ضوء متعب

يُعدّ الضوء المُرهَق فئةً من آليات الانزياح الأحمر الافتراضية التي طُرحت كتفسير بديل لعلاقة الانزياح الأحمر بالمسافة . وقد طُرحت هذه النماذج كبدائل للنماذج التي تتضمن توسع الكون . طُرح هذا المفهوم لأول مرة عام 1929 من قِبَل فريتز زويكي ، الذي اقترح أنه إذا فقدت الفوتونات طاقتها بمرور الوقت من خلال تصادمها مع جسيمات أخرى بطريقة منتظمة، فإن الأجسام الأبعد ستظهر أكثر احمرارًا من الأجسام الأقرب.

أقرّ زويكي بأن أي نوع من تشتت الضوء سيؤدي إلى تشويش صور الأجسام البعيدة أكثر مما يُرى. إضافةً إلى ذلك، لوحظ تغير سطوع المجرات مع مرور الوقت ، وتمدد المصادر الكونية مع الزمن ، والطيف الحراري لخلفية الإشعاع الكوني الميكروي - وهذه التأثيرات لا ينبغي أن تكون موجودة إذا كان الانزياح الأحمر الكوني ناتجًا عن أي آلية لتشتت الضوء المُرهَق. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} على الرغم من إعادة فحص المفهوم دوريًا، إلا أن الضوء المُرهَق لم يُؤيَّد بالاختبارات الرصدية، ولا يزال موضوعًا هامشيًا في الفيزياء الفلكية. ^{[ 4 ]}

نشأت فكرة "الضوء المُرهِق " نتيجةً لملاحظة إدوين هابل أن المجرات البعيدة تُظهر انزياحًا نحو الأحمر يتناسب طرديًا مع بُعدها . الانزياح نحو الأحمر هو تغير في طيف الإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث من جسم ما نحو طاقات وترددات أقل، ويرتبط بظاهرة تأثير دوبلر . لاحظ مراقبو السدم الحلزونية، مثل سديم فيستو سليفر، أن هذه الأجسام (المعروفة الآن بأنها مجرات منفصلة ) تُظهر عمومًا انزياحًا نحو الأحمر بدلًا من الانزياح نحو الأزرق، بغض النظر عن موقعها. ولأن هذه العلاقة صحيحة في جميع الاتجاهات، فلا يمكن عزوها إلى الحركة الطبيعية بالنسبة لخلفية تُظهر مجموعة متنوعة من الانزياحات نحو الأحمر والأزرق. تمثلت مساهمة هابل في إثبات أن مقدار الانزياح نحو الأحمر يرتبط ارتباطًا وثيقًا بالمسافة إلى المجرات.

استنادًا إلى بيانات سليفر وهابل، أدرك جورج لومتر عام ١٩٢٧ أن هذه العلاقة يمكن أن تُفسر الحلول غير الساكنة لمعادلات نظرية أينشتاين للجاذبية، وهي حلول فريدمان-لوميتر. مع ذلك، لم يُقدّر مقال لومتر حق قدره إلا بعد نشر هابل لمقاله عام ١٩٢٩. تُعزى علاقة الانزياح الأحمر-المسافة العامة في هذا الحل إلى تأثير الكون المتوسع على الفوتون الذي يسير في فاصل زمني صفري في الزمكان (يُعرف أيضًا باسم الجيوديسية "الضوئية" ). في هذه الصيغة، كان هناك تأثير مماثل لتأثير دوبلر ، مع ضرورة التعامل مع السرعات النسبية بحذر أكبر نظرًا لإمكانية تعريف المسافات بطرق مختلفة في الكون المتوسع .

في الوقت نفسه، طُرحت تفسيرات أخرى لا تتوافق مع النسبية العامة. فقد اقترح إدوارد ميلن تفسيرًا متوافقًا مع النسبية الخاصة ، ولكنه غير متوافق مع النسبية العامة، مفاده وجود انفجار هائل يُمكن أن يُفسر الانزياح نحو الأحمر (انظر: كون ميلن ). واقترح آخرون أن التأثيرات المنهجية يُمكن أن تُفسر العلاقة بين الانزياح نحو الأحمر والمسافة. وفي هذا السياق، اقترح فريتز زويكي آلية "الضوء المُنهك" عام 1929. ^{[ 5 ]} وأشار زويكي إلى أن الفوتونات قد تفقد طاقتها ببطء أثناء انتقالها لمسافات شاسعة عبر كون ساكن ، وذلك من خلال تفاعلها مع المادة أو فوتونات أخرى، أو عبر آلية فيزيائية جديدة. وبما أن انخفاض الطاقة يُقابله زيادة في طول موجة الضوء ، فإن هذا التأثير سيُنتج انزياحًا نحو الأحمر في الخطوط الطيفية يزداد تناسبًا مع بُعد المصدر. وقد صاغ ريتشارد تولمان مصطلح "الضوء المُنهك" في أوائل ثلاثينيات القرن العشرين للإشارة إلى هذه الفكرة. ^{[ 6 ]} لاحظ هيلج كراغ أن "فرضية زويكي كانت البديل الأكثر شهرة وتفصيلاً لنظرية الكون المتوسع، لكنها لم تكن الوحيدة. فقد اقترح أكثر من اثني عشر فيزيائيًا وعالم فلك وعالمًا هاويًا في ثلاثينيات القرن العشرين أفكارًا حول الضوء المتعب، تشترك جميعها في افتراض تفاعل فوتونات السديم مع المادة بين المجرات، حيث تنقل إليها جزءًا من طاقتها". وأشار كراغ على وجه الخصوص إلى جون كوينسي ستيوارت ، وويليام دنكان ماكميلان ، ووالتر نيرنست . ^{[ 7 ]}

كانت آليات الضوء المتعب من بين البدائل المقترحة لنظريتي الانفجار العظيم والحالة الثابتة للكون ، واللتان اعتمدتا على التوسع النسبي العام للكون وفقًا لمقياس فريدمان-روبرتسون-ووكر. وحتى منتصف القرن العشرين، أيد معظم علماء الكونيات أحد هذين النموذجين ، لكن كان هناك عدد قليل من العلماء، وخاصة أولئك الذين كانوا يعملون على بدائل للنسبية العامة، ممن عملوا على بديل الضوء المتعب. ^{[ 8 ]} ومع تطور علم الكونيات الرصدي في أواخر القرن العشرين، وازدياد عدد البيانات المرتبطة به ودقتها، برزت نظرية الانفجار العظيم كأكثر النظريات الكونية دعمًا بالأدلة الرصدية، ولا تزال النموذج المتفق عليه والمقبول، بمعاييرها الحالية التي تحدد بدقة حالة الكون وتطوره. على الرغم من أن مقترحات "علم الكونيات للضوء المنهك" قد أُهملت إلى حد كبير، إلا أنها كانت تُعتبر، كمقترح بديل تمامًا، احتمالًا بعيدًا يستحق بعض الدراسة في كتب علم الكونيات حتى ثمانينيات القرن الماضي، على الرغم من رفضها باعتبارها مقترحًا غير محتمل ومؤقتًا من قبل علماء الفيزياء الفلكية السائدين. ^{[ 9 ]}

بحلول تسعينيات القرن العشرين وبداية القرن الحادي والعشرين، أظهرت العديد من الملاحظات المُفنِّدة أن فرضيات "الضوء المُنهَك" لا تُشكِّل تفسيراتٍ مُقنعة للانزياحات الحمراء الكونية. ^{[ 2 ]} فعلى سبيل المثال، في كونٍ ساكن ذي آليات ضوء مُنهَك، ينبغي أن يكون سطوع سطح النجوم والمجرات ثابتًا، أي كلما ابتعد الجسم، قلَّ الضوء الذي نتلقاه، ولكن مساحته الظاهرية تتضاءل أيضًا، لذا ينبغي أن تكون نسبة الضوء المُستقبَل إلى المساحة الظاهرية ثابتة. أما في كونٍ مُتَّسع، فيتضاءل سطوع السطح مع المسافة. فمع ابتعاد الجسم المرصود، تنبعث الفوتونات بمعدلٍ أقل لأن كل فوتون يقطع مسافةً أطول قليلًا من الفوتون السابق، بينما تنخفض طاقته قليلًا بسبب ازدياد الانزياح الأحمر عند المسافات الأكبر. من ناحيةٍ أخرى، في كونٍ مُتَّسع، يبدو الجسم أكبر مما هو عليه في الواقع، لأنه كان أقرب إلينا عندما بدأت الفوتونات رحلتها. وهذا ما يُسبِّب اختلافًا في سطوع سطح الأجسام بين الكون الساكن والكون المُتَّسع. يُعرف هذا باسم اختبار تولمان لسطوع السطح، والذي يُرجّح في تلك الدراسات فرضية الكون المتوسع ويستبعد نماذج الضوء الساكن المتعب. ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

الانزياح الأحمر قابل للملاحظة المباشرة، ويستخدمه علماء الكونيات كمقياس مباشر لزمن النظر إلى الماضي . وغالبًا ما يشيرون إلى عمر الأجسام والمسافة إليها بدلالة الانزياح الأحمر بدلًا من السنوات أو السنوات الضوئية. في هذا المقياس، يتوافق الانفجار العظيم مع انزياح أحمر لانهائي. ^{[ 10 ]} تحتاج النظريات البديلة للجاذبية، التي لا تتضمن كونًا متوسعًا، إلى بديل لتفسير العلاقة بين الانزياح الأحمر والمسافة، وهي علاقة فريدة من نوعها في مقاييس التوسع في النسبية العامة. يُشار إلى هذه النظريات أحيانًا باسم "علم الكونيات ذي الضوء المنهك"، مع أن ليس كل الباحثين على دراية بالضرورة بأصولها التاريخية. ^{[ 13 ]}

بشكل عام، يجب على أي آلية "ضوء منهك" أن تحل بعض المشاكل الأساسية، حيث يجب أن يكون الانزياح الأحمر المرصود:

• يسمح بنفس القياس في أي نطاق طول موجي
• عدم إظهار التشويش
• اتبع العلاقة التفصيلية بين هابل والبيانات المرصودة من المستعرات العظمى (انظر الكون المتسارع ).
• شرح التمدد الزمني المرتبط بالأحداث الكونية البعيدة.

طُرحت على مر السنين عدة آليات لتفسير ظاهرة إجهاد الضوء. وقد بحث فريتز زويكي ، في ورقته البحثية التي اقترح فيها هذه النماذج، عددًا من تفسيرات الانزياح الأحمر، مستبعدًا بعضها بنفسه. وتفترض أبسط صورة لنظرية إجهاد الضوء انخفاضًا أُسّيًا في طاقة الفوتون مع المسافة المقطوعة.$${\displaystyle E(x)=E_{0}\exp \left(-{\frac {x}{R_{0}}}\right)}$$أين${\displaystyle E(x)}$هي طاقة الفوتون عند مسافة${\displaystyle x}$من مصدر الضوء،${\displaystyle E_{0}}$هي طاقة الفوتون عند مصدر الضوء، و${\displaystyle R_{0}}$هو ثابت كبير يُميّز "مقاومة الفضاء". ولكي يتوافق مع قانون هابل ، فإن الثابت${\displaystyle R_{0}}$يجب أن تكون عدة جيجا فرسخ فلكي . على سبيل المثال، نظر زويكي فيما إذا كان تأثير كومبتون المتكامل يمكن أن يفسر توحيد المقياس في النموذج المذكور أعلاه:

... سيخضع الضوء القادم من السدم البعيدة لانزياح نحو الأحمر بفعل تأثير كومبتون على الإلكترونات الحرة [في الفضاء بين النجوم] [...] ولكن حينها، سيؤدي تشتت الضوء في جميع الاتجاهات إلى جعل الفضاء بين النجوم معتمًا بشكل لا يُطاق، مما يُبطل التفسير السابق. [...] من الواضح أن أي تفسير قائم على عملية تشتت مثل تأثير كومبتون أو تأثير رامان ، وما إلى ذلك، سيكون في وضع ميؤوس منه فيما يتعلق بدقة الصور. ^{[ 5 ]}

لم يُرصد هذا "التشويش" المتوقع للأجرام الكونية البعيدة في الأدلة الرصدية، مع أن إثبات ذلك بشكل قاطع كان سيتطلب تلسكوبات أكبر بكثير من تلك المتاحة آنذاك. وبدلاً من ذلك، اقترح زويكي تفسيراً لعلاقة المسافة بالانزياح الأحمر، يُعرف بتأثير ساكس-وولف .

قد يتوقع المرء حدوث انزياح في الخطوط الطيفية نتيجة لاختلاف الجهد التثاقلي الساكن عند مسافات مختلفة من مركز المجرة. وبالطبع، لا علاقة لهذا التأثير بمسافة المجرة المرصودة عن نظامنا الشمسي، وبالتالي لا يمكنه تقديم أي تفسير للظاهرة التي نناقشها في هذه الورقة. ^{[ 5 ]}

تم تقديم مقترحات زويكي بعناية على أنها قابلة للتفنيد وفقًا للملاحظات اللاحقة:

... [أ] نظير جاذبي لتأثير كومبتون [...] من السهل ملاحظة أن الانزياح الأحمر المذكور أعلاه سيؤدي إلى توسيع خطوط الامتصاص هذه بشكل غير متناظر باتجاه الأحمر. إذا أمكن تصوير هذه الخطوط بتشتت عالٍ بما يكفي، فإن إزاحة مركز ثقل الخط ستعطي قيمة الانزياح الأحمر المستقلة عن سرعة النظام الذي ينبعث منه الضوء. ^{[ 5 ]}

لا يُلاحظ هذا التوسع في خطوط الامتصاص في الأجسام ذات الانزياح الأحمر العالي، مما يدحض هذه الفرضية تحديداً. ^{[ 14 ]}

يشير زويكي أيضًا، في الورقة البحثية نفسها، إلى أنه وفقًا لنموذج ضوئي قديم، ستكون هناك بالضرورة علاقة بين المسافة والانزياح الأحمر في الضوء الصادر من مصادر داخل مجرتنا (حتى لو كان الانزياح الأحمر ضئيلاً لدرجة يصعب قياسها)، وهي علاقة لا تظهر في نظرية تعتمد على سرعة التراجع. ويكتب، مشيرًا إلى مصادر الضوء داخل مجرتنا: "من المستحسن بشكل خاص تحديد الانزياح الأحمر بمعزل عن السرعات الذاتية للأجسام المرصودة". ^{[ 5 ]} بعد ذلك، قام علماء الفلك بصبر برسم خريطة ثلاثية الأبعاد لمساحة طور السرعة والموقع للمجرة، ووجدوا أن الانزياحات الحمراء والزرقاء للأجسام المجرية تتوافق جيدًا مع التوزيع الإحصائي للمجرة الحلزونية، مما يلغي عنصر الانزياح الأحمر الجوهري كعامل مؤثر. ^{[ 15 ]}

بعد زويكي في عام 1935، قارن إدوين هابل وريتشارد تولمان الانزياح الأحمر الركودي بالانزياح الأحمر غير الركودي، وكتبا أنهما

ومع ذلك، يميل كلا الرأيين إلى الاعتقاد بأنه إذا لم يكن الانزياح نحو الأحمر ناتجًا عن حركة التراجع، فمن المحتمل أن يتضمن تفسيره بعض المبادئ الفيزيائية الجديدة تمامًا [...] واستخدام نموذج أينشتاين الساكن للكون، إلى جانب افتراض أن الفوتونات المنبعثة من السديم تفقد طاقتها في رحلتها إلى الراصد بفعل تأثير غير معروف، يتناسب طرديًا مع المسافة، ويؤدي إلى انخفاض في التردد، دون انحراف عرضي ملحوظ. ^{[ 16 ]}

أصبحت هذه الشروط شبه مستحيلة التحقيق، ويُعد النجاح الإجمالي للتفسيرات النسبية العامة لعلاقة الانزياح الأحمر بالمسافة أحد الأسباب الرئيسية التي تجعل نموذج الانفجار العظيم للكون لا يزال هو علم الكونيات المفضل لدى الباحثين.

في أوائل خمسينيات القرن العشرين، اقترح إروين فينلي-فروندليش الانزياح الأحمر باعتباره "نتيجة فقدان الطاقة من قِبل الفوتونات المرصودة أثناء مرورها عبر مجال الإشعاع". ^{[ 17 ]} وقد استُشهد بهذا الاقتراح ودُفع عنه كتفسير لعلاقة الانزياح الأحمر بالمسافة في ورقة بحثية نُشرت عام 1962 في مجلة Nature، بقلم أستاذ الفيزياء بجامعة مانشستر، بي. إف. براون. ^{[ 18 ]} وبعد ثلاثة أشهر، كتب عالم الكونيات البارز رالف آشر ألفير رسالة إلى مجلة Nature ردًا على هذا الاقتراح، منتقدًا بشدة هذا النهج، قائلًا: "لم يُقترح أي آلية فيزيائية مقبولة عمومًا لهذا الفقد". ^{[ 19 ]} مع ذلك، وحتى ظهور ما يُسمى بـ"عصر علم الكونيات الدقيق" بفضل نتائج مسبار WMAP الفضائي ومسح الانزياح الأحمر الحديث ، ^{[ 20 ]} كان من الممكن نشر نماذج الضوء المُنهك أحيانًا في المجلات العلمية الرائدة، بما في ذلك نموذج نُشر في عدد فبراير 1979 من مجلة Nature يقترح "اضمحلال الفوتون" في زمكان منحني ^{[ 21 ]} ، والذي تعرض لانتقادات بعد خمسة أشهر في نفس المجلة لكونه غير متسق تمامًا مع ملاحظات الانزياح الأحمر التثاقلي المرصودة في حافة الشمس . ^{[ 22 ]} في عام 1986، نُشرت ورقة بحثية تدّعي أن نظريات الضوء المُنهك تُفسر الانزياح الأحمر بشكل أفضل من التوسع الكوني في مجلة Astrophysical Journal ، ^{[ 23 ]} ولكن بعد عشرة أشهر، في نفس المجلة، تبيّن أن نماذج الضوء المُنهك هذه غير متسقة مع الملاحظات الموجودة. ^{[ 24 ]} مع ازدياد دقة القياسات الكونية وتحسن الإحصاءات في مجموعات البيانات الكونية، تم دحض مقترحات الضوء الباهتة، ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} لدرجة أن الكاتب العلمي تشارلز سيف وصف النظرية في عام 2001 بأنها "كانت على هامش الفيزياء قبل 30 عامًا؛ ومع ذلك، سعى العلماء إلى الحصول على أدلة أكثر مباشرة على توسع الكون". ^{[ 25 ]}

• التشتت (البصريات)