УСКОРЕННОГО РАСШИРЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ
Шабанов В.Е.
"Напрасно пытаться посредством большего делать то,
что может быть сделано посредством меньшего".
Уильям Оккам
На сегодняшний день на основе многочисленных наблюдений с высокой степенью достоверности установлено, что Вселенная расширяется с ускорением. И это представляется удивительным и загадочным свойством Вселенной, ведь наше понимание физических процессов говорит нам о том, что ускорение могло иметь место только в момент Большого взрыва, после чего расширение Вселенной должно было бы происходить по инерции и неизбежно замедляться. Это и предусматривали все прежде существовавшие космологические модели, до того как в конце 1990-х годов не было открыто, что расширение не только не замедляется, но и происходит с ускорением. Это вызвало общее замешательство, поскольку видимых причин этого ускорения не наблюдается.
![[]](/img/s/shabanow/esheodnoobxjasnenieuskorennogorasshirenijawselennoj/preambularis.jpg)
Анализ красного смещения в спектре света, излучаемого галактиками, показывает, что чем дальше от нас галактика, тем выше скорость ее удаления. Причем все галактики удаляются не только от нашей галактики Млечный Путь, но и друг от друга, т.е. происходит именно общее расширение пространства Вселенной. Если бы, к примеру, у нас была возможность переместиться из нашей галактики в любую другую, то мы обнаружили бы в каждой из них тот же самый процесс расширения и везде увидели бы только удаляющиеся галактики. (Это относится к очень большим расстояниям, расширение обнаруживается только в глобальном масштабе всей Вселенной.)
Но раз такое разбегание галактик происходит еще и с ускорением, значит, это происходит под действием какой-то силы. Для того чтобы увеличить скорость любого объекта, а другими словами, сообщить ему ускорение, необходимо приложить силу. И если мы видим, что скорость какого-либо объекта растет, то можем не сомневаться, что на него в настоящий момент действует некая сила. Наблюдая за галактиками, мы отмечаем их ускоренное движение, однако не видим ничего такого, что могло быть тому причиной. А значит, и в целом мы не можем дать объяснение процессу ускоренного расширения.
Недостаточно представлять себе расширение Вселенной как процесс надувания воздушного шара, пусть даже он надувается всё быстрее. Ведь галактики не просто становятся все дальше и дальше. На самом деле ускорение в расширении Вселенной приводит к тому, что галактики у ее наблюдаемых границ удаляются от нас со скоростью, все быстрее приближающейся к скорости света! И это крайне стремительное, сверхэнергичное разбегание, которое невозможно даже при самом мощном взрыве и которое не может сравниться ни с одним из известных явлений. Можно сказать, что расширение Вселенной - это процесс чрезвычайной интенсивности. И с точки зрения здравого смысла, не вписываясь в рамки понимания, он несет в себе некую неестественность.
В настоящее время существует несколько гипотез, предлагающих объяснение причин ускоренного расширения. Среди них можно выделить две наиболее рациональные: "темная энергия" и "непостоянная гравитация".
Темная энергия - это некая энергия, состав и природа которой неизвестны, но которая, возможно, существует во Вселенной и которая, никак больше не обнаруживая себя, является только причиной ускоренного расширения. Темная энергия как бы "растаскивает" галактики друг от друга.
Непостоянная гравитация (или модифицированная гравитация, неправильная гравитация, антигравитация) - это та самая гравитация, наблюдаемая нами повсеместно, но которая по каким-то причинам может изменяться и принимать отрицательные значения. Тогда она перестает действовать как сила притяжения и начинает действовать как сила отталкивания. Под действием такой изменяющейся гравитации в ее отрицательном виде галактики отталкиваются друг от друга.
Не останавливаясь более подробно на этих двух версиях, рассмотрим еще одну возможную причину ускоренного расширения Вселенной, для чего воспользуемся некоторыми логическими рассуждениями. Вполне возможно, что процесс расширения можно объяснить существующими явлениями, не обращаясь к неизвестным средствам.
Скорее всего, сила, которая ускоряет галактики, имеет гравитационную природу по той простой причине, что галактики обладают массой. Давайте еще раз обратим внимание на то, как действует сила гравитации при свободном падении. Два тела падают с одинаковой высоты на поверхность Земли с разных сторон. Одно массой 1 кг, другое массой 100 кг. Несмотря на разницу в массе, оба тела упадут одновременно. Почему? Потому, что Земля притягивает оба тела с одинаковой силой, земное притяжение - это свойство самой Земли, и оно никак не зависит от массы падающего тела. Эти два тела тоже притягивают Землю, и, хотя собственная сила тяготения у тела массой в 1 кг меньше, чем у тела массой в 100 кг, силы притяжения обоих тел одинаково ничтожны в сравнении с силой земного притяжения, поэтому практически не влияют на результат.
Теперь посмотрим на распределение космологического красного смещения среди дальних галактик. Чем дальше галактика, тем больше космологическое красное смещение, и оно зависит только от расстояния до галактики и НЕ зависит от ее массы. Две галактики, находящиеся на одинаковом от нас расстоянии (достаточно дальнем), с массами, отличающимися друг от друга хоть в 100 раз, хоть в 1000 раз, имеют одно и то же красное смещение. А это означает, что эти две разные по массе галактики с одинаковой скоростью удаляются от нас (или, что одно и то же, приближаются к космологическому горизонту). Но ведь они не просто удаляются, а делают это с ускорением! Ровно то же самое мы наблюдаем, когда бросаем с высоты одновременно два предмета разной массы. Они падают все быстрее, их скорость увеличивается одинаково, и они не опережают друг друга.
Эта аналогия позволяет сделать следующие выводы. Во-первых, источником силы, которая придает ускорение галактикам, могут быть некие значительные массы, а создаваемая ими сила велика настолько, что в сравнении с ней масса любой из галактик ничтожна. Во-вторых, источник этой силы, будучи по природе гравитационным, не может быть распределен внутри пространства Вселенной, иначе галактики двигались бы иначе. Следовательно, он должен находиться снаружи, вовне, быть в том направлении, куда движутся галактики.
Но ведь логика подсказывает, что источник этой силы не может быть равномерно распределен где-то вовне, где-то на уровне космологического горизонта или за его пределами. Ведь если имеется некая масса - источник гравитационной силы, - то у нее есть центр (центр масс всегда где-то будет). А мы видим, что все галактики движутся от нас в разные стороны, и поэтому не может быть никакого общего центра притяжения. Возникает дилемма.
Но действительно ли галактики направляются в разные стороны? Возможно, такое наблюдаемое движение всего лишь отражено в нашем восприятии, а в некоторой более общей действительности все галактики могут двигаться к одному единственному центру. Не исключено, что согласно нашей евклидовой и трехмерной оценке мира мы видим расширение, но фактически в соответствие абсолютному устройству мира все галактики вокруг нас "падают" к единому центру притяжения. Именно так это может происходить и иметь объяснение, если геометрии нашего пространства присуща хотя бы самая незначительная кривизна.
Сначала рассмотрим, может ли вообще расширение происходить с ускорением. Для этого примем расхожее предположение о том, что Вселенная бесконечна. Допустим, что движение галактик во всей Вселенной происходит хаотически, т.е. без какого-то определенного порядка, и не прослеживается ни общего расширения, ни общего сжатия. В этом случае при ненулевой плотности вещества в имеющемся бесконечном объеме общая масса Вселенной стремилась бы к бесконечно большому значению. Наличие вещества во Вселенной в виде галактик и межгалактического газа предполагает, что это вещество имеет некоторую среднюю плотность. Тогда:
M → ∞ при ρ ≠ 0 и V → ∞
где M - масса; ρ - плотность; V - объем.
Однако бесконечная масса неизбежно привела бы к схлопыванию Вселенной (к коллапсу), ведь и общая сила гравитации стала бы беспредельной. Чтобы этого не происходило, Вселенной просто необходимо расширяться, поскольку в результате расширения плотность постоянно будет снижаться, что и будет препятствовать коллапсу. (На это обратили внимание в своих работах еще Эйнштейн и Фридман, речь идет о том самом Λ-члене.) Тогда вопрос в том, с какой интенсивностью должно происходить расширение. При рассмотрении расширения с замедлением несложные расчеты приведут нас к тому, что и такое расширение не поможет избежать критического соотношения массы и объема Вселенной в своей бесконечности. Равномерное же расширение (без замедления и без ускорения) не сто́ит рассматривать, потому как такое состояние предусматривает наличие очень неустойчивого равновесия, которое само по себе не может быть обеспечено. Получается, что расширение с ускорением не только возможно, но и является обязательным условием существования Вселенной. Причем ускорение должно соответствовать некоторому определенному значению, при котором масса Вселенной не захлопнет саму Вселенную. Расширение призвано уравновесить общую гравитационную силу Вселенной, обеспечить стабильность общего гравитационного поля.
Такое свойство Вселенной, как "бесконечность", выше было применено условно. Бесконечный объем вещества в любом случае предусматривает бесконечную массу и все-таки неизбежный коллапс, чему могло бы противостоять только ускорение, разгоняющее расширение до бесконечной скорости, что невозможно. Поэтому Вселенная, вероятнее всего, представляет собой некоторый все-таки конечный объем, но не имеющий границ. Как сфера, представляющая из себя двумерное плоское пространство, всеми своими сторонами замкнутое само на себя, так и трехмерное геометрическое пространство Вселенной имеет право быть замкнуто само на себя со всех своих сторон. Таким образом, Вселенная может иметь вполне определенный объем, но быть бесконечной в своем протяжении, в том смысле, что, двигаясь все время прямолинейно, можно двигаться бесконечно и не достичь границы. Но в любом конечном объеме, в котором содержится вещество, будет иметься и центр масс этого содержимого (как об этом было уже упомянуто выше).
Центр масс - это точка, характеризующая распределение масс в теле или в системе тел (не путать с центром тяжести). К примеру, выражение "Луна вращается вокруг Земли" не совсем точное. Луна и Земля вращаются вокруг общего центра масс, который находится примерно в 1700 км под поверхностью Земли (радиус Земли составляет около 6375 км). Если, допустим, какой-то астероид с большой скоростью пролетает на малом расстоянии от Земли и Луны, то на траекторию движения этого астероида влияют в большей степени их массы по отдельности. Но если же астероид пролетает на достаточно большом расстоянии, то влияние оказывает общий центр масс Земли и Луны. Это схематически показано на рисунке ниже.
![[]](/img/s/shabanow/esheodnoobxjasnenieuskorennogorasshirenijawselennoj/zemljailunaobshij.png)
Неотъемлемая характеристика любой галактики - ее масса. Значит, и у галактик есть центр масс. Поскольку каждая галактика представляет собой совокупность астрономических объектов, то ее можно рассматривать как систему тел. Следовательно, центр масс галактики определяется массой и расположением каждого объекта, входящего в ее состав.
Галактикам свойственно гравитационное взаимодействие между собой, и массы галактик взаимно влияют на траектории их собственного движения в пространстве и во Вселенной. Таким образом, и замкнутая в своем пространстве Вселенная со всеми своими галактиками - это тоже система тел, и центр масс должен быть и у Вселенной в целом. Он определяется массами и расположением всех галактик. И местоположение центра масс Вселенной можно установить.
Представим себе, что наше пространство не трехмерно, а двумерно, и оно замкнуто (или закрыто, как это обычно говорят), а значит, представляет из себя сферу. Посмотрим, где располагается центр масс такого пространства, равномерно наполненного неким двумерным веществом, допустим, плоскими двумерными галактиками. Для стороннего наблюдателя он будет расположен в центре сферы. Но для наблюдателя, который находится внутри этого двумерного пространства, не существует иных точек, кроме как находящихся в его пространстве, т.е. только на поверхности сферы, значит, и нет точки в центре сферы, следовательно центр масс располагается в другом месте. С точки зрения наблюдателя, находящегося внутри своего двумерного пространства, при равномерном распределении двумерного вещества центр масс будет расположен в равноудаленной от наблюдателя точке, т.е. ровно на противолежащей стороне сферы. На рисунке ниже показаны положения наблюдателя и центра масс.
![[]](/img/s/shabanow/esheodnoobxjasnenieuskorennogorasshirenijawselennoj/sfera2.png)
Если принять, что трехмерная Вселенная замкнута сама на себя, то она является некоторым конечным объемом, в котором содержится вещество, а значит, должен быть и центр масс этого содержимого. И этот центр масс будет находиться в равноудаленной от наблюдателя точке пространства, ровно в противоположной стороне.
Так же как, двигаясь по поверхности сферы все время прямо, обогнув сферу, можно вернуться в точку начала движения, так это можно сделать и в трехмерном замкнутом (закрытом) пространстве. Если начать движение из какой-либо точки (например, с Земли) и двигаться все время только прямо, то через конечное время (пусть даже через сотни триллионов лет) произойдет неизбежное возвращение в ту же точку (при отправлении с Земли это будет возвращение на Землю). При этом первая половина пути будет проходить как бы до точки центра масс Вселенной, а вторая - от центра масс обратно к исходной точке. Можно выбрать любое направление, но в какую бы сторону ни начать движение, результат будет один и тот же.
Итак, в закрытом трехмерном геометрическом пространстве где-то должен располагаться центр масс - естественно, в одной-единственной точке. При равномерном распределении вещества в этом пространстве эта точка равноудалена от наблюдателя и расположена в противоположной стороне пространства (по аналогии со сферой, изображенной на рисунке выше). Необходимо отметить, что местоположение центра масс является относительным и зависит от позиции наблюдателя, и при перемещении наблюдателя будет симметрично перемещаться и наблюдаемый им центр масс. И невозможно приблизиться к центру масс, так же как невозможно приблизиться к горизонту, находясь на поверхности Земли. Т.е. то самое гипотетическое путешествие через центр масс, как это описывалось выше, в реальности осуществить невозможно, даже обладая необходимым запасом времени.
Центр масс любой системы тел или частиц является материальной геометрической точкой, в которой сосредоточена вся масса системы. Будучи относительным, центр масс Вселенной тем не менее также материален, и в нем сосредоточена вся имеющаяся масса Вселенной, и тем самым он оказывает соответствующее гравитационное воздействие на все содержимое Вселенной и на каждую отдельную галактику.
В нашей галактике гравитационное воздействие нашего относительного центра масс Вселенной невелико. Во-первых, он находится на значительном расстоянии от нас (он может быть расположен много дальше космологического горизонта), и гравитационная сила существенно ослабевает. Во-вторых, он оказывает равное воздействие со всех сторон пространства Вселенной, и, соответственно, галактика находится в состоянии равновесия относительно центра масс. Так же и в любой другой галактике, и вообще в любой точке Вселенной: поскольку центр масс Вселенной относителен, то отовсюду будет наблюдаться ровно такое же воздействие собственного относительного центра масс.
Но проведем мысленный эксперимент и представим, что тело некоторой массы покидает нашу галактику, достигнув необходимой для этого скорости, и направляется в сторону космологического горизонта. По мере удаления от нас оно будет приближаться к относительному центру масс, который определяется нашим местоположением во Вселенной, и в нашем восприятии сила притяжения этого центра масс все сильнее будет действовать на тело. В результате мы увидим, что тело будет удаляться от нас все быстрее, т.е. его движение будет происходить с ускорением относительно нашего местоположения. Причем выбор направления движения этого тела не имеет значения. Это именно то, что мы и отмечаем, наблюдая за галактиками. И причиной ускоренного удаления от нас галактик является гравитационное воздействие общей массы Вселенной. Таким образом, можно сформировать версию, в которой фактор ускоренного расширения - это не гипотетическая темная энергия или некая маловероятная изменяющаяся гравитация, а обычная, всегда неизменная, зримая классическая гравитация.
Известные параметры процесса расширения и имеющиеся космологические характеристики Вселенной говорят о том, что центр масс Вселенной расположен много далее космологического горизонта. Поэтому на всем расстоянии до космологического горизонта плотность содержимого Вселенной крайне равномерна, а кривизна пространства близка у нулю. Но непосредственно вблизи космологического горизонта плотность должна начать возрастать, а кривизна приобретать положительное значение, и это как раз и отражает космологическое красное смещение и эффект ускорения, которые отмечает наблюдатель. Космологическое красное смещение являет собой показатель относительного состояния и относительных характеристик находящегося на расстоянии наблюдаемого объекта, не только скорость его удаления, но также и его относительную массу, его относительное течение времени и др. При все большем удалении объекта эти характеристики изменяются, и это сопровождается ростом красного смещения и продолжающимся ускорением. Скорость удаления, все время возрастая, не может увеличиваться бесконечно. На самых дальних расстояниях красное смещение становится бесконечным, это говорит о том, что относительная скорость объекта приближается к значению скорости света, его масса стремится к беспредельному значению, течение его относительного времени замедляется и стремится к остановке. Это то, что мы действительно отмечаем на космологическом горизонте Вселенной. Иными словами, объект в этом случае перестает быть наблюдаемым. Выходит, относительный центр масс Вселенной силой своего притяжения создает такое гравитационное поле, что на некотором расстоянии между центром масс и наблюдателем формируется горизонт событий, а сам центр масс представляет из себя гравитационную сингулярность. В результате максимально возможное наблюдаемое нами расстояние до любого объекта составляет те самые 13,8 млрд световых лет, далее все скрывает космологический горизонт, он же горизонт событий центра масс Вселенной.
Может сложиться впечатление, что при таком описываемом движении галактик все они в конечном итоге достигнут центра масс Вселенной, в результате останется только одна наша галактика, и на этом все закончится. Но это далеко не так. Для примера можно рассмотреть движение Луны вокруг Земли. Как и все спутники, Луна вращается вокруг Земли под воздействием гравитации. Говоря по-другому, Луна все время "падает" на Землю, но никак не может приблизиться к ней, все время пролетая мимо. Так и галактики под воздействием общей гравитации всегда устремлены к центру масс Вселенной, но никогда его не достигнут. Вращаясь вокруг Земли и располагаясь на своей орбите, Луна находится в состоянии равновесия, и при этом ее постоянном движении не совершается работа (работа - это затраченная мощность на протяжении некоторого времени, а мощность, в свою очередь, - это скорость передачи энергии). Наоборот, чтобы сместить Луну с ее орбиты необходимо совершить работу (т.е. затратить мощность). Так и Вселенная, расширяясь, вероятнее всего, находится в состоянии равновесия, которое точно так же, как и равновесие системы Земля-Луна, обеспечивается самой гравитацией. Расширение Вселенной - это ее равновесие, а не затрата мощности при передаче гипотетической темной энергии. И искать темную энергию, которая могла бы быть причиной расширения, - то же самое, что искать скрытый двигатель у Луны, который толкает ее вокруг Земли.
Однако равновесие Вселенной может быть устроено более сложным образом, и его детальное рассмотрение необходимо проводить все-таки в контексте пространства-времени - описательной физической модели, в которой три пространственных измерения дополнены равноправным временны́м измерением. В свете этой концепции наблюдаемое нами расширение может быть представлено как общее следование времени и материи Вселенной по направлению к единому событию в континууме, а космологическое красное смещение и ускорение - как проективное восприятия наблюдателем этого процесса.
Все рассуждения основаны на предположении о том, что пространство Вселенной в большом масштабе имеет положительную кривизну. На сегодня Planck Collaboration указывает на то, что данное предположение с высокой долей вероятности может подтвердиться. Об этом свидетельствуют результаты более глубокого анализа данных астрономического спутника "Планк" Европейского космического агентства, проводимого по настоящее время.
Взяв за основу классическую гравитационную силу для объяснения процесса расширения Вселенной, можно построить логичную и гармоничную космологическую модель. Такая модель позволит непротиворечиво и достоверно объяснить многие наблюдаемые явления. Подробнее ознакомиться с представленной идеей можно по ссылке ниже, и это интересно.
http://samlib.ru/s/shabanow/shabanowwe-kudarasshirjaetsjawselennaja-.shtml
Депонирование данного текста зарегистрировано.
Все рисунки взяты из открытых источников.
02 февраля 2022 года
© Шабанов Вадим Евгеньевич
Ссылки на авторство и источник при цитировании и использовании идеи обязательны.
редакция 02.12.2024
ISNI 0000 0005 0567 8889
г. Москва
imvad@ya.ru