Спекулятивные космологические теории есть следствие ОТО

Теория называется спекулятивной, если она непроверяема в принципе. Ни в момент её создания, ни когда-либо в будущем. Авторы спекулятивных теорий могут даже предложить принципиальную схему для проверки своей теории. Но по одному меткому замечанию, для проверки такой теории на опыте либо нужно построить установку размером с галактику, либо проводить эксперимент протяженностью в миллиарды лет. Наибольшую известность приобрели две спекулятивные космологические теории - теория суперструн и теория петлевой квантовой гравитации, о них будет ниже.

О том, что к созданию общей теории относительности (ОТО) привела череда ошибок непонимания великих физиков, рассказано в статье "Вселенная состоит из барионной материи" (http://www.astrogalaxy.ru/880.html). О том, что Большой взрыв и стандартная модель расширяющейся Вселенной противоречат практически всем наблюдениям астрономов, говорится в http://www.astrogalaxy.ru/876.html ОТО ввела в обиход космологов понятия чёрной дыры, гравитационных волн, тёмной материи, тёмной энергии, ни одно из которых до сих пор не имеет экспериментального подтверждения. (Не путать надёжные экспериментальные подтверждения с вольными толкованиями наблюдателей!).

Свежий пример того, как получают в современной космологии "надёжные экспериментальные подтверждения" научное сообщество получило совсем недавно.

В январе 2012 г. были опубликованы объединённые данные по наблюдению галактики CID42 телескопами XMM-Ньютон, Чандра и Хаббла, а также несколькими наземными телескопами. Согласно этим данным галактика содержит два очень близких, компактных источника оптического излучения, совмещённых с источником рентгеновского излучения (рис. 1) (http://science.compulenta.ru/544090). Источник рентгеновского излучения занимает эксцентричное положение, а его скорость перпендикулярна плоскости рисунка и направлена от наблюдателя. На фотографии просматривается длинный газовый хвост, который свидетельствует о гравитационном взаимодействии двух галактик, или, возможно, даже о процессе их слияния. Скорости двух компактных оптических источников более чем на 1 000 км/с отличаются друг от друга. Расстояние до галактики CID42 (3,9 млрд световых лет), и скорости движения источников определялись по красному смещению излучения.

Для сравнения на рис.2 показаны фотографии других взаимодействующих галактик тоже, как правило, снабжённых хвостами (http://www.vokrugsveta.ru/vs/article/3439).

Что же касается источника рентгеновского излучения, занимающего эксцентричное положение, то есть основания полагать, что он не входит в общую группу с двумя оптическими источниками. То, что на снимке объекты кажутся близкими, есть просто эффект проецирования их на небесную сферу, проиллюстрированный рисунком 3.

Предвидится возражение, что расстояния до всех трёх источников имеют почти одинаковое красное смещение и, значит, все три источника действительно находятся рядом друг с другом. Ну, во-первых, не совсем одинаковое, поскольку сумели засечь разницу в их индивидуальных скоростях. А во-вторых, красное смещение двух действительно находящихся рядом источников излучения может оказаться очень даже разным. На рис.4 показаны две галактики из каталога Арпа, связанные газовым перешейком, что свидетельствует о физической близости этих галактик. А красные смещения у них такие, как будто расстояние между ними в 150 раз превышает расстояние от нашей Галактики до Туманности Андромеда. Поэтому близость красных смещений ещё не обязательно означает близость источников излучения.

На наш взгляд, наиболее правдоподобная расшифровка фотографии объекта CID42 такая:

1. Два источника оптического излучения - это две обычные галактики, находящиеся в стадии гравитационного взаимодействия, но ещё не слившиеся в одну галактику. Образование единой галактики может и не произойти, так как скорости галактик относительно друг от друга велики - более 1 000 км/с.

2. Рентгеновский источник, зафиксированный на фотографии CID42, это рентгеновская галактика (скопление галактик?), не входящая в группу гравитационного взаимодействия и попавшая на фотографию в силу случайного наложения изображений. Для выбора варианта "рентгеновская галактика" или "скопление галактик" опубликованных данных недостаточно.

3. Рентгеновское излучение может давать только газ, нагретый до десятков миллионов градусов. Такую температуру имеют нейтронные звёзды, а также газ в гало галактики, либо газ в гало скопления галактик. Газ в гало до таких высоких температур нагревается ударными волнами. Очевидно, что рентгеновский источник не нейтронная звезда и, по-видимому, не скопление галактик. Согласно современным оценкам число доступных для обнаружения рентгеновских галактик во Вселенной может достигать 10 000 (http://vsln.ru/neytronnyie-zvezdyi.html). К настоящему моменту было зарегистрировано только 2 600 рентгеновских галактик. Так что мы можем поздравить себя с регистрацией 2601-й рентгеновской галактики!

Но приведенное здесь объяснение международной группе астрономов, занимавшейся анализом фотографий галактики CID42, показалось слишком простым и неинтересным. По-настоящему "современный" анализ должен содержать что-нибудь из обязательного джентльменского набора: {чёрная дыра, гравитационные волны, тёмная материя, тёмная энергия}. Поэтому, подумав полгода, группа астрономов опубликовала следующее объяснение. Происходящее - результат столкновения и слияния двух сверхмассивных чёрных дыр получивших мощный импульс от неоднородного распределения в пространстве гравитационных волн, образовавшихся при столкновении.

При этом, утверждают авторы, одну чёрную дыру гравитационными волнами выбросило из скопления, а оставшаяся стала рентгеновским источником. Из этого делается вывод, что огромное количество чёрных дыр блуждает в межгалактическом пространстве, но они невидимы, потому что чёрные (http://science.compulenta.ru/684497). После чтения этого сообщения остаётся некоторая неясность: поскольку две чёрных дыры при столкновении слились в одну, а ещё какую-то чёрную дыру выбросило в космическое пространство, то в столкновении участвовали три чёрных дыры? Несмотря на путаницу в количестве чёрных дыр, такое объяснение сочли более предпочтительным - в данном сценарии есть чёрные дыры, есть гравитационные волны, да ещё и блуждающие чёрные дыры появились на свет впридачу. А чтобы непонятливый читатель хорошенько представил себе, что имеется в виду, был присовокуплён ролик, где с помощью машинной графики наглядно показано, как это всё происходило. Одним словом, проведено "глубокое" научное исследование.

Разумеется, интернет-издания немедленно растиражировали потрясающую новость, а некоторые даже добавили свои толкования. Вот одно из них: "Удаленное от центра галактики положение слившейся черной дыры астрономы объясняют тем, что она была выброшена из-за несимметричного излучения гравитационных волн в процессе слияния. Таким образом, наблюдение за галактикой может стать первым прямым подтверждением их существования, предсказанного еще Эйнштейном в его общей теории относительности" (http://vlasti.net/news/143431).

Ну вот, наконец-то получено "первое прямое подтверждение" существования гравитационных волн! Вам кажется, что такое подтверждение несерьёзно? Так ведь доказательства существования чёрных дыр, тёмной материи и тёмной энергии не более весомы, чем приведенное "прямое подтверждение" наличия гравитационных волн.

Вероятно, следовало бы констатировать: ОТО не может служить основанием для развития непротиворечивой, соответствующей астрономическим наблюдениям науки "Космология".

К сожалению, пагубное влияние ОТО на развитие Космологии сказанным выше не исчерпывается. Дело в том, что для развития космологии требуются знания не только закономерностей природы для космических масштабов, но, не в меньшей мере, знания законов микромира. А законы микромира в настоящее время диктуются квантовой механикой (КМ). И вот на стыке КМ и ОТО и начало происходить самое интересное. Но сначала поговорим о квантовой механике.

"Квантовая механика создавалась как эмпирическая наука - на базе наблюдений, фактов, экспериментов. И навряд ли можно предположить другой путь развития науки, как: наблюдение, факт, эксперимент - эмпирический закон - проверка и уточнение закона - разработка (создание) теории - проверка и уточнение теории. Однако квантовой механике не повезло, - она создавалась сразу после специальной теории относительности и одновременно с общей теорией относительности…" (Н.Носков, http://n-t.ru/tp/ng/bnkm.htm).

После создания СТО практически утвердился принцип отказа от причинно-следственной связи между явлениями, а после создания ОТО был негласно введён в практику примат принципа угадывания математического формализма, "не обращая внимания на физические модели или физическое объяснение" (Фейнман, Нобелевская лекция). В итоге исследователи обнаружили очень важные взаимосвязи материального мира, научились их использовать, но КМ так и не превратилась в строгую, логически последовательную науку. В ней содержатся постулаты, угаданные закономерности, угаданные методы расчётов и т.д., но и только. Такой путь развития познания, вообще говоря, характерен для человечества. Как правило, люди вначале узнают, как сделать нечто и только много времени спустя доходят до понимания, почему нужно делать именно так (вспомним историю развития ремёсел). Квантовая механика, подобно средневековым ремёслам, так и не стала современной стройной, логически обоснованной наукой. Правда, стихийный процесс превращения квантовой механики в науку уже начался, но справедливости ради нужно отметить, что это не заслуга адептов КМ. Проиллюстрируем сказанное примером. В 1926г. были постулированы стационарное и динамическое уравнения Шрёдингера. В рамках квантовой механики эти уравнения вывода не имели. И только в настоящее время в рамках классической электродинамики оба уравнения были строго выведены, см. А.Л. Шаляпин, В.И. Стукалов. Введение в классическую электродинамику и атомную физику, 2006, с. 390-406. Приведенный пример говорит о том, что при условии избрания правильного пути развития, вся квантовая механика к настоящему времени могла бы быть строгой, логически последовательной наукой. Какие пути развития квантово механики имеются в виду, стоит посмотреть в работе http://n-t.ru/tp/ng/bnkm.htm

Поскольку для развития космологии требуются сведения и по общей теории относительности и по квантовой механике, встал вопрос об их объединении в единую теорию. Задача эта не решена до настоящего времени. Причина неразрешимости задачи заключается в том, что в КМ время абсолютное, а в ОТО время относительное. В квантовой механике все параметры системы (энергия, импульс, спин, координаты, скорости и т. ?п.) должны быть взяты в один и тот же момент. Эти параметры, так или иначе, связаны с движением. Но в ОТО при движении время, одновременное для одного наблюдателя, становится не одновременным для другого. Первой попыткой объединения КМ и ОТО в единую теорию было создание так называемой теории струн. В квантовой механике элементарными объектами считались частицы, то есть точечные объекты. В попытке преодолеть противоречие между определённым временем в КМ и относительным временем ОТО было решено элементарными объектами считать не точечные частицы, а линейные объекты - струны. Причём, струна - фундаментальный объект, который ни из чего более мелкого не состоит. Струны могут быть замкнутыми и незамкнутыми. Струны могут колебаться с разными частотами, начиная с некоторой низшей, основной, частоты. Энергия струны определяется частотой её колебания. Зарождение этой теории относится к 1968 году. Очень скоро выяснилось, что теория струн внутренне противоречива. На пути преодоления внутренних противоречий теории стали наращивать размерности струн. Постулировали, что элементарный объект не линейный (струна), а двумерный (мембрана). К сожалению, внутренние противоречия остались. Затем объект стал трёхмерным, четырёхмерным и т. д. В настоящее время дошли до объектов размерности 10. Естественно, что, как это уже было опробовано при разработке КМ, сначала придумывался математический формализм, а потом с невероятными ухищрениями этому формализму подыскивался физический смысл. А так как при размерности большей трёх, проводить аналогии с реальным миром стало невозможно, то все якобы найденные физические смыслы опять же объясняются через математические формализмы. Увы! Все разрабатываемые с неимоверным трудом теории неизменно оказывались внутренне противоречивыми. Вот что говорит по этому поводу один из разработчиков теории струн:

…при объединении уравнений общей теории относительности и квантовой механики начинаются тряска, грохот и шипение пара как в перегретом котле. Если выражаться менее образно, несчастливый союз этих двух теорий может приводить к появлению бессмысленных ответов на корректно поставленные физические вопросы. (Брайан Грин "Элегантная вселенная").

Поскольку, начиная с размерности два, элементарные объекты теории перестали походить на струны, их стали называть "суперструны". Как мы видели, теорию суперструн преследуют неудачи вплоть до размерности 10. Но не всё ещё потеряно. Математика допускает существование объектов бесконечной размерности. Значит, работы хватит всем и надолго.

Конкуренцию теории струн составляет теория петлевой квантовой гравитации. Эта теория зародилась в середине 1980-х годов. В теории петлевой квантовой гравитации в качестве первичной физической реальности рассматриваются элементарные объёмы пространства-времени. Цель теории та же - совместить общую теорию относительности с квантовой механикой. Для этого вводится дискретная структуры пространства-времени. Квант длины здесь 10^-33 см (так называемая планковская длина), квант времени 10^-43 с (планковское время). Квант объёма равен соответственно 10^-99 см³

Разумеется, теория петлевой гравитации строится не с помощью евклидовой геометрии, а с помощью математических формализмов, называемых графами. Графы в ней представляют собой системы линий, соединенных между собой узлами, в трёхмерном пространстве, где каждой линии соответствует элементарная площадь, а узлам - элементарный объём. Совокупность линий и узлов называется спиновой сетью. Чтобы перейти к следующему моменту времени, надо построить новую спиновую сеть, отстоящую от данной на шаг, равный кванту времени. Частицы вещества и поля в квантовой теории гравитации представляют собой узлы, снабжённые дополнительными метками, а поля - линии графов также с некоторыми метками.

Петлевая квантовая гравитация приводит к наличию свойств Вселенной, противоречащих предсказаниям ОТО:

1. Наличие микроскопических чёрных дыр (в ОТО чёрные дыры микроскопическими быть не могут);

2. Отсутствие тёмной энергии (без тёмной энергии ОТО невозможна);

3. Различные скорости даже для однотипных фотонов (постоянство скорости света - краеугольный камень теории относительности);

4. Отсутствие сингулярности, а следовательно, и Большого взрыва (сингулярность и Большогй взрыв - основа современной космологии, построенной на ОТО).

Очень любопытная создаётся коллизия. Цель теории петлевой гравитации - совместить общую теорию относительности с квантовой механикой, а последовательное развитие идей этой теории приводит к отрицанию общей теории относительности. Очень интересно!

В завершение сделанного обзора хочется отметить следующее. Ситуация с попытками совмещения КМ и ОТО чем-то напоминает многотрудную задачу Птолемея описать все особенности движения небесных светил с помощью эпициклов и хрустальных сфер. И мучиться бы до настоящего времени человечеству с эпициклами, если бы Коперник не разрубил этот Гордиев узел. Может быть, и в космологии пришло время мысленно вернуться к доэйнштейновским временам и заново проанализировать два возможных пути развития физической мысли - путь теории относительности и путь, рассмотренный Н.Носковым в работе http://n-t.ru/tp/ng/bnkm.htm

1. Подготовлено проектом 'Астрогалактика'
2. Публикация проекта, 15 июня 2012 года
3. Автор статьи Л.М. Топтунова
для проекта 'Астрогалактика'