Номер 3, страница 250 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Вопросы. § 67. Расширение и эволюция вселенной. Глава 9. Эволюция Вселенной - номер 3, страница 250.

3. Что такое красное смещение спектральных линий?

Красное смещение спектральных линий — это явление, при котором длина волны электромагнитного излучения (например, света), принимаемого от астрономического объекта, увеличивается по сравнению с длиной волны, которую этот объект испустил. Название связано с тем, что для видимого света это смещение происходит в сторону красной, более длинноволновой части спектра. Если бы смещение происходило в коротковолновую сторону, его бы называли синим (или фиолетовым) смещением.

Суть явления связана со спектральными линиями. Атомы каждого химического элемента поглощают и излучают свет строго на определённых, характерных только для них длинах волн. В спектре звезды или галактики эти длины волн видны как тёмные (линии поглощения) или яркие (линии излучения) полосы. Эти линии служат уникальным "штрихкодом" химического состава объекта. Наблюдая спектр далёкого объекта, астрономы видят знакомый узор линий, но сдвинутый целиком в красную сторону. Сравнивая наблюдаемое положение линий с их эталонным (лабораторным) положением, можно точно измерить величину смещения.

Величина красного смещения обозначается безразмерной величиной $z$ и определяется по формуле:

$z = \frac{\lambda_{набл} - \lambda_{исп}}{\lambda_{исп}}$

где $\lambda_{набл}$ — наблюдаемая длина волны, а $\lambda_{исп}$ — длина волны, испущенная источником (в состоянии покоя).

Выделяют три основные причины красного смещения:

1. Доплеровское красное смещение: Возникает из-за эффекта Доплера, когда источник света удаляется от наблюдателя. Волновые фронты света как бы "растягиваются" для наблюдателя, что приводит к увеличению длины волны. Этот тип смещения позволяет измерять скорости движения звёзд внутри нашей Галактики или скорости вращения галактик.
2. Космологическое красное смещение: Это основная причина красного смещения для далёких галактик. Оно вызвано не их собственным движением сквозь пространство, а расширением самого пространства-времени. Пока фотон света путешествует миллиарды лет от далёкой галактики к нам, пространство между этой галактикой и нами расширяется, растягивая вместе с собой и длину волны фотона. Наблюдение этого эффекта, сделанное Эдвином Хабблом, стало главным доказательством расширяющейся Вселенной.
3. Гравитационное красное смещение: Предсказано общей теорией относительности Эйнштейна. Фотон, покидая область с сильным гравитационным полем (например, поверхность массивной звезды или окрестности чёрной дыры), теряет энергию на преодоление гравитационного притяжения. Поскольку энергия фотона обратно пропорциональна его длине волны ($E = hc/\lambda$), потеря энергии приводит к увеличению длины волны. Этот эффект наблюдается у массивных компактных объектов, таких как белые карлики и нейтронные звёзды.

Таким образом, красное смещение является одним из важнейших инструментов современной астрофизики и космологии, позволяя измерять скорости, расстояния до галактик, а также изучать фундаментальные свойства Вселенной, такие как её расширение и возраст.

Ответ: Красное смещение спектральных линий — это наблюдаемое явление увеличения длины волны света от удалённых астрономических объектов, которое проявляется как сдвиг их спектральных линий (характерных "отпечатков" химических элементов) в красную, длинноволновую часть спектра. Оно может быть вызвано тремя причинами: эффектом Доплера (удаление источника от наблюдателя), космологическим расширением пространства (растяжение самой ткани пространства-времени) и гравитацией (потеря энергии светом при выходе из сильного гравитационного поля). Измерение красного смещения является ключевым методом для определения расстояний до галактик и служит основным доказательством расширения Вселенной.