze na udaljenosti L jedan od drugog i udaljavaju se jedan od drugog brzinom V. Kolika je vrijednost crvenog pomaka u spektru prve galaksije, mjerena od strane posmatrača koji se nalazi na drugoj?

Čini se da je odgovor očigledan. Vrijednost crvenog pomaka z je jednako:

Međutim, ova veličina crvenog pomaka bi se očekivala u stacionarnom svemiru. Ali naš svemir se širi! Može li sama činjenica širenja Univerzuma uticati na vrijednost crvenog pomaka?

Promijenimo stanje problema. Sada pretpostavimo da su galaksije na fiksnoj udaljenosti L jedan od drugog (na primjer, polako rotiraju oko zajedničkog centra mase). Hoće li posmatrač koji se nalazi u jednoj galaksiji otkriti crveni pomak u spektru druge zbog činjenice da se svemir širi?

Kada se svemir širi, on savladava gravitacionu privlačnost između svojih dijelova. Stoga, kako se Univerzum širi, njegova stopa širenja se smanjuje. Foton, krećući se iz jedne galaksije u drugu, kao i svaki objekat unutar Univerzuma, gravitaciono stupa u interakciju sa materijom koja se širi i na taj način „usporava“ širenje Univerzuma. Stoga, energija fotona koji se kreće u svemiru koji se širi mora se smanjiti. Napravimo kvantitativne procjene.

Kada je foton napustio jednu galaksiju, gravitacijski potencijal unutar Univerzuma, stvoren od cjelokupne materije u Univerzumu, bio je jednak F 1. Kada je foton stigao u drugu galaksiju, gravitacioni potencijal unutar Univerzuma se povećao zbog širenja Univerzuma i postao jednak F 2 > F 1 (istovremeno | F 2 |< | Ф 1 |, так как гравитационный потенциал меньше нуля). То есть фотон, вылетев из области с более низким гравитационным потенциалом, прилетел в область с более высоким гравитационным потенциалом. В результате этого энергия фотона уменьшилась.

Dakle, vrijednost crvenog pomaka u emisionom spektru galaksije koja se udaljava od nas sastojat će se od dva dijela. Prvi dio, uzrokovan direktno brzinom kojom se galaksije udaljavaju, je takozvani Doplerov efekat. Njegova vrijednost je:

Drugi dio je uzrokovan činjenicom da se Univerzum širi, pa se stoga gravitacijski potencijal unutar njega povećava. Ovo je takozvani gravitacioni crveni pomak. Njegova vrijednost je:

(8.9)

Ovdje je F 1 gravitacijski potencijal Univerzuma na mjestu odlaska fotona, u trenutku njegovog odlaska; F 2 – gravitacioni potencijal Univerzuma na mestu registracije fotona, u trenutku njegove registracije.

Kao rezultat toga, vrijednost crvenog pomaka u spektru emisije galaksije koja se udaljava od nas bit će jednaka:

(8.10)

I dolazimo do veoma važnog zaključka. Samo dio kosmološkog crvenog pomaka uočenog u emisionim spektrima udaljenih galaksija je direktno uzrokovan udaljenosti ovih galaksija od nas. Drugi dio crvenog pomaka uzrokovan je povećanjem gravitacionog potencijala Univerzuma. Stoga je brzina kojom se galaksije udaljavaju od nas manje, nego što se pretpostavlja u modernoj kosmologiji, i starost Univerzuma, shodno tome, više.

Proračuni izvedeni u pokazuju da ako je gustoća Univerzuma blizu kritične (ovaj zaključak je napravljen na osnovu proučavanja distribucije galaksija velikih razmjera), tada:

To jest, samo 2/3 vrijednosti kosmološkog crvenog pomaka z 0 u spektrima udaljenih galaksija (8.10) uzrokovano je brzinom kojom se galaksije udaljavaju. Shodno tome, Hablova konstanta je 1,5 puta manja nego što se pretpostavlja u modernoj kosmologiji, a starost svemira je, naprotiv, 1,5 puta veća.

Kako je pitanje porijekla kosmološkog crvenog pomaka riješeno u općoj teoriji relativnosti? Razmotrimo dvije galaksije koje učestvuju u kosmološkom širenju Univerzuma i čije su posebne brzine toliko male da se mogu zanemariti. Neka je udaljenost između galaksija u trenutku kada foton napusti prvu galaksiju jednaka L. Kada foton stigne u drugu galaksiju, udaljenost između galaksija će se povećati i biti jednaka L + L D. U opštoj teoriji relativnosti, gravitaciona interakcija je potpuno svedena na geometriju. Prema ovoj teoriji, najvažnija veličina koja karakteriše Univerzum koji se širi je takozvani faktor skale. Ako se mogu zanemariti posebne brzine dviju galaksija koje su udaljene jedna od druge, tada će se faktor skale promijeniti proporcionalno promjeni udaljenosti između ovih galaksija.

Prema općoj teoriji relativnosti, talasna dužina fotona l koji se kreće u svemiru koji se širi mijenja se proporcionalno promjeni faktora skale, pa je crveni pomak, shodno tome, jednak:

(8.12)

Ako V– brzina galaksija koje se udaljavaju jedna od druge, t je vrijeme leta fotona, tada:

Kao rezultat dobijamo:

Dakle, prema opštoj teoriji relativnosti, kosmološki crveni pomak ne zavisi ni od gustine Univerzuma ni od brzine kojom se menja gravitacioni potencijal Univerzuma, već zavisi od samo o relativnoj brzini recesije galaksija. A ako se, na primjer, naš svemir širio istom brzinom kao što je sada, ali je u isto vrijeme imao nekoliko puta manju gustoću, onda je, prema općoj teoriji relativnosti, vrijednost kosmološkog crvenog pomaka u emisiji spektri galaksija bi bili isto. Ispostavilo se da postojanje ogromnih masa unutar Univerzuma, koje sputavaju širenje Univerzuma, ni na koji način ne utječe na energiju fotona koji se kreću! Ovo izgleda malo vjerovatno.

Možda su se zato pojavili ozbiljni problemi kada se pokušalo objasniti, u okviru opšte teorije relativnosti, zavisnost crvenih pomaka u spektrima veoma udaljenih supernova od udaljenosti do njih. A da bi "spasili" opštu teoriju relativnosti, na kraju dvadesetog veka, kosmolozi su izneli pretpostavku da se naš Univerzum širi ne usporavanjem, već, naprotiv, ubrzanjem, suprotno zakonu univerzuma. gravitacija (o ovoj temi se govori u).

Ovdje nećemo raspravljati o hipotezi ubrzanog širenja Univerzuma (iako, po mom dubokom uvjerenju, ne samo opću teoriju relativnosti, već nijednu drugu teoriju nije vrijedno spašavati uz pomoć takvih hipoteza), već ćemo pokušati da se ovaj problem prenese iz teorijske fizike polja u polje eksperimenta. Zaista, čemu voditi teorijske rasprave o porijeklu kosmološkog crvenog pomaka ako možete dobiti odgovor na ovo pitanje u fizičkoj laboratoriji?

Hajde da još jednom formulišemo ovo važno pitanje. Postoji li kosmološki crveni pomak uzrokovan ne Doplerovim efektom galaksija koje se udaljavaju, već činjenicom da kako se foton kreće, gravitacijski potencijal Univerzuma raste?

Da biste odgovorili na ovo pitanje, dovoljno je izvršiti sljedeći eksperiment (vidi sliku 33).

Laserski snop se deli na dva snopa tako da jedan snop odmah pogađa detektor, a drugi snop se prvo kreće neko vreme između dva paralelna ogledala i tek onda pogađa detektor. Dakle, drugi snop pogađa detektor sa vremenskim kašnjenjem t (nekoliko minuta). A detektor upoređuje talasne dužine dvaju zraka koje se emituju u trenucima u vremenu t-ti t. Treba očekivati ​​promjenu talasne dužine drugog snopa u odnosu na prvi zbog povećanja gravitacionog potencijala Univerzuma uzrokovanog njegovim širenjem.

Ovaj eksperiment je detaljno razmotren, pa ćemo sada razmotriti samo glavne zaključke koji se mogu izvući nakon što se on izvede.

Rice. 33. Šematski dijagram eksperimenta za mjerenje kosmološkog crvenog pomaka uzrokovanog ne Doplerovim efektom, već promena gravitacionog potencijala unutar Univerzuma.

Laserski snop je usmjeren na prozirno ogledalo. U tom slučaju jedan dio zraka prolazi kroz ogledalo i pogađa detektor najkraćim putem. A drugi dio zraka, koji se odbija od ogledala i prolazi kroz sistem ogledala 1, 2, 3, pogađa detektor sa određenim vremenskim zakašnjenjem. Kao rezultat, detektor upoređuje talasne dužine dva snopa emitovana u različito vreme.

Prvo, moći ćemo saznati postoji li ili ne kosmološki crveni pomak uzrokovan ne brzinom uklanjanja izvora, već samom činjenicom širenja Univerzuma, odnosno povećanjem gravitacionog potencijala unutar univerzum.

Drugo, ako se otkrije takav pomak (a za to postoje svi razlozi), onda, Mi ćemo kroz laboratorijski eksperiment dokazati samu činjenicu širenja Univerzuma. Štaviše, moći ćemo izmjeriti brzinu kojom se povećava gravitacijski potencijal koji stvara sva materija u svemiru.

Treće, oduzimanjem od vrijednosti crvenog pomaka u spektrima udaljenih galaksija onaj dio koji nije uzrokovan brzinom njihovog uklanjanja, već promjenom gravitacionog potencijala, saznajemo istinito brzinu kojom se galaksije udaljavaju i tako biti u stanju da ispravi trenutnu procjenu starosti Univerzuma.