Новое в науке. Предсмертные муки современной космологии. К 10-летию Интернет-журнала ЧАЙКА

Из Альманаха ЧАЙКА №6 за 2017 год

В этих полемических заметках сделана попытка осветить ту трагикомическую ситуацию, в которой оказалась современная наука о Вселенной и которая является предвестником будущих революционных изменений в сложившихся научных взглядах.

1. На пути к краху

Современная космология за почти столетний период своего существования добилась значительных успехов в описании видимой части Вселенной. Этим она в немалой степени обязана теоретическому фундаменту – общей теории относительности Эйнштейна, на который она опиралась. Однако те или иные неприятности постоянно преследовали космологическую науку. До недавнего времени, путем различных ухищрений, из них удавалось выпутаться и космологи с гордостью заявляли о своих внушительных достижениях.

 Но настоящий кризис разразился в самом конце прошлого века, когда на основе данных наблюдения по сверхновым звездам типа Ia сформировалось новое представление о таинственной темной энергии. До того момента космологам, как им казалось, было известно практически все о Вселенной. Красное смещение в спектрах далеких галактик говорило об их разбегании и расширении Вселенной. Причем, ввиду сил притяжения между галактиками, это расширение должно было происходить с замедлением, что общепризнанные на тот момент космологические модели как раз и описывали. Однако данные по сверхновым звездам поставили жирный крест на всех этих моделях. Неожиданно оказалось, что галактики разбегаются не с замедлением, а с ускорением.

 Это и привело космологов к выводу, что должно существовать особое состояние материи – темная энергия, обладающая свойством отталкивания и отрицательным давлением. По их мнению, она заполняет всю Вселенную, причем на ее долю приходится примерно 70% общей массы. Но притом, что, по мнению ученых, темная энергия находится везде и в огромном количестве, ни один эксперимент не указывал на ее существование. Начались ее новые поиски с применением самых совершенных технических средств. Но как тогда, так и сейчас их результаты оказываются абсолютно обескураживающими – ни одной частицы этого вещества не было обнаружено ни современными космическими аппаратами, ни Большим адронным коллайдером.

Tainstvennaya_Vselennaya.jpg

Таинственная Вселенная

Помимо темной энергии, есть в космосе еще один вид загадочного вещества. Это темная материя, на долю которой приходится приблизительно четверть массы Вселенной. О ее существовании известно давно, так как видимой части галактик явно недостаточно, чтобы объяснить наблюдаемое движение их звездного населения. Поэтому в них должна находиться огромная скрытая масса. Но что она собой представляет – до сих пор совершенно неясно. При этом, как и в случае с темной энергией, ни одним современным прибором частицы темной материи так и не были обнаружены. Но тем не менее, ее существование не вызывает ни малейших сомнений.

 Таким образом, возникает совершенно безрадостная картина современной космологии. В чем же причина возникшего тупика? Попробуем в этом разобраться.

2. Что струит ночной зефир?

 Как говорится у Александра Пушкина, «ночной зефир струит эфир». Но основа современной физики и космологии – теория относительности - эфир отвергает. Так кто же прав – Пушкин или Эйнштейн? Забавно, что в современной физике говорится, что эфира нет, но есть физический вакуум. По сути, это то же самое, но позволяет уйти от неприятных вопросов. Физический вакуум – это не пустота. Он представляет собой особое состояние материи. Если из объема выкачать все вещество, то там все равно что-то останется. Это и будет физический вакуум. Его существование установлено во множестве экспериментов. Например, он проявляется в эффекте Казимира – притяжении в пустом пространстве близко расположенных незаряженных проводников, в лэмбовском сдвиге уровней энергии атомов и целом ряде других эффектов. Но признавая существование физического вакуума, современные физики не признают за ним способности оказывать сопротивление движущимся относительно него телам – ведь это бы противоречило теории относительности Эйнштейна.

 Конечно, теория относительности подтверждена большИм числом экспериментов, но ее принцип, говорящий об абсолютном отсутствии эфира, можно подвергнуть некоторой корректировке. Эйнштейн исходит из идеальной модели, но реальность может быть сложнее. Ведь влияние эфира (физического вакуума) на движущиеся тела может быть столь малым, что его трудно обнаружить в земных экспериментах. Однако оно может проявляться в космологических процессах, протекающих на протяжении миллиардов лет.

 Так, может быть, Пушкин был прав?

3. Теория относительности и космология

Тупик, в котором оказалась космология, действительно ужасен. Ведь она не имеет ни малейшего представления о 95% вещества Вселенной. Но и об оставшихся 5% она тоже многого не знает. И здесь существует немало вопросов, на которые она не дает убедительного ответа. Например, почему большинство галактик имеют спиральную структуру, почему старые звезды располагаются преимущественно вблизи их центра, а молодые – на периферии, почему, чем старше спиральная галактика, тем меньше размах ее спиральных ветвей?

Spiralnaya_galaktika2.jpg

 Большие проблемы космологии приводят к мысли, что не все в порядке с ее фундаментом – теорией относительности. Это великое творение Эйнштейна правильно описывает многие процессы на Земле и в космосе, но приводит к большим трудностям, как только его начинают использовать в космологии. Так например, теория Эйнштейна привела к фантастической идее Большого взрыва – рождению 13.8 миллиардов лет назад всей видимой части Вселенной из точки с бесконечной плотностью, что как раз и явилось причиной многих бед в космологии. 

 Не случайно в стане астрономов стали раздаваться голоса протеста против сложившейся парадигмы в науке о Вселенной. Так, в мае 2004 г. в New Scientist было опубликовано открытое письмо к научному сообществу http://www.fisica.ufmg.br/dsoares/open-letter.htm, подписанное значительным числом ученых и направленное против теории Большого взрыва. В нем отмечался целый ряд нестыковок этой теории с данными наблидений и приводилось сравнение ее с теорией Птолемея, считавшейся в течение многих веков единственно правильной, но оказавшейся в конце концов ошибочной.

 Все это возвращает нас к вопросу: применима ли теория относительности к космологии и если нет, то в чем состоят ее возможные дефекты?

 Пожалуй, главным из них может быть игнорирование в ней такой сущности как физический вакуум и связанных с ним космологических эффектов, о чем уже было упомянуто. Тут следует сделать небольшой исторический экскурс.

 Основной вопрос, который возникал при формировании существующих космологических воззрений, состоял в следующем: чем можно объяснить наблюдаемое красное смещение в спектрах далеких галактик? Официальный ответ, как известно, был и остается таким: это эффект Доплера, связанный с разбеганием галактик. Он согласуется и с общей теорией относительности, приводящей в космологии к эффекту постепенного расширения пространства. Но это означает, что первоначально все пространство концентрировалось в одной точке, что, мягко говоря, представить довольно сложно. Данная странность вызвала к жизни иную точку зрения – идею старения фотона. Она состоит в том, что фотоны, излучаемые звездами далеких галактик, при своем путешествии по просторам Вселенной в течение миллиардов лет постепенно теряют свою энергию. Это, по мысли приверженцев идеи старения фотонов, и приводит к наблюдаемому красному смещению в спектрах галактик. Но такой взгляд был признан ненаучным как не стыкующийся с теорией относительности. Но если теория относительности имеет некий дефект и не во всем права, так может зря не дали хода альтернативной космологической теории, у которой было немало сторонников?

 В связи с этим возникает вопрос, нельзя ли внести некоторую коррекцию в теорию относительности, сохраняя все ее достоинства и хорошо проверенные следствия, но при этом прийти к альтернативной космологии без разбегания галактик и Большого взрыва?

 Попробуем дать ответ на такой животрепещущий вопрос.

4. Геометрия Вейля и новая космология

Общая теория относительности, созданная Альбертом Эйнштейном в 1916 г., базируется на геометрии Римана и описывает гравитационное влияние материи на свойства пространства и времени. Всего через два года другой великий ученый – Герман Вейль - предложил новую теорию пространства и времени, основанную на обобщении римановой геометрии. В ней помимо гравитационного поля содержалось еще одно поле, похожее на электромагнитное. Поэтому у Вейля возникла мысль, что он создал единую теорию гравитации и электромагнетизма. Но в дальнейшем стало ясно, что построенная новая теория сильно отличается от эйнштейновской и противоречит известным данным наблюдения. Поэтому концепция Вейля, несмотря на всю свою красоту, не получила всеобщего признания. Хотя у нее по-прежнему остаются горячие приверженцы.

 Надо признать, что идея отождествления дополнительного вейлевского поля с электромагнитным полем оказалась неудачной, несмотря на всю свою привлекательность. Но встает вопрос, нельзя ли дать ему другую интерпретацию, чтобы не возникало серьезного разногласия с теорией Эйнштейна?

German_Veyl_1885-1955.jpg

Герман Вейль (1885-1955)

 Этому вопросу были как раз посвящены моя статья, опубликованная в 2003 г. в известном английском журнале “Classical and Quantum Gravity” http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0264-9381/20/7/310/meta, а также основанные на ней космологические главы двух моих монографий A. S. Rabinowitch “Nonlinear Physical Fields and Anomalous Phenomena”, New York, Nova Science Publishers, 2009, 245 p. и А. С. Рабинович “Математические основы малоизученных аномальных физических явлений”, Москва, Либроком, 2015, 328 с.  

 В этих работах было изучено обобщение уравнений общей теории относительности на основе геометрии Вейля. Причем дополнительное поле Вейля рассматривалось как поле, обусловленное влиянием физического вакуума и дающее лишь очень малую поправку к эйнштейновской теории. В результате все известные экспериментальные и наблюдательные подтверждения теории относительности также согласуются и с новой теорией. Но при применении теории с малым вейлевским полем к очень большим пространственно-временным континуумам возникают серьезные отличия от стандартной космологии.

   5. К каким же выводам приводит новая космология?

 1. Физический вакуум оказывает сопротивление движущемуся относительно него веществу, но оно столь мало, что не может быть замечено в проводимых на Земле экспериментах. Однако его влияние постепенно накапливается и становится весьма заметным, когда оно осуществляется в течение миллиардов лет.

 2. Нет расширения пространства и разбегания галактик, не было и Большого взрыва. Красное смещение в спектрах далеких галактик объясняется постепенной потерей энергии фотонами при их длительном движении по просторам Вселенной. Становится ненужным введение темной энергии, так как наблюдаемые особенности красного смещения находят естественное объяснение в новой теории.

 3. Звезды в галактиках движутся по спирали, медленно приближаясь к галактическому центру. Это дает объяснение спиральной структуре большинства галактик, а также упомянутым выше особенностям их строения.

 4. Возраст многих галактик оказывается значительно большим, чем пресловутые 13.8 миллиардов лет. Это позволяет объяснить сущность темной материи. Она просто представляет собой совокупность потухших звезд. Такая точка зрения не могла бы существовать в рамках стандартной космологии со столь небольшим возрастом Вселенной, как 13.8 миллиардов лет. Однако в новой космологии данное объяснение существования темной материи становится вполне естественным.

 Хочется надеяться, что катастрофа, возникшая в современной космологии, будет преодолена в результате развития альтернативных взглядов на процессы, происходящие во Вселенной.