Hvis nogen tror, ​​at ordet "løbe væk" har en rent sportslig, eller højst "anti-ægteskabelig" karakter, så tager de fejl. Der er meget mere interessante fortolkninger. For eksempel indikerer den kosmologiske Hubble-lov, at... galakser spredes!

Tre typer af tåger

Forestil dig: I et sort, enormt luftløst rum bevæger stjernesystemer sig stille og langsomt væk fra hinanden: ”Farvel! Farvel! Farvel!". Lad os måske se bort fra de "lyriske digressioner" og vende os til videnskabelig information. I 1929 kom den mest indflydelsesrige astronom i det 20. århundrede, den amerikanske videnskabsmand Edwin Powell Hubble (1889-1953), til den konklusion, at universet støt udvidede sig.

En mand, der viede hele sit voksne liv til at optrevle rummets struktur, blev født i Marshfield. Fra en ung alder var han interesseret i astronomi, selvom han til sidst blev en certificeret advokat. Efter sin eksamen fra Cambridge University arbejdede Edwin i Chicago ved York Observatory. Han kæmpede i Første Verdenskrig (1914-1918). Årene ved fronten forsinkede kun opdagelsen i tide. I dag ved hele den videnskabelige verden, hvad Hubble-konstanten er.

På vej til opdagelse

Da han vendte tilbage fra fronten, vendte videnskabsmanden sin opmærksomhed mod det højtliggende Mount Wilson Observatory (Californien). Han blev ansat der. Forelsket i astronomi brugte den unge mand meget tid på at kigge gennem linserne på enorme teleskoper, der målte 60 og 100 tommer. For den gang - den største, næsten fantastisk! Opfinderne arbejdede på enhederne i næsten et årti og opnåede den højest mulige forstørrelse og klarhed af billedet.

Lad os huske på, at universets synlige grænse kaldes Metagalaksen. Det fortsætter til staten på tidspunktet for Big Bang (kosmologisk singularitet). Moderne bestemmelser angiver, at værdierne af fysiske konstanter er homogene (hvilket betyder lysets hastighed, elementær ladning osv.). Det antages, at Metagalaksen indeholder 80 milliarder galakser (en fantastisk figur lyder også sådan: 10 sextillioner og 1 septillion stjerner). Form, masse og størrelse - for Universet er det helt andre begreber end dem, der er accepteret på Jorden.

Mystiske Cepheider

For at underbygge teorien, der forklarer universets udvidelse, krævedes langsigtet dybdegående forskning, komplekse sammenligninger og beregninger. I begyndelsen af ​​tyverne af det 20. århundrede var gårsdagens soldat endelig i stand til at klassificere tåger observeret adskilt fra Mælkevejen. Ifølge hans opdagelse er de spiralformede, elliptiske og uregelmæssige (tre typer).

I den nærmeste, men ikke den nærmeste, spiraltåge, Andromeda, opdagede Edwin Cepheider (en klasse af pulserende stjerner). Hubbles lov er blevet tættere end nogensinde på dens endelige dannelse. Astronomen beregnede afstanden til disse beacons og størrelsen af ​​de største. Ifølge hans konklusioner indeholder Andromeda cirka en billion stjerner (2,5-5 gange større end Mælkevejen).

Konstant

Nogle videnskabsmænd, der forklarer Cepheidernes natur, sammenligner dem med oppustelige gummibolde. De enten øges eller mindskes, nogle gange kommer de tættere på, nogle gange bevæger de sig væk. Den radiale hastighed svinger i dette tilfælde. Når den komprimeres, stiger temperaturen på de "rejsende" (selvom overfladearealet falder). Pulserende stjerner er et usædvanligt pendul, der før eller siden vil stoppe.

Ligesom andre tåger er Andromeda karakteriseret af videnskabsmænd som et ø-universelt rum, der minder om vores galakse. I 1929 opdagede Edwin: galaksernes radiale hastigheder og deres afstande er indbyrdes forbundne og lineært afhængige. En koefficient blev bestemt, udtrykt i km/s pr. megaparsec, den såkaldte Hubble-konstant. Når universet udvider sig, ændres den konstante. Men på et bestemt tidspunkt, på alle punkter i universets system, er det det samme. I 2016 - 66,93 ± 0,62 (km/s)/Mpc.

Idéer om universets system, der fortsatte sin udvikling og udvidede sig, fik derefter et observationsgrundlag. Processen blev aktivt undersøgt af astronomer indtil begyndelsen af ​​Anden Verdenskrig. I 1942 ledede han den eksterne ballistikafdeling på Aberdeen Proving Ground (USA). Drømmede en tilhænger af den måske mest mystiske videnskab i verden om dette? Nej, han ønskede at "dechifrere" lovene i de skjulte hjørner af fjerne galakser! Hvad angår hans politiske synspunkter, fordømte astronomen åbent lederen af ​​Det Tredje Rige, Adolf Hitler. I slutningen af ​​sit liv blev Hubble kendt som en stærk modstander af brugen af ​​masseødelæggelsesvåben. Men lad os vende tilbage til tåger.

Fantastisk Edwin

Mange astronomiske konstanter justeres over tid, og nye opdagelser dukker op. Men alle af dem kan ikke sammenlignes med loven om udvidelse af universet. Den berømte astronom fra det 20. århundrede, Hubble (siden Copernicus' tid havde han ingen sidestykke!) sættes på niveau med grundlæggeren af ​​eksperimentel fysik, Galileo Galilei, og forfatteren til den innovative konklusion om eksistensen af ​​stjernesystemer , William Herschel.

Allerede før Hubbles lov blev opdaget, blev dens forfatter medlem af National Academy of Sciences i USA, senere akademier i forskellige lande, og har mange priser. Mange mennesker har sikkert hørt, at for over ti år siden blev Hubble-rumteleskopet opsendt i kredsløb og fungerer med succes. Dette navn er givet til en af ​​de små planeter, der roterer mellem Mars og Jupiters (asteroide) kredsløb.

Det ville ikke være helt fair at sige, at astronomen kun drømte om at fastholde sit navn, men der er indirekte beviser på, at Edwin elskede at tiltrække sig opmærksomhed. Der er billeder af ham, der muntert poserer ved siden af ​​filmstjerner. Nedenfor vil vi tale om hans forsøg på at "fikse" sin præstation på prisvinderniveau og dermed komme ind i kosmologiens historie.

Henrietta Leavitt metode

Den berømte britiske astrofysiker skrev i sin bog A Brief History of Time, at "opdagelsen af, at universet udvider sig, var den største intellektuelle revolution i det 20. århundrede." Hubble var så heldig at være på det rigtige sted på det rigtige tidspunkt. Mount Wilson Observatory var centrum for det observationsarbejde, der lå til grund for den nye astrofysik (senere kaldet kosmologi). Det kraftigste teleskop på Jorden, Hooker-teleskopet, var netop blevet operationelt.

Men Hubble-konstanten blev næppe opdaget af held alene. Tålmodighed, udholdenhed og evnen til at besejre videnskabelige rivaler var påkrævet. Sådan foreslog den amerikanske astronom Harlow Shapley sin model af galaksen. Han var allerede kendt som videnskabsmanden, der bestemte størrelsen af ​​Mælkevejen. Han gjorde udstrakt brug af Cepheid-afstandsmetoden ved at bruge en teknik udarbejdet i 1908 af Henrietta Swan Leavitt. Det fastlagde afstanden til et objekt baseret på standardvariationer i lys fra klare stjerner (cepheidvariabler).

Ikke støv og gas, men andre galakser

Harlow Shapley mente, at galaksen var 300.000 lysår bred (omkring ti gange bredere end normalt). Shapley var dog, som de fleste astronomer på den tid, sikker: Mælkevejen er hele universet. På trods af den antagelse, som William Herschel først lavede i det 18. århundrede, delte han den fælles tro på, at alle tåger for relativt nærliggende objekter blot er pletter af støv og gas på himlen.

Hvor mange bitre, kolde nætter brugte Hubble på at sidde ved det kraftige Hooker-teleskop, før han kunne bevise, at Shapley tog fejl. I oktober 1923 bemærkede Edwin et "udblændet" objekt i M31-tågen (stjernebilledet Andromeda) og foreslog, at det ikke tilhørte Mælkevejen. Efter omhyggeligt at have studeret fotografiske plader, der viste det samme område, som tidligere var undersøgt af andre astronomer, inklusive Shapley, indså Edwin, at det var en Cepheid.

Rum opdaget

Hubble brugte Shapley-metoden til at måle afstanden til den variable stjerne. Det viste sig, at det er millioner af lysår fra Jorden, som er langt ud over Mælkevejen. Selve galaksen indeholder millioner af stjerner. Det kendte univers udvidede sig dramatisk samme dag og - på en måde - selve kosmos blev opdaget!

New York Times skrev: "De opdagede spiraltåger er stjernesystemer. Dr. Hubbel (sic) bekræfter synspunktet om, at de er som 'ø-universer', der ligner vores eget." Opdagelsen var betydningsfuld for den astronomiske verden, men Hubbles største øjeblik var endnu ikke kommet.

Ingen statisk

Som vi sagde, kom sejren til Copernicus nr. 2 i 1929, da han klassificerede alle kendte tåger og målte deres hastigheder ud fra spektrene af udsendt lys. Hans forbløffende opdagelse af, at alle galakser trækker sig tilbage fra os med hastigheder, der stiger i forhold til deres afstand fra Mælkevejen, chokerede verden. Hubbles lov afskaffede den traditionelle idé om et statisk univers og viste, at det i sig selv er fuld af dynamik. Einstein selv bøjede hovedet foran sådanne fantastiske observationsevner.

Forfatteren af ​​relativitetsteorien korrigerede sine egne ligninger, som han brugte til at retfærdiggøre udvidelsen af ​​universet. Nu har Hubble vist, at Einstein havde ret. Hubble-tiden er den reciproke af Hubble-konstanten (t H = 1/H). Dette er det karakteristiske tidspunkt for udvidelse af universet i det nuværende øjeblik.

Eksploderede og spredte

Hvis konstanten i 2016 er lig med 66,93 ± 0,62 (km/s)/Mpc, så er udvidelsen i øjeblikket karakteriseret ved følgende tal: (4,61 ± 0,05) 10 17 s eller (14,610 ± 0,016) 10 9 år gammel. Og igen lidt humor. Optimister siger: det er godt, at galakser "spredning". Hvis vi forestiller os, at de kommer tættere på, ville der før eller siden komme et Big Bang. Men det var med ham, at universets fødsel begyndte.

Galakserne "susede" (begyndte at bevæge sig) i forskellige retninger på samme tid. Hvis fjernelseshastigheden ikke var proportional med afstanden, er teorien om eksplosion meningsløs. En anden afledt konstant er Hubble-afstanden - produktet af tid og lysets hastighed: D H = ct H = c/H. På nuværende tidspunkt - (1.382 ± 0.015) 10 26 m eller (14.610 ± 0.016) 10 9 lysår.

Og igen om den oppustelige bold. Der er en opfattelse af, at selv astronomer ikke altid fortolker universets udvidelse korrekt. Nogle eksperter mener, at den svulmer som en gummibold uden at kende nogen fysiske begrænsninger. Samtidig bevæger galakserne sig ikke kun væk fra os, men "snirkler rundt" også kaotisk inde i stationære hobe. Andre hævder, at fjerne galakser "svæver væk" som fragmenter af Big Bang, men de gør dette roligt.

Kunne være blevet nobelpristager

Hubble forsøgte at vinde Nobelprisen. I slutningen af ​​1940'erne hyrede han endda en reklameagent (nu ville han blive kaldt PR-chef) til at promovere virksomheden. Men indsatsen var forgæves: Der var ingen kategori for astronomer. Edwin døde i 1953 under videnskabelig forskning. I flere nætter observerede han ekstragalaktiske objekter.

Hans sidste ambitiøse drøm forblev uopfyldt. Men videnskabsmanden ville nok blive glad for at få et rumteleskop opkaldt efter sig. Og generationer af brødre i tankerne fortsætter med at udforske det store og vidunderlige rum. Det rummer stadig mange mysterier. Hvor mange opdagelser ligger forude! Og de afledte Hubble-konstanter vil helt sikkert hjælpe en af ​​de unge videnskabsmænd til at blive "Copernicus nr. 3."

Udfordrende Aristoteles

Hvad vil blive bevist eller modbevist, som da teorien om uendelighed, evighed og uforanderlighed af rummet omkring Jorden, som Aristoteles selv støttede, gik i stykker? Han tilskrev symmetri og perfektion til universet. Det kosmologiske princip bekræftede: alt flyder, alt ændrer sig.

Det menes, at himlen om milliarder af år vil være tom og mørk. Udvidelsen vil "transportere" galakser ud over den kosmiske horisont, hvorfra lys ikke vil være i stand til at nå os. Vil Hubble-konstanten være relevant for et tomt univers? Hvad vil der ske med videnskaben om kosmologi? Vil hun forsvinde? Alt dette er spekulationer.

Rødforskydning

I mellemtiden tog Hubble-teleskopet et billede, der viser, at vi stadig er langt fra det universelle tomrum. I fagkredse er der en opfattelse af, at Edwin Hubbles opdagelse er værdifuld, men ikke hans lov. Det var dog ham, der næsten øjeblikkeligt blev anerkendt i datidens videnskabelige kredse. Observationer af "rødt skift" har ikke kun vundet retten til at eksistere, de er også relevante i det 21. århundrede.

Og i dag, når de bestemmer afstanden til galakser, stoler de på videnskabsmandens superopdagelse. Optimister siger: Selvom vores galakse forbliver den eneste, vil vi ikke kede os. Der vil være milliarder af dværgstjerner og planeter. Det betyder, at der stadig vil være "parallelle verdener" ved siden af ​​os, som skal udforskes.

For fortidens store fysikere, I. Newton og A. Einstein, virkede universet statisk. Den sovjetiske fysiker A. Friedman kom i 1924 med teorien om "spredning" af galakser. Friedman forudsagde universets udvidelse. Dette var en revolutionær revolution i den fysiske forståelse af vores verden.

Den amerikanske astronom Edwin Hubble udforskede Andromeda-tågen. I 1923 var han i stand til at se, at dens udkant var klynger af individuelle stjerner. Hubble beregnede afstanden til tågen. Det viste sig at være 900.000 lysår (den mere nøjagtigt beregnede afstand er i dag 2,3 millioner lysår). Det vil sige, at tågen ligger langt ud over Mælkevejen – Vores Galakse. Efter at have observeret denne og andre tåger, kom Hubble til en konklusion om universets struktur.

Universet består af en samling enorme stjernehobe - galakser.

Det er dem, der fremstår for os som fjerne tågede "skyer" på himlen, da vi simpelthen ikke kan se individuelle stjerner på så stor afstand.

E. Hubble bemærkede et vigtigt aspekt i de opnåede data, som astronomer havde observeret før, men fandt det svært at fortolke. Nemlig: den observerede længde af spektrale lysbølger udsendt af atomer fra fjerne galakser er lidt større end længden af ​​spektrale bølger udsendt af de samme atomer i terrestriske laboratorier. Det vil sige, at i strålingsspektret af nabogalakser er kvantemet af lys, der udsendes af et atom, når en elektron springer fra kredsløb til kredsløb, forskudt i frekvens mod den røde del af spektret sammenlignet med et tilsvarende kvante, der udsendes af det samme atom på Jorden . Hubble tog sig den frihed at fortolke denne observation som en manifestation af Doppler-effekten.

Alle observerede nabogalakser bevæger sig væk fra Jorden, da næsten alle galaktiske objekter uden for Mælkevejen udviser et rødt spektralskifte proportionalt med hastigheden af ​​deres fjernelse.

Vigtigst af alt var Hubble i stand til at sammenligne resultaterne af sine målinger af afstande til nabogalakser med målinger af deres recessionshastigheder (baseret på rødforskydning).

Matematisk er loven formuleret meget enkelt:

hvor v er den hastighed, hvormed galaksen bevæger sig væk fra os,

r - afstand til det,

H er Hubble-konstanten.

Og selvom Hubble oprindeligt kom til denne lov som et resultat af kun at observere nogle få galakser tættest på os, falder ikke en af ​​de mange nye galakser i det synlige univers, som er blevet opdaget siden da, stadig længere væk fra Mælkevejen, uden for denne lovs anvendelsesområde.

Så den vigtigste konsekvens af Hubbles lov:

Universet udvider sig.

Selve verdensrummets struktur udvides. Alle observatører (og du og jeg er ingen undtagelse) anser sig selv for at være i centrum af universet.

4. The Big Bang Theory

Ud fra det eksperimentelle faktum om galaksernes recession blev universets alder estimeret. Det viste sig at være lige - omkring 15 milliarder år! Således begyndte den moderne kosmologis æra.

Spørgsmålet opstår naturligvis: hvad skete der i begyndelsen? Det tog forskerne kun omkring 20 år at revolutionere deres forståelse af universet fuldstændigt.

Svaret blev foreslået af den fremragende fysiker G. Gamow (1904 - 1968) i 40'erne. Vores verdens historie begyndte med Big Bang. Det er præcis, hvad de fleste astrofysikere mener i dag.

Big Bang er et hurtigt fald i den oprindeligt enorme massefylde, temperatur og tryk af stof koncentreret i et meget lille volumen af ​​universet. Alt stof i universet blev komprimeret til en tæt klump af proto-stof, indeholdt i et meget lille volumen sammenlignet med universets nuværende skala.

Ideen om universet, født af en super-tæt klump af supervarmt stof og lige siden udvidet og afkølet, kaldes Big Bang-teorien.

Der er ingen mere vellykket kosmologisk model for universets oprindelse og udvikling i dag.

Ifølge Big Bang-teorien bestod det tidlige univers af fotoner, elektroner og andre partikler. Fotoner interagerede konstant med andre partikler. Efterhånden som universet udvidede sig, afkøledes det, og på et vist tidspunkt begyndte elektroner at kombinere sig med kernerne af brint og helium og danne atomer. Dette skete ved en temperatur på omkring 3000 K og en omtrentlig alder af universet på 400.000 år. Fra dette øjeblik var fotoner i stand til at bevæge sig frit i rummet, praktisk talt uden at interagere med stof. Men vi står tilbage med "vidner" fra den æra - det er reliktfotoner. Det antages, at den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling er blevet bevaret fra de indledende stadier af universets eksistens og fylder det jævnt. Som et resultat af yderligere afkøling af strålingen faldt dens temperatur og er nu omkring 3 K.

Eksistensen af ​​kosmisk mikrobølgebaggrundsstråling blev forudsagt teoretisk inden for rammerne af Big Bang-teorien. Det betragtes som en af ​​de vigtigste bekræftelser af Big Bang-teorien.

I øjeblikket er det ifølge astronomiske observationer blevet fastslået, at Universet er homogent i stor skala, dvs. alle dens regioner fra 300 millioner lysår i størrelse og mere ser ens ud. I mindre skala er der områder i universet, hvor der findes galaksehobe, og omvendt hulrum, hvor der er få af dem.

En galakse er et system af stjerner, der har en fælles oprindelse og er forbundet af gravitationskræfter. Den galakse, hvor vores sol er placeret, er Mælkevejen

Afstande til himmellegemer i astronomi bestemmes forskelligt afhængigt af, om disse objekter er tæt på eller langt fra vores planet. I det ydre rum bruges følgende enheder almindeligvis til at måle afstande:

1 e.u.( astronomisk enhed) = (149597870 2) km;

1 stk ( parsec) = 206265 a.u. = 3,086·10 m;

1. år ( lysår) = 0,307 pc = 9,5·10 m Et lysår er den vej, som lyset rejser på et år.

Dette papir foreslår en metode til at bestemme afstande til fjerne galakser ved hjælp af "rødforskydning", dvs. ved at øge bølgelængderne i spektret af den observerede fjerne strålingskilde i sammenligning med de tilsvarende bølgelængder af linjerne i standardspektrene.

Lyskilden refererer til strålingen fra fjerne galakser (de klareste stjerner eller gas- og støvtåger i dem). Under " rødforskydning" - et skift af spektrallinjer i spektrene af de kemiske grundstoffer, der udgør disse objekter, til den lange bølgelængde (rød) side sammenlignet med bølgelængderne i spektrene for standardelementer på Jorden. Det "røde skift" er forårsaget af Doppler-effekten.

Doppler effekt er, at stråling sendt af en kilde, der bevæger sig væk fra en stationær modtager, vil blive modtaget af den som længere bølgelængde sammenlignet med stråling fra den samme stationære kilde. Hvis kilden nærmer sig modtageren, vil bølgelængden af ​​det optagede signal tværtimod falde.

I 1924 forudsagde den sovjetiske fysiker Alexander Friedman, at universet udvider sig. Aktuelt tilgængelige data viser, at universets udvikling begyndte fra det øjeblik Stort brag. For omkring 15 milliarder år siden var universet et punkt (kaldes det singularitetspunkt), som på grund af den stærke tyngdekraft i den, meget høj temperatur og tæthed, de kendte fysiklove ikke gælder. I overensstemmelse med den aktuelt accepterede model begyndte universet at pustes op fra singularitetspunktet med stigende acceleration.

I 1926 blev der opnået eksperimentelle beviser for udvidelsen af ​​universet. Den amerikanske astronom E. Hubble, mens han studerede spektre af fjerne galakser ved hjælp af et teleskop, opdagede det røde skift af spektrallinjer. Det betød, at galakserne bevægede sig væk fra hinanden og med en hastighed, der steg med afstanden. Hubble konstruerede et lineært forhold mellem afstand og hastighed forbundet med Doppler-effekten ( Hubbles lov):

(1) , Hvor

r- afstand mellem galakser;

v – hastighed for fjernelse af galakser;

N– Hubble konstant. Betyder N afhænger af den tid, der er gået fra begyndelsen af ​​universets udvidelse til det nuværende øjeblik, og varierer i området fra 50 til 100 km/s·Mpc. Inden for astrofysik bruges som regel H = 75 km/s·Mpc. Nøjagtigheden af ​​at bestemme Hubble-konstanten er

0,5 km/s Mpc;

Med– lysets hastighed i vakuum;

Z– rød forskydning af bølgelængde, såkaldt. kosmologisk faktor.

(2) , Hvor

– bølgelængde af stråling modtaget af modtageren;

– bølgelængde af stråling udsendt af objektet.

Ved at måle størrelsen af ​​forskydningen af ​​linjer, for eksempel ioniseret brint (H+) i den synlige del af spektret, er det således muligt for en galakse observeret fra Jorden at bestemme sin røde forskydning ved hjælp af formel (2) Z og ved hjælp af Hubbles lov (1) beregnes afstanden til den eller hastigheden af ​​dens fjernelse:

Arbejdsordre

1. Kald programmet "Bestemmelse af afstande til galakser" på computerens skrivebord. Et område af universet med ni forskellige galakser observeret fra jordens overflade vil dukke op på monitorskærmen. Et synligt lysspektrum og en bølgelængdemarkør for ioniseret hydrogen H+ vises øverst på skærmen.

2. Placer markøren på galaksen angivet af læreren, og klik på tasten.

3. Optag bølgelængden og λ udsendes af denne galakse, når den bevæger sig væk.

Overvej to galakser placeret på afstand L fra hinanden og bevæger sig væk fra hinanden i fart V. Hvad er værdien af ​​rødforskydningen i spektret af den første galakse, målt af en observatør placeret på den anden?

Det ser ud til, at svaret er indlysende. Rødforskydningsværdi z er lig med:

Imidlertid ville denne størrelse af rødforskydning forventes i et stationært univers. Men vores univers udvider sig! Kan selve kendsgerningen om universets udvidelse påvirke værdien af ​​rødforskydningen?

Lad os ændre problemets tilstand. Lad os nu antage, at galakserne er i en fast afstand L fra hinanden (de roterer f.eks. langsomt omkring et fælles massecenter). Vil en observatør, der befinder sig i en galakse, opdage en rødforskydning i en andens spektrum på grund af det faktum, at universet udvider sig?

Når universet udvider sig, overvinder det tyngdekraftens tiltrækning mellem dets dele. Derfor, når universet udvider sig, falder dets ekspansionshastighed. En foton, der bevæger sig fra en galakse til en anden, ligesom ethvert objekt inde i universet, interagerer gravitationelt med ekspanderende stof og "sænker" derved universets udvidelse. Derfor skal energien af ​​en foton, der bevæger sig i et ekspanderende univers, falde. Lad os lave kvantitative skøn.

Når en foton forlod en galakse, var gravitationspotentialet inde i universet, skabt af alt stof i universet, lig med F 1. Da fotonen ankom til den anden galakse, steg gravitationspotentialet inde i universet på grund af universets udvidelse og blev lig med Ф 2 > Ф 1 (på samme tid | Ф 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.

Således vil rødforskydningsværdien i emissionsspektret for en galakse, der bevæger sig væk fra os, bestå af to dele. Den første del, der er forårsaget direkte af den hastighed, hvormed galakser bevæger sig væk, er den såkaldte Doppler-effekt. Dens værdi er:

Den anden del er forårsaget af, at universet udvider sig, og derfor øges gravitationspotentialet inde i det. Dette er det såkaldte gravitationelle røde skift. Dens værdi er:

(8.9)

Her er Ф 1 universets gravitationspotentiale ved fotonens afgangspunkt, på tidspunktet for dens afgang; Ф 2 - universets gravitationspotentiale på stedet for fotonregistrering, på tidspunktet for dets registrering.

Som et resultat vil rødforskydningsværdien i emissionsspektret for den galakse, der bevæger sig væk fra os, være lig med:

(8.10)

Og vi kommer til en meget vigtig konklusion. Kun en del af den kosmologiske rødforskydning observeret i emissionsspektrene fra fjerne galakser er forårsaget direkte af disse galaksers afstand fra os. Den anden del af det røde skift er forårsaget af en stigning i universets gravitationspotentiale. Derfor er den hastighed, hvormed galakser bevæger sig væk fra os mindre, end det antages i moderne kosmologi, og universets alder, i overensstemmelse hermed, mere.

Beregninger udført i viser, at hvis universets tæthed er tæt på kritisk (denne konklusion er lavet baseret på at studere storskalafordelingen af ​​galakser), så:

Det vil sige kun 2/3 af den kosmologiske rødforskydningsværdi z 0 i spektrene for fjerne galakser (8.10) er forårsaget af den hastighed, hvormed galakserne bevæger sig væk. Følgelig er Hubble-konstanten 1,5 gange mindre end antaget i moderne kosmologi, og universets alder er tværtimod 1,5 gange større.

Hvordan løses spørgsmålet om oprindelsen af ​​det kosmologiske røde skift i den generelle relativitetsteori? Lad os overveje to galakser, der deltager i den kosmologiske udvidelse af universet, og hvis ejendommelige hastigheder er så små, at de kan negligeres. Lad afstanden mellem galakserne i det øjeblik fotonen forlader den første galakse være lig L. Når fotonen ankommer til den anden galakse, vil afstanden mellem galakserne stige og være lig med L + L D. I den generelle relativitetsteori er gravitationsinteraktion fuldstændig reduceret til geometri. Ifølge denne teori er den vigtigste størrelse, der karakteriserer det ekspanderende univers, den såkaldte skalafaktor. Hvis de ejendommelige hastigheder af to galakser fjernt fra hinanden kan negligeres, så vil skalafaktoren ændre sig i forhold til ændringen i afstanden mellem disse galakser.

Ifølge den generelle relativitetsteori ændres bølgelængden l af en foton, der bevæger sig i det ekspanderende univers, proportionalt med ændringen i skalafaktoren, og det røde skift er derfor lig med:

(8.12)

Hvis V- hastighed af galakser, der bevæger sig væk fra hinanden, t– foton flyvetid, derefter:

Som et resultat får vi:

Ifølge den generelle relativitetsteori afhænger det kosmologiske røde skift således hverken af ​​universets tæthed eller af den hastighed, hvormed universets gravitationspotentiale ændrer sig, men afhænger af kun om den relative hastighed af recession af galakser. Og hvis vores univers f.eks. udvidede sig med samme hastighed, som det er nu, men samtidig havde flere gange mindre tæthed, så er værdien af ​​det kosmologiske røde skift i emissionen ifølge den generelle relativitetsteori. spektre af galakser ville være det samme. Det viser sig, at eksistensen af ​​enorme masser inde i universet, som begrænser udvidelsen af ​​universet, ikke på nogen måde påvirker energien i bevægelige fotoner! Dette virker usandsynligt.

Måske er det derfor, der opstod alvorlige problemer, når man forsøgte at forklare, inden for rammerne af den generelle relativitetsteori, afhængigheden af ​​røde forskydninger i spektrene af meget fjerne supernovaer af afstanden til dem. Og for at "redde" den generelle relativitetsteori fremsatte kosmologer i slutningen af ​​det tyvende århundrede den antagelse, at vores univers udvider sig ikke med deceleration, men tværtimod med acceleration, i modstrid med loven om universel gravitation (dette emne er diskuteret i).

Her vil vi ikke diskutere hypotesen om den accelererede udvidelse af universet (selvom, efter min dybe overbevisning, ikke kun den generelle relativitetsteori, men ingen anden teori er værd at redde ved hjælp af sådanne hypoteser), men i stedet vil vi prøve at overføre denne problemstilling fra den feltteoretiske fysik til forsøgsfeltet. Ja, hvorfor føre teoretiske debatter om oprindelsen af ​​den kosmologiske rødforskydning, hvis du kan få svaret på dette spørgsmål i et fysiklaboratorium?

Lad os formulere dette vigtige spørgsmål endnu en gang. Er der en kosmologisk rødforskydning forårsaget ikke af Doppler-effekten af ​​galakser, der bevæger sig væk, men af ​​det faktum, at når en foton bevæger sig, øges universets gravitationspotentiale?

For at besvare dette spørgsmål er det nok at udføre følgende eksperiment (se fig. 33).

Laserstrålen opdeles i to stråler, således at den ene stråle straks rammer detektoren, og den anden stråle først bevæger sig et stykke tid mellem to parallelle spejle og først derefter rammer detektoren. Således rammer den anden stråle detektoren med en tidsforsinkelse t (adskillige minutter). Og detektoren sammenligner bølgelængderne af to stråler, der udsendes på tidspunkter t-ti t. En ændring i bølgelængden af ​​den anden stråle i forhold til den første bør forventes på grund af stigningen i universets gravitationspotentiale forårsaget af dets ekspansion.

Dette eksperiment er diskuteret i detaljer i, så nu vil vi kun overveje de vigtigste konklusioner, der kan drages efter det er udført.

Ris. 33. Skematisk diagram af et eksperiment til måling af den kosmologiske rødforskydning forårsaget ikke af Doppler-effekten, men ændring i gravitationspotentiale inde i universet.

Laserstrålen er rettet mod et gennemskinnelig spejl. I dette tilfælde passerer en del af strålen gennem spejlet og rammer detektoren langs den korteste vej. Og den anden del af strålen, reflekteret fra spejlet og passerer gennem systemet af spejle 1, 2, 3, rammer detektoren med en vis tidsforsinkelse. Som et resultat sammenligner detektoren bølgelængderne af to stråler, der udsendes på forskellige tidspunkter.

For det første vil vi være i stand til at finde ud af, om der er et kosmologisk rødt skift forårsaget ikke af hastigheden af ​​fjernelse af kilden, men af ​​selve kendsgerningen af ​​universets udvidelse, det vil sige stigningen i gravitationspotentiale inden for universet.

For det andet, hvis en sådan forskydning opdages (og der er al mulig grund til dette), så Vi vil gennem et laboratorieeksperiment bevise selve kendsgerningen om universets udvidelse. Desuden vil vi være i stand til at måle den hastighed, hvormed gravitationspotentialet skabt af alt stof i universet stiger.

For det tredje, ved at fratrække værdien af ​​det røde skift i spektrene af fjerne galakser den del, der ikke er forårsaget af hastigheden af ​​deres fjernelse, men af ​​en ændring i gravitationspotentialet, finder vi ud af rigtigt hastigheden, hvormed galakser bevæger sig væk, og dermed være i stand til at korrigere det aktuelle skøn over universets alder.