Повна енергія має зберігатися. Кожен студент, який вивчає фізику, проходить цей фундаментальний закон. Однак він незастосовний до Всесвіту як цілого. Порівняння Всесвіту з надувною кулькою, що розширюється, добре лише для наочності, але не відображає фізичної суті процесу.
Енергія не створюється і не зникає. Цей принцип, який називають законом збереження енергії, — один із найбільш «шанованих» законів фізики. Він керує нашим життям, присутній у всіх його проявах: це і тепло, що нагріває каву в чашці, і хімічні реакції, що відбуваються під час виділення кисню листям дерев, і рух Землі по орбіті навколо Сонця, і їжа, що змушує битися наші серця. Ми не можемо жити без їжі, машини не можуть рухатися без пального, а вічний двигун — лише приваблива, але нездійсненна мрія фантастів. І якщо під час якогось експерименту виявляється можливим порушення закону збереження енергії, то це нас надзвичайно дивує. Але що ж робити в тому разі, коли наші спостереження все-таки суперечать цьому непорушному закону?
Залишмо на деякий час найближчі околиці Землі й подумаймо про Всесвіт загалом. Найбільше інформації про зовнішній світ нам приносять промені світла. Згідно із загальною теорією відносності (ЗТВ) Альберта Ейнштейна, світло, подорожуючи Всесвітом, що розширюється, і приходячи від віддалених об’єктів, наприклад галактик, має червоне зміщення (електромагнітні хвилі змінюють свою частоту, «стискаються»). Що більша довжина хвилі, то менша її енергія. Отже, може виникнути запитання: коли довжина хвилі випромінювання зміщується в червону область спектра, то куди дівається його енергія? Вона що, кудись втрачається, порушуючи закон збереження енергії?
ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ
1.Оскільки Всесвіт розширюється і далекі галактики розбігаються від нас, їхнє випромінювання приходить до нас із червоним зміщенням, тобто з меншою енергією.
2.Уявне порушення закону збереження енергії насправді не суперечить загальноприйнятим фізичним законам.
3.На думку автора, енергія окремих фотонів зберігається. Енергія зберігається і внаслідок процесів, що відбуваються всередині окремої галактики.
Варто нам лише покинути затишок звичного життя і вирушити досліджувати області екстремальних простору й часу, як завдяки дослідженням сучасної фізики починають руйнуватися багато повсякденних уявлень про світ. Із принципу відносності Ейнштейна ми знаємо, що поняття одночасності ілюзорне, що час і відстань відносні. Існують теорії, згідно з якими позірна неперервність часу і простору так само примарна, як і гладкість матерії. На які ж фізичні закони ми все-таки можемо твердо спертися? І навпаки, які з фізичних принципів, що довго вважалися непорушними, заважають нам зрозуміти реальну картину світу? Робота вченого полягає у відкритті нового та у виявленні ситуацій, коли наше знання неповне або навіть просто хибне. Історія науки засмічена уламками відкинутих ідей і концепцій, що не прижилися. Чи не може виявитися, що серед них на смітник історії має вирушити і закон збереження енергії?
Відповідь заперечна: ні, не може. У масштабі окремих фотонів енергія завжди зберігається, навіть якщо світло набуває червоного зміщення. Ба більше, для процесів у нашій Галактиці порушення закону збереження енергії неможливе. Однак у космологічних масштабах питання про енергію стає тоншим — у цьому й полягає весь інтерес.
ЧОМУ НАМ ЗДАЄТЬСЯ, ЩО ЕНЕРГІЯ ЗНИКАЄ?
Ті, хто погоджується, що Всесвіт втрачає енергію, частково ґрунтують свої висновки на явищі червоного зміщення випромінювання, що надходить до нас. Виявляється, наш Всесвіт розширюється так, ніби розтягується сам простір. Унаслідок цього хвилі електромагнітного випромінювання розтягуються, зміщуються в червону область спектра (у видимому діапазоні випромінювання). Фотони з більшою довжиною хвилі мають меншу енергію, звідки напрошується висновок, що фотони, які надходять до нас, мають меншу енергію.
Але чи втрачає енергію весь Всесвіт як ціле? Загальну енергію всіх фотонів у Всесвіті підрахувати не можна, але можна формально обчислити кількість енергії, що міститься в певній довільно вибраній області Всесвіту, яка розширюється (на рис. праворуч задану область для наочності представлено як двовимірну). Фотони можуть перетинати межу області, проникаючи в неї ззовні та виходячи з неї, але, вважаючи густину простору однорідною, можна приблизно вважати, що число фотонів у нашій вибраній області залишатиметься сталим. Оскільки кожен фотон у цій області стає менш енергійним у міру її розширення, то, згідно з моделлю автора, повна кількість енергії всіх фотонів у цій області, а отже, і в усьому решті Всесвіту, має зменшуватися
Симетрія та збереження
Закон збереження енергії не лише був установлений емпірично, а й обґрунтований за допомогою строгої теорії.Близько ста років тому німецька математик Еммі Нетер (Emmy Noether) відкрила, що всі закони збереження фізичних величин ґрунтуються на симетріях, які існують у природі.
У повсякденному житті під симетрією ми розуміємо зображення предметів у дзеркалі, відбиття різних типів і обертання. Рівносторонній трикутник симетричний, тому що ви можете повернути його на одну третину повного оберту й отримати нерозрізненну фігуру. Квадрат теж симетричний, але його потрібно повертати на одну чверть повного оберту, щоб отримати точно таку саму фігуру. З усіх фігур на площині найбільший ступінь симетрії має коло, тому що його можна повертати на будь-який кут і відбивати відносно будь-якої осі, що проходить через його центр, — кажуть, що коло має неперервну симетрію, на відміну від дискретної симетрії в наведених вище прикладах.
Фізичні закони також можуть бути симетричними. Так, рух у часі не змінює законів природи. Це означає таке: якщо ви повторите експеримент багато разів — наприклад, зіштовхуючи під одним і тим самим кутом дві більярдні кулі, — результат завжди буде той самий. Ця властивість називається часовою симетрією (див. виноску). Далі, закони фізики не змінюються залежно від місця, де ви проводите експеримент, — вони мають просторову симетрію. А ще закони природи не змінюються залежно від напрямку, у якому ви дивитеся, — це обертальна симетрія. Звичайно, досліджувані процеси можуть змінюватися залежно від вашого місцеперебування, від часу, від напрямку погляду, але фундаментальні закони фізики, які визначають, як саме відбуваються ці процеси, від цих параметрів не залежать. Отже, якщо фізичний закон залишається незмінним, то він, подібно до кола, має неперервну симетрію.
Наш Всесвіт розширюється, у різні часи він різний, симетрії в часі немає (фахівці говорять про симетрію відносно зсувів у часі). Теорема Нетер незастосовна, закон збереження енергії не працює. Тісно пов’язане з цим твердження: у загальній теорії відносності неможливо ввести поняття енергії, застосовне до Всесвіту. — Академік РАН, доктор фізико-математичних наук, професор В. А. Рубаков.
Нетер відкрила, що кожній неперервній симетрії в природі відповідає закон збереження певної фізичної величини, і навпаки. Так, просторова симетрія означає збереження імпульсу. Обертальна симетрія — збереження моменту імпульсу. Часова симетрія приводить до закону збереження енергії.
Закон збереження енергії означає, що закони фізики в минулому і майбутньому такі самі, як у теперішньому. З іншого боку, якщо часова симетрія порушується, то може порушитися й закон збереження енергії. Як далі припускає автор, формулювання «збереження енергії» може виявитися суперечливим у Всесвіті, що описується законами Ейнштейна.
Пливучи за течією
Один із непоганих способів перевірити, чи зберігається енергія у Всесвіті, — виявити неперервний зв’язок теперішнього з минулим за допомогою астрономічних спостережень. Сучасні астрономічні інструменти досягли такої потужності, що здатні побачити зародження перших галактик у Всесвіті й зазирнути ще глибше, в епоху невдовзі після Великого вибуху, коли ранній Всесвіт являв собою первинну плазму. Світло, яке ми реєструємо, подорожувало мільярди років. Зміна довжини хвилі світла і є ключем до розуміння закону збереження енергії.
У 1920 р. Едвін Габбл відкрив, що випромінювання більшості галактик зміщене в червону область спектра. Він виявив, що довжини хвиль фотонів, які надходять до Землі та були випромінені або поглинуті атомами (наприклад, атомами водню) в усіх найближчих до нас галактиках, розтягнуті порівняно з довжинами хвиль фотонів, випромінених або поглинутих тими самими атомами, але на Землі. Розтягнення пропорційне відстані до галактик. Червоне (і блакитне) зміщення трапляється і на Землі. Так, звук потяга, що віддаляється, здається нам нижчим, а того, що наближається, — пронизливішим. Це явище відоме як ефект Доплера. Хоча у випадку сигналу потяга електромагнітні хвилі є звуковими, а не лежать у видимій області спектра, фізики все одно говорять про розтягнення і скорочення хвиль як про їхнє червоне і блакитне зміщення відповідно.
Космологічне червоне зміщення в загальному випадку відрізняється від ефекту Доплера. Ефект Доплера спричинений відносністю руху джерела і спостерігача. У цьому випадку фотони не втрачають і не набувають енергії. На противагу цьому космологічне червоне зміщення визначається рухом фотонів у викривленому Всесвіті, що розширюється.
Космологічне червоне зміщення має місце, навіть якщо взагалі не відбувається жодного руху, що показує наступний уявний експеримент. Уявіть собі одну далеку-далеку галактику, зв’язану з нами довгою-довгою мотузкою. Відносно нас галактика перебуває у спокої, решта галактик поруч із нею віддаляються від нас. Обчислення показують, що світло, яке йде до нас від цієї прив’язаної галактики, усе одно матиме червоне зміщення, що характеризує розтягнення простору, крізь який проходить світло.
КОСМОЛОГІЯ: ПРИЧИНА ВИКРИВЛЕННЯ ГЕОМЕТРІЇ
Закони збереження найтісніше пов’язані із симетріями в природі. Так, енергія зберігається в тому випадку, коли закони природи «симетричні в часі». Така симетрія означає, що результат будь-якого фізичного експерименту однаковий незалежно від часу його проведення. Але якщо результат може відрізнятися через проведення експериментів у різні моменти часу, то енергія може не зберігатися. Наочний приклад — гра в більярд на нерівному столі. У космологічних масштабах геометрія нашого Всесвіту мінлива, що й означає, що енергія всього Всесвіту як цілого може й не зберігатися
ВИКРИВЛЕНИЙ БІЛЬЯРДНИЙ СТІЛ
Для гри в більярд на нерівному — з неевклідовою геометрією — столі потрібно оцінювати силу свого удару, враховуючи цю геометрію. Так, якщо геометрія фіксована, той самий удар приведе до того самого результату і зараз, і в майбутньому. Користуючись такою аналогією, можна сказати, що у Всесвіті з фіксованою геометрією енергія зберігається
ЗМІННА ГЕОМЕТРІЯ
Якщо поверхня більярдного столу змінюється з часом, то відпрацьований раніше удар може вже не спрацювати — симетрія в часі порушується. Щось подібне може відбуватися і у Всесвіті, оскільки згідно із ЗТВ рух матерії та енергії змінює геометрію простору-часу. За таких умов енергія може й не зберігатися
Пекулярна фізика
Отже, фотони, що подорожують у Всесвіті, який розширюється, втрачають енергію. А як щодо не лише частинок із нульовою масою, а й речовини? Чи буде вона теж втрачати енергію? Коли ми описуємо рух речовини у Всесвіті, ми розрізняємо два типи руху. Об’єкт може бути «вмороженим», слідуючи за розширенням, як намальовані на гумовій кулі точки рухаються, коли кулю надувають. У космології такі об’єкти називаються супутніми. Але об’єкт може мати і власний рух на додаток до руху, спричиненого розширенням. Другий тип руху називають пекулярним. Він може бути спричинений, наприклад, гравітаційними взаємодіями об’єктів. Галактики самі по собі обов’язково мають пекулярний рух. Але для віддалених галактик він малий порівняно зі швидкістю їхнього розбігання. У надвеликих масштабах розподіл галактик рівномірний, тому локальні ефекти стають незначущими, і ці галактики є супутніми. Отже, їх можна вважати точками на кульці, що надувається, тобто свого роду верстовими стовпами Всесвіту, який розширюється.
Супутня система відліку, визначена за допомогою галактик, дуже зручна. Так, вона дає універсальну домовленість щодо відліку часу — будь-хто, перебуваючи в будь-якій такій галактиці, однаково відповідає на запитання про вік Всесвіту.
Якщо міжгалактичний мандрівник подолає мільярди світлових років, він зможе пройти повз безліч таких верстових галактик. Але через те, що Всесвіт розширюється, ці верстові стовпи віддалятимуться один від одного, і наш мандрівник рухатиметься дедалі повільніше, звичайно, лише відносно цієї вибраної системи відліку.
Отже, світло втрачає енергію, збільшуючи довжину хвилі, а матерія втрачає енергію, уповільнюючи свій рух. На перший погляд ці два типи поведінки різні. Але цікаво те, що у квантовій механіці їх об’єднує. Якщо дивитися на матерію з погляду квантової механіки, масивні частинки мають хвильові властивості. Французький фізик Луї де Бройль (Louis de Broglie) з’ясував, що чим більший імпульс частинки, тим менша її довжина хвилі й тим більша її енергія. За це відкриття він був удостоєний Нобелівської премії 1929 р.
Частинки речовини можуть мати великий імпульс, маючи або велику масу, або велику швидкість, або обидві ці характеристики. Це, зокрема, пояснює, чому бейсбольний м’яч під час кидка не демонструє хвильових властивостей, адже з погляду квантової механіки він має неймовірно велику масу. За типової швидкості цього м’яча в 145 км/год його довжина хвилі де Бройля становить усього $10^{–34}$ м — надто малу величину, щоб її можна було якось зареєструвати. З іншого боку, електрон, що рухається з такою самою швидкістю, має довжину хвилі 18 мікронів, що, попри свою малість, усе ж на 29 порядків більше, ніж у бейсбольного м’яча, і є значущим при вивченні руху електрона.
Коли ви обчислюєте, яку частину відносної швидкості втрачає масивна частинка, проходячи поблизу частинок, що віддаляються від неї, ви виявляєте, що довжина хвилі де Бройля у частинок зростає точно в такій самій пропорції, як і довжина хвилі фотонів. Отже, світло й речовина поводяться однаково, коли йдеться про втрату енергії у Всесвіті, що розширюється, і в обох випадках це виглядає так, наче порушується закон збереження енергії. У випадку речовини цей парадокс пояснюється тим, що ми обчислюємо швидкості в різних системах відліку — відносно галактик, які розлітаються. Як ми побачимо далі, аналогічна ситуація складається і з фотонами.
Творча бухгалтерія
Коли космологи хочуть з’ясувати, чи втрачає Всесвіт енергію, вони могли б спробувати підрахувати одразу повну енергію Всесвіту, а не зосереджуватися на якомусь одному об’єкті. Насамперед можна просто скласти енергію, що міститься в речовині Всесвіту (маса $m$ та енергія $E$ еквівалентні згідно з рівнянням Ейнштейна $E = mc^2$, де с — швидкість світла). Потім слід додати кінетичну енергію, пов’язану з пекулярним рухом речовини. До отриманої суми треба додати енергію випромінювання, а потім виконати складну роботу з обчислення енергії всіх гравітаційних полів навколо планет, зір і галактик, а також енергії хімічного та ядерного зв’язку. (Звук і тепло — це рух частинок, тому їх теж потрібно врахувати.)
Перша складність: Всесвіт може бути нескінченно великим і містити нескінченну кількість речовини та енергії. У цьому разі потрібно на якомусь етапі перервати підсумовування — уявімо сферу, що оточує певну ділянку Всесвіту, і підрахуймо всю енергію, зосереджену всередині цієї кулі. Нехай тепер ця сфера розшириться, як і наш Всесвіт: так, щоб супутні галактики залишалися всередині. Світло й речовина ззовні можуть перетинати межі сфери, але оскільки Всесвіт однорідний, кількість речовини та випромінювання, що надходять у сферу, дорівнює кількості речовини та випромінювання, що виходять із неї. Увесь Всесвіт складається з безлічі таких сфер. Якщо у Всесвіті як цілому діє закон збереження енергії, то достатньо показати, що цей закон діє всередині окремо взятої сфери.
ДУМКА: ЧЕРВОНЕ ЗМІЩЕННЯ ТА ЕФЕКТ ДОПЛЕРА
Енергія окремого фотона, що подорожує Всесвітом, зберігається, а червоне зміщення можна інтерпретувати як прояв ефекту Доплера.
У першому питанні авторка цілком має рацію, а в другому — ні. Частота фотона, а отже, і його вимірювана енергія справді залежить від системи відліку, у якій проводять вимірювання. Однак у Всесвіті є виділена система відліку. Це та система, у якій простір однорідний (усі частини Всесвіту виглядають однаково) та ізотропний (Всесвіт однаковий у всіх напрямках). У ранньому Всесвіті речовина була гарячою та щільною, вона являла собою плазму. Так от, ця плазма перебувала в спокої як ціле саме в розглядуваній системі відліку. Віддалені галактики перебувають у спокої в цій системі відліку (з точністю до пекулярних рухів з невеликими швидкостями, про які згадує авторка статті), а відстань між ними збільшується саме завдяки розтягуванню простору. Виміряна в цій, космічній системі відліку частота фотона з часом зменшується; фотон червоніє саме через розтягування простору.
Особливо наочно це видно на прикладі реліктових фотонів, випущених гарячою речовиною в ранньому Всесвіті незадовго до того, як вона, охолоджуючись, перейшла зі стану плазми в газоподібний. Як уже говорилося, ця речовина загалом нікуди не рухалася. Відповідно, газ реліктових фотонів загалом теж нікуди не рухається, хоча окремі фотони в ньому рухаються в усіх напрямках (різниця зі звичайним газом полягає лише в тому, що, на відміну від молекул газу, фотони сьогодні не зазнають зіткнень ні між собою, ні з речовиною). Спектр реліктових фотонів — тепловий, причому саме в космічній системі відліку. Енергія і, відповідно, температура реліктових фотонів з часом зменшується в процесі розширення Всесвіту. До чого тут ефект Доплера? Відповідь однозначна: ні до чого. Червоне зміщення реліктових фотонів інакше як розтягуванням простору не поясниш.
З фотонами, випущеними віддаленими галактиками, справа трохи складніша. Авторка статті по суті пропонує відмовитися від уявлення про розтягування простору й замінити його уявленням про те, що галактики буквально розлітаються від нас у радіальних напрямках, а випущене ними світло виглядає почервонілим через пов’язаний із цим рухом ефект Доплера. Такий погляд справді нічому не суперечить, але тільки якщо йдеться про галактики, віддалені від нас на порівняно невелику відстань, набагато меншу за розмір видимого Всесвіту. В іншому разі інтерпретація, яку розглядає авторка статті, призводить до суперечностей. Останні твердження, до речі, цілком узгоджуються з висловленим у статті міркуванням про те, що «в достатньо малій області Всесвіт із високою точністю плоский. Але в плоскому просторі-часі немає гравітації, немає розтягування хвиль, і будь-яке червоне зміщення має бути ефектом Доплера». Отже, і концепція, викладена в статті, годиться лише для достатньо малої області Всесвіту. У цій області (але не в усьому видимому Всесвіті!) можна вибрати таку систему відліку, у якій простір не розширюється; ця система відліку відрізняється від космічної, і галактики відносно неї рухаються. Така особливість загальної теорії відносності: локальні явища можуть виглядати зовсім по-різному в різних системах відліку. Згадаймо Ейнштейна: земне тяжіння можна «вимкнути» в невеликій області простору, якщо сісти у ліфт, що вільно падає. Однак усюди й одночасно позбутися гравітаційного поля Землі неможливо. Так само неможливо «вимкнути» розширення простору одразу в усьому Всесвіті.
Отже, найбільш загальна й адекватна інтерпретація червоного зміщення — розтягування простору. Інтерпретувати червоне зміщення в термінах ефекту Доплера можна лише з великими застереженнями.
Академік РАН, доктор фізико-математичних наук, професор Валерій Рубаков
Для сфери, що розширюється й охолоджується та заповнена речовиною, розрахунки провести легко. У такому найпростішому випадку енергія міститься тільки в масі речовини, і оскільки вона за умовою не покидає меж сфери, енергія, очевидно, зберігається. Для випромінювання та для речовини, що має пекулярну швидкість, ситуація складніша. Хоча число фотонів і число частинок речовини всередині сфери сталі, з часом енергія фотонів падає, так само як і кінетична енергія пекулярного руху речовини. Отже, повна енергія на мембрані зменшується.
Ситуація стає ще складнішою, якщо враховувати темну енергію, що є причиною прискореного розширення нашого Всесвіту. Природа та властивості темної енергії досі залишаються загадковими, але з певністю відомо, що її густина при розширенні Всесвіту не змінюється. Так, якщо об’єм на нашій вибраній мембрані зростає, кількість енергії на ній теж зростає. Можна подумати, що зростання темної енергії могло б урівноважити втрати всіх інших форм енергії, але цього не відбувається. Навіть з урахуванням темної енергії повна енергія на мембрані не зберігається.
Як узгоджується така зміна енергії з теоремою Нетер? Наші міркування можуть означати, що немає підстав застосовувати теорему Нетер до нашого мінливого Всесвіту. Згідно із ЗТВ, матерія та енергія викривляють простір-час. Оскільки матерія та енергія перебувають у русі (або розлітаються в просторі, що розширюється), геометрія простору відповідно змінюється. У повсякденному житті ці ефекти надто малі, щоб їх виявити, але на космологічних масштабах вони значущі.
Така здатність простору до деформацій означає, що розширення Всесвіту несиметричне в часі. Найпростіший спосіб продемонструвати цей факт — повернутися до нашого прикладу з більярдними кулями. Якщо ми подивимося кілька фільмів про рух куль за зміни геометрії стола — наприклад, спочатку стіл рівний, а з часом деформується, — то кожен фільм відрізнятиметься від попереднього; завжди можна вказати, коли і в якій послідовності було знято кожен фільм.
Ми дійшли кінця принципів збереження: коли простір і час мінливі, симетрія втрачається, і закон збереження енергії порушується.
Космічна семантика
Навіть якщо кривина простору не змінюється, спроба підрахувати енергію Всесвіту є марною вправою: розглянуті підрахунки не можуть належати жодному спостерігачеві у Всесвіті. Зокрема, у цих розрахунках не враховується енергія руху галактик одна відносно одної, тобто їхня кінетична енергія. Інший момент — гравітаційна енергія взаємодії галактик. Відома проблема ЗТВ полягає в тому, що в теорії ми ніколи не можемо однозначно визначити гравітаційну енергію так, щоб це було застосовне до всього Всесвіту загалом.
КОСМОЛОГІЯ: ЯК ЗБЕРІГАЄТЬСЯ ЕНЕРГІЯ ФОТОНА
Червоне зміщення, яке ми спостерігаємо від віддалених галактик, зазвичай пояснюється розтягуванням простору, але його також можна пояснити ефектом руху галактик відносно нас. Це так званий ефект Доплера, який, наприклад, можна зрозуміти, чуючи зміни у звучанні сирени поліцейської машини, що наближається й віддаляється. У прикладі з автомобілем ми маємо справу з ефектом Доплера звукових хвиль або, для поліцейського проблискового маячка, — світлових, так само як і у випадку галактик ми вимірюємо червоне зміщення видимих променів. У прикладі з машиною енергія зберігається; так само, обчислюючи ефект Доплера для галактики, ми отримуємо, що випромінені фотони не втрачають енергії
ЗВИЧАЙНЕ ДОПЛЕРІВСЬКЕ ЗМІЩЕННЯ
Доплерівське зміщення — ефект відносності руху.
Світло від маячка поліцейської машини здається нам
червонішим або блакитнішим залежно від того,
віддаляється машина від нас чи наближається до нас. Що
більша швидкість машини відносно спостерігача, то сильніший цей ефект. Наявність ефекту Доплера не
означає, що фотони теж змінюють колір, тобто що вони втрачають
енергію на шляху свого поширення. Вони мають
різні кольори (їхнє випромінювання зміщене в різні частини
спектра) з погляду нерухомого спостерігача
і з погляду водія машини
Отже, повна енергія Всесвіту і зберігається, і не втрачається — вона невизначувана. З іншого боку, якщо ми розглянемо ситуацію з погляду конкретного спостерігача, зосередимося на одній частинці в конкретний момент часу та простежимо рух фотона від віддаленої галактики, то виявимо, що в такій інтерпретації фотон не втрачає енергію. Річ у тім, що наше порівняння Всесвіту, який розширюється, з повітряною кулькою, яку надувають, корисне лише для візуалізації розширення і його слід використовувати із застереженням, що порожній простір не має фізичного змісту. Оскільки галактики віддаляються одна від одної, ми можемо розглядати їхній відносний рух або як «розширення самого простору», або як «рух крізь простір» — різниця лише семантична, а не фізична.
Космологічне червоне зміщення зазвичай характеризує розширення простору. Однак у загальній теорії відносності Ейнштейна простір відносний, значення має лише простір-час. Відповідно, ми можемо обчислити відносну швидкість віддаленої галактики, порівнюючи нашу та її траєкторії руху в просторі-часі. Космологічне червоне зміщення стає еквівалентним червоному зміщенню, зумовленому ефектом Доплера.
ЧЕРВОНЕ ЗМІЩЕННЯ ВИПРОМІНЮВАННЯ ГАЛАКТИКИ ЯК ДОПЛЕРІВСЬКЕ ЗМІЩЕННЯ
Червоне зміщення галактики тотожне доплерівському зміщенню, яке виявляє спостерігач, стежачи за віддаленням поліцейської машини, що рухається з тією самою відносною швидкістю, що й галактика, за такого правильного визначення відносного руху. По-перше, ми маємо намалювати траєкторії галактики і спостерігача не лише в просторі, а й у часі. (Для зручності зображення на наведеній схемі простір показано через етапи еволюції двовимірної поверхні; просторово-часові траєкторії пронизують його.) По-друге, ми маємо порівняти швидкість галактики в той момент часу, коли вона випромінила фотон (рожева стрілка на схемі), зі швидкістю спостерігача в момент приймання фотона (зелена стрілка), а потім, використовуючи необхідний математичний апарат ЗТВ, обчислити відносну швидкість. Доплерівське зміщення, обчислене за цією відносною швидкістю, збігається з червоним зміщенням галактики, підтверджуючи, що його можна інтерпретувати і як результат її відносного руху, і як ефект розширення простору. Отже, енергія не втрачається
Це відбувається тому, що в достатньо малій області Всесвіт із високою точністю плоский. Але в плоскому просторі-часі немає гравітації, немає розтягування хвиль, і будь-яке червоне зміщення має бути ефектом Доплера. Відносність руху випромінювача і спостерігача означає, що вони бачать фотони в різних напрямках, а не те, що фотон втрачає енергію під час свого руху.
На завершення скажемо, що немає жодного дива у втраті енергії фотонами: енергії виміряні спостерігачами в галактиках, що віддаляються одна від одної, і вся річ у відносності руху.
Отже, якщо ми вирішимо з’ясувати, чи зберігається енергія в усьому Всесвіті як у цілому, ми натрапимо на фундаментальне обмеження, оскільки не існує єдиного числа, яке визначає величину енергії Всесвіту.
Отже, Всесвіт не порушує закону збереження енергії. Точніше кажучи, це питання лежить поза юрисдикцією цього закону.
Переклад: О.С. Сажина
ПРО АВТОРКУ
Тамара Девіс (Tamara M. Davis) у 2004 р. захистила диплом в Університеті Нового Південного Уельсу, нині — наукова співробітниця Університету штату Квінсленд у Брисбені (Австралія), а також професорка Копенгагенського університету. Сфера інтересів — темна енергія, темна матерія, обробка великих масивів астрофізичних даних з метою зрозуміти, що космологія може відкрити для фундаментальної фізики.
ДОДАТКОВА ЛІТЕРАТУРА
- The Kinematic Origin of the Cosmological Redshift. Emory F. Bunn and David W. Hogg in American Journal of Physics, Vol. 77, No. 8, pages 688–694; August 2009.
Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.
Коментарі (0):