Красное смещение галактик

В последнее время в научно-популярных журналах нередко можно встретить статьи, в которых теория расширения Вселенной преподносится как научно доказанный факт. Эта теория трактуется как «общепризнанная», воздается хвала «научной смелости тех, кто был участником этого решительного поворота в астрофизике и космологии» Я уже не говорю о специальных работах — например, статьях в «Физической энциклопедии».

В то же время пробивает себе путь более скептический подход к теории расширения. Так, например, крупнейший французский ученый Луи де Бройль пришел к выводу, что смещение линий в спектрах удаленных галактик, на которое сторонники расширения ссылаются как на главное доказательство, в действительности «может быть вызвано старением фотонов, то есть потерей энергии фотона во время его долгого пути». Близкие идеи обосновывают Р. Фюрт, Л. Стефенсон и другие.

Интересно, что сам Хаббл, установивший закон красного смещения, еще в 1936 году произвел специальное исследование, сопоставил видимую яркость и число галактик и пришел к выводу, что красное смещение — это не Допплер-эффект. А пулковский астроном М. Эйгенсон показал, что яркости галактик не согласуются с гипотезой расширения Вселенной.

Простые соотношения мировых констант, оказалось, тоже противоречат теории расширения. Например, наблюдаемая плотность материи во Вселенной во столько раз меньше плотности «концентрата», то есть атомных ядер, во сколько гравитационное притяжение между двумя электронами меньше силы их электромагнитного отталкивания. Это наверняка не случайное совпадение. Тогда средняя плотность материи в космосе — величина, не меняющаяся во времени.

Теория расширения, как известно, требует признания «короткой шкалы» эволюции Вселенной. Все, что мы видим в космосе, должно было возникнуть, по этой шкале, за 9—10 миллиардов лет — время, которое всего лишь в два раза превышает возраст Земли или возраст горных пород, взятых космонавтами на Луне с Моря Спокойствия!

По теории расширения, около 10 миллиардов лет назад еще не было ни атомов, ни звезд, ни галактик. Все вещество Вселенной было сконцентрировано в виде феноменально плотной массы в ничтожном объеме, практически — в точке. В результате «Большого Взрыва» в первый момент образовалась горячая плазма из фотонов, электронов и позитронов. Через секунду после начала расширения плотность снизилась до 500 тысяч г/см3, температура — до 10 триллионов градусов. На каждые 5 протонов тогда приходился 1 нейтрон. За последующие 100 секунд плотность уменьшилась еще в десять тысяч раз, началось образование атомных ядер. Через несколько сот тысяч лет температура упала до четырех тысяч градусов, протоны и электроны стали соединяться в атомы. Наконец, через миллион лет после начала расширения процесс образования звезд и галактик стал более спокойным. К настоящему времени средняя плотность упала до 10~29 г/см3, но Вселенная продолжает расширяться.

Сторонники этой теории видят доказательство такого расширения в так называемом космологическом красном смещении спектральных линий. Хорошо известно (по работам Слайфера, Хаббла и других), что чем дальше от нас находится галактика, тем больше смещены к красному концу все линии в ее спектре. Иными словами, тем больше растянуты, увеличены длины волн — по сравнению с длинами волн таких же спектральных линий, полученных от земных источников.

Такое «растяжение» волн действительно получается при удалении источника света от места приема светового сигнала; оно известно под названием «Допплер-эффект».

Допплер-эффект обязательно должен наблюдаться, если расстояние между источником света и приемником увеличивается со временем. Но при этом должно выдерживаться следующее условие. Измерительный базис — то есть размеры приемника (Земли), размеры атомов в районе излучателя и приемника, длина волн там и здесь — все должно оставаться без изменения.

Но перед нами другой случай. Обычная допплеровская трактовка красного смещения, вполне законная до тех пор, пока астрономы с помощью эффекта Допплера определяли скорости движения звезд в нашей Галактике, механически перенесена на такой вариант, когда сам измерительный базис не остается постоянным, а тоже расширяется.

Теория относительности Эйнштейна действительно, как показали А. Фридман и ряд других математиков, допускает общее расширение пространства во времени. При этом расстояния между галактиками, как и между любыми двумя фиксированными, «жестко закрепленными» частицами, возрастают пропорционально так называемому «радиусу мира». «В расширяющейся однородной модели Вселенной все длины волн меняются пропорционально изменению всех расстояний, то есть пропорционально радиусу мира». Не буду вдаваться в подробности, но из этого следует довольно просто, что увеличиваются и размеры атомов.

Итак, по мере распространения луча в мировом пространстве частота электромагнитных колебаний в расширяющейся модели уменьшается, а длина волны и период колебаний возрастают.

Что же происходит в том пункте, где мы собираемся регистрировать это излучение в надежде обнаружить Допплер-эффект? Ясно, что за то время, пока в излучении, идущем издалека, длина волны увеличилась от значения Л1 до значения Л2, в пункте А в такой же пропорции должны были возрасти все масштабы, размеры тел и атомов и излучаемые ими длины волн.

Так, например, Парижский метровый стержень — эталон длины — состоит из рядов плотно примыкающих друг к другу атомов платины. В каждом таком ряду по длине стержня содержится 3650 миллионов атомов. И сколько бы ни лежал этот стержень, число их не изменится. Стало быть, при расширении стержня размеры атомов тоже должны увеличиться в той же пропорции. А размеры атомов, в свою очередь, строго связаны законами квантовой механики с длинами излучаемых ими волн и с размерами электрона.

Одним словом, размеры твердых тел, радиусы атомов и электронов и длины волн, излучаемых атомами (если измерять эти длины сразу после излучения), жестко связаны между собой законами квантовой механики и электродинамики. Если мы допускаем, что какая-нибудь одна из этих величин, например, размеры твердых тел, изменяется при общем расширении Вселенной, то обязаны принять, что и все прочие размеры изменяются в той же пропорции. Если мы признаем одну из них неизменной, то не изменяются и остальные.

Этот момент очень важен, а потому здесь стоит порассуждать, пока есть хоть какая-нибудь неясность.

Ограничим мысленно в какой-то момент нашу Землю примыкающей к ней поверхностью. При расширении пространства все, что лежит в космосе за этой поверхностью, должно раздвигаться; объем, ограниченный ею, будет возрастать. Если бы твердое тело не участвовало в расширении, то между ним и «убегающей» от него поверхностью образовался бы какой-то нелепый зазор, и эта «щель» с течением времени разрасталась бы все больше и больше… Тогда пришлось бы признать, что твердые тела типа нашей планеты или метра-эталона испытывают относительное «сжатие», занимая все меньшую и меньшую долю пространства, а также признать другие чудеса, совершенно неудобоваримые с любой точки зрения!

Ну, а коль скоро все так, то эффект Допплера «не срабатывает». Если мы регистрируем два световых луча одновременно, один — только что испущенный нашей настольной лампой, а другой — прошедший миллионы световых лет, то длина волны в обоих случаях будет увеличена, но увеличена одинаково по отношению ко времени испускания первого, второго, да и любого другого луча. А раз одинаково — то никакого Допплер-эффекта не будет. Оптическими методами невозможно обнаружить расширение Вселенной — даже если допустить, что такое расширение действительно происходит.

Логическая ситуация здесь похожа на ту, которая известна для лоренцева продольного сокращения размеров движущихся тел. Оно было доказано в знаменитом опыте Майкельсона. Читатель, наверное, помнит, что лоренцево сокращение нельзя обнаружить в самой движущейся системе именно потому, что все масштабы — линейки, метры, волны — тоже сокращаются в ней в такой же пропорции.

Следовательно, фактически наблюдаемое красное смещение — так называемый закон Хаббла — имеет совершенно иную природу и не может служить доказательством того общего расширения пространства, которое можно, при желании, вывести из формул общей теории относительности.

Ну, ладно, скажет читатель. Попробуем тогда обойтись без релятивистского расширения пространства и подойдем к делу попроще. Будем считать, что размеры атомов и излучаемых ими волн на всех телах не изменяются со временем, и происходит — пусть непонятное по своим причинам, но реальное — хаотическое разбегание галактик, похожее на движение молекул в перегретом расширяющемся облаке газа.

Оказывается, однако, что и этот вариант не проходит, и вот почему. Скорости молекул газа ориентированы беспорядочно; некоторые из них даже при расширении облака летят к его центру, а не наружу, и очень многие — перпендикулярно. Значит, и галактики должны бы лететь всяко: и перпендикулярно к лучу зрения и приближаться, и все это с теми же тысячами и десятками тысяч километров в секунду, с какими они удаляются. Ничего подобного нет. Поперечные скорости галактик равны нулю или ничтожно малы, а галактик со встречным движением и, соответственно, с фиолетовым смещением почти нет. Те фиолетовые смещения, которые наблюдаются у десятка ближайших галактик в одной части неба, объясняются нашим собственным движением в этом направлении (обращением Солнца вокруг центра Галактики со скоростью 220 км/сек.). Таким образом, и этот вариант отпадает.

Сторонники теории расширения Вселенной подчеркивают, что возраст звезд, звездных скоплений и галактик согласуется с теорией расширения. По разным оценкам постоянной Хаббла (число, определяющее, насколько возрастает скорость разбегания с каждым мега- парсеком расстояния), величина «возраста Вселенной» для наиболее разработанных космологических моделей колеблется от 8—9 до 13 миллиардов лет.

Действительно ли это так? Реальные оценки возраста разных астрономических объектов дают большой и непрерывный ряд значений, в котором нет никакого намека на существование предела, равного 8—13 миллиардам лет. Самые древние горные породы, известные на Земле, имеют возраст 3,5 миллиарда лет: лунные породы — 4,6 млрд лет; Земля и Солнце — около 5—5,5 млрд лет; многие звезды главной последовательности, для того чтобы достичь своей современной стадии развития, должны были существовать около 10— 15 миллиардов лет, а звезды самых поздних спектральных типов — больше 20 миллиардов лет! Методами статистической механики возраст некоторых звездных скоплений определен в 20—24 миллиарда лет; возраст галактик, соответствующий установившемуся в них распределению газа и круговому движению масс, оказывается больше в десятки и сотни раз!

Хольмберг, Цвикки и другие астрономы, обосновавшие «долгую шкалу» развития галактик, подсчитали, что для отдельных галактик время установления стационарного состояния больше 1000 миллиардов лет, а для скоплений галактик — больше 100 триллионов лет. Нет никаких разумных причин отбрасывать эти подсчеты.

Недавно был обнаружен новый факт — так называемое фоновое радиоизлучение, которое равномерно со всех сторон приходит к нам из космоса. Не дожидаясь, когда оно будет, как следует изучено, сторонники «расширения» поспешили объявить его реликтовым. Эти радиоволны, по их представлениям, не что иное, как электромагнитные волны, излученные в первые часы существования чрезвычайно горячей Вселенной 10 миллиардов лет назад. За время долгого путешествия в космосе они якобы растянулись настолько (вследствие общего расширения), что приобрели длину сантиметровых радиоволн. При этом, конечно, забывают, что такое растяжение волн, как мы уже здесь выяснили, не может быть обнаружено при одновременном росте всех измерительных масштабов.

Известно около десятка измерений фонового радиоизлучения. В интервале частот от 10⁸ до 10¹¹ герц они ложились почти точно на прямую АВ, никаких измерений по более коротким волнам не было.

Здравый смысл подсказывает: надо немного продолжить линию АВ в сторону точки С. Вместо этого те, кто исходил из идеи о «реликтовой» природе излучения, круто загибали кривую вниз. Именно в такой интерпретации фоновое радиоизлучение космоса преподносилось как доказательство расширения «горячей Вселенной».

Однако уже через несколько месяцев стали известны результаты измерений на волнах от 0,4 до 1,3 мм. Они легли на ту же прямую АВС и показали интенсивность излучения в десятки раз большую, чем было рассчитано! Теперь уже ясно, что фоновое излучение не имеет никакого отношения к «расширению» Вселенной. Оно связано с обычным тепловым излучением рассеянной межгалактической материи и другими источниками.

Что же такое все-таки космологическое смещение, если не Допплер-эффект? По-видимому, это совсем другое явление, а именно потеря энергии («старение») фотонов. Распространение света — не только электромагнитный процесс, но также и процесс переноса гравитирующей массы фотонов со скоростью 300 000 км/сек. Процесс, поглощающий энергию. А. Эйнштейн еще в 1911 году в статье «О влиянии силы тяжести на распространение света» подчеркнул, что фотоны обладают тяжелой массой. Своеобразная гравитационная самоиндукция, связанная с тем, что скорость фотона совпадает со скоростью гравитационных волн, и приводит к потере энергии фотона. Р. Фюрт считает, что энергию, утраченную фотоном, уносят гравитационные волны, гравитоны.

Автор: П. Кропоткин.