Источник
https://elementy.ru/novosti_nauki/434235/Gipoteza_o_tsiklicheskoy_Vselennoy_poluchila_nablyudatelnuyu_podderzhku/t5271964/Kosmologiya
UPDATE 12.10.2024
См. также:
Физики показали, что время может идти вспять
От хаотической инфляции до супергравитации в пересказе GPT-4o
Астрофизикам не удается снизить "хаббловское напряжение" в пересказе GPT-4o
Гипотеза о циклической Вселенной получила наблюдательную поддержку в пересказе GPT-4o, книга Николая Горькаового
«Осциллирующая Вселенная»
END OF UPDATE
В космологии, наука о происхождении и развитии Вселенной, долгое время существовали две конкурирующие гипотезы. Первая из них предполагала, что Вселенная развивается циклически. Это значит, что после Большого взрыва Вселенная расширяется, формируя звезды и галактики, а затем начинает сжиматься, что приводит к коллапсу и новому циклу. Однако к концу 1970-х годов эта гипотеза столкнулась с множеством нерешенных вопросов.
На смену ей пришла гипотеза инфляции, которая предполагала, что Вселенная расширяется только один раз. Эта идея стала доминирующей примерно на 20 лет. Но к концу XX века и она начала сталкиваться с проблемами, особенно после открытия ускоренного расширения Вселенной. Это открытие поставило под сомнение многие аспекты инфляционной модели.
Параллельно с этим, ученые продолжали находить косвенные доказательства в пользу циклической модели. В начале 2024 года были опубликованы две статьи, которые поддерживают эту гипотезу. Первая статья описывает открытие анизотропии в распределении фонового гамма-излучения, которое имеет дипольную структуру, но направлено иначе, чем диполь реликтового излучения. Вторая статья сообщает об открытии очень тусклого, но массивного спутника Млечного Пути, что изменяет представления о распределении черных дыр в гало галактик. Эти открытия хорошо вписываются в модель циклической Вселенной, поддерживая идею о том, что Вселенная может переживать повторяющиеся циклы расширения и сжатия.
Честно скажу, прочитав это у меня возник разрыв шаблона. Цитата из моей книги (выделние жирным шрифтом в оригинале):
Многим казалось, что отказ от устоев ньютоновской механики — это отказ от научного познания объективного мира. Догматическая мысль отождествляла данную ступень развития науки с наукой в целом, и переходом на новую ступень кажется ей крушением науки. Догматическая мысль может тянуть науку с новой ступени на старую или же отказать науке в объективной достоверности её результатов. Чего догматическая мысль не может, — это увидеть суть науки в последовательном, бесконечном переходе ко всё более точному описанию картины мира.
https://ru.wikibooks.org/wiki/Философия_науки#Исторические_этапы_развития_науки
С детства я считал этот позитивисткий взгляд на развития науки. А, оказывается, что две теории могут не только сосуществовать, это было бы полбеды, но может произойти "откат" к старой теории.
Ниже есть продолжение.
Ни в одной области науки, кроме космологии, нет такого количества произвольных и заведомо ошибочных теорий, сосуществующих во времени с правильной теорией.
Я. Б. Зельдович
Введение
В начале 2024 года в космологии произошли важные события, связанные с публикацией двух значительных исследований. Одно из них, сенсационная статья о гамма-диполе, была опубликована Александром Кашлинским и его коллегами в журнале The Astrophysical Journal Letters 10 января 2024 года. Это открытие стало неожиданностью, поскольку исследователи искали совсем другие вещи и в других местах. Они фактически проверяли изотропность Вселенной — предположение, что Вселенная выглядит одинаково во всех направлениях, что редко подвергается сомнению.
Гамма-диполь — это понятие, используемое в физике, особенно в ядерной физике и физике элементарных частиц, для описания взаимодействий, связанных с гамма-излучением. Гамма-излучение представляет собой высокоэнергетические электромагнитные волны, которые часто испускаются атомными ядрами в процессе радиоактивного распада или других ядерных реакций.
Термин "диполь" относится к системе из двух равных по величине, но противоположных по знаку зарядов или магнитных моментов, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. В физике диполи могут быть как электрическими, так и магнитными. Когда мы говорим о гамма-диполе, мы имеем в виду взаимодействие, связанное с гамма-излучением, которое можно описать с помощью дипольного момента.
Гамма-диполь касается процессов, в которых гамма-излучение испускается или поглощается, и эти процессы можно описать с использованием дипольных моментов. Например, в ядерной физике, когда ядро атома переходит из одного энергетического состояния в другое, оно может испускать гамма-излучение. Вероятность и характеристики этого излучения зависят от дипольного момента, связанного с переходом.
Таким образом, гамма-диполь — это концепция, которая помогает описывать и анализировать взаимодействия, связанные с гамма-излучением, используя понятие дипольного момента. Это важно для понимания процессов, происходящих на уровне атомных ядер и элементарных частиц, где гамма-излучение играет ключевую роль.
В современной космологии одним из самых сильных доказательств изотропности является равномерное распределение реликтового микроволнового излучения по всему небосводу. В модели изотропной Вселенной допускается только одна глобальная неоднородность — дипольная, которая связана с движением Земли через это тепловое излучение. Поскольку скорость этого движения мала по сравнению со скоростью света, величина дипольной анизотропии составляет всего около 0,1%. Когда этот диполь вычитается из данных о реликтовом излучении, остаются лишь микроскопические флуктуации на уровне 10^-5. Это означает, что после учета движения Земли, реликтовое излучение выглядит практически однородным, что поддерживает идею изотропности Вселенной. Однако открытие гамма-диполя может поставить под сомнение эту картину и предложить новые перспективы в понимании структуры Вселенной.
Группа под руководством Александра Кашлинского решила исследовать дипольное распределение фонового гамма-излучения в диапазоне энергий от 2,74 до 115 ГэВ, используя данные космического гамма-телескопа Fermi. Согласно теории, если движение Земли является единственным источником глобальной анизотропии в космосе, то направление и величина гамма-диполя должны совпадать с параметрами диполя реликтового излучения.
Когда мы говорим о влиянии движения Земли на излучение, мы имеем в виду, что движение Земли через космическое пространство может создавать определенные эффекты в наблюдаемом излучении. Один из таких эффектов — это дипольная анизотропия, которая проявляется как небольшая разница в интенсивности излучения в разных направлениях.
Теперь, если предположить, что движение Земли является единственным фактором, вызывающим такую анизотропию, то это движение должно одинаково влиять на все виды излучения, которые мы наблюдаем. Это значит, что если мы видим дипольную анизотропию в реликтовом микроволновом излучении, то мы должны ожидать увидеть аналогичную дипольную анизотропию и в других типах излучения, например, в гамма-излучении.
Математически это можно представить как гипотезу о том, что движение Земли создает одинаковую "подпись" или "отпечаток" в данных, которые мы получаем от разных источников излучения. То есть, если бы мы могли наложить карты дипольной анизотропии реликтового и гамма-излучения друг на друга, они должны были бы совпадать по направлению и величине.
Физически это означает, что движение Земли через космическое пространство оказывает одинаковое воздействие на разные физические процессы, которые приводят к излучению.
Однако результаты анализа показали, что диполь гамма-излучения значительно отличается от диполя реликтового излучения. В галактических координатах он сместился из северного полушария в южное. Более того, амплитуда этого гамма-диполя составила около 7%, что на порядок больше, чем ожидалось. Это открытие стало неожиданным, так как предполагалось, что гамма-диполь будет гораздо слабее.
Кашлинский и его коллеги также отметили, что частицы космических лучей с энергией более 8 эксаэлектронвольт, которые они назвали "суперчастицами", также демонстрируют дипольное распределение, схожее с гамма-диполем как по расположению, так и по амплитуде. Это сходство может указывать на наличие неизвестных процессов или структур в космосе, которые влияют на распределение высокоэнергетических частиц и гамма-излучения, и требует дальнейшего изучения.
На карте, представленной в описании рисунка 2, показаны различные анизотропии в космическом излучении и их взаимное расположение в галактических координатах. Одним из ключевых элементов является дипольная анизотропия реликтового излучения, или CMB, которая связана с движением Земли. На карте ось этого диполя отмечена черным кружком. Исследование, проведенное Александром Кашлинским и его коллегами, выявило, что диполь гамма-излучения значительно смещен к югу по сравнению с диполем реликтового излучения. Это смещение обозначено синим эллипсом. Кроме того, космические частицы с высокой энергией, которые исследователи называют "суперчастицами", также демонстрируют дипольную анизотропию, схожую с гамма-диполем как по расположению, так и по амплитуде. Это обозначено красным квадратом на карте. Черный эллипс указывает на область, где наблюдается минимум в значениях постоянной Хаббла, что может свидетельствовать о неоднородностях в расширении Вселенной. Южный полюс Земли, отмеченный звездочкой, служит ориентиром для понимания расположения других элементов на карте. Также упоминается феномен, называемый "дьявольской осью", который описывает, как оси галактик избегают направления на полюса. Это может указывать на некую центральную точку или ось в нашей Вселенной, которая, как предполагается, находится недалеко от Южного полюса. Эти наблюдения и их взаимное расположение могут указывать на сложные структуры и процессы в космосе, которые еще предстоит полностью понять. Они также могут свидетельствовать о том, что наша Вселенная не так изотропна, как предполагалось ранее, и что существуют крупномасштабные структуры, влияющие на распределение излучения и материи.
Но это далеко не все удивительные совпадения. В районе Южного полюса постоянная Хаббла, которая описывает скорость расширения Вселенной, показывает минимум, отклоняясь от среднего значения примерно на 10%. Это означает, что в этом регионе Вселенная расширяется медленнее, чем в других направлениях. Кроме того, еще в 2009 году российский астроном В. Амирханян опубликовал данные, которые показывают, что оси вращения галактик распределены неравномерно и избегают направления на Южный полюс. Это явление называется анизотропией, что указывает на то, что свойства Вселенной могут быть различными в зависимости от направления. Эти наблюдения подчеркивают сложность и многообразие процессов, происходящих в космосе, и открывают новые вопросы для исследований.
Можно смело считать последние годы временем космологической революции. Традиционная модель Вселенной предполагает, что она однородна и изотропна, то есть выглядит одинаково во всех направлениях и в любом месте. Однако новые наблюдения и исследования показывают, что это может быть не так. В частности, обнаруженная анизотропия и неоднородность, например, в значениях постоянной Хаббла, которая варьируется на 10%, ставят под сомнение эту парадигму. Это явление, известное как "хаббловское напряжение", указывает на то, что скорость расширения Вселенной может быть различной в разных направлениях. Такие открытия требуют пересмотра существующих моделей и могут привести к созданию новой теории, которая лучше объяснит наблюдаемую космологическую анизотропию и неоднородность.
Вторая прорывная новость этого полугодия — это открытие темного скопления-спутника Млечного Пути, названного Большая Медведица III/UNIONS 1. Это скопление имеет размеры и массу, характерные для шаровых звездных скоплений, но содержит всего около 60 старых звезд, возраст которых составляет примерно 12 миллиардов лет. Общая светимость этих звезд соответствует лишь 16 солнечным массам, что делает это скопление практически полностью темным. Оно было обнаружено только благодаря наличию нескольких звезд.
Это открытие важно по нескольким причинам. Во-первых, оно предоставляет новые данные о структуре и эволюции Млечного Пути, показывая, что вокруг нашей галактики могут существовать малозаметные спутники. Во-вторых, такие темные скопления могут содержать значительное количество темной материи, что делает их ценными объектами для изучения этой загадочной субстанции, которая составляет большую часть массы Вселенной, но не излучает свет и не взаимодействует с обычной материей напрямую. Наконец, изучение таких объектов может помочь астрономам лучше понять процессы формирования и эволюции галактик, а также распределение темной материи в космосе.
После 2016 года, когда с помощью гравитационно-волнового детектора LIGO были обнаружены слияния двойных черных дыр, астрономы начали активно обсуждать возможность того, что темная материя может полностью состоять из черных дыр. Это открытие стало важным шагом в изучении гравитационных волн и подтвердило существование черных дыр, которые сливаются, создавая мощные гравитационные волны, регистрируемые на Земле.
Идея о том, что темная материя может состоять из черных дыр, особенно из так называемых первичных черных дыр, возникла в связи с тем, что эти объекты могли образоваться вскоре после Большого взрыва. Первичные черные дыры могли бы объяснить некоторые свойства темной материи, которая не излучает свет и не взаимодействует с обычной материей напрямую, но оказывает гравитационное влияние на галактики и крупномасштабные структуры Вселенной.
Исследования, такие как работа S. Clesse и J. Garcia-Bellido, рассматривают возможность того, что массивные первичные черные дыры могут быть основными компонентами темной материи. Они также изучают, как распределение масс этих черных дыр можно измерить с помощью продвинутых детекторов, таких как LIGO.
Распространенное мнение о том, что малое количество событий гравитационного микролинзирования указывает на незначительное число черных дыр, основано на ряде теоретических предположений, таких как равномерное распределение черных дыр по небу. Однако эти предположения сейчас активно пересматриваются. Если темная материя действительно состоит из черных дыр, то они должны образовывать шаровые скопления в гало Галактики. Гало — это сферическая область, окружающая галактику, которая простирается за пределы видимой части и включает в себя не только редкие звезды и шаровые скопления, но и значительное количество темной материи. Темная материя в гало не излучает свет и не взаимодействует с обычной материей напрямую, но оказывает гравитационное влияние, удерживая галактику вместе и влияя на движение звезд и газа внутри нее.
Кластеризация черных дыр в гало снижает вероятность их обнаружения методом микролинзирования, поскольку они сосредоточены в определенных областях, а не распределены равномерно. Обнаружение темного скопления Большая Медведица III/UNIONS 1 служит прямым подтверждением теории о том, что темная материя может состоять из черных дыр. Это открытие показывает, что черные дыры могут быть сгруппированы в скопления, что объясняет, почему их трудно обнаружить с помощью микролинзирования.
Ранее оценки количества черных дыр накладывали ограничения, предполагая, что их не может быть слишком много, иначе эффект микролинзирования наблюдался бы чаще. Однако уточнение модели галактического гало с использованием данных астрометрического спутника Gaia позволяет пересмотреть эти ограничения. Исследования, такие как работа J. Garcia-Bellido и M. Hawkins, показывают, что данные Gaia могут снять эти ограничения, предоставляя более точную картину распределения черных дыр в гало Галактики. Это открывает новые возможности для понимания природы темной материи и роли черных дыр в ее составе. Понимание структуры и состава гало помогает астрономам изучать распределение темной материи и ее влияние на эволюцию галактик.
На какую концепцию сменится нынешняя парадигма квантовой одноразовой Вселенной? Видимо, стоит ждать возрождения циклической космологии, но на новом уровне — с учетом темной материи из черных дыр, а также всей совокупности обнаруженных феноменов космологической неоднородности и анизотропности. О возможной модели пульсирующей Вселенной стоит поговорить детальнее, тем более что она недавно получила прямое экспериментальное подтверждение.
Классическая циклическая Вселенная
Идея циклической Вселенной, где мир проходит через бесконечные циклы рождения и разрушения, обсуждается с античных времен. Еще 2500 лет назад философ Гераклит предполагал, что Вселенная имеет конечные размеры и проходит через постоянные изменения, подобно тому, как огонь возникает и исчезает. Он представлял себе мир как нечто, что постоянно обновляется через чередование фаз существования и разрушения.
Позже, в XVIII веке, философ Иммануил Кант предложил более научную модель циклической Вселенной. Он предположил, что физические силы, такие как гравитация и давление, могут управлять этими циклами. Кант описывал Вселенную как феникса, мифическую птицу, которая сжигает себя, чтобы затем возродиться из пепла. Таким образом, он представлял себе Вселенную как нечто, что постоянно обновляется и возрождается через бесконечные циклы времени и пространства.
В рамках общей теории относительности российский математик Александр Фридман в 1922 году предложил решение для осциллирующей, или пульсирующей, Вселенной. Он оценил, что период таких космологических пульсаций составляет около десяти миллиардов лет. Эта концепция периодической Вселенной получила развитие в XX веке и стала особенно популярной в 60-х и 70-х годах.
В 1965 году Арно Пензиас и Роберт Вильсон сделали важное открытие реликтового микроволнового излучения. Это открытие сопровождалось статьей группы теоретиков под руководством Роберта Дикке. Эта группа занимала лидирующие позиции в космологии того времени. Один из ее участников, Джеймс Пиблс, стал нобелевским лауреатом в 2019 году, а в честь другого участника, Дэвида Вилкинсона, был назван космологический спутник WMAP.
Группа Дикке интерпретировала открытие Пензиаса и Вильсона в контексте модели замкнутой и цикличной Вселенной. Они предположили, что материя, которую мы видим сейчас, может быть остатками из предыдущего цикла расширения такой Вселенной. В своей статье они описывали процесс циклической переработки тяжелых атомных ядер. Они предположили, что в осциллирующей космологии без сингулярностей температура должна была быть достаточно высокой, чтобы разрушить тяжелые элементы из предыдущего цикла. В этой модели, в момент максимального сжатия, температура Вселенной должна превышать 10 миллиардов градусов Кельвина, чтобы "пепел" предыдущего цикла перерабатывался обратно в водород, необходимый для формирования звезд в следующем цикле.
Трое российских космологов — А. Д. Долгов, Я. Б. Зельдович и М. В. Сажин — в книге «Космология ранней Вселенной» (1988) лаконично изложили историю космологии XX века так:
Раньше наибольшей популярностью пользовалась точка зрения, согласно которой наш цикл расширения явился продолжением предыдущего цикла сжатия. Существовала модель пульсирующей Вселенной. ... Некоторой модификацией модели пульсирующей Вселенной явилась модель „отскока“ от сингулярности... Сейчас, однако, наиболее привлекательной выглядит идея квантового рождения мира, или рождения из „ничего“.
Важную роль в развитии циклической космологии сыграли Георгий Гамов, его студент Ральф Альфер и молодой ученый Роберт Герман (Robert Herman), которые в 1946–1948 годах разработали первую реалистичную схему нуклеосинтеза — образования химических элементов в ранней раскаленной Вселенной.
Георгий Гамов, известный физик и космолог, был убежден, что ранняя Вселенная была чрезвычайно плотной и горячей. Вместе с соавторами он предсказал существование реликтового микроволнового излучения, которое осталось после Большого взрыва и последующего остывания Вселенной. Это излучение имеет температуру всего в несколько кельвинов, что близко к температуре теплового излучения жидкого гелия.
В своей книге "Создание Вселенной" Гамов выражал сомнения в том, что существует способ остановить расширение Вселенной. Он обсуждал так называемую "модель отскока", которая является упрощенной версией циклической космологии. По его мнению, Вселенная была в сильно сжатом состоянии из-за коллапса, который произошел в еще более раннюю эпоху. Нынешнее расширение, по его словам, можно рассматривать как "упругий" отскок, начавшийся после достижения максимальной плотности.
Гамов описывал космологическую эволюцию яркими образами. В далеком догалактическом прошлом Вселенная, из чего бы она ни состояла, пережила гигантский коллапс. В результате этого Большого сжатия вещество Вселенной оказалось в полностью разрушенном состоянии, образуя первичный "суп" из нейтронов, протонов и электронов. Температура в то время достигала миллиарда градусов, но плотность вещества была сравнима с плотностью атмосферного воздуха на больших высотах.
В середине XX века существовали различные взгляды на природу Вселенной. Концепции горячей и, возможно, осциллирующей Вселенной, которые поддерживали такие ученые, как Георгий Гамов, противостояли идеям холодных и одноразовых мирозданий. Эти альтернативные модели развивали Герман Бонди, Томас Голд и Фред Хойл, а также Яков Зельдович вместе с советскими учеными.
Модель Зельдовича была особенно популярна в то время. Она напоминала взрыв термоядерной бомбы, который разогревал Вселенную из плотного и холодного состояния в разреженное и горячее. На конференции в Тарту в 1962 году, Зельдович, считавший теорию Гамова "наивной", утверждал, что представления о высокой температуре на начальной стадии Вселенной противоречат современным данным.
Зельдович предпочитал модель изначально холодной Вселенной. Он считал, что гипотеза о холодном чистом водороде как исходном материале для звездной стадии эволюции лучше согласуется с современными астрофизическими представлениями. Таким образом, он предлагал другой "единственно возможный, единственно правильный вариант" начального состояния Вселенной, который отличался от горячей модели Гамова.
В 1965 году космологические споры о природе Вселенной завершились с открытием реликтового микроволнового излучения Арно Пензиасом и Робертом Вильсоном. Это открытие стало решающим доказательством в пользу модели горячей Вселенной, полностью подтвердив "наивную" теорию, предложенную Георгием Гамовым, Ральфом Альфером и Робертом Херманом. Реликтовое излучение, оставшееся после Большого взрыва, стало ключевым свидетельством того, что Вселенная действительно была горячей и плотной на ранних стадиях своего существования.
Реликтовое излучение имеет спектр абсолютно черного тела, что указывает на состояние термодинамического равновесия в прошлом. Для достижения такого состояния требуется высокая плотность и температура, что не соответствует начальным условиям холодной модели. Согласно теории Большого взрыва, ранняя Вселенная была чрезвычайно горячей и плотной. По мере её расширения, эта горячая плазма остывала, и излучение, которое она испускала, растягивалось до микроволновых длин волн, которые мы можем наблюдать сегодня.
Реликтовое излучение, обнаруженное Пензиасом и Вильсоном, оказалось именно таким, каким его предсказывала теория горячей Вселенной. Оно имело равномерное распределение по всему небу и соответствовало температуре около 3 Кельвинов, что согласовывалось с расчетами Гамова и его коллег. Это излучение стало "эхо" Большого взрыва, подтверждая, что Вселенная действительно начинала свое существование в горячем и плотном состоянии.
В рамках циклической космологии был предложен механизм, который позволяет превращать накопленные в звездах тяжелые элементы обратно в водород. Этот процесс осуществляется через фотодиссоциацию, как описано в работе Роберта Дикке и его коллег в 1965 году.
Согласно этой модели, когда Вселенная сжимается примерно в 10 миллиардов раз, до размеров порядка десятка световых лет, реликтовое излучение, которое мы сейчас наблюдаем в микроволновом диапазоне, становится гамма-квантовым. Это высокоэнергетическое излучение способно разрушать даже самые прочные ядра химических элементов, превращая их в барионы. Таким образом, создаются условия для нового цикла образования звезд, поскольку из барионов вновь формируется водород, необходимый для звездообразования. Этот процесс обеспечивает постоянное обновление материи во Вселенной, поддерживая её циклическую природу.
Теория пульсирующей Вселенной, несмотря на свою привлекательность, сталкивается с рядом сложных вопросов, на которые она не смогла дать удовлетворительные ответы:
1. Гравитационная сингулярность: При сжатии Вселенной до очень малых размеров возникает проблема гравитационной сингулярности, где гравитация становится настолько сильной, что превосходит все другие физические силы. Это приводит к бесконечной плотности и температуре, что делает физические законы, как мы их знаем, неприменимыми. Теория пульсирующей Вселенной не объясняет, как избежать этой сингулярности.
2. Механизм повторяющегося Большого взрыва: Теория не предоставляет ясного механизма, который объяснял бы, как именно происходит Большой взрыв в каждом цикле. Неясно, что запускает процесс расширения после максимального сжатия.
3. Природа темной материи: Открытия Фрица Цвикки и Веры Рубин указывают на существование темной материи, которая оказывает значительное гравитационное влияние на видимую материю. Теория пульсирующей Вселенной не объясняет природу этой темной материи и её роль в циклических процессах.
4. Изотропность и однородность Вселенной: Наблюдаемая Вселенная очень изотропна и однородна на больших масштабах. Теория пульсирующей Вселенной не объясняет, почему это так, особенно если учесть, что неоднородности должны накапливаться с каждым циклом.
5. Второй закон термодинамики: Согласно второму закону термодинамики, энтропия должна увеличиваться с каждым циклом. Это ставит под сомнение возможность бесконечного повторения циклов, так как в конечном итоге энтропия достигнет максимума, что сделает дальнейшие циклы невозможными.
Квантовая одноразовая Вселенная
Концепция квантовой одноразовой Вселенной предлагает решение проблемы гравитационной сингулярности и объясняет механизм Большого взрыва через введение гипотетического отталкивающего поля. В 1981 году Алан Гут предложил инфляционную модель Вселенной, в которой ключевую роль играет "инфлатон" — квантовое поле, обеспечивающее ускоренное расширение Вселенной из почти сингулярного состояния.
Согласно этой модели, перед началом инфляции Вселенная имела невероятно малые размеры — около 10^-54 сантиметров, и её возраст составлял всего 10^-37 секунды. В течение очень короткого времени, порядка 10^-35 секунды, инфлатон вызвал стремительное расширение Вселенной, увеличив её размер на 56 порядков, до примерно одного метра. Это резкое расширение сделало Вселенную практически плоской и однородной, сгладив начальную кривизну и все неоднородности.
После этого "инфляционного пинка" Вселенная продолжала расширяться по инерции. Инфляционная модель объясняет, почему Вселенная выглядит такой однородной и изотропной на больших масштабах, и решает проблему сингулярности, постулируя существование временного антигравитационного поля, которое исчезает после выполнения своей функции. Эта модель стала важной частью современной космологии, предлагая объяснения, которые согласуются с наблюдаемыми данными.
Инфляционная модель Вселенной, предложенная Аланом Гутом, с её одноразовым "волшебным" инфлатоном, вступила в противоречие с циклической моделью. Циклическая модель требует антигравитации, которая должна возникать при каждом максимальном сжатии Вселенной, чтобы инициировать новый цикл. Однако инфляционная модель предполагает одноразовое антигравитационное поле, которое исчезает после выполнения своей функции, что делает её более простой и привлекательной для объяснения начальных условий Вселенной.
В результате, циклическая модель была оттеснена на обочину космологии, а инфляционная теория получила широкую поддержку, особенно среди специалистов по элементарным частицам и квантовым полям. Инфляционная модель позволяет задавать различные потенциалы для гипотетического инфлатона, создавая множество возможных сценариев развития Вселенной. Поскольку эти модели предполагают одноразовое расширение, проблема накопления энтропии, актуальная для циклической модели, здесь не возникает.
Для объяснения темной материи в рамках инфляционной модели были предложены гипотетические элементарные частицы, известные как ВИМПы (WIMP — Weakly Interacting Massive Particles). Эти частицы слабо взаимодействуют с обычной материей, что делает их хорошими кандидатами на роль темной материи, которая оказывает гравитационное влияние, но не взаимодействует с электромагнитным излучением.
В 1997 году Алан Гут опубликовал книгу, в которой рассматривал теорию инфляции как зрелую и устоявшуюся космологическую модель. Однако уже в 1998 году астрономы сделали открытие, которое стало неожиданностью для многих теоретиков, включая самого Гута. Они обнаружили, что Вселенная расширяется с ускорением, что противоречило ожиданиям, основанным на существующих моделях.
[Вставка автора блога. В примерно 1998-2000 гг. когда я учился на курасах подготвки для новых репатриантов в университете Бен Гурион Негеве, в Беер Шеве
(מכינה לעולים חדשים באוניברסיטת בן גוריון בנגב, באר שבע)
я взял курс миткадим-2 по английскому. Одним из условий получения диплома в Беер Шевском университете, я думаю и в любом другом, является доказательстов владения английским на определённом уровне. Первоночальный уровень студента определяется исходя из оценки английской части в психометрической тесте, психотесте, или психометрии. Это нечто подобное ЕГЭ в России. Так вот, моё знание английского было определено как чуть ниже необходимого уровня. Таким образом, я должен был пройти миткадмим-2 и получить птор, освобождение от дальнейших курсов.
К чему я это рассказываю. В качестве экзамена можно было или выступить устно с докаладом на 5-10 минут на любую научную тему или написать работу, в которой анализируются две любые статьи из журналов Nature и Scientific American. Так вот, листация Scientific American я натолкнулся на то, что Вселенная не просто расширяется, а расширяется с ускореним. Там же были работы про различные сценарии конца Вселенной и как они поменялись в свете нового открытия. Я также испытал некоторый шок, но это был позитвиный шок, в рамках моей картины мира. Новое наблюдение приводит к подстройке существуюших моделей. Ведь в любом случае, эффекты от него заметны только в межгалактических масштабах. В каком-то смысле, это такое же уточнение как теория относительности внесла в физику Ньютона].
Это открытие ошеломило Гута, как он сам признавался, и привело к введению концепции "темной энергии" — загадочной силы, которая, как предполагается, вызывает ускоренное расширение Вселенной. Темная энергия стала одной из главных загадок современной науки, поскольку её природа и механизмы действия остаются неизвестными.
Академик Валерий Рубаков отмечал:
Открытие темной энергии было сделано астрономическими методами и стало для большинства физиков полной неожиданностью. Темная энергия, пожалуй, главная загадка современного естествознания.
Классическая циклическая космология не смогла объяснить причины ускоренного расширения Вселенной, которое было обнаружено в 1998 году. Однако квантовые космологи быстро адаптировались к новым данным и предложили объяснение, связанное с квантовым вакуумом. Они предположили, что отрицательное давление или самогравитация квантового вакуума, наполненного виртуальными частицами, может быть источником так называемой "темной энергии", ответственной за ускоренное расширение.
Идея о том, что отрицательное давление может привести к экспоненциальному расширению Вселенной, была выдвинута еще в 1965-66 годах советскими физиками Андреем Сахаровым и Эриком Глинером. В своих статьях, опубликованных в журнале ЖЭТФ, они рассматривали алгебраические свойства тензора энергии-импульса и вакуумоподобные состояния вещества. Глинер представил свою работу в январе 1965 года, а Сахаров — в марте того же года. Однако из-за редакционных процессов статьи были опубликованы позже: работа Сахарова в июле 1966 года, а Глинера — в августе.
Эти ранние идеи о роли квантового вакуума в космологии оказались полезными для объяснения наблюдаемого ускоренного расширения Вселенной, что делает их актуальными и сегодня.
Эрик Глинер в своих работах связал отрицательное давление с физическими свойствами вакуума и предположил, что этот эффект может привести к ненулевой космологической постоянной. Эти идеи стали важным вкладом в развитие инфляционной космологии, хотя сам Глинер относился к инфляционной теории скептически. В своей статье 2002 года он выразил мнение, что "сама идея инфляции представляется ошибочной". Из-за своей критической позиции Глинер не смог найти работу в американских университетах, как отмечает редактор журнала Виталий Гинзбург.
Андрей Сахаров, чьи работы также связаны с ранними идеями о роли вакуума в космологии, был убежденным сторонником циклической модели Вселенной. В своей статье 1988 года он рассуждал о возможности бесконечного числа пульсаций, то есть циклов расширения и сжатия Вселенной. Сахаров предполагал, что может существовать модель Вселенной, которая позволяет бесконечную последовательность таких пульсаций, продолжающихся как в будущее, так и в прошлое.
Таким образом, оба ученых, и Глинер, и Сахаров, были скептически настроены по отношению к инфляционной модели. Несмотря на то, что работы Глинера о вакуумных состояниях и отрицательном давлении оказали значительное влияние на развитие инфляционной космологии, он оставался критиком этой теории. Оба ученых поддерживали идеи, связанные с циклической космологией, и выражали сомнения относительно инфляционной теории.
Идея об отрицательном давлении или самопритяжении вакуума основывается на предположении, что виртуальные частицы, которые кратковременно появляются из вакуума Дирака, могут притягиваться друг к другу, создавая космологическую константу. Однако, это притяжение может быть равно нулю в зависимости от различных предположений квантовой теории поля. Такой вариант не устраивал квантовых космологов, поэтому они начали теоретически рассчитывать ненулевое самопритяжение вакуума.
Результаты этих расчетов оказались неожиданными: предсказанное значение самопритяжения вакуума оказалось на 120 порядков больше, чем наблюдаемая космологическая постоянная. Это расхождение стало известно как "самое плохое предсказание" в истории физики, как отметил Шон Кэрролл в своей книге "Why is the Universe Accelerating?" (2004).
Несмотря на проблемы с расчетами, отрицательное давление вакуума стало одним из трех ключевых элементов теории инфляции наряду с инфлатоном и ВИМПами (слабо взаимодействующими массивными частицами). Эти компоненты вместе формируют основу для объяснения ускоренного расширения Вселенной и других космологических явлений.
Проблема с предсказанием "темной энергии", которая оказалась на 120 порядков больше, чем наблюдаемая космологическая постоянная, остается нерешенной. Это, как и вопрос обоснования существования инфлатона, требует более глубокой теоретической базы. Ожидается, что будущие разработки в области квантовой теории гравитации, теории струн или другой "теории всего" смогут предложить решения для этих сложных вопросов. Эти теории стремятся объединить все фундаментальные силы природы в единую концептуальную рамку, что может пролить свет на природу вакуума и его роль в эволюции Вселенной.
Космологическая революция 2015 года
Космологическая революция 2015 года стала значительным событием в мире науки, и ее инициаторами были не теоретики, а наблюдатели. Это важно, потому что теоретики часто работают с уже существующими моделями и гипотезами, в то время как наблюдатели, изучая реальный мир, могут натолкнуться на явления, которые не вписываются в устоявшиеся теории. Это открывает новые горизонты для исследований и может привести к пересмотру существующих научных парадигм.
В конце 2015 года начали распространяться слухи о том, что на детекторе LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) были обнаружены гравитационные волны. Гравитационные волны — это рябь в пространстве-времени, предсказанная Альбертом Эйнштейном в его общей теории относительности более ста лет назад. Хотя это открытие на первый взгляд не казалось чем-то, что могло бы кардинально изменить существующую космологию, оно все же вызвало большой интерес в научном сообществе.
Гравитационные волны — это рябь в пространстве-времени, вызванная ускоренным движением массивных объектов, таких как слияние черных дыр или нейтронных звезд. Эти волны распространяются со скоростью света и, проходя через пространство, вызывают крошечные изменения в его структуре.
Когда гравитационная волна проходит через Землю, она воздействует на пространство-время, в котором находятся объекты, включая детекторы LIGO. Это воздействие проявляется в виде изменений расстояний между объектами. В случае LIGO, который состоит из двух длинных перпендикулярных туннелей, гравитационная волна вызывает растяжение одного туннеля и сжатие другого. Это происходит из-за того, что гравитационная волна изменяет метрику пространства-времени, что приводит к изменению расстояний в направлениях, перпендикулярных друг другу.
Представьте себе, что пространство-время — это ткань, и гравитационная волна — это рябь, проходящая по этой ткани. Когда рябь проходит, она растягивает ткань в одном направлении и сжимает в другом. В случае LIGO, один туннель будет немного удлиняться, а другой — укорачиваться. Эти изменения чрезвычайно малы, на уровне тысячной доли диаметра протона, но LIGO способен их зафиксировать благодаря высокой точности своих лазеров и интерферометрической технологии.
Таким образом, именно это крошечное изменение длины туннелей позволяет LIGO обнаруживать гравитационные волны и подтверждать их существование, что стало важным шагом в развитии современной физики и астрономии.
11 февраля 2016 года было официально объявлено о деталях этого открытия, и они действительно поразили всех. Открытие гравитационных волн подтвердило одну из ключевых предсказаний общей теории относительности, что укрепило ее позиции как одной из самых успешных теорий в физике. Более того, это открытие открыло новую эру в астрономии — эру гравитационно-волновой астрономии. Теперь ученые могли не только наблюдать за Вселенной с помощью электромагнитного излучения (света), но и "слушать" ее через гравитационные волны. Это позволило заглянуть в такие уголки Вселенной, которые ранее были недоступны для наблюдений, например, в процессы слияния черных дыр.
Таким образом, открытие гравитационных волн стало не просто подтверждением теории, но и началом новой главы в изучении космоса, что и делает его настоящей космологической революцией.
Открытие, сделанное детектором LIGO, оказалось не просто подтверждением существования гравитационных волн, но и предоставило уникальную возможность наблюдать за одним из самых мощных и драматичных процессов во Вселенной — слиянием черных дыр. Уже через два дня после начала наблюдений обновленный детектор LIGO зафиксировал гравитационную волну, исходящую от слияния двух черных дыр. Эти черные дыры имели массы 29 и 36 масс Солнца и находились на расстоянии 1,6 миллиарда световых лет от Земли.
Слияние этих черных дыр привело к образованию новой черной дыры с массой 62 массы Солнца. Однако, если сложить массы исходных черных дыр, получается 65 масс Солнца. Разница в 3 массы Солнца была преобразована в гравитационные волны. Это мгновенное превращение значительной массы в гравитационное излучение продемонстрировало, насколько мощными могут быть такие события. Для сравнения, энергия, выделившаяся в виде гравитационных волн, была больше, чем суммарная энергия, излучаемая всеми звездами во Вселенной в тот же момент времени.
Это открытие подчеркнуло космологическую важность гравитационных волн. Если учесть, что слияния черных дыр могут происходить довольно часто во Вселенной, то становится очевидным, что значительная часть массы может переходить в гравитационные волны. Это, в свою очередь, должно учитываться при построении космологических моделей, поскольку такие процессы могут оказывать значительное влияние на динамику и эволюцию Вселенной.
Нобелевский лауреат Филип Андерсон в 2018 году отметил, что такие события должны быть интегрированы в наши космологические модели. Это подчеркивает необходимость пересмотра некоторых аспектов наших представлений о Вселенной, учитывая вклад гравитационных волн в ее энергетический баланс.
Наблюдения, проведенные с помощью детектора LIGO, привели к удивительным открытиям, которые изменили наше понимание о частоте и количестве слияний черных дыр. Оказалось, что такие события происходят гораздо чаще, чем предполагали астрономы. Это открытие имеет значительные последствия для космологии и астрофизики, поскольку оно указывает на то, что черные дыры могут быть более распространены во Вселенной, чем считалось ранее.
Одним из наиболее интригующих выводов из этих наблюдений стало предположение, что черные дыры могут играть роль в объяснении природы темной материи. Темная материя — это загадочная субстанция, которая составляет около 27% всей массы и энергии во Вселенной, но не взаимодействует с электромагнитным излучением, что делает ее невидимой для обычных телескопов. До сих пор природа темной материи остается одной из самых больших загадок современной физики.
Исследователи, такие как Себастьян Клессе и Хуан Гарсия-Беллидо, предположили, что массивные первичные черные дыры, образовавшиеся вскоре после Большого взрыва, могут составлять значительную часть темной материи. Эти черные дыры могли бы образовывать кластеры, и их совокупная масса могла бы превышать массу обычной материи, состоящей из атомов и молекул.
Ранее существовало предположение, что черные дыры не могут составлять значительную часть темной материи, поскольку наблюдения не показывали достаточного количества событий гравитационного линзирования. Гравитационное линзирование — это явление, при котором массивный объект, такой как черная дыра, искривляет свет от более далекого объекта, например, звезды, создавая искаженное изображение. Если бы черные дыры в большом количестве находились в темном гало нашей галактики, мы ожидали бы видеть множество таких искажений, когда смотрим на соседние галактики, такие как Туманность Андромеды или Магеллановы облака.
До открытия гравитационных волн, микролинзирование было основным методом обнаружения черных дыр звездных масс, которые не имеют аккреционного диска. Астрономы направляли телескопы на Андромеду и Магеллановы облака не потому, что ожидали найти там много черных дыр, а потому, что эти галактики содержат множество звезд, чьи изображения могли бы быть искажены черными дырами.
Однако открытия, сделанные LIGO, привели к новому пониманию. Было предложено, что черные дыры небольших масс могут образовывать компактные шаровые скопления. Если такие скопления существуют, то вероятность их обнаружения с помощью гравитационного линзирования снижается. Это связано с тем, что скопления могут быть распределены в пространстве таким образом, что они не всегда оказываются на линии видимости между Землей и звездами в Андромеде или Магеллановых облаках. Таким образом, даже если черные дыры составляют значительную часть темной материи, их распределение может быть таким, что они не создают ожидаемого количества событий линзирования.
Данные астрометрического спутника Gaia позволили уточнить модель темного гало нашей Галактики. Эти данные сняли ограничения на количество черных дыр вокруг Млечного Пути, которые ранее накладывались наблюдениями гравитационного линзирования.
Обсуждение природы темной материи и ее возможного состава из черных дыр вместо гипотетических частиц, таких как ВИМПы (слабо взаимодействующие массивные частицы), действительно ставит под сомнение некоторые аспекты квантовой космологии. ВИМПы долгое время считались основными кандидатами на роль темной материи, и значительные ресурсы были вложены в их поиск. Однако, несмотря на десятилетия исследований и значительные финансовые вложения, ВИМПы так и не были обнаружены.
Если темная материя действительно состоит из классических объектов, таких как черные дыры, это может означать, что "квантовость" современной модели Вселенной уменьшается. Это связано с тем, что черные дыры, в отличие от гипотетических квантовых частиц, являются макроскопическими объектами, описываемыми классической физикой, в частности, общей теорией относительности.
Кроме того, два других квантовых столпа современной космологии — инфлатон и темная энергия — также остаются без убедительного теоретического обоснования. Инфлатон — это гипотетическая частица, ответственная за инфляцию, то есть за экспоненциальное расширение Вселенной в первые мгновения после Большого взрыва. Однако теория инфляции, несмотря на свою успешность в объяснении некоторых наблюдательных данных, остается феноменологической. Это означает, что она имеет множество свободных параметров, которые можно настроить для соответствия различным наблюдениям, но без фундаментального обоснования, почему именно такие параметры должны существовать.
Темная энергия, которая считается причиной ускоренного расширения Вселенной, также остается загадкой. Ее природа и происхождение неясны, и она не вписывается в стандартную модель физики элементарных частиц.
Таким образом, если темная материя действительно состоит из черных дыр, это может потребовать пересмотра некоторых аспектов квантовой космологии и поиска новых теоретических подходов для объяснения структуры и эволюции Вселенной.
Характерная история случилась в 2014 году. Группа ученых, анализирующих данные антарктической обсерватории BICEP, объявила в марте об открытии следов гравитационных волн, предсказанных теорией инфляции. Этот триумф вызвал ликование сторонников теории инфляции:
«В астрофизическом сообществе это сообщение вызвало эйфорию, и она вполне оправданна. Результат BICEP2 — если он действительно подтвердится — впервые открывает возможность экспериментальной проверки свойств Вселенной в эпоху космической инфляции, отстоящую от момента Большого взрыва на ничтожную долю секунды. Теория инфляционной вселенной, остававшаяся до сих пор любопытной, захватывающей воображение, пусть правдоподобной — но все-таки гипотезой, превратилась в факт биографии нашей реальной Вселенной.»
Эксперимент BICEP2 подтверждает важнейшее предсказание теории космической инфляции, «Элементы», 22.03.2014.
«Недавние результаты, полученные на установке BICEP2 рядом с Южным Полюсом, показывают, что амплитуда гравитационных волн может оказаться очень большой, вплоть до r = 0,2, близко к тому, что предсказывают простейшие варианты хаотической инфляции. Если эти результаты подтвердятся, то это достижение будет сопоставимо по значению с открытием бозона Хиггса.»
Андрей Линде, Борис Штерн. Как за полчаса изменился мир.
«...инфляция — прекрасная теория, у которой есть большие проблемы с наблюдательным подтверждением. Важность результата BICEP (точнее, установки второго поколения BICEP2), если он окажется верен, — именно в подтверждении инфляционной модели.»
Сергей Попов, Сигнал из времен до Большого взрыва
История с BICEP имеет два интересных момента:
Во-первых, поверив в то, что открытые гравитационные волны стали железным доказательством теории инфляции, ее сторонники откровенно признали, что теория инфляции — лишь «гипотеза», которая имеет «большие проблемы с наблюдательным подтверждением».
Во-вторых, три месяца спустя, в июне 2014 года, это «открытие» гравитационных волн было опровергнуто — полученный сигнал оказался связан не с гравитационными волнами, а с распределением космической пыли (см. Новые данные обсерватории Planck закрывают чересчур оптимистичную интерпретацию результатов BICEP2, «Элементы», 24.09.2014). Примечателен факт, что «гибкая» теория инфляции легко пережила эту скандальную историю! У нее осталось достаточно вариантов, которые предсказывают практически любой уровень гравитационных волн.
...Карл Поппер, известный философ науки, предложил критерий фальсифицируемости как ключевой элемент научной теории. По его мнению, теория считается научной, если она может быть опровергнута экспериментом или наблюдением. Это значит, что теория должна делать конкретные предсказания, которые можно проверить на практике. Если предсказания не сбываются, теория должна быть пересмотрена или отвергнута. Однако, когда речь идет о многопараметрической модели ad hoc, возникает проблема: такая теория может использовать множество свободных параметров для подгонки под уже известные данные. Это похоже на настройку модели так, чтобы она соответствовала наблюдениям, но без способности делать новые, проверяемые предсказания. В этом случае теория становится менее научной, поскольку ее трудно фальсифицировать.
В контексте теории инфляции, критики утверждают, что инфляционисты могут изменять параметры своей модели, чтобы она соответствовала новым данным, избегая тем самым фальсификации. Это делает теорию менее проверяемой, что противоречит принципам Поппера. В результате, хотя инфляция успешно объясняет многие аспекты космологии, ее статус как научной теории подвергается сомнению из-за недостаточной предсказательной силы и фальсифицируемости.
Иллюстрацией этого может служить аналогия с ключом и замком. Представьте, что у вас есть ключ (теория), который подходит к замку (наблюдения) только потому, что вы можете изменять его форму (параметры) до тех пор, пока он не подойдет. Однако, если вы не можете использовать этот ключ, чтобы открыть новый замок (сделать новое предсказание), его ценность как инструмента оказывается под вопросом.
Это настораживает любого трезвого ученого. Оглядываясь на критерии Поппера, применимые ко всем научным теориям, логично задаться вопросом: не является ли теория инфляции многопараметрической моделью ad hoc? Она построена для объяснения известных фактов (и успешно делает это с помощью подкручивания имеющихся свободных параметров), но не способна предсказать конкретные эффекты, которые могли бы ее фальсифицировать — или бесспорно (без споров!) ее подтвердить. Инфляционисты своей гибкостью успешно избегают фальсифицируемости своих моделей, одновременно разрушая их проверяемость — в полном соответствии с анализом Карла Поппера...
...Несмотря на 40 лет развития и широкую популярность, инфляционная космология, описывающая одноразовую Вселенную, сталкивается с серьезными вызовами. Она не смогла бесспорно доказать свое превосходство ни в теоретическом, ни в наблюдательном аспекте по сравнению с другими моделями. Внутри инфляционной модели существуют принципиальные проблемы, которые не только не решаются со временем, но и все больше входят в противоречие с наблюдениями.
Одной из таких проблем является сверхчувствительность инфляционных моделей к начальным условиям. Это означает, что даже незначительное изменение начальных условий, например, на величину в 10^-79, могло бы привести к катастрофическим последствиям: Вселенная либо схлопнулась бы, либо разлетелась в холодную бесконечную пустыню. Чтобы обойти эту проблему, была введена концепция мультиверса, предполагающая существование 10^500 вселенных. С помощью антропного принципа предполагается, что среди множества вселенных найдется хотя бы одна, подходящая для существования жизни, как наша.
Однако эта идея вызывает скептицизм. Академик Я. Б. Зельдович в своей статье "Современная космология" указывал, что антропный принцип, согласно которому мы живем в одной из многих вселенных, пригодных для жизни, может быстро привести к отходу от научного подхода к "размахиванию руками". Это выражение подчеркивает, что такая гипотеза может быть воспринята как недостаточно строгая и научно обоснованная.
Петер Шнайдер, автор учебника по современной космологии, также иронично заметил, что антропный принцип можно рассматривать как "объяснение", но также и как "капитуляцию". Это подчеркивает, что использование антропного принципа может быть воспринято как признание неспособности предложить более конкретное и проверяемое объяснение.
Нетензорность гравитационной энергии в ОТО
Падение доверия к одноразовой инфляционной модели Вселенной, которая сталкивается с рядом нерешенных проблем, таких как сверхчувствительность к начальным условиям, привело к возрождению интереса к циклической космологии. Эта концепция, ранее отодвинутая в сторону инфляционистами, предлагает альтернативный взгляд на эволюцию Вселенной, предполагая, что она проходит через бесконечные циклы расширения и сжатия.
Однако циклическая космология также сталкивается с рядом нерешенных вопросов. Одной из таких проблем является нетензорность гравитационной энергии в общей теории относительности (ОТО). Это означает, что гравитационная энергия не может быть описана в терминах тензоров, что усложняет математическое описание процессов, происходящих в циклической модели.
Чтобы решить эти и другие проблемы, ученые, такие как Пол Стейнхардт и Нил Турок, предложили новые экзотические гипотезы. В своей книге "Бесконечная Вселенная: за пределами Большого взрыва" они рассматривают идеи многомерности, бран и загадочных полей. Эти концепции предполагают существование дополнительных измерений и структур, которые могут влиять на динамику Вселенной.
Многомерные теории, например, предполагают, что наша Вселенная может быть лишь одной из многих "бран" (трехмерных поверхностей) в более высокоразмерном пространстве. Взаимодействие между такими бранами может приводить к циклическим процессам, таким как Большой взрыв и последующее расширение.
В космологии существует предпочтение к моделям, которые не требуют введения новых, ранее неизвестных сущностей, поскольку такие модели считаются более надежными и экономичными с точки зрения научного объяснения. Роджер Пенроуз в своей книге "Циклы времени" предлагает циклическую модель Вселенной, основанную на общей теории относительности (ОТО). Однако, несмотря на использование известных физических законов, в его модели остаются значительные пробелы, которые он закрывает гипотетическими предположениями.
Одним из таких предположений является идея о таинственном конформном преобразовании. В модели Пенроуза предполагается, что в конце каждого цикла, когда Вселенная становится очень большой и разреженной, происходит конформное преобразование, которое превращает ее снова в маленькую и плотную. Это преобразование позволяет Вселенной начать новый цикл расширения. Конформное преобразование в данном контексте — это математическая операция, которая изменяет масштаб пространства, сохраняя углы, но не размеры. В физическом смысле это означает, что свойства Вселенной изменяются таким образом, что она может "перезапуститься" после достижения определенного состояния.
Космология, как прикладная наука, опирается на решения уравнений общей теории относительности (ОТО), разработанной Альбертом Эйнштейном. Эти уравнения лежат в основе нашего понимания гравитации и структуры Вселенной. Однако, когда ученые сталкиваются с трудностями в объяснении наблюдаемых феноменов, перед ними встает дилемма: признать свои ограничения в поиске правильного решения или предположить, что сама ОТО может быть неполной.
Первый вариант требует глубокого анализа и, возможно, пересмотра подходов к применению ОТО в космологии. Это может включать в себя поиск новых решений уравнений, которые лучше соответствуют наблюдаемым данным, или разработку новых методов моделирования сложных космологических процессов. Такой подход требует значительных усилий и времени, но он может привести к более глубокому пониманию и новым открытиям.
Второй вариант, который заключается в объявлении неполноты ОТО, может показаться более простым и привлекательным. Это позволяет переложить ответственность за несоответствия на теорию, а не на методы ее применения. Однако такой подход может быть преждевременным и не всегда обоснованным, поскольку ОТО уже доказала свою эффективность в объяснении множества явлений.
Вместо того чтобы искать легкие пути, стоит задаться вопросом: возможно, мы неправильно используем ОТО для космологических приложений?
Уравнение Пуассона, записываемое как Δφ = 4πGρ, связывает гравитационный потенциал φ с плотностью массы ρ, создающей гравитационное поле. Здесь G — гравитационная постоянная, а Δ — дифференциальный оператор Лапласа. В трехмерном пространстве оператор Лапласа выражается как:
Δφ = ∂²φ/∂x² + ∂²φ/∂y² + ∂²φ/∂z².
Это уравнение показывает, как распределение массы в пространстве определяет гравитационный потенциал и, следовательно, гравитационное поле.
Чтобы лучше понять это, представьте себе резиновую пленку, натянутую в пространстве. Эта пленка символизирует гравитационный потенциал φ. Если вы положите на пленку тяжелый шарик, он создаст вмятину, аналогичную тому, как масса в пространстве создает гравитационное поле. Чем больше масса, тем глубже вмятина и тем сильнее гравитационное поле.
Дифференциальный оператор Лапласа помогает математически описать, как эта вмятина или изменение потенциала распределяется в пространстве. Он учитывает, как потенциал изменяется в разных направлениях — вперед-назад, влево-вправо и вверх-вниз, подобно тому, как вы измеряете кривизну поверхности пленки в каждой точке.
Гравитационный потенциал φ — это величина, которая говорит нам, насколько "глубока" вмятина в каждой точке пространства. Он позволяет понять, как сильно будет притягиваться другой объект, если его поместить в это гравитационное поле. Например, если вы положите маленький шарик рядом с большим, он будет катиться в сторону вмятины, созданной большим шариком, что соответствует притяжению в гравитационном поле.
Отметим, что в уравнении Пуассона сам потенциал никоим образом не входит в источники поля, то есть, не является источником самого себя. Это подчеркивает линейность классической теории гравитации, где гравитационное поле создается исключительно массой, а не самим полем.
Таким образом, уравнение Пуассона связывает все эти элементы вместе, показывая, что изменение гравитационного потенциала в пространстве связано с плотностью массы, которая создает это поле. Чем больше масса в определенной области, тем сильнее будет гравитационное поле, и тем глубже будет вмятина на нашей "пленке" потенциала. Это уравнение является частным случаем более общего уравнения Лапласа, используемого в различных областях физики для описания потенциалов, таких как электрический и магнитный.
Уравнения Эйнштейна в общей теории относительности представляют собой релятивистское тензорное обобщение уравнения Пуассона. В этих уравнениях левая часть содержит вторые производные от метрического тензора второго ранга, который является аналогом гравитационного потенциала в классической теории. Этот тензор описывает искривление четырехмерного пространства-времени, что является центральной концепцией общей теории относительности.
В правой части уравнений Эйнштейна находится тензор энергии-импульса второго ранга. Этот тензор описывает распределение энергии и импульса в пространстве-времени, включая такие источники, как вещество и электромагнитные поля. В отличие от уравнения Пуассона, где источником гравитационного поля является скалярная плотность массы, в уравнениях Эйнштейна источником выступает более сложная структура, учитывающая релятивистские эффекты.
После вывода уравнений общей теории относительности в 1915 году возник вопрос: нужно ли включать энергию самого гравитационного поля в число источников гравитационного поля? В классической теории Ньютона гравитационное поле создается исключительно массой, и сам потенциал не является источником поля. Ньютон, вероятно, ответил бы, что энергия гравитационного поля не должна учитываться как источник.
Если придерживаться принципа равноправия всех форм энергии, то логично было бы включать энергию гравитационного поля в число источников гравитационного поля. Для этого необходимо создать тензор энергии-импульса, аналогичный тому, который используется для описания энергии-импульса электромагнитного поля. Однако, когда Эйнштейн попытался описать энергию и импульс гравитационного поля, он предложил математический объект второго ранга. Этот объект, как выяснилось, не является истинным тензором. Эрвин Шредингер в 1918 году показал, что этот объект, который стали называть "псевдотензором", может быть обращен в ноль путем выбора определенной системы координат. Это означает, что псевдотензор не обладает свойствами инвариантности, которые ожидаются от настоящего тензора, поскольку его значение зависит от выбора системы координат. Проблема с псевдотензором заключается в том, что он не является инвариантным относительно преобразований координат, что является ключевой характеристикой тензоров в общей теории относительности. Это делает его непригодным для универсального описания энергии и импульса гравитационного поля. Таким образом, хотя идея включения энергии гравитационного поля в число источников гравитации привлекательна с точки зрения симметрии и равноправия энергий, математические трудности, связанные с определением подходящего тензора, остаются нерешенными.
Тензор — это математический объект, который обобщает понятия скаляров, векторов и матриц и используется для описания физических величин в многомерных пространствах. Скаляр, как тензор нулевого ранга, представляет собой просто число, которое не зависит от выбора системы координат. Вектор, являясь тензором первого ранга, имеет направление и величину и может быть представлен как набор чисел, которые изменяются при изменении системы координат. Допустим, у нас есть вектор в двумерной системе координат, и он представлен как (3, 4). Это означает, что вектор имеет проекцию 3 единицы по оси x и 4 единицы по оси y. Длина этого вектора (его величина) может быть вычислена с помощью теоремы Пифагора: √(3² + 4²) = 5. Теперь представьте, что мы поворачиваем систему координат на некоторый угол. В новой системе координат компоненты вектора изменятся, потому что оси координат теперь ориентированы по-другому. Например, вектор может быть представлен как (5, 0) в новой системе, если он теперь полностью совпадает с одной из осей. Однако, несмотря на изменение числовых значений компонент, сам вектор — его физическое направление и длина — остаются теми же. Он по-прежнему указывает в ту же точку в пространстве и имеет ту же длину.
Матрица, как тензор второго ранга, имеет два индекса и может описывать более сложные отношения между величинами, такие как преобразования координат или напряжения в материале. Например, матрица A может быть представлена как A_ij, где i и j — это индексы, которые пробегают по строкам и столбцам матрицы. Тензоры, включая матрицы, обладают свойством инвариантности относительно преобразований координат, что делает их полезными для описания физических явлений, которые должны быть одинаковыми независимо от выбора системы отсчета.
Выяснилось, что вывести истинный тензор энергии-импульса гравитационного поля в принципе невозможно, и причина этого кроется не в недостатке знаний физиков, а в самой природе общей теории относительности (ОТО). В основе ОТО лежит фундаментальный принцип эквивалентности, который устанавливает равенство между гравитационным полем и искривленным пространством-временем. Это означает, что для свободно падающего наблюдателя гравитационное поле полностью исчезает, а вместе с ним исчезает и энергия этого поля. Этот феномен называется нелокализуемостью гравитационной энергии.
В общей теории относительности гравитация описывается не как сила, а как искривление пространства-времени. Принцип эквивалентности утверждает, что в локальной системе отсчета, которая свободно падает в гравитационном поле, эффекты гравитации исчезают. Это значит, что в такой системе отсчета гравитационное поле не ощущается, и, следовательно, энергия, связанная с этим полем, также не проявляется. Если энергия гравитационного поля может "исчезнуть" в одной системе отсчета, это означает, что она не может быть четко определена и локализована в пространстве, как это делается для других форм энергии, таких как электромагнитная. В электромагнитной теории энергия поля может быть локализована и измерена в любой системе отсчета, и она не исчезает при переходе между системами отсчета.
В случае гравитации, поскольку энергия поля может исчезать в определенных системах отсчета, это делает невозможным ее локализацию в пространстве в универсальном смысле. Это свойство, называемое нелокализуемостью гравитационной энергии, указывает на то, что гравитационная энергия не может быть описана в терминах локализованных тензоров, которые были бы инвариантны при переходе между различными системами отсчета.
Проблему энергии импульса в ОТО хорошо описал В. И. Родичев в своей книге Теория тяготения в ортогональном репере (1974):
«Трудности, связанные с нетензорным характером величин, описывающих энергию, импульс и момент гравитационного поля, оказались настолько серьезными и неприступными, что их постепенно начали рассматривать как проявление особых свойств гравитационного поля — универсальности, неэкранируемости, нелокализуемости и т. д.»
Ученый задается вопросом:
«...в чем причина появления нековариантных результатов в теории, одним из принципов которой является принцип общей ковариантности?».
Дискуссия о том, может ли нетензорная и нелокализуемая гравитационная энергия служить источником тензорного гравитационного поля, продолжается уже более ста лет. В научном сообществе сложились две противоположные точки зрения на этот счет.
1) Гравитационная энергия нелокальна и нетензорна, но все равно реальна и должна быть рассмотрена как источник гравполя. Нобелевский лауреат Р. Пенроуз пишет:
«Энергия, а, следовательно, и масса гравитационного поля ведут себя подобно скользкому угрю, так что их невозможно „привязать“ к какому-нибудь четко определенному месту. Тем не менее, к гравитационной энергии следует относиться со всей серьезностью. Она заведомо присутствует, и ее необходимо учитывать для того, чтобы сохранить смысл понятия массы.»
(Новый ум короля, 2003).
2) Гравитационное поле — это искривленное пространство, оно может воздействовать на объекты, не обладая классически определяемой энергией. Гравитационная энергия — фикция, исторически сложившееся понятие. В источники ее вставлять нельзя. Нобелевский лауреат Герард 'т Хоофт подчеркивает, что любая модификация уравнений Эйнштейна, в которой гравитационное поле является источником дополнительного поля и вносит вклад
«в тензор напряжения-энергии-импульса, вопиюще ошибочна. Написание такого варианта выдает полное непонимание общей теории относительности. Энергия и импульс гравитационного поля полностью учитываются нелинейными частями исходного уравнения».
Вопрос о том, может ли нетензорная и нелокализуемая гравитационная энергия служить источником тензорного гравитационного поля, действительно вызывает много споров в научном сообществе. Каждую из позиций поддерживает множество ученых, и, возможно, большинство склоняется к первой, более психологически приемлемой точке зрения, что гравитационная энергия может влиять на гравитационное поле.
Что касается Альберта Эйнштейна, его позиция по этому вопросу эволюционировала со временем. До 1916 года Эйнштейн поддерживал первую трактовку, согласно которой гравитационная энергия могла бы служить источником гравитационного поля. Однако позже он изменил свою точку зрения и стал сторонником второй позиции, утверждая, что из-за своей нетензорной природы гравитационная энергия не может быть источником тензорного гравитационного поля...
В контексте эволюции взглядов Эйнштейна на общую теорию относительности (ОТО), различают две основные трактовки: "теория 1915 года" и "теория 1919 года". В первоначальной трактовке, или "теории 1915 года", Эйнштейн предполагал, что гравитационная энергия может служить источником гравитационного поля. Однако к 1919 году его взгляды изменились, и он сформулировал более четкую интерпретацию, которая оставалась неизменной до конца его жизни.
В "теории 1919 года" Эйнштейн пришел к выводу, что гравитационная энергия не может быть источником гравитационного поля из-за своей нетензорной природы. Он утверждал, что правая часть уравнения ОТО феноменологически описывает все источники гравитационного поля, но эти источники не включают гравитационную энергию. В 1953 году Эйнштейн описал главное уравнение ОТО следующим образом: "Правая часть уравнения феноменологически описывает все источники гравитационного поля. Тензор Tik представляет энергию, которая создает гравитационное поле, но сама не имеет гравитационного характера, как, например, энергия электромагнитного поля, энергия, связанная с плотностью вещества, и т. д."
Вопрос о том, может ли гравитационная энергия служить источником дополнительного гравитационного поля, остается предметом дискуссий и разногласий среди физиков. В 1973 году два авторитетных учебника представили противоположные точки зрения на этот вопрос.
Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшиц в своем учебнике "Теория поля" утверждают, что гравитационная волна, обладая определенной энергией, сама по себе является источником некоторого дополнительного гравитационного поля. Это утверждение предполагает, что энергия, связанная с гравитационными волнами, может вносить вклад в искривление пространства-времени, подобно тому, как это делают другие формы энергии.
С другой стороны, в учебнике "Гравитация" Ч. Мизнера, К. Торна и Д. Уилера, также опубликованном в 1973 году, представлена противоположная точка зрения. Они утверждают, что "локальная гравитационная энергия-импульс" не оказывает влияния на искривление пространства, не служит источником в правой части уравнений поля Эйнштейна и не вызывает геодезического отклонения. Более того, они подчеркивают, что такая энергия не наблюдаема.
Эти противоположные взгляды отражают сложность и неоднозначность вопроса о роли гравитационной энергии в общей теории относительности. Они подчеркивают, что, несмотря на значительные достижения в понимании гравитации, некоторые аспекты остаются открытыми для интерпретации и требуют дальнейших исследований.
Кто прав? Мнение автора теории должно иметь наивысший приоритет. Почему же многие не прислушались к мнению Эйнштейна? С одной стороны, как это не удивительно, но современные физики часто уверены, что они лучше понимают ОТО, чем сам Эйнштейн (причины этой убежденности не очень понятны).
С другой стороны, мнение Эйнштейна по этому поводу попросту малоизвестно из-за труднодоступности его работ. В 2024 году достаточно полное собрание научных сочинений Эйнштейна существует только на русском (опубликованное в 1960-х, оно быстро стало раритетом) и японском языках. Нигде нельзя найти хотя бы избранного собрания сочинений этого великого ученого на английском или немецком языке.
Издание полного собрания сочинений Альберта Эйнштейна действительно является длительным и сложным проектом. Первый том на английском языке был выпущен Принстонским университетом в 1987 году, спустя 70 лет после создания общей теории относительности и через 32 года после смерти Эйнштейна. К 2024 году было выпущено 17 томов, охватывающих публикации Эйнштейна лишь до ноября 1930 года. Судя по темпам издания, завершение проекта можно ожидать лишь к середине XXI века. Это действительно рекордный по медлительности проект, когда переиздание сочинений занимает больше времени, чем сам Эйнштейн потратил на их написание.
Работа с этими томами затруднена тем, что среди десятков тысяч документов, включая частные письма, приходится искать полторы сотни наиболее значимых научных работ и заметок Эйнштейна. Это может объяснить, почему современные западные гравитационисты не всегда хорошо знакомы с оригинальными статьями Эйнштейна и его мнением по вопросу гравитационной энергии.
В России ситуация несколько иная. Книга Ландау и Лифшица "Теория поля" пользуется огромным авторитетом и считается классическим учебником по теории относительности и гравитации. Это может привести к тому, что мнение Эйнштейна иногда игнорируется на фоне признанного авторитета Ландау и Лифшица.
Таким образом, трудности с доступом к оригинальным работам Эйнштейна и влияние авторитетных учебников могут способствовать тому, что современные ученые не всегда учитывают его мнение по вопросам, связанным с гравитационной энергией. Это подчеркивает важность доступности и изучения первоисточников для более полного понимания научных теорий и их развития.
До недавнего времени дискуссии о гравитационной энергии носили в основном академический характер, поскольку вклад энергии гравитационных волн считался незначительным. Однако ситуация изменилась в 2015 году благодаря открытиям, сделанным обсерваторией LIGO. Эти открытия продемонстрировали, что гравитационные волны могут иметь значительное влияние на космологические процессы.
Мгновенное превращение трех масс солнца в гравитационные волны показало, что вопрос о гравитационной массе гравитационных волн требует более тщательного изучения. Открытия LIGO подтвердили, что черные дыры играют огромную и ранее недооцененную роль в космологии. Их слияния могут изменять гравитационную массу Вселенной, хотя баланс инертной массы и энергии остается неизменным.
Новая циклическая космология
Включать или не включать гравитационную энергию в число источников гравитационного поля? Этот вопрос трудно решить логическими или математическими аргументами. Фактически, это область аксиоматики ОТО, или, проще говоря, инструкций по использованию уравнений Эйнштейна. Но аксиомы — это семена, из которых вырастают огромные деревья приложений. Поэтому надо просто изучить следствия, к которым приводят разные трактовки ОТО — и мы сразу поймем, какая трактовка лучше описывает наблюдаемую реальность.
Рассмотрим такую трудную проблему теории гравитации, как сингулярности. На стадии коллапса все противодействующие силы (центробежная сила, давление электронного или нейтронного газа и т. д.) становятся малы по отношению к гравитационному притяжению, поэтому коллапсирующая система должна сжаться в точку. Но если сингулярность нельзя предотвратить с помощью негравитационных сил, остается возможность победы над гравитационным коллапсом с помощью самой гравитации, то есть с помощью таких гравитационных феноменов, которые растут при сжатии быстрее притяжения, что дает принципиальную возможность его преодоления. Такие гравитационные феномены существуют: это приливные силы и гравитационное излучение.
В рамках "теории 1915 года", предполагалось, что гравитационная энергия может служить источником гравитационного поля. Эйнштейн считал, что гравитационная масса системы остается неизменной, даже если энергия переходит из одной формы в другую, что связано с принципом эквивалентности массы и энергии, выраженным в знаменитой формуле E=mc². В этом контексте, когда сфера коллапсирует, энергия, изначально связанная с массой вещества, может преобразовываться в другие формы энергии, такие как энергия гравитационных волн. Однако, поскольку общая энергия системы остается постоянной, гравитационная масса, которая является источником гравитационного поля, не изменяется. Таким образом, с точки зрения ОТО 1915 года, гравитационная масса коллапсирующей сферы не меняется, она лишь превращается из массы вещества в массу, вызванную энергией гравитационных волн. Поэтому гравитационный коллапс сферы с неизменной гравитационной массой остановить нельзя — и она должна сжаться в точечную сингулярность.
Однако с точки зрения "теории 1919 года", Эйнштейн изменил свое понимание, утверждая, что энергия гравитационных волн не может порождать гравитационное поле. Гравитационные волны, хотя и переносят энергию, обладают уникальной особенностью, которая отличает их от других форм энергии, таких как электромагнитная энергия или энергия, связанная с массой вещества. Эта особенность заключается в том, что энергия гравитационных волн не может быть учтена в уравнениях Эйнштейна как источник гравитационного поля. Это связано с тем, что энергия гравитационных волн описывается с помощью псевдотензоров, которые не являются истинными тензорами и зависят от выбора системы координат.
Псевдоэнергия гравитационных волн, таким образом, не обладает свойствами, которые позволили бы ей быть источником гравитационного поля в традиционном смысле. Это означает, что в процессе гравитационного коллапса, когда энергия материи переходит в гравитационные волны, эта энергия не может поддерживать гравитационное поле. В результате, гравитационная масса коллапсирующей сферы уменьшается, поскольку часть энергии системы становится "невидимой" для гравитационного взаимодействия.
Это ключевое различие в следствиях общей теории относительности 1915 года и 1919 года.
Для решения проблемы сингулярности нужно показать, что гравитационное излучение при коллапсе быстро растет. Если взять идеальную сферу и заставить ее сжиматься, то никаких гравитационных волн, согласно теореме Биркгофа, генерироваться не будет. Но идеальный коллапсирующий шар не более реален, чем сферический конь в вакууме.
В процессе коллапса звезды, когда ее радиус уменьшается, гравитационные и приливные силы начинают играть все более значительную роль. На поверхности коллапсирующей звезды сила гравитационного притяжения увеличивается обратно пропорционально квадрату радиуса (r⁻²). Это означает, что по мере уменьшения радиуса звезды гравитационное притяжение на ее поверхности становится сильнее.
Однако приливные силы, которые возникают из-за градиента гравитационного поля, зависят от радиуса еще сильнее — они увеличиваются обратно пропорционально кубу радиуса (r⁻³). Эти силы растягивают объекты, имеющие ненулевую радиальную протяженность, включая волны на поверхности звезды. В результате, когда звезда сжимается, приливные силы усиливают амплитуду этих волн, превращая их в мощные "штормовые валы" или "цунами".
Это явление хорошо известно в физике. Ландау и Лифшиц («Теория поля», 1973) пишут:
«Эффекты несферичности в сопутствующей системе отсчета отнюдь не затухают, а, напротив, должны нарастать при дальнейшем сжатии тела, и поэтому нет никаких оснований ожидать, чтобы поле под горизонтом могло определяться лишь полными массой и моментом тела».
Еще одним гравитационным эффектом является генерация гравитационного излучения, которая усиливается по мере уменьшения радиуса системы. Этот процесс зависит от пятой степени обратного радиуса (r⁻⁵), что означает, что по мере сжатия системы гравитационное излучение возрастает очень быстро.
Гравитационные приливные силы вызывают деформацию слегка неидеальной сферы в процессе коллапса, превращая её в несферическую форму. Несферичность, в свою очередь, является необходимым условием для генерации гравитационного излучения. Таким образом, по мере того как система становится все более несферической, она начинает излучать гравитационные волны, которые эффективно переносят энергию и массу из системы в окружающее пространство.
Этот процесс может продолжаться до тех пор, пока гравитационное притяжение не будет преодолено, и система не перестанет сжиматься. Гравитационные волны, будучи "невесомыми", уносят энергию, уменьшая гравитационную массу системы. Это может привести к тому, что коллапс замедлится или даже остановится, если потеря энергии через излучение станет достаточно значительной.
Классическая проблема сингулярности, которая остается нерешенной в рамках общей теории относительности 1915 года, может быть решена в теории Эйнштейна 1919 года за счет учета двух ключевых эффектов: нарастания неоднородности системы под воздействием гравитационных приливных сил и генерации гравитационного излучения, связанного с этой неоднородностью. Эти эффекты позволяют избежать образования сингулярности, так как приливные силы вызывают деформацию коллапсирующего объекта, а гравитационное излучение уносит энергию и угловой момент, изменяя динамику коллапса и предотвращая достижение бесконечной плотности.
Изящное решение проблемы сингулярности уже заставляет сделать уверенный выбор в пользу трактовки 1919 года. При этом ее победное шествие только начинается.
Когда гравитирующая система уменьшает свою массу, метрика пространства-времени вокруг нее изменяется, отражая уменьшение гравитационного влияния этой системы. В общей теории относительности метрика пространства-времени определяется распределением массы и энергии, и любое изменение в этих параметрах приводит к изменению геометрии пространства-времени.
В случае, описанном профессором Мареком Кутчерой, изменения в распределении массы и энергии системы связаны с излучением гравитационных волн, которые уносят энергию от системы. Это приводит к изменению метрики, поскольку гравитационные волны изменяют кривизну пространства-времени, распространяясь наружу от источника. В модели Кутчера ключевым аспектом является изменение метрики пространства-времени в ответ на перераспределение массы и энергии, а не на изменение их общего количества. В своей статье Кутчера исследует специфический случай, связанный с релятивистскими файрболами, которые могут быть источниками гамма-всплесков. Эти файрболы, изменяя распределение массы через излучение гравитационных волн, влияют на метрику пространства-времени вокруг себя.
Релятивистские файрболы — это интересное явление, связанное с астрофизикой и теорией относительности. Чтобы понять, что это такое, нужно рассмотреть несколько ключевых концепций..
Во-первых, термин "релятивистский" относится к теории относительности, предложенной Альбертом Эйнштейном. В контексте астрофизики это обычно связано с объектами или явлениями, которые движутся с очень высокими скоростями, близкими к скорости света. При таких скоростях начинают проявляться эффекты, предсказанные теорией относительности, такие как замедление времени и увеличение массы.
Теперь перейдем к "файрболам". В астрофизике файрболы часто описывают как взрывообразные выбросы энергии и материи. Они могут возникать в результате различных космических событий, таких как гамма-всплески или взрывы сверхновых. Эти события высвобождают огромное количество энергии в очень короткий промежуток времени, создавая расширяющийся шар горячей плазмы и радиации.
Когда мы объединяем эти два понятия, релятивистские файрболы представляют собой взрывы, в которых выброшенная материя и энергия движутся с релятивистскими скоростями. Это означает, что они распространяются с очень высокими скоростями, близкими к скорости света. Такие явления могут наблюдаться, например, в результате гамма-всплесков, которые считаются одними из самых мощных взрывов во Вселенной.
Гамма-всплески могут возникать, когда массивные звезды коллапсируют в черные дыры или при слиянии нейтронных звезд. В результате этих процессов высвобождается колоссальное количество энергии, и образуется релятивистский файрбол, который испускает гамма-лучи. Эти гамма-лучи могут быть обнаружены с помощью телескопов на Земле, что позволяет ученым изучать такие экстремальные явления.
Таким образом, релятивистские файрболы — это мощные космические взрывы, в которых материя и энергия движутся с релятивистскими скоростями, и они играют важную роль в нашем понимании высокоэнергетических процессов во Вселенной.
Решение уравнений Эйнштейна для такого случая показывает, что метрика становится менее искривленной по мере уменьшения массы системы. Это может быть описано как уменьшение гравитационного потенциала, что приводит к ослаблению гравитационного поля. В результате, объекты, находящиеся вблизи такой системы, будут испытывать меньшее гравитационное притяжение, и их траектории могут измениться в соответствии с новой метрикой.
В статье, написанной Н. Горкавым и А. Васильковым в 2016 году, была исследована метрика, предложенная Кутчером, которая ранее не была детально изучена. В общей теории относительности метрика определяет геометрические свойства пространства-времени и позволяет описывать, как гравитация влияет на движение объектов и распространение света.
Кутчера предложил метрику, которая, как оказалось, может быть использована для вычисления гравитационной силы, действующей при коллапсе Вселенной. Коллапс Вселенной — это гипотетический сценарий, в котором Вселенная, расширяясь, в какой-то момент начинает сжиматься под действием гравитации.
При использовании метрики Кутчеры для вычисления гравитационной силы, в формулу ньютоновской гравитации добавляется новое релятивистское слагаемое. Ньютоновская гравитация традиционно описывает только силы притяжения между массами. Однако, в данном случае, новое релятивистское слагаемое, добавленное в формулу, может описывать дополнительные эффекты, такие как отталкивание, которые не учитываются в классической ньютоновской теории.
Это новое слагаемое было впервые предложено Н. Горкавым в 2003 год из ньютоновских соображений была получена в 2003 году — см. N. Gorkavyi, 2003. Origin and Acceleration of the Universe without Singularities and Dark Energy):
F ≈ -G * M / r² + (α/c) * G * M / r
В этой модифицированной формуле гравитации вводится дополнительное релятивистское слагаемое, которое учитывает изменение гравитационной массы системы со временем. Для удобства принято предположение, что гравитационная масса системы меняется согласно экспоненциальной функции e-α(t - r/c), где α — феноменологический параметр, а t и r/c — время и задержка, связанная с распространением информации о массе. Феноменологический параметр используется для моделирования наблюдаемых явлений без углубления в фундаментальные механизмы, которые их вызывают. В данном случае α описывает изменение гравитационной массы, но не объясняет, почему это происходит на более глубоком уровне.
Задержка, обозначенная как r/c, связана с тем, что информация о любых изменениях, включая изменения массы, распространяется со скоростью света. Это означает, что если масса системы изменяется, то наблюдатели, находящиеся на расстоянии r, узнают об этом изменении только спустя время, равное r деленному на скорость света c. Таким образом, наблюдатели, находящиеся на расстояниях больше, чем ct, еще не получили информацию об изменении массы.
Предположение о том, что гравитационная масса системы изменяется экспоненциально, позволяет учитывать динамические изменения массы, которые могут происходить в различных астрофизических системах. Экспоненциальная функция удобна для моделирования процессов, которые могут происходить с постоянной относительной скоростью изменения, что характерно для многих физических процессов. Это позволяет гибко описывать, как масса может уменьшаться или увеличиваться со временем, что важно для понимания поведения сложных систем, таких как звезды или галактики, где масса может изменяться из-за различных процессов, например, излучения или аккреции.
Новое релятивистское слагаемое в формуле медленнее убывает с расстоянием, чем классическое ньютоновское притяжение, что может иметь значительные последствия для понимания гравитационных взаимодействий на больших космологических масштабах. Это может объяснять некоторые наблюдаемые явления, такие как ускоренное расширение Вселенной, без необходимости введения темной энергии или других гипотетических сущностей.
Теперь давайте разберем, как математическое выражение и физическая реальность взаимодействуют в контексте распространения сигнала. Формула e-α(t - r/c) — это экспоненциальная функция, которая всегда принимает положительные значения, независимо от значений переменных внутри нее. Это свойство экспоненциальной функции означает, что математически сигнал всегда существует, даже если его величина может быть очень мала.
В физике, особенно в теории относительности, скорость света (обозначаемая как c) является максимальной скоростью, с которой информация может распространяться. Когда мы говорим о t < r/c, это означает, что время t, прошедшее с момента начала изменения какого-либо параметра (например, массы), меньше времени, необходимого свету, чтобы преодолеть расстояние r. Представьте, что вы находитесь на расстоянии r от источника, который внезапно изменяет свою массу. Сигнал об этом изменении распространяется со скоростью света. Если прошло недостаточно времени, чтобы световой сигнал достиг вас (то есть t < r/c), вы еще не можете узнать об этом изменении. Это как если бы кто-то кричал на большом расстоянии, но звук еще не успел до вас дойти.
Математически, даже если t < r/c, значение e-α(t - r/c) остается больше нуля. Это указывает на потенциальное существование сигнала, но в физическом смысле, этот сигнал еще не доступен для восприятия. Это различие между математическим и физическим пониманием важно, потому что оно подчеркивает, что не все математически возможные значения имеют физический смысл в конкретных условиях.
Случай положительной α описывает появление волны антигравитационного потенциала (рис. 3), которая и является причиной Большого взрыва.
Рис. 3. (а) — гравитационное притяжение наглядно иллюстрируется движением легких шариков, которые катятся вниз по стенкам потенциальной ямы. (б) — когда гравитационная масса центрального тела уменьшается, это приводит к снижению гравитационного потенциала вблизи него. Представьте себе гравитационный потенциал как воронку, в центре которой находится массивное тело. Чем больше масса, тем глубже и круче наклон этой воронки. Когда масса уменьшается, воронка становится менее глубокой, и ее наклон уменьшается. Это изменение не происходит мгновенно для всех объектов, поскольку информация о снижении массы распространяется со скоростью света. Удаленные наблюдатели, находящиеся на значительном расстоянии от центрального тела, получают информацию о новом уровне потенциала с запаздыванием. До того, как эта информация достигает их, они продолжают ощущать прежнее гравитационное поле, которое было обусловлено более высокой массой. Это похоже на то, как если бы вы катились по наклонной поверхности, не зная, что впереди она станет более пологой. Когда информация о снижении массы достигает удаленных объектов, они начинают ощущать новое, более слабое гравитационное поле. Это приводит к изменению гравитационного потенциала, который они ощущают. Представьте, что объекты, которые раньше притягивались к центральному телу, теперь начинают двигаться в противоположном направлении, как если бы их отталкивало. Это происходит из-за изменения градиента потенциала: если раньше он был направлен к центру, то теперь он становится менее выраженным или даже направленным от центра. Этот временный эффект, который можно назвать антигравитацией, вызван изменением гравитационного потенциала. Объекты начинают двигаться от центрального тела, следуя новому градиенту потенциала. Однако, как только все объекты в системе получают информацию о новом уровне потенциала и система стабилизируется, этот эффект исчезает. Объекты начинают двигаться в соответствии с новым, более слабым гравитационным полем. Для самых удаленных наблюдателей, которые еще не получили информацию о падении потенциала, воронка потенциала остается неизменной. Однако волна антигравитации, распространяющаяся со скоростью света, движется к ним, постепенно ослабевая. Это означает, что в какой-то момент они также испытают изменение потенциала, но с задержкой, обусловленной конечной скоростью распространения информации.
Когда Вселенная начинает сжиматься, гравитационные силы стремятся стянуть вещество в более плотное состояние, что может привести к коллапсу в сингулярность. Однако, согласно предложенной теории, антигравитация — сила, противоположная гравитации — начинает доминировать задолго до достижения сингулярности. Это можно представить как внезапное изменение в "наклоне" гравитационного потенциала, где вместо того, чтобы продолжать сжиматься, вещество начинает испытывать отталкивание.
В процессе сжатия все галактики, звезды, газ и темная материя начинают сближаться, что приводит к концентрации массы в меньшем объеме. В результате плотность вещества и энергии увеличивается, что является ключевым фактором, влияющим на гравитационные взаимодействия и метрику пространства-времени. В общей теории относительности метрика пространства-времени определяется распределением массы и энергии. Увеличение плотности приводит к изменению кривизны пространства-времени. В контексте модели Кутчера такие изменения могут вызвать релятивистские эффекты, которые включают изменения в гравитационном потенциале и могут привести к возникновению антигравитации.
Антигравитация в этом контексте действует как отталкивающая сила, которая преодолевает гравитационное притяжение задолго до того, как Вселенная достигнет состояния сингулярности. Это останавливает коллапс на этапе, когда размер Вселенной составляет десятки световых лет. В этот момент антигравитация становится настолько мощной, что делает Большой взрыв неизбежным. Это можно сравнить с процессом, происходящим в черной дыре: как невозможно удержать вещество от падения в черную дыру из-за сильного гравитационного притяжения, так невозможно остановить разлет вещества под действием отталкивающей гравитации, когда оно оказывается вблизи критического состояния.
В одной и той же модели параметр α может принимать как положительные, так и отрицательные значения, так и ноль, чтобы описывать разные физические явления или сценарии. Это возможно, если α рассматривается как феноменологический параметр, который может быть настроен для моделирования различных эффектов в зависимости от контекста.
Вариант отрицательной α в модели, предложенной Н. Горкавым и А. Васильковым, описывает явление, называемое гипергравитацией. В отличие от антигравитации, гипергравитация усиливает гравитационное притяжение на больших расстояниях. В своей статье 2018 года авторы показали, что гипергравитация может быть вызвана поглощением гравитационного излучения черными дырами. Это явление может объяснить ненулевую космологическую постоянную, которая традиционно интерпретируется как свидетельство ускоренного расширения Вселенной.
Космологическая постоянная, в классическом понимании, связана с концепцией темной энергии, которая предполагается как движущая сила ускоренного расширения Вселенной. Однако, в модели Горкавого и Василькова, гипергравитация может объяснить это явление без необходимости введения темной энергии. Они предполагают, что гипергравитация приводит к ускоренному растяжению поля галактик или локальной части Вселенной вокруг нас.
Таким образом, модель с отрицательной α предлагает альтернативное объяснение наблюдаемого ускоренного расширения Вселенной. Это позволяет рассматривать гипергравитацию как возможный механизм, который устраняет необходимость в гипотетической темной энергии, предлагая более простое и, возможно, более элегантное объяснение космологических наблюдений.
Замечание: если α = 0 в модели, это означает, что дополнительное релятивистское слагаемое, связанное с α, исчезает из уравнений. В таком случае модель возвращается к классическому ньютоновскому описанию гравитации без каких-либо модификаций, связанных с отталкивающими или усиливающими эффектами.
Представьте, что вся наша Вселенная находится внутри черной дыры. В этом случае свойства пространства-времени могут быть необычными и отличаться от тех, что мы наблюдаем в обычных условиях. Взаимодействия между черными дырами и гравитационными волнами могут играть более значительную роль, чем в стандартной модели, влияя на метрику пространства-времени таким образом, что создается эффект, аналогичный ускоренному расширению, который мы обычно приписываем темной энергии. Эта гипотеза, хотя и не является необходимой для объяснения ускоренного расширения, предлагает альтернативный взгляд на природу космических явлений и может быть полезна для теоретических исследований и поиска новых путей понимания фундаментальных свойств Вселенной.
Согласно новой теории, наша Вселенная является осциллирующей системой, размещенной внутри черной дыры размером порядка триллиона световых лет. Основной механизм ее пульсаций, с периодом около ста миллиардов лет, заключается во взаимопревращениях черных дыр и гравитационных волн. Как будет показано ниже, быстрое массовое слияние черных дыр вызывает антигравитационный потенциал при сжатии Вселенной, что подтверждается наблюдениями реликтовых гравитационных волн. Обратный процесс — медленное поглощение гравитационных волн крупными черными дырами — также имеет наблюдательное подтверждение и объясняет существование ненулевой космологической постоянной, как описано в работе Н. Горкавого и А. Василькова. Когда гравитационные волны проходят через пространство, они несут с собой энергию. Если эти волны попадают в область влияния черной дыры, они могут быть поглощены ею. При поглощении гравитационных волн черная дыра увеличивает свою массу, поскольку энергия волн добавляется к общей энергии черной дыры. Это изменение массы может влиять на гравитационное поле черной дыры и, следовательно, на окружающее пространство-время. На больших космологических масштабах, если представить, что множество черных дыр поглощают гравитационные волны, это может привести к изменению общей энергии в пространстве-времени. В стандартной космологии космологическая постоянная представляет собой плотность энергии, которая равномерно заполняет пространство и вызывает ускоренное расширение Вселенной. Если поглощение гравитационных волн черными дырами изменяет распределение энергии в пространстве, это может создать эффект, аналогичный действию космологической постоянной. Таким образом, эта теория предлагает новый взгляд на динамику Вселенной, связывая ее осцилляции с фундаментальными процессами, происходящими на космических масштабах.
Концепция великого космологического маятника описывает Вселенную как осциллирующую систему, в которой черные дыры играют ключевую роль в циклах расширения и сжатия. Начнем с фазы расширения.
Когда начинается новый цикл расширения, Вселенная переживает фазу, аналогичную Большому взрыву. В этой модели расширение объясняется перераспределением массы и энергии, вызванным гравитационными волнами, которые излучаются черными дырами, особенно при их столкновении. Эти волны уносят энергию из системы, что способствует расширению Вселенной. Таким образом, черные дыры, излучая гравитационные волны, влияют на динамику космического пространства, способствуя его расширению.
По мере расширения масса и энергия распределяются таким образом, что гравитация становится менее заметной. Это означает, что объекты во Вселенной, такие как галактики, начинают удаляться друг от друга. Однако, когда расширение замедляется, гравитация снова начинает доминировать, инициируя фазу сжатия.
В фазе сжатия черные дыры становятся центральными фигурами. Они начинают поглощать окружающее вещество, включая галактики и межзвездный газ. В результате этого процесса формируется гигантская черная дыра, размеры которой могут достигать миллиардов световых лет. С каждой новой поглощенной массой увеличивается её энтропия, что является мерой беспорядка или хаоса в системе.
Энтропия внутри черной дыры воспринимается иначе, чем снаружи, потому что законы физики внутри черной дыры отличаются от тех, что действуют вне её. Внутри черной дыры может возникнуть возможность для самоорганизации материи на низкоэнтропийной стадии, что может стать началом нового космологического цикла. Это означает, что внутри черной дыры могут возникнуть условия, которые позволят материи организоваться в новые структуры, что может привести к новому "Большому взрыву".
Таким образом, Вселенная проходит через бесконечные циклы расширения и сжатия, каждый из которых начинается с нового "Большого взрыва". Эта картина основывается на законах физики черных дыр и общей теории относительности, предлагая взгляд на Вселенную как на систему, где динамика диктуется фундаментальными физическими законами, и где черные дыры играют центральную роль в космических циклах.
Идея о том, что наша Вселенная может находиться внутри огромной черной дыры, обсуждается уже несколько десятилетий. Эта концепция стала особенно актуальной в контексте циклической космологии, которая предполагает, что Вселенная проходит через бесконечные циклы расширения и сжатия. В рамках этой модели черные дыры играют ключевую роль в этих циклах, и предположение о том, что вся наша Вселенная может быть частью такой структуры, становится логичным продолжением.
Недавние наблюдательные данные предоставляют дополнительные аргументы в пользу этой идеи. Спутники WMAP и «Планк» провели измерения, которые с вероятностью более 99% указывают на положительную кривизну Вселенной. Это означает, что пространство может быть замкнутым, как поверхность сферы, а не плоским, как предполагала теория инфляции. Положительная кривизна допускает возможность того, что Вселенная замкнута в себе, что согласуется с идеей о том, что она может находиться внутри черной дыры.
Эти результаты вызвали значительные обсуждения в научном сообществе, поскольку они противоречат предсказаниям теории инфляции, которая предполагает нулевую кривизну пространства. Теория инфляции была разработана для объяснения однородности и изотропности Вселенной, а также для решения проблемы горизонта и плоскостности. Однако, если данные о положительной кривизне подтвердятся, это может означать необходимость пересмотра некоторых аспектов инфляционной модели или даже поиск альтернативных объяснений, таких как циклическая космология.
Кроме всего прочего, идея о том, что Вселенная может находиться внутри черной дыры, предполагает наличие у нее центра, подобно центру любой черной дыры. Этот центр, согласно некоторым космологическим моделям, может быть расположен недалеко от Южного полюса. Именно в этом направлении находится так называемая "ось зла" — термин, который космологи используют для обозначения направления, вблизи которого группируются различные анизотропные космологические феномены. См. подробнее в Астрофизикам не удается снизить "хаббловское напряжение" в пересказе GPT-4o.
Одним из таких феноменов является наблюдаемая анизотропия и неоднородность постоянной Хаббла, которая является основным параметром в космологических теориях. В последние годы появились убедительные свидетельства в пользу того, что постоянная Хаббла может варьироваться примерно на 10% в зависимости от направления, что указывает на анизотропию и неоднородность в структуре Вселенной.
Исследования, проведенные Горькавым и А. Васильковым, показали, что уравнения Фридмана, которые описывают расширение Вселенной, могут быть модифицированы для учета циклической модели с переменной гравитационной массой. Эти модифицированные уравнения содержат дополнительные члены, которые описывают небольшую анизотропию и неоднородность нашего мира. Это согласуется с наблюдениями и поддерживает идею о том, что Вселенная может иметь сложную структуру, включающую в себя элементы, характерные для черных дыр.
Давайте более подробно рассмотрим динамику популяции черных дыр в контексте циклической модели Вселенной. Черные дыры, особенно те, которые имеют звездные массы, считаются практически неразрушимыми объектами. Это связано с тем, что квантовое испарение, известное как излучение Хокинга, оказывает незначительное влияние на их массу. Для черных дыр звездных масс это излучение настолько мало, что его можно практически игнорировать. А для сверхмассивных черных дыр, которые могут иметь массу в миллионы или даже миллиарды раз больше массы Солнца, излучение Хокинга еще менее значимо.
В статье 2021 года "Черные дыры и нейтронные звезды в осциллирующей Вселенной", написанной совместно Горькавым с С. Тюльбашевым, мы исследовали модель накопления черных дыр в циклической Вселенной. Они показали, что всю наблюдаемую популяцию черных дыр можно разместить в сфере с диаметром около светового года благодаря их компактности. Наибольший вклад в суммарный объем вносят сверхмассивные черные дыры, хотя они и малочисленны.
Сверхмассивные черные дыры, несмотря на их редкость, играют ключевую роль в динамике популяции черных дыр. В сжатой Вселенной они вызывают массовое слияние, активно поглощая более мелких соседей. Это приводит к изменению распределения масс черных дыр и влияет на их эволюцию.
Они разработали несколько моделей эволюции популяции черных дыр в циклической Вселенной, основываясь на двух основных физических эффектах, усредненных по циклу: рост радиуса черных дыр при поглощении окружающей среды и уменьшение численности черных дыр при их слиянии. Эти модели, управляемые всего двумя параметрами, позволяют объяснить наблюдаемое распределение черных дыр, которые играют роль как в формировании темной материи, так и в образовании галактик и шаровых скоплений.
В их модели единственным реальным способом создания черных дыр является астрофизическая эволюция звезд. Однако таких черных дыр образуется в каждом космологическом цикле в сотни раз меньше, чем необходимо для объяснения темной материи. Тем не менее, эти черные дыры успешно проходят через сжатое состояние Вселенной и накапливаются из цикла в цикл. Примерно тысячу циклов требуется, чтобы накопилось наблюдаемое количество темной материи и сверхмассивных черных дыр, после чего распределение черных дыр становится стационарным. В стационарном состоянии процессы, которые увеличивают количество черных дыр (например, образование новых черных дыр из звезд), и процессы, которые уменьшают их количество (например, слияние черных дыр), находятся в равновесии. После определенного количества циклов, например, тысячи, динамика популяции черных дыр стабилизируется, и их общее количество, а также распределение по размерам и массам, перестает существенно изменяться.
Идея о том, что черные дыры могут переходить из одного цикла Вселенной в другой, помогает объяснить наличие сверхмассивных черных дыр и зрелых спиральных галактик в ранней Вселенной, что было обнаружено в ходе наблюдений телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST). Эти наблюдения вызвали множество теорий о сверхбыстром образовании таких объектов после Большого взрыва. Смелую гипотезу о том, что черные дыры могут попадать к нам из предыдущего цикла Вселенной, выдвинули в 2011 году Бернард Карр и Алан Коли (B. Carr, A. Coley 2011. Persistence of black holes through a cosmological bounce). Согласно этой гипотезе, черные дыры не обязательно должны формироваться в пожарном порядке после Большого взрыва. Вместо этого они могут быть унаследованы из предыдущего цикла Вселенной.
Эта гипотеза предполагает, что черные дыры, благодаря своей устойчивости и способности переживать экстремальные условия, такие как максимальное сжатие, могут сохраняться и переходить в новый цикл после космологического "отскока". Это означает, что черные дыры, которые мы наблюдаем в ранней Вселенной, могли существовать еще до текущего цикла, что объясняет их зрелость и массивность.
Численный расчет, проведенный Горькавым и С. Тюльбашевым в 2021 году, подтвердил жизнеспособность этой идеи в условиях циклической Вселенной. В рамках развитой модели эволюции черных дыр, представленной в статье, было сделано важное заключение:
"В момент максимального сжатия Вселенной происходит массовое слияние черных дыр, которое порождает мощную вспышку реликтового гравитационного излучения...».
Это предсказание о реликтовых гравитационных волнах заслуживает более детального рассмотрения.
Гравитационное излучение, возникающее в результате взаимодействия двойной системы черных дыр, имеет частоту, соответствующую их вращению вокруг общего центра инерции. Максимальная частота вращения достигается, когда расстояние между черными дырами становится близким к их собственным размерам. В нашей модели мы пришли к выводу, что самую массивную часть популяции черных дыр составляют те, чья масса составляет несколько масс Солнца.
При слиянии таких черных дыр генерируется гравитационное излучение с частотой около сотни герц. Это совпадает с частотами, которые регистрируются современными детекторами, такими как LIGO, при наблюдении слияний пар черных дыр. Эти частоты находятся в диапазоне, который позволяет детекторам эффективно фиксировать гравитационные волны, что подтверждает наши теоретические расчеты.
В контексте циклической модели Вселенной, в момент максимального сжатия, темп слияний черных дыр был значительно выше, чем в текущую эпоху. Это означает, что мощность гравитационного излучения в момент максимального коллапса Вселенной была чрезвычайно высокой, хотя частоты гравитационных волн оставались в том же диапазоне, около сотни герц.
Таким образом, изучение таких реликтовых гравитационных волн может предоставить ценную информацию о динамике Вселенной в момент сжатия и подтвердить гипотезы о циклической природе космоса.
Любое излучение, возникшее на ранних стадиях Вселенной, подвергается эффекту красного смещения, что означает увеличение длины волны излучения. Это увеличение связано с расширением Вселенной и может быть количественно выражено через параметр z, который примерно равен отношению современного диаметра Вселенной к ее размеру в момент максимального сжатия. Подробнее про параметр z читайте в Астрофизикам не удается снизить "хаббловское напряжение" в пересказе GPT-4o.
Согласно ряду исследований, минимальный размер Вселенной в момент максимального сжатия составлял несколько световых лет. Это соответствует значению z примерно 10^10. В этот момент происходило максимальное количество слияний черных дыр, что вызывало мощную вспышку гравитационного излучения.
Следовательно, длина волны этого реликтового гравитационного излучения должна была испытать красное смещение на 10 порядков. Это означает, что волны с частотой около 100 герц, которые возникли при Большом сжатии, в результате расширения Вселенной должны были превратиться в волны с современной частотой около 10^-8 Гц.
Рисунок 4 иллюстрирует эволюцию реликтовых электромагнитных волн и реликтового гравитационного излучения во Вселенной в моменты Большого сжатия и Большого взрыва. В процессе сжатия Вселенной происходят значительные изменения в ее структуре и составе. Тяжелые ядра распадаются на более простые частицы, такие как барионы, и формируется самая большая черная дыра, которая играет ключевую роль в циклической модели. Эволюция реликтовых электромагнитных волн (a) и реликтового гравитационного излучения (b) демонстрирует, как эти волны изменяются в условиях экстремального сжатия и последующего расширения. При сжатии, излучение, возникшее в ранних стадиях, испытывает значительное красное смещение, что приводит к увеличению длины волны. Это явление особенно заметно для гравитационных волн, которые, как мы обсуждали ранее, могут изменять свою частоту на несколько порядков величины. Рисунок из статьи Горькавого и соавторов 2018 года "A Possible Solution for the Cosmological Constant Problem" с изменениями.
Наблюдательные подтверждения предсказания теории осциллирующей Вселенной
Обсерватория LIGO, известная своими успехами в обнаружении высокочастотных гравитационных волн с помощью лазерной интерферометрии, дополняется работой консорциума NANOGrav, который фокусируется на низкочастотных волнах.
Российский астрофизик М. В. Сажин еще в 1978 году предложил метод регистрации низкочастотных гравитационных волн, основанный на наблюдении миллисекундных пульсаров и анализе смещений их частот. Этот метод оказался чрезвычайно эффективным. С его помощью североамериканские (NANOGrav) и австралийские (PPTA) радиотелескопы смогли обнаружить наногерцовые гравитационные волны, период которых составляет несколько лет.
В 2023 году было получено окончательное доказательство того, что наблюдаемые колебания частоты пульсаров действительно вызваны гравитационными волнами. Это открытие было подтверждено в мае 2024 года статьей европейских и индийских радиоастрономов, которые также зафиксировали гравитационные волны в наногерцовом диапазоне.
Эти наблюдения поддерживают теорию осциллирующей Вселенной, предполагающую, что такие низкочастотные гравитационные волны могут быть реликтовыми, сохранившимися от предыдущих циклов космической эволюции. Они предоставляют важные данные для проверки моделей, описывающих циклическую природу Вселенной, и помогают углубить наше понимание динамики космоса.
Это открытие наногерцовых реликтовых гравитационных волн является одним из важнейших достижений последнего десятилетия. Эти волны можно рассматривать как аналоги реликтового микроволнового излучения, которое было обнаружено в 1965 году и стало ключевым доказательством горячей Вселенной и теории Большого взрыва.
Подобно тому, как реликтовое микроволновое излучение подтвердило модель горячей Вселенной, обнаружение наногерцовых гравитационных волн предоставляет прямые свидетельства в пользу модели циклической Вселенной. В этой модели черные дыры играют центральную роль, переживая циклы сжатия и расширения и влияя на динамику космоса.
Наногерцовые гравитационные волны, с их длительными периодами, могут быть реликтовыми следами от предыдущих циклов Вселенной. Их обнаружение поддерживает идею о том, что Вселенная проходит через повторяющиеся циклы, в которых черные дыры сохраняются и накапливаются, влияя на структуру и эволюцию космоса.
Статья Горькавого и С. Тюльбашева, в которой был предсказан "высокий уровень реликтового гравитационного излучения, порождаемого в момент максимальных сжатий Вселенной и массовых слияний черных дыр", прошла через непростой процесс публикации. Изначально, летом 2019 года, она была отправлена в Астрономический журнал, но была категорично отвергнута рецензентами. Затем, 6 мая 2020 года, статья была послана в Астрофизический бюллетень и, после длительных дискуссий, была принята к печати 3 марта 2021 года.
Эти даты важны для сопоставления с предварительными публикациями консорциума NANOGrav, которые появились осенью-зимой 2020 года. В этих публикациях было описано открытие наногерцовых гравитационных волн на основе радионаблюдений пульсаров. Официально статья NANOGrav была опубликована 24 декабря 2020 года (Z. Arzoumanian et al., 2020. The NANOGrav 12.5 yr Data Set: Search for an Isotropic Stochastic Gravitational-wave Background).
В 2022 году Горькавый, основываясь на модели, разработанной совместно с С. Тюльбашевым, представил спектр наногерцовых гравитационных волн, который позволяет сделать дополнительные конкретные предсказания, проверяемые наблюдениями. В своей работе (N. Gorkavyi, 2022. Gravitational wave background discovered by NANOGrav as evidence of a cyclic universe) он выделил несколько ключевых аспектов:
1) Спектр наногерцовых гравитационных волн не будет описываться законом Планка или другим законом, связанным с тепловым равновесием, поскольку реликтовые фоновые гравитационные волны должны отражать современное распределение черных дыр, учитывая эффект красного смещения. Изучая спектр гравитационных волн, мы анализируем "отпечатки" событий, таких как слияния черных дыр, которые произошли в прошлом. Эти события оставляют следы в виде гравитационных волн, продолжающих распространяться по Вселенной и регистрируемых сегодня. Хотя волны были излучены в прошлом, их спектр, наблюдаемый сейчас, все еще может предоставить информацию о том, как черные дыры были распределены и взаимодействовали в разные эпохи. Гравитационные волны, которые мы регистрируем, представляют собой совокупность всех таких событий за всю историю Вселенной. Эффект красного смещения, вызванный расширением Вселенной, изменяет частоты этих волн, но не стирает информацию о том, как и где они были излучены. Таким образом, даже если волны были излучены в далеком прошлом, они все еще несут информацию о распределении черных дыр в то время. Изучая спектр гравитационных волн, мы можем реконструировать историю распределения черных дыр и понять, как они влияли на структуру Вселенной.
2) Амплитуда реликтовых гравитационных волн слабо меняется с увеличением частоты до периода в один год, но для периодов колебаний меньше года она должна быстро уменьшаться. Это связано с отсутствием астрофизических черных дыр с массами меньше 4 солнечных масс (4M⊙), которые не образуются в результате известных процессов, таких как коллапс массивных звезд. Поэтому в этом диапазоне частот не ожидается значительного вклада в спектр гравитационных волн от таких объектов. Эта особенность спектра реликтовых гравитационных волн уникальна и не предсказывается другими моделями, что делает ее важным индикатором специфических аспектов теорий, описывающих раннюю Вселенную и формирование черных дыр.
3) Сверхмассивные черные дыры, которые мы наблюдаем в центрах галактик, обладают огромной массой и, следовательно, способны генерировать значительные гравитационные волны. В контексте теории циклической Вселенной, предполагается, что в период Большого сжатия такие черные дыры могли бы создавать гравитационные волны. Эти волны, излученные в далеком прошлом, сегодня воспринимаются как ультранизкочастотные, с частотами в диапазоне от 10^-14 до 10^-17 Гц. Это чрезвычайно низкие частоты, которые трудно обнаружить, но они могут нести важную информацию о динамике и взаимодействиях сверхмассивных черных дыр в период Большого сжатия. Таким образом, изучение таких ультранизкочастотных гравитационных волн может дать нам уникальные сведения о поведении сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной и о процессах, происходивших в период Большого сжатия. Это, в свою очередь, может помочь нам лучше понять циклическую природу Вселенной и роль черных дыр в ее эволюции.
Позже модель была расширена, чтобы охватить и другие частоты, и было показано, что хотя энергия фоновых гравитационных волн имеет заметный пик на наногерцовой частоте, основная часть энергии, возможно, в миллионы раз большая, содержится в килогерцовых гравитационных волнах. Эти волны, с частотой около 2000 Гц, образуются при слиянии черных дыр звездных масс, особенно в момент максимального расширения Вселенной. Килогерцовые волны, будучи более высокочастотными по сравнению с наногерцовыми, могут быть легче обнаружены современными детекторами гравитационных волн, такими как LIGO и Virgo. Эти волны возникают в результате слияний черных дыр звездных масс, которые являются более распространенными событиями по сравнению с взаимодействиями сверхмассивных черных дыр.
Это лишь самый яркий пример эффективности новой теории. Еще одним примером может служить теоретическое получение закона Талли-Фишера, который устанавливает связь между скоростью периферийного вращения галактик и их барионной массой. Этот закон помогает астрономам понять, как масса галактики влияет на ее динамическое поведение.
Еще одним примером является объяснение загадочного "М-сигма" соотношения. Это соотношение описывает связь между массой центральной сверхмассивной черной дыры в галактике и дисперсией скоростей звезд в балдже (центральной выпуклой части) галактики. Понимание этого соотношения важно для изучения эволюции галактик и их центральных черных дыр.
Работа Горькавого в 2022 году, озаглавленная "Accretion of Galaxies around Supermassive Black Holes and a Theoretical Model of the Tully-Fisher and M-Sigma Relations", предлагает теоретическую модель, которая объясняет эти явления.
Заключение
Предлагаемая модель циклической Вселенной, которая основывается на черных дырах, гравитационных волнах и небольшой примеси обычной материи, из которой состоят звезды, планеты и живые существа. Эта модель описывает Вселенную как стационарную вселенную Эйнштейна, в которой присутствует динамика, характерная для вселенной Фридмана, что можно представить как "беспокойное сердце".
Анализ популяции черных дыр в этой модели указывает на то, что Вселенная прошла через множество циклов — как минимум около тысячи. За это время популяция черных дыр достигла стационарного состояния, что означает, что их количество и распределение стабилизировались. Однако, вероятно, количество циклов было гораздо больше, что подчеркивает сложность и длительность эволюции Вселенной в рамках этой модели.
В этой модели Вселенная представляется как маятник, в котором энергия перетекает между двумя основными компонентами: негравитирующими гравитационными волнами и гравитирующими черными дырами. Это взаимодействие приводит к периодическому изменению общей гравитационной массы Вселенной. Такая динамика делает Вселенную подобной бессмертному кантианскому фениксу, который постоянно возрождается из "пепла" — даже из неуничтожимых черных дыр.
Циклическая космология, предложенная в этой модели, объясняет несколько ключевых аспектов нашего понимания Вселенной. Во-первых, она предлагает механизм для Большого взрыва, рассматривая его как часть циклического процесса. Во-вторых, она дает объяснение природе "темной энергии", которая может быть связана с динамикой гравитационных волн и черных дыр. В-третьих, модель устраняет проблему гравитационных сингулярностей, которые в традиционных моделях представляют собой точки бесконечной плотности.
Быстрое ускоренное расширение Вселенной в начальный период цикла отвечает за ее однородность в первом приближении, что объясняет, почему Вселенная выглядит одинаково в больших масштабах. Однако, во втором приближении, появляются анизотропные и неоднородные космологические феномены, которые объясняют наблюдаемые вариации и структуры в космосе.
Новая циклическая космология решает загадку накопления темной материи в виде черных дыр, а также раннего происхождения сверхмассивных, в миллиарды масс Солнца, черных дыр в центрах галактик. Для циклической Вселенной существует элегантное решение проблемы роста энтропии. Согласно второму закону термодинамики, энтропия, или мера беспорядка, должна постоянно увеличиваться, что создает вызов для моделей, предполагающих цикличность. Однако в этой модели судьба самой большой черной дыры может предложить решение.
В момент максимального сжатия Вселенной, когда плотность материи и энергии достигает своего пика, формируется самая большая черная дыра. Эта черная дыра может поглотить значительную часть материи и энергии Вселенной, включая другие черные дыры и окружающее вещество. В этом процессе происходит перераспределение энтропии.
Идея о том, что внутри черной дыры могут возникнуть условия для "перезапуска" или перераспределения энтропии, основывается на предположении, что физические процессы внутри черной дыры могут существенно отличаться от тех, что происходят в обычном космическом пространстве. Внутри черной дыры, особенно вблизи ее сингулярности, где кривизна пространства-времени становится бесконечной, законы физики, как мы их знаем, могут изменяться. Это может означать, что процессы, которые обычно ведут к увеличению энтропии, могут быть изменены или даже обращены.
В условиях высокой плотности и давления, которые присутствуют внутри черной дыры, материя может подвергаться процессам самоорганизации. Это может включать в себя формирование новых структур или фаз, которые имеют более низкую энтропию по сравнению с исходным состоянием. Например, в таких условиях могут возникать новые формы материи или энергии, которые более упорядочены.
Внутри черной дыры может происходить перераспределение энтропии, где часть энтропии может быть "скрыта" или перераспределена таким образом, что общая энтропия системы уменьшается. Это может быть связано с тем, что часть информации о состоянии системы становится недоступной для внешнего наблюдателя, что позволяет системе начать новый цикл с более низкой энтропией.
Эти процессы могут создать условия для начала нового космологического цикла. Когда черная дыра достигает определенного состояния, она может инициировать "отскок", который запускает новый цикл расширения Вселенной. В этом новом цикле начальные условия могут быть более упорядоченными, что позволяет Вселенной развиваться с низкой энтропией.
Таким образом, черные дыры в циклической модели Вселенной могут играть роль "перезапуска" космического цикла, обеспечивая механизм, который позволяет Вселенной начинать каждый новый цикл с низкой энтропией, несмотря на общее увеличение энтропии в течение каждого цикла. Это подчеркивает важность черных дыр в космической эволюции и открывает новые перспективы для понимания природы Вселенной.
Все основные аспекты этого сценария получили строгое математическое обоснование, и в обсуждаемой модели циклической Вселенной отсутствуют экзотические предположения или вымышленные сущности, такие как новые поля, дополнительные размерности или гипотетические частицы. В этой модели нет ни одной нерешенной принципиальной проблемы, такой как гравитационная сингулярность или накопление энтропии. Циклическая космология опирается исключительно на известные факты и проверенные физические теории, в первую очередь на общую теорию относительности.
Пульсирующая Вселенная не нуждается в поддержке гипотетических феноменов, она прочно базируется на логике, общей теории относительности и ядерной физике.
Данная модель осциллирующей Вселенной подробно изложена в книге Горькавого, которая была опубликована в феврале 2023 года издательством Челябинского государственного университета под названием «Осциллирующая Вселенная». Издательство «Питер» готовит второе издание, исправленное и дополненное, под измененным названием «Пульсирующая Вселенная». Книга написана доступным языком, что делает ее понятной для широкой аудитории, однако все математические решения, на которых она основана, приведены в приложении для тех, кто хочет углубиться в детали.
Нобелевский лауреат Джон Мазер оставил восторженный отзыв для готовящегося английского издания книги «The Oscillating Universe». Он отметил:
«Я обожаю эту книгу! В ней есть загадки, истории об удивительных людях, ищущих доказательства истины, и блестящие объяснения без математики. Не только „как началась Вселенная, если она имеет начало?“ Но также, поскольку Эйнштейн, похоже, прав насчет гравитации и искривленности пространства-времени: „что делает его искривленным?“ Может ли Вселенная действительно восстанавливаться после предыдущего коллапса? Я думаю, у Эйнштейна были бы те же вопросы, что и у Горькавого. Правильны ли новые идеи? Поживем — увидим.»
Источники:
1) A. Kashlinsky, F. Atrio-Barandela, C. S. Shrader. Probing the Dipole of the Diffuse Gamma-Ray Background // The Astrophysical Journal Letters. 2024. DOI: 10.3847/2041-8213/acfedd.
2) S. Smith et al. The Discovery of the Faintest Known Milky Way Satellite Using UNIONS // The Astrophysical Journal. 2024. DOI: 10.3847/1538-4357/ad0d9f.
Николай Горькавый
