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” ().
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.O. C. 1939. Possible applications of supernovae to the study of the nebular red shifts. Astrophysical Journal 90:634-636. Archived article (ADS) 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.Lubin and Sandage(2001), 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, url
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.
Eräitä vääriksi osoitettuja malleja thumb|right|275 px| Hubble Ultra Deep Field on kuva yli 10 miljardin valovuoden päässä olevista galakseista. Jos väsynyt valo olisi oikea selitys, nämä galaksit näkyisivät sumeammin kuin lähempänä sijaitsevat. Koska näin ei ole laita, tästä voidaan päätellä, etteivät sirontaprosessit voi aiheuttaa punasiirtymän ja etäisyyden välistä yhteyttä. On havaittu useita ilmiöitä, joiden selittäminen väsyneen valon avulla on perustavalla tavalla ongelmallista: punasiirtymä on yhtä suuri kaikilla aallonpituusalueilla sumenemista ei esiinny kaukaisimmillakaan kohteilla supernovista on havaittu yksityiskohtainen Hubblen relaatio (katso maailmankaikkeuden kiihtyvä laajeneminen) kosmologisilla etäisyyksillä esiintyviin ilmiöihin liittyy tietyn suuruinen aikadilaatio.
Vuosien kuluessa on esitetty useita väsyneen valon mekanismeja. Samassa artikkelissa, jossa Fritz Zwicky esitti tällaisia malleja, hän itse katsoi jotkin mahdollisuudet poissuljetuiksi. Yksinkertaisimmassa muodossaan väsyneen valon teoria olettaa, että fotonin edetessä sen energia pienenee eksponentiaalisesti suhteessa kuljettuun matkaan:
missä on fotonin energia sen kuljettua matkan valonlähteestä, sen energia sen lähtiessä ja vakio, joka kuvaa avaruuden tai väliaineen vastusta. Jotta tämä vastaisi Hubblen lakia, vakion on oltava useita gigaparsekeja.
Esimerkiksi Zwicky pohti, voisiko Comptonin ilmiö selittää punasiirtymän:
Tätä kosmologisilla etäisyyksillä olevien kohteiden ”sumeutta”, joka olisi odotettavissa, ei ole havaittu, joskin tämän osoittamiseen varmuudella tarvittaisiin paljon suurempia kaukoputkia kuin on käytettävissä. Vaihtoehtona Zwicky esitti eräänlaisen Sachs-Wolfen ilmiöön perustuvan selityksen:
Zwickyn omat ehdotukset esitettiin huolellisesti niin, että myöhemmät havainnot saattaisivat falsifoida ne:
Tällaista absorptioviivojen levenemistä ei ole havaittu suuren punasiirtymän omaavilla kohteillakaan, joten tämä nimenomainen hypoteesi on osoitettu vääräksi.Suuren punasiirtymän spektrejä on esitetty esimerkiksi sivulla http://astrobites.com/2011/04/27/prospecting-for-c-iv-at-high-redshifts/