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Lichtermüdung, auch Photonenalterung, ist eine physikalische Hypothese, die aufgestellt wurde, um die bei weit entfernten Himmelskörpern auftretende kosmologische Rotverschiebung in Übereinstimmung mit einem statischen Universum zu erklären. Als Ursache wurde ein Energieverlust der Photonen des Lichts auf dem Weg von der Quelle zum Beobachter in Erwägung gezogen, für den jedoch kein überzeugender physikalischer Mechanismus angegeben werden konnte. Experimentelle Befunde sprechen klar zu Gunsten der Expansion des Universums, d. h. der Expansion des Raums gemäß der allgemeinen Relativitätstheorie, und gegen ein statisches Universum. Lichtermüdung wird deshalb von der überwiegenden Mehrheit der Wissenschaftler nicht als ernsthafte Alternative in Betracht gezogen.[1]

Geschichte der Hypothese und Begründungsversuche

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts fand Max Planck die Formel ${\displaystyle E=h\nu }$, die Grundlage der Quantenphysik. Sie besagt, dass elektromagnetische Wellen in unteilbaren Paketen kommen, und je höher die Frequenz ${\displaystyle \nu }$ der Welle ist, desto mehr Energie ${\displaystyle E}$ besitzen die Pakete. Demzufolge würde Licht, das Energie verliert („ermüdet“), seine Frequenz nach Rot verschieben.

Der Astronom Edwin Hubble entdeckte 1929, dass sich das Licht von Galaxien umso mehr nach Rot verschiebt, je weiter sie von uns entfernt sind. Wenn die Galaxien sich während der Messung vom Messgerät entfernten, ist eine solche Verschiebung zu erwarten.

Fritz Zwicky bot im gleichen Jahr wie Hubble eine alternative Deutung dieser Beobachtung an, nämlich dass Licht proportional zu der zurückgelegten Entfernung Energie verliert.[2] Er vermutete zunächst, dass eine „Gravitationsreibung“, eine Wechselwirkung mit der Materie über Schwerkraft, dafür verantwortlich sein könne. Auch der Physiker Robert Andrews Millikan lobte die Eleganz dieser Idee in einem Brief vom 15. Mai 1952 an Grote Reber: „Ich stimme mit Ihnen überein, dass die Hypothese der Lichtermüdung einfacher und weniger irrational ist.“[3]

Im Gegensatz zur Urknalltheorie würde die Theorie der Lichtermüdung auf ein statisches Universum hindeuten. (Das Konzept eines statischen Universums darf nicht mit der Steady-State-Theorie verwechselt werden, da nach letzterer die Rotverschiebung wie in der Urknalltheorie mit der Expansion des Raumes begründet wird.)

Verschiedene Mechanismen zur Erklärung der Lichtermüdung wurden vorgeschlagen, beispielsweise als Streueffekt (Compton-Effekt), als Nebenwirkung der Quantenmechanik von de Broglie[4] oder LaViolette[5].

Gegenwärtiger Stand

Lichtermüdung wurde bis etwa Mitte des 20. Jahrhunderts als mögliche Ursache der kosmologischen Rotverschiebung diskutiert, danach aber von Kosmologen zunehmend als nicht zutreffend angesehen. Aufgrund der experimentellen Bestätigungen und der theoretischen Stimmigkeit der Expansion des Universums werden Modelle zur Lichtermüdung nur noch außerhalb des wissenschaftlichen Mainstreams vertreten.[1] Argumente gegen die Lichtermüdung sind zum Beispiel:

• Die beobachtete Dauer von Supernovae korreliert mit der Rotverschiebung, was in Übereinstimmung mit der Expansion ist, und der Lichtermüdung widerspricht.[6][7][8]

• „Tolmans Test der Oberflächenhelligkeit“ besagt, dass in einem expandierenden Universum weiter entfernte Himmelskörper bzw. Galaxien an Helligkeit verlieren müssten, während in einem statischen Universum die Helligkeit gleich bleibt oder nur in einem sehr viel geringeren Ausmaß kleiner wird. Tatsächlich wurde eine Abnahme gemäß der Expansion beobachtet.[9][10]

• Das beobachtete thermale Spektrum der kosmischen Hintergrundstrahlung (Schwarzkörperstrahlung) ist unverträglich mit Lichtermüdung, denn die Photonendichte würde bei Gültigkeit dieser Hypothese gleich bleiben und eine Rotverschiebung folglich das Spektrum nicht-thermal machen. Die Modellvorstellung des expandierenden Universums garantiert hingegen, dass die Hintergrundstrahlung weiterhin die Eigenschaften einer Schwarzkörperstrahlung beibehält.[11]

• Bei Streuung als Ursache der Lichtermüdung würde das Bild entfernter Objekte unscharf erscheinen, was nicht beobachtet wird.[9]^{:S. 4}

Weblinks

• Wird Licht müde? aus der Fernseh-Sendereihe alpha-Centauri (ca. 15 Minuten). Erstmals ausgestrahlt am 17. Mär. 2002.
• Wright, E. L.: Errors in Tired Light Cosmology. 24. April 2008. Abgerufen am 16. Dezember 2011.

Quellen

1. Charles Seife: "Tired-Light" Hypothesis Gets Re-Tired. Science. 28. Juni 2001. Abgerufen am 17. Mai 2022.
2. Zwicky, F.: On the Red Shift of Spectral Lines through Interstellar Space. In: PNAS. 15, 1929, S. 773–779.
3. The Biblical Astronomer vol. 14, no 108, spring 2004, p.33 (PDF; 419 kB)
4. J. R. Croca: Beyond noncausal quantum physics. In: Modern Nonlinear Optics, Part 2, Second edition (= Advances in Chemical Physics, vol. 119), Wiley, New York 2001, ISBN 0-471-38931-5, S. 501 ff., insbesondere S. 531 ff. (eingeschränkte Vorschau)
5. Laviolette, P. A.: Is the universe really expanding?. In: The Astrophysical Journal. 301, Nr. 1, 1986, S. 544–553. bibcode:1986ApJ...301..544L.
6. Goldhaber et al.: Timescale Stretch Parameterization of Type Ia Supernova B-Band Light Curves. In: The Astrophysical Journal. 558, Nr. 1, 2005, S. 359–368. arxiv:astro-ph/0104382. bibcode:2001ApJ...558..359G. doi:10.1086/322460.
7. Foley et al.: A Definitive Measurement of Time Dilation in the Spectral Evolution of the Moderate-Redshift Type Ia Supernova 1997ex. In: The Astrophysical Journal. 626, Nr. 1, 2005, S. L11-L14. arxiv:astro-ph/0504481. bibcode:2005ApJ...626L..11F. doi:10.1086/431241.
8. Blondin et al.: Time Dilation in Type Ia Supernova Spectra at High Redshift. In: The Astrophysical Journal. 682, Nr. 2, 2008, S. 724–736. arxiv:0804.3595. bibcode:2008ApJ...682..724B. doi:10.1086/589568.
9. Lubin, Lori M.; Sandage, Allan: The Tolman Surface Brightness Test for the Reality of the Expansion. IV. A Measurement of the Tolman Signal and the Luminosity Evolution of Early-Type Galaxies. In: The Astronomical Journal. 122, Nr. 3, 2001, S. 1084–1103. arxiv:astro-ph/0106566. bibcode:2001AJ....122.1084L. doi:10.1086/322134.
10. Hathi, N. P.; Malhotra, S.; Rhoads, J. E.: Starburst Intensity Limit of Galaxies at z~=5-6. In: The Astrophysical Journal. 673, Nr. 2, 2007, S. 686–693. arxiv:0709.0520. bibcode:2008ApJ...673..686H. doi:10.1086/524836.
11. Peebles, P. J. E.: The Standard Cosmological Model. In: M. Greco (Hrsg.): Le Rencontres de Physique de la Valle d'Aoste 1998, arxiv:astro-ph/9806201, bibcode:1998astro.ph..6201P.

На других языках

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- [de] Lichtermüdung

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[en] Tired light

Tired light is a class of hypothetical redshift mechanisms that was proposed as an alternative explanation for the redshift-distance relationship. These models have been proposed as alternatives to the models that require metric expansion of space of which the Big Bang and the Steady State cosmologies are the most famous examples. The concept was first proposed in 1929 by Fritz Zwicky, who suggested that if photons lost energy over time through collisions with other particles in a regular way, the more distant objects would appear redder than more nearby ones. Zwicky himself acknowledged that any sort of scattering of light would blur the images of distant objects more than what is seen. Additionally, the surface brightness of galaxies evolving with time, time dilation of cosmological sources, and a thermal spectrum of the cosmic microwave background have been observed—these effects should not be present if the cosmological redshift was due to any tired light scattering mechanism.[1][2][3] Despite periodic re-examination of the concept, tired light has not been supported by observational tests and remains a fringe topic in astrophysics.[4]

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[es] Luz cansada

La luz cansada (en inglés: tired light) es una teoría propuesta por Albert Einstein para reconciliar su teoría del universo estático con la observación de la expansión del universo. Esto último se deduce de la observación de un corrimiento al rojo proporcional a la distancia a las galaxias, esta idea fue defendida por Fritz Zwicky en 1929 como una explicación alternativa posible. El término fue acuñado por Richard Tolman como una interpretación alternativa de Georges Lemaitre y Edwin Hubble universo corrimiento al rojo. Hubble y Lemaitre creían que el corrimiento al rojo cósmico fue causada por el estiramiento de las ondas de luz a medida que viajan en el espacio en expansión; Zwicky creía que el corrimiento al rojo cósmico era causado por los fotones de energía que va perdiendo con la distancia, probablemente debido a los campos gravitatorios de la resistencia entre la fuente y el detector. Otra explicación sería la Producción de pares Breit-Wheeler, José Comas y Solá se refirió a algo similar en la edición de 1933 de su obra 'Astronomía', pag 197 (Labor)

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