Заранее приношу извинения, если сайт не отображает индексы и степени. Если так, то, например, десять в 56 степени будет выглядеть как 1056, а, скажем, r нулевое – как r0.
И еще: данный текст – популярный, рассчитан на широкий круг читателей, от шоферов и домохозяек до аспирантов физических факультетов университетов. Но у меня огромная просьба: если вы не профессиональный физик – не комментируйте мой текст. Просто время нынче такое. Эпоха Кин-дза-дза.
При образовании звезды потенциальная энергия космического газа уменьшается, часть ее переходит в тепловую энергию (кинетическую энергию). То же происходит при образовании черной дыры. Вообще при сближении тел сила гравитации совершает работу, то есть, потенциальная энергия уменьшается, например, чем меньше высота, тем меньше mgh. Гравитационная энергия Gm1m2/r с уменьшением r тоже уменьшается – поскольку она отрицательна, и становится минус бесконечной в нуле, когда уже падать некуда. При раздвигании тел потенциальная энергия растет, приближаясь «снизу» к нулю. Но при ускоренном раздвигании (разбегании) тел увеличивается их кинетическая энергия, то есть, кинетическая часть их массы растет. Причем по закону Хаббла она растет быстрее, чем растет отрицательная потенциальная энергия (критическая плотность выводится из их равенства).
В [1, стр. 143] сделан расчет классического гравитационного дефекта масс при постоянной плотности. Полученная формула определяет размер тела, при котором масса становится равной нулю. Указывается, что если добавлять все больше и больше вещества к телу, то гравитационный дефект масс будет расти быстрее, чем масса, и. в конце концов, масса обратится в нуль.
Однако в полученной формуле плотность автоматически становится переменной.
Во-вторых, до того, как масса обратится в нуль. Добавочное вещество должно откуда-то взяться, схема с дефектом масс не дает ответа на этот вопрос.
В-третьих, приводится формула для релятивистской массы, в которой масса определяется интегрированием плотности по объему, но присутствует релятивистский множитель
sqrt(1 – rg / r)
Интерпретация формулы вызывает сомнение. Авторы утверждают, что корень под интегралом определяет гравитационный дефект масс – за вычетом массы с бесконечным r. Расчет сделан для нейтронной звезды, но в приложении к планковской Вселенной при учете, что планковский радиус – меньше гравитационного радиуса Шварцшильда, получаем, что масса – мнимая.
Но главная ошибка в [1] в том, что ко Вселенной неприложима оценка дефекта масс, которая утверждает, что масса Вселенной в целом равна нулю – поскольку плотность космологического вакуума – отрицательна, потому гравитационный дефект массы должен ее увеличивать, а не уменьшать.
***
Хочется надеяться, что с этой статьей заканчивается эпоха физической эсхатологии в полтора столетия, когда физика предсказывала конец света.
Энгельс соглашался с физиками, он считал, что когда Солнце погаснет, жизнь на земле иссякнет. Но, добавлял он, она закономерно возникнет в другой точке Вселенной. Конечно, Энгельс не знал, что перед тем, как погаснуть, Солнце выжжет на Земле всё живое, но суть в том, что классики марксизма-ленинизма считали, что земное человечество обречено.
Стивен Хокинг полагал, что человечество, чтобы не погибнуть, должно покинуть Землю в ближайшие 1000 лет. Однако в виду тепловой смерти Вселенной бежать некуда. Сегодня становится ясно, что бежать есть куда.
В статье объясняется, что гипотезы коллапса Вселенной, гибельных пульсаций или тепловой смерти опровергаются именно экспериментальными космологическими данными.
Эта статья не направлена против материализма. Она направлена против прежнего, устаревшего понимания материализма.
Если вы посмотрите в Википедии список нерешенных физических проблем, вы увидите их множество: что происходит внутри черной дыры, как могут виртуальные гравитоны покидать черную дыру, как возникла стрела времени, каков механизм редукции волнового пакета, постоянны ли фундаментальные константы, является ли гравитация физическим полем, возможно ли построение квантовой гравитации и, соответственно, теории Великого объединения, какова природа гамма-всплесков (самых мощных во Вселенной выбросов энергии), что такое темная материя, возможно ли создать теоретическую модель для описания статистики турбулентного потока (те. как в кране течет вода), верна ли теория инфляции и что ее породило, каково число бозонов Хиггса, был ли на самом деле Большой взрыв, вечен ли протон, каков реальный размер Вселенной и можно ли говорить о ее объеме, превышается ли скорость света в квантовых запутанных состояниях и т.д. (Говорят еще, что есть страшное расхождение между экспериментальным и теоретическим значением космологической постоянной, на много порядков, однако при внимательном рассмотрении оказывается, что теоретические расчеты неверны).
Но вы не увидите проблемы массы Вселенной. Между тем, это самая важная физическая проблема. Ведь именно она отвечает на вопрос, какова эволюция Вселенной.
Все рассуждения о массе во вселенной сводятся к разговорам о механизме Хиггса, то есть, о том, как появляется масса у элементарных частиц. При этом остается за рамками рассмотрения совершенно иной аспект происхождения массы – космологический.
В начальной Вселенной, когда еще не существовало ни пространства, ни времени, в силу принципа неопределенности существовало что-то наподобие квантов, флуктуаций пространства-времени. Этот период жизни Вселенной называют планковским. Он длился 10-43 сек, а флуктуация объема составляла 10-99 кубических сантиметров.
Плотность такой вселенной была огромной – 1094 г/см3 , но масса из-за малости объема – совсем небольшой, m = 10-5 г.
Масса вещества современной вселенной – 1056 г. Причем радиус видимой Вселенной – 1026 м, но считают, что мы наблюдаем лишь сотую долю Вселенной. Т.е. ее масса должна быть еще на 2 порядка больше.
Откуда взялась такая фантастическая масса?
Многие считают, что эта масса компенсируется отрицательной энергией гравитации.
В планковскую эпоху гравитационный потенциал Вселенной был гигантский, потенциал обратно пропорционален радиусу, а радиус планковской Вселенной весьма мал:
U = Gm/r ,
где G – гравитационная постоянная. При увеличении радиуса до размеров наблюдаемой Вселенной получим, что гравитационный потенциал обратился почти в ноль. Полагают, что разница между начальным и конечным потенциалами, поделенная на квадрат скорости света – и есть приобретенная масса Вселенной.
Однако расчет показывает, что рассчитанная таким образом масса – в несколько раз меньше оценки 1056 г.
Согласно другой точке зрения вся современная масса Вселенной возникла в эпоху инфляции, когда Вселенная сверхбыстро расширялась.
Теорию космологической инфляции разрабатывали А. Старобинский, Алан Гут, Андрей Линде. Она было создана для объяснения однородности и изотропности Веленной. Это теория экспоненциального расширения пространства в ранней Вселенной. Разница с современным экспоненциальным расширением – в значении постоянной Хаббла в показателе экспоненты, оно было исключительно велико: по разным оценкам от 1036 до 1042 сек-1 .
Инфляция длилась от 10-36 секунд до 10-33 и 10-32 секунд после Большого взрыва. После инфляционного периода Вселенная продолжала расширяться гораздо более медленно.
Но каков механизм образования массы в эпоху инфляции, откуда, за счет чего возникла такая масса?
Ежедневно в видимой Вселенной рождается около 275 млн новых звезд. Они возникают из межзвездного газа. Т.е. если этот газ закончится – прекратится и звездообразование. Но газ почему-то не заканчивается.
Дирак полагал, что гравитационная постоянная G убывает обратно пропорционально времени, что приводит к не сохранению энергии. Академик Рубаков полагает, что увеличение темной энергии с расширением Вселенной не приводит к нарушению закона сохранения энергии, поскольку увеличивается отрицательная энергия гравитации. Но тогда темная энергия должна была возникнуть только из обычной материи.
Идея, что во Вселенной постоянно возникает масса, была впервые сформулирована Бонди и Голдом в 1948 году.
В [2] сделано предположение, что источник массы в эпоху инфляции - сумасшедшее ускорение частиц, как в циклотроне, и расчет показывает, что да, почти вся масса вселенной могла возникнуть за период инфляции.
Но дальше - самое крутое.
Из закона Хаббла
v = H r , т.е. dr/dt = Hr,
Решаем дифференциальное уравнение:
dr/r = Hdt; ln r = Ht, r = r0 exp (Ht)
Получаем, что Вселенная расширяется с ускорением:
a = dv/dt = Hdr/dt = H2 r = r0 H2 exp (Ht)
То есть, это ускорение еще и увеличивается со временем по экспоненте. Правда, незначительно, поскольку H крайне мала, 10-18 сек-1 . То есть, расширяется Вселенная будто бы медленно, однако некоторые видимые далекие галактики убегают от Земли со скоростью, соизмеримой со скоростью света. И, конечно же, это реальные скорости галактик, никаким «растяжением» пространства разбегание галактик не является – ведь иные галактики, вместо того, чтобы отдаляться из-за растяжения пространства, с нами сближаются, та же туманность Андромеды.
В 1998-м при наблюдениях сверхновых было обнаружено, что в удалённых галактиках сверхновые типа Ia имеют яркость ниже расчетной, т.е. расстояние до них, вычисленное по методу «стандартных свечей» (сверхновых Ia), оказывается больше расстояния, вычисленного на основании ранее установленного значения постоянной Хаббла [3]. Из чего заключили, что вывод, что Вселенная не просто расширяется, не просто расширяется с ускорением, но еще и постоянная Хаббла при этом растет.
За это открытие Сол Перлмуттер и др. 2011 году получили Нобелевскую премию.
Постоянная Хаббла прямо пропорциональна корню квадратному из общей плотности Вселенной. Эта плотность складывается из плотности вещества (барионной материи (4,9%, причем всего 1/10 этого вещества – звезды, остальное – газ, немного пыли и чуть-чуть излучения), плотности темной энергии, скорее всего, вакуума (68,3%) и плотности темной материи (26,8%).
H ~ sqrt (плотность вакуума – плотность темной материи – плотность вещества)
Современная общая плотность Вселенной – 10-29 г. В космологической модели Фридмана общая плотность Вселенной постоянна и отрицательна.
Очевидно, что при расширении Вселенной положительная плотность вещества уменьшается. Вселенную ждет тепловая смерть. То есть, плотность вакуума и темной материи остаются неизменны, тогда постоянная Хаббла будет расти.
Однако открытие группы Перлмуттера опровергли [4].
Это означает, что общая плотность Вселенной остается неизменной. То есть, масса вещества растет вместе с объемом Вселенной [5]. Следовательно, тепловая смерть Вселенной не грозит.
Расчет показывает, что после инфляции значимых источников роста массы нет. Возникает вопрос: откуда берется барионная материя?
Ранее этот же вопрос формулировался в урезанном виде: почему во Вселенной нарушается закон барионного заряда, почему Вселенная несимметрична, почему вещества гораздо больше, чем антивещества? Точнее, почему антивещества нет вообще?
Не менее удивителен и рост отрицательной массы темной материи (вакуума), ведь ее плотность постоянна. Источники этого роста тоже неизвестны.
И зачем нужна антиматерия, если есть отрицательная масса темной материи? Нет ли связи между отсутствием антивещества и наличием отрицательной массы темной материи?
Современные законы физики основаны на локальных представлениях, это законы сохранения, это стремление системы к равновесию, это закон нарастания энтропии (2-й закон термодинамики).
Но 2-й закон термодинамики не выполняется уже в классическом гравитационном поле. Законов сохранения энергии, импульса и момента импульса в теории относительности не существует – хотя в рамках этой теории нет вечного двигателя.
Так или иначе, вопрос об источниках роста как положительной, так и отрицательной энергии во Вселенной остается открытым.
Что ж, как говорил в 2006 году в своей лекции Дэвид Гросс, наука находится на грани полного незнания.
Литература
1. Долгов А. Д., Зельдович Я. Б., Сажин М. В. Космология ранней Вселенной. МГУ, 1988. 200 с.
2. Ихлов Б. Л. Об увеличении массы Вселенной. Материалы XVIII Международной конференции «ФИНСЛЕРОВЫ ОБОБЩЕНИЯ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ». РУДН. 25 – 26 ноября 2022 года. С.114-122.
3. Perlmutter S. et al. 1999, Astrophysical Journal, 517, 565.
4. Yijung Kang, Young-Wook Lee, Young-Lo Kim, Chul Chung, Chang Hee Ree. Early-type Host Galaxies of Type Ia Supernovae. II. Evidence for Luminosity Evolution in Supernova Cosmology. The Astrophysical Journal. 2020. Т. 889, №1.
5. Ikhlov B. L. Inconsistent Universe. Materials of the International Conference “Process Management and Scientific Developments” (Birmingham, United Kingdom, March 31, 2020. ISBN 978-5-905695-91-9
DOI 10.34660/INF.2020.7.58917
Б.Ихлов