Космологическое расширение Вселенной часто представляют как процесс, при котором сама ткань пространства физически растягивает находящиеся в ней объекты, от световых волн до целых галактик. В новом материале ведущий научно-популярного канала Veritasium разбирает это фундаментальное заблуждение и объясняет истинную физическую природу космологического красного смещения. Автор видео подробно доказывает, что три классических типа красного смещения на самом деле являются проявлениями одного и того же механизма, зависящего исключительно от системы «фотон — наблюдатель».
🔴 Загадка красного смещения: почему растягиваются фотоны? 0:00
Первые свидетельства того, что наша Вселенная расширяется, ученые получили при анализе света от далеких галактик. Если изучить спектр Солнца, можно заметить темные линии поглощения; аналогичные линии обнаруживаются и в спектрах других галактик, однако они смещены в сторону более длинных волн — к красному концу спектра. Это явление принято называть космологическим красным смещением.
Стандартное и наиболее интуитивно понятное объяснение этого феномена заключается в том, что по мере путешествия света через расширяющееся пространство сами фотоны «растягиваются». В результате короткие волны становятся длиннее. Данная модель кажется логичной, однако при попытке вдуматься в ее суть возникают закономерные вопросы. По мнению автора видео, если расширяющееся пространство способно растянуть крошечный фотон, то должно ли оно растягивать атомы, молекулы, звезды и даже самих людей? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо глубже разобраться в природе физических измерений.
🚀 Три или один? Эксперимент Паунда — Ребки и принцип эквивалентности 1:21
В современной физической литературе принято разделять красное смещение на три различных типа:
- Доплеровское красное смещение — возникает, когда наблюдатели движутся относительно друг друга.
- Гравитационное красное смещение — фиксируется наблюдателями, находящимися в разных точках гравитационного поля.
- Космологическое красное смещение — регистрируется при обмене фотонами на огромных космологических расстояниях в расширяющейся Вселенной.
На первый взгляд эти явления кажутся независимыми и описываются разными уравнениями. Однако ведущий канала Veritasium предлагает обратиться к истории науки, чтобы проследить их общую природу. В 1959 году физики Паунд и Ребка провели знаменитый эксперимент в Гарвардском университете, посылая гамма-кванты вверх и вниз по 22-метровой башне. Измерения показали, что фотоны, зафиксированные на вершине башни, были смещены в красную область спектра относительно источника ровно на ту крошечную величину, которую предсказывала общая теория относительности Эйнштейна. Подобное смещение происходит непрерывно по мере подъема фотона.
Согласно формулировке принципа эквивалентности Эйнштейна, состояние покоя на поверхности Земли физически неотличимо от нахождения внутри ракеты в глубоком космосе, которая ускоряется вверх с постоянным показателем 1G. Если повторить эксперимент Паунда — Ребки внутри летящего космического корабля и отправить синие фотоны из хвостовой части, то у носа ракеты они зарегистрируются как красные. Принцип эквивалентности выполняется безукоризненно, но именно здесь скрывается ключ к разгадке природы света.
👁️ Иллюзия наблюдения: почему энергия фотона не абсолютна 3:19
Для понимания природы смещения автор видео предлагает мысленный эксперимент с цепочкой внешних наблюдателей, неподвижно находящихся в космосе и смотрящих внутрь ускоряющейся ракеты. В момент старта, когда ракета неподвижна, и внутренний, и внешний наблюдатели увидят фотон одинаковым — синим. Но когда фотон достигнет середины корабля, внутренний исследователь зафиксирует его как зеленый, тогда как для внешнего наблюдателя он останется синим, поскольку двигался сквозь обычное плоское пространство-время.
В рамках этого мысленного эксперимента возникает парадокс: как один и тот же фотон может быть одновременно синим и зеленым? Ведущий Veritasium объясняет, что никакого нарушения законов физики здесь нет:
- За время полета фотона ракета успевает ускориться.
- Внутренний наблюдатель в середине корабля в момент измерения движется с высокой скоростью относительно источника в хвосте.
- Регистрируемое внутри ракеты изменение цвета — это обычный доплеровский сдвиг, вызванный тем, что наблюдатель быстро удаляется от точки эмиссии света.
По словам автора, данный пример наглядно демонстрирует, что длина волны и энергия не являются внутренними, неотъемлемыми свойствами самого фотона. Они представляют собой свойства конкретной системы «фотон — наблюдатель». Наблюдатель, находящийся в состоянии свободного падения рядом с гарвардской башней, вообще не зафиксировал бы никакого гравитационного красного смещения — для него фотон оставался бы синим на всем протяжении пути. Таким образом, гравитационное красное смещение эквивалентно доплеровскому. По утверждению ведущего, в действительности трех видов смещения не существует — есть лишь один математический каркас, выглядящий по-разному в зависимости от системы отсчета.
🌌 Космическая жидкость и иллюзия «растяжения» пространства 5:56
Чтобы перенести этот вывод на космологический масштаб, необходимо абстрагироваться от Солнечной системы и Млечного Пути. На масштабах обозримой Вселенной галактики можно уподобить молекулам в жидкой среде — так называемой «космической жидкости». В этих масштабах Вселенная признается однородной (гомогенной) и изотропной, то есть выглядящей одинаково во всех направлениях. Главное свойство этой космической жидкости заключается в том, что она расширяется, а ее плотность со временем падает.
Физики используют систему сопутствующих координат, расширяющуюся вместе с космической жидкостью. Наблюдатели, чьи координаты в этой системе не меняются, называются сопутствующими. Примечательно, что Земля не является сопутствующим наблюдателем: наша галактика движется со скоростью 600 километров в секунду относительно реликтового излучения.
Если два сопутствующих наблюдателя на огромном расстоянии обмениваются фотоном, его длина волны увеличивается пропорционально расширению Вселенной. Однако космологическое красное смещение можно представить и иначе: как бесконечную цепочку сопутствующих наблюдателей вдоль траектории луча. Каждый промежуточный наблюдатель поочередно поглощает и мгновенно переизлучает идентичный фотон. Для каждого из них соседние наблюдатели удаляются в локально плоском пространстве-времени. По словам автора видео, в такой интерпретации космологическое смещение представляет собой не что иное, как длинную серию последовательных доплеровских сдвигов. Из этого ведущий делает вывод: красное смещение не происходит с самим фотоном в пути, а зависит от относительного движения наблюдателей в точках излучения и поглощения. Концепция «расширяющейся ткани пространства», физически тянущей за собой объекты, является лишь удобной, но часто неверно трактуемой метафорой.
🧍 Расширяетесь ли вы вместе со Вселенной? 10:05
Опираясь на описанную физическую модель, ведущий дает однозначный ответ на главный вопрос: нет, человек не расширяется вместе со Вселенной. На масштабах человеческого тела Вселенная не является ни однородной, ни изотропной, а локальная кривизна пространства-времени полностью определяется гравитацией Земли.
Даже если переместить человека в глубокий космос, его тело не начнет увеличиваться в размерах, поскольку атомы и молекулы прочно удерживаются вместе электромагнитными силами. Процесс расширения начался бы только в гипотетическом сценарии, если бы электромагнитное взаимодействие во Вселенной полностью отключилось. В этом случае несвязанные частицы тела действительно начали бы разлетаться, но обусловлено это было бы тем, что в современной Вселенной на больших масштабах доминирует темная энергия. Во всех остальных реалистичных ситуациях ни молекулы, ни звезды, ни галактики расширению не подвержены.
💼 Интеграция бизнеса: поддержка проекта 11:29
Выпуск подготовлен при поддержке компании Salesforce, чей продукт Salesforce Essentials помогает предпринимателям адаптировать бизнес к современным онлайн-реалиям. Сервис предлагает инструменты для захвата лидов непосредственно с веб-сайтов, выстраивания CRM-систем, таргетирования промо-кампаний на целевую аудиторию, а также агрегации каналов связи (email, телефон, социальные сети) в едином центре поддержки клиентов.
