Красное смещение и теория относительности

Теория относительности Альберта Эйнштейна, охватывающая как специальную, так и общую теории, тесно связана с явлением красного смещения, наблюдаемым в астрономии и физике. Специальная теория относительности (СТО), опубликованная в 1905 году, утверждает, что скорость света в вакууме является фиксированной константой, независимой от движения источника или наблюдателя. Это приводит к нескольким важным следствиям, включая доплеровское смещение: когда источник света движется относительно наблюдателя, его свет может смещаться к красной области спектра, если источник удаляется, или к синей, если он приближается. Таким образом, в рамках СТО красное и синее смещение связано с относительностью скорости света и движением источника.

Общая теория относительности (ОТО), представленная в 1915 году, расширяет принципы СТО, интерпретируя гравитацию как искривление пространства-времени, вызванное наличием массы и энергии. ОТО предсказывает гравитационное красное смещение: свет, исходящий из сильного гравитационного поля, например, от звезды или черной дыры, теряет энергию, поднимаясь из этого поля, что приводит к увеличению длины волны и вызывает красное смещение. Этот эффект был подтвержден экспериментально, включая наблюдения вблизи массивных объектов, таких как нейтронные звезды и черные дыры.

Еще одним важным аспектом является космологическое красное смещение, которое объясняется расширением Вселенной. Согласно теории Большого взрыва, Вселенная активно расширяется, и, следовательно, свет от удаляющихся галактик смещается в красную область спектра.

Общая теория относительности представлена уравнениями Эйнштейна, связывающими кривизну пространства-времени с распределением материи и энергии. Эти уравнения показывают, как геометрия пространства-времени изменяется под воздействием массы и энергии. Ключевые компоненты включают тензор кривизны, который отвечает за искривление пространства-времени, и метрический тензор, описывающий его геометрию. Тензор энергии-импульса определяет распределение материи и энергии, а космологическая постоянная была введена Эйнштейном для объяснения статической модели Вселенной.

Решения этих уравнений для однородного и изотропного пространства известны как модель Фридмана-Леметра, которая демонстрирует, что Вселенная может расширяться. При этом скорость удаления галактик пропорциональна их расстоянию от наблюдателя, что было подтверждено наблюдениями, известными как закон Хаббла. Это подтверждает идеи, лежащие в основе общей теории относительности, и подчеркивает важность красного смещения как инструмента для изучения динамики и структуры Вселенной.
—

2025