Динамическая релятивистская модель расширяющейся вселенной.

А.Цаплин.

В данной статье предпринята попытка свсти воедино в кратком и логически увязанном виде обобщенные представления современной космофизики. Предполагается знание Теории Относительности как минимум в объеме СТО.

Постулируемые предпосылки:

I) Истинность положений Теории относительности (ТО);
II) Наличие совокупности явлений, лежащих в основе гипотезы «Большого взрыва и расширяющейся вселенной».
III) Законы вселенной едины для всего ее объема.

Часть 1. Только логика.

1. Возьмем в качестве отправного момента устоявшееся представление, что в момент Большого взрыва вся масса и энергия вселенной были сосредоточены в одной сравнительно малой по объему области (т.наз. Сингулярности). Логично предположить, что в результате Взрыва образовалось СФЕРИЧЕСКОЕ ПРОСТРАНСТВО, границы которого (далее – Сфера) стали расширяться с максимально возможной скоростью – скоростью света. Такая скорость расширения представляется наиболее логичной с той точки зрения, что бОльшая скорость принципиально невозможна согласно ТО, а для меньших скоростей необходимы какие-то дополнительно постулируемые ограничения, наличие которых не представляется логически оправданным.
Внутри этой Сферы расположены все элементы, обладающие массой покоя и для которых по ТО скорость света недостижима. Естественно предположить, что распределение таких масс по объему вселенной в среднем равномерно, а, следовательно, скорость разлета масс «пропорциональна их расстоянию от центра Сферы».
«Близкие к границе» Сферы массы разлетаются с субсветовой скоростью.
Сразу же следует отметить ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ взятых в кавычки понятий. Действительно, для КАЖДОЙ точки вселенной в любой момент её истории (Т лет после взрыва) должны быть справедливы утверждения:
а) Т лет назад эта точка находилась в центре взрыва;
б) С тех пор Т лет границы вселенной удаляются от нее со скоростью света, т.е. отстоят от нее на Т световых лет.
Таким образом, КАЖДАЯ точка внутри Сферы «имеет право считать себя» ЦЕНТРОМ (!) сферической вселенной радиусом Т световых лет. (Например, для нашей области пространства Т оценивается в 14 млрд. лет.) Этот вывод полностью согласуется с принципом инвариантности ТО.
2. Согласно ТО время в инерциальных системах, движущихся относительно «нашей» с субсветовыми скоростями, значительно замедляется. Значит, существуют области вселенной (с нашей точки зрения, находящиеся ближе к границам Сферы и, значит, движущиеся с субсветовыми скоростями), где возраст вселенной значительно меньший – вплоть до долей секунды. Сохраняя верность принципам ТО, следует заметить, что на «расходящейся сферической» границе вселенной, движущейся согласно исходной предпосылке со скоростью света, время вообще остановилось. То есть эта граница ВСЕГДА НАХОДИТСЯ В СОСТОЯНИИ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА (!). А это означает не более и не менее, что она остается ТОЧКОЙ.
Такое можно себе представить, если предположить, что наша трехмерная вселенная является «поверхностью» четырехмерной гиперсферы (т.наз. модель Фридмана). Для иллюстрации этого тезиса удобно провести аналогию с понижением мерности пространства, рассмотрев двумерное пространство как поверхность обычной сферы. В таком пространстве мысленно проводимые радиально из точки лучи сходятся снова в точку на противоположной стороне сферы.
Мы интуитивно представляем себе, что мысленно проводимые расходящиеся из точки нашего расположения лучи «упираются» в сферу вокруг нас, на самом же деле они упираются в одну и ту же точку на противоположной стороне гиперферы. Поскольку длина каждого луча – Т световых лет, то длина образованной двумя противоположно направленными лучами замкнутой окружности равна 2Т, а радиус гиперсферы – Т/"пи" световых лет. Поскольку название «сингулярность» не вполне соответствует смыслу предполагаемой точки после того, как «Большой взрыв» уже произошел, можно дать ей название «Инверсуум».
Отличие реального пространства от рассмотренной двумерной модели не только в размерности, но и в том, что эта «сферическая граница-точка» Инверсуум удаляется от любой внутренней точки со скоростью света, обеспечивая расширение Вселенной. А так как согласно ТО скорость света для всех инерциальных точек одинакова, то Инверсуум является динамическим «антагонистом» для всех точек вселенной одновременно.
Продолжив аналогию с обычной сферой, можно уподобить ее мыльному пузырю, постоянно раздувающемуся из точки Инверсуума. При проведении аналогии следует, однако, четко понимать, что двумерная поверхность «мыльного пузыря» олицетворяет наше трехмерное расширяющееся пространство как таковое, а не его «сферическую» границу. Сферой (в двумерной модели – кругом) Инверсуум воспринимается изнутри для каждой принадлежащей пространству (поверхности сферы-модели) точки. При этом Инверсуум принципиально недостижим для любой инерциальной системы из за своей предельной (световой) скорости.
Как уже было сказано выше, во вселенной существуют области, возраст которых в нашей системе координат значительно меньше нашей. Таким образом, говорить об абсолютном возрасте вселенной не имеет смысла, в разных точках (точнее, в инерциальных системах координат, связанных с разными пространственно-временными точками) он разный. Вселенная – система, не существующая в каком-либо едином времени. ВРЕМЯ есть свойство её точек и ЯВЛЯЕТСЯ ВЕЛИЧИНОЙ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ. Соответственно различным для разных точек является и радиус глобальной кривизны пространства как радиус гиперсферы, пропорциональный времени.

3. Точки, которые в нашей системе координат пространства-времени интерпретируются как находящиеся «вблизи границ вселенной», имеют свою систему координат, в которой они также являются «центром вселенной», а наша область находится вблизи границ вселенной и удаляется от них с субсветовой скоростью. В системе координат такой точки временнЫе соотношения существенно отличаются от наших, и точка, например, 14-тимиллиарднолетней истории проектируется на самую начальную стадию истории нашей области вселенной.
В связи с вышеизложенным говорить о том, что вселенная «пульсирует от взрыва к коллапсу» не корректно хотя бы потому, что подразумевается протекание этого процесса в каком-то едином времени, а такового не существует. Во всяком случае, если этот процесс и протекает, то не во времени, а в каких-то иных координатах, нам пока недоступных. Вселенная же существует во всех временах «одновременно» (тавтология, неизбежная из-за ограниченности наших понятий).
Строго говоря, в такой интерпретации говорить о том, что когда-то был Большой взрыв, тоже не корректно. Скорее это всего лишь условная теоретическая отсчетная точка (что-то вроде абсолютного нуля в температурной шкале Кельвина), причем расчеты можно проводить лишь с привязкой к конкретной точке вселенной, а не для всей вселенной целиком.

4. Согласно ТО, масса материальных образований неограниченно увеличивается (в любой инерциальной системе координат) при приближении их скорости к скорости света. Значит, с «точки зрения» любой точки вселенной внутри Сферы масса вселенной рассредоточена по её «периметру» и приближается к бесконечности. Следовательно, можно считать, что каждая точка вселенной окружена материальной сферой радиусом «почти Т» световых лет с массой, стремящейся к бесконечности. Соответственно радиальные расстояния между точками, «близкими к границе» Сферы, неограниченно уменьшаются (в любой инерциальной системе отсчета).

5. Эффект Доплера смещения частоты электромагнитных излучений ( в т.ч. и света) для объектов, движущихся с субсветовой скоростью, настолько велик, что световой поток от большей части вселенной смещается в область низких радиочастот (реликтовое радиоизлучение).
Поэтому небо не является сплошной светящейся поверхностью. Кроме того, есть основания полагать, что для электромагнитных излучений существует некоторый частотный барьер (где-то в области субмиллиметровых волн), переход через который (например, вследствие эффекта Доплера) в корне меняет их свойства. В частности, исчезают квантовые свойства излучений. При этом компактно летевшие кванты преобразуются в радиально расходящиеся радиоволновые фронты.
Применительно к вышеизложенной модели вселенной существование такой частотной границы при доплеровском смещении световых спектров накладывает дополнительные ограничения на проникновение электромагнитных излучений с «периферии» мировой Сферы и, возможно, определяет и метрическую структуру макрокосма как принципиально наблюдаемой традиционными методами области вселенной.
6. Весьма своеобразным образованием в предлагаемой модели является область, «примыкающая» к точке Инверсуума, мыслимая в любой инерциальной системе отсчета как «сферическая небесная твердь», «расширяющаяся» (точнее – удаляющаяся во все стороны, что в данном случае не то же самое) с субсветовой скоростью и поэтому имеющая приближающуюся к бесконечности суммарную массу. Поскольку в геометрии гиперпространства вся эта масса сосредоточена в небольшой области вокруг точки Инверсуума, то это скопление обладает признаками «Сингулярности» с довольно малыми во вселенских масштабах, но не нулевыми размероми. Для «инерциальных наблюдателей» оно представляется максимально удаленной и удаляющейся с субсветовой скоростью «черной дырой». При этом «направление взгляда» на эту область для каждой точки вселенной определено не более, чем направление «на Юг» для наблюдателя, стоящего на Северном полюсе.

Часть 2. Логика и немного фантазии.

7. Попытка осмысления того факта, что непрерывный спектр электромагнитных волн имеет некоторую границу, делящую его на два принципиально различных по своим физическим свойствам диапазона (кванты и гюйгенсовские волны), наталкивает на мысль о существовании некоторой дискретной единицы времени – кванта времени. Те электромагнитные волны, период колебаний которых меньше кванта времени, «компактифицируются» в кванты. Волны с большей длиной волны распространяются по законам классической физики.
8. Квантованность времени подразумевает невозможность какой-либо динамики в пространстве во временных пределах, меньших кванта времени. Наибольшей динамикой в таком пространстве обладают, очевидно, фотоны, реализующие свое перемещение в пространстве скачкообразно на максимально возможное расстояние за один квант времени. Для элементарных частиц, обладающих массой покоя, длина таких «скачков» значительно меньше. Таким образом можно констатировать, что пространственно-временной континиум физического вакуума дискретен, но не пространственно, а во времени.
9. Среди известных современной науке явлений весьма похожими свойствами обладают области интерференционной картины голограмм. Статическими образованиями в голографическом изображении являются интерференционные максимумы – своеобразные точечные стоячие волны. Современная техника пока не позволяет осуществлять динамически изменяющиеся голограммы, но теория таких систем подсказывает, что перемещение в пространстве голографических объектов возможно с дискретностью во времени не меньшей, чем время прохождения опорной лазерной волны от голографической пластины до точки изображения. Т.е. течение времени в подобной системе принципиально дискретно.
10. Аналогия между реальными физическими «точками» (в частности, элементарными частицами) и стоячими волнами лазерного излучения особенно ярко проявляется в широко применяемых в настоящее время лазерных гироскопах. Оказывается, стоячая волна как суперпозиция противоположно направленных когерентных потоков световых квантов обладает свойством сохранения положения в пространстве в момент своего образования независимо от дальнейших перемещений излучателя. Это является прямой аналогией наличия ИНЕРЦИОННОЙ МАССЫ ПОКОЯ(!), которой порождающие стоячую волну фотоны не обладают.

НЕКОТОРЫЕ ВЫВОДЫ.

а) Логический анализ модели вселенной, основанной на приведенных выше постулатах, приводит к парадоксальному выводу: «Большого взрыва» как МОМЕНТА начала Истории Вселенной НЕ БЫЛО. В то же время он продолжается и сейчас…
Действительно, вселенная как пространственно-временной континиум ограничена для каждой конкретной точки снизу во времени («момент» Большого взрыва), а сверху – в пространстве («расходящаяся граница», постоянно существующая в состоянии Большого взрыва). Поэтому об этих границах можно говорить лишь как об условных расчетных точках, практически сливающихся в одну, между которыми (точнее – «сбоку от которой» в четырехмерной интерпретации) заключена многомерная и многовременная реальность. При этом наше трехмерное пространство имеет сферическую в глобальном масштабе геометрию с радиусом кривизны, пропорциональным текущему времени в каждой своей конкретной точке.

б) Можно предположить, что гравитационное притяжение любой массы к приближающейся к бесконечности массе «Небесной тверди» в такой динамической модели при определенных условиях уравновешивается во всех направлениях. Такими условиями является равномерное и прямолинейное движение тел. При возникновении ускорения «веер сил», действующих на тело, претерпевает перекос, возникает силовое противодействие, воспринимаемое как инерционность масс. То есть инерционность имеет гравитационную природу (Возможно и обратное утверждение).

в) В соответствии с утверждением, что каждая точка вселенной в такой модели является её центром, любое свойство, выведенное для центра (фокуса) Сферы, по методу индукции распространяется на все множество точек объема вселенной. Например, если предположить возможность существования некоторой «стоячей волны» в центре Сферы, то все точки вселенной можно уподобить таким «стоячим волнам».

г) В соответствии с принципом дополнительности квантовой физики маловероятно, что такая несимметричная конструкция мироздания может быть устойчивой. Логично предположить, что существует центрально-симметричная относительно Инверсуума гипервселенная. О такой вселенной можно только сказать, что для её элементов скорость света является минимально возможной (в нашей системе координат).
«Продольное сечение» такой системы, в образном выражении имеющей вид двух «мыльных пузырей», выдуваемых из точки Инверсуума в разные стороны, очень напоминает ведический символ мироздания, заимствованный математиками как знак «бесконечность». Вспомнив библейскую «небесную твердь», можно предположить, что древние знали больше нас…

д) Предлагаемая модель автоматически дает ответ на считающуюся нерешенной в настоящее время проблему поразительной изотропности реликтового фона во всех направлениях небесной сферы. Действительно, так как источником такого фона является область БВ, воспринимаемая нами сейчас как Инверсуум, а направление зрения на него абсолютно изотропно по всем мировым углам, то это ведет к изотропности принимаемого фона. Так путешественник, стоящий на Северном полюсе, будет иметь абсолютно равномерный по направлениям пеленг передатчика своего партнера, стоящего на Южном полюсе.

Цаплин Александр Витальевич. tcaplin@yandex.ru. 19.12.2003.