Книга Теория относительности и сверхсветовая скорость (издание второе) - Владимир Иванович Моренко
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
Очевидно практически полное совпадение полученных результатов с опытными данными и неравное, хотя и близкое к результатам, предсказанным общей теорией относительности.
Гравитационное красное смещение объясняется в теории относительности как эффект изменения масштаба времени в зависимости от величины гравитационного потенциала. При этом за скобками остаются объяснения механизма изменения величины энергии кванта светового излучения при его перемещении в гравитационном поле. Но можно считать, что этот механизм объясняется именно изменением скорости света, и полагать, что скорость фотона при его удалении от источника гравитационного поля уменьшается, а в обратном направлении – возрастает, как если бы мы имели дело с обычным материальным объектом, на который действует гравитация.
Для любой точки реального физического пространства по определению справедливо уравнение электромагнитной волны:
Если скорость света является постоянной величиной, то длина и частота волны – обратно пропорциональные величины, но, если скорость света зависит от величины гравитационного потенциала (расстояния до источника гравитации), то есть, если , то утверждение о пропорциональном изменении частоты и длины волны при изменении скорости света требует доказательств. Основой же для установления зависимости изменения частоты волны при изменении скорости света в гравитационном поле могут быть приняты эксперименты Паунда-Ребки по определению величины гравитационного красного смещения.
Для экспериментов типа Паунда-Ребки вовсе нет необходимости знать, каковой является скорость света для выбранных точек пространства. Достаточно определить соотношение частот одной и той же волны в двух заданных точках пространства с различными гравитационными потенциалами. Это легко сделать, если сравнивать замеряемые частоты с частотой того же самого излучения в отсутствии гравитационных масс:
Значения числителя и знаменателя дробного показателя степени преломления вакуума можно определить из информации [4] об эксперименте по подтверждению гравитационного красного смещения:
Здесь – вертикальное расстояние между выбранными точками, а – радиус Земли.
На основании данного выражения и с учетом определения радиуса вырождения вакуума по данным наблюдения за Меркурием зависимость значений частот от показателей преломления вакуума определяется из выражения :
Тогда .
Таким образом, при изменении скорости света изменение длины волны происходит пропорционально квадрату изменения частоты этого излучения при его прохождении между точками с разными гравитационными потенциалами.
Подчеркнем, что при установлении данных зависимостей не были использованы ни принцип эквивалентности Эйнштейна, ни релятивистские обоснования эффекта Доплера. Более того, гравитационное смещение и электромагнитный эффект Доплера являются самостоятельными феноменами и не могут быть определены как разные формы одного и того же явления. И именно их совместное действие определяет изменение показаний атомных часов на спутнике системы геопозиционирования, что учитывается при предустановке хода (частоты) этих часов до их запуска на орбиту.
Кроме гравитационного красного смещения в физике особое значение имеет явление, называемое космологическим красным смещением спектров звезд, меняющимся в зависимости от расстояния до них. Характеристикой данного типа смещения принято считать постоянную Хаббла, которая, по устоявшейся точке зрения, определяется не гравитационными эффектами, а связана с расширением пространства. По этой причине такой тип изменения длин волн от удаленных источников принято называть космологическим смещением.
Процесс красного космологического смещения описывается путем использования понятий единицы собственного объема, изменяющейся в зависимости от изменения размера Вселенной, и единицы координатного объема, остающейся неизменной в сопутствующей системе координат (см., например, §§ 2 и 3 главы 14, [5]). Введение этих понятий необходимо для обоснования утверждения, что «типичные галактики имеют постоянные координаты» и, следовательно, можно разделить переменные в уравнении:
Данное уравнение описывает движение фронта электромагнитной волны, и, если переменные разделяются, то мы получаем выражение для параметра красного смещения в виде:
В этом случае в ограниченном расширяющемся пространстве должно действительно наблюдаться красное космологическое смещение.
Однако, не все так просто, поскольку в соответствии со свойствами сопутствующей системы координат (§9 главы 6, [5]) невозможно обеспечить независимость геометрических координат от времени, а значит, и разделить переменные. Тем самым отнесение причин возникновения красного смещения только на зависимость масштабного фактора R(t) от времени, представляется весьма искусственным. Но ничего иного общая теория относительности не предлагает. Более того, прямая зависимость космологического красного смещения на расстояниях до 300 миллионов световых лет от постоянной Хаббла вообще не наблюдается. Да и на больших расстояниях эта зависимость является достаточно приблизительной. Но без привлечения постоянной Хаббла в рамках общей теории относительности невозможно объяснить ни существование собственно сдвига спектров излучений, ни существование микроволнового изотропного фона. При этом последний считается абсолютно объективным подтверждением ограниченности (конечности) размеров Вселенной. Обратим внимание, что кроме микроволнового фона существует также изотропный рентгеновский фон, объяснение которого в рамках общей теории относительности отсутствует.
Если же мы используем понятие показателя преломления вакуума, как характеристику гравитационного взаимодействия, то можно найти и иное, чем предлагает общая теория относительности, объяснение, как красного космологического смещения и микроволнового изотропного излучения, так и изотропного рентгеновского фона.
Пусть – параметры волны, испускаемой отдаленным источником в момент испускания. Если при прохождении волны до наблюдателя эти параметры меняются только в зависимости от расстояния до источника излучения, то можно записать выражения:
Последнее выражение является ожидаемым показателем преломления вакуума, определенным через расстояние от источника до наблюдателя и радиус вырождения вакуума, рассчитанный по массе источника излучения:
Но если источник света достаточно удален, то можно предположить, что на излучение оказывает влияние не только масса излучающего источника, но и вся масса материи, включенной в сферу радиусом – расстоянием от испущенного фотона до центра этой массы в любой выбранный момент времени.
Особенностью гравитационного взаимодействия тел является тот факт, что небесные тела находятся в состоянии свободного падения относительно друг друга и одновременно относительно разных по иерархии совокупностей этих тел (звезды, сгущения звезд в рукавах галактик, галактики, скопления галактик и т.д.). Очевидно, что фотон, испускаемый каким-либо отдельным небесным объектом, например звездой, находится в сфере действия гравитационного поля этой звезды (поле нижней иерархии). Когда же он выходит в область действия гравитационного поля более высокой иерархии, то на его движение влияет более высокая масса, что и определяет иной размер дырки (вычета в пространстве):
В соответствии с полученным для гравитационного красного смещения выражением:
Следовательно, на одном и том же расстоянии:
Указанное выражение полностью соответствует эффекту космологического красного смещения и определяет эффект, подобный эффекту разлета галактик за счет расширения пространства, но вызванный влиянием на фотон гравитационного поля не только его источника, а и суммарным воздействием иных масс. В этом случае эффект космологического красного смещения можно считать проявлением гравитационного смещения, рассчитываемого в наложенных друг на друга гравитационных полях. И, если всю
