Väsyneen valon teoria

Väsyneen valon teoriat ovat hypoteeseja, joiden mukaan Hubblen lain mukainen, kaukaisten galaksien valon punasiirtymän ja galaksien etäisyyden välinen yhteys aiheutuu jostakin muusta kuin galaksien etääntymisestä ja siihen liittyvästä Dopplerin ilmiöstä. Tällaisia malleja on ehdotettu vaihtoehdoksi maailman­kaikkeuden metriseen laajenemiseen perustuville kosmo­logisille teorioille kuten alkuräjähdysteorialle ja pysyvän tilan teorialle.
Tällaisen teorian esitti ensimmäisenä vuonna 1929 Fritz Zwicky, joka oletti, että fotonit menettävät vähitellen energiaansa törmätessään säännölli­sesti muihin hiukkasiin, jolloin tämä energian menetys on sitä suurempi, mitä kauempaa fotoni on kulkeutunut. Tämän vuoksi galaksien valo olisi Maahan saapuessaan menettänyt sitä suuremman osan energiastaan, mitä kauempana galaksi sijaitsee, ja koska Planckin lain mukaan valon taajuus on suoraan verrannollinen fotonin energiaan, olisi valon taajuuskin samalla pienentynyt eli se olisi muuttunut väriltään sitä punai­semmaksi, mitä kauempaa valo on tullut.
Zwicky itsekin piti teoriansa heikkona kohtana sitä, että mikä tahansa valon siroaminen saisi kaukaiset kohteet näkymään epäselvemmin kuin todellisuudessa on laita. Myöhemmin on lisäksi osoitettu, että galaksien pintakirkkaus kehittyy ajan kuluessa, ja myös kosmologisten lähteiden aikadilaatiota ja kosmisen tausta­säteilyn spektriä on tutkittu. Tällöin on havaittu ilmiöitä, joita ei esiintyisi, jos kosmologinen puna­siirtymä johtuisi valon sironta­ilmiöistä, olivatpa nämä minkä laatuisia tahansa. Vaikka uusia muunnelmia väsyneen valon teorioista edelleen silloin tällöin esitetään, havainnot eivät tue niitä ja nykyisin useimmat valta­virran astro­fyysikot eivät pidä niitä edes vakavan huomion arvoisina.

Teorian historia ja vastaanotto

Ajatus väsyneestä valosta esitettiin sen jälkeen, kun Edwin Hubble oli havainnut, että kaukaisten galaksien valon punasiirtymä oli suoraan verrannollinen niiden etäisyyteen, sikäli kuin etäisyys oli pääteltävissä. Punasiirtymä merkitsee sitä, että kohteen lähettämän valon spektri on siirtynyt kohti pienempiä energioita ja sen mukaisesti pienempiä taajuuksia, minkä yleensä selitetään johtuvan Dopplerin ilmiöstä. Kierteissumujen tutkijat kuten Vesto Slipher havaitsivat, että sijaitsivatpa tällaiset sumut millä puolella taivasta tahansa, näiden kohteiden, joiden nykyisin tiedetään olevan vieraita galakseja, oli lähes aina puna­siirtynyttä, ei sini­siirtynyttä. Koska tämä päti kaikissa suunnissa, tämän ei voitu tulkita johtuvan normaalista liikkeestä taustan suhteen, missä tapauksessa olettaisi puna- ja sini­siirtymää esiintyvän suuressa aineistossa yhtä paljon. Sen sijaan kaikki kaukaiset galaksit etääntyvät Linnunradan galaksista. Hubble havaitsi lisäksi, että tämän puna­siirtymän suuruus korreloi vahvasti galaksien etäisyyden kanssa.
Slipherin ja Hubblen havaintojen perusteella Georges Lemaître päätteli vuonna 1927, että tämä korrelaatio sopi yhteen Einsteinin gravitaatio­teorian ei-staattisten ratkaisujen kanssa, joita nimitetään Friedmann-Lemaîtren ratkaisuiksi. Lemaîtren artikkeli sai kuitenkin osakseen ansaitsemaansa huomiota vasta sen jälkeen, kun Hubble julkaisi sen vuonna 1929. Tämän ratkaisun mukainen punasiirtymän ja etäisyyden välinen yleinen yhteys voitiin selittää sillä miten laajeneva maailman­kaikkeus vaikuttaa fotoniin, joka liikkuu aika-avaruudessa valon­luontoisella radalla, jonka eri kohtien välinen intervalli on nolla. Tässä muotoilussa esiintyy edelleen Dopplerin ilmiön kaltainen ilmiö, joskin suhteellisia nopeuksia on käsiteltävä huolellisemmin, sillä laajenevassa metriikassa etäisyydet voidaan määritellä eri tavoin.
Samaan aikaan ilmiölle esitettiin muitakin selityksiä, jotka eivät olleet sopu­soinnussa yleisen suhteellisuus­teorian kanssa. Edward Milne esitti mallin, jonka mukaan suuri räjähdys selittäisi puna­siirtymät. Hänen mallinsa oli kyllä sovitettavissa yhteen erityisen, mutta ei yleisen suhteellisuus­teorian kanssa. Toiset esittivät, että jotkin systemaattiset ilmiöt selittäisivät puna­siirtymän ja etäisyyden välisen korrelaation. Tällaisten teorioiden joukkoon kuuluu myös Fritz Zwickyn vuonna 1929 ehdottama ”väsyneen valon” mekanismi. Zwicky esitti, että kulkiessaan suunnattomia välimatkoja staattisessa maailman­kaikkeudessa fotonit menettäisivät hitaasti energiaa vuoro­vaikuttaessaan aineen tai toisten fotonien kanssa taikka jollakin ennestään tunte­matto­malla fysikaalisella mekanismilla. Koska energian vähennys johtaa valon aallon­pituuden kasvuun, tämä ilmiö saisi valon spektriviivoissa aikaan puna­siirtymän, joka kasvaisi verrannollisena valon­lähteen etäisyyteen. Muutamaa vuotta myöhemmin Richard Tolman antoi tälle oletetulle ilmiölle nimen ”väsynyt valo” (engl. tired light).
On kuitenkin huomattava, että muutamien lähimpien galaksien kuten Andromedan galaksin valo on päinvastoin sini­siirtynyttä, mikä osoittaa sen lähestyvän Linnun­rataa. Tämän vuoksi väsyneen valon teorioissakin on ollut oletettava, että valo ”väsyy” merkittävästi vasta etäisyyksillä, jotka ovat selvästi suurempia kuin Andromedan galaksin etäisyys, ja että vasta niin kaukaisilla kohteilla niiden mahdollisesta lähestymisestä aiheutuva sini­siirtymä ei enää riitä kumoamaan valon väsymisestä aiheutuvaa puna­siirtymää.
Väsyneen valon mekanismit kuuluivat niiden vaihto­ehtojen joukkoon, joita esitettiin alkuräjähdysteorialle ja pysyvän tilan teorialle, jotka molemmat perustuvat yleisen suhteellisuus­teorian mukaiseen maailman­kaikkeuden laajenemiseen. Jo 1900-luvun puolivälissä useimmat kosmo­logit kannattivat jompaa­kumpaa näistä para­digmoista, mutta oli muutamia tiedemiehiä, jotka kehittivät väsyneeseen valoon perustuvia vaihto­ehtoja, varsinkin niiden joukossa, jotka kehittivät vaihto­ehtoja yleiselle suhteellisuus­teorialle. Kun havaitseva kosmologia 1900-luvun loppu­puolella kehittyi ja saatiin enemmän ja tarkempaa tietoa, alku­räjähdys­teoria sai vähitellen kaikista vaihto­ehtoisista kosmo­logisista teorioista eniten kannatusta, ja lopulta saavutettiin tieteellinen konsensus, jonka mukaan se on hyväksytty eräillä parametrien arvoilla, jotka tarkemmin määrittävät maailman­kaikkeuden tilan ja kehityksen. Nykyään väsyneen valon kosmologioita pidetään yleensä jo täysin vanhentuneina, mutta vielä 1980-luvulla monissa kosmo­logiaa käsittelevissä kirjoituksissa niitä pidettiin ainakin pohdinnan arvoisina, vaikkakin valta­virran astro­fyysikot pitivät niitä jo silloin epä­uskottavina ad hoc -selityksinä.  Myöskään Einstein ei ollut pitänyt väsyneen valon teorioita uskottavina.
Vuoden 1990 jälkeen ja vielä 2000-luvulla on tehty havaintoja, jotka osoittavat, etteivät ”väsyneen valon” hypoteesit ole kelvollisia selityksiä kosmologisille punasiirtymille.  Esimerkiksi staattisessa maailman­kaikkeudessa, jossa esiintyisi valon väsymistä, tähtien ja galaksien pintakirkkaus olisi vakio. Toisin sanoen, mitä kauempana kohde on, sitä vähemmän valoa siitä saamme, mutta kohteen näennäinen pinta-ala pienensi samassa suhteessa, joten kohteesta saapuvan valon määrä jaettuna sen näennäisellä pinta-alalla olisi vakio. Laajenevassa maailman­kaikkeudessa sen sijaan tämä suhde eli kohteen pinta­kirkkaus pienenee etäisyyden kasvaessa. Kun havaittu kohde etääntyy, siitä aika­yksikköä kohti saapuneiden fotonien määrä pienenee suhteellisesti enemmän kuin tapahtuisi ilman laajenemista, koska jokaisen fotonin on kuljettava pidempi matka kuin edellisten, ja lisäksi sen energia on hieman edellisiä pienempi, koska suurilla etäisyyksillä esiintyy suurempi punasiirtymä. Toisaalta laajenevassa maailman­kaikkeudessa kohde näyttää olevan suurempi kuin se todella on, koska se oli lähempänä silloin, kun fotonit aloittivat taipalensa. Nämä ilmiöt yhdessä aiheuttavat, että kaukaisten kohteiden pinta­kirkkaus on laajenevassa avaruudessa pienempi kuin se olisi staattisessa avaruudessa. Tämä ilmiö tunnetaan Tolmanin pintakirkkaustestinä, ja se tukee käsitystä laajenevasta maailman­kaikkeudesta eikä ole yhdistettävissä staattisiin väsyneen valon malleihin.
Punasiirtymä on suoraan havaittavissa, ja kosmologit käyttävät sitä suorana mittana sille, kuinka kauan kaukaisimmista kohteista lähtenyt valo on ollut matkalla. Usein kohteiden etäisyys ilmaistaankin puna­siirtymänä eikä vuosina tai valovuosina. Tällaisella asteikolla alkuräjähdys vastaa ääretöntä puna­siirtymää. Vaihtoehtoisissa gravitaatioteorioissa, joiden mukaan maailmankaikkeus ei laajene, on esitettävä vaihto­ehtoinen selitys puna­siirtymän ja etäisyyden väliselle yhteydelle, joka yleisen suhteellisuus­teorian mukaisesta metriikan laajenemisesta seuraa suoraan. Sellaisia teorioita sanotaan toisinaan ”väsyneen valon kosmologioiksi”, vaikkeivät kaikki tällaisten esittäjät välttämättä ole tietoisia historiallisista edeltäjistään.