Я читаю книгу Харрисона «Космология: наука о Вселенной», потому что Харрисон фокусируется на различии между космологическим красным смещением (он называет его красным смещением расширения) и доплеровским красным смещением.
Он заявляет, что «они [красные смещения Доплера] создаются пекулярными, а не рецессионными скоростями» и «[красные смещения расширения] создаются рецессией, а не пекулярными скоростями».
Я понимаю концепции обоих видов красного смещения, но мне трудно понять это строгое разделение. Пожалуйста, поправьте меня, где/если я ошибаюсь:
Предположим, что у галактики нет пекулярного движения. Это означает, что его положение останется (приблизительно) одинаковым в сопутствующих координатах. На самом деле, хотя (на правильном расстоянии), он удаляется от Земли со скоростью удаления V, вызванной расширением Вселенной. Таким образом, у него должен быть эффект Доплера, основанный на этой скорости разбегания, И космологическое (расширяющееся) красное смещение также должно действовать, потому что свет растягивается с расширением Вселенной. Несмотря на то, что скорость удаления не связана со своеобразным движением, это означает, что источник света удаляется от наблюдателя, и, следовательно, свет должен быть смещен в красную сторону, а вдобавок свет смещается в красную сторону на своем пути через расширяющееся пространство.
Пожалуйста, поправьте меня или скажите, прав я или нет, я потратил много времени на чтение, но до сих пор не совсем понимаю это. Спасибо.
После рассмотрения комментариев @benrg я понимаю, что мой первый ответ содержал слишком сильные заявления о связи между двумя красными смещениями. Я пытаюсь здесь модерировать свой ответ, но вместо этого вы можете принять их ответ.
Обычно считается, что два красных смещения не имеют ничего общего друг с другом. Доплеровские смещения возникают, когда наблюдатель и/или излучатель перемещаются в пространстве, тогда как космологическое красное смещение можно вывести, рассматривая стационарные излучатели и стационарные наблюдатели в расширяющемся пространстве.
Поскольку космологическое красное смещение не связано с движением в пространстве, его часто считают совершенно отличным от доплеровского. Однако также возможно вывести космологическое красное смещение, рассматривая его как бесконечное множество бесконечно малых доплеровских смещений (например, Льюис, 2016 ). Я признаю, что недостаточно хорошо разбираюсь в общей теории относительности, чтобы быть уверенным в своих утверждениях, но то, что бесконечно малый участок пространства-времени плоский, не обязательно означает, что бесконечно много таких участков в сумме будут плоскими. Однако, как говорит @benrg, в GR есть только одно красное смещение.
Причина, по которой я считаю целесообразным рассматривать доплеровское смещение и космологическое красное смещение как два отдельных механизма, заключается в следующем:
В принципе, вы могли бы иметь вселенную (без заглавных букв, так как это не наша вселенная, Вселенная), которая была статичной, когда далекая галактика излучала фотон, затем в какой-то момент быстро расширилась в 2 раза, а затем снова стала статичной. В этом гипотетическом случае наблюдатель все равно измерил бы, что фотон был смещен в красную сторону в 2 раза (т.е. ).
В том, что это так, можно убедиться, рассмотрев математический вывод космологического красного смещения (см., например, здесь ), который включает интеграл, результат которого зависит только от начального и конечного состояния, а не от истории расширения .
Напротив, если вы и ваш друг стоите неподвижно по отношению друг к другу, в то время как ваш друг светит на вас фонариком, то убегайте друг от друга с относительной скоростью , затем остановитесь, прежде чем вы получите свет (т.е. аналогично гипотетической вселенной выше), тогда вы не измерите никакого красного смещения; вы бы не измерили специальный релятивистский доплеровский сдвиг что вы бы сделали, если бы вы удалялись друг от друга, излучая или наблюдая.
В реальной Вселенной галактики движутся в пространстве (т. е. меняют координаты сопутствующего движения). ), и пространство расширяется (т.е. масштабный коэффициент развивается). Если физическое расстояние до галактики равно
В общей теории относительности есть только один вид красного смещения. Формулы космологического красного смещения, гравитационного красного смещения и специального релятивистского красного смещения являются его частными случаями, которые применимы к пространству-времени с определенной симметрией.
Если вы поместите приблизительные координаты Минковского на участок пространства-времени, который достаточно мал, чтобы быть приблизительно плоским, вы обнаружите, что объекты на этом участке, движущиеся вместе с хаббловским потоком, удаляются друг от друга в специально-релятивистском смысле по отношению к к этим координатам. Если вы используете специальную релятивистскую формулу красного смещения для вычисления красного смещения между объектами A и B на этом участке, затем сделайте то же самое для приблизительно плоского участка, содержащего B и C, и продолжайте делать это, пока не доберетесь до очень удаленного объекта Z, и перемножив все эти факторы красного смещения вместе, вы получите правильное космологическое красное смещение между A и Z, вплоть до ошибки, возникающей из-за отклонения каждого пятна от плоскостности. В пределе очень маленьких пятен это становится точным.
Итак, ответ на ваш вопрос заключается в том, что космологическое красное смещение и красное смещение из-за относительного движения не складываются, потому что это одно и то же. Если их добавить, то одно и то же красное смещение будет учитываться дважды.
Чрезвычайно распространенное заблуждение, встречающееся во многих учебниках и даже у Дэвиса и Лайнуивера , состоит в том, что между обычным относительным движением и «расширением пространства» в общей теории относительности существует какая-то фундаментальная разница. На самом деле не существует общековариантного способа их различения. Пространство-время — это просто многообразие, а мировые линии — это просто мировые линии. В качестве (довольно близкой) аналогии рассмотрим линии постоянной долготы на земном шаре. На локальной карте (достаточно маленькой, чтобы можно было пренебречь искажением при сглаживании) они сходятся к точке на полюсах и имеют ненулевой угол (угол ~ скорость) между ними везде, кроме экватора. Но вы также можете сказать, что они «покоятся» на фиксированных долготах, но метрическое расстояние между ними увеличивается по мере удаления от полюсов. Эти описания эквивалентны. Вы можете вычислить координаты прямой линии на последнем рисунке, интегрируя обратную величину масштабного коэффициента широты, как в космологии. Если вы посмотрите на расстояние между локсодромиями одного и того же склона на разных широтах, вы обнаружите, что оно растет пропорционально масштабному коэффициенту широты, точно так же, как космологическое красное смещение. Это не означает, что метрика расстояния расширяется в каком-либо объективном смысле. Это простое следствие глобальных симметрий многообразия.
Я написал несколько предыдущих ответов на подобные вопросы, которые более подробно описаны в математике. Вот один ; вот еще .
Существует несколько видов красных смещений, и их не всегда легко отделить друг от друга. Во-первых, у вас есть космологическое красное смещение. Эти красные смещения, как правило, настолько велики, что они не могут быть вызваны ничем другим. Затем у вас есть гравитационные красные смещения, которые, когда они происходят от далеких квазаров, имеющих массу, эквивалентную триллионам солнц, могут запутаться с их космологическими красными смещениями. У нас также есть красное смещение (иногда синее), которое возникает из-за собственного движения рассматриваемой галактики. Эти красные или синие смещения имеют тенденцию маскировать любое космологическое красное смещение ближайших галактик, а это красное смещение в любом случае тривиально. Галактика Андромеды, например, слегка смещена в синий цвет, поскольку приближается к нам и находится «всего» в 2,5 миллионах световых лет от нас.
пользователь120112
номер пользователя
Бенрг