07. Космологическое красное смещение. А был ли мал

 

                07. КОСМОЛОГИЧЕСКОЕ КРАСНОЕ СМЕЩЕНИЕ. А БЫЛ ЛИ МАЛЬЧИК?

  Мы совершили небольшой экскурс по шести залам музея «картин мира». Если в первом зале картина мира отражала мифологическое мировоззрение народов Индии, то последующие картины всё больше отходили от мифологии и строились на основе данных наблюдений и измерений параметров движения небесных светил. Наибольших результатов на этом направлении достигла картина множественности звёздных миров Бруно-Ньютона. Но она возникла не сама по себе, а выросла из знаний предшествующих поколений. Собственно, именно с неё и начинается строгое научное познание мира на основе данных опыта, наблюдений и их логического анализа.

Но ХХ век изменил тысячелетней традиции и решил вернуться к построению картины мира с нуля, на базе ничем необузданной фантазии её авторов. Это, по-существу, означало возврат к методам мифотворчества, а с учетом интенсивного развития экспериментальной астрофизики, с результатами которой теоретики вынуждены были считаться, новая теория всё больше напоминала игру «угадайку».
 

В этой работе будет показано, как можно и нужно развивать физическую картину мира на основе данных опыта и наблюдений. Конечно же сочинять теорию много проще: на проза.ру мы все теоретики. Но вот выводить теорию из опыта и наблюдений, преодолевая непрерывную цепь логических противоречий - это тяжелый труд, не терпящий скоропалительных выводов и необузданной «интуиции». Работа только в пространстве существующего опыта. Но зато вы будете вознаграждены и узнаете, что окружающий мир совершенно другой, прекрасный и многогранный. Природа нам в помощь!

 
Мы живём в мире, гармония которого зиждется на постоянстве законов Природы. Если было бы по-другому, то Вселенная представляла из себя безликий хаос, в котором не могли зародиться ни элементарные структуры, ни звёзды, ни галактики, ни мы с вами.

 
 К числу законов Природы относится высокая стабильность частот и длин волн спектральных линий атомов и ионов. Это обстоятельство позволяет использовать частоты спектральных линий для синхронизации времени. Так используемая нами «секунда» в соответствие с решением XIII Генеральной конференцией по мерам и весам 1967 года представляет собой интервал времени, равный 9 192 631 770 периодам излучения одной из спектральных линий атома цезия-133.


Благодаря стабильности частот спектральных линий астрономы прекрасно осведомлены об элементном составе звезд и галактик.


Но частоты и длины волн, испущенные атомами, в дальнейшем могут меняться под воздействием внешних факторов. Если длина волны, испущенная атомом равна do, а длина волны, принятая приёмником - dн, то относительную величину изменения длины волны

                z = (dн - do)/ dо = (dн/ dо) – 1          (*)

называют спектральным смещением.

Если z > 0, то длина принимаемой волны больше исходной, и такое смещение называют красным. Оно возникает, когда источник и приёмник колебаний удаляются друг от друга. Также красное смещение наблюдается при удалении электромагнитной волны от массивного объекта, такого как, например, черная дыра. Такое смещение называется гравитационным.

Нельзя не упомянуть о фикс-идее об «усталости» фотонов, которые якобы краснеют, пробираясь сквозь тернии пространства и теряя часть своей энергии. В основном этой идеей заражены представители неофициальной науки. Ни один из известных прямых опытов и логика, заложенная в понятие «квант», не подтверждают этого.


Если z < 0, то длина принимаемой волны меньше исходной, и такое смещение называют синим или фиолетовым. Оно возникает, когда источник и приёмник колебаний движутся навстречу друг другу. Кроме того, синее смещение возникает при движении электромагнитной волны в сторону массивного объекта, в связи с чем оно называется гравитационным синим смещением.

В 1923 году американский астроном Весто Слайфер обнаружил красное смещение в спектрах далёких галактик, а другой американский астроном Эдвин Хаббл в 1929 году показал пропорциональную зависимость величины красного смещения от расстояния до наблюдаемых галактик. Это явление Природы было названо КОСМОЛОГИЧЕСКИМ КРАСНЫМ СМЕЩЕНИЕМ (ККС).

Поскольку решение умозрительных космологических уравнений Эйнштейна в виде нестационарной Вселенной, полученное Александром Фридманом, ждало своего экспериментального подтверждения целых 7 лет, космологи-теоретики немедленно сделали вывод, что Вселенная расширяется. А вместе с ней растягиваются и электромагнитные волны, чем, по их мнению, и объясняется красное смещение.

Но расширяющаяся Вселенная – это логический абсурд. Может быть, автор не понимает, что такое Вселенная?

 
В википедии находим:


«Вселенная (лат. universus) — это все пространство и время и их содержимое, включая планеты, звезды, галактики и все другие формы материи и энергии.»


Нет, всё в порядке, понимает.


Но если так, то Вселенная не может расширяться, поскольку, во-первых, вне неё ничего нет, она всё вобрала в себя. Во что она будет расширяться? В самою себя?  А во-вторых, всякое движение относительно! Относительно чего это ВСЁ будет расширяется?  Подобное расширение равносильно умозрительному масштабированию объекта.

Физики большие мастера в области абстракции, и математически они вам легко покажут, как расширяется Вселенная. Но ни один физик, даже самый гениальный, не сможет показать, как расширяется Вселенная графически, то есть путём расширения ограниченной области, изображенной на листе бумаги, с запретом на выход за обозначенную область! Расширение подразумевает занятие некоторого, до сих пор свободного, незанятого места. Но такого места не может существовать по определению. В противном случае – это уже не ВСЁ, это не Вселенная.


 Но, с другой стороны, как совместить ККС и невозможность расширения Вселенной? Это говорит о том, что в Датском королевстве, то есть в астрофизике, далеко не всё в порядке.


Интуитивных противников теории расширяющейся Вселенной среди нас, обывателей, много больше, чем её сторонников. Но противников теории немало есть и среди профессионалов.


Наиболее авторитетным противником теории расширяющейся Вселенной в России был академик А.А. Логунов, ректор МГУ. Он предполагал, что наблюдаемое красное смещение далеких галактик происходит не из-за движения вещества, а из-за изменения гравитационного поля во времени. Его анализ основывался на разработанной им «Релятивистской теории гравитации (РТГ)», альтернативы ОТО, в которой гравитация была связана с физическими полями, а не с деформацией пространства и времени. Но его авторитета, и авторитета поддерживающей его группы, оказалось совершенно недостаточно, чтобы «научный мир» принял теорию РТГ всерьёз.

На сегодняшний день наиболее активным противником теории расширяющейся Вселенной является американский физик Эрик Лернер (рис.1), которого «официоз» разжаловал до ранга «независимого исследователя», тем самым подчеркнув, что не желает с ним иметь дел и выделять средства на его исследования.

В 1991 году Эрик Лернер опубликовал книгу под названием «Большого взрыва никогда не было», которая вызвала некоторый переполох в научном сообществе. Но ограниченные возможности оборудования тридцатилетней давности по наблюдению и измерению параметров далёкого космоса не гарантировали надёжности представленных результатов, и шумиха вскоре утихла.

В мае 2004 года журнал New Scientist опубликовал «Открытое письмо к научному сообществу», подписанное 35 астрофизиками и физиками, в которых утверждалось, что теория Большого взрыва не была доказана и что её предсказания опровергаются астрономическими данными.

Среди соавторов письма, помимо самого Эрика Лернера, были другие известные ученые, которые внесли большой вклад в астрофизику и астрономию, такие как Герман Бонди (британский математик и космолог), Томас Голд (американский астрофизик, профессор астрономии Корнельского университета) и Джаянт Нарликар (индийский астрофизик). К сегодняшнему дню под Открытым письмом подписались более 200 астрономов и астрофизиков, около 200 независимых исследователей и более 100 ученых - неспециалистов в области астрофизики. И их число на фоне поступающих новых данных от космических телескопов «Хаббл» и «Джеймс Уэбб» продолжает расти.


 
Среди аргументов, доказывающих отсутствие расширения Вселенной, ими были представлены данные наблюдений (рис.2), полученные на основе исследования тысяч галактик с помощью наземных и космических телескопов.

На рисунке 2 представлен график теоретической зависимости поверхностной яркости галактик от величины их красного смещения z (красная, ниспадающая кривая), в сравнении с точками в виде кружочков, квадратиков и ромбов, нанесённых на основе данных наблюдений.  За каждой такой точкой стоят наблюдения за сотнями галактик. Поэтому потенциально эти данные обладают высокой статистической значимостью. Другими словами – им можно доверять.


Сравнение этих зависимостей показывает, что теория расширяющейся Вселенной предсказывает падение яркости галактик при росте z на порядки: в десятки, сотни, тысячи раз. В то время, как данные космических наблюдений показывают, что поверхностная яркость галактик, во-первых, не зависит от z, и, во-вторых, может отличаться от галактики к галактике в разы, но никак не на порядки.

Заметим, что это очень сильный аргумент.  Из геометрической оптики известно, что поток излучения от некоторого объекта уменьшается пропорционально квадрату расстояния до него. Но и наблюдаемая область, занятая объектом, уменьшается в той же пропорции. Следовательно, поверхностная яркость любого объекта постоянна и не зависит от расстояния до него. А это значит, что данные, приведенные на графике, показывают, что поверхностная яркость далёких галактик подчиняется логике геометрической оптики, а не логике расширяющейся Вселенной.

Но, к сожалению, представленные данные являются лишь косвенным аргументом в пользу не расширения Вселенной. Поэтому противники теории зря надеялись, что теоретики, как только увидят их практические результаты, так сразу же посыпят голову пеплом, и примутся отменять теорию расширяющейся Вселенной.

Теоретики сильны в обороне. Они сразу выдвинули встречную гипотезу-опровержение. Они заявили, что теоретический график построен для некоторой модельной галактики с фиксированной начальной поверхностной яркостью. А противники теории привели результаты измерений по разным галактикам, с различными поверхностными яркостями. При этом они привели «неубиваемый» довод, заявив, что исходные поверхностные яркости галактик с ростом z увеличиваются. Очень хороший аргумент: поди проверь! Исходную поверхностную яркость галактик, находящихся в многомиллиардной дальности световых лет, проверить не удастся никогда. На это и расчет.

По результатам спора с теоретиками Эрик Лернер выразился очень образно:
«Говорить, что теория Большого взрыва является хорошо подтвержденной теорией, очень похоже на утверждение о том, что одежда голого короля прекрасна. Но это именно то, что отстаивают эти учёные, поскольку в конечном итоге от этого зависят их работа и доходы. Но это не то, что подтверждается научными данными.»

Тогда возникает закономерный вопрос: «А существует ли прямой опыт, который гарантированно доказывает, что Вселенная не расширяется, и который позволит припереть теоретиков к стенке?»

Конечно существует! Надо «всего лишь» показать, что длина волны по пути следования от источника излучения к её приёмнику не изменяется. Сбегать туда и вернуться обратно по известной причине не получится, поэтому можно воспользоваться следствием, связанным с увеличением длины волны.

Это следствие хорошо известно космологам-теоретикам, и они им бравируют на страницах научных изданий: это увеличении размера изображения галактики, и соответствующее уменьшение её поверхностной яркости. Самое интересное для нас в этой абсурдной теории то, что видимый угловой размер галактики после z = 1 начинает увеличиваться с ростом дальности. То есть, чем дальше галактика, тем больше её угловой размер. Мы это им обязательно припомним!

Другими словами, если мы докажем, что угловые размеры и яркость галактик следуют правилам геометрической оптики, то Вселенная не расширяется.
Если же мы обнаружим явный рост угловых размеров галактик с увеличением дальности после z =1, и соответствующее им уменьшение их поверхностной яркости, то мы проиграли.
 
Переведем вышесказанное на язык математики.

Если поперечный размер галактики равен b, а расстояние до неё равно L, то в соответствии с правилами геометрической оптики (го) её угловой размер Sго будет равен

                Sго = 2* arctg (0,5*b/L),

 
или для (b/L) << 1, с которыми имеет дело космологи,


                Sго = b/L    (радиан).

      
В космологии в радианах угловые размеры небесных объектов никто не измеряет – слишком большая величина, а измеряют в угловых секундах, или, на худой конец, в угловых минутах. С учетом перевода радиана в угловые секунды:


                1 радиан = 206 265 секунд


получим выражение для угловых поперечных размеров галактик в секундах


                Sго = 206 265 * (b/L ) сек.  (**)
 

Если же справедлива теория расширяющейся Вселенной (рв), то видимый угловой размер галактики Sрв увеличится по сравнению с Sго в (z+1) раз


                Sрв = Sго * (z+1) сек.  (***)
 

Таким образом, если для определения угловых размеров удалённых галактик справедливо выражение (**), а их поверхностная яркость остаётся неизменной, то Вселенная не расширяется. И спорить здесь больше не о чём!


Если же для определения угловых размеров удаленных галактик справедливо выражение (***), а поверхностная яркость галактик убывает в (z+1)^2 раз, то здесь точно также спорить не о чем, поскольку Вселенная расширяется!


Теоретически решение задачи очень простое, а на практике – сложное. Дело в том, что для того, чтобы однозначно ответить на этот вопрос, надо знать исходный размер исследуемой галактики. Но, как и длину волны, нам этого знать не дано. Поэтому в этом вопросе, во-первых, нужна статистика. А, во-вторых, доказательства надо искать в зоне абсурда, то есть в области таких значений красного смещения z, где одно из альтернативных решений будет очевидно неправильным, не зависимо от возможной ошибки выбора разумных исходных данных.

 
Экспериментальная теория эволюции галактик, к развитию которой самое непосредственное отношение имеет российский астрофизик Ольга Сильченко, считает, что галактики изначально образуются как спиральные, а с течением временем в результате столкновений и слияний видоизменяются и могут становиться эллиптическими, линзовидными или неправильными.  В таком случае нас интересуют размеры спиральных галактик.


Кроме того, эта теория считает, что звездообразование начинается в галактическом ядре, поэтому размер галактик на начальном пути эволюции примерно в десять раз меньше, чем размер взрослой галактики, и по форме похож на линзовидную.

Среди спиральных галактик во Вселенной преобладают галактики размером в 20-40 Кпк. Наша Галактика, например, имеет диаметр около 30 Кпк. А вот галактика Андромеда имеет диаметр около 67 Кпк и выбивается из средних размеров. Встречаются спиральные галактики с диаметром до 5 Кпк. Галактики меньшего диаметра считаются карликовыми и таких галактик во Вселенной крайне мало.
Таким образом наиболее вероятный размер молодых галактик составляет около (20…40)/10 = (2…4) Кпк, или в световых годах: (6,5…13) тысяч световых лет.


Для анализа воспользуемся последними результатами работы телескопа «Джеймс Уэбб». Он нашёл самую древнюю на сегодняшний день галактику JADES-GS-z13-0. Её спектроскопически подтверждённое красное смещение z составляет 13,2, что соответствует расстоянию в 13,6 млрд. световых лет. Её изображение приведено на рис.3. Теперь надо проверить, какой логике подчиняются её наблюдаемые параметры -  угловой размер и поверхностная яркость:


         (1) – логике геометрической оптики, то есть логике нерасширяющейся Вселенной, или


         (2) – логике расширяющейся Вселенной?


           1. В соответствии с логикой геометрической оптики наиболее вероятный угловой размер самой старой из найденных галактик должен лежать в границах


                Sго = 206 265 * ((6,5…13) /13600000) = (0,1…0,2) сек.


  Из рисунка 2 можно определить, что угловой размер галактики JADES-GS-z13-0 составляет порядка 0,2 -0,25 секунд, что, с учётом её нормальной поверхностной яркости, хорошо согласуется с логикой геометрической оптики, то есть с логикой нерасширяющейся Вселенной.


          2. В случае, если была бы справедлива логика расширяющейся Вселенной, то исходный размер галактики должен быть в (z+1) =14,2 раза меньше наблюдаемого размера. То есть он должен составлять всего (6,5…13)/14,2 = (0,46…0,91) тыс. световых лет = (460…910) световых лет. Это более, чем на порядок меньше теоретически ожидаемого размера.


Теперь проверим теорию по поверхностной яркости.


В силу расширения светового пятна галактики в (z+1)^2 = 14,2^2 = 201 раз, ровно во столько снизится её исходная поверхностная яркость. Возможно ли такое? Ведь на снимке мы наблюдаем пятно, яркость которого соизмерима с яркостью других галактик. Теоретики заявляли Эрику Лернеру, что первые галактики были ярче в 1000 раз современных.


Считается, и вполне оправдано, что первые звёзды во Вселенной были очень большими и яркими. Пусть их яркость в среднем была в N раз больше яркости Солнца. Но тогда такие звёзды давлением своего излучения «выдувают» молекулярный водород – материал для звездообразования, в (N)^(1/3) раз дальше, чем Солнце, и следовательно между звездами в такой галактике расстояние будет в (N)^(1/3) больше, чем между звездами, подобными Солнцу. А это, в свою очередь означает, что на единицу поверхности галактик будет размещаться в (N)^(2/3) раз звезд меньше, и, следовательно, поверхностная яркость таких галактик будет всего в (N)^(1/3) раз больше, чем галактики типа Млечный путь. Также надо учесть, что плотность и толщина слоя молекулярного водорода в галактическом гало молодых галактик были значительно больше, чем у современных, а значит их поверхностная яркость на границе гало снижалась ещё в несколько раз.


Пример.

 Пусть яркость всех первых звёзд была в 1000 раз выше, чем яркость Солнца. Тогда расстояние между ними было не 4-5 световых лет, как в Млечном пути, а в десять раз больше. И значит их количество на единицу поверхности было в 100 раз меньше, а поверхностная яркость была больше всего в 10 раз. Но после прохождения галактического гало она уменьшалась, скажем, ещё в 2-3 раза. В результате имеем, что на границе гало яркость первых галактик было в 3-5 раз больше, чем у современных. Но пройдя расстояние в 13,6 млрд. световых лет, в результате расширения Вселенной, яркость пятна, как мы заметили, уменьшилась бы в 201 раз и на входе в окуляр телескопа она уже была бы в 40-70 раз меньше яркости современных галактик. Но картинка (рис.3), и график (рис. 2) отвергают такую возможность!


Следовательно, наблюдаемые параметры древних галактик следуют логике геометрической оптики, и, следовательно, Вселенная не расширяется.


Для автора ответ был очевиден до проверки. А астрономам - противникам теории расширяющейся Вселенной, имеющих богатую базу данных астрономических наблюдений, можно посоветовать набирать подобную статистику, чтобы одержать убедительную победу над «теоретиками».

 
Таким образом, мы установили, что увеличения длины волны по пути движения света от источника к приёмнику не происходило, а значит и НЕ БЫЛО КРАСНОГО СМЕЩЕНИЯ в том смысле, который закладывается в выражение (*)! То есть галактики изначально испускали свет такой длины волны, которую телескопы и принимали! А все исследователи априори полагали, в том числе и противники теории, что смещение частот спектральных линий имеет место быть. А это входило в противоречие с предлагаемым ими данными на рис.2. Им впору было бы задаться вопросом: «А был ли мальчик?»


Но коли смещения не было, то получается, что спектральные линии атомов и ионов, эти надёжные константы во Вселенной, в ранних галактиках имели другие значения? Любой внятный физик вам скажет, что такого не может быть, и будет прав! Изменение частот спектральных линий однозначно было бы связано с количественным изменением свойств атомов и ионов в древние времена. Из атомов с меняющимися свойствами создать Вселенную было бы невозможно!
Но что же тогда?

 На этот вопрос есть простой ответ.
Длина волны d связана с частотой спектральной линии f зависимостью

                d = с/f,

где с – скорость света.

Если древние атомы излучают на тех же самых частотах f, что и современные, а принимаемая длина волны при этом существенно больше, чем современная, то это означает, что для источника при любом возрасте Вселенной справедливо выражение:

                f = с /d = const,

а рост длины волны был связан с бОльшими значениями скорости света в древние эпохи.


Не спешите кидаться в автора камнями! Автор убеждён, что скорость света – это абсолютный инвариант, который более постоянен, чем любая другая физическая величина. Просто эта константа не зависит от причуд физического мира. А наблюдаемое увеличение скорости света является следствием меньшего темпа времени в ранние эпохи, и который увеличивался с увеличением возраста Вселенной.


Представьте себе, что вы едете на поезде, который движется с постоянной скоростью, а ваши часы идут вначале очень медленно, а потом быстрее и быстрее. Если вы в равные отрезки времени, определяемые по таким часам, будете выглядывать в окно поезда и следить за показаниями километровых столбов, то обнаружите, что скорость вашего поезда со временем становится всё меньше и меньше.


      На этом главу заканчиваем, и подведем её главный итог:


Наблюдаемое КОСМОЛОГИЧЕСКОЕ КРАСНОЕ СМЕЩЕНИЕ является следствием ускорения времени с ростом возраста Вселенной!  То есть наблюдая красное смещение мы наблюдаем ЗАМЕДЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ в соответствующую эпоху.
Правда это утверждение требует доказательства, что мы сделаем несколько позже. Просто не хотелось оставлять вопрос "а что же это было" повисшим в воздухе.

     http://proza.ru/2023/12/01/1213