Часть первая: Космологические гипотезы
Научное представление о размерах и возрасте Вселенной постоянно обновляется с появлением новых наблюдательных данных, которые не вписываются в рамки уже устаревших взглядов. Казалось бы, совсем недавно (по космическим меркам), после появления нестационарного решения уравнений теории относительности, считалось, что Вселенная возникла из сингулярной точки в результате большого взрыва и расширяется со скоростью света вот уже более 15 млрд. лет. Причем большим взрывом (Big Bang) эту нехилую процедуру сотворения Вселенной назвал Фред Хойл. Есть мнение, что это была шутка, но он не воспринимал всерьез теорию большого взрыва. У него была собственная модель стационарной Вселенной, но авторитет авторитетов был непререкаем. Борьба с альтернативным мнением в науке поставлена на широкую ногу. Возможно из-за этой модели Фред Хойл и не получил нобелевскую премию, хотя заслуги его в науке велики и кроме нее. Примерно такая же участь обструкции от науки за альтернативные взгляды постигла и армянского космолога Виктора Амбарцумяна. Его научно обоснованную идею о происхождении галактик заклеймили на ученом совете ГАИШ, назвав ее «позором нашей астрономии». В результате Виктор Амбарцумян был вынужден изложит основы своих идей в книжечке по астрономии для школьников, которая вышла в свет в издательстве «Педагогика». К идеям этих замечательных космологов мы еще вернемся, а пока посмотрим, как развивалась теория большого взрыва без шуток и до чего додумались современные теоретики космологи.
Основными раздражителями теоретиков космологов, как ни странно, являются их коллеги астрономы, которые постоянно выискивают в глубинах космоса наблюдения, компрометирующие общепризнанные теории. Так собственно и происходило с теорией большого взрыва.
Реликтовое излучение, предсказанное еще в 1948 году Гамовым с коллегами, было открыто в 1965 году Пензиасом и Вильсоном Оно послужило с одной стороны, очередным подтверждением теории большого взрыва, а с другой стороны ей же и противоречило своей однородностью и анизотропностью. Причем однородность соблюдается с точностью до 0,00001, что странно, так как любой взрыв предполагает хаос. Но в теорию не укладывается не только однородность микроволнового фона, но и неоднородность распределения материи в виде галактик, звезд и др.
Астрономы также выявили в своих наблюдениях что Вселенная в наблюдаемой части плоская, хотя по теории большого взрыва ее кривизна должна быть на много порядков больше.
Несмотря на предсказываемую теорией большого взрыва симметрию между частицами и античастицами, она не только не выполняется, а античастицы просто отсутствуют в наблюдениях. Одно из объяснений этого явления, принадлежащее А.Д. Сахарову состоит в том, что при рождении материи симметрия была с погрешностью 10^(-9), но потом все частицы и античастицы аннигилировали и из оставшейся мизерной доли частиц произошла вся материя Вселенной. Никто не сказал, что он пошутил, как это было с Фредом Хойлом, хотя тот и не шутил.
И конечно теория большого взрыва никак не объясняет наблюдаемую в природе согласованность физических констант, которую Эйнштейн обозначил вопросом: «Мне интересно, был ли у Господа хоть какой-нибудь выбор при создании мира?»
В связи с тем, что в теории большого взрыва нет ответов на перечисленные вопросы, есть множество альтернативных теорий, которые с разной степенью успешности попытались это сделать, порождая при этом много других безответных вопросов. Но принародного обсуждения и публикаций в рецензируемых журналах удостоились только такие модели, которые так или иначе связаны с общепринятой в научном сообществе теорией относительности. И дальше всех в этом плане продвинулась инфляционная теория, которая, в полном соответствии с теорией относительности, изменила сценарий рождения Вселенной в начальный период времени до 10^(-35) секунд, а дальше все происходит в полном соответствии с теорией большого взрыва. Ну как не приголубить такую сознательную теорию, можно даже разнообразными премиями отметить, но ясности все же не прибавилось, так как вместо вопросов без ответов появились параметры без определенности.
Каким же образом достигается однородность, изотропность и плоскостность в инфляционной теории? А все очень просто. Если любую неоднородную функцию растянуть на миллиард километров, а потом из этого выбрать сантиметров 10, то эту функцию на этом отрезке уже никак не отличишь от горизонтальной прямой. Примерно так и поступают в инфляционной теории. Сначала почти точку размером в 10^(-33) см расширяют до размера 10^10^12 см, а это намного порядков больше размера наблюдаемой Вселенной (10^28 см). И это все совершается за время 10^(-35) секунд. Примерно также выглядит и обоснование неоднородности наблюдаемой Вселенной. Оказывается, неоднородность в виде квантовых флуктуаций присутствовала уже в этом очень маленьком объеме. В процессе инфляции эти неоднородности сгладились и растянулись до размеров галактик, но в отличии от неоднородностей не рассосались. Очевидно, что для таких предположений эти флуктуации должны были выглядеть как периодические функции, но кванты функциями не являются. Это чисто случайные точечные события, которые могут появляться и исчезать и в процессе расширения. Еще более неестественными представляется выводы о том, что в результате инфляции зарождается множество Вселенных (фракталов), которые никак не связаны между собой и отличаются друг от друга возрастом, физическими константами и т.д. В общем самовоспроизводящаяся инфляционная Вселенная оказывается еще и многоликой.
«САМОВОСПРОИЗВОДЯЩИЙСЯ КОСМОС предстает как расширенное ветвление инфляционных пузырей. Изменения в цвете представляют «мутацию» законов физики в различных вселенных. Свойства пространства в каждом пузыре не зависят от времени его образования. В этом смысле Вселенная в целом может быть стационарной, хотя внутренность каждого пузырька описывается теорией Большого взрыва.» - Андрей Линде
Часть вторая: Свойства физического пространства
Создается такое впечатление, что как в теории большого взрыва, так и в инфляционной теории нет полной ясности не только о прошлом, но и о настоящем и будущем нашей Вселенной. Возможно, что это связано с тем, что недостаточно данных наблюдений, особенно в дальнем космосе, для верификации и развития этих теорий. В этом смысле значительно больше повезло другим разделам физики: оптике, электродинамике, атомной физике и др. где новые идеи можно проверять в экспериментальных лабораториях в присутствии и участии теоретиков.
Совсем иначе дело обстоит в астрономии и космологии. Когда наблюдательная база ограничивалась размерами Земли и созерцанием ближнего космоса, теоретической моделью Вселенной являлась геоцентрическая система Аристотеля. С появлением телескопов стало возможным наблюдать планеты солнечной системы и появилась гелиоцентрическая система, одним из авторов которой был Николай Коперник. Но оказывается еще задолго до этого, почти во времена Аристотеля, Аристарх Самосский тоже предложил считать Солнце центром мира. Что означает возможность совершения научных открытий посредством глубокого осмысления природных явлений.
А вот появление теории большого взрыва не имело таких предпосылок и стало результатом полученных Фридманом нестационарных решений уравнений теории относительности. В дальнейшем, когда с помощью космических телескопов появилась возможность наблюдать дальние области Вселенной, измерять расстояния до космических объектов, следить за их движением, оценивать их возраст и пр., стали все более отчетливо проявляться проблемы теории большого взрыва в описании реальной картины мира. Осмысление недостатков этой теории привело к появлению таких гипотетических направлений в космологии, как теория струн и инфляционная теория, которые не только усложняют представление о Вселенной, но и не имеют достаточной наблюдательной базы для поверки их умопомрачительных гипотез. Вселенная становится все более загадочной и недоступной пониманию не только широкому кругу интересующихся, но и большинству самого научного сообщества. Такая неопределенность усугубляется еще и тем, что все больше становится противоречащих друг другу теорий об устройстве макро- и микромира. Это никак не согласуется с тем что, какая бы не была Вселенная, она является творением абсолютно неразумной природы, которая вряд ли способна на столь изощренный полет фантазии, присущий некоторым теоретикам от космологии. В том, что это действительно фантазии можно убедиться на примере анализа смещения перигелия Меркурия, который получил широкую известность в связи с тем, что вовремя послужил единственным к тому времени подтверждением теории относительности.
Аномальное смещение перигелия Меркурия составляет 43 угловые секунды за 100 земных или 417 меркурианских лет. Аномальным оно считается потому что не имеет объяснения в рамках ньютоновской механики. В теории относительности смещение объясняется релятивистскими эффектами, суть которых сводится к деформации пространства-времени под действием солнечной гравитации. Точно такую же формулу расчета смещения еще до Эйнштейна получил немецкий ученый Пауль Гербер и объяснял он эту аномальность запаздываем гравитационного воздействия. Гербер справедливо полагал, что гравитация распространяется не мгновенно, как это принято в ньютоновской механике, а имеет конечную скорость. Очевидно, что если гравитационно воздействие запаздывает, то сила тяготения изменяет и свое направление на орбите Меркурия, то есть она не направлена в центр Солнца как это прописано в законе всемирного тяготения.
В статье Кручение пространства вращающейся звездой я предположил, что Солнце своим вращением увлекает окружающее физическое пространство и искривляет гравитационное поле. В результате получилась совершенно иная формула для смещения перигелия Меркурия и формула для коэффициента увлечения пространства вращающимися телами. Согласно этой формуле коэффициент увлечения для Земли равен 0,00001, то есть наша планета своим вращением практически не увлекает окружающее пространство. Справедливость такого вывода следует из совпадения с данными наблюдений расчета по новым формулам смещения перигелия Луны. Это также объясняет отрицательный результат в опытах Майкельсона-Морли, так как Земля оказывается не способна увлечь окружающее физическое пространство, в том числе и гипотетический эфир.
Пример со смещением Меркурия со всей очевидностью показывает, что пространство участвует в гравитационно взаимодействии космических тел. Вопрос только в том, какие его физические свойства этому способствуют и как это отличается от искривления пространства-времени в теории относительности. Здесь, как и в инфляционной теории, надо обратиться к физике элементарных частиц, которая предполагает, что пространство заполнено различными скалярными полями, которые выглядят как вакуум и проявляют себя лишь через свойства элементарных частиц. По этой аналогии можно предположить, что воображаемое геометрическое пространство заполнено скалярным полем, свойства которого незначительно отличаются от свойств космологического вакуума. Как известно, в космологическом вакууме для создания антигравитации имеет место отрицательное давление, которое обеспечивается соответствующим видом уравнения состояния, знаком минус перед правой частью. Но такой же результат можно получить если предположить, что плотность скалярного поля отрицательная. В этом, трудно воспринимаемом, но очень перспективном предположении и состоит незначительное отличие уравнения состояния физического пространства от уравнения состояния космологического вакуума. О том какие проблемы легко и просто решаются с отрицательной плотностью физического пространства можно прочитать здесь. Самое интересное, что журнал Astronomy & Astrophysics публикует статью о том, что поиски темной материи можно заменить на поиски жидкости с отрицательной массой только потому, что космологическая модель автора не противоречит теории относительности. Такое впечатление, что страх обструкции обуял не только теоретиков от космологии, но и всех причастных к тиражированию их околонаучных идей. Это при том, что теория физического пространства без привлечения теории относительности значительно проще «объясняет большинство эффектов, которые принято списывать на темную энергию, том числе расширение Вселенной, образование крупномасштабной структуры и т.д.». Печально, что читатели уважаемого журнала не узнают из официально опубликованной статьи «Гравитация и законы Ньютона в физическом пространстве» (Деп. в ВИНИТИ РАН 27.02.2024 № 5-В2024), что Вселенная расширяется не потому, что есть мифическая темная энергия, а потому что она так устроена, что не может не расширяться.
Лирическое отступление:
В журнале Успехи физических наук за 1981 год была опубликована статья Зельдовича Я.Б. «Теория вакуума, может быть, решает загадку космологии». Пройти мимо такого названия, которое полностью совпадает с твоим мироощущением было просто невозможно. Во введении есть такая рекомендация: «Физики-теоретики могут без ущерба пропустить гл.2, гл.3 и первую половину гл.4». После прочтения статьи, которая посвящена в основном описанию состоянию космологического вакуума в самом начале рождения Вселенной, и учитывая преимущества физического пространства перед космологическим вакуумом, я бы рекомендовал пропустить без ущерба все главы, чтобы не портить впечатление от названия статьи. Автор конечно большой ученый и успел реализовать многие свои научные идеи, но поход в космологию с целью расширить уже имеющиеся, но глубоко ошибочные, знания о Вселенной не сулил ничего достойного его пера. Это, кстати относится ко многим физикам теоретикам, которые съели собаку на расщеплении атома, а потом решили, что они могут точно также собрать его в условиях открытого космоса. Поэтому именно этому нетривиальному процессу посвящено больше половины содержания книг по космологии.
Еще до Зельдовича было сказано, что «космологи часто ошибаются, но никогда не сомневаются». А Зельдович справедливо отметил: «что для теоретиков, занимающихся астрономическими проблемами, нет угрозы безработицы. Прикосновение к великой тайне начала Вселенной является, может быть, самым волнующим моментом в развитии естественных наук. Счастье жить в такое время и ощущать драматический момент мужания человеческого познания».
Чем же принципиально отличается свойства эфира, физического пространства и космологического вакуума, который по мнению Зельдовича может решить проблемы космологии в теории относительности? Различий очень много, но наиболее существенные приведены в таблице:
Часть третья: Гипотетическая и неизбежная
Так как гравитация зарождается в недрах материи, нельзя избежать гипотетического анализа микромира материи. Этим занимаются космологи, но их интересует происхождение материи в самом начале большого взрыва. Этим занимаются физики, но они не добираются до неделимых частиц материи. Таких гипотез они даже не измышляют. Но из гипотезы о том, что само пространство является антиматерией по отношению к материи следует, что материя однозначно должна состоять из неделимых частиц. Иначе невозможно обеспечить абсолютное, а не приближенное даже с очень высокой точностью, количественное равенство, равно как и выполнение законов сохранения материи/энергии. Аналогом квантовой Вселенной на микроуровне в теории физического пространства является пиксельная Вселенная.
Описанный циклический процесс преобразования материи (+1) и физического пространства (-1) через абсолютную пустоту (0) имеет место для каждой неделимой частицы материи. Это ее образ существования. Причем, если бы не было обратного процесса, то материя исчезла бы навсегда, как и пространство для ее существования. А этот процесс обеспечивает выполнение законов сохранения материи и энергии при любых преобразованиях и является подтверждением того, что природа не терпит пустоты. Но этот процесс может быть и групповым, когда одновременно аннигилирует значительной количество неделимых частиц материи. В этом случае образуется эквивалентный объем абсолютной пустоты, на поверхности которого происходит обратный процесс образования материи и физического пространства. При этом неделимые частицы материи объединяются в элементарные частицы, кварки и прочее, вплоть до атомов. В таком объединенном виде уже невозможна никакая групповая аннигиляция.
Чтобы имела место групповая аннигиляция необходимо, чтобы материя распалась на неделимые частицы, а это может произойти только в экстремальных условиях. Такие условия реализуются, например, при гравитационном коллапсе, когда значительное давление ограничивает движение настолько, что существование организованной материи становится невозможным. В результате вместо сингулярности по давлению образуется абсолютная пустота, напоминающая по своим свойствам белую дыру.
Здесь уместно обратиться к гипотезам Зельдовича Б.Я. из уже цитированной статьи про сингулярность и белую дыру:
«Сингулярность при коллапсе звезды не очень опасна: она скрыта черной дырой. … Точнее, надо было бы сказать, что коллапс опасен для того, кто падает в черную дыру, но безопасен для далекого ≪постороннего≫ наблюдателя.
Но в космологии сингулярность становится проблемой: она появляется не в конце, а в самом начале эволюции Вселенной. Бесконечная плотность в начале эволюции есть общий удел всего вещества, заполняющего в настоящее время Вселенную. Иногда говорят о Вселенной как о гигантской черной (или, точнее, белой) дыре, через которую прошло все сущее.»
Черная дыра от белой отличается тем, что первая поглощает материю, а вторая ее порождает. В этом смысле, при коллапсе звезды образуется белая дыра, которая порождает материю при последующей взрывной фрагментации, а сухим остатком может стать черная дыра.
Часть четвертая: Неизведанная Вселенная
В связи с открытием реликтового излучения, которое окрестили еще одним подтверждением большого взрыва и Фред Хойл, и Виктор Амбарцумян не отвергали саму идею взрыва, но ни полагали, что материя образуется не в результате конденсации космической пыли, а зарождается вместе с галактикой. Об это хорошо написано в книге профессора МГУ О.К. Стрельченко «Происхождение и эволюция галактик»:
«Что касается основного элемента процесса формирования всех типов галактик, т. е. образования звезд, то в середине XX века существовали две конкурирующие концепции: космогония Дж. Джинса, для которой ключевое слово — «конденсация», и космогония В. А. Амбарцумяна, ключевое слово — «разлет». Согласно концепции Джинса, звезды (и галактики) образовывались в результате гравитационного коллапса (сжатия) и сопутствующей ему фрагментации газовых облаков. Концепция же Амбарцумяна вдохновлялась загадочной тогда колоссальной энергетикой активных ядер галактик. Предполагалось, что в них существует некое «дозвездное вещество», которое обладает кучей неизвестных свойств, поскольку сама природа его неизвестна, а также одним известным свойством: оно само по себе разлетается (взрывается) с мощным выделением энергии, и из его брызг и образуются звезды. Таким образом, предполагалось, что изначально было ядро галактики, а потом вокруг него уже надстраивались все остальные структуры галактики. Несмотря на энтузиазм и талант Амбарцумяна и его сотрудников и многолетние усилия большой и хорошо оснащенной Бюраканской обсерватории в Армении, детализировать природу «дозвездного вещества», источник его энергетики и механизм его разлета так и не удалось. В итоге окончательно победила концепция Джинса.»
В то время, черная дыра была сомнительной гипотезой, а идеи белой дыры вообще не существовало. Поэтому Амбарцумян особо с ортодоксами не спорил. Сегодня абсолютная пустота, аналогом которой является белая дыра, очень просто отвечает не все эти вопросы. Источником энергии абсолютной пустоты является аннигилированная в результате коллапса материя. Природа ее на удивление элементарна – она пуста и плотность ее равна нулю, в отличии от окружающего физического пространства с отрицательной плотностью. Разрывает пустоту образующаяся материя, а разлетаются ее части из-за образования на их поверхности еще и физического пространства с отрицательным давлением.
Есть еще три обстоятельства, которые являются следствиями гипотез теории физического пространства:
Во-первых, крупномасштабная аннигиляция физического пространства создает его поток в сторону области аннигиляции, соответственно возникают гравитационные силы, направленные против потока, которые и увлекают материальную оболочку сверхновой создавая впечатление взрыва.
Во-вторых, микроволновое фоновое излучение называется реликтовым в пустом пространстве, где нет других причин для ее обоснования, а когда пространство имеет физические свойства, то это излучение является возмущением, которое создает в ткани пространства присутствующая во Вселенной материя.
В-третьих, физическое пространство находится в состоянии однородного растяжения, и оно не может быть никак ограничено. Вообще проблема границы имеет существенное значение для всех моделей Вселенной, кроме замкнутых через другие измерения. В теории физического пространства изначально предполагается, что природа не способна на такого рода ухищрения.
С учетом всего вышеизложенного можно заключить, что крупномасштабная аннигиляция может периодически случаться с любым космическим объектом, способным в результате сжатия создать экстремальные для материи условия. Такими объектами могут быть массивные звезды, с массой свыше 40 M⊙ , галактики и даже наша мини-Вселенная, которая является частью неограниченной макси-Вселенной. Эти события могут происходить независимо друг от друга, как например имеют место взрывы сверхновых, происходящие в нашу эпоху, или квазары, которые являются протогалактиками в далеком прошлом и из них, по наблюдениям телескопа James Webb, рождаются звезды.
Таким образом, вместо фрактальной Вселенной, с неизвестно каким образом разнесенными в разные стороны разнообразными Вселенными, имеет место неограниченная макси-Вселенная, в которой мирно уживаются мини-Вселенные тоже в неограниченном количестве. Учитывая, что всем рулит физическое пространство, то никакого различия в структуре и материи этих Вселенных нет. Наехать друг на друга или разъехаться в разные стороны они тоже не могут, так как плотность физического пространства и средняя плотность материи одна и та же в любой части макси-Вселенной.
Вот такая она – неизведанная Вселенная.
Гаджиев Магомед Гаджиевич, 1953 года рождения
Мехмат МГУ имени М.В.Ломоносова 1969-1974
Кандидат физико-математических наук 1980