Гипотеза о циклической Вселенной получила наблюдательную поддержку в пересказе GPT-4o (24.06.2024)

Источник https://elementy.ru/novosti_nauki/434235/Gipoteza_o_tsiklicheskoy_Vselennoy_poluchila_nablyudatelnuyu_podderzhku/t5271964/Kosmologiya

UPDATE 12.10.2024
См. также:
Физики показали, что время может идти вспять
От хаотической инфляции до супергравитации в пересказе GPT-4o
Астрофизикам не удается снизить "хаббловское напряжение" в пересказе GPT-4o
Гипотеза о циклической Вселенной получила наблюдательную поддержку в пересказе GPT-4o, книга Николая Горькаового «Осциллирующая Вселенная»

END OF UPDATE

UPDATE 09.08.2025:
Открытие DESI: тёмная энергия слабеет в пересказе Grok 3
END OF UPDATE

UPDATE 26.01.2026
Вселенная "перекошена"? Почему у Стандартной модели космологии возникли проблемы
END OF UPDATE

В космологии, наука о происхождении и развитии Вселенной, долгое время существовали две конкурирующие гипотезы. Первая из них предполагала, что Вселенная развивается циклически. Это значит, что после Большого взрыва Вселенная расширяется, формируя звезды и галактики, а затем начинает сжиматься, что приводит к коллапсу и новому циклу. Однако к концу 1970-х годов эта гипотеза столкнулась с множеством нерешенных вопросов.

На смену ей пришла гипотеза инфляции, которая предполагала, что Вселенная расширяется только один раз. Эта идея стала доминирующей примерно на 20 лет. Но к концу XX века и она начала сталкиваться с проблемами, особенно после открытия ускоренного расширения Вселенной. Это открытие поставило под сомнение многие аспекты инфляционной модели.

Параллельно с этим, ученые продолжали находить косвенные доказательства в пользу циклической модели. В начале 2024 года были опубликованы две статьи, которые поддерживают эту гипотезу. Первая статья описывает открытие анизотропии в распределении фонового гамма-излучения, которое имеет дипольную структуру, но направлено иначе, чем диполь реликтового излучения. Вторая статья сообщает об открытии очень тусклого, но массивного спутника Млечного Пути, что изменяет представления о распределении черных дыр в гало галактик. Эти открытия хорошо вписываются в модель циклической Вселенной, поддерживая идею о том, что Вселенная может переживать повторяющиеся циклы расширения и сжатия.

Честно скажу, прочитав это у меня возник разрыв шаблона. Цитата из моей книги (выделние жирным шрифтом в оригинале):

Многим казалось, что отказ от устоев ньютоновской механики — это отказ от научного познания объективного мира. Догматическая мысль отождествляла данную ступень развития науки с наукой в целом, и переходом на новую ступень кажется ей крушением науки. Догматическая мысль может тянуть науку с новой ступени на старую или же отказать науке в объективной достоверности её результатов. Чего догматическая мысль не может, — это увидеть суть науки в последовательном, бесконечном переходе ко всё более точному описанию картины мира.

https://ru.wikibooks.org/wiki/Философия_науки#Исторические_этапы_развития_науки

С детства я считал этот позитивисткий взгляд на развития науки. А, оказывается, что две теории могут не только сосуществовать, это было бы полбеды, но может произойти "откат" к старой теории.

Ниже есть продолжение.

Ни в одной области науки, кроме космологии, нет такого количества произвольных и заведомо ошибочных теорий, сосуществующих во времени с правильной теорией.

Я. Б. Зельдович

Введение

В начале 2024 года в космологии произошли важные события, связанные с публикацией двух значительных исследований. Одно из них, сенсационная статья о гамма-диполе, была опубликована Александром Кашлинским и его коллегами в журнале The Astrophysical Journal Letters 10 января 2024 года. Это открытие стало неожиданностью, поскольку исследователи искали совсем другие вещи и в других местах. Они фактически проверяли изотропность Вселенной — предположение, что Вселенная выглядит одинаково во всех направлениях, что редко подвергается сомнению.

Гамма-диполь — это понятие, используемое в физике, особенно в ядерной физике и физике элементарных частиц, для описания взаимодействий, связанных с гамма-излучением. Гамма-излучение представляет собой высокоэнергетические электромагнитные волны, которые часто испускаются атомными ядрами в процессе радиоактивного распада или других ядерных реакций.

Термин "диполь" относится к системе из двух равных по величине, но противоположных по знаку зарядов или магнитных моментов, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. В физике диполи могут быть как электрическими, так и магнитными. Когда мы говорим о гамма-диполе, мы имеем в виду взаимодействие, связанное с гамма-излучением, которое можно описать с помощью дипольного момента.

Гамма-диполь касается процессов, в которых гамма-излучение испускается или поглощается, и эти процессы можно описать с использованием дипольных моментов. Например, в ядерной физике, когда ядро атома переходит из одного энергетического состояния в другое, оно может испускать гамма-излучение. Вероятность и характеристики этого излучения зависят от дипольного момента, связанного с переходом.

Таким образом, гамма-диполь — это концепция, которая помогает описывать и анализировать взаимодействия, связанные с гамма-излучением, используя понятие дипольного момента. Это важно для понимания процессов, происходящих на уровне атомных ядер и элементарных частиц, где гамма-излучение играет ключевую роль.

В современной космологии одним из самых сильных доказательств изотропности является равномерное распределение реликтового микроволнового излучения по всему небосводу. В модели изотропной Вселенной допускается только одна глобальная неоднородность — дипольная, которая связана с движением Земли через это тепловое излучение. Поскольку скорость этого движения мала по сравнению со скоростью света, величина дипольной анизотропии составляет всего около 0,1%. Когда этот диполь вычитается из данных о реликтовом излучении, остаются лишь микроскопические флуктуации на уровне 10^-5. Это означает, что после учета движения Земли, реликтовое излучение выглядит практически однородным, что поддерживает идею изотропности Вселенной. Однако открытие гамма-диполя может поставить под сомнение эту картину и предложить новые перспективы в понимании структуры Вселенной.

Группа под руководством Александра Кашлинского решила исследовать дипольное распределение фонового гамма-излучения в диапазоне энергий от 2,74 до 115 ГэВ, используя данные космического гамма-телескопа Fermi. Согласно теории, если движение Земли является единственным источником глобальной анизотропии в космосе, то направление и величина гамма-диполя должны совпадать с параметрами диполя реликтового излучения.

Когда мы говорим о влиянии движения Земли на излучение, мы имеем в виду, что движение Земли через космическое пространство может создавать определенные эффекты в наблюдаемом излучении. Один из таких эффектов — это дипольная анизотропия, которая проявляется как небольшая разница в интенсивности излучения в разных направлениях.

Теперь, если предположить, что движение Земли является единственным фактором, вызывающим такую анизотропию, то это движение должно одинаково влиять на все виды излучения, которые мы наблюдаем. Это значит, что если мы видим дипольную анизотропию в реликтовом микроволновом излучении, то мы должны ожидать увидеть аналогичную дипольную анизотропию и в других типах излучения, например, в гамма-излучении.

Математически это можно представить как гипотезу о том, что движение Земли создает одинаковую "подпись" или "отпечаток" в данных, которые мы получаем от разных источников излучения. То есть, если бы мы могли наложить карты дипольной анизотропии реликтового и гамма-излучения друг на друга, они должны были бы совпадать по направлению и величине.

Физически это означает, что движение Земли через космическое пространство оказывает одинаковое воздействие на разные физические процессы, которые приводят к излучению.

Однако результаты анализа показали, что диполь гамма-излучения значительно отличается от диполя реликтового излучения. В галактических координатах он сместился из северного полушария в южное. Более того, амплитуда этого гамма-диполя составила около 7%, что на порядок больше, чем ожидалось. Это открытие стало неожиданным, так как предполагалось, что гамма-диполь будет гораздо слабее.

Кашлинский и его коллеги также отметили, что частицы космических лучей с энергией более 8 эксаэлектронвольт, которые они назвали "суперчастицами", также демонстрируют дипольное распределение, схожее с гамма-диполем как по расположению, так и по амплитуде. Это сходство может указывать на наличие неизвестных процессов или структур в космосе, которые влияют на распределение высокоэнергетических частиц и гамма-излучения, и требует дальнейшего изучения.

На карте, представленной в описании рисунка 2, показаны различные анизотропии в космическом излучении и их взаимное расположение в галактических координатах. Одним из ключевых элементов является дипольная анизотропия реликтового излучения, или CMB, которая связана с движением Земли. На карте ось этого диполя отмечена черным кружком. Исследование, проведенное Александром Кашлинским и его коллегами, выявило, что диполь гамма-излучения значительно смещен к югу по сравнению с диполем реликтового излучения. Это смещение обозначено синим эллипсом. Кроме того, космические частицы с высокой энергией, которые исследователи называют "суперчастицами", также демонстрируют дипольную анизотропию, схожую с гамма-диполем как по расположению, так и по амплитуде. Это обозначено красным квадратом на карте. Черный эллипс указывает на область, где наблюдается минимум в значениях постоянной Хаббла, что может свидетельствовать о неоднородностях в расширении Вселенной. Южный полюс Земли, отмеченный звездочкой, служит ориентиром для понимания расположения других элементов на карте. Также упоминается феномен, называемый "дьявольской осью", который описывает, как оси галактик избегают направления на полюса. Это может указывать на некую центральную точку или ось в нашей Вселенной, которая, как предполагается, находится недалеко от Южного полюса. Эти наблюдения и их взаимное расположение могут указывать на сложные структуры и процессы в космосе, которые еще предстоит полностью понять. Они также могут свидетельствовать о том, что наша Вселенная не так изотропна, как предполагалось ранее, и что существуют крупномасштабные структуры, влияющие на распределение излучения и материи.

Но это далеко не все удивительные совпадения. В районе Южного полюса постоянная Хаббла, которая описывает скорость расширения Вселенной, показывает минимум, отклоняясь от среднего значения примерно на 10%. Это означает, что в этом регионе Вселенная расширяется медленнее, чем в других направлениях. Кроме того, еще в 2009 году российский астроном В. Амирханян опубликовал данные, которые показывают, что оси вращения галактик распределены неравномерно и избегают направления на Южный полюс. Это явление называется анизотропией, что указывает на то, что свойства Вселенной могут быть различными в зависимости от направления. Эти наблюдения подчеркивают сложность и многообразие процессов, происходящих в космосе, и открывают новые вопросы для исследований.

Можно смело считать последние годы временем космологической революции. Традиционная модель Вселенной предполагает, что она однородна и изотропна, то есть выглядит одинаково во всех направлениях и в любом месте. Однако новые наблюдения и исследования показывают, что это может быть не так. В частности, обнаруженная анизотропия и неоднородность, например, в значениях постоянной Хаббла, которая варьируется на 10%, ставят под сомнение эту парадигму. Это явление, известное как "хаббловское напряжение", указывает на то, что скорость расширения Вселенной может быть различной в разных направлениях. Такие открытия требуют пересмотра существующих моделей и могут привести к созданию новой теории, которая лучше объяснит наблюдаемую космологическую анизотропию и неоднородность.

Вторая прорывная новость этого полугодия — это открытие темного скопления-спутника Млечного Пути, названного Большая Медведица III/UNIONS 1. Это скопление имеет размеры и массу, характерные для шаровых звездных скоплений, но содержит всего около 60 старых звезд, возраст которых составляет примерно 12 миллиардов лет. Общая светимость этих звезд соответствует лишь 16 солнечным массам, что делает это скопление практически полностью темным. Оно было обнаружено только благодаря наличию нескольких звезд.

Это открытие важно по нескольким причинам. Во-первых, оно предоставляет новые данные о структуре и эволюции Млечного Пути, показывая, что вокруг нашей галактики могут существовать малозаметные спутники. Во-вторых, такие темные скопления могут содержать значительное количество темной материи, что делает их ценными объектами для изучения этой загадочной субстанции, которая составляет большую часть массы Вселенной, но не излучает свет и не взаимодействует с обычной материей напрямую. Наконец, изучение таких объектов может помочь астрономам лучше понять процессы формирования и эволюции галактик, а также распределение темной материи в космосе.

После 2016 года, когда с помощью гравитационно-волнового детектора LIGO были обнаружены слияния двойных черных дыр, астрономы начали активно обсуждать возможность того, что темная материя может полностью состоять из черных дыр. Это открытие стало важным шагом в изучении гравитационных волн и подтвердило существование черных дыр, которые сливаются, создавая мощные гравитационные волны, регистрируемые на Земле.

Идея о том, что темная материя может состоять из черных дыр, особенно из так называемых первичных черных дыр, возникла в связи с тем, что эти объекты могли образоваться вскоре после Большого взрыва. Первичные черные дыры могли бы объяснить некоторые свойства темной материи, которая не излучает свет и не взаимодействует с обычной материей напрямую, но оказывает гравитационное влияние на галактики и крупномасштабные структуры Вселенной.

Исследования, такие как работа S. Clesse и J. Garcia-Bellido, рассматривают возможность того, что массивные первичные черные дыры могут быть основными компонентами темной материи. Они также изучают, как распределение масс этих черных дыр можно измерить с помощью продвинутых детекторов, таких как LIGO.

Распространенное мнение о том, что малое количество событий гравитационного микролинзирования указывает на незначительное число черных дыр, основано на ряде теоретических предположений, таких как равномерное распределение черных дыр по небу. Однако эти предположения сейчас активно пересматриваются. Если темная материя действительно состоит из черных дыр, то они должны образовывать шаровые скопления в гало Галактики. Гало — это сферическая область, окружающая галактику, которая простирается за пределы видимой части и включает в себя не только редкие звезды и шаровые скопления, но и значительное количество темной материи. Темная материя в гало не излучает свет и не взаимодействует с обычной материей напрямую, но оказывает гравитационное влияние, удерживая галактику вместе и влияя на движение звезд и газа внутри нее.

Кластеризация черных дыр в гало снижает вероятность их обнаружения методом микролинзирования, поскольку они сосредоточены в определенных областях, а не распределены равномерно. Обнаружение темного скопления Большая Медведица III/UNIONS 1 служит прямым подтверждением теории о том, что темная материя может состоять из черных дыр. Это открытие показывает, что черные дыры могут быть сгруппированы в скопления, что объясняет, почему их трудно обнаружить с помощью микролинзирования.

Ранее оценки количества черных дыр накладывали ограничения, предполагая, что их не может быть слишком много, иначе эффект микролинзирования наблюдался бы чаще. Однако уточнение модели галактического гало с использованием данных астрометрического спутника Gaia позволяет пересмотреть эти ограничения. Исследования, такие как работа J. Garcia-Bellido и M. Hawkins, показывают, что данные Gaia могут снять эти ограничения, предоставляя более точную картину распределения черных дыр в гало Галактики. Это открывает новые возможности для понимания природы темной материи и роли черных дыр в ее составе. Понимание структуры и состава гало помогает астрономам изучать распределение темной материи и ее влияние на эволюцию галактик.

На какую концепцию сменится нынешняя парадигма квантовой одноразовой Вселенной? Видимо, стоит ждать возрождения циклической космологии, но на новом уровне — с учетом темной материи из черных дыр, а также всей совокупности обнаруженных феноменов космологической неоднородности и анизотропности. О возможной модели пульсирующей Вселенной стоит поговорить детальнее, тем более что она недавно получила прямое экспериментальное подтверждение.

Классическая циклическая Вселенная

Идея циклической Вселенной, где мир проходит через бесконечные циклы рождения и разрушения, обсуждается с античных времен. Еще 2500 лет назад философ Гераклит предполагал, что Вселенная имеет конечные размеры и проходит через постоянные изменения, подобно тому, как огонь возникает и исчезает. Он представлял себе мир как нечто, что постоянно обновляется через чередование фаз существования и разрушения.

Позже, в XVIII веке, философ Иммануил Кант предложил более научную модель циклической Вселенной. Он предположил, что физические силы, такие как гравитация и давление, могут управлять этими циклами. Кант описывал Вселенную как феникса, мифическую птицу, которая сжигает себя, чтобы затем возродиться из пепла. Таким образом, он представлял себе Вселенную как нечто, что постоянно обновляется и возрождается через бесконечные циклы времени и пространства.

В рамках общей теории относительности российский математик Александр Фридман в 1922 году предложил решение для осциллирующей, или пульсирующей, Вселенной. Он оценил, что период таких космологических пульсаций составляет около десяти миллиардов лет. Эта концепция периодической Вселенной получила развитие в XX веке и стала особенно популярной в 60-х и 70-х годах.

В 1965 году Арно Пензиас и Роберт Вильсон сделали важное открытие реликтового микроволнового излучения. Это открытие сопровождалось статьей группы теоретиков под руководством Роберта Дикке. Эта группа занимала лидирующие позиции в космологии того времени. Один из ее участников, Джеймс Пиблс, стал нобелевским лауреатом в 2019 году, а в честь другого участника, Дэвида Вилкинсона, был назван космологический спутник WMAP.

Группа Дикке интерпретировала открытие Пензиаса и Вильсона в контексте модели замкнутой и цикличной Вселенной. Они предположили, что материя, которую мы видим сейчас, может быть остатками из предыдущего цикла расширения такой Вселенной. В своей статье они описывали процесс циклической переработки тяжелых атомных ядер. Они предположили, что в осциллирующей космологии без сингулярностей температура должна была быть достаточно высокой, чтобы разрушить тяжелые элементы из предыдущего цикла. В этой модели, в момент максимального сжатия, температура Вселенной должна превышать 10 миллиардов градусов Кельвина, чтобы "пепел" предыдущего цикла перерабатывался обратно в водород, необходимый для формирования звезд в следующем цикле.

Трое российских космологов — А. Д. Долгов, Я. Б. Зельдович и М. В. Сажин — в книге «Космология ранней Вселенной» (1988) лаконично изложили историю космологии XX века так:

Раньше наибольшей популярностью пользовалась точка зрения, согласно которой наш цикл расширения явился продолжением предыдущего цикла сжатия. Существовала модель пульсирующей Вселенной. ... Некоторой модификацией модели пульсирующей Вселенной явилась модель „отскока“ от сингулярности... Сейчас, однако, наиболее привлекательной выглядит идея квантового рождения мира, или рождения из „ничего“.

Важную роль в развитии циклической космологии сыграли Георгий Гамов, его студент Ральф Альфер и молодой ученый Роберт Герман (Robert Herman), которые в 1946–1948 годах разработали первую реалистичную схему нуклеосинтеза — образования химических элементов в ранней раскаленной Вселенной.

Георгий Гамов, известный физик и космолог, был убежден, что ранняя Вселенная была чрезвычайно плотной и горячей. Вместе с соавторами он предсказал существование реликтового микроволнового излучения, которое осталось после Большого взрыва и последующего остывания Вселенной. Это излучение имеет температуру всего в несколько кельвинов, что близко к температуре теплового излучения жидкого гелия.

В своей книге "Создание Вселенной" Гамов выражал сомнения в том, что существует способ остановить расширение Вселенной. Он обсуждал так называемую "модель отскока", которая является упрощенной версией циклической космологии. По его мнению, Вселенная была в сильно сжатом состоянии из-за коллапса, который произошел в еще более раннюю эпоху. Нынешнее расширение, по его словам, можно рассматривать как "упругий" отскок, начавшийся после достижения максимальной плотности.

Гамов описывал космологическую эволюцию яркими образами. В далеком догалактическом прошлом Вселенная, из чего бы она ни состояла, пережила гигантский коллапс. В результате этого Большого сжатия вещество Вселенной оказалось в полностью разрушенном состоянии, образуя первичный "суп" из нейтронов, протонов и электронов. Температура в то время достигала миллиарда градусов, но плотность вещества была сравнима с плотностью атмосферного воздуха на больших высотах.

В середине XX века существовали различные взгляды на природу Вселенной. Концепции горячей и, возможно, осциллирующей Вселенной, которые поддерживали такие ученые, как Георгий Гамов, противостояли идеям холодных и одноразовых мирозданий. Эти альтернативные модели развивали Герман Бонди, Томас Голд и Фред Хойл, а также Яков Зельдович вместе с советскими учеными.

Модель Зельдовича была особенно популярна в то время. Она напоминала взрыв термоядерной бомбы, который разогревал Вселенную из плотного и холодного состояния в разреженное и горячее. На конференции в Тарту в 1962 году, Зельдович, считавший теорию Гамова "наивной", утверждал, что представления о высокой температуре на начальной стадии Вселенной противоречат современным данным.

Зельдович предпочитал модель изначально холодной Вселенной. Он считал, что гипотеза о холодном чистом водороде как исходном материале для звездной стадии эволюции лучше согласуется с современными астрофизическими представлениями. Таким образом, он предлагал другой "единственно возможный, единственно правильный вариант" начального состояния Вселенной, который отличался от горячей модели Гамова.

В 1965 году космологические споры о природе Вселенной завершились с открытием реликтового микроволнового излучения Арно Пензиасом и Робертом Вильсоном. Это открытие стало решающим доказательством в пользу модели горячей Вселенной, полностью подтвердив "наивную" теорию, предложенную Георгием Гамовым, Ральфом Альфером и Робертом Херманом. Реликтовое излучение, оставшееся после Большого взрыва, стало ключевым свидетельством того, что Вселенная действительно была горячей и плотной на ранних стадиях своего существования.

Реликтовое излучение имеет спектр абсолютно черного тела, что указывает на состояние термодинамического равновесия в прошлом. Для достижения такого состояния требуется высокая плотность и температура, что не соответствует начальным условиям холодной модели. Согласно теории Большого взрыва, ранняя Вселенная была чрезвычайно горячей и плотной. По мере её расширения, эта горячая плазма остывала, и излучение, которое она испускала, растягивалось до микроволновых длин волн, которые мы можем наблюдать сегодня.

Реликтовое излучение, обнаруженное Пензиасом и Вильсоном, оказалось именно таким, каким его предсказывала теория горячей Вселенной. Оно имело равномерное распределение по всему небу и соответствовало температуре около 3 Кельвинов, что согласовывалось с расчетами Гамова и его коллег. Это излучение стало "эхо" Большого взрыва, подтверждая, что Вселенная действительно начинала свое существование в горячем и плотном состоянии.

В рамках циклической космологии был предложен механизм, который позволяет превращать накопленные в звездах тяжелые элементы обратно в водород. Этот процесс осуществляется через фотодиссоциацию, как описано в работе Роберта Дикке и его коллег в 1965 году.

Согласно этой модели, когда Вселенная сжимается примерно в 10 миллиардов раз, до размеров порядка десятка световых лет, реликтовое излучение, которое мы сейчас наблюдаем в микроволновом диапазоне, становится гамма-квантовым. Это высокоэнергетическое излучение способно разрушать даже самые прочные ядра химических элементов, превращая их в барионы. Таким образом, создаются условия для нового цикла образования звезд, поскольку из барионов вновь формируется водород, необходимый для звездообразования. Этот процесс обеспечивает постоянное обновление материи во Вселенной, поддерживая её циклическую природу.

Теория пульсирующей Вселенной, несмотря на свою привлекательность, сталкивается с рядом сложных вопросов, на которые она не смогла дать удовлетворительные ответы:

1. Гравитационная сингулярность: При сжатии Вселенной до очень малых размеров возникает проблема гравитационной сингулярности, где гравитация становится настолько сильной, что превосходит все другие физические силы. Это приводит к бесконечной плотности и температуре, что делает физические законы, как мы их знаем, неприменимыми. Теория пульсирующей Вселенной не объясняет, как избежать этой сингулярности.

2. Механизм повторяющегося Большого взрыва: Теория не предоставляет ясного механизма, который объяснял бы, как именно происходит Большой взрыв в каждом цикле. Неясно, что запускает процесс расширения после максимального сжатия.

3. Природа темной материи: Открытия Фрица Цвикки и Веры Рубин указывают на существование темной материи, которая оказывает значительное гравитационное влияние на видимую материю. Теория пульсирующей Вселенной не объясняет природу этой темной материи и её роль в циклических процессах.

4. Изотропность и однородность Вселенной: Наблюдаемая Вселенная очень изотропна и однородна на больших масштабах. Теория пульсирующей Вселенной не объясняет, почему это так, особенно если учесть, что неоднородности должны накапливаться с каждым циклом.

5. Второй закон термодинамики: Согласно второму закону термодинамики, энтропия должна увеличиваться с каждым циклом. Это ставит под сомнение возможность бесконечного повторения циклов, так как в конечном итоге энтропия достигнет максимума, что сделает дальнейшие циклы невозможными.

Квантовая одноразовая Вселенная

Концепция квантовой одноразовой Вселенной предлагает решение проблемы гравитационной сингулярности и объясняет механизм Большого взрыва через введение гипотетического отталкивающего поля. В 1981 году Алан Гут предложил инфляционную модель Вселенной, в которой ключевую роль играет "инфлатон" — квантовое поле, обеспечивающее ускоренное расширение Вселенной из почти сингулярного состояния.

Согласно этой модели, перед началом инфляции Вселенная имела невероятно малые размеры — около 10^-54 сантиметров, и её возраст составлял всего 10^-37 секунды. В течение очень короткого времени, порядка 10^-35 секунды, инфлатон вызвал стремительное расширение Вселенной, увеличив её размер на 56 порядков, до примерно одного метра. Это резкое расширение сделало Вселенную практически плоской и однородной, сгладив начальную кривизну и все неоднородности.

После этого "инфляционного пинка" Вселенная продолжала расширяться по инерции. Инфляционная модель объясняет, почему Вселенная выглядит такой однородной и изотропной на больших масштабах, и решает проблему сингулярности, постулируя существование временного антигравитационного поля, которое исчезает после выполнения своей функции. Эта модель стала важной частью современной космологии, предлагая объяснения, которые согласуются с наблюдаемыми данными.

Инфляционная модель Вселенной, предложенная Аланом Гутом, с её одноразовым "волшебным" инфлатоном, вступила в противоречие с циклической моделью. Циклическая модель требует антигравитации, которая должна возникать при каждом максимальном сжатии Вселенной, чтобы инициировать новый цикл. Однако инфляционная модель предполагает одноразовое антигравитационное поле, которое исчезает после выполнения своей функции, что делает её более простой и привлекательной для объяснения начальных условий Вселенной.

В результате, циклическая модель была оттеснена на обочину космологии, а инфляционная теория получила широкую поддержку, особенно среди специалистов по элементарным частицам и квантовым полям. Инфляционная модель позволяет задавать различные потенциалы для гипотетического инфлатона, создавая множество возможных сценариев развития Вселенной. Поскольку эти модели предполагают одноразовое расширение, проблема накопления энтропии, актуальная для циклической модели, здесь не возникает.

Для объяснения темной материи в рамках инфляционной модели были предложены гипотетические элементарные частицы, известные как ВИМПы (WIMP — Weakly Interacting Massive Particles). Эти частицы слабо взаимодействуют с обычной материей, что делает их хорошими кандидатами на роль темной материи, которая оказывает гравитационное влияние, но не взаимодействует с электромагнитным излучением.

В 1997 году Алан Гут опубликовал книгу, в которой рассматривал теорию инфляции как зрелую и устоявшуюся космологическую модель. Однако уже в 1998 году астрономы сделали открытие, которое стало неожиданностью для многих теоретиков, включая самого Гута. Они обнаружили, что Вселенная расширяется с ускорением, что противоречило ожиданиям, основанным на существующих моделях.

[Вставка автора блога. В примерно 1998-2000 гг. когда я учился на курасах подготвки для новых репатриантов в университете Бен Гурион Негеве, в Беер Шеве
(מכינה לעולים חדשים באוניברסיטת בן גוריון בנגב, באר שבע)
я взял курс миткадим-2 по английскому. Одним из условий получения диплома в Беер Шевском университете, я думаю и в любом другом, является доказательстов владения английским на определённом уровне. Первоночальный уровень студента определяется исходя из оценки английской части в психометрической тесте, психотесте, или психометрии. Это нечто подобное ЕГЭ в России. Так вот, моё знание английского было определено как чуть ниже необходимого уровня. Таким образом, я должен был пройти миткадмим-2 и получить птор, освобождение от дальнейших курсов.

К чему я это рассказываю. В качестве экзамена можно было или выступить устно с докаладом на 5-10 минут на любую научную тему или написать работу, в которой анализируются две любые статьи из журналов Nature и Scientific American. Так вот, листация Scientific American я натолкнулся на то, что Вселенная не просто расширяется, а расширяется с ускореним. Там же были работы про различные сценарии конца Вселенной и как они поменялись в свете нового открытия. Я также испытал некоторый шок, но это был позитвиный шок, в рамках моей картины мира. Новое наблюдение приводит к подстройке существуюших моделей. Ведь в любом случае, эффекты от него заметны только в межгалактических масштабах. В каком-то смысле, это такое же уточнение как теория относительности внесла в физику Ньютона].

Это открытие ошеломило Гута, как он сам признавался, и привело к введению концепции "темной энергии" — загадочной силы, которая, как предполагается, вызывает ускоренное расширение Вселенной. Темная энергия стала одной из главных загадок современной науки, поскольку её природа и механизмы действия остаются неизвестными.

Академик Валерий Рубаков отмечал:

Открытие темной энергии было сделано астрономическими методами и стало для большинства физиков полной неожиданностью. Темная энергия, пожалуй, главная загадка современного естествознания.

Классическая циклическая космология не смогла объяснить причины ускоренного расширения Вселенной, которое было обнаружено в 1998 году. Однако квантовые космологи быстро адаптировались к новым данным и предложили объяснение, связанное с квантовым вакуумом. Они предположили, что отрицательное давление или самогравитация квантового вакуума, наполненного виртуальными частицами, может быть источником так называемой "темной энергии", ответственной за ускоренное расширение.

Идея о том, что отрицательное давление может привести к экспоненциальному расширению Вселенной, была выдвинута еще в 1965-66 годах советскими физиками Андреем Сахаровым и Эриком Глинером. В своих статьях, опубликованных в журнале ЖЭТФ, они рассматривали алгебраические свойства тензора энергии-импульса и вакуумоподобные состояния вещества. Глинер представил свою работу в январе 1965 года, а Сахаров — в марте того же года. Однако из-за редакционных процессов статьи были опубликованы позже: работа Сахарова в июле 1966 года, а Глинера — в августе.

Эти ранние идеи о роли квантового вакуума в космологии оказались полезными для объяснения наблюдаемого ускоренного расширения Вселенной, что делает их актуальными и сегодня.

Эрик Глинер в своих работах связал отрицательное давление с физическими свойствами вакуума и предположил, что этот эффект может привести к ненулевой космологической постоянной. Эти идеи стали важным вкладом в развитие инфляционной космологии, хотя сам Глинер относился к инфляционной теории скептически. В своей статье 2002 года он выразил мнение, что "сама идея инфляции представляется ошибочной". Из-за своей критической позиции Глинер не смог найти работу в американских университетах, как отмечает редактор журнала Виталий Гинзбург.

Андрей Сахаров, чьи работы также связаны с ранними идеями о роли вакуума в космологии, был убежденным сторонником циклической модели Вселенной. В своей статье 1988 года он рассуждал о возможности бесконечного числа пульсаций, то есть циклов расширения и сжатия Вселенной. Сахаров предполагал, что может существовать модель Вселенной, которая позволяет бесконечную последовательность таких пульсаций, продолжающихся как в будущее, так и в прошлое.

Таким образом, оба ученых, и Глинер, и Сахаров, были скептически настроены по отношению к инфляционной модели. Несмотря на то, что работы Глинера о вакуумных состояниях и отрицательном давлении оказали значительное влияние на развитие инфляционной космологии, он оставался критиком этой теории. Оба ученых поддерживали идеи, связанные с циклической космологией, и выражали сомнения относительно инфляционной теории.

Идея об отрицательном давлении или самопритяжении вакуума основывается на предположении, что виртуальные частицы, которые кратковременно появляются из вакуума Дирака, могут притягиваться друг к другу, создавая космологическую константу. Однако, это притяжение может быть равно нулю в зависимости от различных предположений квантовой теории поля. Такой вариант не устраивал квантовых космологов, поэтому они начали теоретически рассчитывать ненулевое самопритяжение вакуума.

Результаты этих расчетов оказались неожиданными: предсказанное значение самопритяжения вакуума оказалось на 120 порядков больше, чем наблюдаемая космологическая постоянная. Это расхождение стало известно как "самое плохое предсказание" в истории физики, как отметил Шон Кэрролл в своей книге "Why is the Universe Accelerating?" (2004).

Несмотря на проблемы с расчетами, отрицательное давление вакуума стало одним из трех ключевых элементов теории инфляции наряду с инфлатоном и ВИМПами (слабо взаимодействующими массивными частицами). Эти компоненты вместе формируют основу для объяснения ускоренного расширения Вселенной и других космологических явлений.

Проблема с предсказанием "темной энергии", которая оказалась на 120 порядков больше, чем наблюдаемая космологическая постоянная, остается нерешенной. Это, как и вопрос обоснования существования инфлатона, требует более глубокой теоретической базы. Ожидается, что будущие разработки в области квантовой теории гравитации, теории струн или другой "теории всего" смогут предложить решения для этих сложных вопросов. Эти теории стремятся объединить все фундаментальные силы природы в единую концептуальную рамку, что может пролить свет на природу вакуума и его роль в эволюции Вселенной.

Космологическая революция 2015 года

Космологическая революция 2015 года стала значительным событием в мире науки, и ее инициаторами были не теоретики, а наблюдатели. Это важно, потому что теоретики часто работают с уже существующими моделями и гипотезами, в то время как наблюдатели, изучая реальный мир, могут натолкнуться на явления, которые не вписываются в устоявшиеся теории. Это открывает новые горизонты для исследований и может привести к пересмотру существующих научных парадигм.

В конце 2015 года начали распространяться слухи о том, что на детекторе LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) были обнаружены гравитационные волны. Гравитационные волны — это рябь в пространстве-времени, предсказанная Альбертом Эйнштейном в его общей теории относительности более ста лет назад. Хотя это открытие на первый взгляд не казалось чем-то, что могло бы кардинально изменить существующую космологию, оно все же вызвало большой интерес в научном сообществе.

Гравитационные волны — это рябь в пространстве-времени, вызванная ускоренным движением массивных объектов, таких как слияние черных дыр или нейтронных звезд. Эти волны распространяются со скоростью света и, проходя через пространство, вызывают крошечные изменения в его структуре.

Когда гравитационная волна проходит через Землю, она воздействует на пространство-время, в котором находятся объекты, включая детекторы LIGO. Это воздействие проявляется в виде изменений расстояний между объектами. В случае LIGO, который состоит из двух длинных перпендикулярных туннелей, гравитационная волна вызывает растяжение одного туннеля и сжатие другого. Это происходит из-за того, что гравитационная волна изменяет метрику пространства-времени, что приводит к изменению расстояний в направлениях, перпендикулярных друг другу.

Представьте себе, что пространство-время — это ткань, и гравитационная волна — это рябь, проходящая по этой ткани. Когда рябь проходит, она растягивает ткань в одном направлении и сжимает в другом. В случае LIGO, один туннель будет немного удлиняться, а другой — укорачиваться. Эти изменения чрезвычайно малы, на уровне тысячной доли диаметра протона, но LIGO способен их зафиксировать благодаря высокой точности своих лазеров и интерферометрической технологии.

Таким образом, именно это крошечное изменение длины туннелей позволяет LIGO обнаруживать гравитационные волны и подтверждать их существование, что стало важным шагом в развитии современной физики и астрономии.

11 февраля 2016 года было официально объявлено о деталях этого открытия, и они действительно поразили всех. Открытие гравитационных волн подтвердило одну из ключевых предсказаний общей теории относительности, что укрепило ее позиции как одной из самых успешных теорий в физике. Более того, это открытие открыло новую эру в астрономии — эру гравитационно-волновой астрономии. Теперь ученые могли не только наблюдать за Вселенной с помощью электромагнитного излучения (света), но и "слушать" ее через гравитационные волны. Это позволило заглянуть в такие уголки Вселенной, которые ранее были недоступны для наблюдений, например, в процессы слияния черных дыр.

Таким образом, открытие гравитационных волн стало не просто подтверждением теории, но и началом новой главы в изучении космоса, что и делает его настоящей космологической революцией.

Открытие, сделанное детектором LIGO, оказалось не просто подтверждением существования гравитационных волн, но и предоставило уникальную возможность наблюдать за одним из самых мощных и драматичных процессов во Вселенной — слиянием черных дыр. Уже через два дня после начала наблюдений обновленный детектор LIGO зафиксировал гравитационную волну, исходящую от слияния двух черных дыр. Эти черные дыры имели массы 29 и 36 масс Солнца и находились на расстоянии 1,6 миллиарда световых лет от Земли.

Слияние этих черных дыр привело к образованию новой черной дыры с массой 62 массы Солнца. Однако, если сложить массы исходных черных дыр, получается 65 масс Солнца. Разница в 3 массы Солнца была преобразована в гравитационные волны. Это мгновенное превращение значительной массы в гравитационное излучение продемонстрировало, насколько мощными могут быть такие события. Для сравнения, энергия, выделившаяся в виде гравитационных волн, была больше, чем суммарная энергия, излучаемая всеми звездами во Вселенной в тот же момент времени.

Это открытие подчеркнуло космологическую важность гравитационных волн. Если учесть, что слияния черных дыр могут происходить довольно часто во Вселенной, то становится очевидным, что значительная часть массы может переходить в гравитационные волны. Это, в свою очередь, должно учитываться при построении космологических моделей, поскольку такие процессы могут оказывать значительное влияние на динамику и эволюцию Вселенной.

Нобелевский лауреат Филип Андерсон в 2018 году отметил, что такие события должны быть интегрированы в наши космологические модели. Это подчеркивает необходимость пересмотра некоторых аспектов наших представлений о Вселенной, учитывая вклад гравитационных волн в ее энергетический баланс.

Наблюдения, проведенные с помощью детектора LIGO, привели к удивительным открытиям, которые изменили наше понимание о частоте и количестве слияний черных дыр. Оказалось, что такие события происходят гораздо чаще, чем предполагали астрономы. Это открытие имеет значительные последствия для космологии и астрофизики, поскольку оно указывает на то, что черные дыры могут быть более распространены во Вселенной, чем считалось ранее.

Одним из наиболее интригующих выводов из этих наблюдений стало предположение, что черные дыры могут играть роль в объяснении природы темной материи. Темная материя — это загадочная субстанция, которая составляет около 27% всей массы и энергии во Вселенной, но не взаимодействует с электромагнитным излучением, что делает ее невидимой для обычных телескопов. До сих пор природа темной материи остается одной из самых больших загадок современной физики.

Исследователи, такие как Себастьян Клессе и Хуан Гарсия-Беллидо, предположили, что массивные первичные черные дыры, образовавшиеся вскоре после Большого взрыва, могут составлять значительную часть темной материи. Эти черные дыры могли бы образовывать кластеры, и их совокупная масса могла бы превышать массу обычной материи, состоящей из атомов и молекул.

Ранее существовало предположение, что черные дыры не могут составлять значительную часть темной материи, поскольку наблюдения не показывали достаточного количества событий гравитационного линзирования. Гравитационное линзирование — это явление, при котором массивный объект, такой как черная дыра, искривляет свет от более далекого объекта, например, звезды, создавая искаженное изображение. Если бы черные дыры в большом количестве находились в темном гало нашей галактики, мы ожидали бы видеть множество таких искажений, когда смотрим на соседние галактики, такие как Туманность Андромеды или Магеллановы облака.

До открытия гравитационных волн, микролинзирование было основным методом обнаружения черных дыр звездных масс, которые не имеют аккреционного диска. Астрономы направляли телескопы на Андромеду и Магеллановы облака не потому, что ожидали найти там много черных дыр, а потому, что эти галактики содержат множество звезд, чьи изображения могли бы быть искажены черными дырами.

Однако открытия, сделанные LIGO, привели к новому пониманию. Было предложено, что черные дыры небольших масс могут образовывать компактные шаровые скопления. Если такие скопления существуют, то вероятность их обнаружения с помощью гравитационного линзирования снижается. Это связано с тем, что скопления могут быть распределены в пространстве таким образом, что они не всегда оказываются на линии видимости между Землей и звездами в Андромеде или Магеллановых облаках. Таким образом, даже если черные дыры составляют значительную часть темной материи, их распределение может быть таким, что они не создают ожидаемого количества событий линзирования.

Данные астрометрического спутника Gaia позволили уточнить модель темного гало нашей Галактики. Эти данные сняли ограничения на количество черных дыр вокруг Млечного Пути, которые ранее накладывались наблюдениями гравитационного линзирования.

Обсуждение природы темной материи и ее возможного состава из черных дыр вместо гипотетических частиц, таких как ВИМПы (слабо взаимодействующие массивные частицы), действительно ставит под сомнение некоторые аспекты квантовой космологии. ВИМПы долгое время считались основными кандидатами на роль темной материи, и значительные ресурсы были вложены в их поиск. Однако, несмотря на десятилетия исследований и значительные финансовые вложения, ВИМПы так и не были обнаружены.

Если темная материя действительно состоит из классических объектов, таких как черные дыры, это может означать, что "квантовость" современной модели Вселенной уменьшается. Это связано с тем, что черные дыры, в отличие от гипотетических квантовых частиц, являются макроскопическими объектами, описываемыми классической физикой, в частности, общей теорией относительности.

Кроме того, два других квантовых столпа современной космологии — инфлатон и темная энергия — также остаются без убедительного теоретического обоснования. Инфлатон — это гипотетическая частица, ответственная за инфляцию, то есть за экспоненциальное расширение Вселенной в первые мгновения после Большого взрыва. Однако теория инфляции, несмотря на свою успешность в объяснении некоторых наблюдательных данных, остается феноменологической. Это означает, что она имеет множество свободных параметров, которые можно настроить для соответствия различным наблюдениям, но без фундаментального обоснования, почему именно такие параметры должны существовать.

Темная энергия, которая считается причиной ускоренного расширения Вселенной, также остается загадкой. Ее природа и происхождение неясны, и она не вписывается в стандартную модель физики элементарных частиц.

Таким образом, если темная материя действительно состоит из черных дыр, это может потребовать пересмотра некоторых аспектов квантовой космологии и поиска новых теоретических подходов для объяснения структуры и эволюции Вселенной.

Характерная история случилась в 2014 году. Группа ученых, анализирующих данные антарктической обсерватории BICEP, объявила в марте об открытии следов гравитационных волн, предсказанных теорией инфляции. Этот триумф вызвал ликование сторонников теории инфляции:

«В астрофизическом сообществе это сообщение вызвало эйфорию, и она вполне оправданна. Результат BICEP2 — если он действительно подтвердится — впервые открывает возможность экспериментальной проверки свойств Вселенной в эпоху космической инфляции, отстоящую от момента Большого взрыва на ничтожную долю секунды. Теория инфляционной вселенной, остававшаяся до сих пор любопытной, захватывающей воображение, пусть правдоподобной — но все-таки гипотезой, превратилась в факт биографии нашей реальной Вселенной.»

Эксперимент BICEP2 подтверждает важнейшее предсказание теории космической инфляции, «Элементы», 22.03.2014.

«Недавние результаты, полученные на установке BICEP2 рядом с Южным Полюсом, показывают, что амплитуда гравитационных волн может оказаться очень большой, вплоть до r = 0,2, близко к тому, что предсказывают простейшие варианты хаотической инфляции. Если эти результаты подтвердятся, то это достижение будет сопоставимо по значению с открытием бозона Хиггса.»

Андрей Линде, Борис Штерн. Как за полчаса изменился мир.

«...инфляция — прекрасная теория, у которой есть большие проблемы с наблюдательным подтверждением. Важность результата BICEP (точнее, установки второго поколения BICEP2), если он окажется верен, — именно в подтверждении инфляционной модели.»

Сергей Попов, Сигнал из времен до Большого взрыва

История с BICEP имеет два интересных момента:

Во-первых, поверив в то, что открытые гравитационные волны стали железным доказательством теории инфляции, ее сторонники откровенно признали, что теория инфляции — лишь «гипотеза», которая имеет «большие проблемы с наблюдательным подтверждением».

Во-вторых, три месяца спустя, в июне 2014 года, это «открытие» гравитационных волн было опровергнуто — полученный сигнал оказался связан не с гравитационными волнами, а с распределением космической пыли (см. Новые данные обсерватории Planck закрывают чересчур оптимистичную интерпретацию результатов BICEP2, «Элементы», 24.09.2014). Примечателен факт, что «гибкая» теория инфляции легко пережила эту скандальную историю! У нее осталось достаточно вариантов, которые предсказывают практически любой уровень гравитационных волн.

...Карл Поппер, известный философ науки, предложил критерий фальсифицируемости как ключевой элемент научной теории. По его мнению, теория считается научной, если она может быть опровергнута экспериментом или наблюдением. Это значит, что теория должна делать конкретные предсказания, которые можно проверить на практике. Если предсказания не сбываются, теория должна быть пересмотрена или отвергнута. Однако, когда речь идет о многопараметрической модели ad hoc, возникает проблема: такая теория может использовать множество свободных параметров для подгонки под уже известные данные. Это похоже на настройку модели так, чтобы она соответствовала наблюдениям, но без способности делать новые, проверяемые предсказания. В этом случае теория становится менее научной, поскольку ее трудно фальсифицировать.

В контексте теории инфляции, критики утверждают, что инфляционисты могут изменять параметры своей модели, чтобы она соответствовала новым данным, избегая тем самым фальсификации. Это делает теорию менее проверяемой, что противоречит принципам Поппера. В результате, хотя инфляция успешно объясняет многие аспекты космологии, ее статус как научной теории подвергается сомнению из-за недостаточной предсказательной силы и фальсифицируемости.

Иллюстрацией этого может служить аналогия с ключом и замком. Представьте, что у вас есть ключ (теория), который подходит к замку (наблюдения) только потому, что вы можете изменять его форму (параметры) до тех пор, пока он не подойдет. Однако, если вы не можете использовать этот ключ, чтобы открыть новый замок (сделать новое предсказание), его ценность как инструмента оказывается под вопросом.

Это настораживает любого трезвого ученого. Оглядываясь на критерии Поппера, применимые ко всем научным теориям, логично задаться вопросом: не является ли теория инфляции многопараметрической моделью ad hoc? Она построена для объяснения известных фактов (и успешно делает это с помощью подкручивания имеющихся свободных параметров), но не способна предсказать конкретные эффекты, которые могли бы ее фальсифицировать — или бесспорно (без споров!) ее подтвердить. Инфляционисты своей гибкостью успешно избегают фальсифицируемости своих моделей, одновременно разрушая их проверяемость — в полном соответствии с анализом Карла Поппера...

...Несмотря на 40 лет развития и широкую популярность, инфляционная космология, описывающая одноразовую Вселенную, сталкивается с серьезными вызовами. Она не смогла бесспорно доказать свое превосходство ни в теоретическом, ни в наблюдательном аспекте по сравнению с другими моделями. Внутри инфляционной модели существуют принципиальные проблемы, которые не только не решаются со временем, но и все больше входят в противоречие с наблюдениями.

Одной из таких проблем является сверхчувствительность инфляционных моделей к начальным условиям. Это означает, что даже незначительное изменение начальных условий, например, на величину в 10^-79, могло бы привести к катастрофическим последствиям: Вселенная либо схлопнулась бы, либо разлетелась в холодную бесконечную пустыню. Чтобы обойти эту проблему, была введена концепция мультиверса, предполагающая существование 10^500 вселенных. С помощью антропного принципа предполагается, что среди множества вселенных найдется хотя бы одна, подходящая для существования жизни, как наша.

Однако эта идея вызывает скептицизм. Академик Я. Б. Зельдович в своей статье "Современная космология" указывал, что антропный принцип, согласно которому мы живем в одной из многих вселенных, пригодных для жизни, может быстро привести к отходу от научного подхода к "размахиванию руками". Это выражение подчеркивает, что такая гипотеза может быть воспринята как недостаточно строгая и научно обоснованная.

Петер Шнайдер, автор учебника по современной космологии, также иронично заметил, что антропный принцип можно рассматривать как "объяснение", но также и как "капитуляцию". Это подчеркивает, что использование антропного принципа может быть воспринято как признание неспособности предложить более конкретное и проверяемое объяснение.

Нетензорность гравитационной энергии в ОТО

Падение доверия к одноразовой инфляционной модели Вселенной, которая сталкивается с рядом нерешенных проблем, таких как сверхчувствительность к начальным условиям, привело к возрождению интереса к циклической космологии. Эта концепция, ранее отодвинутая в сторону инфляционистами, предлагает альтернативный взгляд на эволюцию Вселенной, предполагая, что она проходит через бесконечные циклы расширения и сжатия.

Однако циклическая космология также сталкивается с рядом нерешенных вопросов. Одной из таких проблем является нетензорность гравитационной энергии в общей теории относительности (ОТО). Это означает, что гравитационная энергия не может быть описана в терминах тензоров, что усложняет математическое описание процессов, происходящих в циклической модели.

Чтобы решить эти и другие проблемы, ученые, такие как Пол Стейнхардт и Нил Турок, предложили новые экзотические гипотезы. В своей книге "Бесконечная Вселенная: за пределами Большого взрыва" они рассматривают идеи многомерности, бран и загадочных полей. Эти концепции предполагают существование дополнительных измерений и структур, которые могут влиять на динамику Вселенной.

Многомерные теории, например, предполагают, что наша Вселенная может быть лишь одной из многих "бран" (трехмерных поверхностей) в более высокоразмерном пространстве. Взаимодействие между такими бранами может приводить к циклическим процессам, таким как Большой взрыв и последующее расширение.

В космологии существует предпочтение к моделям, которые не требуют введения новых, ранее неизвестных сущностей, поскольку такие модели считаются более надежными и экономичными с точки зрения научного объяснения. Роджер Пенроуз в своей книге "Циклы времени" предлагает циклическую модель Вселенной, основанную на общей теории относительности (ОТО). Однако, несмотря на использование известных физических законов, в его модели остаются значительные пробелы, которые он закрывает гипотетическими предположениями.

Одним из таких предположений является идея о таинственном конформном преобразовании. В модели Пенроуза предполагается, что в конце каждого цикла, когда Вселенная становится очень большой и разреженной, происходит конформное преобразование, которое превращает ее снова в маленькую и плотную. Это преобразование позволяет Вселенной начать новый цикл расширения. Конформное преобразование в данном контексте — это математическая операция, которая изменяет масштаб пространства, сохраняя углы, но не размеры. В физическом смысле это означает, что свойства Вселенной изменяются таким образом, что она может "перезапуститься" после достижения определенного состояния.

Космология, как прикладная наука, опирается на решения уравнений общей теории относительности (ОТО), разработанной Альбертом Эйнштейном. Эти уравнения лежат в основе нашего понимания гравитации и структуры Вселенной. Однако, когда ученые сталкиваются с трудностями в объяснении наблюдаемых феноменов, перед ними встает дилемма: признать свои ограничения в поиске правильного решения или предположить, что сама ОТО может быть неполной.

Первый вариант требует глубокого анализа и, возможно, пересмотра подходов к применению ОТО в космологии. Это может включать в себя поиск новых решений уравнений, которые лучше соответствуют наблюдаемым данным, или разработку новых методов моделирования сложных космологических процессов. Такой подход требует значительных усилий и времени, но он может привести к более глубокому пониманию и новым открытиям.

Второй вариант, который заключается в объявлении неполноты ОТО, может показаться более простым и привлекательным. Это позволяет переложить ответственность за несоответствия на теорию, а не на методы ее применения. Однако такой подход может быть преждевременным и не всегда обоснованным, поскольку ОТО уже доказала свою эффективность в объяснении множества явлений.

Вместо того чтобы искать легкие пути, стоит задаться вопросом: возможно, мы неправильно используем ОТО для космологических приложений?

Уравнение Пуассона, записываемое как Δφ = 4πGρ, связывает гравитационный потенциал φ с плотностью массы ρ, создающей гравитационное поле. Здесь G — гравитационная постоянная, а Δ — дифференциальный оператор Лапласа. В трехмерном пространстве оператор Лапласа выражается как:

Δφ = ∂²φ/∂x² + ∂²φ/∂y² + ∂²φ/∂z².

Это уравнение показывает, как распределение массы в пространстве определяет гравитационный потенциал и, следовательно, гравитационное поле.

Чтобы лучше понять это, представьте себе резиновую пленку, натянутую в пространстве. Эта пленка символизирует гравитационный потенциал φ. Если вы положите на пленку тяжелый шарик, он создаст вмятину, аналогичную тому, как масса в пространстве создает гравитационное поле. Чем больше масса, тем глубже вмятина и тем сильнее гравитационное поле.

Дифференциальный оператор Лапласа помогает математически описать, как эта вмятина или изменение потенциала распределяется в пространстве. Он учитывает, как потенциал изменяется в разных направлениях — вперед-назад, влево-вправо и вверх-вниз, подобно тому, как вы измеряете кривизну поверхности пленки в каждой точке.

Гравитационный потенциал φ — это величина, которая говорит нам, насколько "глубока" вмятина в каждой точке пространства. Он позволяет понять, как сильно будет притягиваться другой объект, если его поместить в это гравитационное поле. Например, если вы положите маленький шарик рядом с большим, он будет катиться в сторону вмятины, созданной большим шариком, что соответствует притяжению в гравитационном поле.

Отметим, что в уравнении Пуассона сам потенциал никоим образом не входит в источники поля, то есть, не является источником самого себя. Это подчеркивает линейность классической теории гравитации, где гравитационное поле создается исключительно массой, а не самим полем.

Таким образом, уравнение Пуассона связывает все эти элементы вместе, показывая, что изменение гравитационного потенциала в пространстве связано с плотностью массы, которая создает это поле. Чем больше масса в определенной области, тем сильнее будет гравитационное поле, и тем глубже будет вмятина на нашей "пленке" потенциала. Это уравнение является частным случаем более общего уравнения Лапласа, используемого в различных областях физики для описания потенциалов, таких как электрический и магнитный.

Уравнения Эйнштейна в общей теории относительности представляют собой релятивистское тензорное обобщение уравнения Пуассона. В этих уравнениях левая часть содержит вторые производные от метрического тензора второго ранга, который является аналогом гравитационного потенциала в классической теории. Этот тензор описывает искривление четырехмерного пространства-времени, что является центральной концепцией общей теории относительности.

В правой части уравнений Эйнштейна находится тензор энергии-импульса второго ранга. Этот тензор описывает распределение энергии и импульса в пространстве-времени, включая такие источники, как вещество и электромагнитные поля. В отличие от уравнения Пуассона, где источником гравитационного поля является скалярная плотность массы, в уравнениях Эйнштейна источником выступает более сложная структура, учитывающая релятивистские эффекты.

После вывода уравнений общей теории относительности в 1915 году возник вопрос: нужно ли включать энергию самого гравитационного поля в число источников гравитационного поля? В классической теории Ньютона гравитационное поле создается исключительно массой, и сам потенциал не является источником поля. Ньютон, вероятно, ответил бы, что энергия гравитационного поля не должна учитываться как источник.

Если придерживаться принципа равноправия всех форм энергии, то логично было бы включать энергию гравитационного поля в число источников гравитационного поля. Для этого необходимо создать тензор энергии-импульса, аналогичный тому, который используется для описания энергии-импульса электромагнитного поля. Однако, когда Эйнштейн попытался описать энергию и импульс гравитационного поля, он предложил математический объект второго ранга. Этот объект, как выяснилось, не является истинным тензором. Эрвин Шредингер в 1918 году показал, что этот объект, который стали называть "псевдотензором", может быть обращен в ноль путем выбора определенной системы координат. Это означает, что псевдотензор не обладает свойствами инвариантности, которые ожидаются от настоящего тензора, поскольку его значение зависит от выбора системы координат. Проблема с псевдотензором заключается в том, что он не является инвариантным относительно преобразований координат, что является ключевой характеристикой тензоров в общей теории относительности. Это делает его непригодным для универсального описания энергии и импульса гравитационного поля. Таким образом, хотя идея включения энергии гравитационного поля в число источников гравитации привлекательна с точки зрения симметрии и равноправия энергий, математические трудности, связанные с определением подходящего тензора, остаются нерешенными.

Тензор — это математический объект, который обобщает понятия скаляров, векторов и матриц и используется для описания физических величин в многомерных пространствах. Скаляр, как тензор нулевого ранга, представляет собой просто число, которое не зависит от выбора системы координат. Вектор, являясь тензором первого ранга, имеет направление и величину и может быть представлен как набор чисел, которые изменяются при изменении системы координат. Допустим, у нас есть вектор в двумерной системе координат, и он представлен как (3, 4). Это означает, что вектор имеет проекцию 3 единицы по оси x и 4 единицы по оси y. Длина этого вектора (его величина) может быть вычислена с помощью теоремы Пифагора: √(3² + 4²) = 5. Теперь представьте, что мы поворачиваем систему координат на некоторый угол. В новой системе координат компоненты вектора изменятся, потому что оси координат теперь ориентированы по-другому. Например, вектор может быть представлен как (5, 0) в новой системе, если он теперь полностью совпадает с одной из осей. Однако, несмотря на изменение числовых значений компонент, сам вектор — его физическое направление и длина — остаются теми же. Он по-прежнему указывает в ту же точку в пространстве и имеет ту же длину.

Матрица, как тензор второго ранга, имеет два индекса и может описывать более сложные отношения между величинами, такие как преобразования координат или напряжения в материале. Например, матрица A может быть представлена как A_ij, где i и j — это индексы, которые пробегают по строкам и столбцам матрицы. Тензоры, включая матрицы, обладают свойством инвариантности относительно преобразований координат, что делает их полезными для описания физических явлений, которые должны быть одинаковыми независимо от выбора системы отсчета.

Выяснилось, что вывести истинный тензор энергии-импульса гравитационного поля в принципе невозможно, и причина этого кроется не в недостатке знаний физиков, а в самой природе общей теории относительности (ОТО). В основе ОТО лежит фундаментальный принцип эквивалентности, который устанавливает равенство между гравитационным полем и искривленным пространством-временем. Это означает, что для свободно падающего наблюдателя гравитационное поле полностью исчезает, а вместе с ним исчезает и энергия этого поля. Этот феномен называется нелокализуемостью гравитационной энергии.

В общей теории относительности гравитация описывается не как сила, а как искривление пространства-времени. Принцип эквивалентности утверждает, что в локальной системе отсчета, которая свободно падает в гравитационном поле, эффекты гравитации исчезают. Это значит, что в такой системе отсчета гравитационное поле не ощущается, и, следовательно, энергия, связанная с этим полем, также не проявляется. Если энергия гравитационного поля может "исчезнуть" в одной системе отсчета, это означает, что она не может быть четко определена и локализована в пространстве, как это делается для других форм энергии, таких как электромагнитная. В электромагнитной теории энергия поля может быть локализована и измерена в любой системе отсчета, и она не исчезает при переходе между системами отсчета.

В случае гравитации, поскольку энергия поля может исчезать в определенных системах отсчета, это делает невозможным ее локализацию в пространстве в универсальном смысле. Это свойство, называемое нелокализуемостью гравитационной энергии, указывает на то, что гравитационная энергия не может быть описана в терминах локализованных тензоров, которые были бы инвариантны при переходе между различными системами отсчета.

Проблему энергии импульса в ОТО хорошо описал В. И. Родичев в своей книге Теория тяготения в ортогональном репере (1974):

«Трудности, связанные с нетензорным характером величин, описывающих энергию, импульс и момент гравитационного поля, оказались настолько серьезными и неприступными, что их постепенно начали рассматривать как проявление особых свойств гравитационного поля — универсальности, неэкранируемости, нелокализуемости и т. д.»

Ученый задается вопросом:

«...в чем причина появления нековариантных результатов в теории, одним из принципов которой является принцип общей ковариантности?».

Дискуссия о том, может ли нетензорная и нелокализуемая гравитационная энергия служить источником тензорного гравитационного поля, продолжается уже более ста лет. В научном сообществе сложились две противоположные точки зрения на этот счет.

1) Гравитационная энергия нелокальна и нетензорна, но все равно реальна и должна быть рассмотрена как источник гравполя. Нобелевский лауреат Р. Пенроуз пишет:

«Энергия, а, следовательно, и масса гравитационного поля ведут себя подобно скользкому угрю, так что их невозможно „привязать“ к какому-нибудь четко определенному месту. Тем не менее, к гравитационной энергии следует относиться со всей серьезностью. Она заведомо присутствует, и ее необходимо учитывать для того, чтобы сохранить смысл понятия массы.»

(Новый ум короля, 2003).

2) Гравитационное поле — это искривленное пространство, оно может воздействовать на объекты, не обладая классически определяемой энергией. Гравитационная энергия — фикция, исторически сложившееся понятие. В источники ее вставлять нельзя. Нобелевский лауреат Герард 'т Хоофт подчеркивает, что любая модификация уравнений Эйнштейна, в которой гравитационное поле является источником дополнительного поля и вносит вклад

«в тензор напряжения-энергии-импульса, вопиюще ошибочна. Написание такого варианта выдает полное непонимание общей теории относительности. Энергия и импульс гравитационного поля полностью учитываются нелинейными частями исходного уравнения».

Вопрос о том, может ли нетензорная и нелокализуемая гравитационная энергия служить источником тензорного гравитационного поля, действительно вызывает много споров в научном сообществе. Каждую из позиций поддерживает множество ученых, и, возможно, большинство склоняется к первой, более психологически приемлемой точке зрения, что гравитационная энергия может влиять на гравитационное поле.

Что касается Альберта Эйнштейна, его позиция по этому вопросу эволюционировала со временем. До 1916 года Эйнштейн поддерживал первую трактовку, согласно которой гравитационная энергия могла бы служить источником гравитационного поля. Однако позже он изменил свою точку зрения и стал сторонником второй позиции, утверждая, что из-за своей нетензорной природы гравитационная энергия не может быть источником тензорного гравитационного поля...

В контексте эволюции взглядов Эйнштейна на общую теорию относительности (ОТО), различают две основные трактовки: "теория 1915 года" и "теория 1919 года". В первоначальной трактовке, или "теории 1915 года", Эйнштейн предполагал, что гравитационная энергия может служить источником гравитационного поля. Однако к 1919 году его взгляды изменились, и он сформулировал более четкую интерпретацию, которая оставалась неизменной до конца его жизни.

В "теории 1919 года" Эйнштейн пришел к выводу, что гравитационная энергия не может быть источником гравитационного поля из-за своей нетензорной природы. Он утверждал, что правая часть уравнения ОТО феноменологически описывает все источники гравитационного поля, но эти источники не включают гравитационную энергию. В 1953 году Эйнштейн описал главное уравнение ОТО следующим образом: "Правая часть уравнения феноменологически описывает все источники гравитационного поля. Тензор T_ik представляет энергию, которая создает гравитационное поле, но сама не имеет гравитационного характера, как, например, энергия электромагнитного поля, энергия, связанная с плотностью вещества, и т. д."

Вопрос о том, может ли гравитационная энергия служить источником дополнительного гравитационного поля, остается предметом дискуссий и разногласий среди физиков. В 1973 году два авторитетных учебника представили противоположные точки зрения на этот вопрос.

Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшиц в своем учебнике "Теория поля" утверждают, что гравитационная волна, обладая определенной энергией, сама по себе является источником некоторого дополнительного гравитационного поля. Это утверждение предполагает, что энергия, связанная с гравитационными волнами, может вносить вклад в искривление пространства-времени, подобно тому, как это делают другие формы энергии.

С другой стороны, в учебнике "Гравитация" Ч. Мизнера, К. Торна и Д. Уилера, также опубликованном в 1973 году, представлена противоположная точка зрения. Они утверждают, что "локальная гравитационная энергия-импульс" не оказывает влияния на искривление пространства, не служит источником в правой части уравнений поля Эйнштейна и не вызывает геодезического отклонения. Более того, они подчеркивают, что такая энергия не наблюдаема.

Эти противоположные взгляды отражают сложность и неоднозначность вопроса о роли гравитационной энергии в общей теории относительности. Они подчеркивают, что, несмотря на значительные достижения в понимании гравитации, некоторые аспекты остаются открытыми для интерпретации и требуют дальнейших исследований.

Кто прав? Мнение автора теории должно иметь наивысший приоритет. Почему же многие не прислушались к мнению Эйнштейна? С одной стороны, как это не удивительно, но современные физики часто уверены, что они лучше понимают ОТО, чем сам Эйнштейн (причины этой убежденности не очень понятны).

С другой стороны, мнение Эйнштейна по этому поводу попросту малоизвестно из-за труднодоступности его работ. В 2024 году достаточно полное собрание научных сочинений Эйнштейна существует только на русском (опубликованное в 1960-х, оно быстро стало раритетом) и японском языках. Нигде нельзя найти хотя бы избранного собрания сочинений этого великого ученого на английском или немецком языке.

Издание полного собрания сочинений Альберта Эйнштейна действительно является длительным и сложным проектом. Первый том на английском языке был выпущен Принстонским университетом в 1987 году, спустя 70 лет после создания общей теории относительности и через 32 года после смерти Эйнштейна. К 2024 году было выпущено 17 томов, охватывающих публикации Эйнштейна лишь до ноября 1930 года. Судя по темпам издания, завершение проекта можно ожидать лишь к середине XXI века. Это действительно рекордный по медлительности проект, когда переиздание сочинений занимает больше времени, чем сам Эйнштейн потратил на их написание.

Работа с этими томами затруднена тем, что среди десятков тысяч документов, включая частные письма, приходится искать полторы сотни наиболее значимых научных работ и заметок Эйнштейна. Это может объяснить, почему современные западные гравитационисты не всегда хорошо знакомы с оригинальными статьями Эйнштейна и его мнением по вопросу гравитационной энергии.

В России ситуация несколько иная. Книга Ландау и Лифшица "Теория поля" пользуется огромным авторитетом и считается классическим учебником по теории относительности и гравитации. Это может привести к тому, что мнение Эйнштейна иногда игнорируется на фоне признанного авторитета Ландау и Лифшица.

Таким образом, трудности с доступом к оригинальным работам Эйнштейна и влияние авторитетных учебников могут способствовать тому, что современные ученые не всегда учитывают его мнение по вопросам, связанным с гравитационной энергией. Это подчеркивает важность доступности и изучения первоисточников для более полного понимания научных теорий и их развития.

До недавнего времени дискуссии о гравитационной энергии носили в основном академический характер, поскольку вклад энергии гравитационных волн считался незначительным. Однако ситуация изменилась в 2015 году благодаря открытиям, сделанным обсерваторией LIGO. Эти открытия продемонстрировали, что гравитационные волны могут иметь значительное влияние на космологические процессы.

Мгновенное превращение трех масс солнца в гравитационные волны показало, что вопрос о гравитационной массе гравитационных волн требует более тщательного изучения. Открытия LIGO подтвердили, что черные дыры играют огромную и ранее недооцененную роль в космологии. Их слияния могут изменять гравитационную массу Вселенной, хотя баланс инертной массы и энергии остается неизменным.

Новая циклическая космология

Включать или не включать гравитационную энергию в число источников гравитационного поля? Этот вопрос трудно решить логическими или математическими аргументами. Фактически, это область аксиоматики ОТО, или, проще говоря, инструкций по использованию уравнений Эйнштейна. Но аксиомы — это семена, из которых вырастают огромные деревья приложений. Поэтому надо просто изучить следствия, к которым приводят разные трактовки ОТО — и мы сразу поймем, какая трактовка лучше описывает наблюдаемую реальность.

Рассмотрим такую трудную проблему теории гравитации, как сингулярности. На стадии коллапса все противодействующие силы (центробежная сила, давление электронного или нейтронного газа и т. д.) становятся малы по отношению к гравитационному притяжению, поэтому коллапсирующая система должна сжаться в точку. Но если сингулярность нельзя предотвратить с помощью негравитационных сил, остается возможность победы над гравитационным коллапсом с помощью самой гравитации, то есть с помощью таких гравитационных феноменов, которые растут при сжатии быстрее притяжения, что дает принципиальную возможность его преодоления. Такие гравитационные феномены существуют: это приливные силы и гравитационное излучение.

В рамках "теории 1915 года", предполагалось, что гравитационная энергия может служить источником гравитационного поля. Эйнштейн считал, что гравитационная масса системы остается неизменной, даже если энергия переходит из одной формы в другую, что связано с принципом эквивалентности массы и энергии, выраженным в знаменитой формуле E=mc². В этом контексте, когда сфера коллапсирует, энергия, изначально связанная с массой вещества, может преобразовываться в другие формы энергии, такие как энергия гравитационных волн. Однако, поскольку общая энергия системы остается постоянной, гравитационная масса, которая является источником гравитационного поля, не изменяется. Таким образом, с точки зрения ОТО 1915 года, гравитационная масса коллапсирующей сферы не меняется, она лишь превращается из массы вещества в массу, вызванную энергией гравитационных волн. Поэтому гравитационный коллапс сферы с неизменной гравитационной массой остановить нельзя — и она должна сжаться в точечную сингулярность.

Однако с точки зрения "теории 1919 года", Эйнштейн изменил свое понимание, утверждая, что энергия гравитационных волн не может порождать гравитационное поле. Гравитационные волны, хотя и переносят энергию, обладают уникальной особенностью, которая отличает их от других форм энергии, таких как электромагнитная энергия или энергия, связанная с массой вещества. Эта особенность заключается в том, что энергия гравитационных волн не может быть учтена в уравнениях Эйнштейна как источник гравитационного поля. Это связано с тем, что энергия гравитационных волн описывается с помощью псевдотензоров, которые не являются истинными тензорами и зависят от выбора системы координат.

Псевдоэнергия гравитационных волн, таким образом, не обладает свойствами, которые позволили бы ей быть источником гравитационного поля в традиционном смысле. Это означает, что в процессе гравитационного коллапса, когда энергия материи переходит в гравитационные волны, эта энергия не может поддерживать гравитационное поле. В результате, гравитационная масса коллапсирующей сферы уменьшается, поскольку часть энергии системы становится "невидимой" для гравитационного взаимодействия.

Это ключевое различие в следствиях общей теории относительности 1915 года и 1919 года.

Для решения проблемы сингулярности нужно показать, что гравитационное излучение при коллапсе быстро растет. Если взять идеальную сферу и заставить ее сжиматься, то никаких гравитационных волн, согласно теореме Биркгофа, генерироваться не будет. Но идеальный коллапсирующий шар не более реален, чем сферический конь в вакууме.

В процессе коллапса звезды, когда ее радиус уменьшается, гравитационные и приливные силы начинают играть все более значительную роль. На поверхности коллапсирующей звезды сила гравитационного притяжения увеличивается обратно пропорционально квадрату радиуса (r⁻²). Это означает, что по мере уменьшения радиуса звезды гравитационное притяжение на ее поверхности становится сильнее.

Однако приливные силы, которые возникают из-за градиента гравитационного поля, зависят от радиуса еще сильнее — они увеличиваются обратно пропорционально кубу радиуса (r⁻³). Эти силы растягивают объекты, имеющие ненулевую радиальную протяженность, включая волны на поверхности звезды. В результате, когда звезда сжимается, приливные силы усиливают амплитуду этих волн, превращая их в мощные "штормовые валы" или "цунами".

Это явление хорошо известно в физике. Ландау и Лифшиц («Теория поля», 1973) пишут:

«Эффекты несферичности в сопутствующей системе отсчета отнюдь не затухают, а, напротив, должны нарастать при дальнейшем сжатии тела, и поэтому нет никаких оснований ожидать, чтобы поле под горизонтом могло определяться лишь полными массой и моментом тела».

Еще одним гравитационным эффектом является генерация гравитационного излучения, которая усиливается по мере уменьшения радиуса системы. Этот процесс зависит от пятой степени обратного радиуса (r⁻⁵), что означает, что по мере сжатия системы гравитационное излучение возрастает очень быстро.

Гравитационные приливные силы вызывают деформацию слегка неидеальной сферы в процессе коллапса, превращая её в несферическую форму. Несферичность, в свою очередь, является необходимым условием для генерации гравитационного излучения. Таким образом, по мере того как система становится все более несферической, она начинает излучать гравитационные волны, которые эффективно переносят энергию и массу из системы в окружающее пространство.

Этот процесс может продолжаться до тех пор, пока гравитационное притяжение не будет преодолено, и система не перестанет сжиматься. Гравитационные волны, будучи "невесомыми", уносят энергию, уменьшая гравитационную массу системы. Это может привести к тому, что коллапс замедлится или даже остановится, если потеря энергии через излучение станет достаточно значительной.

Классическая проблема сингулярности, которая остается нерешенной в рамках общей теории относительности 1915 года, может быть решена в теории Эйнштейна 1919 года за счет учета двух ключевых эффектов: нарастания неоднородности системы под воздействием гравитационных приливных сил и генерации гравитационного излучения, связанного с этой неоднородностью. Эти эффекты позволяют избежать образования сингулярности, так как приливные силы вызывают деформацию коллапсирующего объекта, а гравитационное излучение уносит энергию и угловой момент, изменяя динамику коллапса и предотвращая достижение бесконечной плотности.

Изящное решение проблемы сингулярности уже заставляет сделать уверенный выбор в пользу трактовки 1919 года. При этом ее победное шествие только начинается.

Когда гравитирующая система уменьшает свою массу, метрика пространства-времени вокруг нее изменяется, отражая уменьшение гравитационного влияния этой системы. В общей теории относительности метрика пространства-времени определяется распределением массы и энергии, и любое изменение в этих параметрах приводит к изменению геометрии пространства-времени.

В случае, описанном профессором Мареком Кутчерой, изменения в распределении массы и энергии системы связаны с излучением гравитационных волн, которые уносят энергию от системы. Это приводит к изменению метрики, поскольку гравитационные волны изменяют кривизну пространства-времени, распространяясь наружу от источника. В модели Кутчера ключевым аспектом является изменение метрики пространства-времени в ответ на перераспределение массы и энергии, а не на изменение их общего количества. В своей статье Кутчера исследует специфический случай, связанный с релятивистскими файрболами, которые могут быть источниками гамма-всплесков. Эти файрболы, изменяя распределение массы через излучение гравитационных волн, влияют на метрику пространства-времени вокруг себя.

Релятивистские файрболы — это интересное явление, связанное с астрофизикой и теорией относительности. Чтобы понять, что это такое, нужно рассмотреть несколько ключевых концепций..

Во-первых, термин "релятивистский" относится к теории относительности, предложенной Альбертом Эйнштейном. В контексте астрофизики это обычно связано с объектами или явлениями, которые движутся с очень высокими скоростями, близкими к скорости света. При таких скоростях начинают проявляться эффекты, предсказанные теорией относительности, такие как замедление времени и увеличение массы.

Теперь перейдем к "файрболам". В астрофизике файрболы часто описывают как взрывообразные выбросы энергии и материи. Они могут возникать в результате различных космических событий, таких как гамма-всплески или взрывы сверхновых. Эти события высвобождают огромное количество энергии в очень короткий промежуток времени, создавая расширяющийся шар горячей плазмы и радиации.

Когда мы объединяем эти два понятия, релятивистские файрболы представляют собой взрывы, в которых выброшенная материя и энергия движутся с релятивистскими скоростями. Это означает, что они распространяются с очень высокими скоростями, близкими к скорости света. Такие явления могут наблюдаться, например, в результате гамма-всплесков, которые считаются одними из самых мощных взрывов во Вселенной.

Гамма-всплески могут возникать, когда массивные звезды коллапсируют в черные дыры или при слиянии нейтронных звезд. В результате этих процессов высвобождается колоссальное количество энергии, и образуется релятивистский файрбол, который испускает гамма-лучи. Эти гамма-лучи могут быть обнаружены с помощью телескопов на Земле, что позволяет ученым изучать такие экстремальные явления.

Таким образом, релятивистские файрболы — это мощные космические взрывы, в которых материя и энергия движутся с релятивистскими скоростями, и они играют важную роль в нашем понимании высокоэнергетических процессов во Вселенной.

Решение уравнений Эйнштейна для такого случая показывает, что метрика становится менее искривленной по мере уменьшения массы системы. Это может быть описано как уменьшение гравитационного потенциала, что приводит к ослаблению гравитационного поля. В результате, объекты, находящиеся вблизи такой системы, будут испытывать меньшее гравитационное притяжение, и их траектории могут измениться в соответствии с новой метрикой.

В статье, написанной Н. Горкавым и А. Васильковым в 2016 году, была исследована метрика, предложенная Кутчером, которая ранее не была детально изучена. В общей теории относительности метрика определяет геометрические свойства пространства-времени и позволяет описывать, как гравитация влияет на движение объектов и распространение света.

Кутчера предложил метрику, которая, как оказалось, может быть использована для вычисления гравитационной силы, действующей при коллапсе Вселенной. Коллапс Вселенной — это гипотетический сценарий, в котором Вселенная, расширяясь, в какой-то момент начинает сжиматься под действием гравитации.

При использовании метрики Кутчеры для вычисления гравитационной силы, в формулу ньютоновской гравитации добавляется новое релятивистское слагаемое. Ньютоновская гравитация традиционно описывает только силы притяжения между массами. Однако, в данном случае, новое релятивистское слагаемое, добавленное в формулу, может описывать дополнительные эффекты, такие как отталкивание, которые не учитываются в классической ньютоновской теории.

Это новое слагаемое было впервые предложено Н. Горкавым в 2003 год из ньютоновских соображений была получена в 2003 году — см. N. Gorkavyi, 2003. Origin and Acceleration of the Universe without Singularities and Dark Energy):

F ≈ -G * M / r² + (α/c) * G * M / r

В этой модифицированной формуле гравитации вводится дополнительное релятивистское слагаемое, которое учитывает изменение гравитационной массы системы со временем. Для удобства принято предположение, что гравитационная масса системы меняется согласно экспоненциальной функции e^{-α(t - r/c)}, где α — феноменологический параметр, а t и r/c — время и задержка, связанная с распространением информации о массе. Феноменологический параметр используется для моделирования наблюдаемых явлений без углубления в фундаментальные механизмы, которые их вызывают. В данном случае α описывает изменение гравитационной массы, но не объясняет, почему это происходит на более глубоком уровне.

Задержка, обозначенная как r/c, связана с тем, что информация о любых изменениях, включая изменения массы, распространяется со скоростью света. Это означает, что если масса системы изменяется, то наблюдатели, находящиеся на расстоянии r, узнают об этом изменении только спустя время, равное r деленному на скорость света c. Таким образом, наблюдатели, находящиеся на расстояниях больше, чем ct, еще не получили информацию об изменении массы.

Предположение о том, что гравитационная масса системы изменяется экспоненциально, позволяет учитывать динамические изменения массы, которые могут происходить в различных астрофизических системах. Экспоненциальная функция удобна для моделирования процессов, которые могут происходить с постоянной относительной скоростью изменения, что характерно для многих физических процессов. Это позволяет гибко описывать, как масса может уменьшаться или увеличиваться со временем, что важно для понимания поведения сложных систем, таких как звезды или галактики, где масса может изменяться из-за различных процессов, например, излучения или аккреции.

Новое релятивистское слагаемое в формуле медленнее убывает с расстоянием, чем классическое ньютоновское притяжение, что может иметь значительные последствия для понимания гравитационных взаимодействий на больших космологических масштабах. Это может объяснять некоторые наблюдаемые явления, такие как ускоренное расширение Вселенной, без необходимости введения темной энергии или других гипотетических сущностей.

Теперь давайте разберем, как математическое выражение и физическая реальность взаимодействуют в контексте распространения сигнала. Формула e^{-α(t - r/c)} — это экспоненциальная функция, которая всегда принимает положительные значения, независимо от значений переменных внутри нее. Это свойство экспоненциальной функции означает, что математически сигнал всегда существует, даже если его величина может быть очень мала.

В физике, особенно в теории относительности, скорость света (обозначаемая как c) является максимальной скоростью, с которой информация может распространяться. Когда мы говорим о t < r/c, это означает, что время t, прошедшее с момента начала изменения какого-либо параметра (например, массы), меньше времени, необходимого свету, чтобы преодолеть расстояние r. Представьте, что вы находитесь на расстоянии r от источника, который внезапно изменяет свою массу. Сигнал об этом изменении распространяется со скоростью света. Если прошло недостаточно времени, чтобы световой сигнал достиг вас (то есть t < r/c), вы еще не можете узнать об этом изменении. Это как если бы кто-то кричал на большом расстоянии, но звук еще не успел до вас дойти.

Математически, даже если t < r/c, значение e^{-α(t - r/c)} остается больше нуля. Это указывает на потенциальное существование сигнала, но в физическом смысле, этот сигнал еще не доступен для восприятия. Это различие между математическим и физическим пониманием важно, потому что оно подчеркивает, что не все математически возможные значения имеют физический смысл в конкретных условиях.

Случай положительной α описывает появление волны антигравитационного потенциала (рис. 3), которая и является причиной Большого взрыва.

Рис. 3. (а) — гравитационное притяжение наглядно иллюстрируется движением легких шариков, которые катятся вниз по стенкам потенциальной ямы. (б) — когда гравитационная масса центрального тела уменьшается, это приводит к снижению гравитационного потенциала вблизи него. Представьте себе гравитационный потенциал как воронку, в центре которой находится массивное тело. Чем больше масса, тем глубже и круче наклон этой воронки. Когда масса уменьшается, воронка становится менее глубокой, и ее наклон уменьшается. Это изменение не происходит мгновенно для всех объектов, поскольку информация о снижении массы распространяется со скоростью света. Удаленные наблюдатели, находящиеся на значительном расстоянии от центрального тела, получают информацию о новом уровне потенциала с запаздыванием. До того, как эта информация достигает их, они продолжают ощущать прежнее гравитационное поле, которое было обусловлено более высокой массой. Это похоже на то, как если бы вы катились по наклонной поверхности, не зная, что впереди она станет более пологой. Когда информация о снижении массы достигает удаленных объектов, они начинают ощущать новое, более слабое гравитационное поле. Это приводит к изменению гравитационного потенциала, который они ощущают. Представьте, что объекты, которые раньше притягивались к центральному телу, теперь начинают двигаться в противоположном направлении, как если бы их отталкивало. Это происходит из-за изменения градиента потенциала: если раньше он был направлен к центру, то теперь он становится менее выраженным или даже направленным от центра. Этот временный эффект, который можно назвать антигравитацией, вызван изменением гравитационного потенциала. Объекты начинают двигаться от центрального тела, следуя новому градиенту потенциала. Однако, как только все объекты в системе получают информацию о новом уровне потенциала и система стабилизируется, этот эффект исчезает. Объекты начинают двигаться в соответствии с новым, более слабым гравитационным полем. Для самых удаленных наблюдателей, которые еще не получили информацию о падении потенциала, воронка потенциала остается неизменной. Однако волна антигравитации, распространяющаяся со скоростью света, движется к ним, постепенно ослабевая. Это означает, что в какой-то момент они также испытают изменение потенциала, но с задержкой, обусловленной конечной скоростью распространения информации.

Когда Вселенная начинает сжиматься, гравитационные силы стремятся стянуть вещество в более плотное состояние, что может привести к коллапсу в сингулярность. Однако, согласно предложенной теории, антигравитация — сила, противоположная гравитации — начинает доминировать задолго до достижения сингулярности. Это можно представить как внезапное изменение в "наклоне" гравитационного потенциала, где вместо того, чтобы продолжать сжиматься, вещество начинает испытывать отталкивание.

В процессе сжатия все галактики, звезды, газ и темная материя начинают сближаться, что приводит к концентрации массы в меньшем объеме. В результате плотность вещества и энергии увеличивается, что является ключевым фактором, влияющим на гравитационные взаимодействия и метрику пространства-времени. В общей теории относительности метрика пространства-времени определяется распределением массы и энергии. Увеличение плотности приводит к изменению кривизны пространства-времени. В контексте модели Кутчера такие изменения могут вызвать релятивистские эффекты, которые включают изменения в гравитационном потенциале и могут привести к возникновению антигравитации.

Антигравитация в этом контексте действует как отталкивающая сила, которая преодолевает гравитационное притяжение задолго до того, как Вселенная достигнет состояния сингулярности. Это останавливает коллапс на этапе, когда размер Вселенной составляет десятки световых лет. В этот момент антигравитация становится настолько мощной, что делает Большой взрыв неизбежным. Это можно сравнить с процессом, происходящим в черной дыре: как невозможно удержать вещество от падения в черную дыру из-за сильного гравитационного притяжения, так невозможно остановить разлет вещества под действием отталкивающей гравитации, когда оно оказывается вблизи критического состояния.

В одной и той же модели параметр α может принимать как положительные, так и отрицательные значения, так и ноль, чтобы описывать разные физические явления или сценарии. Это возможно, если α рассматривается как феноменологический параметр, который может быть настроен для моделирования различных эффектов в зависимости от контекста.

Вариант отрицательной α в модели, предложенной Н. Горкавым и А. Васильковым, описывает явление, называемое гипергравитацией. В отличие от антигравитации, гипергравитация усиливает гравитационное притяжение на больших расстояниях. В своей статье 2018 года авторы показали, что гипергравитация может быть вызвана поглощением гравитационного излучения черными дырами. Это явление может объяснить ненулевую космологическую постоянную, которая традиционно интерпретируется как свидетельство ускоренного расширения Вселенной.

Космологическая постоянная, в классическом понимании, связана с концепцией темной энергии, которая предполагается как движущая сила ускоренного расширения Вселенной. Однако, в модели Горкавого и Василькова, гипергравитация может объяснить это явление без необходимости введения темной энергии. Они предполагают, что гипергравитация приводит к ускоренному растяжению поля галактик или локальной части Вселенной вокруг нас.

Таким образом, модель с отрицательной α предлагает альтернативное объяснение наблюдаемого ускоренного расширения Вселенной. Это позволяет рассматривать гипергравитацию как возможный механизм, который устраняет необходимость в гипотетической темной энергии, предлагая более простое и, возможно, более элегантное объяснение космологических наблюдений.

Замечание: если α = 0 в модели, это означает, что дополнительное релятивистское слагаемое, связанное с α, исчезает из уравнений. В таком случае модель возвращается к классическому ньютоновскому описанию гравитации без каких-либо модификаций, связанных с отталкивающими или усиливающими эффектами.

Представьте, что вся наша Вселенная находится внутри черной дыры. В этом случае свойства пространства-времени могут быть необычными и отличаться от тех, что мы наблюдаем в обычных условиях. Взаимодействия между черными дырами и гравитационными волнами могут играть более значительную роль, чем в стандартной модели, влияя на метрику пространства-времени таким образом, что создается эффект, аналогичный ускоренному расширению, который мы обычно приписываем темной энергии. Эта гипотеза, хотя и не является необходимой для объяснения ускоренного расширения, предлагает альтернативный взгляд на природу космических явлений и может быть полезна для теоретических исследований и поиска новых путей понимания фундаментальных свойств Вселенной.

Согласно новой теории, наша Вселенная является осциллирующей системой, размещенной внутри черной дыры размером порядка триллиона световых лет. Основной механизм ее пульсаций, с периодом около ста миллиардов лет, заключается во взаимопревращениях черных дыр и гравитационных волн. Как будет показано ниже, быстрое массовое слияние черных дыр вызывает антигравитационный потенциал при сжатии Вселенной, что подтверждается наблюдениями реликтовых гравитационных волн. Обратный процесс — медленное поглощение гравитационных волн крупными черными дырами — также имеет наблюдательное подтверждение и объясняет существование ненулевой космологической постоянной, как описано в работе Н. Горкавого и А. Василькова. Когда гравитационные волны проходят через пространство, они несут с собой энергию. Если эти волны попадают в область влияния черной дыры, они могут быть поглощены ею. При поглощении гравитационных волн черная дыра увеличивает свою массу, поскольку энергия волн добавляется к общей энергии черной дыры. Это изменение массы может влиять на гравитационное поле черной дыры и, следовательно, на окружающее пространство-время. На больших космологических масштабах, если представить, что множество черных дыр поглощают гравитационные волны, это может привести к изменению общей энергии в пространстве-времени. В стандартной космологии космологическая постоянная представляет собой плотность энергии, которая равномерно заполняет пространство и вызывает ускоренное расширение Вселенной. Если поглощение гравитационных волн черными дырами изменяет распределение энергии в пространстве, это может создать эффект, аналогичный действию космологической постоянной. Таким образом, эта теория предлагает новый взгляд на динамику Вселенной, связывая ее осцилляции с фундаментальными процессами, происходящими на космических масштабах.

Концепция великого космологического маятника описывает Вселенную как осциллирующую систему, в которой черные дыры играют ключевую роль в циклах расширения и сжатия. Начнем с фазы расширения.

Когда начинается новый цикл расширения, Вселенная переживает фазу, аналогичную Большому взрыву. В этой модели расширение объясняется перераспределением массы и энергии, вызванным гравитационными волнами, которые излучаются черными дырами, особенно при их столкновении. Эти волны уносят энергию из системы, что способствует расширению Вселенной. Таким образом, черные дыры, излучая гравитационные волны, влияют на динамику космического пространства, способствуя его расширению.

По мере расширения масса и энергия распределяются таким образом, что гравитация становится менее заметной. Это означает, что объекты во Вселенной, такие как галактики, начинают удаляться друг от друга. Однако, когда расширение замедляется, гравитация снова начинает доминировать, инициируя фазу сжатия.

В фазе сжатия черные дыры становятся центральными фигурами. Они начинают поглощать окружающее вещество, включая галактики и межзвездный газ. В результате этого процесса формируется гигантская черная дыра, размеры которой могут достигать миллиардов световых лет. С каждой новой поглощенной массой увеличивается её энтропия, что является мерой беспорядка или хаоса в системе.

Энтропия внутри черной дыры воспринимается иначе, чем снаружи, потому что законы физики внутри черной дыры отличаются от тех, что действуют вне её. Внутри черной дыры может возникнуть возможность для самоорганизации материи на низкоэнтропийной стадии, что может стать началом нового космологического цикла. Это означает, что внутри черной дыры могут возникнуть условия, которые позволят материи организоваться в новые структуры, что может привести к новому "Большому взрыву".

Таким образом, Вселенная проходит через бесконечные циклы расширения и сжатия, каждый из которых начинается с нового "Большого взрыва". Эта картина основывается на законах физики черных дыр и общей теории относительности, предлагая взгляд на Вселенную как на систему, где динамика диктуется фундаментальными физическими законами, и где черные дыры играют центральную роль в космических циклах.

Идея о том, что наша Вселенная может находиться внутри огромной черной дыры, обсуждается уже несколько десятилетий. Эта концепция стала особенно актуальной в контексте циклической космологии, которая предполагает, что Вселенная проходит через бесконечные циклы расширения и сжатия. В рамках этой модели черные дыры играют ключевую роль в этих циклах, и предположение о том, что вся наша Вселенная может быть частью такой структуры, становится логичным продолжением.

Недавние наблюдательные данные предоставляют дополнительные аргументы в пользу этой идеи. Спутники WMAP и «Планк» провели измерения, которые с вероятностью более 99% указывают на положительную кривизну Вселенной. Это означает, что пространство может быть замкнутым, как поверхность сферы, а не плоским, как предполагала теория инфляции. Положительная кривизна допускает возможность того, что Вселенная замкнута в себе, что согласуется с идеей о том, что она может находиться внутри черной дыры.

Эти результаты вызвали значительные обсуждения в научном сообществе, поскольку они противоречат предсказаниям теории инфляции, которая предполагает нулевую кривизну пространства. Теория инфляции была разработана для объяснения однородности и изотропности Вселенной, а также для решения проблемы горизонта и плоскостности. Однако, если данные о положительной кривизне подтвердятся, это может означать необходимость пересмотра некоторых аспектов инфляционной модели или даже поиск альтернативных объяснений, таких как циклическая космология.

Кроме всего прочего, идея о том, что Вселенная может находиться внутри черной дыры, предполагает наличие у нее центра, подобно центру любой черной дыры. Этот центр, согласно некоторым космологическим моделям, может быть расположен недалеко от Южного полюса. Именно в этом направлении находится так называемая "ось зла" — термин, который космологи используют для обозначения направления, вблизи которого группируются различные анизотропные космологические феномены. См. подробнее в Астрофизикам не удается снизить "хаббловское напряжение" в пересказе GPT-4o.

Одним из таких феноменов является наблюдаемая анизотропия и неоднородность постоянной Хаббла, которая является основным параметром в космологических теориях. В последние годы появились убедительные свидетельства в пользу того, что постоянная Хаббла может варьироваться примерно на 10% в зависимости от направления, что указывает на анизотропию и неоднородность в структуре Вселенной.

Исследования, проведенные Горькавым и А. Васильковым, показали, что уравнения Фридмана, которые описывают расширение Вселенной, могут быть модифицированы для учета циклической модели с переменной гравитационной массой. Эти модифицированные уравнения содержат дополнительные члены, которые описывают небольшую анизотропию и неоднородность нашего мира. Это согласуется с наблюдениями и поддерживает идею о том, что Вселенная может иметь сложную структуру, включающую в себя элементы, характерные для черных дыр.

Давайте более подробно рассмотрим динамику популяции черных дыр в контексте циклической модели Вселенной. Черные дыры, особенно те, которые имеют звездные массы, считаются практически неразрушимыми объектами. Это связано с тем, что квантовое испарение, известное как излучение Хокинга, оказывает незначительное влияние на их массу. Для черных дыр звездных масс это излучение настолько мало, что его можно практически игнорировать. А для сверхмассивных черных дыр, которые могут иметь массу в миллионы или даже миллиарды раз больше массы Солнца, излучение Хокинга еще менее значимо.

В статье 2021 года "Черные дыры и нейтронные звезды в осциллирующей Вселенной", написанной совместно Горькавым с С. Тюльбашевым, мы исследовали модель накопления черных дыр в циклической Вселенной. Они показали, что всю наблюдаемую популяцию черных дыр можно разместить в сфере с диаметром около светового года благодаря их компактности. Наибольший вклад в суммарный объем вносят сверхмассивные черные дыры, хотя они и малочисленны.

Сверхмассивные черные дыры, несмотря на их редкость, играют ключевую роль в динамике популяции черных дыр. В сжатой Вселенной они вызывают массовое слияние, активно поглощая более мелких соседей. Это приводит к изменению распределения масс черных дыр и влияет на их эволюцию.

Они разработали несколько моделей эволюции популяции черных дыр в циклической Вселенной, основываясь на двух основных физических эффектах, усредненных по циклу: рост радиуса черных дыр при поглощении окружающей среды и уменьшение численности черных дыр при их слиянии. Эти модели, управляемые всего двумя параметрами, позволяют объяснить наблюдаемое распределение черных дыр, которые играют роль как в формировании темной материи, так и в образовании галактик и шаровых скоплений.

В их модели единственным реальным способом создания черных дыр является астрофизическая эволюция звезд. Однако таких черных дыр образуется в каждом космологическом цикле в сотни раз меньше, чем необходимо для объяснения темной материи. Тем не менее, эти черные дыры успешно проходят через сжатое состояние Вселенной и накапливаются из цикла в цикл. Примерно тысячу циклов требуется, чтобы накопилось наблюдаемое количество темной материи и сверхмассивных черных дыр, после чего распределение черных дыр становится стационарным. В стационарном состоянии процессы, которые увеличивают количество черных дыр (например, образование новых черных дыр из звезд), и процессы, которые уменьшают их количество (например, слияние черных дыр), находятся в равновесии. После определенного количества циклов, например, тысячи, динамика популяции черных дыр стабилизируется, и их общее количество, а также распределение по размерам и массам, перестает существенно изменяться.

Идея о том, что черные дыры могут переходить из одного цикла Вселенной в другой, помогает объяснить наличие сверхмассивных черных дыр и зрелых спиральных галактик в ранней Вселенной, что было обнаружено в ходе наблюдений телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST). Эти наблюдения вызвали множество теорий о сверхбыстром образовании таких объектов после Большого взрыва. Смелую гипотезу о том, что черные дыры могут попадать к нам из предыдущего цикла Вселенной, выдвинули в 2011 году Бернард Карр и Алан Коли (B. Carr, A. Coley 2011. Persistence of black holes through a cosmological bounce). Согласно этой гипотезе, черные дыры не обязательно должны формироваться в пожарном порядке после Большого взрыва. Вместо этого они могут быть унаследованы из предыдущего цикла Вселенной.

Эта гипотеза предполагает, что черные дыры, благодаря своей устойчивости и способности переживать экстремальные условия, такие как максимальное сжатие, могут сохраняться и переходить в новый цикл после космологического "отскока". Это означает, что черные дыры, которые мы наблюдаем в ранней Вселенной, могли существовать еще до текущего цикла, что объясняет их зрелость и массивность.

Численный расчет, проведенный Горькавым и С. Тюльбашевым в 2021 году, подтвердил жизнеспособность этой идеи в условиях циклической Вселенной. В рамках развитой модели эволюции черных дыр, представленной в статье, было сделано важное заключение:

"В момент максимального сжатия Вселенной происходит массовое слияние черных дыр, которое порождает мощную вспышку реликтового гравитационного излучения...».

Это предсказание о реликтовых гравитационных волнах заслуживает более детального рассмотрения.

Гравитационное излучение, возникающее в результате взаимодействия двойной системы черных дыр, имеет частоту, соответствующую их вращению вокруг общего центра инерции. Максимальная частота вращения достигается, когда расстояние между черными дырами становится близким к их собственным размерам. В нашей модели мы пришли к выводу, что самую массивную часть популяции черных дыр составляют те, чья масса составляет несколько масс Солнца.

При слиянии таких черных дыр генерируется гравитационное излучение с частотой около сотни герц. Это совпадает с частотами, которые регистрируются современными детекторами, такими как LIGO, при наблюдении слияний пар черных дыр. Эти частоты находятся в диапазоне, который позволяет детекторам эффективно фиксировать гравитационные волны, что подтверждает наши теоретические расчеты.

В контексте циклической модели Вселенной, в момент максимального сжатия, темп слияний черных дыр был значительно выше, чем в текущую эпоху. Это означает, что мощность гравитационного излучения в момент максимального коллапса Вселенной была чрезвычайно высокой, хотя частоты гравитационных волн оставались в том же диапазоне, около сотни герц.

Таким образом, изучение таких реликтовых гравитационных волн может предоставить ценную информацию о динамике Вселенной в момент сжатия и подтвердить гипотезы о циклической природе космоса.

Любое излучение, возникшее на ранних стадиях Вселенной, подвергается эффекту красного смещения, что означает увеличение длины волны излучения. Это увеличение связано с расширением Вселенной и может быть количественно выражено через параметр z, который примерно равен отношению современного диаметра Вселенной к ее размеру в момент максимального сжатия. Подробнее про параметр z читайте в Астрофизикам не удается снизить "хаббловское напряжение" в пересказе GPT-4o.

Согласно ряду исследований, минимальный размер Вселенной в момент максимального сжатия составлял несколько световых лет. Это соответствует значению z примерно 10^10. В этот момент происходило максимальное количество слияний черных дыр, что вызывало мощную вспышку гравитационного излучения.

Следовательно, длина волны этого реликтового гравитационного излучения должна была испытать красное смещение на 10 порядков. Это означает, что волны с частотой около 100 герц, которые возникли при Большом сжатии, в результате расширения Вселенной должны были превратиться в волны с современной частотой около 10^-8 Гц.

Рисунок 4 иллюстрирует эволюцию реликтовых электромагнитных волн и реликтового гравитационного излучения во Вселенной в моменты Большого сжатия и Большого взрыва. В процессе сжатия Вселенной происходят значительные изменения в ее структуре и составе. Тяжелые ядра распадаются на более простые частицы, такие как барионы, и формируется самая большая черная дыра, которая играет ключевую роль в циклической модели. Эволюция реликтовых электромагнитных волн (a) и реликтового гравитационного излучения (b) демонстрирует, как эти волны изменяются в условиях экстремального сжатия и последующего расширения. При сжатии, излучение, возникшее в ранних стадиях, испытывает значительное красное смещение, что приводит к увеличению длины волны. Это явление особенно заметно для гравитационных волн, которые, как мы обсуждали ранее, могут изменять свою частоту на несколько порядков величины. Рисунок из статьи Горькавого и соавторов 2018 года "A Possible Solution for the Cosmological Constant Problem" с изменениями.

Наблюдательные подтверждения предсказания теории осциллирующей Вселенной

Обсерватория LIGO, известная своими успехами в обнаружении высокочастотных гравитационных волн с помощью лазерной интерферометрии, дополняется работой консорциума NANOGrav, который фокусируется на низкочастотных волнах.

Российский астрофизик М. В. Сажин еще в 1978 году предложил метод регистрации низкочастотных гравитационных волн, основанный на наблюдении миллисекундных пульсаров и анализе смещений их частот. Этот метод оказался чрезвычайно эффективным. С его помощью североамериканские (NANOGrav) и австралийские (PPTA) радиотелескопы смогли обнаружить наногерцовые гравитационные волны, период которых составляет несколько лет.

В 2023 году было получено окончательное доказательство того, что наблюдаемые колебания частоты пульсаров действительно вызваны гравитационными волнами. Это открытие было подтверждено в мае 2024 года статьей европейских и индийских радиоастрономов, которые также зафиксировали гравитационные волны в наногерцовом диапазоне.

Эти наблюдения поддерживают теорию осциллирующей Вселенной, предполагающую, что такие низкочастотные гравитационные волны могут быть реликтовыми, сохранившимися от предыдущих циклов космической эволюции. Они предоставляют важные данные для проверки моделей, описывающих циклическую природу Вселенной, и помогают углубить наше понимание динамики космоса.

Это открытие наногерцовых реликтовых гравитационных волн является одним из важнейших достижений последнего десятилетия. Эти волны можно рассматривать как аналоги реликтового микроволнового излучения, которое было обнаружено в 1965 году и стало ключевым доказательством горячей Вселенной и теории Большого взрыва.

Подобно тому, как реликтовое микроволновое излучение подтвердило модель горячей Вселенной, обнаружение наногерцовых гравитационных волн предоставляет прямые свидетельства в пользу модели циклической Вселенной. В этой модели черные дыры играют центральную роль, переживая циклы сжатия и расширения и влияя на динамику космоса.

Наногерцовые гравитационные волны, с их длительными периодами, могут быть реликтовыми следами от предыдущих циклов Вселенной. Их обнаружение поддерживает идею о том, что Вселенная проходит через повторяющиеся циклы, в которых черные дыры сохраняются и накапливаются, влияя на структуру и эволюцию космоса.

Статья Горькавого и С. Тюльбашева, в которой был предсказан "высокий уровень реликтового гравитационного излучения, порождаемого в момент максимальных сжатий Вселенной и массовых слияний черных дыр", прошла через непростой процесс публикации. Изначально, летом 2019 года, она была отправлена в Астрономический журнал, но была категорично отвергнута рецензентами. Затем, 6 мая 2020 года, статья была послана в Астрофизический бюллетень и, после длительных дискуссий, была принята к печати 3 марта 2021 года.

Эти даты важны для сопоставления с предварительными публикациями консорциума NANOGrav, которые появились осенью-зимой 2020 года. В этих публикациях было описано открытие наногерцовых гравитационных волн на основе радионаблюдений пульсаров. Официально статья NANOGrav была опубликована 24 декабря 2020 года (Z. Arzoumanian et al., 2020. The NANOGrav 12.5 yr Data Set: Search for an Isotropic Stochastic Gravitational-wave Background).

В 2022 году Горькавый, основываясь на модели, разработанной совместно с С. Тюльбашевым, представил спектр наногерцовых гравитационных волн, который позволяет сделать дополнительные конкретные предсказания, проверяемые наблюдениями. В своей работе (N. Gorkavyi, 2022. Gravitational wave background discovered by NANOGrav as evidence of a cyclic universe) он выделил несколько ключевых аспектов:

1) Спектр наногерцовых гравитационных волн не будет описываться законом Планка или другим законом, связанным с тепловым равновесием, поскольку реликтовые фоновые гравитационные волны должны отражать современное распределение черных дыр, учитывая эффект красного смещения. Изучая спектр гравитационных волн, мы анализируем "отпечатки" событий, таких как слияния черных дыр, которые произошли в прошлом. Эти события оставляют следы в виде гравитационных волн, продолжающих распространяться по Вселенной и регистрируемых сегодня. Хотя волны были излучены в прошлом, их спектр, наблюдаемый сейчас, все еще может предоставить информацию о том, как черные дыры были распределены и взаимодействовали в разные эпохи. Гравитационные волны, которые мы регистрируем, представляют собой совокупность всех таких событий за всю историю Вселенной. Эффект красного смещения, вызванный расширением Вселенной, изменяет частоты этих волн, но не стирает информацию о том, как и где они были излучены. Таким образом, даже если волны были излучены в далеком прошлом, они все еще несут информацию о распределении черных дыр в то время. Изучая спектр гравитационных волн, мы можем реконструировать историю распределения черных дыр и понять, как они влияли на структуру Вселенной.

2) Амплитуда реликтовых гравитационных волн слабо меняется с увеличением частоты до периода в один год, но для периодов колебаний меньше года она должна быстро уменьшаться. Это связано с отсутствием астрофизических черных дыр с массами меньше 4 солнечных масс (4M⊙), которые не образуются в результате известных процессов, таких как коллапс массивных звезд. Поэтому в этом диапазоне частот не ожидается значительного вклада в спектр гравитационных волн от таких объектов. Эта особенность спектра реликтовых гравитационных волн уникальна и не предсказывается другими моделями, что делает ее важным индикатором специфических аспектов теорий, описывающих раннюю Вселенную и формирование черных дыр.

3) Сверхмассивные черные дыры, которые мы наблюдаем в центрах галактик, обладают огромной массой и, следовательно, способны генерировать значительные гравитационные волны. В контексте теории циклической Вселенной, предполагается, что в период Большого сжатия такие черные дыры могли бы создавать гравитационные волны. Эти волны, излученные в далеком прошлом, сегодня воспринимаются как ультранизкочастотные, с частотами в диапазоне от 10^-14 до 10^-17 Гц. Это чрезвычайно низкие частоты, которые трудно обнаружить, но они могут нести важную информацию о динамике и взаимодействиях сверхмассивных черных дыр в период Большого сжатия. Таким образом, изучение таких ультранизкочастотных гравитационных волн может дать нам уникальные сведения о поведении сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной и о процессах, происходивших в период Большого сжатия. Это, в свою очередь, может помочь нам лучше понять циклическую природу Вселенной и роль черных дыр в ее эволюции.

Позже модель была расширена, чтобы охватить и другие частоты, и было показано, что хотя энергия фоновых гравитационных волн имеет заметный пик на наногерцовой частоте, основная часть энергии, возможно, в миллионы раз большая, содержится в килогерцовых гравитационных волнах. Эти волны, с частотой около 2000 Гц, образуются при слиянии черных дыр звездных масс, особенно в момент максимального расширения Вселенной. Килогерцовые волны, будучи более высокочастотными по сравнению с наногерцовыми, могут быть легче обнаружены современными детекторами гравитационных волн, такими как LIGO и Virgo. Эти волны возникают в результате слияний черных дыр звездных масс, которые являются более распространенными событиями по сравнению с взаимодействиями сверхмассивных черных дыр.

Это лишь самый яркий пример эффективности новой теории. Еще одним примером может служить теоретическое получение закона Талли-Фишера, который устанавливает связь между скоростью периферийного вращения галактик и их барионной массой. Этот закон помогает астрономам понять, как масса галактики влияет на ее динамическое поведение.

Еще одним примером является объяснение загадочного "М-сигма" соотношения. Это соотношение описывает связь между массой центральной сверхмассивной черной дыры в галактике и дисперсией скоростей звезд в балдже (центральной выпуклой части) галактики. Понимание этого соотношения важно для изучения эволюции галактик и их центральных черных дыр.

Работа Горькавого в 2022 году, озаглавленная "Accretion of Galaxies around Supermassive Black Holes and a Theoretical Model of the Tully-Fisher and M-Sigma Relations", предлагает теоретическую модель, которая объясняет эти явления.

Заключение

Предлагаемая модель циклической Вселенной, которая основывается на черных дырах, гравитационных волнах и небольшой примеси обычной материи, из которой состоят звезды, планеты и живые существа. Эта модель описывает Вселенную как стационарную вселенную Эйнштейна, в которой присутствует динамика, характерная для вселенной Фридмана, что можно представить как "беспокойное сердце".

Анализ популяции черных дыр в этой модели указывает на то, что Вселенная прошла через множество циклов — как минимум около тысячи. За это время популяция черных дыр достигла стационарного состояния, что означает, что их количество и распределение стабилизировались. Однако, вероятно, количество циклов было гораздо больше, что подчеркивает сложность и длительность эволюции Вселенной в рамках этой модели.

В этой модели Вселенная представляется как маятник, в котором энергия перетекает между двумя основными компонентами: негравитирующими гравитационными волнами и гравитирующими черными дырами. Это взаимодействие приводит к периодическому изменению общей гравитационной массы Вселенной. Такая динамика делает Вселенную подобной бессмертному кантианскому фениксу, который постоянно возрождается из "пепла" — даже из неуничтожимых черных дыр.

Циклическая космология, предложенная в этой модели, объясняет несколько ключевых аспектов нашего понимания Вселенной. Во-первых, она предлагает механизм для Большого взрыва, рассматривая его как часть циклического процесса. Во-вторых, она дает объяснение природе "темной энергии", которая может быть связана с динамикой гравитационных волн и черных дыр. В-третьих, модель устраняет проблему гравитационных сингулярностей, которые в традиционных моделях представляют собой точки бесконечной плотности.

Быстрое ускоренное расширение Вселенной в начальный период цикла отвечает за ее однородность в первом приближении, что объясняет, почему Вселенная выглядит одинаково в больших масштабах. Однако, во втором приближении, появляются анизотропные и неоднородные космологические феномены, которые объясняют наблюдаемые вариации и структуры в космосе.

Новая циклическая космология решает загадку накопления темной материи в виде черных дыр, а также раннего происхождения сверхмассивных, в миллиарды масс Солнца, черных дыр в центрах галактик. Для циклической Вселенной существует элегантное решение проблемы роста энтропии. Согласно второму закону термодинамики, энтропия, или мера беспорядка, должна постоянно увеличиваться, что создает вызов для моделей, предполагающих цикличность. Однако в этой модели судьба самой большой черной дыры может предложить решение.

В момент максимального сжатия Вселенной, когда плотность материи и энергии достигает своего пика, формируется самая большая черная дыра. Эта черная дыра может поглотить значительную часть материи и энергии Вселенной, включая другие черные дыры и окружающее вещество. В этом процессе происходит перераспределение энтропии.

Идея о том, что внутри черной дыры могут возникнуть условия для "перезапуска" или перераспределения энтропии, основывается на предположении, что физические процессы внутри черной дыры могут существенно отличаться от тех, что происходят в обычном космическом пространстве. Внутри черной дыры, особенно вблизи ее сингулярности, где кривизна пространства-времени становится бесконечной, законы физики, как мы их знаем, могут изменяться. Это может означать, что процессы, которые обычно ведут к увеличению энтропии, могут быть изменены или даже обращены.

В условиях высокой плотности и давления, которые присутствуют внутри черной дыры, материя может подвергаться процессам самоорганизации. Это может включать в себя формирование новых структур или фаз, которые имеют более низкую энтропию по сравнению с исходным состоянием. Например, в таких условиях могут возникать новые формы материи или энергии, которые более упорядочены.

Внутри черной дыры может происходить перераспределение энтропии, где часть энтропии может быть "скрыта" или перераспределена таким образом, что общая энтропия системы уменьшается. Это может быть связано с тем, что часть информации о состоянии системы становится недоступной для внешнего наблюдателя, что позволяет системе начать новый цикл с более низкой энтропией.

Эти процессы могут создать условия для начала нового космологического цикла. Когда черная дыра достигает определенного состояния, она может инициировать "отскок", который запускает новый цикл расширения Вселенной. В этом новом цикле начальные условия могут быть более упорядоченными, что позволяет Вселенной развиваться с низкой энтропией.

Таким образом, черные дыры в циклической модели Вселенной могут играть роль "перезапуска" космического цикла, обеспечивая механизм, который позволяет Вселенной начинать каждый новый цикл с низкой энтропией, несмотря на общее увеличение энтропии в течение каждого цикла. Это подчеркивает важность черных дыр в космической эволюции и открывает новые перспективы для понимания природы Вселенной.

Все основные аспекты этого сценария получили строгое математическое обоснование, и в обсуждаемой модели циклической Вселенной отсутствуют экзотические предположения или вымышленные сущности, такие как новые поля, дополнительные размерности или гипотетические частицы. В этой модели нет ни одной нерешенной принципиальной проблемы, такой как гравитационная сингулярность или накопление энтропии. Циклическая космология опирается исключительно на известные факты и проверенные физические теории, в первую очередь на общую теорию относительности.

Пульсирующая Вселенная не нуждается в поддержке гипотетических феноменов, она прочно базируется на логике, общей теории относительности и ядерной физике.

Данная модель осциллирующей Вселенной подробно изложена в книге Горькавого, которая была опубликована в феврале 2023 года издательством Челябинского государственного университета под названием «Осциллирующая Вселенная». Издательство «Питер» готовит второе издание, исправленное и дополненное, под измененным названием «Пульсирующая Вселенная». Книга написана доступным языком, что делает ее понятной для широкой аудитории, однако все математические решения, на которых она основана, приведены в приложении для тех, кто хочет углубиться в детали.

Нобелевский лауреат Джон Мазер оставил восторженный отзыв для готовящегося английского издания книги «The Oscillating Universe». Он отметил:

«Я обожаю эту книгу! В ней есть загадки, истории об удивительных людях, ищущих доказательства истины, и блестящие объяснения без математики. Не только „как началась Вселенная, если она имеет начало?“ Но также, поскольку Эйнштейн, похоже, прав насчет гравитации и искривленности пространства-времени: „что делает его искривленным?“ Может ли Вселенная действительно восстанавливаться после предыдущего коллапса? Я думаю, у Эйнштейна были бы те же вопросы, что и у Горькавого. Правильны ли новые идеи? Поживем — увидим.»

Источники:
1) A. Kashlinsky, F. Atrio-Barandela, C. S. Shrader. Probing the Dipole of the Diffuse Gamma-Ray Background // The Astrophysical Journal Letters. 2024. DOI: 10.3847/2041-8213/acfedd.
2) S. Smith et al. The Discovery of the Faintest Known Milky Way Satellite Using UNIONS // The Astrophysical Journal. 2024. DOI: 10.3847/1538-4357/ad0d9f.


Николай Горькавый

Физики показали, что время может идти вспять

Препринт: https://arxiv.org/abs/2409.03680
Оригинал Spektrum der Wissenschaft.
Первомсточник: https://www.scientificamerican.com/article/evidence-of-negative-time-found-in-quantum-physics-experiment/

UPDATE 12.10.2024 См. также:
Физики показали, что время может идти вспять
От хаотической инфляции до супергравитации в пересказе GPT-4o
Астрофизикам не удается снизить "хаббловское напряжение" в пересказе GPT-4o
Гипотеза о циклической Вселенной получила наблюдательную поддержку в пересказе GPT-4o, книга Николая Горькаового «Осциллирующая Вселенная»


END OF UPDATE

Физики из Университета Торонто показали в экспериментах по возбуждению атомов рубидия фотонами, что время может идти не только вперед, но и назад.

В 2017 году группа физиков из Университета Торонто заинтересовалась квантовым эффектом, который возникает при облучении материи светом. Когда фотон облучает атом, электрон может получить порцию энергии и возбудиться, то есть перейти на более высокий энергетический уровень. Через какое-то время электрон снова падает в невозбужденное состояние и излучает квант света.

Этот эффект хорошо изучен. Но физики задались вопросом: а сколько времени проводит электрон в возбужденном состоянии, прежде чем излучает фотон? Оказалось, что на этот вопрос [теоретически обоснованного] ответа нет. Было ясно, что это время сравнительно небольшое, но измерить его не удавалось.

Ниже есть продолжение.

Подготовка эксперимента, его верификация и теоретическое объяснение заняли почти 7 лет. Результат оказался парадоксальным.

Ученые использовали ультрахолодные атомы рубидия, чья температура составляет нанокельвины, – это почти абсолютный нуль. Атомы фактически "стоят", у них почти отсутствуют тепловые колебания. Атомы начали облучать и регистрировать время, за которое фотоны пролетают сквозь облако рубидия.

Ученые пишут, что некоторые фотоны пролетали насквозь, не задевая атомы и не возбуждая, а некоторые фотоны возбуждали атомы. При точнейших измерениях, оказалось, что фотоны, которые возбуждают атомы, не задерживаются, а ускоряются. Время, за которое возбуждающие фотоны пролетают сквозь среду (пролет плюс задержка) в некоторых случаях меньше, чем время свободно пролетающих фотонов (только пролет). То есть время задержки следует считать не "небольшим положительным интервалом", а "небольшим отрицательным".

Ученые теоретически показали, что их результат не противоречит ограничению на скорость света, которое является основной аксиомой специальной теории относительности, поскольку фотоны не переносят информацию (как и в случае запутанных частиц).

Физик Джозайя Синклер из Массачусетского технологического института, который не принимал участия в последней работе, но начинал исследования с коллегами из Университета Торонто, так описал результат работы: в этом эксперименте время ведет себя, как слегка "размазанное облако", которое протекает не только вперед (как это всегда происходит при классических экспериментах), но и назад. Синклер проводит такое сравнение: "Отрицательная задержка времени может показаться парадоксальной, но это означает, что если вы построите "квантовые" часы для измерения того, сколько времени атомы проводят в возбужденном состоянии, стрелка часов при определенных обстоятельствах будет двигаться назад, а не вперед". Вряд ли на таких эффектах можно построить "машину времени", но эксперимент обязательно привлечет внимание физиков к самой природе времени.

https://www.newsru.co.il/science_hitech/7oct2024/negative_amount_of_time.html

От хаотической инфляции до супергравитации в пересказе GPT-4o (05.06.2023)

Оригинал https://elementy.ru/novosti_nauki/434107/Andrey_Linde_ot_khaoticheskoy_inflyatsii_do_supergravitatsii/t5271964/Kosmologiya


Это более-менее та модель Вселенной, которой меня учили в школе. Про Ω - кривизну пространства только я не знал.

UPDATE 12.10.2024 См. также:
Физики показали, что время может идти вспять
От хаотической инфляции до супергравитации в пересказе GPT-4o
Астрофизикам не удается снизить "хаббловское напряжение" в пересказе GPT-4o
Гипотеза о циклической Вселенной получила наблюдательную поддержку в пересказе GPT-4o, книга Николая Горькаового «Осциллирующая Вселенная»


END OF UPDATE

Ниже есть продолжение.

Андрей Линде, известный физик и космолог, 40 лет назад опубликовал статью о "хаотической инфляции", которая стала важным вкладом в теоретическую космологию. Эта работа предложила новую концепцию быстрого расширения Вселенной на ранней стадии её существования, известную как космическая инфляция. Идея инфляции помогла решить проблемы, которые были в предыдущих теориях расширения Вселенной.

Космическая инфляция не появилась из ниоткуда. Её предшественниками были идеи из классической физики, такие как сценарий экспоненциального расширения пространства, предложенный Виллемом де Ситтером в 1917 году, и некоторые версии теории квантовых полей. Однако главным стимулом для её создания стало переосмысление модели горячей Вселенной, или модели Большого взрыва, разработанной Георгием Гамовым и его коллегами в середине XX века.

Модель Большого взрыва объясняет эволюцию Вселенной и синтез химических элементов на её ранней стадии. Она стала общепринятой после открытия в 1964 году реликтового космического излучения, которое подтвердило её предсказания. Однако, чтобы модель была точной, важно правильно определить временные границы её применения. Она работает для времён, превышающих 10^-6 секунды после Большого взрыва, и даже может быть применена до времён порядка 10^-12–10^-11 секунды, когда слабое взаимодействие отделилось от электромагнитного.

Таким образом, теория инфляции и модель Большого взрыва вместе дают нам уникальное понимание эволюции Вселенной, начиная с самых ранних её моментов.

В начале существования Вселенная была невероятно горячей и плотной. Температура фотонного газа достигала около 10 триллионов градусов Кельвина. Со временем Вселенная расширялась и охлаждалась, что привело к нынешней температуре реликтового излучения около 2,7255 K.

В 1970-х годах космологи считали, что сразу после рождения Вселенная была ещё более плотной и горячей. Согласно тогдашним моделям, через 10^-43 секунды после Большого взрыва наблюдаемая часть Вселенной имела размер около миллиметра. Это казалось невероятным, учитывая, что масса барионной компоненты наблюдаемой Вселенной составляет около 10^53 килограммов. Однако, несмотря на кажущуюся фантастичность, эти идеи не вызывали массового недоверия.

Барионная компонента наблюдаемой Вселенной относится к той части материи, которая состоит из барионов — частиц, таких как протоны и нейтроны, которые составляют атомные ядра. Барионы составляют примерно 4-5% от общей плотности энергии Вселенной. Лептоны — это класс элементарных частиц, которые, в отличие от барионов, не участвуют в сильном ядерном взаимодействии. Лептоны включают в себя электроны, мюоны, тау-лептоны и их соответствующие нейтрино (электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино). Электроны — наиболее известные лептоны, так как они являются основными компонентами атомов, находясь в оболочках вокруг атомных ядер. Нейтрино, с другой стороны, являются очень лёгкими и слабо взаимодействующими частицами, которые трудно обнаружить. Лептоны играют важную роль в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Лептонная материя составляет лишь небольшую часть от общего количества обычной материи, но вместе с барионами они составляют около 5% от общей плотности энергии Вселенной. Большая часть Вселенной состоит из тёмной материи и тёмной энергии, которые составляют примерно 27% и 68% соответственно. Эти компоненты не излучают свет и не взаимодействуют с обычной материей в привычном нам смысле, но оказывают гравитационное влияние на барионную и лептонную материю и на структуру Вселенной в целом.

Тем не менее, теория горячей Вселенной столкнулась с более серьёзными проблемами, которые не просто вызывали эмоциональный отклик, но и требовали физического объяснения. Эти проблемы стали стимулом для дальнейшего развития теорий, таких как инфляционная модель, которая предложила новые механизмы для объяснения ранней эволюции Вселенной.

Первая проблема, с которой столкнулась теория горячей Вселенной, связана с кривизной космического пространства. Астрономы давно заметили, что современное пространство либо плоское, либо имеет очень небольшую кривизну. Космологические модели, разработанные Александром Фридманом и Жоржем Леметром в 1920-х годах, позволяют вычислить, какой должна была быть эта кривизна вскоре после Большого взрыва, чтобы соответствовать современным наблюдениям.

Кривизна пространства измеряется с помощью параметра Ω, который показывает отношение средней плотности космической энергии к критической плотности, при которой пространство становится плоским. Если Ω равно единице, то пространство плоское. Полвека назад было ясно, что Ω близок к единице, отклоняясь не более чем в десять раз в любую сторону. Однако, согласно математике космологических моделей, через одну секунду после Большого взрыва Ω мог отличаться от единицы лишь на 10^-14. Это означает, что в ранней Вселенной должна была быть невероятно точная "настройка" этого параметра.

Вопрос, который возник у учёных, заключался в том, является ли такая точная настройка случайной или она обусловлена какими-то физическими причинами. Американские физики Роберт Дикке и Джеймс Пиблс в 1979 году сформулировали эту проблему, пытаясь понять, почему Вселенная оказалась так точно настроена. Эта проблема стала одной из причин, по которой учёные начали искать новые теории, такие как инфляционная модель, чтобы объяснить такие особенности ранней Вселенной.

Вторая проблема связана с реликтовым излучением, которое является остаточным излучением от ранней Вселенной. Современные измерения показывают, что температура этого излучения практически одинакова во всех направлениях, с точностью до тысячной доли процента. В 1970-х годах таких точных данных ещё не было, но астрономы предполагали, что колебания температуры не превышают одной десятой процента.

Загадка заключается в том, что фотоны реликтового излучения разлетелись по Вселенной примерно через 380 тысяч лет после Большого взрыва. Если Вселенная эволюционировала по моделям Фридмана-Леметра, то фотоны, которые мы видим из разных частей неба, должны были исходить из областей, которые не могли взаимодействовать друг с другом. Эти области были разделены расстояниями, которые свет не мог преодолеть за всё время существования Вселенной на тот момент. Это означает, что они не могли обмениваться энергией и устанавливать тепловое равновесие, которое бы уравняло их температуры.

Таким образом, возникает вопрос: как эти области оказались практически одинаково нагреты, если они не могли "знать" друг о друге? Это кажется невероятным совпадением. Эта проблема, известная как проблема горизонта, также стала одной из причин, по которой учёные начали искать новые теории, такие как инфляционная модель, которая могла бы объяснить, как такие удалённые области Вселенной могли быть связаны в прошлом. Инфляционная теория предполагает, что в очень ранней Вселенной произошло быстрое расширение, которое могло бы "связать" эти области, обеспечивая их одинаковую температуру.

Третья проблема связана с теоретическими моделями Великого объединения, которые пытались объединить три фундаментальных взаимодействия: сильное, слабое и электромагнитное. Эти модели предсказывали, что вскоре после Большого взрыва должны были появиться массивные частицы, называемые магнитными монополями, которые несут одиночный магнитный заряд.

Механизм их появления был предложен Александром Поляковым и Герардом 'т Хоофтом в 1974 году. Согласно их теории, когда Вселенная была очень молодой (около 10^-36 секунды), сильное взаимодействие отделилось от электрослабого. В этот момент в вакууме должны были образоваться точечные топологические дефекты с массой, в 10^15–10^16 раз превышающей массу протона.

Позже, когда электрослабое взаимодействие разделилось и появился настоящий электромагнетизм (примерно через 10^-12 секунды после рождения Вселенной), эти дефекты обрели магнитные заряды и стали магнитными монополями. Эти частицы должны были существовать в изобилии, но их отсутствие в наблюдаемой Вселенной стало серьёзной проблемой для теории. Это отсутствие требует объяснения, так как согласно теории, они должны были быть стабильными и сохраняться до наших дней.

Эта модель, хотя и красивая, создала серьёзную проблему для космологии. Магнитные монополи, как и частицы с противоположными зарядами, должны аннигилировать при встрече друг с другом. Однако, в остальном, они считаются стабильными. Из-за своей огромной массы, по меркам микромира, они должны были замедлиться до низких скоростей вскоре после своего появления и рассеяться по Вселенной, оставаясь до наших дней.

Согласно модели Большого взрыва, плотность этих монополей сегодня должна быть примерно такой же, как плотность протонов. Но если бы это было так, то общая плотность энергии во Вселенной была бы в квадриллион раз больше, чем мы наблюдаем. Это создало бы несоответствие с реальными наблюдениями, так как мы не видим такой огромной плотности энергии. Таким образом, отсутствие наблюдаемых магнитных монополей стало серьёзной проблемой, требующей объяснения.

Для ясности стоит отметить, что все попытки обнаружить магнитные монополи до сих пор не увенчались успехом. Исследования, проведенные в железных рудах и морской воде, показали, что если монополи и существуют, то их количество по отношению к числу протонов не превышает 10^-30. Это означает, что либо магнитных монополей вообще нет в нашей части Вселенной, либо их плотность настолько мала, что современные приборы не могут их зафиксировать, даже несмотря на их уникальную магнитную подпись.

Астрономические наблюдения также не выявили признаков существования монополей. Если бы они присутствовали, это должно было бы оказывать влияние на магнитные поля нашей Галактики, но такого влияния не обнаружено. Таким образом, отсутствие наблюдаемых магнитных монополей остаётся нерешённой загадкой, которая требует объяснения в рамках космологических моделей.

К началу 1980-х годов стало ясно, что, несмотря на свою элегантность и соответствие многим наблюдениям, модель Большого взрыва нуждается в доработке. Она не могла полностью объяснить некоторые важные аспекты ранней Вселенной, такие как проблема горизонта, плоскости и отсутствие магнитных монополей.

Для решения этих проблем требовались новые идеи и подходы, которые могли бы расширить модель и сделать её применимой к самым ранним моментам существования Вселенной. Это означало необходимость в принципиально новых и, возможно, революционных теоретических прозрениях. Именно в этом контексте начали развиваться новые теории, такие как инфляционная модель, которые предложили механизмы для объяснения этих загадок и дали более полное понимание эволюции Вселенной.

Экспонента всё превозмогает!

В начале 1980-х годов появилась гипотеза, которая предложила новое понимание ранней Вселенной через инфляционную модель. Она предполагала, что на самых ранних стадиях существования Вселенной существовало скалярное поле, называемого инфлатонным, которое создаёт отрицательное давление. Скалярное поле — это поле, кванты которого являются бесспиновыми бозонами, подобно бозонам Хиггса.

Бесспиновые бозоны — это частицы, у которых спин равен нулю. Спин — это квантовое свойство частиц, аналогичное угловому моменту, и оно может принимать как целые, так и полуцелые значения. Бозоны — это частицы с целым спином, которые подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна. Примером бесспинового бозона является бозон Хиггса, который играет ключевую роль в механизме, придающем массу другим элементарным частицам. В контексте инфляционной теории, кванты скалярного поля, ответственного за инфляцию, также являются бесспиновыми бозонами. Эти частицы не имеют направления вращения, что делает их поведение отличным от частиц с ненулевым спином.

Отрицательное давление может показаться парадоксальным, но его можно сравнить с поведением эластичной ленты. В отличие от сжатого газа, который при расширении теряет энергию и охлаждается, эластичная лента стремится сжаться. Если её растянуть, она накапливает энергию и нагревается. Подобным образом, инфлатонное поле с отрицательным давлением накапливает энергию при расширении Вселенной, и эта энергия затем высвобождается, нагревая Вселенную.

Отрицательное давление, создаваемое инфлатонным полем, действует как антигравитационная сила, которая "тянет" пространство, заставляя его расширяться экспоненциально. В инфляционной модели инфлатонное поле находится в состоянии "ложного вакуума", где его потенциал обеспечивает почти постоянную плотность энергии. Это состояние — локальный минимум потенциала энергии, временно стабильное, но не самое низкое возможное.

В этом состоянии энергия поля не уменьшается, даже когда пространство расширяется. Это как если бы у вас был резервуар с водой, и вы постоянно добавляли в него воду с такой же скоростью, с какой он расширяется. В результате уровень воды остаётся постоянным, несмотря на увеличение объёма резервуара. Подобным образом, энергия инфлатонного поля поддерживает постоянную плотность, несмотря на экспоненциальное расширение пространства.

Особый случай возникает, когда отрицательное давление равно плотности космической энергии с обратным знаком. В этом случае плотность энергии остаётся постоянной, даже когда пространство расширяется, потому что отрицательное давление компенсирует разрежение частиц и световых квантов. Из уравнений Фридмана — Леметра следует, что в такой ситуации Вселенная расширяется экспоненциально, удваивая свой радиус за равные промежутки времени. Это экспоненциальное расширение было теоретически предсказано де Ситтером в 1917 году и стало основой для инфляционной модели, которая объясняет многие загадки ранней Вселенной.

Когда инфлатонное поле начинает "скатываться" с потенциала, оно переходит в истинный вакуум, абсолютный минимум потенциала энергии, и инфляция заканчивается. Это приводит к высвобождению энергии, которая нагревает Вселенную и переводит её в более привычный режим расширения, который мы наблюдаем сегодня. Таким образом, инфляционная теория объясняет, как свойства скалярного поля позволяют поддерживать постоянную плотность энергии даже при грандиозном увеличении объёма, решая многие загадки ранней Вселенной.

Гипотеза экспоненциального расширения также предлагает решение для проблемы горизонта, которая заключается в том, что разные области Вселенной, которые не могли обмениваться информацией из-за ограниченной скорости света, имеют одинаковую температуру. Если предположить, что начальный пузырёк, из которого возникла наша Вселенная, был настолько мал, что его размер не превышал расстояние, которое свет мог пройти за время до его возникновения, то в этом пузырьке могло установиться тепловое равновесие. Это равновесие обеспечило бы одинаковую температуру по всему объёму пузырька.

Перед началом инфляции радиус Вселенной был лишь немного больше планковской длины, около 10^-35 метра. В течение инфляционной фазы этот радиус увеличился в невероятное количество раз. Например, данные космического телескопа «Планк» указывают на то, что коэффициент расширения мог составлять не менее 10^78. Это означает, что к концу инфляции размер Вселенной достигал многих тысяч световых лет.

Когда инфляция началась, этот равномерно нагретый пузырёк резко увеличился в размерах, сохраняя равномерность температуры. Таким образом, инфляция объясняет, почему мы наблюдаем одинаковую температуру реликтового излучения во всех направлениях, несмотря на то, что разные области Вселенной не могли взаимодействовать друг с другом после Большого взрыва. Это объяснение часто встречается в учебниках по космологии, хотя существуют и другие подходы к решению этой проблемы.

Инфляция также решает проблему кривизны пространства. Независимо от того, насколько сильно пространство было искривлено в начале, экспоненциальное расширение делает его почти идеально плоским, или евклидовым. Это связано с тем, что инфляция "разглаживает" любые искривления, приводя к тому, что параметр Ω, который измеряет кривизну, становится очень близким к единице. Таким образом, инфляционная теория объясняет, почему современная Вселенная кажется плоской и однородной, несмотря на её искривлённое начало.

Инфляционная теория также предлагает решение проблемы магнитных монополей, которые, согласно некоторым теоретическим моделям, должны были образоваться в изобилии вскоре после Большого взрыва. Если эти топологические дефекты, которые стали предшественниками магнитных монополей, возникли до или во время инфляционного расширения, то к концу этого процесса они оказались бы на огромных расстояниях друг от друга.

Инфляция "раздула" пространство настолько, что плотность монополей значительно уменьшилась. Даже после окончания инфляции Вселенная продолжала расширяться, что ещё больше снизило их плотность. Расчёты показывают, что даже если мы исследуем объём космоса размером с куб с ребром в миллиард световых лет, вероятность обнаружить хотя бы один магнитный монополь остаётся крайне низкой. Таким образом, инфляционная модель объясняет, почему мы не наблюдаем магнитные монополи в современной Вселенной, несмотря на их теоретическое предсказание.

Поиск причин
/
В начале 1980-х годов несколько теоретиков начали исследовать модели ранней эволюции Вселенной, которые включали короткую стадию экспоненциального расширения. Алексей Старобинский был одним из первых, кто предложил такую модель. Однако именно работа Алана Гута, опубликованная в 1981 году, привлекла широкое внимание к этой идее. Гут изначально стремился решить проблему отсутствия магнитных монополей, которые, согласно теоретическим предсказаниям, должны были образоваться в изобилии после Большого взрыва.

Гут осознал, что инфляционное расширение, вероятно, завершившееся на отметке в 10^-34 секунды, не только решает проблему магнитных монополей, но и предлагает решение для других загадок, таких как плоская геометрия Вселенной и проблема горизонта. Он ввёл термин "космологическая инфляция" для описания этого сверхбыстрого расширения пространства, и этот термин быстро был принят научным сообществом. Таким образом, инфляционная теория стала важным шагом в понимании ранней Вселенной, предлагая решения для нескольких ключевых проблем, с которыми столкнулась модель Большого взрыва.

Модель инфляции, предложенная Аланом Гутом, имела значительный недостаток: она предполагала образование множества инфляционных областей, которые могли сталкиваться друг с другом, выделяя огромное количество энергии. Это приводило к формированию хаотичного космоса с неоднородной плотностью вещества и излучения, что не соответствовало наблюдаемой однородности и изотропности нашей Вселенной.

Однако вскоре Андрей Линде в Москве, а также Андреас Альбрехт и Пол Стейнхардт в Филадельфии предложили улучшение этой модели. Они показали, что, изменив теорию скалярного поля, можно избежать этих проблем. Их подход предполагал, что вся наблюдаемая Вселенная возникла из одного вакуумного пузыря, который был отделён от других подобных пузырей огромными расстояниями. Каждый такой пузырь на ранней стадии своего существования проходит через фазу инфляционного расширения, увеличивая свой радиус на десятки или сотни порядков.

Эти другие области, или "пузыри", остаются невидимыми для нас, поскольку свет от них достигнет нашей части Вселенной только через триллионы или квадриллионы лет. Даже если "наш" пузырь столкнётся с соседним, световые сигналы от этого события будут потеряны в огромных временных масштабах. Андрей Линде назвал эту теоретическую конструкцию "новым сценарием для инфляционной Вселенной" в своей статье, написанной в 1981 году и опубликованной в 1982 году. Этот сценарий предложил возможное решение проблем горизонта, плоскости, однородности, изотропии и первичных магнитных монополей, с которыми столкнулась модель Гута.

В 1983 году Андрей Линде предложил теорию хаотической инфляции, которая стала важным шагом в понимании ранней Вселенной. Эта теория значительно расширила возможности для запуска инфляционных процессов, ослабив требования к скалярным полям. В отличие от предыдущих моделей, хаотическая инфляция допускает существование множества скалярных полей с нужными свойствами, что делает её более универсальной.

Представьте себе, что в начале Вселенная была полем с неоднородностями, как если бы это была поверхность с небольшими волнами. В процессе инфляции эти волны растягиваются и разглаживаются, так что к концу инфляции поверхность становится практически плоской. Это объясняет, почему мы наблюдаем такую однородность в реликтовом излучении.

На завершающем этапе инфляции скалярное поле, которое до этого поддерживало экспоненциальное расширение Вселенной, начинает терять свою энергию. Осциллировать означает колебаться или совершать регулярные движения вокруг определённой точки. В контексте скалярного поля, это означает, что поле начинает колебаться около минимума своей потенциальной энергии, как маятник, который качается вокруг своей точки равновесия. Представьте себе, что это поле похоже на натянутую пружину. Когда инфляция заканчивается, пружина начинает "раскручиваться", и её энергия высвобождается. Эти колебания поля вокруг минимума его потенциальной энергии приводят к тому, что энергия, накопленная в поле, начинает высвобождаться.

Эта высвобожденная энергия превращается в частицы и фотоны, которые заполняют Вселенную. Это похоже на то, как энергия, высвобождаемая из пружины, может быть использована для запуска механизма. В нашем случае, высвобожденная энергия создаёт горячую "суповую" смесь частиц, которые начинают взаимодействовать друг с другом. Эти взаимодействия приводят к установлению равновесной температуры, и Вселенная становится горячей и плотной.

Таким образом, по окончании инфляции, мы имеем Вселенную, которая готова к дальнейшей эволюции по сценарию Большого взрыва. Инфляционная космология, предложенная Линде, позволяет сдвинуть момент Большого взрыва к 10^-34 секунды после начала инфляции. Это приближает нас к самому началу нашего Мироздания, хотя и не охватывает его полностью. Теория хаотической инфляции стала ключевым инструментом для объяснения структуры Вселенной и решения многих проблем, с которыми столкнулась классическая модель Большого взрыва. Этот процесс объясняет, как из однородного и плоского состояния Вселенная перешла в состояние, в котором мы её наблюдаем сегодня, с разнообразием частиц и структур.

Теория хаотической инфляции, предложенная Андреем Линде, предлагает убедительное объяснение того, почему мы наблюдаем почти однородное реликтовое излучение с небольшими, но ненулевыми вариациями температуры. Эти колебания вызваны квантовыми флуктуациями скалярного поля на ранней стадии существования Вселенной. Теория также решает проблему горизонта, не требуя предположения о том, что до начала инфляции Вселенная находилась в состоянии теплового равновесия.

Хаотическая инфляция предсказывает, что после завершения инфляции распределение вещества и излучения в пространстве должно быть почти идеально однородным, за исключением следов первичных квантовых флуктуаций. Эти флуктуации породили локальные неоднородности плотности материи, которые со временем стали основой для формирования галактик и космических пустот. Без инфляционного растяжения пространства эти флуктуации были бы слишком слабыми, чтобы стать зародышами галактик. Таким образом, инфляция в хаотической модели выступает как мощный и универсальный механизм, способный создавать структуру Вселенной.

На масштабах порядка сотых долей наблюдаемой нами части Вселенной (сотни мегапарсек) её состав остаётся однородным и изотропным. Однако на уровне всего Космоса однородность исчезает. Линде показал, что инфляция может быть вечной, прекращаясь в одной области и начинаясь в другой, создавая бесконечный процесс самовоспроизводства. Это приводит к возникновению множества миров, известных как Мультивселенная. В этих мирах базовые скалярные поля могут иметь разные значения, что приводит к различным физическим законам. Например, внутриядерные силы и заряд электрона могут отличаться от наших. Эта концепция Мультивселенной активно обсуждается физиками и космологами, предлагая захватывающую и фантастическую картину нашего Космоса.

Инфляционная космология достигла значительных успехов, предсказав плоскую геометрию нашей Вселенной задолго до её подтверждения астрономами и астрофизиками. До конца 1990-х годов считалось, что параметр Ω, отражающий плотность вещества во Вселенной, не превышает 1/3. Однако открытие тёмной энергии показало, что этот параметр практически равен единице, как и предсказывали инфляционные модели. Инфляция также предсказала вариации температуры реликтового излучения и их спектр, что было подтверждено наблюдениями. Несмотря на многочисленные попытки опровергнуть инфляционную теорию, она остаётся устойчивой.

Концепция множественности вселенных, или Мультивселенной, стала частью научной культуры нового поколения физиков и космологов, представляя собой своего рода научную революцию. Однако, несмотря на успехи, инфляционная парадигма остаётся незавершённой. Существует множество моделей инфляции, и ни одна из них не является признанным лидером. Проблема начала инфляции остаётся нерешённой, и пока неясно, как к ней подойти.

Тем не менее, у инфляционной картины мира нет серьёзных конкурентов. Её можно сравнить с атомно-молекулярной теорией вещества, которая в своё время также имела множество неувязок, но со временем завоевала полное признание. Есть надежда, что инфляционная космология справится со своими трудностями и станет основой для дальнейшего понимания Вселенной.

Иран, возможно, провело ядерное испытание оружия

Найдено на просторах интернета.

Іран, ймовірно, провів підземне випробування ядерної зброї – це спричинило сейсмічну активність ~4,6 балів

Це сталося через добу після того, як іранські посадовці натякнули на можливість «нового рівня стримування», ймовірно, ядерного.

Сейсмологи та аналітики зазначають, що виявлені коливання схожі на ті, що фіксуються під час підземних ядерних випробувань.

+++

דיווח ראשוני : איראן ביצע ניסוי גרעיני ברחבי המדינה

Астрофизикам не удается снизить "хаббловское напряжение" в пересказе GPT-4o (22.05.2024)

Оригинал https://elementy.ru/novosti_nauki/434226/Astrofizikam_ne_udaetsya_snizit_khabblovskoe_napryazhenie

UPDATE 12.10.2024 См. также:
Физики показали, что время может идти вспять
От хаотической инфляции до супергравитации в пересказе GPT-4o
Астрофизикам не удается снизить "хаббловское напряжение" в пересказе GPT-4o
Гипотеза о циклической Вселенной получила наблюдательную поддержку в пересказе GPT-4o, книга Николая Горькаового «Осциллирующая Вселенная»


END OF UPDATE

Ниже есть продолжение.

Постоянная Хаббла — это важная величина в астрофизике, которая показывает, с какой скоростью расширяется Вселенная. На протяжении почти ста лет ученые пытались точно определить ее значение разными методами. В начале XXI века казалось, что они достигли успеха, и значение постоянной было установлено в узком диапазоне. Однако в последние десять лет появились новые данные, которые показывают, что постоянная Хаббла может быть на 10% меньше, чем считалось ранее. Это расхождение получило название "хаббловское напряжение". Несмотря на множество гипотез, объясняющих это явление, проблема остается нерешенной. Недавние исследования, в том числе с использованием данных с космического телескопа Джеймса Уэбба, только усложнили ситуацию, так как они более точные.

Чтобы понять происхождение постоянной Хаббла, необходимо вернуться в конец 1920-х годов. В это время американский астроном Эдвин Хаббл и его ассистент Милтон Хьюмасон занимались изучением расстояний до космических туманностей. Именно в то время стало ясно, что эти туманности на самом деле являются отдельными галактиками. Они заметили, что эти галактики удаляются от нас, и измерили их скорости с помощью красного смещения — явления, когда свет от удаляющегося объекта становится более красным из-за эффекта Доплера. Хотя измерения расстояний были не очень точными, Хаббл обнаружил, что существует линейная зависимость между расстоянием до галактик и их скоростью удаления. В 1929 году он опубликовал статью, где описал эту зависимость. В 1931 году Хаббл и Хьюмасон подтвердили свои выводы, изучив другие галактики, некоторые из которых находились более чем в 100 миллионах световых лет от нас. Они установили, что скорость удаления галактик увеличивается примерно на 558 км/сек с каждым миллионом парсек расстояния. Это открытие стало основой для понимания расширения Вселенной.

Информация, собранная Эдвином Хабблом и Милтоном Хьюмасоном, привела к созданию знаменитой формулы ( $v=H_0d$ ), известной как закон Хаббла. В этой формуле ( v ) обозначает радиальную скорость галактики относительно Земли, ( d ) — расстояние до галактики, а ( H_0 ) — коэффициент пропорциональности, который имеет размерность, обратную времени. Этот коэффициент показывает, как быстро расширяется Вселенная. Однако сам Хаббл и многие его современники долгое время не придавали этому коэффициенту физического смысла.

Интересно, что еще в 1927 году бельгийский космолог Жорж Леметр, используя общую теорию относительности, предположил, что разлет галактик можно интерпретировать как свидетельство расширения Вселенной. Он математически вывел формулу, аналогичную будущему закону Хаббла, и, используя данные о скоростях и расстояниях до галактик, получил значение коэффициента, близкое к тому, что позже нашел Хаббл. Однако статья Леметра была опубликована на французском языке в малоизвестном бельгийском журнале и осталась незамеченной. Лишь в 1931 году, после перевода на английский, она стала известна широкой аудитории, включая, вероятно, и самого Хаббла. Таким образом, вклад Леметра в понимание расширения Вселенной был признан значительно позже.

История открытия и развития закона Хаббла гораздо сложнее, чем можно представить в кратком изложении. Она подробно описана в биографиях Эдвина Хаббла и Жоржа Леметра, которые вошли в книгу "Астрофизика в лицах" А. Е. Левина. В этой книге, на страницах 139–166 и 167–180, можно найти более детальное описание их вкладов в науку о космосе.

Теперь, оставив исторические аспекты, мы можем перейти к событиям двадцать первого века. В это время астрофизики столкнулись с новой проблемой, известной как "хаббловское напряжение". Это расхождение в значениях постоянной Хаббла, полученных разными методами, которое до сих пор не удалось объяснить. Современные исследования, включая данные с космического телескопа Джеймса Уэбба, только усложнили задачу, так как они более точные и выявляют еще больше несоответствий. Таким образом, несмотря на значительный прогресс в астрофизике, некоторые фундаментальные вопросы остаются открытыми, и ученым предстоит еще много работы, чтобы их разрешить.

Вселенная и закон Хаббла

Вселенная, в которой мы живем, является однородной и изотропной, что означает, что она выглядит одинаково во всех направлениях и в любом месте. С момента своего рождения она постоянно расширяется, и это расширение проявляется в увеличении расстояний между галактиками и их скоплениями, которые не связаны гравитационно. Однако, несмотря на это расширение, крупномасштабная структура Вселенной остается неизменной в своей однородности и изотропии, что можно назвать "вселенской демократией", где нет выделенных мест или направлений.

Математический анализ показывает, что такое однородное и изотропное пространство может существовать в трех формах: сферической, плоской (евклидовой) и гиперболической. Эти формы описываются метрикой Леметра-Фридмана-Робертсона-Уокера, которая имеет три варианта в зависимости от кривизны пространства. В сферической геометрии кривизна положительна, в евклидовой — нулевая, а в гиперболической — отрицательная. В математическом смысле, чем меньше кривизна, тем больше радиус кривизны.

Представьте себе поверхность огромного шара. Если шар очень большой, его поверхность будет казаться почти плоской, если смотреть на небольшой участок [локально]. Это потому, что радиус этого шара очень большой. Аналогично, если кривизна Вселенной близка к нулю, это означает, что радиус кривизны очень большой.

Наблюдения показывают, что кривизна нашего пространства может быть отлична от нуля, но она очень близка к нему. Это означает, что радиус кривизны Вселенной может быть конечным, но он значительно превышает размеры той части Вселенной, которую мы можем наблюдать. То есть, даже если пространство слегка изогнуто, эта изогнутость настолько мала, что мы не можем заметить её в пределах наблюдаемой части Вселенной.

Для описания расширения Вселенной используется масштабный фактор ( a(t) ), который увеличивается со временем. Сегодня принято считать, что этот фактор равен единице, а в прошлом, ближе к началу Вселенной, он стремился к нулю. Это отражает идею о том, что Вселенная начинала с очень маленьких размеров и постепенно расширялась до нынешнего состояния.

Когда пространство расширяется, длины волн всех электромагнитных излучений, таких как свет, увеличиваются. Это происходит, когда излучение проходит через космос между объектами, которые не связаны гравитационно. Увеличение длины волны пропорционально росту масштабного фактора ( a(t) ).

Если световой квант (фотон) был испущен в прошлом в момент времени ( t ) и теперь достиг Земли, его длина волны увеличится по сравнению с первоначальной длиной в отношении ($\frac{1}{a(t)}$). Поскольку ( a(t) ) меньше единицы в прошлом, это отношение больше единицы. Этот эффект называется космологическим красным смещением.

Формула, описывающая это явление, выглядит следующим образом:

[ $\frac{\lambda_0}{\lambda(t)} = \frac{1}{a(t)}$ ]

где ($\lambda(t)$) — длина волны фотона в момент его испускания, а ($\lambda_0$) — длина волны того же фотона в момент, когда он наблюдается на Земле. В этой формуле единица в знаменателе указывает на текущее значение масштабного фактора, которое принято считать равным единице в нашу эпоху.

Это соотношение показывает, как расширение Вселенной влияет на длину волны света, увеличивая её по мере того, как свет путешествует через космос. Это увеличение длины волны является причиной космологического красного смещения, которое позволяет астрономам измерять расстояния до далеких галактик и изучать историю расширения Вселенной.

Продолжим. Космологическое красное смещение можно количественно описать с помощью параметра ( z ), который определяется как отношение прироста длины волны к её исходному значению:

[ $z = \frac{\lambda_0 - \lambda(t)}{\lambda(t)}$ ]

Этот параметр ( z ) является безразмерной функцией времени и также равен относительному изменению масштабного фактора:

[ $z = \frac{1 - a(t)}{a(t)}$ ]

Таким образом, ( $z(t)$ ) служит численной мерой космологического красного смещения. Из этого определения следует, что чем дальше от Земли находится источник фотонов, тем больше значение ( z ), и, следовательно, тем больше их красное смещение. Это связано с тем, что свет от более удаленных объектов путешествовал дольше и, следовательно, испытал большее расширение пространства. Этот параметр позволяет астрономам оценивать расстояния до далеких галактик и изучать динамику расширения Вселенной.

В космологии важным понятием является параметр Хаббла, обозначаемый как ( H(t) ). Этот параметр определяется как отношение производной масштабного фактора ( a(t) ) по времени к самому масштабному фактору в тот же момент времени:

[ $H(t) = \frac{\dot{a}(t)}{a(t)}$ ]

где ($\dot{a}(t)$) — производная масштабного фактора по времени, показывающая скорость изменения масштаба Вселенной.

Размерность параметра Хаббла обратна размерности времени, например, 1/секунда, если время измеряется в секундах. Это означает, что параметр Хаббла показывает, насколько быстро расширяется Вселенная в данный момент времени.

Современное значение этого параметра обозначается как ( H_0 ) и называется постоянной Хаббла. Оно характеризует текущую скорость расширения Вселенной и является ключевым параметром в космологии, используемым для оценки возраста и размера Вселенной, а также для понимания её динамики и эволюции.

Если момент испускания фотона ( t ) близок к текущему космическому времени ( t_0 ), или, другими словами, если источник света не слишком удален от Земли в космологических масштабах, то:

из [ $z = \frac{1 - a(t)}{a(t)}$ ] прибавив 1 к обоим частям получаем [ $1 + z = \frac{1}{a(t)}$ ]. Параметр Хаббла ( H(t) ) определяется как: [ $H(t) = \frac{\dot{a}(t)}{a(t)}$ ]

Если источник света находится близко, можно предположить, что изменение масштабного фактора за время ( t_0 - t ) невелико. В этом случае можно разложить ( a(t) ) в ряд Тейлора около ( t_0 ):

[ $a(t) \approx a(t_0) + \dot{a}(t_0) (t - t_0)$ ]

Поскольку ($ a(t_0) = 1$ ) (по определению), это упрощается до:

[ $a(t) \approx 1 + \dot{a}(t_0) (t - t_0)$ ]

Связь с красным смещением: Подставляя это приближение в выражение для красного смещения, получаем:

[ $1 + z \approx \frac{1}{1 + \dot{a}(t_0) (t - t_0)} \approx 1 - \dot{a}(t_0) (t - t_0)$ ]

Здесь мы использовали приближение ( $\frac{1}{1+x} \approx 1-x$ ) для малых ( x ).

Упрощение: Из этого следует, что:

[ $z \approx -\dot{a}(t_0) (t - t_0)$ ]

Поскольку ( $\dot{a}(t_0) = H_0$ ), мы получаем:

[ $z \approx H_0 (t_0 - t)$ ]

Это уравнение показывает, что для близких объектов красное смещение пропорционально времени, прошедшему с момента испускания света, что связано с расстоянием до объекта.

Итак, [ $z(t) = H_0 (t_0 - t)$ ]

Умножив обе части этого уравнения на скорость света ( c ), получаем:

[ $cz = H_0 c (t_0 - t)$ ]

Правая часть уравнения представляет собой произведение постоянной Хаббла ( H_0 ) и расстояния до источника излучения ( $d = c(t_0 - t)$ ), с учетом малых поправок. Таким образом, окончательное выражение:

[ $cz = H_0 d$ ]

Это и есть закон Хаббла, как он формулируется в астрономии и космологии. Он переходит в классическую формулу Хаббла ( $v = H_0 d$ ), если вспомнить, что согласно теории эффекта Доплера-Физо, величина красного смещения при взаимном удалении источника и приемника света дается формулой:

[ $z = \frac{v}{c}$ ]

Эта формула справедлива, если скорость удаления ( v ) значительно меньше скорости света. Таким образом, закон Хаббла связывает красное смещение с расстоянием до галактик и показывает, как расширение Вселенной влияет на наблюдаемые свойства света.

В системе единиц, где скорость света ( c = 1 ), закон Хаббла действительно упрощается до вида ( $z = H_0 d$ ). В этой системе единиц пространственная длина и время имеют одинаковую размерность, что упрощает математические выражения и расчеты.

Использование такой системы удобно, особенно в теоретической физике и космологии, поскольку позволяет избежать постоянного учета скорости света в уравнениях. Однако важно помнить, что это приближение применимо, когда величина красного смещения ( z ) не превышает примерно 0.1. Это связано с тем, что при больших значениях ( z ) необходимо учитывать нелинейные эффекты [следующие члены в ряде Тейлора], связанные с расширением Вселенной, и приближение становится менее точным.

Таким образом, в этой системе единиц закон Хаббла выражает простую линейную зависимость между красным смещением и расстоянием до объекта, что удобно для анализа близких объектов в космологических масштабах.

Постоянная Хаббла, ( H_0 ), может быть выражена в различных единицах, включая обратные секунды, что отражает её размерность как параметра скорости расширения Вселенной. Однако на практике её чаще всего выражают в единицах, которые восходят к исходной формуле Хаббла ( $v = H_0 d$ ). В этой формуле скорость разлета галактик ( v ) выражена в километрах в секунду, а расстояние ( d ) — в мегапарсеках. Поэтому постоянная Хаббла обычно измеряется в километрах в секунду на мегапарсек ($(км/сек)/Мпк$).

Эдвин Хаббл в своей работе с Милтоном Хьюмасоном в 1931 году оценил значение ( H_0 ) как 558 (${км/сек)/{Мпк$}), что оказалось завышенным. Позже, в 1958 году, американский астроном Аллан Сэндидж, известный своими точными телескопическими наблюдениями, определил более точное значение ( H_0 ) — 75 (${км/сек)/{Мпк$). С тех пор значение постоянной Хаббла многократно пересматривалось и уточнялось.

Эти пересмотры и уточнения привели к возникновению так называемого "хаббловского напряжения" (Hubble tension) — расхождению в значениях постоянной Хаббла, полученных разными методами. Это расхождение остается одной из актуальных проблем в современной космологии, так как разные методы измерения дают значения, которые не совпадают друг с другом, что указывает на возможные новые физические явления или необходимость пересмотра существующих моделей.

Исторически, космологическое красное смещение интерпретировалось через эффект Доплера, что было вполне объяснимо в контексте знаний того времени. Однако с современной точки зрения, эта интерпретация не всегда точна и не является необходимой. Космологическое красное смещение лучше понимать как следствие расширения пространства, а не просто как эффект движения источника света.

Для ясности, корректная запись закона Хаббла в современных терминах выражается формулой:

[ $cz = H_0 d$ ]

где ( c ) — скорость света, ( z ) — красное смещение, ( H_0 ) — постоянная Хаббла, и ( d ) — расстояние до галактики. В системе единиц, где скорость света ( c = 1 ), эта формула упрощается до:

[ $z = H_0 d$ ]

Эта формулировка подчеркивает, что красное смещение связано с расширением Вселенной, а не только с движением галактик относительно нас. Это понимание важно для точного описания космологических явлений и для интерпретации наблюдательных данных.

Определение точного значения постоянной Хаббла, обозначаемой как ( H_0 ), имеет огромное значение для астрономии и космологии, потому что она играет ключевую роль в понимании эволюции Вселенной. Космологические модели, которые описывают, как Вселенная развивалась с момента Большого взрыва, зависят от значения ( H_0 ).

Постоянная Хаббла ( H_0 ) описывает скорость расширения Вселенной в настоящий момент времени. Обратная величина ( $\frac{1}{H_0}$ ) дает нам приблизительную оценку возраста Вселенной, если бы она расширялась с этой скоростью постоянно. Это упрощение полезно для получения первого приближения, но для более точных расчетов необходимо учитывать изменения скорости расширения с течением времени.

Кроме того, если умножить обратную величину ( H_0 ) на скорость света, мы получим расстояние, которое свет мог бы пройти за это время. Это расстояние характеризует масштаб видимой части Вселенной, то есть насколько далеко мы можем заглянуть в космос. Это связано с тем, что свет от самых далеких объектов, которые мы можем наблюдать, начал свой путь вскоре после Большого взрыва. Таким образом, мы получили приблизительную оценку масштаба видимой части Вселенной, то есть насколько далеко мы можем заглянуть в космос.

Таким образом, точное значение ( H_0 ) помогает нам не только понять, как долго существует Вселенная, но и насколько она велика. Это делает его определение столь же важным для космологии, как измерение заряда и массы электрона для физики частиц. Эти фундаментальные параметры помогают нам понять основные законы, управляющие миром, и уточнение их значений позволяет строить более точные научные модели.

Оптические методы оценки H0

Определение постоянной Хаббла с помощью оптических методов, использующих фотометры на телескопах, кажется довольно простым. Основная идея заключается в том, чтобы найти во Вселенной множество объектов, которые находятся на не слишком больших расстояниях от нас и для которых эти расстояния надежно установлены. Затем, измерив их красные смещения с помощью спектрографов, можно вычислить ( H_0 ) с помощью простой арифметики.

Для самых близких объектов расстояния можно определить с помощью измерения их годичных параллаксов, что является чисто астрометрическим методом.

Годичный параллакс — это метод измерения расстояний до ближайших звезд, основанный на наблюдении их видимого смещения на фоне более далеких звезд в течение года. Это смещение происходит из-за движения Земли вокруг Солнца.

Когда Земля перемещается по своей орбите, положение звезды на небе кажется немного изменяющимся относительно более далеких звезд. Это изменение положения называется параллаксом. Годичный параллакс — это угол, под которым виден радиус орбиты Земли с расстояния до звезды. Чем ближе звезда, тем больше её параллакс.

Параллакс измеряется в угловых секундах, и его величина обратно пропорциональна расстоянию до звезды. Например, если параллакс звезды равен одной угловой секунде, то расстояние до неё составляет одну парсек (около 3.26 световых лет). Этот метод является основным для определения расстояний до звезд, находящихся в пределах нескольких сотен световых лет от Земли.

Для более удаленных объектов используются так называемые "стандартные свечи" — космические тела с известной светимостью. Одним из таких примеров являются переменные звезды, например, цефеиды, для которых установлены соотношения между периодами их изменения яркости и светимостью. Эдвин Хаббл в свое время использовал именно цефеиды для своих исследований.

Цефеиды — это тип переменных звезд, которые известны своей предсказуемой изменчивостью яркости. Они изменяют свою яркость в результате пульсаций, которые происходят из-за изменений в их объеме и температуре. Эти пульсации происходят с регулярными периодами, которые могут варьироваться от нескольких дней до нескольких недель. Самое важное свойство цефеид заключается в том, что существует прямая зависимость между периодом их пульсации и средней светимостью. Это называется "период-светимость" зависимостью. Благодаря этой зависимости, астрономы могут измерить период пульсации цефеиды и, зная эту зависимость, определить её светимость.

Многочисленные наблюдения цефеид привели к заключению, что значение постоянной Хаббла можно с хорошей точностью считать равным 73,1 ± 2,5 км/сек/Мпк. Это значение получено на основе оптических методов и является одним из ключевых в обсуждении "хаббловского напряжения", поскольку оно отличается от значений, полученных другими методами.

Сверхновые типа Ia имеют предсказуемую яркость из-за специфического механизма их возникновения. Они происходят в двойных звездных системах, где один из компонентов — белый карлик. Белый карлик накапливает материю от своей звезды-компаньона. Когда его масса достигает критического значения, известного как предел Чандрасекара (примерно 1.4 массы Солнца), белый карлик становится нестабильным и взрывается.

Этот предел массы является довольно универсальным, потому что он определяется физическими законами, управляющими поведением вырожденного электронного газа в белом карлике. Когда масса белого карлика приближается к этому пределу, давление вырожденного газа уже не может удерживать звезду от гравитационного коллапса, что приводит к взрыву.

Поскольку масса, при которой происходит взрыв, почти всегда одинакова, энергия, выделяемая в результате взрыва, также оказывается предсказуемой. Это делает светимость сверхновых типа Ia достаточно постоянной, чтобы их можно было использовать как "стандартные свечи" для измерения космических расстояний. Конечно, существуют небольшие вариации в яркости, но они могут быть учтены и скорректированы, что позволяет использовать эти сверхновые для точных астрономических измерений.

Хотя на словах всё может звучать просто, на практике калибровка сверхновых типа Ia, как и цефеид, связана с серьезными техническими трудностями. Например, необходимо учитывать влияние космической пыли, которая может искажать наблюдения, и множество других факторов. Эти сложности особенно важны, потому что открытие ускоренного расширения Вселенной в конце прошлого века было основано именно на наблюдениях сверхновых типа Ia. Без тщательного учета всех влияющих факторов это открытие было бы невозможно.

В процессе этих наблюдений астрономы накопили значительный опыт в работе со сверхновыми типа Ia, что позволило использовать их для более точного определения постоянной Хаббла. На сегодняшний день, согласно авторам обзора, самое точное значение постоянной Хаббла, полученное с помощью наблюдений сверхновых, составляет 73,29 ± 1,15 км/сек/Мпк. Это значение очень близко к оценке, полученной с использованием цефеид, что подтверждает надежность этих методов.

Еще один метод измерения космических расстояний связан с наблюдением звезд, находящихся на стадии красных гигантов. Чтобы понять, что это такое, можно рассмотреть будущее нашего Солнца. Через 5,4 миллиарда лет в ядре Солнца закончится водород, который превращается в гелий. Это приведет к потере гидростатической стабильности, и Солнце начнет расширяться, превращаясь в красный гигант.

Этот процесс займет около двух миллиардов лет. В результате радиус Солнца увеличится примерно в 250 раз, его светимость возрастет в 2700 раз, а температура атмосферы снизится до 2650 К. В это время значительно усилится солнечный ветер, что приведет к потере около 30% массы Солнца.

Красные гиганты, как и цефеиды, могут служить "стандартными свечами" для измерения расстояний, поскольку их светимость и другие характеристики можно предсказать на основе их стадии эволюции. Это делает их полезными для астрономов, изучающих структуру и эволюцию галактик, а также для определения постоянной Хаббла.

Когда Солнце превращается в красный гигант, его внешние слои расширяются, но при этом ядро сжимается. Это может показаться противоречивым, но на самом деле это связано с изменениями в балансе сил внутри звезды.

Когда в ядре Солнца заканчивается водород, который служит топливом для термоядерных реакций, давление, создаваемое этими реакциями, уменьшается. Это приводит к тому, что ядро начинает сжиматься под действием собственной гравитации. Сжатие ядра вызывает повышение его температуры и давления.

В то же время, энергия, выделяемая при сжатии ядра, нагревает окружающие слои звезды. Это приводит к тому, что внешние слои расширяются и охлаждаются, превращая звезду в красный гигант. Таким образом, сжатие ядра и расширение внешних слоев происходят одновременно, но в разных частях звезды.

Когда мы говорим о звездах на ветви красных гигантов, полезно рассмотреть будущее нашего Солнца как пример. Через 5,4 миллиарда лет в ядре Солнца закончится водород, который служит топливом для термоядерных реакций, и начнется превращение его в гелий. Это приведет к потере гидростатической стабильности, что означает, что баланс между давлением, создаваемым термоядерными реакциями, и гравитацией нарушится.

В результате этого нарушения ядро Солнца начнет сжиматься под действием гравитации, что приведет к его нагреву. В то же время, энергия, выделяемая при сжатии ядра, будет нагревать внешние слои звезды, заставляя их расширяться. Это расширение приведет к тому, что радиус Солнца увеличится примерно в 250 раз, превращая его в красный гигант. Светимость Солнца возрастет в 2700 раз, но температура его атмосферы снизится до 2650 К, что придаст ему красноватый оттенок.

В этот период значительно усилится солнечный ветер — поток заряженных частиц, исходящих от звезды. Это приведет к потере около 30% массы Солнца. Таким образом, хотя внешние слои звезды расширяются, ядро продолжает сжиматься и нагреваться, подготавливаясь к следующей стадии своей эволюции.

После того как Солнце станет красным гигантом, изменения продолжатся. Ядро Солнца будет продолжать сжиматься, и его температура будет расти. Примерно через 12 миллиардов лет температура ядра достигнет около ста миллионов кельвинов. Это приведет к началу взрывообразного термоядерного горения гелия, известного как гелиевая вспышка. В результате этого процесса гелий будет превращаться в углерод и кислород.

На этой стадии Солнце значительно уменьшится в размерах, сжавшись примерно в двадцать раз. Температура его поверхности повысится до 4770 К, и наше постаревшее светило изменит цвет с красного на оранжевый. Эти изменения в эволюции Солнца иллюстрируют, как звезды проходят через различные стадии, и помогают астрономам использовать такие звезды для изучения космических расстояний и эволюции галактик.

Фаза гелиевого горения в жизни Солнца будет относительно короткой, продолжаясь около ста миллионов лет. В это время в ядре Солнца происходит термоядерное горение гелия, который превращается в углерод и кислород. Одновременно вокруг ядра, в оболочке, продолжается дожигание водорода. Этот процесс способствует расширению внешних слоев звезды. Когда запасы гелия в ядре иссякнут, Солнце снова потеряет стабильность, и его внешние слои расширятся почти до прежнего максимального размера.

Температура Солнца в этот период упадет до 3100 кельвинов, и оно окажется на так называемой асимптотической ветви красных гигантов. На этой стадии звезда снова станет более холодной и яркой, как это было на предыдущей стадии красного гиганта. В конце концов, примерно через 30 миллионов лет, Солнце выбросит свои внешние оболочки в окружающее пространство, образуя планетарную туманность. Это красивое и яркое облако газа будет светиться за счет ультрафиолетового излучения от оставшегося горячего ядра. Само ядро превратится в углеродно-кислородный белый карлик, который будет медленно остывать на протяжении миллиардов лет. Это финальная стадия эволюции для звезд, подобных нашему Солнцу.

Таким образом, на стадии красного гиганта и последующих этапах эволюции звезды происходят сложные процессы горения, которые включают как водород, так и гелий, но в разных зонах звезды. Эти процессы определяют изменения в структуре и светимости звезды, приводя её к финальной стадии белого карлика.

В этом сценарии я опустил некоторые детали, но основное заключается в следующем. Чтобы в ядре звезды началось горение гелия, давление должно достичь критического уровня. Это происходит, когда масса ядра составляет примерно половину нынешней массы Солнца. В результате светимость и температура поверхности звезд на этой стадии становятся более или менее одинаковыми, что определяет их цвет.

TRGB, или Tip of the Red Giant Branch, в астрономии обозначает важную точку на диаграмме Герцшпрунга-Рассела, которая используется для измерения расстояний до галактик. Эта диаграмма показывает связь между светимостью звёзд и их температурой. Красные гиганты — это звёзды, которые исчерпали запасы водорода в своих ядрах и начали сжигать гелий.

Диаграмме Герцшпрунга-Рассела:

Главная последовательность проходит диагонально от верхнего левого угла (горячие и яркие звёзды) к нижнему правому углу (холодные и тусклые звёзды). Линия R=1*R0.

Красные гиганты находятся выше и правее главной последовательности. Они имеют более низкую температуру, но высокую светимость. Линия R=10*R0.

Сверхгиганты располагаются ещё выше, с ещё большей светимостью. Линия R=100*R0.

R0 - это масса Солнца.

Точка TRGB находится в правой верхней части диаграммы, примерно при температуре около 3500 K и светимости около 1500 светимостей Солнца. Это соответствует вершине ветви красных гигантов и сверхгигантов, где звёзды достигают максимальной светимости перед началом гелиевого горения. На линии R=1000*R0 это крайняя правая точка (минимум).

Когда звезда достигает стадии красного гиганта, она становится ярче и больше. На диаграмме Герцшпрунга-Рассела красные гиганты образуют ветвь, и TRGB — это точка, где эти звёзды достигают максимальной светимости перед началом гелиевого горения. Эта точка важна, потому что светимость звёзд в этой точке практически одинакова для всех красных гигантов, что делает её полезным инструментом для определения расстояний до далёких галактик.

Чтобы в ядре звезды началось горение гелия, давление должно достичь критического уровня, что происходит, когда масса ядра составляет примерно половину массы Солнца. В результате светимость и температура поверхности звёзд на этой стадии становятся более или менее одинаковыми, что определяет их цвет. Когда звёзды достигают этой стадии, они начинают охлаждаться, и их светимость резко падает. На диаграмме "температура-светимость", известной как диаграмма Герцшпрунга-Рассела, см. выше, это приводит к обрыву ветви, на которой находятся такие звёзды.

Перед началом гелиевого горения все звёзды с массой не более 1,8 солнечной имеют схожие светимости, которые находятся в диапазоне от 2000 до 3000 светимостей Солнца. Эта область на диаграмме, где происходит обрыв, называется вершиной ветви красных гигантов (TRGB). Она важна для астрономов, так как позволяет использовать звёзды на этой стадии как "стандартные свечи" для измерения расстояний в космосе. Поскольку светимость звёзд на этой стадии предсказуема, их можно использовать для определения расстояний до галактик и других астрономических объектов.

Результаты различных исследований, использующих метод вершины ветви красных гигантов (TRGB) для оценки постоянной Хаббла ( H_0 ), не привели к единому значению. Мы имеем три различные оценки: 69,8 ± 0,8 км/сек/Мпк, 71,5 ± 1,8 км/сек/Мпк и 73,22 ± 2,06 км/сек/Мпк.

Я описал основные методы оптической калибровки расстояний, которые применяются для определения постоянной Хаббла в относительной близости от Солнца. Эти методы включают использование цефеид и вершины ветви красных гигантов. Хотя существуют и другие способы, я решил не перегружать статью их перечислением. В целом, разброс значений постоянной Хаббла, полученных этими методами, составляет 3–5 (км/сек)/Мпк.

Можно предположить, что с развитием измерительных технологий и улучшением обработки данных, включая использование искусственного интеллекта, этот разброс удастся сократить. Искусственный интеллект уже начал применяться в астрономии для анализа больших объемов данных, и его роль будет только расти. На данный момент это все, что можно сказать по этому вопросу.

Волны космических звуков

Оптические наблюдения, основанные на измерении красного смещения, предоставили огромное количество данных для оценки постоянной Хаббла. Однако они не являются единственным методом. В нашем столетии начали активно развиваться радиотехнические методы, которые также используются для решения этой задачи. Эти методы включают в себя изучение космического микроволнового фона и других радиоволновых явлений.

Применение радиотехнических методов привело к тому, что значения постоянной Хаббла стали группироваться вокруг двух различных показателей, которые значительно отличаются друг от друга. Это явление получило название "хаббловская контраверза" или "Hubble tension". Оно указывает на расхождение между значениями, полученными разными методами, и подчеркивает необходимость дальнейших исследований для понимания причин этого расхождения.

Новые значения постоянной Хаббла были получены благодаря изучению реликтового излучения, которое возникло примерно через 380 тысяч лет после Большого взрыва. В этот период произошел важный процесс, известный как рекомбинация. До этого момента Вселенная была заполнена горячей плазмой, где световые кванты (фотоны) постоянно взаимодействовали с электронами и не могли свободно распространяться.

Однако по мере остывания Вселенной свободные электроны начали соединяться с ядрами водорода, гелия и лития, образуя нейтральные атомы. Это привело к тому, что фотоны больше не взаимодействовали с заряженными частицами и смогли свободно распространяться по космосу. Этот момент стал началом того, что мы называем реликтовым излучением или космическим микроволновым фоном.

Изучение этого излучения позволяет ученым получить информацию о ранней Вселенной и использовать её для оценки постоянной Хаббла.

Сегодня спектр реликтового излучения очень точно соответствует спектру излучения абсолютно черного тела с температурой 2,725 К. Однако это совпадение не является полным. Температура и поляризация реликтовых фотонов немного варьируются в зависимости от направления, из которого они приходят на Землю. Это указывает на слабую анизотропию реликтового излучения, то есть на небольшие различия в его характеристиках в разных направлениях.

Анализ этих тонких вариаций в спектре реликтового излучения позволяет ученым извлечь важную информацию о ключевых параметрах, которые определяют эволюцию Вселенной. Постоянная Хаббла ( H_0 ) также является одним из таких параметров. Изучение анизотропии реликтового излучения помогает определить значение ( H_0 ), что в свою очередь позволяет лучше понять скорость расширения Вселенной.

Давайте рассмотрим, как возникла упомянутая бимодальность в значениях постоянной Хаббла. Это явление связано с началом нашего столетия, когда 30 июня 2001 года НАСА запустило в космос зонд Explorer 80, который позже был переименован в WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe). Этот зонд был оснащен аппаратурой, способной регистрировать температурные флуктуации микроволнового реликтового излучения (МРИ) с угловым разрешением менее трех десятых градуса.

На тот момент уже было известно, что спектр реликтового излучения почти полностью совпадает со спектром абсолютно черного тела с температурой 2,725 К. При "крупнозернистых" измерениях с угловым разрешением в 10 градусов колебания температуры не превышали 0,000036 К. Однако, когда зонд WMAP провел "мелкозернистые" измерения, амплитуды флуктуаций оказались в шесть раз больше, около 0,0002 К. Это показало, что реликтовое излучение имеет пятнистую структуру, с участками, которые немного теплее или холоднее.

Флуктуации реликтового излучения возникли из-за колебаний плотности в электронно-фотонном газе, который заполнял космическое пространство в ранней Вселенной. Эти колебания практически исчезли около 380 тысяч лет после Большого взрыва, когда завершился процесс рекомбинации. До этого момента в электронно-фотонном газе распространялись звуковые волны, которые были подвержены влиянию гравитационных полей частиц темной материи. Эти звуковые волны, известные как барионные акустические осцилляции, оставили свой след в спектре реликтового излучения.

Анализ этого спектра с использованием теоретических моделей космологии и магнитной гидродинамики позволил ученым по-новому оценить постоянную Хаббла.

Изначально данные, полученные обсерваторией WMAP в первые три, пять и семь лет её работы, показывали значения постоянной Хаббла в диапазоне 70–71 км/сек/Мпк. Эти значения были близки к тогдашнему консенсусу, который составлял 73–74 (км/сек)/Мпк, и не вызывали особого беспокойства. Однако в 2012 году, после дальнейшего анализа данных WMAP, было получено новое значение постоянной Хаббла, которое составило 69 км/сек/Мпк. Это значение оказалось ниже предыдущих оценок и начало вызывать беспокойство среди ученых, хотя на тот момент не все осознали его значимость.

Это действительно было только началом. В 2013 году Европейское космическое агентство опубликовало отчет о результатах работы космической обсерватории "Планк", которая была запущена 14 мая 2009 года. Обсерватория "Планк" проводила детальные измерения интенсивности и поляризации микроволнового реликтового излучения (МРИ) по всей небесной сфере, используя девять частотных полос в диапазоне от 30 до 857 гигагерц.

Анализ данных, полученных "Планком", позволил оценить постоянную Хаббла на уровне 67,80 ± 0,77 (км/сек)/Мпк. Это значение оказалось еще ниже, чем те, которые были получены ранее, и примерно такими же оказались результаты, опубликованные в 2015 и 2018 годах. Весь набор данных "Планка", за исключением явно аномальных значений, укладывается в диапазон 64–70 км/сек/Мпк, причем наиболее надежные оценки находятся в центре этого диапазона.

До этого момента оптические наблюдения различных космических объектов стабильно показывали, что постоянная Хаббла находится в диапазоне 73–74 км/сек/Мпк. У космологов и астрофизиков возникли вполне реальные причины для беспокойства.

Последние результаты

В 2024 году были опубликованы результаты новых наблюдений, которые, возможно, только усложнили проблему "хаббловского напряжения". В январе группа под руководством Адама Рисса, одного из первооткрывателей ускоренного расширения Вселенной, подтвердила эффективность методов определения постоянной Хаббла с помощью наблюдений цефеид и сверхновых звезд. Они использовали данные, полученные с помощью Космического телескопа имени Джеймса Уэбба, что позволило им достичь высокой точности.

В конце февраля другая группа, также с участием Адама Рисса, представила результаты, полученные с помощью фотометрических наблюдений вершины асимптотической ветви красных гигантов. Этот метод схож с TRGB, но имеет свои особенности. Их оценки постоянной Хаббла находятся в диапазоне 71–78 (км/сек)/Мпк, с фидуциальным значением 74,7 (км/сек)/Мпк, с учетом системных и статистических поправок.

В апреле международная коллаборация DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) представила результаты, которые практически повторяют данные, полученные обсерваторией "Планк". Они оценили постоянную Хаббла как 67,53 ± 0,38 км/сек/Мпк. Это значение было получено на основе изучения барионных акустических осцилляций с помощью оптической спектроскопии света далеких галактик.

В данном случае наблюдаются не сами осцилляции, а их следы, которые "впечатаны" не в анизотропию реликтового излучения, как в случае с "Планком", а в крупномасштабные трехмерные структуры космической материи, такие как скопления галактик. Этот метод позволяет изучать распределение материи во Вселенной и извлекать информацию о её расширении.

Сообщение о результатах DESI не является абсолютно новым, поскольку четыре года назад были получены схожие результаты в рамках Слоановского цифрового обзора космоса (SDSS). Летом 2020 года одна из коллабораций этого проекта оценила постоянную Хаббла в 68 (км/сек)/Мпк. Это подтверждает, что более низкие значения постоянной Хаббла, полученные из анализа крупномасштабных структур, не являются единичными.

Однако стоит отметить, что в научной литературе уже появились вопросы к результатам команды DESI. Это означает, что их выводы могут быть пересмотрены или даже опровергнуты в будущем. Тем не менее, проблема "хаббловского напряжения" остается актуальной.

Очень короткое заключение

В заключение можно сделать некоторые предположения. Основная причина бимодальности в значениях постоянной Хаббла заключается в том, что они оцениваются на основе двух принципиально разных подходов. Оценки верхней моды получаются из наблюдений фотонных потоков, которые были созданы относительно недавно и не так далеко от Земли, если говорить в космологических масштабах. Эти данные отражают события, происходящие "здесь и сейчас" на космологической шкале времени и расстояний.

С другой стороны, реликтовое излучение, которое мы наблюдаем, пришло к нам из эпохи рекомбинации, которая произошла примерно через 400 тысяч лет после Большого взрыва. Это излучение несет информацию о гораздо более раннем состоянии Вселенной. Разница между этими подходами очевидна.

Я попросил прокомментировать проблему Hubble tension одного из ведущих российских специалистов по космологии члена-корреспондента РАН Дмитрия Сергеевича Горбунова. Он сказал, что не видит другого объяснения кроме гипотезы, что либо перед началом рекомбинации, либо незадолго до нашего времени случилось что-то такое, что сделало невозможной однозначную оценку постоянной Хаббла. Что именно — тайна сия велика есть. Если так, остается надеяться, что когда-нибудь ее удастся разгадать. А надежды питают не только юношей, но также астрономов и космологов любых возрастов.

Источники:
1) A. Riess et al., 2024. JWST Observations Reject Unrecognized Crowding of Cepheid Photometry as an Explanation for the Hubble Tension at 8 sigma Confidence // электронный препринт arXiv:2401.04773 [astro-ph.CO].
2) S. Li et al., 2024. Reconnaissance with JWST of the J-region Asymptotic Giant Branch in Distance Ladder Galaxies: From Irregular Luminosity Functions to Approximation of the Hubble Constant // электронный препринт arXiv:2401.04777 [astro-ph.CO].
3) DESI Collaboration. DESI 2024 VI: Cosmological Constraints from the Measurements of Baryon Acoustic Oscillations // электронный препринт arXiv:2404.03002 [astro-ph.CO].


Алексей Левин

שתמיד תהיה אמא - צוות התכנית "טוב לגדול" Hebrew, English, Russian, French, Yiddish, etc

В Иране в экстренном порядке прекращают работу аэропорты

Управление гражданской авиации Ирана сообщило о прекращении работы иранских аэропортов, начиная с 21:00 (20:30 по времени Иерусалима) 6 октября и до 6:00 7 октября. Согласно сообщению, решение вызвано оперативными соображениями.

Как отмечают многие СМИ, в том числе, телеканал "Аль-Джазира", в Иране ожидают ответного израильского удара после того, как 1 октября режим аятолл нанес ракетный удар по территории Израиля. Было задействовано около 200 ракет.

Иранские СМИ заявили о разрушении нескольких израильских авиабаз. Израильские власти признают, что был нанесен ущерб базам Тель-Ноф и Неватим, однако заявляют, что ни один из самолетов не пострадал и удар не повлиял на действия ВВС ЦАХАЛа.

5 октября, после исхода субботы, глава правительства Израиля Биньямин Нетаниягу заявил, что Израиль имеет полное право и обязанность ответить на ракетные обстрелы со стороны Ирана.

"Иран дважды выпускал по нашей территории сотни баллистических ракет. Ни одна страна в мире не стерпела бы таких ударов по своим городам и своим гражданам. Израиль тоже не будет терпеть", - сказал он.

https://www.newsru.co.il/mideast/6oct2024/planes_202.html

Hot Skull aka Sicak Kafa (фильм) 2012

В антиутопическом мире, где эпидемия распространяется через вербальное общение (очень похоже на короновирус), тираническая организация преследует лингвиста, иммунного к болезни. Как побочный эффект у него от этого буквально раскалывается голова, мозг прямо кипит. Жанр: политические телешоу, телевизионные драмы, турецкие сериалы, научная фантастика, телешоу по книгам.

https://www.netflix.com/il-en/title/81127080

KAOS (фильм)

Для любителей древнегреческих мифов я рекомендую мини-сериал "KAOS". Жанр: телевизионные драмы, британские сериалы, телевизионные комедии, фэнтези-шоу.

https://www.netflix.com/il-en/title/80997258

כוננות גבוהה בצה"ל לקראת ציון יום 7 באוקטובר (Hebrew)

בישראל נערכים לאפשרות שארגוני הטרור בעזה ינסו לשבש את אירועי הזיכרון באמצעות ירי רקטות - גם למרכז הארץ, וגם באמצעות פיגועים בשטח המדינה. במקביל, הכוחות ייערכו לבלום ניסיונות חדירה או התקרבות לכוחות הפועלים בצפון עזה

https://t.me/c/2164860351/13253

Теракт на автовокзале в Беэр-Шеве: убита девушка, 9 ранены

Вооруженный огнестрельным оружием террорист в воскресенье, 6 октября, открыл стрельбу в комплексе центральной автобусной станции Беэр-Шевы. Ранения получили 10 израильтян. Одна из них, 20-летняя девушка,
[סמ"ש שירה חיה סוסליק ז״ל סיירת במג״ב דרום]
[Сержант Шира Хая Суслик, мир её праху, патрульная в южном подразделении пограничной полиции]

вскоре скончалась. Террорист, приехавший на станцию на автобусе и открывший огонь из пистолета, ликвидирован. Полиция установила его личность. Это житель бедуинского кочевого стана в Негеве, имевший уголовное прошлое.

По сообщению очевидцев, было три очага стрельбы. Один возле закусочной McDonald's, второй - в расположенном рядом кафе, третий - возле входа в пассажирский терминал. "Мы стояли в очереди за автобусными билетами, - рассказала...женщина, ставшая свидетельницей теракта. - Вдруг услышали звуки выстрелов и громкие крики. Все началось возле McDonald's".

"Я увидел рядом другого солдата и крикнул ему: "Давай вместе скрутим террориста!" - рассказал боец батальона "Каракаль". - Тут прогремели еще несколько выстрелов. Солдат сказал, что его ранили. Я оттащил его в сторону, там как раз была медсестра, оказавшая раненому первую помощь. Когда я вернулся на место стрельбы, террорист уже был нейтрализован".

По данным предварительного расследования, стрельба продолжалась несколько секунд. Террориста ликвидировали военнослужащие, находившиеся на станции...

Служба скорой помощи "Маген Давид Адом" передает: в результате теракта были ранены 11 человек. Молодая женщина находилась в критическом состоянии, медики боролись за ее жизнь, но в итоге констатировали смерть раненой. В больницу "Сорока" направлены 10 раненых: девушка примерно 20 лет в состоянии от средней тяжести до тяжелого (огнестрельное ранение), четверо в состоянии средней тяжести, всем около 20 лет (огнестрельные ранения), пятеро получили легкие ранения и травмы.

Трем людям потребовалась помощь медиков для выведения из состояния нервного шока.

Полиция и спецслужбы ведут розыск возможных сообщников террориста.

Место происшествия оцеплено полицией...

https://www.vesty.co.il/main/article/b1zfngxyyg
https://www.newsru.co.il/israel/6oct2024/b_129.html

Katz: Картели в России — худшее последствие войны

На днях Путин подписал закон, который позволяет подписывать контракт с Минобороны не только на этапе следствия и приговора, но и в ходе судебного процесса. Поговорим сегодня о долгосрочных последствиях подобных действий российского государства.

https://www.youtube.com/watch?v=osB7XWR6C8M

39 тысяч лет назад в Арктике уже жили люди

Ученые Академии наук республики Саха (Россия) проанализировали разрезы на шкуре мамонта, погибшего 39 тысяч лет назад на севере Сибири. Ученые пришли к выводу, что разрезы оставлены кремневыми ножами.

В 2010 году охотники-юкагиры обнаружили на побережье моря Лаптевых на севере Сибири замороженного мамонтенка. Это самка. Ее возраст в момент смерти составлял примерно 6-9 лет. Это уникальная находка, поскольку у мамонта сохранились не только шерсть, но и многие мягкие ткани, и частично – мозг и кровь. Мамонт получил имя Юки и стал предметом внимательнейшего исследования.

Ниже есть продолжение.

Юка погибла, судя по следам зубов и когтей, от нападения крупного хищника, но прежде чем она опустилась на дно озера, где замерзла на 39 тысяч лет, с ней случилось еще кое-что. Уже при первых осмотрах Юки ученые обратили внимание на длинный и достаточно ровный разрез вдоль спины. Его длина составляет около метра. Ученые предположили, что молодую самку мамонта разделывали люди, и именно они нанесли продольный разрез, чтобы извлечь мясо.

Но оставалось много вопросов. Море Лаптевых находится далеко на севере, климат там очень суровый, неужели почти 40 тысяч лет назад люди уже пришли туда и там жили, и охотились на мамонтов?

Этот вопрос долго оставался открытым. Ученые из Академии наук республики Саха специально исследовали разрезы на шкуре мамонта.

Работа опубликована в журнале Journal of Archaeological Science: Reports.

Ученые провели ряд экспериментов с кусками воловьей шкуры и с кожей другого мамонта. Ученые резали шкуры кремневыми и железными ножами. Ученые применили методы криминалистики, чтобы выяснить каким орудием был нанесен разрез на спине Юки. В результате они показали, что этот длинный разрез не мог быть нанесен зубами или когтями животного. Вероятно, он был сделан широким кремневым ножом. Причем он был разрез нанесен еще до того, как мамонт замерз.

События, которые развернулись на берегу мелководного северного озера, теперь выглядит примерно так. Мамонт подвергся нападению крупных хищников. Но они не успели его съесть, потому пришли не такие крупные, но более умелые хищники, которые отобрали добычу. А это значит, что 39 тысяч лет назад в Арктике уже жили люди.

Будьте с нами:

https://www.newsru.co.il/science_hitech/3oct2024/mammuthus.html