Document 258058
advertisement
В. КРЫЛОВ ЭВРИСТИЧЕСКИЙ ВЗГЛЯД ОТНОСИТЕЛЬНО НЕКОТОРЫХ ВОПРОСОВ КОСМОЛОГИИ Фундаментом космологических исследований является, как известно, совокупность основных физических теорий, таких, как квантовая механика, специальная теория относительности и общая теория относительности. Наблюдательная астрономия является источником тех фактических данных о Вселенной, которые нуждаются в космологическом истолковании и служат для проверки правильности любой космологической теории. Наконец, направляющую роль при выполнении космологических исследований играют, взятые за исходные, методические философские принципы. Но как бы стремительно не развивались теоретические исследования, ценность математических моделей определяется тем, насколько корректно и полно они объясняют факты: - Вселенная нестационарна, расширение Метагалактики подчиняется закону Хаббла; - светящаяся материя в масштабе порядка 100 Мегапарсек однородна и изотропна; - существующее реликтовое излучение изотропно и имеет тепловой спектр, соответствующий температуре 2,7 К; - во Вселенной на метагалактическом уровне существуют галактики, галактические скопления и ячеистые структуры; -все космические объекты представляют собой исторические образования. Следует отметить, что решение космологических проблем еще очень осложнено недостаточным количеством исходного наблюдательного материала. Современные знания о Вселенной не являются истиной в последней инстанции, так как существующая физическая теория сталкивается с глубокими и серьезными трудностями и не дает ответа на ряд фундаментальных вопросов. Астрономия и космология предоставляют экспериментальные факты, явно свидетельствующие о неполноте теории «элементарных частиц». Сегодня, к сожалению, не существует последовательной теории сильных и слабых взаимодействий, неизвестно, применимы ли используемые пространственно- временные представления для -15 -16 -25 -26 масштабов меньших 10 - 10 см и 10 - 1 сек. Не построена квантовая теория гравитационного поля и, тем самым, использование общей теории относительности ограничено классической (неквантовой) областью. Отсутствует общепризнанная физическая теория квазаров. Не решен вопрос о фиксации топологии 3-мерного пространства Вселенной. Далека от решения проблема физической природы тёмной материи. 1 Теория «Большого взрыва» утверждает, что в прошлом Вселенной существовал такой момент, когда плотность была бесконечной и этот момент отстоит от нас на 10-20 млрд. лет. Тогда вся материя Вселенной была сосредоточена, якобы, в виде различных элементарных частиц в одном месте в необычайно малом объеме порядка планковских -33 расстояний (около 10 93 см) с плотностью равной 10 г/см3 при температуре 27 Т= 10 К. -35 -30 Тогда в промежутке времени от 10 сек. до 10 сек. вся наблюдаемая сейчас Вселенная возникла благодаря гигантскому взрыву этой исходной космической материи. При этом утверждается, что «...взрыв, который произошел одновременно везде, заполнил с самого начала все пространство, причем каждая частица устремилась прочь от любой другой частицы». Произошел «Большой взрыв» (в оригинале - «Big Bang»«Большой бум»), с которого началась история расширяющейся Вселенной. С точки зрения математической логики рассуждение о быстром, в течение одного мгновения, возникновении Вселенной, а затем ее «раздувании» (или инфляции), безукоризненно. Но само по себе оно ничего не доказывает, поскольку логическая непротиворечивость еще не является доказательством существования в физическом смысле. Необходимо иметь в виду, что состояние «Большого взрыва» достигается за время порядка -35 10 секунды от начала Мира. Кроме того, Стандартная модель не позволяет описывать эту особую точку, поскольку законы физики неприменимы к точке, соответствующей бесконечной плотности материи и энергии. Используемые в теории инфляционирующей, «раздувающейся» Вселенной математические модели скалярных полей не очень хорошо стыкуются с тем, что предсказывают различные теории элементарных частиц. Это настораживающее обстоятельство, поскольку здесь возникают противоречия между требуемыми свойствами квантового поля и математически точными результатами, следующими из теории элементарных частиц. Кроме этого, согласно существующим представлениям, никакой центральной «точки разлёта» принципиально существовать не может, а формальная бесконечность какой-либо величины в теории — верный признак того, что сама теория в этом случае «отказывает». Бесконечное значение плотности означает, скорее всего, что в исходный момент физические условия во Вселенной были столь необычными, что ни общей теории относительности, ни вообще современной физики недостаточно для их правильного понимания. Что действительно произошло тогда и каким образом всему веществу Вселенной были сообщены начальные скорости расширения, неизвестно. И это составляет, пожалуй, самую трудную проблему современной астрономии и физики. 2 Теория «Большого взрыва» предполагает, что все галактики, в том числе и наша Галактика, с большой скоростью удаляются не только от наблюдателя, но и друг от друга. Это проявляется в общем разбегании галактик, в их взаимном удалении — чем больше красное смещение (эффект Доплера), тем дальше от нас галактика; чем дальше галактики отстоят друг от друга, тем с большей скоростью они удаляются друг от друга. Теоретический вывод, что пространство наблюдаемой Метагалактики нестационарно, оно расширяется, стал теперь общепризнанным. По закону, предсказанному теорией А.А. Фридмана и найденному Э.Хабблом, галактики удаляются от нас со скоростями V, пропорциональными расстояниям D до них: V = HD (1) ,где Н — коэффициент пропорциональности — постоянная Хаббла. Удаление галактик вызывает смещение их излучения в красную сторону спектра в результате эффекта Доплера. Зависимость красного смещения Z от скорости удаления V дается соотношением: Z = V/c (2) Из закона Хаббла (1) и соотношения (2) следует связь между красным смещением и расстоянием до источника: Z = H D/ c или D = Zc/H. Этой формулой пользуются для определения расстояний до галактик и скоплений галактик. На основании этих формул нашли, что расстояние до ближайшей к нам галактики Туманность Андромеды составляет 2,5 млн. световых лет, до квазара ЗС 273 — 3 млрд. св. лет, а до квазара ЗС 48 — 3,7 млрд. св. лет. Свету необходимо миллионы и миллиарды лет, чтобы преодолеть расстояния, отделяющие нас от этих космических объектов. Астрономы наблюдают их такими, какими они были миллионы и миллиарды лет назад, видят далекое прошлое Вселенной. Чем дальше от нас находится тот или иной объект, тем в более далеком прошлом мы его наблюдаем. Но ведь известно, что расстояние между двумя любыми объектами и скорость его изменения — это величины, зависящие от системы отсчета. И при этом необходимо уточнить, что такое вообще скорость движения какоголибо объекта. Это — всегда скорость движения по отношению к определенной системе отсчета. Более того, по отношению к той точке этой системы, через которую объект в данный момент проходит. Поэтому говорить о скорости движения объекта по отношению к какой-либо другой точке, которая находится на определенном расстоянии, или по отношению к другому объекту, существующему в другую эпоху, строго говоря, не имеет никакого смысла. Что же в таком случае представляет собой скорость движения какой либо галактики по отношению к земному наблюдателю? Очевидно, такое понятие вообще лишено смысла, так как мы разобщены и в пространстве и во времени. О какой же скорости в таком случает все же можно говорить? Только о скорости движения галактики по отношению к какой-либо определенной системе отсчета, охватывающей и ту область, и ту эпоху, в которой существуем мы; и ту область, и ту эпоху, в которой находилась галактика в момент выхода светового луча. Но подобную систему отсчета можно построить в том случае, если по отношению к ней наша собственная скорость равна нулю. Тогда скорость остальных галактик 3 будет, видимо, зависеть от того, деформируется ли наша система отсчета с течением времени, а если деформируется, то как именно. Естественно было бы выбрать недеформирующуюся (жесткую) систему отсчета. Но это невозможно, так как в результате взаимного удаления галактик изменяется плотность распределения масс, а вследствие этого — и геометрия пространства. В принципе, есть еще одно физическое явление, обладающее такими же особенностями, как и эффект Доплера. Когда излучение распространяется в поле тяготения, то его частота изменяется так же, как и при взаимном удалении источника от приемника. В случае метагалактического красного смещения этот эффект, известный под названием «гравитационного смещения» или «эффекта Эйнштейна», по своей величине представляет определенный противовес значению, которому придается эффект Доплера. Что же касается красного смещения квазаров, то здесь имеются рекордсмены. Большое красное смещение открыто в 1982 году — это Z =3,78. Но имеются данные и об объектах с Z = 8-10 или даже больше. Но мало кто особенно обращает внимание на то, что при красных смещениях, превышающих единицу, формулы (1) и (2), связывающие красное смещение со скоростью удаления источника и расстоянием до него, уже неприменимы, так как на гигантских расстояниях до них проявляются свойства кривизны пространства-времени, характеризующие общую геометрию Вселенной. Закон Хаббла не считается точным для таких объектов, скорость которых больше 100 тыс. км/сек. Большому значению красного смещения Z = 3,78 отвечает расстояние 16 млрд. световых лет. Принимаемый сейчас свет испущен этим квазаром 16 млрд. лет назад, когда нашей Солнечной системы еще не существовало. Если принимать эти расстояния как верные, то квазары являются наиболее удаленными от нас объектами Вселенной. На краю «обжитой» области, которой представляется нам наблюдаемая Метагалактика, в далеком прошлом находились не укладывающиеся ни в какие теоретические рамки «монстры» — квазары, которые больше обычных звезд, но гораздо меньше, например, нашей Галактики. Они являются самыми мощными во Вселенной источниками излучения, которое больше энергии, чем создают сотни больших галактик, насчитывающих в своем составе в общей сложности до 10 тыс. млрд. звезд. Возникает, естественно, вопрос - каким это образом (16 млрд. лет назад) этот объект мог уже оказаться «на краю» наблюдаемой Метагалактики приблизительно через 2-4 млрд. лет после «Большого взрыва»? И здесь, видимо, следует знать, что это за образования, какую роль играют они в развитии Вселенной. Известно, что почти все известные квазары — одинокие объекты. Родственны квазарам и так называемые лацертиды, которые расположены на расстояниях, сравнимыми с расстояниями до далеких квазаров. Особенно бурные процессы протекают в ядрах сейфертовских галактик. Их излучение переменно, что, как и в случае квазаров, указывает на интенсивные процессы, происходящие в ядрах сейфертовских галактик. С другой стороны, близкие к квазарам по свойствам радиогалактики, как правило, входят в скопления галактик и являются их 4 центральными членами, наиболее яркими и. активными. В этой связи высказываются предположения, что квазары — это не что иное, как «протоскопления» галактик, то есть объекты, в результате дальнейшей эволюции которых возникли галактики и скопления галактик. В пользу такого предположения говорит активность ядер галактик, очень сходная с активностью квазаров, хотя и не такая бурная. Не исключено, что энергия излучения квазаров и активность ядер галактик порождаются сходными физическими процессами. Галактики, в том числе и галактики с активными ядрами, в среднем, расположены ближе, чем квазары. Следовательно, это объекты более позднего поколения — они должны образовываться позже квазаров. Таким образом, прослеживается достаточно очевидная непрерывность свойств от квазаров — через лацертиды и сейфертовские галактики, эллиптические галактики с активными ядрами и радиогалактики — к нормальным галактикам. Это с одной стороны. С другой стороны, необходимо выяснять – какое место во Вселенной (или в Метагалактике) занимает наша Местная группа галактик, в том числе Млечный путь, где наблюдатель принимает лучевую энергию от объектов, находящихся (находившихся) на расстоянии 16-18 млрд. световых лет. Как следует из теории, вся материя Вселенной возникла после «Большого взрыва» и имеет возраст 10-20 млрд. лет. Но если учитывать собственное пекулярное движение Галактики в составе местной группы галактик (скорость около 600 км/сек) относительно расширяющегося пространства, то напрашивается вывод - материя, из которой состоит наша Галактика, могла возникнуть только лишь в результате длительной эволюции материи «протоквазара», чей возраст значительно превышает возраст квазара, испустившего свет 16 млрд. лет назад. Вывод, на первый взгляд, парадоксальный. Однако, такой «сценарий» вполне вероятен, если иметь в виду, что у Вселенной может быть лишь две альтернативы: либо ее «началом» была сингулярная точка в какой-то момент времени в прошлом, либо она существует в течение бесконечного времени. Сингулярное состояние, рассматриваемое в релятивистской космологии как «начало Вселенной», полученное путем чисто математических преобразований, а затем проецируемое на космологическую реальность, символизирует собой, с одной стороны, «начало» существующих космических систем, а с другой — самую раннюю форму материи, к которой в настоящее время восходит теория. Очевидно, что понятие «начало Вселенной» должно иметь достаточно условный характер — его объем и содержание ограничены рамками релятивистской теории эволюционирующей Вселенной и оно, как таковое, фиксирует лишь достигнутый уровень научного понимания структуры космического целого. Общая теория относительности, на фундаменте которой построена современная (релятивистская) космология и в рамках которой доказывается неизбежность сингулярного состояния,— это классическая теория пространства, времени и тяготения, которая не обогащена неклассическими квантомеханическими представлениями. Поэтому, строго говоря, эта теория имеет естественный предел применимости. 5 Гравитация, заполняющая все пространство,— это фундаментальная физическая реальность. Поэтому представления о гравитационном поле, задающего топологию и геометрию пространства-времени, должны выступать в качестве первичных исходных понятий. С точки зрения научной картины мира очень важным является тезис о равенстве весовой (тяжелой) и инертной массы. Отсюда следует вывод об эквивалентности массы и энергии: энергия обладает массой, а масса превращается в энергию. Этот вывод неизбежен, так как тяготение гравитационного поля (в котором проявляется весовая масса) эквивалентно ускоренному движению (в котором проявляется инертная масса). В свою очередь, если ускоренное движение нейтрализует тяготение в какой либо системе отсчета, то гравитация и кинематика связаны между собой по существу. А поскольку кинематика (перемещение тел в пространстве) — это геометрия, к которой добавлена еще одна переменная величина — время, то гравитационное поле — это геометрия пространства-времени (суперпространство). В современных теориях вопрос о геометрии сводится к вопросу о симметриях, каждая из которых связана с динамикой — симметрия задает геометрию, а геометрия определяет взаимодействие. Возможное чередование стадий расширения и сжатия Вселенной иллюстрирует обратимость во времени основных уравнений теории относительности. Но в её рамках до настоящего времени не удается ответить на вопрос, к какому из возможных типов эволюции относится наша Вселенная. А именно: - открытая Вселенная (отрицательная кривизна пространства), закрытая (положительная кривизна пространства) или плоская (нулевая кривизна пространства). Как бы то ни было, топология Мира давно стала одним из самых принципиальных, если не единственным, по настоящему важным вопросом геометрического характера в космологии Вселенной. При сверхбольших плотностях, соответствующих предельному радиусу кривизны и времени, должны давать знать неучтенные теорией гравитации Эйнштейна квантовые эффекты, которые могут существенно поменять общую картину явлений, описываемые этой теорией. Одновременный учет квантовой природы материальных полей и возможной роли слабых гравитационных волн может привести к таким новым эффектам, как поляризация вакуума и рождение частиц, включая кванты гравитационного поля. Эти эффекты, в принципе, могут устранить со временем из теории классическую сингулярность. Хотя это не более чем абстрактная возможность, однако, в общем русле разработки нового круга идей, связанных с применением макро- и микрофизических концепций, здесь имеется некоторая перспективность поиска. 6 Речь идет о новой космологической модели Вселенной (Рис. 1), основанной на следующих допущениях: 1. Средняя плотность вещества с учетом темной материи во всем объеме пространства больше критического; 2. Вселенная имеет структуру, представляющую геометрию дипольного гравитационного силового поля. Данная модель интересна тем, что она логически проще, сформулирована при минимуме допущений, из которых вытекает большое число следствий, дающих определенную основу для качественного и, возможно, количественного рассмотрения механизмов физических процессов, решающих многие проблемы. Первое допущение вводится в связи с тем, что теория не накладывает никаких запретов на возможность наличия у нейтрино некоторой массы. Сегодня накопилось большое число косвенных экспериментальных данных, свидетельствующих о том, что нейтрино, возможно, имеет, хотя и весьма малую, но отличную от нуля массу покоя. Рис.1 Оно в 10 тысяч раз легче ближайшей по массе элементарной частицы — электрона и более чем в 10 млрд. раз легче самого тяжелого из кварков — t кварка. Но их количества вполне достаточно, чтобы заполнить короны галактик, сделать их такими протяженными и массивными, какими они представляются по астрономическим данным. Тогда около 95-97 процентов всей материи Вселенной должно приходиться на нейтрино, а все остальные частицы «обычного» вещества (барионная компонента) — лишь небольшая по массе «примесь», то есть все известные энергоносители составляют только несколько процентов массы и энергии Вселенной. Все планеты, звезды, туманности и галактики — ничтожная добавка к нейтринному «фону» Вселенной. Рано или поздно это подтвердит физический эксперимент. Как заметил один астрофизик, если окажется, что масса нейтрино все-таки равна нулю, то придется «изобрести» другую частицу, очень слабо взаимодействующую с веществом, но обладающую конечной массой. 7 В данном случае допускается, что средняя плотность вещества больше -29 критического значения (1-0,5)10 г/см3 и тогда объем Вселенной конечен. Поэтому в данной модели «нейтринная Вселенная» пространственно замкнута, но она не имеет никаких границ — она безгранична. Таким образом, Вселенная безгранична, но вовсе не бесконечна. И в то же время в данной модели материальный мир всей Вселенной в определенных фазах расширяется одновременно с процессом сжатия. Иными словами, материя, занимающая пространство-время нашей обозримой Метагалактики, пройдя фазу расширения, со временем, на определенном этапе своей эволюции, перейдет в фазу сжатия. Хотя замкнутая Вселенная в целом при этом находится в своем нестационарном изотропном состоянии. Такое положение возможно, так как крупномасштабная структура Вселенной возникает в ходе развития гравитационной неустойчивости и имеется специфика энергетического баланса Вселенной. Дело в том, что фундаментальным следствием теории Эйнштейна является равенство нулю полной энергии Вселенной. В этом смысле в замкнутой Вселенной по энергетическому критерию равновесные состояния не предпочтительнее неравновесных. Отсюда можно предположить, что замкнутая Вселенная должна испытывать спонтанные (самопроизвольные) квантовые скачки из равновесных состояний в неравновесные, энергия которых при распаде превращается в энергию частиц. При этом физический (возбужденный) вакуум имеет достаточно сильное гравитационное поле, а Вселенная имеет структуру, представляющую геометрию пространства-времени дипольного гравитационного силового поля. Данная модель условно разделена на пять зон (Рис. 1): 1. зона «0» — Нуль-пространство - «Суперсфера» (1-мерное время); 2. зона «1м» — одномерное пространство (2-мерное пространствовремя); 3. зона «2м» — двухмерное пространство (3-мерное пространствовремя); 4. зона «Зм» — трехмерное пространство (4-мерное пространствовремя); 5. зона «4» — корона. Нуль-пространство («Суперсфера») имеет два полюса, из которых в разные стороны расходятся силовые гравитационные линии. Материя, которая непрерывно (или периодически в результате скачков или импульсов – «мегаквантов») возникает в зоне «0» из-за возбуждения вакуума, движется вдоль силовых линий гравитационного поля (геометрия пространствавремени), создающего воронки у полюсов. Движение материи поперек силовых гравитационных линий поля затруднено, а движение вдоль силовых линий беспрепятственно. Материальный мир и излучение распространяется в поле тяготения, при этом наблюдается эффект «гравитационного смещения». Расширение наблюдаемой Метагалактики — не результат разбегания самих галактик, а результат расширения пространства между галактиками в 8 основном за счет «гравитационного смещения». Таким образом, пространство-время и плоское и кривое, одновременно. Смотря в каком масштабе его рассматривать. Однако, как классическая теория не способна была объяснить магнитные свойства вещества, так и современный уровень знаний пока не способен объяснить, к сожалению, процесс возникновения гравитационных свойств физического (возбужденного) вакуума, возможный круговорот вещества и энергии во Вселенной, позволяющий отодвинуть ее «начало» на минус бесконечность. Существует, правда, еще термодинамический парадокс: если Вселенная существует вечно, то она уже должна находиться в состоянии полного статистического равновесия, чего, однако, нет в действительности. Тепловой «смерти» Вселенной не может быть, так как имеются принципиально важные особенности Вселенной — совокупность гравитирующих систем. Дело ведь вовсе не в бесконечности или конечности пространственной протяженности Вселенной, а в том, что непрерывное возрастание энтропии никогда не прекращается. По существующим оценкам, если бы вся имеющаяся во Вселенной материя превратилась в фотоны, то энтропия Вселенной изменилась бы только на 0,01 процента. Вселенная никогда не достигнет состояния теплового равновесия, ибо самого предельного, максимального значения энтропии не существует. Главное — в физических тонкостях «взаимоотношений» Вселенной и создаваемого ею гравитационного поля. Гравитационное поле замкнутой системы может рассматриваться составляющей частью этой системы. Оно выступает по отношению к Вселенной внутренним, причем нестационарным условием. Физический вакуум — самоорганизующаяся система, порождающая материю, имеет сложную иерархическую структуру, определяемую большим числом взаимодействующих и взаимообуславливающих подсистем, свойства которых формируются на различных пространственно-временных масштабах. В физическом вакууме, представляющем собой систему нулевых колебаний квантованных полей (зона «0»), отсутствуют реальные фиксируемые частицы, поля и волны. Но в нем имеются виртуальные частицы, которые рождаются и тут же исчезают, при этом между ними происходят сложные взаимодействия. Энергия, заключенная в вакууме, располагается как бы на его разных этажах, то есть имеются разные энергетические уровни вакуума, которым соответствуют разности отрицательных давлений. Когда вакуум по какой то причине возбудился и вышел из состояния равновесия, то виртуальные частицы захватывают энергию у вакуума без отдачи и превращаются в огромное число реальных частиц со связанной ими энергией. Неравновесный вакуум рано или поздно обязан распасться, так как возбужденный вакуум неустойчив. Вакуум стремится к распаду, а отталкивание, характерное для квантового вакуума, исчезает. При распаде неравновесного вакуума происходит генерация реликтовых неоднородностей. При этом высвобождается гигантская энергия излучения, 27 которая нагревает возникшую материю до 10 К. 9 Существующая теория пока не может описывать квантовые топологические переходы между различными вакуумными конфигурациями в реальном времени. Сложная эволюция принципиально квантового объекта — вакуума — приближенно описывается на классическом уровне. Новая будущая динамическая теория должна, по всей видимости, быть основана на новых принципах более современной квантовой теории гравитационного поля, в рамках которой можно было бы описывать и прогнозировать динамику физического вакуума. Вполне очевидно, что задача исследования микро- и макроструктуры пространства-времени и вакуума резко превышает по сложности даже задачу изучения свойств и структуры вещества. Тем не менее, можно все же предположить, что при определенных условиях осуществляются скачкообразные (или импульсные) явления, происходящие на астрономически больших масштабах и при низких энергиях: - зона «0» — непертурбативный вакуум представляет собой своеобразную форму материи (или темной энергии), способную при определенных условиях «рождать» материальные частицы без нарушения закона сохранения и превращения энергии. Возбужденный вакуум может рождать реальные частицы и античастицы, а также спонтанные флуктуации вакуума, когда выбрасываются высокотемпературные сгустки вещества (кварк-глюонная плазма - мегакванты) сначала в одномерное пространство — в зону «1м». - зона «1м» — гравитация вакуума достигает огромной величины, а энергия поля превращается в энергию частиц. Основную роль начинают играть частицы, а не вакуум. При охлаждении плазмы происходит переход кварк-глюонной плазмы в адронную фазу, когда вещество представляет собой плазму, состоящую из электронов, протонов и, может быть, ядер легких элементов. Причем это происходит именно в одномерном пространстве, когда устойчивость движения наиболее велика; - зона «2м» — в дальнейшем температура падает настолько, что электроны соединяются с ионами, синтезируя атомы водорода, гелия и других элементов. На этом этапе в нейтринном газе, проистекающем уже в двухмерном пространстве, вследствие гравитационной неустойчивости возникают небольшие плоские мелкомасштабные флуктуации. Материя Вселенной расширяется не резко, не инфляционно, а через последовательный переход из одномерного пространства в двухмерное. В двухмерном пространстве никакие возмущения не могут нарушить равновесия и удалить материю, движущуюся (Рис. 2) по кривой траектории (по спирали). Таким образом, материя выходит из одномерного в двухмерное пространство с плотностью, очень близкой к критической, а затем переходит в 3-мерную геометрию, где ограничения уже слабее. Может быть именно в этом заключается разрешение первой глобальной космологической проблемы — происхождение исходной однородности и изотропности материи наблюдаемой Метагалактики. 10 Рис. 2 - зона «Зм» — в процессе постепенного перехода по спирали в трехмерное пространство (Рис. 2) флуктуации достаточно большого масштаба нарастают. В космологической плазме возникают и присутствуют малые 4-мернопространственно-временные неоднородные возмущения плотности и температуры, развитие которых в более поздние эпохи приводит к появлению гравитационно-обособленных объектов. В ходе космологической эволюции постепенно формируется темная материя. Рождение большого числа частиц, формирование свойств 3-мерной геометрии, близкой к евклидовой, сопровождается генерацией малых неоднородностей, которые доживают до момента рекомбинации, когда ядра захватывают электроны с образованием нейтральных атомов, а затем развиваются, образуя крупномасштабную структуру. Возникают и формируются огромные по размеру довольно плоские газовые сгущения, которые образуют ячейки, то есть создается сложная система сгущений и пустот. В ходе развития гравитационной неустойчивости и по мере «гравитационного смещения» формирующиеся отдельные фрагменты превращаются со временем в ранние космологические структуры — квазары («протоскопления» галактик), а затем в скопления галактик, звездные скопления — ранние галактики. И именно в начале зоны «Зм» данной модели, то есть «на краю Вселенной», 16-18 млрд. лет назад могли находиться многие (если не все) квазары, лучевую энергию от которых мы сейчас регистрируем. В связи с фотометрическим парадоксом при расширении участка Вселенной (или Метагалактики, где расположена наша Галактика), в ночное время мы наблюдаем звезды только на фоне черного неба. Это происходит, как известно, за счет расширения пространства, уменьшения энергии фотонов, увеличения длины волны; в каждую единицу времени в приемные устройства фотоны попадают реже, чем они испускались источником. В случае постепенного сжатия пространства-времени должен наблюдаться другой эффект, когда в спектрах галактик вместо красного будет наблюдаться фиолетовое смещение; сдвиг излучения переходит в область более высоких частот, энергия фотонов увеличивается, яркость неба 11 усиливается. Тогда гипотетический наблюдатель в реальное «ночное время» мог бы «видеть» звезды на фоне более светлого неба. В этой связи зона «Зм» условно разделена на две фазы (Рис. 3): - фаза «Т» — фаза «темного (или черного) неба»; - фаза «С» — фаза «светлого неба». Наша Метагалактика в настоящее время находится где-то в фазе «Т» — именно в расширяющейся области. Возможно, что в конце фазы «С» жизнь уже не может существовать. По-видимому, какая либо жизнь вообще невозможна на ранних стадиях расширения и на поздних стадиях сжатия материального мира. Рис.3 В результате дальнейшей эволюции материя Метагалактики постепенно должна перейти в фазу «С», где начинается сжатие пространства. Происходит по спирали взаимное сближение галактик, в которых при гравитационных взаимодействиях происходит также сокращение расстояний между звездами. Подавляющее большинство звезд покидает периферии галактик, а галактические ядра в результате гравитационного сжатия образуют гигантские «черные дыры» — сильно сжатые компактные объекты, когда масса вещества оказывается в малом объеме, критическом для данной массы. Под действием собственного тяготения вещество начинает сжиматься, что ведет к неограниченно большой плотности и неограниченно малым размерам объектов. Вещество материи коллапсирует — перейдя через гравитационный радиус, оно продолжает сжиматься, его гравитационное поле уже способно удержать любые частицы, включая фотоны. Вымершие планеты и другие типы малых небесных тел переходят в новое состояние: их вещества превращаются в железо, имеющее максимальную энергию связи. Жидкие сферические железные «капли», пришедшие на смену звезд и планет, затем превращаются также в «черные дыры». Однако, как показали последние исследования, «черные дыры» могут являться не абсолютно «черными», то есть они возможно способны не только поглощать частицы, но также излучать их. Несмотря на то, что из-под гравитационного радиуса никакие частицы выйти не могут, пары частиц (с противоположными по знаку зарядами) могут спонтанно рождаться из вакуума в окрестности гравитационного радиуса. При этом одна из них 12 покидает «черную дыру», а другая находится под радиусом и падает обратно. Этот эффект «испарения», открытый в 70-х годах С. Хокингом, может являться следствием деформации вакуума сверхсильным гравитационным полем «черной дыры». Масса-энергия «черной дыры» уносится спонтанно рождающимися частицами. Радиус и масса «черных дыр» становятся равными планковским значениям в зоне «2м». Последним актом существования таких объектов в зоне пространства «1м» может быть всплеск излучения на масштабе планковских энергий, после чего область «черной дыры» переходит в зону «0», где отсутствует материя и пространство. Естественно предположить, что в результате такой цепочки явлений зона «0», существуя как «целостный объект» на конечной стадии эволюции материи (в виде «черных дыр»), является стимулятором (импульсом) нового скачка, нового возбуждения вакуума для создания «мегакванта материи». Происходит согласованность между космологической эволюцией и микроскопическими событиями (возникновение и исчезновение материи). Таким образом, имеются закономерности, которые содержат или формируют в потенциальном виде цель эволюции, реализуемую через квантовые скачки. Вместо «непрерывной инфляции» будущая квантовая теория вакуума должна будет, видимо, обратиться к исследованию их последовательности в одномерном пространстве. Физический вакуум, играющий роль «резервуара», из которого черпается энергия для создания материи через спонтанные импульсы в виде «мегаквантов», является носителем всех потенциальных свойств Вселенной, на его уровне происходят процессы, которые приводят к периодическому рождению материи и её исчезновению на различных этапах пространства-времени. В своё время С.Хокинг высказал требование, согласно которому удовлетворительная космологическая модель должна быть независимой от конкретных начальных условий: «Не следует задавать состояние в далёком прошлом, и не должно быть никаких особых точек, в которых законы физики нарушались бы. Можно сказать, граничные условия Вселенной состоят в том, что у неё нет границ». Модель, описанная выше, удовлетворяет этим требованиям постольку, поскольку исключает особую точку «Большого взрыва» (которая заменена кривизной пространства-времени и созданием в одномерном пространстве материи через квантовые скачки), поскольку здесь объединены стадии между геометрически статичной Вселенной и Вселенной, эволюционирующей во времени, а также показан результат взаимодействия двух полей: одно поле, связанное с материей, другое - с гравитацией. Между тем, необходимо ещё иметь в ввиду, что структура теории относительности в её квантовом варианте приводит к специальным ограничениям на вектор состояния (или на волновую функцию Вселенной - Ψ, которая содержит информацию о вероятностях состояния геометрии 3-мерного пространства Вселенной). При этом появляется уравнение Шредингера для волновой функции Вселенной: i h dΨ / dt= Н Ψ) ,где h - постоянная Планка; Н - оператор энергии; d/dt – частная производная по времени. 13 Это уравнение для Вселенной в целом, по существу, есть квантовое обобщение динамических законов, содержащихся в шести уравнениях движения Эйнштейна. В современной картине Мира, как отмечалось выше, имеет место эффект равенства нулю полной энергии Вселенной. Поэтому можно предположить, что Н = 0. Тогда уравнение Шредингера i h dΨ /dt = Н Ψ приводит к уравнению связи: Н Ψ = 0, откуда следует, что производная по времени обращается в нуль: dΨ / dt = 0. То есть, волновая функция Вселенной не зависит от времени. Таким образом, квантовая динамика, в привычном понимании, исчезает и этот факт является следствием рассмотрения фоновой геометрии в качестве равноправного объекта квантовой теории. Отсутствие космологического времени в основном уравнении квантовой геометродинамики может означать только то, что волновая функция Вселенной описывает сразу и прошлое, и настоящее, и будущее Вселенной. Это утверждение, возможно, носит фаталистический характер - все «события» во Вселенной как бы уже предопределены. Но ведь именно это и отображает описанная выше модель закрытой нестационарной Вселенной, где мы наблюдаем материальный мир, переносчик гравитации, «плавающий» в 4-мерном пространстве-времени. Встает, разумеется, вопрос: что за пределами Вселенной? Но имеют ли смысл слова «за пределами Вселенной»? Таких пределов нельзя вообразить, так как тогда надо представить себе, что за ними должно быть что-то, от чего эти пределы отграничивают Вселенную, а всё, что есть её и составляет. Мир не может выпрыгивать из себя, потому, что, кроме него, ничего нет. Можно вообразить себе любые превращения материи, кроме одного - уничтожения, потому что тогда что-то должно было бы стать чемто, что не есть материя, чем-то, что не принадлежит Вселенной. Но ей принадлежит всё, в том числе и вакуум (или «Ничто»). Раз «Ничто» превращается в массу - меру количества материи, значит материя, теряя массу, превращается в «Ничто». Но пустоты, как таковой, в природе не существует. Поэтому пространство, свободное от материи, способное к макроскопическим перемещениям, тем не менее, пустотой не является. В качестве такой, всё заполняющей и всё порождающей среды необходимо понимать самопроизвольно деформируемые вакуумные структуры. Материи некуда деться, и ей неоткуда родиться, потому что материя и есть источник самой себя. Можно, конечно со временем, обнаружить (или не обнаружить) хиггсовские бозоны для подтверждения парадигм теории фундаментальных взаимодействий, сформулировать квантовую теорию гравитации, объединяющую квантовую механику и общую теорию относительности, однако, мы, возможно, никогда не узнаем как зародилась Вселенная бесконечное время назад. Решение глобальных проблем в безграничной Вселенной скорее всего вообще невозможно, так как бесконечность (со знаком плюс или минус) можно ввести в теорию формально, но её нельзя осмыслить операционально. Возможно, с учетом того, что мы еще плохо понимаем смысл бесконечности, проблема вакуума в ее полном объеме существенно превышает возможности человеческого интеллекта. 14 ЗАКЛЮЧЕНИЕ При рассмотрении вышеизложенных вопросов космологии сделана попытка увязать некоторые космологические проблемы в рамках определённой общей теоретической парадигмы или единой ключевой идеи. Изложена некоторая концепция, связанная с другим типом экстраполяции существующих теоретических конструкций Вселенной. Имеется в виду следующее некоторое обобщение квантовой геометродинамики – введение квантового поля всей Вселенной, мегаквантами (порциями) которого являются сгустки материи, эволюционирующие в отдельные протогалактики. Само гравитационное поле определено в суперпространство, где оно выступает как его геометрическая характеристика. Данная модель претенциозна в связи с тем, что исходит из гипотезы о существовании надпространственной реальности, в которой существует материальный мир, состоящий из «множества метагалактик», эволюционирующих в пространстве-времени, а также представлена динамика 3-мерного искривлённого пространства, задана и зафиксирована топология 4-мерного пространства-времени. То, что в предложенной модели все явления круговорота материи и энергии не могут иметь место, не исключают все же подобной возможности в рамках общей теории относительности. К тому же никто не может утверждать, что науке уже всё известно, и нельзя заранее безоговорочно отрицать возможность тех или иных явлений только потому, что они представляются маловероятными или даже вовсе неосуществимыми с точки зрения известных в настоящее время физических законов. История науки хранит поучительный опыт того, как на протяжении веков математики тщетно искали доказательств истинности пятого постулата Евклида. Однако доказательств того, что через одну точку можно провести только одну прямую, параллельную данной, так и не нашлось. В то же время пространственно-временные представления классической физики полностью согласуются с тем, как они описываются геометрией Евклида. Больше того, Н.И.Лобачевский, критически осмысливая процедуру построения геометрии Евклида, доказал непротиворечивость иной (неевклидовой) геометрии, в которой через одну точку можно провести сколько угодно прямых линий, параллельных данной. Немецкий математик Б. Риман разработал еще одну неевклидову геометрию, в которой через заданную точку нельзя провести ни одной прямой линии, параллельной данной. И оказалось, что все три геометрии имеют полное право на существование, хотя две неевклидовы геометрии вступили в противоречие с пространственно-временными представлениями классической физики и Лобачевский и Риман так и не могли указать физических объектов, которым бы соответствовали их теории. 15 Точность классической механики позволяла ученым однозначно предсказывать поведение механических систем. Но, как в свое время заметил первооткрыватель электрона Д.Томсон, «нельзя думать, что Вселенная построена по принципу наибольшего удобства математиков». Как известно, абсолютная математическая точность классических законов оборачивается их физической неточностью. Однако, не следует и самообольщаться и воображать, что в формулах вмещается всё многообразие природы. Во Вселенной, наверное, одинаково существенно всё, а любые физические теории - только приближение к сложному устройству реального мира, который управляется не детерминистическими законами, равно как и не абсолютной случайностью. Знания всегда ограничены и у Вселенной, видимо, всегда есть в запасе нечто новое и неслыханное. Возможно, знакомясь с вышеизложенным взглядом, будет обращено внимание на то, что мысли, высказанные автором, уже встречались где-то. Аналогичные суждения высказывались в разное время и по разным поводам вполне реальными учеными. Не было надобности называть их имена. Ведь дело не в авторитетах, а в существе вопроса. Хотя, разумеется, не все физики, не все астрономы и не все философы придерживаются именно тех точек зрения, которые нашли здесь отражение. Важно, что подобные гипотезы существуют в современной науке и сталкиваются между собой. Главные положения, как правило, хорошо известны и избежать простого их повторения было можно, разве что, стремясь представить их или в необычном ракурсе, или в новом освещении, основываясь на собственных умозаключениях. Трудно, а порой невозможно, правильно оценить пределы возможностей существующих взглядов, концепций и теорий. Спорить на подобные темы можно без конца. Только будущее покажет, кто в том или ином случае прав, и в какой степени. В.Крылов Россия 1984-2003гг. 16