Мироздание за пределами Вселенной 3 страница
Барионное (кваркосодержащее) «темное вещество» заключено в тусклых холодных белых карликах – это 2% от «темного вещества» галактического гало [604], – а также в МАСНО (массивных, компактных объектах гало планетарных масс), выявляемых методом микролинзирования: в тот момент когда они затмевают внегалактические звезды (галактик Большое Магелланово Облако и М22), те ненадолго ярко вспыхивают, становясь видимыми по обе стороны от затмевающего МАСНО, привлекая наше внимание (МАСНО гравитационно стягивают лучи света от них, выполняя роль маленькой гравитационной линзы, откуда происходит название метода микролинзирования) [133; 376; 665; 666]; cp. [224]. Можно упомянуть еще гипотетические космические струны – сверхмассивные, протяженные объекты замкнутой, петлистой фактуры, сохранившиеся от первой секунды жизни Вселенной, когда они застыли как пограничные состояния ее фазовых переходов (наподобие прожилок на замерзшем стекле, только длиной в световые годы) [22; 132; 167].
В небарионном (бескварковом) «темном веществе» предполагаются аксионы (см. разд. 1.1) [332; 586; 705] и вимпзиллы [360; 376]. Вимпы представляют собой слабо взаимодействующие массивные частицы в 106 ГэВ (гигаэлектронвольт), а вимпзиллы (т. е. вимпы‑годзиллы) – это слабо взаимодействующие сверхмассивные частицы в 1012 ГэВ, которые еще предстоит открыть. Сюда же относятся гравитино (см. разд. 1.1) [332; 371, с. 39] и хиггсино (см. разд. 1.1) [371, с. 39; 706]. Называют также нейтралино (суперпартнер фотона со спином 1/2, т. е. аналог фотино, в 10–1000 масс протона) [760] и само фотино в 100 масс протона (см. разд. 1.1) [332; 371, с. 39; 705; 706; 725]. Наконец, популярны снейтрино [371, с. 39], таунейтрино с массой в 17–17,2 кэВ или 15–10000 ГэВ [303; 343; 376; 513; 528; 530; 673; 706; 739] и электронное нейтрино с массой от менее 7 эВ до 30 эВ [740; 760] (см. разд. 1.1).
|
|
|
Перечисленные микрообъекты занесены в состав «темного вещества» как бы наудачу, в ожидании наблюдательных открытий [725]. Между тем обобщенный подход имеется в теории суперструн, где «темному веществу» соответствует «теневое вещество» Е 8' из калибровочной группы Е 8 × Е 8', в которой группа Е 8 описывает мир обычного, «светлого вещества» [9, с. 520; 122, с. 583; 472]. Напомним, что калибровочные группы служат математической основой для принятия «к производству» не произвольного набора объектов и их свойств, а их некой математически обоснованной матрицы вроде таблицы умножения. Поскольку вездесущим фоном нашего мира «светлого вещества» является известное реликтовое микроволновое излучение, наполняющее космос и состоящее из фотонов с температурой в 2,726 ± 0,01 К [705; 760], то фоном невидимого мира «темного вещества» могло бы оказаться фотино, и без того присутствующее среди кандидатов на эту грозную роль.
|
|
|
Причину сокрытости от нас «холодного темного вещества» можно понять. Допустим, оно действительно состоит из суперчастиц (в том числе фотино), для которых единодушно предполагается значительная индивидуальная масса. Тогда сопоставимое с числом «светлых» частиц количество «темных» суперчастиц должно быть в несколько раз массивнее, что объясняет тот факт, что оценочная масса «темного вещества» достигает 90–99% массы всей Вселенной, в то время как на долю «светлого вещества» приходится 1–10%.
Следует также отметить, что, помимо гравитонов, «темное вещество» не испускает иных излучений, в том числе электромагнитных, световых, откуда происходит его мрачное название. Причина может состоять в следующем. Суперчастицы очень массивны, и радиусы их взаимодействий крайне малы (см. разд. 1.1). В силу этого обстоятельства суперчастицы не в состоянии взаимодействовать со «светлым» веществом, образовывать с ним комбинации, склонные излучать фотоны (как свойственно всякому «светлому веществу»), обнаруживать себя оптически или же путем магнетизма, т. е. слабых и сильных взаимодействий. Поэтому, даже находясь рядом с нами, «темное вещество» останется неощутимым.
|
|
|
Таким образом, версия «темного вещества», состоящего из суперчастиц, представляется наиболее простой и убедительной, поскольку органично встраивается в современную научную картину физического мира. Другое дело, что природа «темного вещества» не облегчает задачу его эмпирического обнаружения, так как экспериментальное проникновение в мир суперчастиц с малыми радиусами взаимодействий требует больших энергий.
Зная отношение вселенской массы «светлого вещества» к массе «темного» (ок. 0,1–0,01), мы в состоянии предположить порядок масс отдельных суперчастиц (см. рис. 1). В принципе, их массы могут колебаться от 0,7–7,0 эВ у сэлектронного снейтрино до 1780–17800 ГэВ у истинного скварка. По‑видимому, подобные объекты не в силах образовывать привычные нам формы вещества (нуклоны, атомы, молекулы), так как требуют очень высоких энергий для своего сближения, а в современной холодной Вселенной таких энергий нет. Если же они появятся, мощи сильного взаимодействия не хватит, чтобы удерживать суперчастицы в ансамблях, вследствие чего они и не сложились на заре горячей Вселенной. Из сказанного следует, что мир «темного вещества» чужд миру «светлого» в силу отсутствия организации, отчего «темный мир» представляется этаким холодным древним хаосом, о присутствии которого во Вселенной догадывались уже первобытные охотники.
|
|
|
Разделение громадного «темного» и крохотного «светлого» миров началось 13,(3) млрд лет назад, когда чередование событий измерялось мельчайшими планковскими квантами времени, меньше которых не существует единиц измерения времени по квантово‑механическим причинам, – это 5,4 × 10–44 с. На заре нашего мира Вселенная пребывала в форме сингулярности (см. разд. 1.3). Затем она распалась на суперточки (см. разд. 1.1), которые превратились в трепещущие суперструны, что явилось первым проявлением термодинамики во Вселенной. Термодинамика – это наука о динамических состояниях макроскопических систем, и на заре времен начало им было положено хаотичным биением юных суперструн, рождающих закон неубывания энтропии (см. разд. 1. 4).
Отталкиваясь друг от друга, суперструны начали расходиться во все стороны, а новорожденная Вселенная стала расширяться и, соответственно, остывать. До момента 10–43 с после Большого Взрыва четыре основных физических взаимодействия (гравитационное, слабое, электромагнитное, сильное) проявлялись на одинаковых дистанциях и были неразличимы по эффектам (т. е. пребывали в состоянии Великого Объединения). Затем рост дистанций между суперструнами обособил гравитацию. По той же причине в момент 10–35 с после Большого Взрыва отделилось сильное взаимодействие, и Вселенная перестала склеиваться глюонами, переносчиками самого мощного – сильного – взаимодействия. В результате Вселенная взрывообразно вздулась. Эта стадия раздувания Вселенной (инфляция) заняла 10–35/10–34 – 10–32 с после Большого Взрыва, когда Вселенная выросла в 1050 раз [34; 67; 68; 373; 388; 389; 390; 512; 532]; cp. [448]. (Поясним при этом, что разделение фундаментальных физических взаимодействий по мере расширения и остывания Вселенной происходило потому, что для каждого из них характерны определенные дистанции проявления: в крохотной Вселенной они неразличимы, а в расширившейся заявляют о себе во весь голос.)
В эпоху 10–32 – 10–6 с после Большого Взрыва Вселенную наполнял кварк‑электронный бульон. Через 1 с после Большого Взрыва состоялось разделение электромагнитного и слабого взаимодействий, и началось образование протонов. Спустя 100 тыс. лет после Большого Взрыва Вселенная все еще выглядела как смесь вещества и излучения (фермионов и бозонов). С возникновением нейтронов появились атомы (гелия, дейтерия, лития – 0,5 млн лет после Большого Взрыва [547]). Наступило разделение вещества и излучения – Вселенная стала прозрачной, как в настоящий момент. Из затравок, обусловленных колебаниями плотности вещества, зародились протосверхскопления, которые через 200 млн лет после Большого Взрыва [547] превратились в сверхскопления галактик. Разделенные колоссальными пустотами, они стали каркасом ячеистой крупномасштабной структуры Вселенной [41]. Обособление «темного» вещества от «светлого» произошло еще в ходе раздувания Вселенной, когда щупальца взаимодействий тяжелых суперчастиц перестали доставать до юрких, легких элементов «светлого» вещества.
Схема нынешней Вселенной видится следующим образом (рис. 2). В ее центре висит Великий Аттрактор (Абелль 3627), окруженный шестилучевым надсверхскоплением галактик, часть которого является агломератом Рыб – Кита (куда входят сверхскопления галактик Волосы Вероники, Гидра – Кентавр, Персей – Рыбы, Рыбы – Кит; поперечник этого образования достигает 1,2096 млрд светолет, масса 1017 – 1018 солнечных масс [759; 783]). Другая часть надсверхскопления связана с волокном Персей – Пегас протяженностью 912,8 млн светолет [177; 759]. Во все стороны от агломерата Рыб – Кита разбегаются пустоты того же поперечника, по десятку в каждом направлении. В их стыки вкраплены надсверхскопления галактик вроде нашего агломерата Рыб – Кита, только сильнее разреженные и менее массивные. Речь, разумеется, идет об идеализированной схеме – в реальности она причудливо искажена, разнообразится пустотами меньшего масштаба [411] и т. д.
Рис. 2. Принципиальная схема строения анизотропной Вселенной, имеющей расширяющуюся периферию и центр, совпадающий с древним эпицентром Большого Взрыва. Условно обозначены: + центр Вселенной, отвечающий Великому Аттрактору, или скоплению рентгеновских галактик Абелль 3627; его окружает ромбическая область агломерата Рыб – Кита, где находится × Галактика Млечный Путь с нашей Солнечной системой; поперечник агломерата Рыб – Кита достигает 1,2 млрд световых лет; О – пустоты, лишенные вещества, из которых в основном состоит Вселенная; вещество имеется лишь на границах пустот и в ромбических пазах между ними; поперечник одной пустой полости в среднем составляет 1,2 млрд светолет, что предполагает радиус Вселенной в 13,(3) млрд светолет; × Галактика Млечный Путь лежит на 303 млн светолет к «северу» от Абелля 3627; ∞ – окружающий Вселенную гипотетический Вечно Изменяющийся Мир, породивший ее 13,(3) млрд лет назад
Идея анизотропной Вселенной, располагающей конкретным центром, выглядит революционной лишь на первый взгляд. В действительности никакой другой Вселенная быть и не могла. В самом деле, общепризнанная космогония исходит из того, что Вселенная родилась в Большом Взрыве. Но всякий взрыв располагает эпицентром. Несомненно, он имелся и у Большого Взрыва. В таком случае расширение Вселенной происходило относительно этого эпицентра, который и является полноценным центром Вселенной. В сущности, мы всего лишь конкретизировали его местонахождение, отождествив таковое с небесными координатами Великого Аттрактора.
Представленная выше картина макромира позволяет единообразно разрешить самые острые парадоксы новейшей астрофизики. К ним относятся нарушения закона Хаббла удаленными квазарами и сверхновыми звездами, откуда в конечном счете следует, что либо Большого Взрыва никогда не было, а следовательно нет и закона Хаббла, либо Вселенная в десять раз древнее, чем полагают, и тогда львиная доля космогонии (астрофизической науки о происхождении Вселенной) подлежит забвению… Попробуем детально разобраться с этими бедами.
Закон Хаббла подразумевает, что в расширяющейся Вселенной скорость удаления галактик, например от нашего Млечного Пути, пропорциональна расстоянию этих галактик от нас. Так происходит не потому, что Млечный Путь занимает исключительное место во Вселенной, а потому, что Вселенная повсеместно как бы раздвигается. Из‑за этого одновременно растут расстояния между всеми галактиками, эти расстояния в наших глазах складываются, и нам закономерно кажется, что ближайшая галактика удаляется со скоростью Х, вторая по удаленности – со скоростью 2Х, третья – 3Х и т. д. Изящество и простота закона Хаббла покорила астрофизическую науку.
Связанная с ним сложность всегда состояла в том, что никак не удавалось однозначно определить абсолютную скорость, с которой расширяется Вселенная. Мы точно знаем, какая из галактик удаляется от нас быстрее, но с какой именно скоростью – не знаем. Это происходит потому, что астрономам нелегко определить точные расстояния до других галактик. В результате всякое очередное определение какого‑либо из этих расстояний тут же приводит к оглашению новой величины для скорости расширения Вселенной, т. е. для постоянной Хаббла, о разбросе величин которой говорилось выше.
Можно задаться вопросом: имеет ли это обстоятельство мировоззренческое значение? Ответ состоит в том, что, не зная постоянной Хаббла, мы не узнаем возраста Вселенной. Не зная возраста Вселенной, мы не поймем, как она строилась. Не понимая, как она строилась, мы не поймем, что ее ждет. Для космической цивилизации, в которую постепенно превращается цивилизация человеческая, такое положение вещей неприемлемо. Кроме того, нам интересно было бы узнать, как устроен небесный мир…
Методика расчета центра Вселенной (см. выше) привязывает постоянную Хаббла к дистанции от этого центра. В радиусе до 0,6 млрд светолет от вселенского центра Хабблова постоянная убывает пропорционально кубу расстояния от 105 км/с на мегапарсек (в 33 млн свето‑лет от центра Вселенной) до 39,8 км/с на мегапарсек. Это укладывается в разброс постоянной Хаббла 39–105 км/с на мегапарсек, полученный для измеряемой части Вселенной, которая оценивается в 0,5 млрд све‑толет [605; 657; 830]. С удалением в 5 млрд светолет от центра Вселенной H 0 убывает до 19,6, т. е. наполовину против своих минимальных эмпирических величин, и начинает нарушать закон Хаббла, требующий, чтобы с удалением постоянная Хаббла росла, а не падала. Однако наши теоретические выводы (см. приложение 7) согласуются с фактическими данными.
Для исследования космических глубин Вселенной используются своего рода космические маяки: сверхновые звезды и квазары (квазизвездные объекты). Сверхновая звезда – это колоссальная звездная вспышка, когда звезда выгорела, перестала разбухать от излучения и температуры, стремительно сжалась и катастрофически взорвалась от скачка гравитационной энергии или от термоядерной реакции в своем вырожденном углеродном ядре (исследования в этой области еще продолжаются). Максимальный блеск взрыва у сверхновых звезд типа I удерживается около недели, а у сверхновых типа II – около 20 дней. Квазар же – это ядро чрезвычайно активной галактики с «черной дырой» (сколлапсировавшей звездой) в центре (исследования продолжаются). Использующие гравитационную энергию своих «черных сердец» квазары исключительно ярки.
Зона распространения квазаров лежит в 0,25–12 млрд световых лет от нас. Поэтому половина квазаров находится в области нарушения закона Хаббла согласно нашим представлениям. Удаляющиеся от нас объекты имеют искажения в своих спектрах, называемые красным смещением: чем выше скорость удаления, тем больше красное смещение. Статистический анализ красных смещений квазаров показывает, что они наполовину не подчиняются закону Хаббла [591; 592]. Удаленные сверхновые звезды типа Ia, чей возраст превышает древность Земли (4,51 млрд лет), также нарушают закон Хаббла [615; 645]. Проще говоря, удаленные квазары и сверхновые звезды улетают от нас гораздо медленнее, чем ожидалось. При этом их удаленность говорит о древнем возрасте, поскольку свет от них идет к нам в среднем около пяти млрд лет.
Это открытие привело исследователей к прямолинейной мысли о том, что в древности скорость расширения Вселенной была заметно ниже нынешней (т. е. свойственной окрестностям нашей Галактики), а теперь она увеличилась под влиянием некой «отталкивающей силы» [356–359; 516; 610], обусловленной загадочной «темной энергией» [200; 302; 474; 475; 617; 789]; cp. [837]. Сторонники этой концепции экстраполируют торможение в расширении Вселенной в глубь времен и автоматически приходят к выводу, что Вселенная старше 150 млрд лет.
Подобный вывод неприемлем, поскольку за такой огромный срок сменяющие друг друга поколения звезд могли успеть десятикратно переработать все исходное вселенское вещество на тяжелые элементы, так что мы жили бы в мире без водорода, гелия и прочих легких элементов, чего не наблюдается. Кроме того, с физической точки зрения представляется противоестественной картина, когда продукты Большого Взрыва поначалу разлетаются вяло, а потом ни с того ни с сего в нарушение законов сохранения набирают скорость. Физическая наука подобных взрывов не знает. По‑видимому, концепция «отталкивающей силы» и «темной энергии» не продумана.
На наш взгляд, падение постоянной Хаббла на периферии Вселенной носит не временной, а пространственный характер. Поскольку объем Вселенной с удалением от вселенского центра растет как куб расстояния, разбегание ее вещества должно тормозиться в той же прогрессии. На самом краю Вселенной постоянная Хаббла опускается до 14,2 км/с на мегапарсек безо всякого влияния какой‑либо дополнительной энергии, в том числе и «темной». По той же причине местная плотность вещества там (Ωloc = ~ 0,226) сокращается не потому, что Вселенная «открыта», а в силу того, что она подчиняется элементарным требованиям стереометрии. Эти обстоятельства выявляются именно в анизотропной модели Вселенной (с центром и периферией). Изотропная (однородная) модель таких возможностей не дает.
Завершая обсуждение анизотропной модели Вселенной, мы вынуждены добавить несколько «апокалиптических» штрихов. Если агломерат Рыб – Кита уже целиком захвачен гравитонами Великого Аттрактора (а это вероятно), то процесс стяжения агломерата к центру Вселенной должен был начаться еще 605 млн лет назад, когда наш мир достиг возраста 12,73 млрд лет. В то время скорость его расширения на периферии (14,4 км/с на мегапарсек) упала впятеро против центральных областей и перестала нейтрализовать их стягивающее гравитационное влияние. В результате начался Большой Коллапс Вселенной. (Заметим в скобках, что это обстоятельство отличает ее от испаряющихся «черных дыр» [79, с. 291–296], с которыми Вселенная сравнивается в теории «пространственно‑временной пены», см. гл. 1.3.) Ожидаемое время жизни Вселенной в общей сложности займет 25,5 млрд лет, свыше половины которых пройдено (см. приложение 7). Таким образом, известному нам миру осталось каких‑то 12,124 млрд лет существования…
Сингулярность
Породившая Вселенную космологическая сингулярность, имея размерность порядка планковской длины, характеризовалась планковской энергией εPl = 4,64 × 10114 эрг/см3 и кривизной пространства‑времени |R iklm R iklm | ~ = 1,47 × 10131 см‑4. Обладая плотностью не меньше планковской ρPl = 5,16 × 1093 г/см3, этот объект развивал настолько мощное поле тяготения, что останавливал для себя течение времени. С ним ничего не происходило. Поэтому следует считать, что момент его рождения совпадал с моментом его гибели (т. е. с распадом в Большом Взрыве; см. разд. 1.7).
Конечно, всякому пытливому уму мало знать сухие цифры, характеризующие объект, породивший Вселенную. Как же выглядела сингулярность? Ответ на этот вопрос дать крайне трудно. Не имея биографии во времени (поскольку оно стояло), сингулярность провела свой моментальный век, чуть обозначившись. Со стереометрической точки зрения ее форма едва ли могла развиться дальше элементарной точки, о которой нечего сказать. Кроме того, она была невидима – это совершенно несомненно, и вот почему.
Сингулярность напоминала «черную дыру», звезду, провалившуюся внутрь себя за гравитационный радиус, чрезвычайно уплотнившуюся и не выпускающую из себя даже света (что делает ее невидимой). Эти вероятные черты сингулярности привели к идее так называемой пространственно‑временной пены [405; 140; 373, с. 47], согласно которой мироздание представляет собой скопище «черных дыр», то вспухающих, как наша Вселенная в прошлом, то опадающих, как она же в будущем. Недостаток этой идеи состоит в том, что она полагает для необозримого мироздания частные особенности нашего мира, что не выдерживает критики. Не исключено, что ближайшие к нашей Вселенной области Мироздания и впрямь наполнены «пространственно‑временной пеной», однако остается вопрос: что находится за ее пределами? Подобная философская сторона проблемы выходит за рамки физики, но не является неразрешимой (см. разд. 1.7).
Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 120; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!