№01 январь 2023

Портал функционирует при финансовой поддержке Министерства цифрового развития, связи и массовых коммуникаций.

Революция или нет?

Кандидат физико-математических наук Алексей Понятов

Общая теория относительности и теория Большого взрыва лежат в основе наших представлений о мире, причём вовсе не из-за преклонения перед авторитетами их создателей или заговора «научной мафии». Они успешно объясняют и, что самое важное, предсказывают явления, которые впоследствии открывают учёные. Достаточно вспомнить обнаружение в 2016 году гравитационных волн, предсказанных общей теорией относительности столетием ранее (см. «Открытие, которого ждали сто лет», «Наука и жизнь», № 12, 2017 г.). Или открытие в 1965 году реликтового излучения (космического микроволнового фонового излучения), предсказанного Георгием Гамовым в 1948 году в созданной им первой теории Большого взрыва (см. «Долгожданное признание чёрных дыр», «Наука и жизнь», № 11, 2019 г.). В настоящее время эволюция Вселенной связана с концепциями инфляции (быстрого расширения Вселенной) на ранней стадии Большого взрыва, тёмной материи и тёмной энергии. Мейнстримовым направлениям исследований посвящены множество книг и статей, так что у читателей может сложиться неверное представление, что это окончательное и абсолютно истинное мнение науки и поиски других вариантов учёные не ведут.

Статья постоянного автора нашего журнала, известного астрофизика Николая Горькавого опровергает это заблуждение. Общепринятость каких-либо теорий не означает их неизменность и безошибочность. У них всегда есть свои проблемы, поиск решения которых ведётся постоянно. Так что на сегодняшний день физики, включая Н. Горькавого с коллегами, разработали множество альтернативных теорий гравитации и космологических моделей. В истории науки не раз бывало, что общепринятые теории в той или иной мере устаревали.

Циклическая Вселенная, у которой периоды расширения сменяются сжатием, модель в космологии не новая, но до сих пор недоказанная. Первые её варианты появились ещё в 1930-х годах. Кстати, Большой взрыв как расширение после сжатия (большой отскок) рассматривал и его автор Г. Гамов. С развитием инфляционной модели в 1980-е годы, которую Н. Горькавый называет одноразовым Большим взрывом, циклическая концепция на некоторое время отошла на второй план, но начала возрождаться в начале XXI века, когда появились идеи обхода критики Ричарда Толмена, указывающей на бесконечное накопление в ней энтропии. Правда, новые теории были весьма экзотичны и связаны с гипотетической теорией струн и фантомной энергией.

Н. Горькавый предложил новый механизм циклической эволюции Вселенной, остающийся в рамках хорошо проверенной общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Однако в отличие от других теорий (например Роджера Пенроуза), в нём нет сингулярности и полного уничтожения сжатием предыдущего варианта Вселенной не происходит. Ключевую роль в большом отскоке здесь играют чёрные дыры и, неожиданно, — гравитация.

Суть процесса в том, что при сжатии происходит слияние чёрных дыр, превращающее часть их массы в гравитационные волны, которые массы не имеют. Это приводит к эффекту, аналогичному антигравитации, что и порождает новый цикл расширения Вселенной — Большой взрыв-отскок. При этом необратимый коллапс не происходит и сингулярность не достигается. Однако Вселенная сожмётся до размера в несколько световых лет и нагреется до нескольких десятков миллиардов градусов, а ядра тяжёлых элементов распадутся до отдельных протонов и нейтронов. Поэтому при расширении рождение привычной Вселенной по сути начнётся заново.

В дальнейшем огромная центральная чёрная дыра размером порядка светового года и с массой в триллионы масс Солнца и более мелкие чёрные дыры будут поглощать излучённые при Большом взрыве гравитационные волны и увеличивать свою массу, тормозя расширение. Когда же эта масса станет достаточно большой, расширение пространства-времени завершится и начнётся сжатие. Вселенная ведёт себя словно грандиозный маятник, в котором масса чёрных дыр сначала частично преобразуется в гравитационные волны, а затем происходит обратный процесс.

Важнейшее достоинство новой модели в том, что она не требует экзотического квантового механизма инфляции и сопутствующих процессов, а для объяснения таких явлений, как ускоренное расширение Вселенной, её анизотропия и непонятное раннее появление в ней сверхмассивных чёрных дыр, нет необходимости привлекать неизвестную тёмную материю и тёмную энергию. Инфляции и тёмной энергии в новой теории вообще нет, а тёмная материя, по мнению Н. Горькавого и целого ряда других учёных, состоит из чёрных дыр, которые по большей части достались нам из прошлого цикла Вселенной. Какие аргументы в пользу этого имеются?

В 2016—2021 годах астрономы, работающие с детекторами LIGO, Virgo и KAGRA, сообщили о регистрации уже 90 гравитационных волн, возникших при слиянии чёрных дыр и нейтронных звёзд. В 85 случаях в слиянии участвовала хотя бы одна чёрная дыра с массой более десяти масс Солнца (в 65 случаях такими были обе чёрные дыры). Высокая частота подобных слияний означает, что чёрных дыр столь большой массы очень много — больше, чем ожидается в результате эволюции звёзд.

Аномалии в строении галактик, движении звёзд в них и ряд других явлений астрономы сейчас связывают с невидимой тёмной материей в галактическом гало. Николай Горькавый и лауреат Нобелевской премии по физике 2006 года Джон Мазер также своими расчётами показали, что чёрные дыры массами в десятки масс Солнца вполне могут играть эту роль. Проблема лишь в том, откуда там возьмётся нужное количество столь массивных чёрных дыр? К тому же, подавляющее большинство огромных звёзд рождается вблизи центра галактик.

Обнаружение в дальнем космосе древних галактик породило проблему необъяснимого раннего появления сверхмассивных чёрных дыр в их цент-рах. Они непонятным пока способом успели набрать огромную массу уже в первые сотни миллионов лет существования Вселенной. Неясно, как они могли успеть поглотить нужное количество вещества.

Все эти проблемы легко решаются новой теорией, благодаря наследованию чёрных дыр от предыдущего цикла эволюции Вселенной.

Видимое ускоренное расширение Вселенной в настоящее время, которое приписывают тёмной энергии, Горькавый объясняет увеличивающейся гравитацией (гипергравитацией) чёрных дыр. Кроме того, становится понятно почему скорость расширения Вселенной, характеризуемая постоянной Хаббла, вдали от нас (по наблюдениям космического телескопа «Планк» за реликтовым излучением) меньше, чем вблизи (по наблюдениям космического телескопа «Хаббл» за звёздами в окрестностях Млечного пути). Ведь если скорость расширения Вселенной связана с её массой, а не с тёмной энергией, то в разное время она будет различаться.

Новая концепция объясняет и наблюдаемую анизотропию Вселенной, которая проявляется в наличии так называемой Оси зла в реликтовом излучении, в распределении по небу ориентации осей галактик и ряде других явлений. Обычная фридмановская космология, как и теория инфляции, предполагает изотропность возникающей Вселенной, в то время как в данной модели она изначально неизотропна, поскольку в ней присутствует центральная сверхмассивная чёрная дыра. Предположительно, она расположена в районе созвездия Секстант. По величине ускоренного расширения Вселенной можно оценить её размер в миллиард световых лет, а массу в миллиарды триллионов масс Солнца. Судя по всему, она увеличилась в миллиард раз с начала отскока.

Н. Горькавый уверен в революционности своей гипотезы и, сразу скажем, имеет на это основания. Однако у физиков есть известная шутка, которая иногда приписывается академику Л. Д. Ландау: «Космологи часто ошибаются, но никогда не сомневаются». Автору ещё придётся решить проблемы, которые неизбежно возникнут при развитии и широком обсуждении теории. К тому же, концепция циклической теории не отвечает на вопрос о её первоначальном возникновении и причине отсутствия антивещества. И, разумеется, гипотеза станет полноценной теорией, когда сделанные ею предсказания будут подтверждены астрономами в новых наблюдениях.

Другие статьи из рубрики «Комментарий специалиста»

Портал журнала «Наука и жизнь» использует файлы cookie. Продолжая пользоваться порталом, вы соглашаетесь с хранением и использованием порталом и партнёрскими сайтами файлов cookie на вашем устройстве. Подробнее