Постоянная Хаббла с точки зрения космофизики.

Постоянная Хаббла с точки зрения космофизики.

(популярное изложение)

         С начала немного предистории: Согласно "принципу Доплера", воспринимаемая нами длина волны света зависит от движения тела. Если это тело приближается к нам, то происходит смещение к фиолетовому краю спектра, если удаляется от нас - то к красному. По этому "красному смещению" мы можем определять скорость движения светящегося тела. Уже в 1917 году было отмечено, что наблюдаемые астрономами галактики дают эффект "красного смещения". Вслед за этим последовал ряд открытий, показавших, что чем дальше от нас расположены галактики, тем быстрее они "убегают".
     В 1922 году советский ученый А. А. Фридман предложил свое решение эйнштейновских уравнений общей теории относительности (ОТО). Из этого решения вытекало, что Вселенная расширяется и представляет собой нечто замкнутое (Фридман А. А. Мир как пространство и время.). Через три года после этого бельгийский математик аббат Леметр выдвинул аналогичную теорию, в которой он говорил о Первоатоме и о первоначальном взрыве, родившем сферическую Вселенную (Леметр Г. Расширяющаяся Вселенная). Теория расширяющейся Вселенной была признана Эйнштейном (Эйнштейн А. Сущность теории относительности) и рядом других выдающихся ученых. Эта теория объяснила также "парадокс Ольберса". Согласно этому парадоксу замкнутое пространство исключает возможность ночи на Земле: Миллион солнц сияют во Вселенной. Свет от этих солнц вынужден вечно обходить Вселенную, изгибая свою траекторию в соответствии с местными искривлениями пространства-времени. В результате ночное небо было бы освещено так же ярко, как в случае бесконечного количества солнц. Понятие расширяющейся Вселенной очень просто устраняет этот парадокс. Если далекие галактики уносятся от Земли со скоростями, пропорциональными расстоянию до них, то полное количество света, достигающего Земли, должно уменьшаться" (Гарднер М. Теория относительности).
     Но следует так же помнить, что все рассуждения о эволюции Вселенной в принципе не могут быть проверены практически, так как время жизни человека, да и человеческой цивилизации, это мгновение в жизни Вселенной, а теории, в принципе не проверяемые практикой не могут претендовать на звание научных теорий, а могут быть лишь предположениями (гипотезами).
     Тем не менее в гипотезе о расширяющейся Вселенной есть одна проблема: чем дальше от нас расположены галактики, тем быстрее они от нас "убегают", хотя если в космосе взрывается граната, то у осколков гранаты, разлетающихся по инерции, скорости взаимного удаления (изменения расстояния между осколками в единицу времени) постоянны и не зависят от расстояния между ними.

     Рассмотрим эту проблему с позиций классической физики:

     Знаменитая формула, выражающая закон Хаббла:   V = H*L          (1)
где V – скорость взаимного удаления галактик, расстояние между которыми равно L;
      Н – постоянная Хаббла.   Первоначальное значение, полученное Э. Хабблом
      Н = 500 Км/(с*Мпс) (500 километров в секунду на мегапарсек).
Более поздние значения, полученные Хабблом и другими исследователями:
     Н = 50 - 100 Км/(с*Мпс) = 1,6*10^(-18) - 3.2*10^(-18) 1/с.
      Не зависимо от конкретной величины Н формула (1) выражает линейный характер зависимости V от L, а это в свою очередь утверждает (в рамках гипотезы о расширяющейся Вселенной) что скорость галактик, разлетающихся в результате Большого взрыва, прямо пропорциональна расстоянию до центра взрыва.
Vo = const*R где R – расстояние до центра взрыва, Vo – скорость удаления галактик от центра взрыва.
То есть с ростом расстояния от центра взрыва скорость удаления галактик от центра взрыва возрастает, а значит возрастает и скорость взаимного удаления галактик V.
Получается, что галактики ускоряются ? А действием каких сил создается ускорение ?

       Попробуем разобраться.
Прежде всего договоримся, что все материальные объекты во Вселенной существуют в трехмерном пространстве с Римановой геометрией. Этот постулат выделен для того, чтобы не было путаницы с пространством Минковского (четырехмерное пространство событий, включающее три пространственных координаты и одну координату времени).
Рассмотрим две галактики А и В разлетающихся из одной точки О
и находящиеся на расстоянии R от нее.
Пусть расстояние между ними равно L (угловое расстояние равно F )
скорости движения одинаковы Vo = dR/dt .
Тогда согласно теореме косинусов
L = R*(2-2*cos(F))^(1/2)
и скорость взаимного удаления равна
V = dL/dt = (2-2*cos(F))^(1/2) * dR/dt =
   = Vo *(2-2*cos(F))^(1/2)
При F = const и Vo = const получаем V = const, но согласно формуле (1)
поскольку H = V/L = Vo/R = const то с ростом R должны увеличиваться и V и Vo.
Закон Хаббла не выполняется.
А что происходит если галактики А и В двигаются по одной прямой,
А на расстоянии R от О со скоростью Vo
и В на расстоянии R + dR от О со скоростью Vo + dVo. Тогда по формуле (1) получаем тот же результат
H = (Vo + dVo)/(R + dR) = Vo / R
Н = dVo / dR    и с ростом R должны увеличиваться и dVo и Vo.
Закон Хаббла не выполняется.

     Таким образом получается, что если выполняется закон Хаббла, то Вселенная расширяется одновременно во всех точках, центра расширения нет и любые две галактики разлетаются друг от друга, да к тому же с ускорением, хотя вроде бы должны разлетаться с постоянной скоростью, поскольку двигаются по инерции. Объяснить этот кажущийся парадокс можно прибегнув к такой аналогии:
     Представим себе двумерную сферическую поверхность радиусом R
(надувной резиновый шар), расширяющуюся в трехмерном пространстве линейно
со скоростью Vo = dR/dt . Выберем произвольно две точки А и В на этой поверхности на расстоянии L = R*F (где F - угловое расстояние между точками и R - радиус сферической поверхности) друг от друга. Скорость их взаимного удаления друг от друга:
V = dL/dt = F * dR/dt = F*Vo и при этом
H = V/L = Vo/R = const. Получается, что для двух любых точек на этой поверхности будет справедлив закон Хаббла! Хотя в трехмерном пространстве расширение линейное (а прямолинейное движение с постоянной скоростью характерно для движения по инерции), но в двумерном мире на поверхности расширяющейся сферы скорости взаимного удаления объектов зависят от расстояния между ними и движение получается ускоренным.
При этом H = (dR/dt)/R = d/dt(Ln(R)), то есть H – величина равная скорости изменения величины
Ln(R) и можно определить ускорение объектов
a = H*dL/dt = Vo*F*d/dt(Ln(R)) = Vo*F*H

       Используя эту аналогию можно выдвинуть такие гипотезы:
     - Наша трехмерная Вселенная линейно (по инерции) расширяется в многомерном пространстве с количеством пространственных измерений больше трех и представляет собой что-то вроде четырехмерной сферы (трехмерная поверхность в четырехмерном пространстве).
     - Расширение нашей Вселенной происходит во всех направлениях в каждой точке нашей Вселенной.
     - Скорость света обусловлена расширением нашей Вселенной. Ни один материальный объект не может иметь скорость больше чем скорость света в вакууме (иначе он может выйти за пределы Вселенной).
     - Скорость света прямо пропорциональна скорости расширения в n-мерном пространстве.
     - Процесс расширения Вселенной обуславливает существование Времени (назовем его Глобальным временем). Это Время одно для любых процессов в любой точке Вселенной и каждый процесс, связанный с изменением материальных объектов и имеющий свое Локальное Время синхронизирован с Глобальным Временем.
     - Процессом расширения Вселенной обусловлена так называемая «Стрела времени», то есть направленность Времени из прошлого в будущее.
     - Скорость разбегания галактик и постоянная Хаббла не являются постоянными. С течением времени (если расширение нашей Вселенной будет по прежнему происходить равномерно) скорость разбегания галактик и постоянная Хаббла должны уменьшаться.

     А теперь рассмотрим ту же проблему с позиций феноменологической общей теории движения, разработанной советским ученым Альбертом Вейником:

     Математически закон Хаббла обычно принято выражать зависимостью (1). По теории эффекта Доплера частота n₀ излучаемого и частота n наблюдаемого света при наличии относительного движения источника и наблюдателя связаны следующей зависимостью:
n = n₀[1 – (V/C)]
где C – скорость света в вакууме, Следовательно, формулу (1) можно переписать также в виде
Dn/n₀ = V/C = (Н/C)*L,                (2)
где Dn - уменьшение частоты фотона на расстоянии L,
Dn = n₀ - n
      Формула (2) по мнению А. Вейника лучше выражает суть закона Хаббла: уменьшение частоты фотона пропорционально расстоянию до источника света. В соответствии с общей теорией движения уменьшение частоты фотона, характеризуемое законом Хаббла, объясняется не эффектом Доплера, как это обычно принято считать, а эффектом диссипации (диссипативными называют силы, зависящие от скоростей объектов и совершающие отрицательную работу, это силы трения и силы сопротивления движению).
   Согласно закону диссипации, перенос определенного количества волнового (дебройлевского) заряда и перенос импульса (количества движения) сопровождается совершением работы диссипации, при этом частота излучения и скорость света уменьшаются в направлении распространения фотонов по экспоненциальному закону. Расчеты показывают, что в вакууме эффект затухания частоты света вследствие диссипации крайне мал. Например, частота уменьшается вдвое на расстоянии 8,5×10²² км, т.е. примерно через десять миллиардов лет полета. Но при больших космических расстояниях с этим эффектом не считаться нельзя.
     Частота света от далеких звездных образований может смещаться к красному концу спектра благодаря двум причинам – эффекту Доплера и гравитационному красному смещению. Смысл эффекта гравитационного красного смещения заключается в воздействии гравитационных масс на массу фотона. Экспериментально обнаруженное Хабблом красное смещение превышает гравитационное, поэтому разница была приписана эффекту Доплера. Так возникла идея о расширении Вселенной, а формула, выражающая закон Хаббла была представлена в виде уравнения (1).
     Анализ имеющихся в распоряжении астрономов экспериментальных данных показывает, что при сравнительно малых расстояниях до наблюдателя эффектом диссипации можно пренебречь по сравнению с двумя другими эффектами: Доплера и гравитационного красного смещения. При этом весьма вероятно появление фиолетового смещения. Опытные данные (например, Шепли) подтверждают этот вывод: у некоторых ближайших галактик наблюдается именно фиолетовое смещение, т.е. увеличение частоты света. Оно целиком определяется эффектом Доплера (галактики приближаются к наблюдателю.
     При средних расстояниях эффект диссипации соизмерим с эффектами Доплера и гравитационного красного смещения. В этих условиях суммарное смещение спектра может быть как красным, так и фиолетовым.
     Наконец, при слишком больших расстояниях эффект диссипации значительно превосходит два других (Доплера и гравитационного красного смещения), поэтому очень удаленные звездные объекты всегда должны давать и дают только красное смещение. Очевидно, что на очень больших расстояниях эффект диссипации должен смещать световой спектр в область радиодиапазона.
     Об особенностях действия эффекта диссипации можно судить также по характеру доходящего до нас излучения «пульсаров», открытых английскими радиоастрономами Мюллардской обсерватории Кембриджского университета. Пульсары – это звездные объекты, представляющие собой пульсирующие источники радиоизлучения. Каждый пульсар излучает волны одновременно в определенном диапазоне частот, причем до земного наблюдателя длинные волны доходят с запаздыванием на несколько секунд по сравнению с короткими. Это объясняется неодинаковым действием эффекта диссипации на излучения различной частоты. В общем случае диссипация уменьшает частоту волны и скорость распространения излучений. Наблюдения пульсаров показывают, что скорость низкочастотного излучения уменьшается быстрее, чем высокочастотного. Все эти данные хорошо подтверждают – с качественной и количественной стороны – выводы общей теории движения. В частности, они свидетельствуют о непостоянстве скорости света в вакууме.
     Наблюдаемую часть Вселенной иногда называют Метагалактикой, или мегамиром. Размеры видимой Метагалактики, вообще говоря, непрерывно увеличиваются по мере улучшения инструментальных возможностей астрономов. Но очевидно, что должны существовать известные пределы видимости, которые не могут быть превзойдены. Речь идет о том, что световой луч, пущенный наблюдателем в любом конкретном направлении, рано или поздно обязательно должен «упереться» в какое-нибудь космическое тело. Среднее расстояние до космических тел, взятое для всех направлений, назовем предельным радиусом видимости Вселенной. Радиус видимости представляет собой размер, имеющий фундаментальное значение для понимания многих явлений, наблюдаемых в бесконечной Вселенной. За пределы этого радиуса световой луч проникнуть не может. Аналогичным образом от тел, находящихся вне этого радиуса, луч не может дойти до наблюдателя, так как неизбежно будет поглощен промежуточными телами. Расчеты дают приближенное значение радиуса видимости
    R_в = 4×10³⁵ км = 0,42×10²³ световых лет = 0,13×10²³ парсек.
Закон диссипации хорошо объясняет и парадокс Ольберса. Чем больший путь прошел фотон, тем меньше его частота, а, следовательно, и энергия. Возникает вопрос, а куда девается та теплота диссипации, которая в большом количестве выделяется в сфере видимости при перемещении фотонов? Вся она благополучно поглощается сферой видимости, т.е. вновь усваивается излучающими телами. Можно предположить, что благодаря диссипации вакуум космоса должен обладать температурой, превышающей абсолютный нуль. Измерения, выполненные космическими лабораториями, подтверждают этот вывод.

      Еще один взгляд на эту проблему представлен в работе Рындюк К.Д. "Изучение ранее неисследованных свойств пространства-времени и их влияния на построение модели Вселенной".
     Если космическое тело (Объект) излучает энергию, то для стороннего наблюдателя (Наблюдателя), пространство-время вокруг этого тела претерпевает изменения, в результате чего увеличивается время прохождения сигнала от Объекта до Наблюдателя. Для Наблюдателя, процессы в районе Объекта выглядят так, как будто эта область пространства сжимается (уменьшается в объёме), а кроме того, сжимается и само излучающее тело, что вызывает смещение спектра излучения в красную сторону. Этот нерелятивисткий эффект аналогичен эффекту Допплера, вызываемому деформацией системы отсчёта. На наличие такого явления указал еще А. Л. Зельманов в своей работе "Применение сопутствующих координат в нерелятивисткой механике".

     Чем мощнее процесс выделения энергии в точке (области) пространства, тем заметнее для Наблюдателя становятся изменения свойств пространства-времени в этой точке (области), т.к. изменения объёма единичного параллелепипеда, составленного из определителя метрического тензора пространства-времени, прямо пропорциональны относительной мощности происходящего в этой области пространства энергетического процесса. Непрерывное же воздействие этого фактора (энергетического процесса) приводит к тому, что Объект наблюдается все дальше и дальше, то есть он "удаляется" от Наблюдателя.

     Пространство-время в районе Объекта обладает свойствами, очень похожими на свойства комплексного пространства, а именно - Наблюдаемое расстояние состоит из геометрической суммы Действительной и Мнимой составляющих. В теоретических построениях, можно показать и Действительную, и Мнимую составляющие, но на практике Наблюдатель имеет дело только с комплексной результирующей - Наблюдаемым расстоянием. Мнимая составляющая, зависящая от относительной мощности происходящего в данной области пространства энергетического процесса, начинает ощутимо проявляться только на больших, межгалактических масштабах расстояний, что и дает толчок к коррекции взглядов на эволюцию Вселенной.

      Споры о том, какая позиция правильна, а какая нет, на мой взгляд, беспочвенны (во всяком случае, в данный момент все эти гипотезы имеют одинаковое право на существование), т. к. ответ на вопрос о правильности логических построений может дать только практика (опыт, эксперимент). Кроме того хочу заметить, что человечество находится внутри процесса, называемого "Вселенная", более того, оно находится на очень маленьком временном отрезке этого процесса, поэтому все предположения, например о прошлом и будущем этого процесса не более чем предположения. Спорить по этим вопросам бессмысленно, т.к. за время жизни спорщиков изменения процесса будут ничтожны. А экстраполяция уже известного на область неизвестного в большинстве случаев оказывается ошибочной, как показывает история науки. Те закономерности, которые в одних условиях являются знанием, в других условиях вполне могут оказаться (и очень часто оказываются) не соответствующими реальности.

      Любой акт познания предполагает два элемента - субъект и объект познания. Субъект познания - это индивидуум, экспериментатор или теоретик, обладающий стандартными средствами и методами исследования. Объект познания - это не объективная реальность "как таковая", а определенный ее "срез", обусловленный методами и целями исследования. Мы познаем мир не так, как он существует "сам по себе", а в том виде, как он представляется наблюдателю в данном познавательном процессе. И только вся система научных знаний в целом, обобщая данные отдельных исследований, многократно проверяя и перепроверяя их на практике, представляет собой адекватное отражение объективной реальности.

      Вспомним старую притчу о том, как два человека отчаянно спорили, какую форму имеет предмет, на который они смотрят. Один утверждал, что предмет имеет форму треугольника с острыми углами, а другой утверждал, что предмет имеет форму круга. Оба были уверены в своей правоте и бились насмерть, отстаивая свою точку зрения как единственно верную. Они оба были и правы и не правы. Потому, что этот предмет имел форму конуса, а они смотрели на этот предмет с разных сторон. Поэтому можно смело утверждать, что только совокупность взглядов со всевозможных сторон и может дать полную картину исследуемого объекта.

(Редактировано в 2008г.)

На Главную