УСКОРЕННОГО РАСШИРЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ
Шабанов В.Е.
"Напрасно пытаться посредством большего делать то,
что может быть сделано посредством меньшего".
Уильям Оккам
На сегодня многими наблюдениями с достаточной точностью 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. И это явилось причиной общего замешательства, ведь видимых причин этого ускорения не наблюдается.
![[]](/img/s/shabanow/esheodnoobxjasnenieuskorennogorasshirenijawselennoj/preambularis.jpg)
Анализ красного смещения в спектре света, приходящего от галактик, показывает, что чем дальше от нас галактика, тем скорость ее удаления выше. Причем все галактики удаляются не только от нашей галактики Млечный Путь, но и друг от друга, т.е. происходит именно расширение Вселенной. Если бы, к примеру, у нас была возможность переместиться из нашей галактики в любую другую, то мы могли бы обнаружить 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 галактики при расширении движутся 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 можно быть уверенным, 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 этому причиной, и не можем дать объяснение этому процессу.
Недостаточно представлять себе расширение Вселенной так же, как расширение надуваемого воздушного шара, пусть и надуваемого все быстрее. Ведь галактики не просто становятся все дальше и дальше. На самом деле это ускорение приводит к тому, что галактики у границ наблюдаемой Вселенной удаляются от нас со скоростью, все быстрее приближающейся к скорости света! И это крайне стремительное, сверхэнергичное разбегание, какого не может быть даже при каком-либо самом мощном взрыве. Можно сказать, что расширение Вселенной - это процесс чрезвычайной интенсивности. И с точки зрения здравого смысла, не вписываясь в рамки понимания, он несет в себе какую-то неестественность.
В настоящее время имеются различные предположения о причинах ускоренного расширения, из которых можно отметить две версии, представляющихся более-менее разумными, - это "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 может изменяться по каким-то причинам, принимает и отрицательные значения, поэтому 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, природа силы, ускоряющей галактики, гравитационная по той простой причине, что галактики обладают массой. Давайте еще раз обратим внимание на то, как действует сила гравитации. Два тела падают с одинаковой высоты на поверхность Земли с разных сторон. Одно массой 1 кг, другое массой 100 кг. И хотя масса тел разная, 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 тела массой в 1 кг меньше, чем тела массой в 100 кг, обе эти силы одинаково ничтожны в сравнении с силой земного притяжения, поэтому практически не влияют на результат.
Теперь еще раз посмотрим на распределение космологического красного смещения среди дальних галактик. Чем больше расстояние от нас до галактики, тем больше космологическое красное смещение, и оно зависит только от расстояния до галактики и НЕ зависит от ее массы. Две галактики, находящиеся на одном и том же 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). Ровно то же самое мы наблюдали бы, если бы бросили с высоты одновременно два предмета разной массы. Они двигались бы все быстрее, их скорость увеличивалась бы одинаково, и они падали бы, не опережая одно другое.
Эта аналогия говорит нам о следующем. Во-первых, источником силы, придающей 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 по-другому. Значит, он должен быть расположен снаружи, вовне, быть там, куда направляются 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 ним. 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 в разные от нас стороны, и поэтому не может быть никакого общего центра притяжения. Возникает дилемма.
Но на самом ли деле галактики направляются в разные от нас стороны? Возможно, такое наблюдаемое движение галактик всего лишь отражено в нашем восприятии, а в некоторой более общей действительности все галактики могут двигаться к одному единственному центру. В соответствие нашей трехмерной и евклидовой оценке мира мы видим расширение, но фактически в соответствие абсолютному устройству мира все галактики вокруг нас "падают" к единому центру притяжения. И это естественным образом может происходить и иметь объяснение в том случае, 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, 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 стала бы стремиться к бесконечному 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.
Но ведь 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, ибо 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) рассматривать не имеет смысла, ведь 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 из себя некоторый 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 любой конечный объем, в котором содержится вещество, имеет свой центр масс (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 форму траектории движения этого астероида влияют в большей степени их массы по отдельности. Но если же астероид пролетает на достаточно большом расстоянии, то на траекторию более влияет общий центр масс Земли и Луны. Это схематично показано на рисунке ниже.
![[]](/img/s/shabanow/esheodnoobxjasnenieuskorennogorasshirenijawselennoj/zemljailunaobshij.png)
Поскольку у каждой галактики есть масса, которая складывается из масс всех астрофизических объектов, входящих в ее состав, то ее также можно рассматривать как систему тел. А значит, и у любой галактики есть центр масс, который определяется массами и положением всех галактических объектов.
Галактикам свойственно гравитационное взаимодействие между собой, и массы галактик взаимно влияют на траектории их собственного движения в пространстве и во Вселенной. Таким образом, и Вселенная со всеми своими галактиками - это тоже система тел, и центр масс должен быть и у Вселенной в целом. Он определяется массами и положением всех ее галактик. И месторасположение 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 и 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 противолежащий стороне сферы. На рисунке ниже изображены 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 находится 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 точке отправления. 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 находится в противоположной стороне пространства (по аналогии со сферой, изображенной на рисунке выше). Отметим, что месторасположение центра масс является относительным и зависит от положения в пространстве 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 точке 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. Удаляясь от нас, оно будет приближаться к относительному центру масс, определенному 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 и не маловероятная изменяющаяся гравитация, а обычная, всегда неизменная, зримая классическая гравитация.
Известные параметры процесса расширения и имеющиеся космологические характеристики Вселенной позволяют произвести простые оценочные расчеты, которые дают основание предположить, что центр масс Вселенной находиться на расстоянии около 375 млрд световых лет от местоположения наблюдателя. Не на всем протяжении этого расстояния та равномерная плотность вещества, которая характерна Вселенной, может восприниматься наблюдателем так же равномерно, как это есть на самом деле. Непосредственно вблизи космологического горизонта она должна начать резко возрастать, 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.
Складывается впечатление, что при таком описываемом движении галактик все они в конце концов достигнут центра масс Вселенной, и 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 действием 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 действием 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 бы была 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 более детально рассматривать это необходимо 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 том, что пространство Вселенной имеет положительную кривизну. На сегодня Planck Collaboration это подтверждает, и на это указывает более детальный анализ данных астрономического спутника "Планк" Европейского космического агентства, проводимый уже в последнее время.
Взяв за основу классическую гравитационную силу для объяснения процесса расширения Вселенной, можно построить вполне логичную и гармоничную космологическую модель. И в ней удивительным образом выглядят достоверно и непротиворечиво объяснения многих наблюдаемых явлений. Подробнее ознакомиться с представленной идей 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 22.02.2024
ISNI 0000 0005 0567 8889
г. Москва
imvad@ya.ru