Вселенная расширяется, а ты? [Veritasium]
Вот сайт с шаурмой.
[Музыка] Первым свидетельством расширения вселенной стал свет от других галактик. Взглянув на спектр солнца, вы заметите темные полосы; такие же полосы будут видны и у далеких галактик, но они окажутся смещены в сторону более длинных волн, в сторону красного. Такое явление называют красным смещением. Обычно это объясняют так: пространство, через которое летит свет, расширяется, и сами фотоны растягиваются; короткие волны становятся длиннее. Это и есть космологическое красное смещение.
Казалось бы, вполне логичное и понятное объяснение. Но давайте-ка и поразмыслим: проблема в том, что стоит немного задуматься, и возникает вопрос: если в расширяющемся пространстве могут растянуться даже фотоны, что-то столь крошечное, растягиваются ли, скажем, атомы и молекулы? Растягиваются ли во вселенной звезды и галактики? А как насчет вас, расширяемся ли мы вместе со вселенной?
Чтобы ответить на эти вопросы, придется получше разобраться в красном смещении. Физики выделяют три вида красного смещения: эффект Допплера, при котором движущиеся относительно друг друга наблюдатели фиксируют разную длину волны; гравитационное красное смещение, при котором разную длину волны фиксируют наблюдатели, находящиеся в разных точках гравитационного поля; и космологическое, при котором свет перемещается от одного наблюдателя к другому на большое расстояние через расширяющуюся вселенную, из-за чего меняется длина волны. Эти виды красного смещения отличаются друг от друга и описываются разными уравнениями.
Но как именно они работают? Начнем с фотона в гравитационном поле. В 1959 году в Гарварде Понд и Ребка провели примечательный эксперимент, гоняя фотон вверх и вниз по 22-метровой трубе. Тогда запускали гамма-лучи, но я покажу на примере видимого света. Ученые обнаружили, что фотоны, которые летят вверх, испытывают красное смещение, и ровно так, как предсказывает общая теория относительности. Самоизменения ничтожно, я его преувеличил для наглядности.
В какой точке пути фотона происходит растяжение? Похоже, это постепенный процесс: вот он теряет энергию с каждым миллиметром пути вверх по трубе. Это значит, на полпути свет будет зеленым. Согласно принципу эквивалентности, стоять на поверхности Земли — это все равно что лететь на ракете где-то в космосе с ускорением, равным ускорению свободного падения. Значит, веке тот же эксперимент можно провести на корабле, получив тот же результат.
Если запустить синий фотон 1 ракеты, к её носу он подлетит уже красным, а в середине мы засечем зеленый свет. Именно это мы видели в гравитационном поле Земли, так что принцип эквивалентности будет соблюден.
Теперь представьте, что в космосе точно 1 другим висят несколько наблюдателей, и они не двигаются относительно друг друга. И все они видят ракету насквозь. Еще предположим, что изначально ракета в покое, и её двигатель включается одновременно с запуском фотона. Наблюдатели возле источника в этот момент неподвижны, длина волны для них будет одинаковой, а свет — синим. Но что произойдет с фотоном на середине ракеты? Астронавт внутрь и увидит зеленый свет. А как насчет неподвижных наблюдателей снаружи? Для них фотон движется через обычное пространство-время и видимо, а свет будет синим.
Сравнение точно такое же, как в тот момент, когда его запустили. В чем же дело? Как один и тот же фотон может одновременно казаться и синим, и зеленым? Свет нарушает принцип эквивалентности, и ответ — и нет. Для этой ситуации важно, кто именно наблюдает. Стоит учесть, что фотон запустили вместе с двигателями ракеты, и она начала разгоняться.
В момент, когда фотон достигает середины, наблюдатель внутри ракеты уже довольно быстро движется относительно точки, где частицу запустили, и относительно тех, кто снаружи. Логично, что фотон, пролетающий сквозь ракету, у вас сместится в красную сторону спектра; а всё из-за эффекта Допплера.
Наблюдатель, сидящий внутри, быстро удаляется от точки, из которой излучался свет. Когда фотон долетит до носа ракеты, она разгонится еще быстрее, и свет станет красным, а для тех, кто висит снаружи, он по-прежнему будет синим.
Этот мысленный эксперимент показывает, что длина волны и энергия — это не собственные свойства фотона, а элементы системы: фотон и наблюдатель. Давайте вернемся к опыту в гарвардской башне. Для наблюдателей в здании длина волны меняется на пути вверх. Но вот вопрос: что увидит падающий на Землю наблюдатель? Тот же неподвижный наблюдатель в космосе, смотрящий на пролетающую мимо ракету. Тут будут работать те же законы физики.
Падающий наблюдатель красного смещения не увидит; для него свет всё время будет синим. К чему я клоню: к тому, что нет никаких разных видов красного смещения; есть только одно. Мы все видели, что гравитационное красное смещение — это тот же эффект Допплера, если дело происходит в ускоряющейся ракете.
А что насчет космологического красного смещения? Для начала отойдем далеко-далеко назад, за границы солнечной системы, Млечного пути, нашего галактического кластера. Придется отодвинуться так далеко, что все галактики видимой вселенной станут всё равно что молекулы жидкости и космической жидкости. На таких масштабах можно считать вселенную гладкой и равномерной, так сказали бы космологи однородной.
Также, как мы не видим отдельные молекулы в воде, мы не различили бы отдельные галактики в этой космической жидкости. Накладка во всех направлениях выглядела бы одинаково; из выделенных направлений у неё нет и она изотропна. Нам бы заметили, что эта жидкость как бы расползается; куда бы мы ни посмотрели, везде одно и то же, всё как будто растекается.
Плотность космической жидкости со временем уменьшается, и, то есть, основное свойство расширяющейся вселенной. Букин 2 можно обозначить на ней какие-нибудь координаты, можно выбрать любую систему координат, но обычно берут такую, которая расширяется вместе с космической жидкостью. Таким образом, мы получим наблюдателей, координаты которых не меняются с течением времени. Наблюдатели, движущиеся вместе с системой по отношению к космической жидкости, они неподвижны.
Кстати говоря, будучи на Земле, мы такими наблюдателями не являемся: наша галактика несется со скоростью 600 километров в секунду относительно реликтового излучения. Теперь давайте возьмем 2 движущихся вместе с системой наблюдателей на большом расстоянии друг от друга и пусть они обменяются фотоном. Его длина волны увеличится из-за того, что вселенная успеет расшириться пока частицы летят.
Это привычная картина космологического красного смещения. Но представьте себе, что на пути фотона еще несколько наблюдателей, движущихся вместе с системой: каждый из них поглощает фотоны и тут же испускает другой, идентичный пойманному, и каждому следующему наблюдателю достанется чуть большая длина волны, чем предыдущему. Она увеличивается, чего мы ожидаем в расширяющейся вселенной.
Но причина для этого красного смещения будет другой: по отношению к каждому наблюдателю соседом, который будут отдаляться в локально плоском пространстве-времени. Но Клайв Ласт и для них изменения длины волны — это всего лишь результат эффекта Допплера из-за их движения относительно друг друга. Тогда в целом космологическое красное смещение можно считать результатом целого ряда допплеровских смещений.
Так получается, что красное смещение происходит не с самим фотоном; оно зависит от того, как ведут себя наблюдатели возле начальной и конечной точки путешествия частицы. Получается, что красных смещений действительно не три, всего одно. Математически его можно описать единым образом: в зависимости от нашего положения красное смещение выглядит для нас по-разному. Вероятно, удобнее говорить именно об расширяющейся вселенной.
Если есть два наблюдателя, движущиеся с системой, которые обмениваются фотонами, не сквозь огромное расстояние, длина волны меняется в зависимости от того, насколько расширилась вселенная за время пути частицы; тогда всё просто. Но можно пойти по другому пути: разложить изменения длины волны на несколько допплеровских эффектов, и сам фотон будто и не меняется.
[Музыка] Не стоит думать, что если фотоны подвержены красному смещению, это значит, что вселенная, расширяясь, растягивает объекты, будто так и хочет их разорвать, потому что это совсем не так. Вернемся к главному вопросу этого видео: расширяемся ли мы вместе со вселенной? Ответ — нет, а потому что в наших масштабах вселенная неоднородна. Вещество сжато и упаковано в объекты вроде звезд и планет.
Также вселенная не изотропна: наверху всё совсем не так, как внизу. Наши представления об расширяющейся вселенной не применимы к тому, что происходит здесь, на Земле. Да и вообще у нас пространство-время на Земле искривлено. Что если отправиться в открытый космос, в темное никуда? Будем ли мы расширяться там? Тоже нет, пока наше тело удерживают вместе электромагнитные силы.
Что если бы мы могли их отключить? Ее частицы, из которых мы состоим, перестали бы взаимодействовать. В этом случае со временем расширение стало бы заметно, но только из-за того, что темная энергия. Больше ничего не мешает.
Итак, главная мысль этого видео: красное смещение фотонов не говорит о том, что вселенная, расширяясь, растягивает всё, что в ней находится. Молекулы не растягиваются; какие звезды, галактики и даже мы. Разве что в очень специфических обстоятельствах. Переведено и озвучено студией Вирт Дай Дар.