Ánh sáng

Ánh sáng mệt mỏi là một lớp các cơ chế dịch chuyển đỏ giả định được đề xuất như một lời giải thích thay thế cho mối quan hệ khoảng cách dịch chuyển đỏ. Những mô hình này đã được đề xuất như là sự thay thế cho các mô hình đòi hỏi phải mở rộng không gian theo hệ mét trong đó vũ trụ học của Big Bang và Steady State là những ví dụ nổi tiếng nhất. Khái niệm này lần đầu tiên được đề xuất vào năm 1929 bởi Fritz Zwicky, người cho rằng nếu các photon mất năng lượng theo thời gian thông qua các va chạm với các hạt khác một cách thường xuyên, các vật thể ở xa sẽ xuất hiện màu đỏ hơn các vật thể gần đó. Chính Zwicky thừa nhận rằng bất kỳ sự tán xạ ánh sáng nào cũng sẽ làm mờ hình ảnh của các vật thể ở xa nhiều hơn những gì nhìn thấy. Ngoài ra, độ sáng bề mặt của các thiên hà phát triển theo thời gian, sự giãn nở thời gian của các nguồn vũ trụ và quang phổ nhiệt của nền vi sóng vũ trụ đã được quan sát – những hiệu ứng này không nên xuất hiện nếu dịch chuyển đỏ vũ trụ là do bất kỳ cơ chế tán xạ ánh sáng mệt mỏi nào. [19659002] Mặc dù đã kiểm tra lại định kỳ khái niệm định kỳ, nhưng ánh sáng mệt mỏi không được hỗ trợ bởi các thử nghiệm quan sát [4] và gần đây đã được giao nhiệm vụ chỉ xem xét trong rìa của vật lý thiên văn. [5]

Lịch sử và tiếp nhận chỉnh sửa ]

Ánh sáng mệt mỏi là một ý tưởng xuất hiện do quan sát của Edwin Hubble rằng các thiên hà xa xôi có các dịch chuyển đỏ tỷ lệ thuận với khoảng cách của chúng. Redshift là một sự thay đổi trong phổ của bức xạ điện từ phát ra từ một vật thể về phía năng lượng và tần số thấp hơn, liên quan đến hiện tượng hiệu ứng Doppler. Các nhà quan sát các tinh vân xoắn ốc như Vesto Slodes đã quan sát thấy các vật thể này (hiện được gọi là các thiên hà riêng biệt) thường biểu hiện dịch chuyển đỏ thay vì các blueshifts độc lập với vị trí của chúng. Vì mối quan hệ giữ theo mọi hướng, nó không thể được quy cho chuyển động bình thường đối với một nền tảng sẽ cho thấy một loại dịch chuyển đỏ và blueshifts. Mọi thứ đang di chuyển đi từ thiên hà Milky Way. Đóng góp của Hubble là cho thấy cường độ của dịch chuyển đỏ tương quan mạnh mẽ với khoảng cách đến các thiên hà.

Dựa trên dữ liệu của Slodes và Hubble, năm 1927 Georges Lemaître nhận ra rằng mối tương quan này phù hợp với các giải pháp không tĩnh đối với các phương trình của lý thuyết về lực hấp dẫn của Einstein, các giải pháp FriedmannTHER Lemaître. Tuy nhiên, bài báo của Lemaître chỉ được đánh giá cao sau khi xuất bản năm 1929 của Hubble. Mối quan hệ khoảng cách dịch chuyển đỏ phổ biến trong giải pháp này được cho là do hiệu ứng của một vũ trụ giãn nở trên một photon di chuyển trong khoảng thời gian không thời gian (còn gọi là "giống như ánh sáng" ). Trong công thức này, vẫn có một hiệu ứng tương tự với hiệu ứng Doppler, mặc dù vận tốc tương đối cần được xử lý cẩn thận hơn vì khoảng cách có thể được xác định theo các cách khác nhau trong việc mở rộng các số liệu.

Đồng thời, những lời giải thích khác được đề xuất không phù hợp với thuyết tương đối rộng. Edward Milne đã đề xuất một lời giải thích tương thích với thuyết tương đối đặc biệt nhưng không phải là thuyết tương đối rộng rằng có một vụ nổ khổng lồ có thể giải thích các dịch chuyển đỏ (xem vũ trụ Milne). Những người khác đề xuất rằng các hiệu ứng có hệ thống có thể giải thích mối tương quan khoảng cách đỏ. Dọc theo dòng này, Fritz Zwicky đã đề xuất một cơ chế "ánh sáng mệt mỏi" vào năm 1929. [6] Zwicky cho rằng các photon có thể mất dần năng lượng khi chúng di chuyển khoảng cách lớn qua vũ trụ tĩnh bằng cách tương tác với vật chất hoặc các photon khác, hoặc bởi một cơ chế vật lý mới lạ nào đó . Do sự giảm năng lượng tương ứng với sự gia tăng bước sóng của ánh sáng, hiệu ứng này sẽ tạo ra sự dịch chuyển đỏ trong các vạch quang phổ tăng tỷ lệ thuận với khoảng cách của nguồn. Thuật ngữ "ánh sáng mệt mỏi" được Richard Tolman đặt ra vào đầu những năm 1930 như là một cách để đề cập đến ý tưởng này. [7]

Các cơ chế ánh sáng mệt mỏi là một trong những lựa chọn thay thế được đề xuất cho Big Bang và Vũ trụ học trạng thái ổn định, cả hai đều dựa vào sự mở rộng tương đối tính của vũ trụ của số liệu FRW. Đến giữa thế kỷ XX, hầu hết các nhà vũ trụ học ủng hộ một trong hai mô hình này, nhưng có một vài nhà khoa học, đặc biệt là những người đang nghiên cứu các phương án thay thế cho thuyết tương đối rộng, những người làm việc với phương án thay thế ánh sáng mệt mỏi. [8] vũ trụ học quan sát được phát triển vào cuối thế kỷ XX và dữ liệu liên quan trở nên nhiều và chính xác hơn, Big Bang nổi lên như là lý thuyết vũ trụ học được hỗ trợ nhiều nhất bởi bằng chứng quan sát, và nó vẫn là mô hình đồng thuận được chấp nhận với một tham số hiện tại xác định chính xác trạng thái và sự tiến hóa của vũ trụ. Mặc dù các đề xuất về "vũ trụ học ánh sáng mệt mỏi" ít nhiều đã bị rớt xuống thùng rác của lịch sử, vì một đề xuất thay thế hoàn toàn vũ trụ học ánh sáng mệt mỏi được coi là một khả năng từ xa đáng để xem xét trong các văn bản vũ trụ học vào những năm 1980, mặc dù nó đã bị bác bỏ bởi một đề xuất không thể và ad hoc bởi các nhà vật lý thiên văn chính thống. [9]

Phép thử độ sáng bề mặt Tolman loại bỏ giải thích ánh sáng mệt mỏi cho dịch chuyển đỏ vũ trụ.

vào những năm 1990 và vào những năm 1990 – Thế kỷ đầu tiên, một số quan sát sai lệch đã chỉ ra rằng các giả thuyết "ánh sáng mệt mỏi" không phải là lời giải thích khả thi cho các dịch chuyển đỏ vũ trụ. [2] Ví dụ, trong một vũ trụ tĩnh với các cơ chế ánh sáng mệt mỏi, độ sáng bề mặt của các ngôi sao và thiên hà không đổi , nghĩa là, một vật thể càng ở xa, chúng ta càng nhận được ít ánh sáng hơn, nhưng diện tích rõ ràng của nó cũng giảm đi, vì vậy ánh sáng nhận được chia cho khu vực rõ ràng nên được tạo thành kiến. Trong một vũ trụ mở rộng, độ sáng bề mặt giảm dần theo khoảng cách. Khi đối tượng quan sát thoái trào, các photon được phát ra với tốc độ giảm vì mỗi photon phải truyền đi một khoảng cách dài hơn một chút so với trước đó, trong khi năng lượng của nó bị giảm đi một chút do tăng dịch chuyển đỏ ở khoảng cách lớn hơn. Mặt khác, trong một vũ trụ đang giãn nở, vật thể dường như lớn hơn thực tế, bởi vì nó ở gần chúng ta hơn khi các photon bắt đầu hành trình. Điều này gây ra sự khác biệt về độ sáng bề mặt của các vật thể giữa Vũ trụ tĩnh và Vũ trụ giãn nở. Đây được gọi là thử nghiệm độ sáng bề mặt Tolman mà trong các nghiên cứu này ủng hộ giả thuyết vũ trụ mở rộng và loại bỏ các mô hình ánh sáng mệt mỏi tĩnh. [10] [11] [12]

Redshift có thể quan sát trực tiếp và được sử dụng bởi các nhà vũ trụ học như một thước đo trực tiếp về thời gian nhìn lại. Họ thường đề cập đến tuổi và khoảng cách đến các vật thể theo phương pháp dịch chuyển đỏ thay vì năm hoặc năm ánh sáng. Ở quy mô như vậy, Big Bang tương ứng với dịch chuyển đỏ vô cực. [10] Các lý thuyết thay thế về lực hấp dẫn không có vũ trụ giãn nở trong chúng cần một giải pháp thay thế để giải thích sự tương ứng giữa dịch chuyển đỏ và khoảng cách đến các số liệu mở rộng của thuyết tương đối rộng. Những lý thuyết như vậy đôi khi được gọi là "vũ trụ học ánh sáng mệt mỏi", mặc dù không phải tất cả các tác giả đều biết về các tiền đề lịch sử. [13]

Các mô hình giả mạo cụ thể [ chỉnh sửa ]

Hubble Ultra Trường sâu là hình ảnh của các thiên hà vượt quá 10 tỷ năm ánh sáng. Nếu ánh sáng mệt mỏi là một lời giải thích chính xác, những thiên hà này sẽ xuất hiện mờ so với các thiên hà gần hơn. Rằng họ không loại trừ đề xuất rằng các quá trình tán xạ đang gây ra mối quan hệ khoảng cách dịch chuyển đỏ.

Nói chung, bất kỳ cơ chế "ánh sáng mệt mỏi" nào cũng phải giải quyết một số vấn đề cơ bản, trong đó dịch chuyển đỏ được quan sát phải: