Paradoxul fotometric

Paradoxul fotometric ( paradoxul Olbers , paradoxul Szezo-Olbers ) este unul dintre paradoxurile cosmologiei prerelativiste , care constă în faptul că într-un Univers staționar , plin uniform de stele (cum se credea atunci), strălucirea cerului ( inclusiv cerul nopții) ar trebui să fie aproximativ egală cu luminozitatea discului solar. În teorie, în modelul cosmologic al Big Bang-ului , acest paradox este complet rezolvat luând în considerare caracterul finit al vitezei luminii și caracterul finit al epocii Universului .

Esența paradoxului

Într-un Univers static infinit, al cărui întreg spațiu este plin de stele, fiecare linie de vedere trebuie să se termine într-o stea, la fel cum într-o pădure deasă ne găsim înconjurați de un „zid” de copaci la distanțe diferite. Fluxul de energie al radiației primite de la o stea scade invers proporțional cu pătratul distanței până la aceasta. Dar aria unghiulară ( unghiul solid ) ocupată pe cer de fiecare stea scade, de asemenea, invers cu pătratul distanței, ceea ce implică faptul că luminozitatea suprafeței unei stele (egale cu raportul dintre fluxul de energie și unghiul solid ocupat de stea pe cer) nu depinde de distanță. Deoarece Soarele nostru este în toate privințele o stea tipică, luminozitatea suprafeței unei stele ar trebui, în medie, să fie egală cu luminozitatea suprafeței Soarelui. Când privim la un anumit punct al cerului, vedem o stea cu aceeași luminozitate la suprafață ca și Soarele; luminozitatea suprafeței unui punct vecin ar trebui să fie aceeași și, în general, în toate punctele cerului, luminozitatea suprafeței ar trebui să fie egală cu luminozitatea suprafeței Soarelui, deoarece trebuie să existe o stea în orice punct de pe cer. Prin urmare, întregul cer (indiferent de ora din zi) ar trebui să fie la fel de strălucitor ca suprafața Soarelui.

Istoria paradoxului

Pentru prima dată acest paradox a fost formulat în întregime de astronomul elvețian Jean-Philippe Louis de Chezo (1718-1751) în 1744, deși alți oameni de știință și-au exprimat gânduri similare mai devreme, în special Thomas Digges , Johannes Kepler , Otto von Guericke și Edmund Halley . Uneori, paradoxul fotometric este numit paradoxul Olbers după astronomul care l-a adus în atenție în secolul al XIX-lea.

Istoricii științei au descoperit că problema a fost menționată pentru prima dată în 1720 de astronomul englez Edmund Halley , apoi, independent de el, în 1742 a fost formulată de Jean Philippe de Chezo și i-a dat un răspuns, în principiu, nu diferit de cel propus. în 1823 de către Olbers.

Szezo și Olbers au propus să rezolve acest paradox sugerând că norii de praf cosmic acoperă lumina stelelor îndepărtate. Cu toate acestea (după cum a observat pentru prima dată de John Herschel în 1848), această explicație este greșită: într-un univers izotrop omogen, legea conservării energiei ar cere ca praful însuși să se încălzească și să strălucească la fel de puternic ca stelele. O altă explicație, cosmologia fractală , a fost că universul infinit este aranjat ierarhic , ca o păpușă de cuib: fiecare sistem material face parte dintr-un sistem de nivel superior, astfel încât densitatea medie a emițătorilor de lumină tinde spre zero pe măsură ce scara crește. Această opinie a fost exprimată pentru prima dată de John Herschel în 1848, fundamentată matematic de Carl Charlier în 1908 și 1922. Cu toate acestea, această presupunere nu are sprijinul cosmologilor moderni, deoarece contrazice datele observaționale privind izotropia CMB . Fundamentul general acceptat al cosmologiei moderne este principiul cosmologic , care susține că universul este omogen și izotrop.

Rezolvarea paradoxului

Explicația corectă a paradoxului fotometric este conținută în poemul cosmologic al lui Edgar Poe „Eureka” (1848) [1] [2] ; întrucât această poezie nu este o lucrare științifică, autoritatea poate fi atribuită și astronomului german Johann Medler (1861) [3] [4] . O tratare matematică detaliată a acestei soluții a fost dată de William Thomson (Lord Kelvin) în 1901 [5] [6] . Se bazează pe caracterul finit al vârstei universului și pe caracterul finit al vitezei luminii . Deoarece (conform datelor moderne) cu peste 13 miliarde de ani în urmă nu existau galaxii și quasari în Univers , lumina celor mai îndepărtate stele pe care le putem observa în principiu durează aproximativ 13 miliarde de ani. Acest lucru elimină premisa principală a paradoxului fotometric - că stelele sunt situate la orice distanțe, arbitrar, mari de noi [7] . Universul, observat la distanțe mai mari, este atât de tânăr încât stelele nu au avut încă timp să se formeze în el. Cu alte cuvinte, lumina de la stelele foarte îndepărtate nu a reușit încă să ajungă la noi în timpul existenței Universului . Rețineți că acest lucru nu contrazice deloc principiul cosmologic , din care decurge infinitul Universului : nu Universul este limitat, ci doar acea parte a acestuia care este accesibilă observațiilor .

O anumită contribuție la scăderea luminozității cerului nopții este adusă și de deplasarea către roșu a galaxiilor. Într-adevăr, deoarece universul se extinde , iar galaxiile îndepărtate se mișcă cu o anumită viteză față de Pământ, atunci, datorită efectului Doppler , lungimile de undă ale radiației din aceste galaxii sunt mai mari, cu atât distanța până la ele este mai mare. Lungimea de undă este legată de energia fotonului prin formula . Prin urmare, energia fotonilor primiți de noi din galaxiile îndepărtate este mai mică decât energia lor în momentul emisiei [7] . În plus, dacă doi fotoni sunt emiși dintr-o galaxie cu deplasare spre roșu cu un interval de timp δ t , atunci intervalul dintre acceptarea acestor doi fotoni pe Pământ va fi mai mare decât δ t . Într-adevăr, până la urmă, al doilea foton trebuie să depășească o distanță mai mare, deoarece sursa de radiație s-a îndepărtat de Pământ în timpul δ t . Astfel, atât energia fotonilor, cât și numărul de fotoni înregistrați pe unitatea de timp scade și, în consecință, scade și intensitatea radiațiilor din galaxiile îndepărtate. Ca rezultat, obținem că energia totală care vine la noi din galaxiile îndepărtate este mai mică decât dacă această galaxie nu s-ar îndepărta de noi din cauza expansiunii cosmologice .

Vezi și

• Paradoxuri cosmologice
• Paradoxul gravitațional
• Moartea de căldură a Universului

Note

1. ↑ Harrison, 1987 , p. 146-154.
2. ↑ Reșetnikov, 2012 , p. 50-59.
3. ↑ Reșetnikov, 2012 , p. 61-62.
4. ↑ Tipler, 1988 .
5. ↑ Harrison, 1987 , p. 155-165.
6. ↑ Reșetnikov, 2012 , p. 63-64.
7. ↑ 1 2 A. Uryson. De ce este cerul întunecat noaptea  // Știință și viață . - 2017. - Nr. 12 . - S. 94-95 . (Rusă)

Literatură

• Reshetnikov V.P. De ce cerul este întunecat. Cum funcționează Universul . — M .: Vek 2, 2012.
• Starobinsky A. A. Paradox fotometric  // Enciclopedie fizică . - M . : Enciclopedia sovietică, 1998. - T. 5 . - S. 352 .
• Filonenko V.S. Kepler și paradoxul Olbers // Pământ și Univers. - 1984. - Nr 2 . - S. 63 .
• Charugin V.M. De ce este cerul întunecat noaptea? (Radiația de fundal și structura Universului)  // Universul și noi. - 1997. - Nr. 3 . - S. 8-14 .
• Harrison ER Darkness at Night: O ghicitoare a universului. — Harvard University Press, 1987.
• Harrison ER De ce cerul este întunecat noaptea  // Fizica astăzi . - 1974. - Vol. 27. - P. 30-36.
• Harrison ER Paradoxul cerului întunecat  // American Journal of Physics. - 1977. - Vol. 45. - P. 119-124.
• Harrison ER The Dark Night Sky Riddle, „Paradoxul lui Olber”  // Proceedings of the 139th. Simpozionul Uniunii Astronomice Internaționale, desfășurat la Heidelberg, RF, 12-16 iunie 1989. - 1989. - P. 3-17.
• Hoskin M. Gravitatea și lumina în universul newtonian al stelelor, dezvoltarea istorică a cosmologiei moderne  // ASP Conference Proceedings. — Vol. 252. - P. 11-19.
• Hoskin M. Stukeley's Cosmology and the Newtonian Origins of Olber's Paradox  // J. Hist. Astr.. - 1985. - Vol. 16. - P. 77-112.
• Al lui Jaki SL Olbers, al lui Halley sau al cui paradox?  // Jurnalul American de Fizică. - 1967. - Vol. 35. - P. 200-210.
• Knutsen H. Întuneric noaptea  // Eur. J. Phys. - 1997. - Vol. 18. - P. 295-302.
• Overduin JM, Wesson PS Materia întunecată și lumină de fundal (astro-ph/0407207)  // Phys. Rept.. - 2004. - Vol. 402.-P. 267-406.
• Overduin JM, Wesson PS The Light/Dark Universe: Light from Galaxies, Dark Matter and Dark Energy. — World Scientific Publishing Company, 2008.
• Tipler FJ Johann Madler's Resolution of Olber's Paradox  // Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society. - 1988. - Vol. 29. - P. 313-325.
• Whitrow GJ De ce este cerul întunecat noaptea?  // Hist. Sci.. - 1971. - Vol. 10. - P. 128-132.
• Paradoxul lui Wesson PS Olbers și intensitatea spectrală a luminii de fundal extragalactice  //  The Astrophysical Journal . - Editura IOP , 1991. - Vol. 367 . - P. 399-406 .
• Wesson PS Lumina de fundal extra-galactică: o versiune modernă a paradoxului lui Olbers (sau: De ce spațiul dintre galaxii este întunecat)  // Space Science Reviews . - Springer , 1986. - Vol. 44. - P. 169-176.  (link indisponibil)

Link -uri

• Paradoxul Olbers // Elemente
• V. G. Surdin . Paradoxul fotometric al lui Olbers // Enciclopedia Krugosvet
• capitolul 3 § 3.4. Paradoxul fotometric / D. Yu. Klimushkin, S. V. Grablevsky, Cosmologie. 2001
• P. J. E. Peebles: MODELUL COSMOLOGIC STANDARD / Joseph Henry Laboratories, Universitatea Princeton 
• P. Lutus, De ce este cerul întunecat noaptea? O discuție despre Paradoxul lui Olbers, Big Bang și  probleme conexe
• De ce este cerul întunecat noaptea? / Tutorialul de cosmologie al lui Ned Wright 

Dicționare și enciclopedii	Mare catalană Mare norvegian Rusă mare in jurul lumii Britannica (online) Britannica (online)
În cataloagele bibliografice	J9U : 987007545922805171 LCCN : sh85094504