Main menu:

Свободные частицы в расширяющейся Вселенной

Первый закон Ньютона, который гласит, что импульс свободной (т. е. не испытывающей действия сил) частицы не меняется со временем, не применим к свободным частицам в расширяющейся однородной Вселенной. Направление движения свободной частицы не изменяется, но она непрерывно замедляется, если только не движется со скоростью света. Фотоны и другие частицы с нулевой массой покоя должны всегда двигаться со скоростью света, однако в расширяющейся Вселенной их импульс и энергия непрерывно уменьшаются.

Свободная частица не может изменить направление своего движения, поскольку ни распределение массы, ни расширение Вселенной не выделяют преимущественного направления в пространстве. Чтобы понять, почему свободная частица замедляется, представим шайбу, скользящую без трения по однородно расширяющемуся слою льда. Относительно неподвижного пола, на котором лежит слой льда, скорость шайбы должна оставаться постоянной, если трение отсутствует. Следовательно, скорость шайбы относительно участка льда, по которому она движется, непрерывно уменьшается. Как видим, релятивистский импульс свободной частицы изменяется обратно пропорционально масштабному фактору.

Хотя рассуждения, которые позволили нам установить, что импульс свободной частицы в расширяющейся Вселенной уменьшается, не применимы к фотонам, сама эта зависимость справедлива и в случае фотонов. Поскольку импульс уменьшается, частота фотона в расширяющейся Вселенной становится все меньше, а соответствующая ему длина волны непрерывно возрастает.

Космологическое красное смещение - это прямое следствие уменьшения энергии и импульса фотонов в расширяющемся пространстве. По мере того как мы заглядываем все глубже во Вселенную (т. е. во все более ранние эпохи), мы видим свет, излученный при все меньших значениях масштабного фактора поскольку фотоны, испущенные в самом начале космического расширения, будут иметь для нас бесконечно большое красное смещение.