3.2. Космология и астрофизика: альтернативный взгляд

3.2. Космология и астрофизика: альтернативный взгляд

Сегодня общепринятым считается космологический принцип, согласно которому Вселенная не статична, но однородна и изотропна в любую космологическую эпоху.

К такому представлению ученые пришли не сразу. Еще в 1917 г. Эйнштейн полагал, что Вселенная статична, однородна и изотропна. Вот что пишет проф. Джайант Нарликар из индийского Тата-института фундаментальных исследований в Бомбее: «Смысл этих терминов легко пояснить на примере. Представим себе, что галактики — это своеобразные наблюдательные пункты… однородность Вселенной означает, что, из какой бы галактики мы ни смотрели на Вселенную, она одинаково выглядит. Изотропия означает, что если смотреть на Вселенную из произвольной галактики, то в больших масштабах она одинаково выглядит во всех направлениях (т. е. обладает одинаковыми свойствами. — А.Б.).

И, наконец, в статичной Вселенной отсутствуют крупномасштабные систематические движения ее составных единиц — галактик. Иными словами, Вселенная выглядит одинаково в любой момент времени… Обратите внимание, что первое свойство согласуется с идеей Коперника: ни одна область во Вселенной не имеет выделенного положения. Второе свойство делает равноправными все направления, а третье — все моменты времени (выделено мною. — А.Б.)» {50}.

Проблема, однако, заключалась в том, что Эйнштейну никак не удавалось решить свои знаменитые уравнения тяготения так, чтобы решение соответствовало его космологической модели. «И тогда он видоизменил уравнения, предположив, что в природе существует еще один новый тип сил отталкивания» между любыми двумя массами…

…Эйнштейн решил уравнения, показав, «каким образом распределение материи определяет характерные черты неевклидовой геометрии Вселенной».

Но оказалось, что привлечение в уравнения Эйнштейна дополнительных сил отталкивания позволяет иметь и другие решения его уравнений. В том же 1917 г. нидерландский астроном де Ситтер предложил свое решение и свою модель пустой, однородной и изотропной, но уже расширяющейся (не стационарной) Вселенной. В 1924 г. советский математик А А. Фридман предлагает свою модель: Вселенную, заполненную материей, однородную и изотропную. Решение Фридмана (как и Ситтера) показало, что Вселенная расширяется. Точнее, они создали модели, в которых Вселенная расширяется.

Идея расширяющейся Вселенной необыкновенно быстро стала господствующей. Этому способствовали несколько обстоятельств. Во-первых, сам Эйнштейн отказался от своей модели в пользу нестатичной модели Фридмана, а во-вторых, этому помогло привлечение эффекта Доплера[27] для объяснения красного смещения в спектрах излучения далеких небесных объектов. Этот эффект как бы неопровержимо подтверждал, что галактики разлетаются друг от друга, при этом вскоре было установлено, что скорость удаления галактик тем больше, чем дальше они от нас находятся (Хаббл, 1929).

Итак, сегодня общепринятым считается, что Вселенная не статична (расширяется), однородно заполнена веществом и проявляет одинаковые свойства во всех направлениях.

Для нас особенно важно, что космологический принцип также допускает, что Вселенная выглядит одинаково в любой момент времени (выделено мною. — А.Б.), из какой бы галактики на нее ни смотрели.

Из этого последнего утверждения космологического принципа следуют два фундаментальных (но различных по сути) положения:

1. Время во Вселенной однородно во всех направлениях.

2. Темп времени во Вселенной одинаков во все космологические эпохи.

Последнее утверждение совсем не очевидно, и, тем не менее, современная космология как будто не сомневается в том, что темп времени, присущий Метагалактике, не претерпевает никаких изменений в процессе эволюции Вселенной.

Как согласуются эти утверждения, принятые как аксиомы традиционно мыслящим большинством, с нашей гипотезой неоднородного времени?

Казалось бы, противоречие явное и положение наше безнадежно, ибо «совершенный космологический принцип» узаконивает существование во Вселенной единого мирового или даже единого универсального времени, как бы изначально и навсегда присущего Вселенной.

И это представляется нам, осторожно выражаясь, несколько странным. Во всяком случае, картина получается любопытная: несмотря на почти всеми принятое положение теории относительности о том, что время каждого тела, в общем случае, зависит от гравитации и системы отсчета (скорости), и, таким образом, каждое тело обладает относительным собственным временем, и говорить вообще о времени каждого тела не имеет смысла (в том числе и по причине фактической неоднородности гравитационного поля). Несмотря на это, уживается представление о как бы едином в мировом масштабе времени, и тут уже время у всех тел принимается как бы одинаковым вне зависимости от времяформирующих факторов, принятых в теории относительности. Это странно, но, будем объективны, некоторые основания для такого утверждения есть, если рассматривать огромные объемы Вселенной.

В самом деле, представим себе, что некие тела, обладающие такими внутренними свойствами, как масса и энергия покоя, находятся в исчезающе слабом гравитационном поле, скорость их движения мала по сравнению со скоростью света, а выбранная система отсчета также находится в слабом гравитационном поле, да к тому же среди самых отдаленных галактик. Все наши тела, рассматриваемые относительно такой системы отсчета, практически неподвижны. Зададим себе вопрос: какое у этих тел время? В соответствии с теорией относительности ответ, очевидно, должен быть таким: их время равно времени выбранной системы отсчета…

И тогда как бы получается, что представление о едином времени мы можем распространить на различные части Вселенной. Так возрождается или, лучше сказать, продолжает теплиться представление о том, что время в мировом масштабе — это некоторая (как бы) субстанция, правда, теперь уже не неизменная, не абсолютная в своих проявлениях, и слово «субстанция» уже не произносится, но время все еще остается как бы одинаковым изначально (до своих проявлений через факторы относительности). Так и тянется ниточка назад от нынешних философов-физиков до Эйнштейна, от Эйнштейна через Ньютона к Аристотелю и до Анаксимандра, жившего 2600 лет назад (какой все-таки молодец этот Анаксимандр!).

Это представление и нашло отражение в космологическом принципе. Эгуже идею о том, что Вселенная однородна по времени, как однородна и по веществу, Фридман и принял как допущение, когда предложил модель расширяющейся Вселенной. Как пишет проф. Нарликар: «Фактически однородность и изотропия моделей Фридмана позволяет ввести (?! — А. Б.) единое мировое время. Два наблюдателя, находящихся в разных галактиках, могут синхронизировать ход своих часов, сравнивая физические свойства в своих окрестностях. Например, они могут отождествить моменты времени, когда плотности материи имеют одинаковое значение около обоих наблюдателей» {50}.

Обратите внимание, что и тут говорится, по существу, о сравнении внешних условий — о влиянии гравитации на часы двух наблюдателей — и, конечно, такого времяформирующего фактора, как внутренняя энергия, тут нет. Казалось бы, явное противоречие с нашей концепцией и, кажется, ничего не остается, кроме как поднять вверх руки, ибо противостоять такой компании (от Анаксимандра до Эйнштейна) невозможно.

Но противоречие это в значительной мере кажущееся, во всяком случае, неполное. Космологический принцип утверждает Вселенную, однородно заполненную веществом, проявляющую одинаковые свойства во всех направлениях. Возможно, это так, если смотреть на Вселенную как бы со стороны, если сопоставлять огромные объемы. Правда, с этим ограничением так уже свыклись, что само ограничение, а в нем суть принципа, начало как бы забываться. Согласимся и мы, что Вселенная однородна и изотропна в больших размерах — формально с этим приходится соглашаться, ибо астрофизики (в значительной мере условно) считают однородным объемом во Вселенной куб со сторонами в один миллион световых лет.[28]

Как же быть с гипотезой локально-когерентного времени, если она отвергает положение космологического принципа о том, что время во Вселенной однородно? Так ли безнадежно наша гипотеза противоречит этому положению?

Да, мы теперь знаем, что время локально-когерентно, т. е. проявляет одинаковые свойства только в пределах отдельных локальностей. Но мы также знаем, что оно квазикогерентно в каждой системе, а ведь каждая система входит в систему высшего порядка, в которой время, в свою очередь, квазикогерентно. Таким образом, в конечном счете, время во Вселенной в больших объемах усредненное и в этом смысле его можно считать в какой-то мере однородным и даже тем самым единым мировым, которое принял Фридман и с которым, как ни странно, согласился Эйнштейн.

В утверждении, что время во Вселенной усредненное и в рамках нашей гипотезы есть, конечно, натяжка, но не большая, чем в космологическом принципе, когда его допускают к применению к конечным объемам Вселенной, в нем не больше противоречий, чем противоречив сам космологический принцип. Значительно больше противоречий у нашей гипотезы с тем следствием космологического принципа, где утверждается (не очень уверенно), что темп вселенского времени одинаков в любую космологическую эпоху. Точнее сказать, наша гипотеза и эта часть космологического принципа противоположны по смыслу.

Прежде чем продолжить разговор о том, одинаково ли время в различные космологические эпохи, конкретизируем некоторые понятия.

Что происходит со светом, когда его источник удаляется (эффект Доплера) со скоростью Кот наблюдателя? Наблюдатель регистрирует свет (и это мы уже знаем) с большей длиной волны, чем излучает источник, и при этом длина волны увеличивается пропорционально величине, равной 1 + Z, где Z — величина красного смещения, зависящая от соотношения скоростей источника света и скорости света в вакууме. Далее, приращение длины волны, вызванное движением источника, определяется соотношением

Известны науке и другие типы красного смещения. Например, так называемое гравитационное. Обусловлено оно тем, что излучают массивные гравитирующие тела, точнее, когда испускается световой луч из области сильного гравитационного поля, а регистрируется в области с относительно слабым (такова Земля).

Эффекты всех типов красного смещения, в том числе гравитационного, обычно незначительны по величине по сравнению с доплеровским и не носят массового характера. Именно поэтому главным виновником красного смещения линий спектра считается удаление излучающего объекта. Никаких других причин, которые могли бы альтернативно объяснить красное смещение в спектрах излучения галактик, кроме скорости удаления самих галактик, ученые сегодня не видят.

Установлено, что если красное смещение мало по сравнению с единицей, то источник излучения удаляется от нас со скоростью V=CZ.

Хаббл обнаружил также, что красное смещение тем больше, чем слабее светимость галактики. Но, может быть, самое интересное, что установил Хаббл, так это то, что красное смещение и скорость удаления галактик увеличиваются с ростом расстояния до галактик: V=CZ=HD (где D — расстояние; Н — постоянная Хаббла, которая показывает, как изменяется скорость объекта на один миллион световых лет расстояния).

Итак, практически в течение одного десятилетия идея расширяющейся (нестационарной) Вселенной и зависимость красного смещения в спектрах излучения галактик от скорости их удаления, взаимно обосновывая друг друга, стали общепризнанными.

Правда, в последние десятилетия все чаще раздаются голоса тех, кто сомневается, что был Большой взрыв и что Вселенная расширяется именно по этой причине.

Существует хорошо аргументированная концепция стационарного состояния Вселенной, разработанная X. Бонды, Т. Гол- дом, Ф. Хойлом в 1948 г. Согласно этой теории, Вселенная всегда и везде неизменна, галактики друг от друга разлетаются, но одновременно во Вселенной возникает новое вещество. (Правда, по свидетельству С. Хокинга, впоследствии авторы добровольно отказались от своей гипотезы.)

По-прежнему актуальна идея нулевой Вселенной (Трайон и Кэри), в соответствии с которой Большого взрыва вообще не было, но Вселенная расширяется за счет образования новых масс как в межгалактическом пространстве, так и в центральных частях космических макротел. При этом сумма масс и потенциальной энергии во Вселенной всегда равна нулю.

Наша гипотеза, утверждающая, что время каждого материального субъекта Вселенной зависит не только от причин, принятых в теориях относительности, но и от интенсивности энергии внутренних процессов, присущих каждому субъекту Вселенной, приводит к удивительным следствиям.

Вначале, однако, послушаем известного астрофизика Нарликара. Вот что он пишет в своей «Неистовой Вселенной» {50}: «В момент Большого взрыва и постоянная Хаббла, и средняя плотность вещества были бесконечно велики. По мере расширения Вселенной оба параметра монотонно уменьшаются… пусть ?_? — средняя плотность вещества сегодня, а r — средняя плотность вещества в момент, соответствующий красному смещению тогда ? = ?_? (1 + Z)³. Таким образом, если, например, мы наблюдаем галактику с красным смещением Z = 1, то мы видим ее в момент, когда средняя плотность вещества во Вселенной была в восемь раз больше, чем сейчас. Чем дальше мы смотрим в прошлое, тем больше значение Z, а следовательно, больше и значение ?».

Далее Нарликар показывает нам, как зависит плотность энергии излучения в различные космологические эпохи. Показывает, какая была плотность энергии излучения в прошлом (U) в зависимости от Z и плотности энергии излучения сегодня (U?), U= U?(1+Z)⁴

Подставляя в формулу значение Z = 1, получим, что при этом значении красного смещения плотность энергии излучения была в шестнадцать раз больше, чем сегодня.

Подставляя в формулу значение Z = 1, получим, что при этом значении красного смещения плотность энергии излучения была в шестнадцать раз больше, чем сегодня.