А. Барбараш
| Вид материала | Документы |
- А. Барбараш, 962.67kb.
- А. Барбараш, 603.56kb.
- А. Барбараш, 330.49kb.
- А. Барбараш, 648.45kb.
- А. Барбараш, 847.29kb.
- А. Барбараш, 488kb.
- А. Барбараш, 618.74kb.
- А. Барбараш, 413.91kb.
- А. Барбараш, 457.34kb.
4.5.6. Иллюзия расширения Вселенной
Сегодняшнюю близость Вселенной к критической плотности материи и к евклидовой геометрии пространства трудно отнести за счёт особого счастья нынешних поколений. Более вероятно, что это нормальное, устойчивое состояние Вселенной, длящееся многие миллиарды лет. Более вероятно, что мы видим состояние, близкое к устойчивому равновесию, которому, однако, не чужды медленные, волнообразно прокатывающиеся колебания средней плотности.
Однако, в таком случае не остаётся места безудержному расширению Вселенной со всё ускоряющимся – по мере удаления – разлётом галактик. Нужно сказать, с ускоряющимся удалением галактик одинаково плохо стыкуются и гипотеза о вечном круговороте материи, и все варианты гипотезы Большого Взрыва, и реальные астрофизические данные. Особенно противоречат разлёту новейшие, „инфляционные” варианты гипотезы Большого Взрыва, поскольку у них к концу растяжения пространства галактики не приобретают никакой скорости – возможно лишь слабое случайное движение небесных тел в произвольных направлениях.
Особенно непонятно, почему далёкие галактики удаляются быстрее, чем близкие.
Вывод о расширяющейся Вселенной имеет единственное, но очень серьёзное основание – красное смещение спектральных линий в излучениях удалённых объектов. Его объясняют как эффект Доплера при движении источника света от наблюдателя.
Предполагаемое гипотезой о круговороте материи волнообразное колебание средней плотности Вселенной должно было бы приводить к регистрации не только расширения, но и сжатия, т.е. не только красного, но и фиолетового смещения спектральных линий. Но фиолетового смещения нигде в излучениях галактик не обнаружено. Есть только красное смещение, и чем дальше галактика, тем оно сильнее. Это ставит под сомнение доплеровскую природу красного смещения, смущает умы многих учёных. Сегодня доплеровская природа красного смещения не является доказанным фактом. Вопрос периодически обсуждается в астрофизической литературе. В качестве альтернативы называют, например, гравитационное красное смещение.
Эйнштейн принципиально связал общую теорию относительности с гравитационными полями, совместно учитывая через них четырехмерное пространство-время, движение и гравитацию космических тел. Не отходя от идеологии Эйнштейна, можно сформулировать ситуацию так.
Скорость света в вакууме постоянна и является наивысшей из скоростей – при измерении её по отношению к местному гравитационному полю.
По этой формулировке, скорость движения квантов света во Вселенной, с учётом перемещения тяготеющих масс, изменяется по мере перехода от одного местного движущегося гравитационного поля к другому. Изменяется так, что по отношению к местному гравитационному полю она всегда равна скорости света в вакууме. Равна – и в момент излучения далёкой галактикой, и при регистрации луча на Земле, и в любой промежуточной точке. Гравитационные поля при своём движении тоже не превышают скорости света, в том смысле, что различие скоростей соседствующих масс всегда много меньше скорости света.
Благодаря такой связи гравитационных полей с процессами распространения света, при анализе смещения спектральных линий не нужно учитывать промежуточные гравитационные поля на всём пути прохождения луча от излучателя до приёмника. Не нужно потому, что гравитационное фиолетовое смещение на входе в каждый новый фрагмент интенсивного гравитационного поля точно компенсируется красным смещением при выходе из него. Это приводит к следующему выводу.
Гравитационная компонента красного смещения полностью определяется разностью интенсивностей гравитационных полей в зоне излучения и зоне приёма.
Иначе говоря, всё пространство между гравитационными полями излучателя и приёмника, с гравитационной точки зрения, не должно вызывать никакого смещения спектральных линий. А то смещение спектральных линий, которое вызывается взаимными перемещениями соседних доминирующих масс и их полей, учитывается доплеровской составляющей.
И всё-таки, у астрофизиков сложилось убеждение, что красное смещение накапливается именно во время путешествия луча света в просторах Космоса. Очень интересный и важный вывод! Специалисты, делающие такой вывод, не могут подкрепить его ссылками на конкретные эксперименты. Его скорее следует отнести к уровню интуиции. Но, как бы то ни было, эта мысль беспокоит исследователей снова и снова.
В работе [Новиков, 1990] говорится: „Для объяснения красного смещения высказывались идеи о покраснении квантов за счёт потери энергии при их распространении в пространстве. Так как энергия кванта пропорциональна частоте по формуле E = hν (где h – квант действия или постоянная Планка, а ν – частота), то потеря энергии означает уменьшение частоты, т.е. увеличение длины волны – покраснение кванта.”
„Один из таких механизмов мог бы осуществляться при длительном распространении света в межгалактическом пространстве за счёт взаимодействия с межгалактическим веществом (или … с излучением). Но в этом случае при столкновении фотонов с частицами вещества … изменялась бы не только энергия, но и направление движения квантов. Взаимодействие носит характер рассеяния. Такой эффект привёл бы не только к покраснению квантов, но и к размыванию изображений галактик… Подобного не наблюдается. Этот эффект отпадает.”
Выше мы пришли к представлениям о круговороте материи, который соединил в общем пространстве и времени два мира – наш и невидимый „нейтринный” мир. Если не обнаруживается торможение фотонов на веществе нашего мира, то не означает ли это, что потеря энергии фотонов в полёте как-то связана с „нейтринным” миром?
До сих пор мы знали только очень редкие взаимодействия нейтрино с веществом. Взаимодействие нейтрино с протоном „разрушает” протон и приводит к образованию новых частиц – нейтрона и позитрона. Взаимодействия нейтрино с фотонами не известны, экспериментально не исследованы. Сегодняшняя наука ничего не говорит о таких взаимодействиях. Однако, можно предположить, что нейтрино, хотя и редко, но способны взаимодействовать с фотонами.
Квантовая теория представляет частицы в виде экстремальных сгущений энергетического поля, и подразумевает, что в центре частицы концентрация энергии немыслимо возрастает. Вспомним цитировавшиеся в главе 3.4.11. слова Германа Уэйла: "Материальная частица … представляет не что иное, как небольшой участок энергетического поля, в пределах которого мощность поля достигает фантастических величин, что свидетельствует о сосредоточении большого количества энергии в очень малом объёме пространства." [Weyl, 1949]
Нейтрино резко отличается от других частиц своими уникальными свойствами. Эксперименты всё увереннее относят их к частицам, обладающим массой покоя. Но, неся большую энергию, нейтрино имеет очень малую массу покоя, на порядки меньшую, чем масса электрона – самой лёгкой известной до сих пор частицы с массой покоя. Ещё более удивительна и необъяснима исключительная редкость столкновений (малое сечение взаимодействия) нейтрино с веществом. А не тем ли объясняются эти непонятные свойства нейтрино, что они обладают особым распределением энергии? Предположим, энергия нейтрино имеет аномально низкую плотность при довольно-таки больших размерах энергетического „облачка”. Это „облачко” по размерам может на несколько порядков превосходить электрон или даже протон. В таком случае многое стало бы понятным.
Значительное по размерам, но очень „воздушное”, прозрачное облачко могло бы свободно, без взаимного разрушения, пропускать сквозь себя встречные протоны и другие частицы. Столкновение нейтрино с другими частицами не создавало бы удара, частицы легко, без взаимодействия пронзали бы „облачко”. Взаимодействие же происходило бы – как в классической пьесе – лишь при строгом единстве места, времени и содержания.
Единство содержания означает, что с нейтрино должна встретиться частица именно того типа, который участвует в ожидаемом взаимодействии. Единство места означает, что в момент взаимодействия расстояние между центрами частиц не должно превышать пороговую величину (возможно – квант расстояния). Единство времени – в момент взаимодействия отклонение собственных колебаний от нулевой фазы у каждой из взаимодействующих частиц также не должно превышать пороговую величину (возможно – квант времени). Поскольку в такой ситуации взаимодействие с нейтрино определяется точным совпадением нескольких независимых случайных величин, его вероятность оказывается крайне низкой, что и наблюдается в эксперименте.
Приложим эти представления к взаимодействию нейтрино с фотоном. Согласимся, что акт взаимодействия происходит только при совпадении названных параметров – при нулевой фазе колебаний обеих частиц и точном совмещении центров. В таком случае вероятность взаимодействия фотона с нейтрино окажется очень низкой.
Фотон, летящий сквозь космическое пространство, способен встретиться с огромным количеством частиц "нейтринного газа". Мы вправе предположить, что каждое из редчайших взаимодействий фотона с нейтрино приводит к минимальному возможному квантовому эффекту – к передаче от фотона к нейтрино минимальной порции энергии – так называемого кванта действия или постоянной Планка h = 6,626·10–34 Дж·с. Чтобы такой процесс объяснил реальное космологическое красное смещение, квант зелёного света с длиной волны λ = 530 нм должен взаимодействовать с нейтрино примерно каждые 219 млн. км или каждые 12 минут 10 секунд полёта. С учётом вероятного количества нейтрино во Вселенной, такие параметры взаимодействий нейтрино с фотонами оказываются близкими к характеру взаимодействий нейтрино с другими частицами.
При прохождении фотона сквозь „облачко” нейтрино не по его диаметру, а по хорде, возможно возникновение силы, перпендикулярной к траектории фотона и стремящейся отклонить его от прямой линии. Это должно было бы вызвать как раз такое рассеяние света, о котором писал И.Д. Новиков. Но подобное рассеяние может оказаться стабильно равным нулю. Нейтрино – очень лёгкая частица, отчего перпендикулярная сила, действующая на фотон при нецентральном пересечении „облачка”, должна быть очень малой. Создаваемый импульс может оказаться меньше минимального кванта действия (постоянной Планка), а тогда фотон, согласно квантовой теории, не испытает абсолютно никакого бокового отклонения.
Чтобы для всех длин волн электромагнитных колебаний относительное красное смещение оставалось (в согласии с экспериментом) одинаковым, вероятность взаимодействия фотона с нейтрино должна изменяться пропорционально частоте фотона. Такие условия возникают, если допустимое линейное расхождение центров частиц (возможно, это квант расстояния) и допустимое отклонение от нулевой фазы колебаний (возможно, это квант времени) очень малы и не зависят от частоты фотона. Тогда, действительно, вероятность взаимодействий должна быть с хорошей точностью пропорциональна частоте излучения.
У автора пока нет аргументов в подтверждение данной гипотезы. Но есть ли основания считать подобное явление невозможным? Оно, во-первых, вполне соответствует идеологии квантовой теории, а, во-вторых, куда менее фантастично, чем представления о сингулярной точке и Большом Взрыве.
Поскольку речь идёт о передаче энергии от фотонов частицам нейтринного газа, т.е. о хаотическом рассеянии (диссипации) энергии, ведущем к повышению температуры нейтринного пула, такой механизм красного смещения целесообразно назвать диссипативным.
Изложенные взгляды можно сформулировать следующим образом.
Диссипативная составляющая космологического красного смещения обусловлена очень редкими актами передачи минимальных дискретов энергии от квантов электромагнитного излучения к частицам нейтринного пула.
Есть причины считать, что в космологическом красном смещении именно диссипативная составляющая является основной. Тогда колебания плотности нейтринного пула должны непосредственно отражаться на величине постоянной Хаббла.
В общем случае космологическое смещение спектральных линий является суммой трёх составляющих – диссипативного, доплеровского и гравитационно-разностного. Из них диссипативное смещение всегда остаётся красным, гравитационно-разностное – в большинстве случаев тоже красное, а доплеровское (в зависимости от расширения или сжатия конкретных участков Вселенной) может быть и фиолетовым, но на общем фоне красных смещений это не приводит к результирующему фиолетовому смещению.
Космологическое смещение спектральных линий, представленное как эквивалент лучевой скорости, выразится формулой:
Z = Zgrav + r · Hdis + ZDop ;
где Z – общее космологическое смещение спектральных линий в км/с; Zgrav – гравитационно-разностная составляющая смещения в км/с; r – расстояние до наблюдаемого объекта в мегапарсеках; Hdis – диссипативная составляющая постоянной Хаббла в км/с на один мегапарсек; ZDop – доплеровская составляющая смещения в км/с.
С гравитационно-разностным смещением спектральных линий астрофизики более всего сталкиваются при наблюдении ядер далёких галактик и квазаров. В таких случаях излучатель (фотосфера ядра галактики) оказывается в мощном гравитационном поле ядра, а приёмник – в значительно более слабом гравитационном поле Земли. Соответственно, для вычисления Zgrav нужно учитывать разность интенсивностей этих двух гравитационных полей.
Если очень грубо принять гравитационные поля разных галактик и квазаров равными по интенсивности, то можно использовать в расчётах одну и ту же величину гравитационной компоненты красного смещения. Прикидочные расчёты показывают, что в первом приближении может быть использована величина:
Zgrav = 20 км/с.
Диссипативную составляющую постоянной Хаббла можно принять приблизительно:
Hdis = 72 км/с на мегапарсек.
Если подходить с позиций тройственной природы красного смещения, то в корне меняются наши представления о динамике Космоса. Рушатся прежние представления о главенстве доплеровского эффекта и о быстром расширении Вселенной. Становится ясно, что красное смещение обусловлено, главным образом, влиянием нейтринного пула, о существовании которого давно было известно, но возможность воздействия которого на фотоны не предполагалась.
С учётом диссипативного покраснения, разброс квазаров на графике Хаббла должен трактоваться как существование областей Вселенной и с красной, и с фиолетовой доплеровской составляющей, или, другими словами, областей расширения и областей сжатия. Но скорости расширения (как и скорости сжатия) оказываются довольно низкими, очень далёкими от скорости света.
Конечно, пока наука не принимала всерьёз давно стучавшийся в двери „нейтринный” мир, не могла возникнуть и мысль о диссипативной составляющей красного смещения, а значит, и об истинной динамике Вселенной.
* * *
Представление о диссипативном красном смещении резко изменяет картину Вселенной. Она предстаёт не только вечной в своём круговороте материи, но и более стабильной, устойчивой. Безудержное расширение Космоса, скорость которого в далёких областях, якобы, близка к скорости света, теперь воспринимается просто как иллюзия, как болезненное видение напуганного разума. На первый план выходит не общее расширение Вселенной, а пульсации больших областей пространства, динамику которых нужно изучить и понять.
Расширение полостей ячеек Вселенной увеличивает время пребывания в них вытесненного излучениями газопылевого вещества и, соответственно, повышает вероятность спонтанного перехода обычной материи в „нейтринную” форму. Но существуют оптимальные размеры ячеек, определяемые процессами трансмутаций частиц. Их превышение уже не усиливает процесс перехода и лишь напрасно расходует энергию нейтринного пула, постепенно снижая активность галактик. И всё-таки, огромная инерционность нейтринного пула может продлевать расширение далее оптимума, делая ячейки гипертрофированно большими.
В некоторой области пространства истощение нейтринного пула и снижение активности галактик может сначала уравновесить, а затем привести к перевесу сил притяжения над реактивными силами отталкивания. Тогда в соответствующей группе ячеек начнётся сжатие. Но, из-за гипертрофированных размеров ячеек, процесс преобразования материи из обычной формы в „нейтринную” еще долго будет достаточно интенсивным. При сниженной мощности галактических излучений, этот процесс может восстановить энергию нейтринного пула в данной зоне, и создать предпосылки для нового цикла расширения. Он, вероятно, начнётся со всплеска активности ядер галактик, с появления на некоторое время (порядка двух миллиардов лет) аномально большого количества квазаров (что реально наблюдается).
Запаздывание процессов в „нейтринном” мире может проявиться и при переходе от сжатия к расширению рассматриваемой области Вселенной. Можно представить себе сжатие ячеек вплоть до нарушения перехода вещества в „нейтринную” форму и разбалансировки питания нейтринного пула. Такому трагическому сценарию должен противодействовать второй поток рождающихся нейтрино – от процессов ядерного синтеза и распада. Их вклад резко возрастает по мере сжатия, что способно форсированно восстановить массу нейтринного пула, перевести эту область от сжатия к новому расширению.
Дело в том, что суммарная масса вещества и энергии нашего и „нейтринного” мира в достаточно большой области пространства более или менее постоянна. Поэтому истощение нейтринного пула означает увеличение массы вещества в нашем мире. Если масса невидимой материи сегодня, как полагают, в 20 раз больше массы её видимых форм, то истощение невидимой материи, например, от 100% до 95% означает увеличение массы материи нашего мира примерно вдвое! Настолько же увеличится количество звёзд и планет, возрастёт суммарная мощность термоядерного синтеза и распада радиоактивных элементов.
Следовательно, критическое истощение нейтринного пула может быть преодолено возрастанием доли нейтрино, рождающихся в ядерных процессах. Кроме того, возросшая мощность ядерных процессов в звёздах должна напрямую усиливать излучение галактик, увеличивать поток пыли и газа в пустоту ячеек, и помогать перевесу сил реактивного отталкивания стенок ячеек над силами притяжения противоположных стенок.
* * *
Изложенному взгляду не мешают сохраняющиеся сомнения относительно массы покоя нейтрино. Не мешают потому, что существование „нейтринного” мира подтверждено его огромной „вириальной” массой, а другие свойства невидимой материи – отсутствие иных взаимодействий, кроме гравитационных – ясно очерчивают круг частиц, способных проявляться подобным образом.
Как отмечалось, невидимый мир не обязательно должен состоять из одних лишь нейтрино. Не случайно название „нейтринный” взято в кавычки. Он может содержать и другие труднообнаруживаемые, слабо взаимодействующие с обычным веществом частицы, например, давно предсказанные гравитоны.
Выше упоминалось, что элементы гипотезы о круговороте форм материи взаимосвязаны. Теперь к ним примкнули новые представления о динамике Вселенной, основанные на гипотезе о диссипативном красном смещении. С такой точки зрения, „ткань” Вселенной, построенная из множества „пчелиных сот”, непрерывно „дышит”, колеблется, но в этом вечном движении и преобразовании она сохраняет неизменными свои важнейшие структуры и параметры. Имеющиеся данные заставляют думать, что расширение одних групп ячеек совпадает с сокращением других, и этот процесс волнообразно прокатывается по Вселенной.