Красное смещение: что есть наблюдение, что есть постулат

Для чего существует этот труд

Слово «красное смещение» используется в космологии так, будто оно обозначает одно. Это не так. Оно обозначает цепь — наблюдение, за которым следуют интерпретационные слои, каковые наблюдениями не являются, но привычно сообщаются как если бы ими были.

Слои смешивались так долго, что читатель, встретив фразу «галактика удаляется со скоростью v» или «Вселенная расширяется», не может только из самого утверждения понять, где закончилось наблюдение и где началась интерпретация.

Настоящий труд их разделяет. Каждое утверждение помечается сообразно тому, чем оно является. Метки фиксированы:

Цель — не занимать позицию относительно того, какие постулаты верны. Цель — сделать возможным для всякого на каждом шагу знать: смотрит ли он на небо или на многослойную интерпретацию неба.

Выход прибора

1.1 · Что регистрирует детектор

Спектрограф, направленный на далёкий светящийся источник, производит ровно один вид первичного выхода:

Отсчёты фотонов по ячейкам длин волн, по угловым положениям на небе, по моментам прихода.

Этот выход существует как числа в файле детектора. Числа не предполагают ни какой-либо космологической модели, ни теории гравитации, ни допущения о глобальной геометрии Вселенной, ни какого-либо толкования того, что представляют собой фотоны.

1.2 · Что означают «ячейки длин волн»

Калибровка спектрографа по длине волны производится по лабораторным эталонным источникам — известным атомным эмиссионным линиям от калибровочных ламп (обычно неоновых, аргоновых, торий-аргоновых и им подобных), длины волн переходов которых измерены в земных лабораториях в контролируемых условиях. Калибровка не требует никаких космологических допущений. Она требует лишь того, чтобы лабораторные измерения были точными и чтобы оптика спектрографа оставалась стабильной в ходе наблюдения.

1.3 · Что означают «угловые положения»

Угловая калибровка спектрографа производится по опорным звёздам с известными положениями на небесной сфере (астрометрические каталоги, в конечном счёте привязанные к интерферометрии со сверхдлинной базой по далёким внегалактическим радиоисточникам). Угловое положение прихода фотона — это измерение в системе отсчёта детектора, которое затем преобразуется в астрономическую систему координат.

1.4 · Что означает «время прихода»

Время прихода — это показание часов обсерватории, в конечном счёте возводимое к атомным стандартам времени (TAI, UTC или равносильным). Временная координата локальна для обсерватории.

Наблюдение, называемое красным смещением

2.1 · Вычислимая величина

Когда спектрограф регистрирует фотоны от далёкого источника, на некоторых длинах волн проявляются рисунки интенсивности (эмиссионные линии, линии поглощения), которые по относительным интервалам и отношениям интенсивностей совпадают с рисунками известных атомных переходов, измеренных в лаборатории. Для заданного опознанного перехода вычисляют отношение:

z = ( λ_набл. − λ_лаб. ) / λ_лаб.

где λ_набл. — длина волны, на которой рисунок появляется в выходе спектрографа, а λ_лаб. — длина волны соответствующего перехода, измеренная в земных лабораториях.

Это отношение есть число. Это арифметика над двумя измерениями. Оно не зависит ни от какой космологической модели. Оно не зависит ни от какой теории гравитации. Оно не зависит ни от каких допущений о геометрии или истории Вселенной.

2.2 · Наблюдение, изложенное без интерпретации

Для данного далёкого светящегося источника отношение λ_набл. / λ_лаб. больше 1 для большинства наблюдаемых галактик — то есть рисунки появляются на бо́льших длинах волн, чем соответствующие лабораторные переходы. Это и есть факт, который регистрируют приборы, направленные на далёкие галактики.

2.3 · Чем наблюдение <em>не является</em>

Наблюдение не является:

• тем, что источник движется.
• тем, что источник удаляется.
• тем, что источник обладает скоростью.
• тем, что пространство расширяется.
• тем, что у Вселенной есть история.
• тем, что источник находится на каком-либо определённом расстоянии.
• тем, что у источника время течёт иначе.

Ничто из этого не содержится в наблюдении. Каждое — отдельный интерпретационный шаг, подлежащий проверке ниже.

Постоянство атомной физики

3.1 · Что допускается, когда лабораторный переход сопоставляется наблюдаемому рисунку

Отождествление наблюдаемой спектральной особенности с определённым атомным переходом опирается на одно-единственное допущение:

Атомный переход, измеренный в лаборатории, соответствует тому же самому атомному переходу в далёком источнике.

Это требует, чтобы физика атомного перехода — энергетические уровни, правила отбора, вероятности переходов — была у источника той же, что и в лаборатории.

Это допущение поддерживается тем наблюдением, что рисунки спектральных линий от далёких источников сохраняют свою внутреннюю структуру — относительные интервалы компонент мультиплета, отношения интенсивностей внутри мультиплета, поведение правил отбора — согласованно с земной атомной физикой, применённой к тому же виду частиц. У источника оно независимо не проверено, ибо никакой лаборатории на источнике у нас нет. Термин «эмпирически перенесённое» именует именно этот статус: выведенное из внутренних согласованностей наблюдения, не измеренное на цели.

3.2 · Почему это важно

Допущение минимально в том смысле, что оно не ввозит космологической структуры. Оно не минимально в том смысле, что это допущение, а не наблюдение. Если бы фундаментальные постоянные, управляющие атомной физикой (постоянная тонкой структуры α, отношение масс электрона и протона μ_p и т. п.), менялись в космологическом пространстве или времени, отношение красного смещения получало бы вклады от этих изменений — независимо от любой интерпретации z как движения или расширения.

Постоянство атомной физики — граница между прямым наблюдением и интерпретацией.

Доплеровский постулат

4.1 · Интерпретационный шаг

Отношение z привычно толкуют как лучевую скорость через соотношение Доплера:

• Для нерелятивистских источников: z ≈ v / c
• Для релятивистских источников: 1 + z = √( (1 + β) / (1 − β) ), где β = v/c.

Эта интерпретация не содержится в наблюдении. Это постулат, накладываемый на наблюдение.

Доплеровская интерпретация избирает один конкретный физический механизм (движение источника) для объяснения отношения длин волн. Возможны и другие механизмы: разности гравитационного потенциала между источником и наблюдателем, исторические предложения «утомлённого света», вариации атомной физики или альтернативные структуры, порождающие отношения длин волн. Доплеровская интерпретация выбрана по соглашению, а не навязана данными.

4.2 · Собственная позиция Хаббла

Открыватель корреляции красного смещения и расстояния Эдвин Хаббл определённо заявлял, что интерпретация через скорость — это постулат, а не наблюдение.

В своей работе 1929 года, в совместной с Толменом работе 1935 года, в монографии 1936 года The Realm of the Nebulae, в Родсовских лекциях 1937 года, в статье в American Scientist 1942 года и в лекции имени Джорджа Дарвина 1953 года Хаббл последовательно удерживает одно и то же разграничение: красное смещение есть наблюдение; интерпретация через скорость — постулат, принимаемый или отвергаемый на основаниях, отличных от самого наблюдения.

Тот, кто открыл корреляцию красного смещения и расстояния, не подтверждал доплеровскую интерпретацию как физический факт — и на протяжении четверти века говорил об этом в собственных опубликованных работах.

4.3 · Что требует доплеровская интерпретация

Чтобы интерпретация — «z означает скорость» — была состоятельной, необходимо дополнительно принять:

• что система покоя источника и система покоя наблюдателя инерциально связаны хорошо определённым образом на космологических базах;
• что релятивистское соотношение Доплера применимо на рассматриваемых масштабах (это требует определённой пространственно-временной структуры между источником и наблюдателем);
• что никакой иной механизм в z вклада не даёт.

Ни одно из этих обязательств не содержится в наблюдении. Каждое — добавочный постулат.

Постулат расширения

5.1 · Следующий интерпретационный шаг

Когда доплеровская интерпретация соединяется с наблюдением, что у более далёких источников z больше, получается корреляция:

z растёт с выводимым расстоянием.

Сама эта корреляция — наблюдение (при тех допущениях лестницы расстояний, которые требуются для вывода расстояния, см. §7). Сама по себе она, однако, не указывает, что вызывает корреляцию.

Стандартная интерпретация такова: корреляция отражает космическое расширение — само пространство расширяется, длина волны летящих фотонов растягивается этим расширением, а видимое удаление далёких источников — не движение сквозь пространство, а глобальное расширение пространственной геометрии.

1. Общая теория относительности как правильная теория гравитации на космологических масштабах. Это экстраполяция из режимов, где ОТО проверена (Солнечная система, двойные пульсары, явления сильного поля на масштабах LIGO, гравитационное линзирование на определённых масштабах), на масштабы, большие на 10–15 порядков. Экстраполяция, перед применением не проверенная независимо на космологических масштабах.
2. Метрика FLRW как правильный класс решений ОТО. FLRW выбирается из бесконечного пространства решений уравнений Эйнштейна наложением определённого набора предположений о симметрии (см. §6). Избранный класс решений — избран допущением, не выведен из наблюдения.
3. Космологический принцип — пространственная однородность и изотропность на достаточно больших масштабах. Допущение о глобальной структуре Вселенной, совершаемое из единственной точки наблюдения внутри неё. Из единственной точки оно неподтверждаемо.

5.2 · Чем постулат расширения <em>не является</em>

Расширение не наблюдается. Наблюдается отношение длин волн z. Интерпретация z как проявления расширяющегося пространства — трёхслойный постулат (ОТО + FLRW + космологический принцип), применённый к наблюдению.

Читатель, который видит утверждение «Вселенная расширяется» и принимает его за наблюдение, введён в заблуждение относительно эпистемического статуса этого утверждения.

FLRW — полный список встроенных допущений

FLRW не есть нейтральный фон. Это класс решений, выбранный симметриями и нагружённый явными допущениями. Каждый пункт ниже — отдельное обязательство. Весь стек принимается в пакете.

Допущения симметрии

1. Пространственная однородность. В любой данный момент космического времени все пространственные точки равноценны.
2. Пространственная изотропность. В любой данный момент космического времени все пространственные направления равноценны из любой точки.
3. Глобальное космическое время. Выделенное слоение пространства-времени в пространственноподобные гиперповерхности, помеченные временным параметром.
4. Тривиальная топология пространственных срезов. Принята по соглашению; нетривиальные топологии (тороидальные срезы и т. п.) математически допустимы, но исключены.
5. Постоянная пространственная кривизна на каждом временном срезе.

Допущения о вещественном содержимом

1. Тензор энергии-импульса идеальной жидкости. Без анизотропных напряжений, без теплопроводности, без вязкости.
2. Сопутствующая материя. Материя в среднем покоится в выделенной системе отсчёта.
3. Заданные уравнения состояния для каждой вещественной компоненты (пыль: p = 0 ; излучение: p = ρ/3 ; космологическая постоянная: p = −ρ ; тёмная энергия: p = wρ).
4. Невзаимодействующие компоненты. Полный тензор энергии-импульса — сумма независимо сохраняющихся видов.

Динамические допущения

1. Общая теория относительности — правильная теория гравитации на космологических масштабах.
2. Действие Эйнштейна–Гильберта (или равносильное) без членов более высокой кривизны.
3. Минимальное связывание материи с геометрией.
4. Фиксированные фундаментальные постоянные — G и c не меняются с космическим временем.
5. Принцип эквивалентности выполняется на всех масштабах и во все эпохи.

Усреднение, начальные условия, местоположение наблюдателя

1. Коммутативность усреднения и динамики. Обратная реакция полагается пренебрежимой. Некоммутативность общая для нелинейных уравнений; её отодвигают допущением.
2. Масштаб однородности. Выше ~100 Мпк (дискутируется) Вселенная эффективно однородна.
3. Гладкие начальные условия (либо, как альтернатива, инфляция должна быть привлечена отдельно, чтобы «объяснить» эту гладкость).
4. Нет выделенного направления в начальных условиях.
5. Мы занимаем типичное место. Наша точка зрения представительна.
6. Сопутствующая система отсчёта реализуется системой покоя реликтового излучения. Дипольная составляющая реликта читается как наше пекулярное движение, а не как собственная направленная структура.
7. (Скрытого двадцатого пункта нет) — всякий моделирующий, желающий объявить FLRW, должен подписаться под указанными выше девятнадцатью. Любое ослабление в любом пункте делает последующий вывод рамочно-обусловленным именно этим ослаблением.

Когда в предложении появляется «FLRW», предложение вносит в себя весь стек.

Лестница расстояний

7.1 · Что такое «расстояние» в космологии

Ни одно расстояние во внегалактической астрономии не измеряется напрямую. Любое приводимое расстояние — выход цепочки калибровок, где каждая ступень наследует допущения нижестоящих ступеней:

1. Параллакс — геометрический, бедный допущениями, пригодный только до ~кпк.
2. Цефеиды-переменные, калиброванные по параллаксу; предполагается устойчивое соотношение период–светимость во всех галактиках-хозяйках и при разных металличностях.
3. Сверхновые типа Ia, калиброванные по цефеидам; предполагается, что они ведут себя как стандартные свечи сквозь космическое время и среды.
4. Талли–Фишер, фундаментальная плоскость, флуктуации поверхностной яркости — каждая калибруется по нижним ступеням.
5. На самых больших красных смещениях: расстояния выводятся из FLRW, применённой к измеренному z, что циклически замыкается на постулате расширения.

7.2 · Что содержится в утверждении «расстояние до галактики»

Когда о галактике говорится, что она «на расстоянии D», утверждение содержит наблюдение (угловое положение, поток, спектр), допущение о применимости калибровочной цепочки к данному объекту и интерпретационный слой (Доплер + расширение + FLRW, если в вывод входит z). Число D — это выход цепи. Это не прямое измерение.

7.3 · Хаббловское натяжение с эпистемической точки зрения

Так называемое «хаббловское натяжение» — расхождение примерно в 5σ между значениями H₀, выведенными из реликтового излучения (через ΛCDM) и из локальной лестницы расстояний (через цефеиды + сверхновые Ia), — есть расхождение между двумя выходами одной и той же интерпретационной машины, применённой к двум разным наборам данных, в рамках одной и той же схемы. Это не натяжение во Вселенной. У Вселенной то поведение, какое у неё есть. Расхождение — это неудача самой схемы возвращать согласованные значения одного из её собственных параметров из двух её собственных выводных цепей.

Внутренняя несогласованность схемы. В популярном изложении подаётся как «натяжение во Вселенной» — грамматика, переворачивающая отношение модели и реальности.

Совокупный стек

Чтобы перевести «мы зарегистрировали фотоны на длинах волн λ_набл. в угловом положении θ в момент t» в «галактика на расстоянии D удаляется со скоростью v, потому что Вселенная расширяется со скоростью H₀», необходимо принять следующий стек:

Всякий слой выше 2-го — постулат. Всякий постулат привычно сообщается в регистре наблюдения.

Такое высказывание, как «Вселенной 13,8 млрд лет и она на 68 % состоит из тёмной энергии», — высказывание, каждый член которого обусловлен каждым слоем стека. Это не наблюдение.

Что эмпирически подкреплено, а что — нет

Эмпирически подкреплённое

• Отсчёты фотонов по ячейкам длин волн, по угловым положениям, в моменты прихода. (Слой 0.)
• Лабораторная калибровка длин волн по земным атомным переходам. (Слой 1b.)
• Вычисленное отношение z для опознанных переходов. (Слой 2, обусловленный 1a.)
• Корреляция: z растёт с наблюдательными заменителями расстояния (первоначальное открытие Хаббла; уточнённое и расширенное).
• Фотоны реликтового излучения приходят с почти идеальным чёрнотельным спектром при температуре ~2,7 K. (Слой 0, в сочетании с законом Планка.)
• Далёкие источники появляются на систематически иных длинах волн, нежели близкие.

Эмпирически неподкреплённое, но принятое

• Что z вызвано движением (Доплер). Постулат.
• Что z вызвано космическим расширением. Постулат — требует ОТО + FLRW + космологический принцип.
• Что FLRW описывает глобальную геометрию Вселенной. Стек допущений из 20 пунктов.
• Что калибровки лестницы расстояний применимы без изменения сквозь космическое время. Цепь допущений.
• Что атомная физика неизменна в космологическом пространстве и времени. Эмпирически перенесённое; у источника независимо не проверено.
• Что реликтовый диполь — чисто кинематический (наше движение), а не собственная черта Вселенной. Постулат, выбранный ради сохранения изотропности.
• Что тёмная материя, тёмная энергия и инфляция суть сущности со свойствами, необходимыми, чтобы замкнуть остатки схемы. Постулаты без независимого подтверждения в том смысле, который потребовался бы для обоснования их как сущностей.

Проверка эмпирической подкреплённости

Величина эмпирически подкреплена тогда и только тогда, когда её значение определяется из наблюдения без прохождения через интерпретационный слой. По этому критерию:

• z подкреплено эмпирически.
• «скорость галактики» — нет.
• «расширение Вселенной» — нет.
• «расстояние до галактики при большом z» — нет.
• «возраст Вселенной» — нет.
• «состав Вселенной» — нет.

Это не означает, что эти величины ошибочны. Это означает, что они зависят от схемы. Их значения меняются, если меняется схема. Их эмпирический статус обусловлен правильностью схемы.

Что сталось с аномалиями

Коль скоро схема установлена, наблюдения, не вписывающиеся в её предсказания, привычно переименовываются:

• Диполь реликта, выровненный с осью квадруполь-октупольного совмещения, с осью полусферной асимметрии мощности, с направлением холодного пятна: «аномалия».
• Расхождение H₀ между реликтом и локальной лестницей: «натяжение».
• Расхождение σ₈ между реликтом и слабым линзированием: «натяжение».
• Расхождение обилия лития между предсказанием ПНС и наблюдением: «проблема».
• Наблюдения JWST зрелых, хорошо сформированных галактик при z > 10: «загадка».
• Амплитуда диполя подсчётов радиоисточников / квазаров, превышающая кинематическое предсказание в 2–5 раз (Secrest и др. 2021 и последующие работы): «аномалия».

Каждый из приведённых выше пунктов — прямое наблюдение. Каждое — в небе. Каждое переименовывается в словаре, подчиняющем наблюдение полномочию схемы его именовать.

У наблюдений не бывает аномалий. Аномалии бывают у моделей.

Называть наблюдение «аномальным» значит отдавать модели онтологический приоритет над прямым измерением. Это переворачивает отношение между представлением и представляемым. Параметрическая модель не обладает полномочием помечать реальность как ошибку. Если модель и наблюдение расходятся, расхождение — это сведения о модели.

Минимальное эпистемическое обязательство

Минимальное обязательство, необходимое для речи о красном смещении — чтобы употреблять это слово, не протаскивая интерпретационного содержимого, — таково:

1. Выходы детектора существуют — фотоны подсчитываются на длинах волн в положениях в моменты времени.
2. Лабораторная физика надёжна — земные атомные переходы измеряются верно.
3. Атомная физика приблизительно постоянна в обследуемых пространстве и времени (перенесённое допущение, признанное именно таковым).

Из этих трёх обязательств можно вычислить z для опознанных переходов и сообщить корреляцию z с угловым положением и с наблюдательными заменителями расстояния. Вот эмпирическое содержание «красного смещения».

Всякое дальнейшее утверждение — скорость, расширение, расстояние при большом z, возраст, состав, эволюция, судьба — требует дополнительных постулатов. Каждый постулат можно назвать и проверить по отдельности. Ни один не содержится в наблюдении.

Наблюдение — это z. Остальное — то, что на нём надстроено.

Слово «красное смещение» в профессиональном и популярном употреблении смешивает: прямое наблюдение (отношения длин волн); лабораторно-подкреплённое измерение (калибровку длин волн); минимальное перенесённое допущение (постоянство атомной физики); доплеровский постулат; постулат расширения; стек допущений из 20 пунктов, сопровождающих метрику FLRW; цепочку калибровок лестницы расстояний; и всю конкордансную схему ΛCDM.

Из фразы вроде «галактика A при z = 0,5 находится на расстоянии 5 миллиардов световых лет и удаляется со скоростью 150 000 км/с из-за космического расширения» читатель не может понять, какие части являются наблюдениями, а какие — выходами стека. Всё это сообщается в грамматическом регистре факта.

Цель настоящего труда — восстановить это разграничение. Не доказать, что какой-либо конкретный слой ошибочен. А сделать возможным в любое мгновение для любого читателя ответ на вопрос: на этом шагу я смотрю на небо или на интерпретацию неба?

Без такого разграничения предприятие, называющее себя космологией, не подлежит аудиту. С ним — всякое утверждение становится прослеживаемым до своего эпистемического источника.

Настоящий труд составляет часть продолжающегося аудита стека допущений современной космологии, предпринятого Математическим исследовательским институтом физической реальности. Каждое фактическое утверждение прослеживаемо до первичных источников, цитированных выше. Ни одно утверждение не зависит от внутрирамочного вывода.