Fotometrický paradox

Fotometrický paradox ( Olbersův paradox , Szezo-Olbersův paradox ) je jedním z paradoxů prerelativistické kosmologie , který spočívá v tom, že ve stacionárním Vesmíru , rovnoměrně vyplněném hvězdami (jak se tehdy myslelo), jas oblohy ( včetně noční oblohy) by měla být přibližně stejná jako jas slunečního kotouče. Teoreticky je v kosmologickém modelu Velkého třesku tento paradox zcela vyřešen tím, že se vezme v úvahu konečnost rychlosti světla a konečnost stáří vesmíru .

Podstata paradoxu

V nekonečném statickém Vesmíru, jehož celý prostor je zaplněn hvězdami, musí každý pohled končit hvězdou, stejně jako se v hustém lese ocitáme obklopeni „zdí“ stromů v různých vzdálenostech. Energetický tok záření přijatého od hvězdy klesá nepřímo úměrně druhé mocnině vzdálenosti k ní. Úhlová plocha ( prostorový úhel ), kterou na obloze zabírá každá hvězda, se však také zmenšuje nepřímo se čtvercem vzdálenosti, což znamená, že povrchová jasnost hvězdy (rovná se poměru toku energie k prostorovému úhlu, který zabírá hvězda na obloze) nezávisí na vzdálenosti. Protože naše Slunce je ve všech ohledech typická hvězda, povrchová jasnost hvězdy by se měla v průměru rovnat povrchové jasnosti Slunce. Když se podíváme do nějakého bodu na obloze, vidíme hvězdu se stejnou povrchovou jasností jako Slunce; povrchová jasnost sousedního bodu by měla být stejná a obecně platí, že ve všech bodech na obloze by se povrchová jasnost měla rovnat povrchové jasnosti Slunce, protože v jakémkoli bodě na obloze musí být nějaká hvězda. Proto by celá obloha (bez ohledu na denní dobu) měla být jasná jako povrch Slunce.

Historie paradoxu

Poprvé tento paradox formuloval jako celek švýcarský astronom Jean-Philippe Louis de Chezo (1718-1751) v roce 1744, i když jiní vědci vyjádřili podobné myšlenky již dříve, zejména Thomas Digges , Johannes Kepler , Otto von Guericke a další. Edmund Halley . Někdy se fotometrický paradox nazývá Olbersův paradox podle astronoma, který na něj upozornil v 19. století.

Historici vědy zjistili, že problém byl poprvé zmíněn v roce 1720 anglickým astronomem Edmundem Halleyem , poté jej nezávisle na něm v roce 1742 formuloval Jean Philippe de Chezo a dal na něj odpověď, která se v zásadě neliší od navrhovaného. v roce 1823 Olbersem.

Szezo a Olbers navrhli vyřešit tento paradox tím, že navrhli, že oblaka kosmického prachu stíní světlo vzdálených hvězd. Nicméně (jak poprvé poznamenal John Herschel v roce 1848), toto vysvětlení je chybné: v homogenním izotropním vesmíru by zákon zachování energie vyžadoval, aby se prach sám zahříval a zářil tak jasně jako hvězdy. Další vysvětlení, fraktální kosmologie , bylo, že nekonečný vesmír je hierarchicky uspořádán jako hnízdící panenka: každý hmotný systém je součástí systému vyšší úrovně, takže průměrná hustota světelných zářičů má tendenci k nule, jak se měřítko zvětšuje. Tento názor poprvé vyslovil John Herschel v roce 1848, matematicky doložil Carl Charlier v letech 1908 a 1922. Tento předpoklad však nemá podporu moderních kosmologů, protože je v rozporu s pozorovacími údaji o izotropii CMB . Obecně přijímaným základem moderní kosmologie je kosmologický princip , který tvrdí, že vesmír je homogenní a izotropní.

Řešení paradoxu

Správné vysvětlení fotometrického paradoxu je obsaženo v kosmologické básni Edgara Poea „Eureka“ (1848) [1] [2] ; jelikož tato báseň není vědeckým dílem, lze autorství připsat i německému astronomovi Johannu Medlerovi (1861) [3] [4] . Podrobné matematické zpracování tohoto řešení podal William Thomson (Lord Kelvin) v roce 1901 [5] [6] . Vychází z konečnosti stáří vesmíru a konečnosti rychlosti světla . Protože (podle moderních údajů) před více než 13 miliardami let ve vesmíru nebyly žádné galaxie a kvasary , světlo z nejvzdálenějších hvězd , které můžeme v zásadě pozorovat, trvá asi 13 miliard let. Tím odpadá hlavní premisa fotometrického paradoxu – že se hvězdy nacházejí v jakékoli, libovolně velké vzdálenosti od nás [7] . Vesmír pozorovaný na větší vzdálenosti je tak mladý, že v něm hvězdy ještě nestihly vzniknout. Jinými slovy, světlo z velmi vzdálených hvězd se k nám během existence Vesmíru ještě nedostalo . Všimněte si, že to ani v nejmenším neodporuje kosmologickému principu , z něhož plyne nekonečnost Vesmíru : omezený není Vesmír, ale pouze ta jeho část, která je přístupná pozorování .

Určitý příspěvek ke snížení jasu noční oblohy má také rudý posuv galaxií. Protože se vesmír rozpíná a vzdálené galaxie se pohybují určitou rychlostí od Země, pak v důsledku Dopplerova jevu jsou vlnové délky záření z těchto galaxií tím větší, čím větší je k nim vzdálenost. Vlnová délka souvisí s energií fotonu podle vzorce . Energie fotonů přijatých námi ze vzdálených galaxií je tedy menší než jejich energie v okamžiku emise [7] . Dále, pokud jsou z galaxie emitovány dva fotony s rudým posuvem s časovým intervalem δ t , pak interval mezi přijetím těchto dvou fotonů na Zemi bude větší než δ t . Druhý foton totiž potřebuje překonat větší vzdálenost, protože zdroj záření se během času δ t vzdaloval od Země . Klesá tedy jak energie fotonů, tak počet fotonů registrovaných za jednotku času a následně klesá i intenzita záření ze vzdálených galaxií. Výsledkem je, že celková energie, která k nám přichází ze vzdálených galaxií, je menší, než kdyby se tato galaxie od nás nevzdálila kvůli kosmologické expanzi .

Viz také

Poznámky

  1. ↑ Harrison, 1987 , s. 146-154.
  2. ↑ Rešetnikov, 2012 , str. 50-59.
  3. ↑ Rešetnikov, 2012 , str. 61-62.
  4. ↑ Tipler, 1988 .
  5. ↑ Harrison, 1987 , s. 155-165.
  6. ↑ Rešetnikov, 2012 , str. 63-64.
  7. ↑ 1 2 A. Uryson. Proč je v noci nebe tmavé  // Věda a život . - 2017. - č. 12 . - S. 94-95 .

Literatura

Odkazy

  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie
V bibliografických katalozích