Красное смещение и давление излучения.

[Kostyrko]

В поле распространяющейся в плазме эл.-магн. волны электрон колеблется с частотой волны, испытывая переменное ускорение (http://www.astronet.ru/db/msg/1188731). Заряд, движущийся с ускорением, должен излучать. Излучаемая энергия черпается из энергии первичной волны и переизлучается на той же частоте.
С другой стороны, на каждый электрон действует сила давления излучения, направленная по радиусу от источника излучения (http://www.astronet.ru/db/msg/1188366). Под действием этой силы электрон приобретает ускорение в направлении распространения волны. В таком случае при каждом взаимодействии с электроном фотон (квант эл.-магн. излучения) благодаря давлению излучения теряет часть своего импульса (http://www.astronet.ru/db/msg/1188259). Т. е., преодолевая космологическое расстояние, фотон «краснеет», «стареет».

Давление излучения имеет характерные особенности:
1.   Действует во всем диапазоне эл.-магн. излучения.
2.   Действует в направлении распространения излучения, т. е. без рассеяния излучения. Размывание изображения источника отсутствует.
3.   Обусловленные давлением излучения потери энергии фотона пропорциональны его частоте (импульсу, энергии).
Таким образом, действие давления излучения проявляется точно так же, как и действие эффекта Доплера при удалении источника излучения от наблюдателя.

Феноменология эффекта давления излучения хорошо описана в источнике [Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс. Фейнмановские лекции по физике. 3. Излучение. Волны. Кванты., стр. 151-153].

Какая часть наблюдаемого космологического красного смещения обусловлена давлением излучения?

С уважением, Костырко Леонид Николаевич.

[Хартиков Сергей]

     Чтобы не повторять многократно приводившиеся аргументы против этой точки зрения, прочитайте статью Зельдовича в УФН http://ufn.ru/ufn63/ufn63_7/Russian/r637c.pdf - со стр.374 там все подробно разъяснено.

[Vrm]

По-моему скромному мнению вероятность распада гамма кванта нужно выводить из КЭД, а не из СТО.
Результат не внушает доверия:)

[bob]

По-моему скромному мнению вероятность распада гамма кванта нужно выводить из КЭД, а не из СТО.
Результат не внушает доверия:)

А неоткуда больше. СТО - неквантовая теория.

[Kostyrko]

У Зельдовича в ссылке из ответа # 1 на стр. 375 первый среди доводов против иных воззрений на космологическое красное смещение, кроме расширения Вселенной: «Если потеря энергии квантом происходит за счет взаимодействия с межгалактическим веществом, то отдача энергии сопровождается отдачей импульса, т. е. изменением направления движения кванта.
   При этом происходило бы расплывание изображения, далекая звезда была бы видна как диск, а не как точка, чего не наблюдается».

Иных доводов, в какой либо степени связанных с эффектом давления излучения, в упомянутом источнике нет.

У Фейнмана в приведенном выше источнике на стр. 152 читаем: «Направление силы совпадает с направлением распространения света. Следовательно, падающий на заряд луч света заставляет его колебаться и, кроме того, тянет его с некоторой силой в направлении движения световой волны. Это явление носит название давления электромагнитных волн, или светового давления» (текст выделен курсивом в источнике).

Т. е., давление излучения не тождественно рассеянию излучения. Давление излучения не приводит к размытию изображения, но фотон при этом часть своего импульса, своей энергии все-таки передает электрону.

[george telezhko]

Число взаимодействий фотона с электронами было бы случайной величиной с моментами, зависящими от расстояния. То есть не изображения, а спектры удаленных объектов размывались бы.

[Kostyrko]

Сила давление излучения, действующая на каждый электрон, зависит от величины томсоновского сечения рассеяния. Томсоновское сечение рассеяния есть величина постоянная, 6,65*10^(-25) см^2, и не зависит от частоты фотона. Поэтому на луче зрения источник – наблюдатель фотоны всех частот испытывают взаимодействия с электронами в равной степени вероятности. Чем больше расстояние, тем больше электронов на луче зрения и тем меньше разброс числа взаимодействий для отдельных частот. То есть, явление давления излучения не приводит к размытию спектров удаленных объектов.
Здесь следует отметить, что эффект давления излучения не приводит к рассеянию этого излучения, хотя в выражение для силы давления света входит величина, имеющая в названии слово «рассеяния».

[george telezhko]

Я имел в виду, что фотоны конкретной линии излучения от одной и той же звезды могут отдать энергию разное количество раз - то есть покраснеть в разной степени. Относительный разброс количества столкновений фотона с электронами, по идее, не должен зависеть от расстояния (то есть N+-dN на парсек я считаю, должна быть стандартной величиной). Если так, то с увеличением расстояния абсолютный разброс столкновений растет. Вот и получится, что линия спектра более удаленной звезды должна быть шире линии близкой звезды.

[РДС]

Похожие вопросы обсуждались на форуме http://lib.mexmat.ru - "Темная энергия" или... .
Гипотеза "старения" гораздо менее надумана, чем "темные" Э и М.

[Хартиков Сергей]

     Цитата Kostyrko: "У Фейнмана в приведенном выше источнике на стр. 152 читаем: «Направление силы совпадает с направлением распространения света. Следовательно, падающий на заряд луч света заставляет его колебаться и, кроме того, тянет его с некоторой силой в направлении движения световой волны. Это явление носит название давления электромагнитных волн, или светового давления» (текст выделен курсивом в источнике). Т. е., давление излучения не тождественно рассеянию излучения. Давление излучения не приводит к размытию изображения, но фотон при этом часть своего импульса, своей энергии все-таки передает электрону."

     Фейнман рассматривал классическую волну - т.е. среднее направление силы. При рассеянии на электроне фотон, естественно, может изменять направление импульса (см. рис. 2 в http://www.astronet.ru/db/msg/1188351).

[Хартиков Сергей]

     Цитата Vrm: "По-моему скромному мнению вероятность распада гамма кванта нужно выводить из КЭД, а не из СТО.
Результат не внушает доверия:)"

     Там рассматривается гипотетический (не существующий) процесс распада, поэтому КЭД не причем. А вот общие принципы СТО как раз к месту.

[Vrm]

     Цитата Vrm: "По-моему скромному мнению вероятность распада гамма кванта нужно выводить из КЭД, а не из СТО.
Результат не внушает доверия:)"

     Там рассматривается гипотетический (не существующий) процесс распада, поэтому КЭД не причем. А вот общие принципы СТО как раз к месту.

Все равно этот процесс в принципе может быть расчитан в рамках КЭД. А если результаты не совпадут - чему верить?
А в рамках СТО посчитать вероятность из "общих принципов" по -моему этого не достаточно.

[Kostyrko]

Отдельные фотоны, образующие конкретную линию в спектре космологического объекта, на пути к наблюдателю взаимодействуют с разным числом электронов. Это приводит к уширению спектральной линии. Чем больше электронов на луче объект – наблюдатель, т. е., в общем случае, чем дальше объект, тем шире должна быть спектральная линия. Такая картина не противоречит наблюдениям. Действительно, звезды Галактики имеют сравнительно узкие спектральные линии. При этом, однако,  следует иметь в виду, что у некоторых звезд уширение спектральных линий вызвано не эффектом давления излучения, а другими причинами. Например, широкие спектральные линии звезд Вольфа-Райе обусловлены высокой скоростью истечения вещества (http://www.astronet.ru/db/msg/1190776). В то же время спектральные линии таких далеких объектов, как квазары, сравнительно широкие (http://www.astronet.ru/db/msg/1188379).

Фотон в эффекте давления излучения передает свободному электрону (не релятивистскому!) некоторую часть своей энергии. Эта часть энергии не квантована, поэтому Фейнман вполне обоснованно рассматривал классическую волну. При этом Фейнман усреднял величину силы, а не ее направление. О направлении же действия этой силы сказано однозначно: «Направление силы совпадает с направлением распространения света». В отличие от комптоновского рассеяния (http://www.astronet.ru/db/msg/1188351) эффект давления излучения не приводит к упругому рассеянию фотона на свободном электроне.

[Хартиков Сергей]

     Вы любите читать только те места, которые не противоречат Вашим взглядам? На следующей странице у Фейнмана написано "Все сказанное находится в рамках классической теории света". Реальное рассеяние - квантовое. Импульс фотона меняет направление.
     И почему Вы противопоставляете "эффект давления света" "комптоновскому рассеянию"? Вы что, подумали, что "эффект давления света" отдельный эффект что ли?

[Хартиков Сергей]

     Цитата РДС: "Гипотеза "старения" гораздо менее надумана, чем "темные" Э и М."

     А что, для объяснения красного смещения необходимы "темные Э и М"?

[Хартиков Сергей]

     Цитата Vrm: "Все равно этот процесс в принципе может быть расчитан в рамках КЭД. А если результаты не совпадут - чему верить? А в рамках СТО посчитать вероятность из "общих принципов" по -моему этого не достаточно."

     КЭД в числе прочего основана и на СТО тоже. Давайте, переведем на другой язык рассуждение из УФН. Пусть в некоторой ИСО имеется генератор неких частиц фиксированной энергии E (пусть их скорость равна w). Частицы из генератора пролетают некоторое расстояние L и распадаются (расстояние L подобрано, как среднее время полета частицы до ее распада). Рассмотрим этот процесс из другой ИСО, движущейся со скоростью V относительно исходной ИСО. Вылет частицы из генератора и распад частицы - это события, поэтому, используя преобразования Лоренца, получаем, что время полета частицы до ее распада t' в новой ИСО связано с аналогичным временем t в исходной ИСО следующим соотношением (c=1):

     t' = L * sqrt(1 - v²) / [ (v + w) / (1 + v*w) - v] = L/w * (1 + v*w) / sqrt(1 - v²) = t * (1 + v*w) / sqrt(1 - v²)

     С другой стороны, как для частиц с массой покоя, так и для безмассовых частиц (1 + v*w) / sqrt(1 - v²) = E' / E, где E - энергия частицы в исходной ИСО, а E' - в новой ИСО. Таким образом,

     t' = t * E' / E

     Так как вероятность распада обратно пропорциональна времени полета до распада, то

     P' = P * E / E' или P ~ 1 / E.

     Итак, эта формула обязана выполняться для любых частиц, в том числе и для фотонов.

[Kostyrko]

Объяснение давления излучения «может быть дано на основе как волновых, так и квантовых представлений о природе излучения» (http://www.astronet.ru/db/msg/1188259). У Фейнмана приведены оба объяснения.
Что касается явления рассеяния излучения, то здесь также иногда используют классическое представление. Например, томсоновское рассеяние «явл. эффектом классической, а не квантовой физики.
Квантовые поправки становятся существенными при больших энергиях фотона (см. Комптоновское рассеяние)» (http://www.astronet.ru/db/msg/1188731).

В настоящей теме речь идет о вкладе давления излучения в космологическое красное смещение. Поэтому представляют интерес фотоны, которые испущены далеким источником и приняты наблюдателем. По данным наблюдений объекты на космологических расстояниях, например, квазары, выглядят почти точечными, т. е., размывание изображения источника незначительное. При этом наблюдаемые фотоны распространяются без существенного отклонения от линии источник – наблюдатель, такие фотоны рассеиваются практически в направлении своего распространения. Но при рассеянии в направлении распространения эффекты как томсоновского рассеяния с его рэлеевской индикатрисой, так и комптоновского рассеяния приводят к незначительным потерям энергии фотонов. В то же время давление действует в направлении распространения излучения. Таким образом, для наблюдаемых далеких источников вклад рассеяния в красное смещение гораздо меньше вклада давления излучения.

[lapay]

Свет действительно может оказывать прямое давление на вещество, как об этом пишет г-н Костырко, и этот эффект, в частности, используется для сжатия плазмы, в процессе облучения дейтерий-тритевой мишения лазерными пушками. Только величина этого эффекта зависит от разности показателей преломления вещества и вакуума. Импульс фотона в веществе p_{вещество}=p_вакуум*(n+1/n)/2, где n - показатель преломления вещества. Для плазмы n<1. Для межгалактической, очень разряжённой плазмы этот эффект ничтожно мал. Комптоновское рассеивание здесь ни причём, этот эффект основан на точном решении уравнений Максвелла.

[Хартиков Сергей]

     Я нигде не говорил, что нет "давления света на вещество". Я лишь опроверг утверждение, будто у фотонов не изменяеются направление вектора импульса при таком рассеянии. Конкретно остается вопрос автору: где он усматривает проблемы в рассматриваемом объяснении из УФН?

[Kostyrko]

Зельдович приводит три «весьма веских довода» против иных, кроме расширения Вселенной, воззрений на космологическое красное смещение. Второй и третий из этих доводов касаются распада квантов и к настоящей теме не относятся.
Первый довод, приведенный дословно в ответе # 4, говорит о невозможности объяснить красное смещение взаимодействием с межгалактическим веществом. При этом поясняется, что такое взаимодействие приводит к изменению направления движения кванта и, следовательно, к расплыванию изображения, чего на самом деле не наблюдается. Этот довод неприменим в случае давления излучения. Действительно, распространяясь сквозь космическую плазму, кванты оказывают давление на электроны плазмы. При этом давление действует в направлении распространения излучения, поэтому расплывание изображения отсутствует, а квант часть своего импульса отдает электрону.

При наиболее употребительном значении постоянной Хаббла красное смещение на каждый Мпк z = v/c = 0,00025. Такое значение z приводит к уменьшению длины волны фотона 500 нм на 125 пм (пикометров) на пути в 1 Мпк. Комптоновская длина волны для электрона равна 2,4 пм, а изменение длины волны фотона при рассеянии на неподвижном электроне не превышает 4,8 пм. Если фотон на пути в 1 Мпк испытает 26 взаимодействий с электронами, теряя в каждом взаимодействии 4,8 пм, то его длина волны также уменьшится на 125 пм. Этот пример показывает, что в космологических масштабах малые изменения могут привести к заметным наблюдаемым эффектам, но этот пример не снимает поставленного в теме вопроса о степени влиянии давления излучения на величину красного смещения.