Константин Агафонов о тёмной материи и Большом Взрыве

Доминирующей теоретической концепцией в современной космологии является синтез теории тяготения Эйнштейна с физикой элементарных частиц. В рамках этой концепции устанавливается взаимосвязь между макроскопическими свойствами Вселенной в целом и микроскопическими свойствами вакуума и элементарных частиц [1].

1. Состояние вопроса [1] и постановка задачи

Драматизм сегодняшней ситуации состоит в том, что лабораторных экспериментов в области физики высоких энергий и их теоретического осмысления оказалось недостаточно для такого синтеза.

Наблюдательные космологические данные явно свидетельствуют о неизбежности выхода за пределы существующей теории вакуума и элементарных частиц, обусловленного проблемой установления физической природы тёмной материи (ТМ) — самой актуальной проблемой теоретической и экспериментальной космологии.

В рамках современной парадигмы эта проблема очень сложна и далека от решения. И в любом случае предполагается искать такое решение исключительно в физике вакуума и элементарных частиц.

Существующая же теория элементарных частиц — Стандартная модель (СМ) — не справляется с этой задачей. И попытка сохранить СМ возможна только в рамках гипотезы, согласно которой ТМ имеет всё-таки барионную структуру; например, находится в форме тяжёлых тёмных планет, не видимых в астрономических наблюдениях.

Эта гипотеза, однако, вступает в противоречие с одним из наиболее надёжных результатов по нуклеосинтезу, утверждающих, что во Вселенной находится именно то количество барионного вещества, которое соответствует видимой материи.

Расширение СМ приводит к необходимости включения в теорию дополнительных гипотетических объектов в виде массивных нейтрино и новых взаимодействий, то есть, новых типов расслоений пространства-времени, к необходимости исследования этих гипотез в рамках суперструнных и преонных программ.

Однако, в конечном счёте, выявляется, что массивные нейтрино не способны объяснить крупномасштабную структуру Вселенной. В результате оказывается, что решение проблемы ТМ если и возможно, то исключительно за пределами СМ в рамках какой-то совершенно новой физики.

Другой путь основан на поиске новых вакуумных структур, способных исполнять роль ТМ. На этом пути современная физика делает лишь первые шаги в изучении регулярной деформации слоистой структуры пространства-времени, отвечающей слабым взаимодействиям.

Эта деформация осуществляется физическим полем, которое называется хигсовским. В отличие от других полей, это поле не представимо в виде взаимодействующих друг с другом квантованных волн, наложенных на пустоту. У него имеется так называемая конденсатная компонента, которую образно можно представить как однородную «жидкость», разлитую по всему пространству и соответствующую основному вакуумному состоянию с наименьшей энергией.

Возбуждениями этой «жидкости» являются квантованные волны или хигсовские бозоны, которые физики надеются обнаружить на строящемся сейчас в женевском институте CERN большом адронном коллайдере (Large Hadron Collider — LHC). Но эти надежды могут и не оправдаться.

Гипотеза о вакуумной природе ТМ обладает специфической чертой: в рамках этой гипотезы во Вселенной с начала Большого Взрыва ТМ не существует, а формируется постепенно в ходе космологической эволюции.

И здесь мы покажем, что к такому же результату приводит решение задачи в рамках классических представлений физики — при полевой трактовке физических взаимодействий и определении вакуума как абсолютной пустоты.

2. Движение по инерции

Напомним, что проблемы движения, пространства-времени и тяготения в современной физике составляют предмет исследований специальной (СТО) и общей (ОТО) теорий относительности Эйнштейна. ОТО описывает движение материальных тел или частиц в гравитационных полях, вблизи массивных космических объектов; СТО — в отсутствие таких полей, на достаточном удалении от их источников.

Тем самым предполагается, что эти два вида движения существенно различны по физическому характеру: в первом случае мы имеем дело с равномерным вращением, во втором — с равномерным прямолинейным движением.

Схема движения материальной частицы m вблизи гравитационной массы М представлена на рис. 1. Оно является связанным посредством силы тяготения F и согласно ОТО осуществляется по инерции вдоль геодезических, простейшим случаем которых является окружность; это обусловлено неевклидовой геометрией (кривизной) пространства вблизи гравитационной массы М.

Проведём простой мысленный эксперимент. Будем непрерывно уменьшать силу F, полагая, что тело М излучает энергию-массу в окружающее пространство, заставляя частицу медленно удаляться от центра вращения и уменьшать скорость вращения согласно закону сохранения первоначально заданного момента импульса частицы.

Очевидно, наступит момент, при котором указанная сила практически исчезнет, а частица, став свободной, продолжит, тем не менее, самовращение по удалённой, но той же круговой орбите.

То есть, характер движения связанной и свободной частицы оказывается одним и тем же — вращением по инерции при заданном и неизменном моменте импульса, изменяются лишь параметры движения: радиус круговой траектории и скорость вращения частицы.

И сказанное подтверждается наблюдениями: в природе существует один вид движения — вращение, а прямолинейное движение есть математическая идеализация предельного случая вращения по траектории бесконечного радиуса.

На основании этого «опыта» приходим к следующей простой мысли: вращение является не результатом воздействия на материальную частицу центральной, в частности, гравитационной силы другого тела, а природным свойством её (Аристотель).

В рамках классических представлений, определяющих вакуум как абсолютную пустоту и исповедующих полевой характер физических взаимодействий, единственной причиной самовращения свободных тел может быть только упругое (без энергопотребления) взаимодействие частицы с собственным физическим или силовым полем.

А количественное описание такого движения может быть задано обобщённым уравнением Лоренца, две эквивалентные формы которого представлены на рис. 1. В них второе слагаемое характеризует силу инерции частицы при центростремительном ускорении du/dt, в то время как первое задаёт «упругие» свойства силового поля частицы: K — модуль упругости или жёсткость поля, u/c — относительная деформация его, u — скорость частицы, c — скорость деформирования силового поля или скорость света, i – мнимая единица.

При этом умножение на мнимую единицу, согласно известному математическому правилу, физически означает поворот вектора на угол 90 градусов в направлении движения [2].

3. Тёмная материя

Обобщённые уравнения Лоренца (см. рис. 1) задают сложное вращательно-поступательное (винтовое) движение свободной материальной частицы. Схема сил, действующих на такую частицу, приведена на рис. 2. Здесь сечения а и б изображают положение частицы в моменты, сдвинутые на величину шага винтовой траектории.

При этом с поступательным движением частицы оказываются связанными мнимая частота iw и мнимое время it, в то время как реальные (действительные) параметры w и t характеризуют вращение.

Решения уравнений обнаруживают так называемую скрытую или мнимую массу im системы частица-поле, обладающую свойствами тёмной материи и обусловленную введением в рассмотрение материальных силовых полей. Количественно связь между массой покоя частицы m₀, релятивистской массой частицы m и скрытой массой системы частица-поле im определяется представленными на рис. 3 соотношением и графиками.

Согласно рисунку, при скорости частицы, приближающейся к скорости света, релятивистская m и мнимая im массы частицы устремляются в бесконечность, а при уменьшении скорости частицы до нуля её вещественная масса приобретает конечное значение массы покоя m₀, в то время как скрытая масса устремляется в бесконечность за счёт неограниченного возрастания массы силового поля, определяемой разностью масс im и m.

Видно также, что с увеличением скорости частицы масса силового поля непрерывно уменьшается. Этот результат, по-видимому, следует понимать так. Поле покоящейся частицы распространяется на бесконечность, поэтому обладает и бесконечной массой.

Поле движущейся частицы ограничено в пространстве тем в большей мере, чем выше её скорость. При релятивистских скоростях масса частицы-поля уменьшается, приближаясь к массе частицы (частица «сбрасывает» поле). Результатом этого является наличие нисходящей и восходящей ветвей в зависимости инертной массы частицы-поля от скорости.

Минимуму функции im(u) на рис. 3 отвечает точка А, в которой масса динамической системы частица-поле в два раза превышает массу m₀ покоя частицы.

Это обстоятельство хорошо согласуется с данными наблюдательной астрономии, если прилагать полученный результат к изолированным космическим объектам, в частности, к галактикам: «Для нашей Галактики гравитационное поле в среднем должно быть примерно в два раза сильнее, чем поле, восстановленное из распределения звёзд» [1].

Графики рис. 3 показывают, что диапазон движения материальных тел во Вселенной ограничен двумя космологическими сингулярностями, характеристики которых резко различаются между собой.

Область слева определяет холодную Вселенную, которая заполнена конечной массой m₀ вещества и бесконечной мнимой массой силовых полей. Область справа определяет горячую Вселенную «голых» (лишённых силовых полей) релятивистских частиц бесконечной массы-энергии, по-видимому, способных инициировать Большой взрыв при неупругом столкновении.

Эволюция Вселенной в последнем случае сводится к переходу из горячего состояния в холодное (в результате расширения) через энергетический минимум при u/c = 0,6…0,8, в котором, по-видимому, пребывает в настоящее время наша Галактика.

4. Большой Взрыв

Используем первое из обобщённых дифференциальных уравнений Лоренца для описания поведения изолированной Вселенной во времени в указанном выше диапазоне u/c = 0,6…0,8, для которого параметры m и K с некоторым приближением можно считать неизменными.

Разделение переменных и непосредственное интегрирование уравнения позволяет получить зависимость, приведённую и изображённую графически на рис. 4; здесь T = mc/K = imc/iK и R = mc²/K = imc²/iK — характерные для изолированной Вселенной временной период и масштабная характеристика.

График поддерживает теорию Большого Взрыва, правда, с одной существенноё оговоркой: взорвался не физический вакуум, отягощённый антигравитационными натяжениями [3], а релятивистская бесконечная масса-энергия, происхождение которой, по-видимому, остаётся тайной Творца: физика как экспериментальная наука и даже математика здесь оказываются совершенно бессильными.

Естественно, что гипотеза первородного физического вакуума как «моря» виртуальных частиц, способных превращаться в частицы реальные [3], здесь оказывается неуместной: она входит в неустранимое противоречие с обобщённым уравнением Лоренца, составляющим экспериментальный и теоретический фундамент классической физики.

График рис. 4 показывает, что Вселенная имеет момент рождения при t /T = 0 в горячей сингулярности (правая область графика рис. 3), а её эволюция сводится к непрерывному расширению по экспоненциальному закону от начального нулевого объёма (r/R = 0).

Для реальных физических объектов параметр r не может быть равен нулю, поэтому функция рис. 4 имеет физический смысл при бесконечных значениях начальных параметров T и R, очевидно обусловленных нулевыми значениями параметров K и iK в горячей сингулярности.

Это свидетельствует в пользу существования первородного бесконечного пространства R, лишенного течения времени (t = 0). Оно заполнено релятивистскими (u/c = 1) материальными (im = m > 0) частицами (нейтрино?), обладающими бесконечной массой-энергией.

Частицы лишены силовых полей (K = iK = 0) и в силу этого, во-первых, не в состоянии взаимодействовать между собой; во-вторых, вынуждены двигаться только поступательно, без вращения, обеспечиваемого согласно рис. 2 взаимодействием с собственным полем.

При этом реальное, связанное с вращением время отсутствует (t = 0) и реализуются указанные выше бесконечные значения для периода T и радиуса R самовращения частиц.

По мере расширения Вселенной бесконечная масса-энергия релятивистских частиц (правая ветвь рис. 3) преобразуется в конечную массу покоя m₀ и бесконечную потенциальную энергию силового поля (левая ветвь рис. 3).

Из графика рис. 4 также следует: чем старше космический объект (больше время t/T его жизни), тем большие размеры он имеет (параметр r/R) и меньше скорость u/c его свободного движения; чем меньше объект, тем больше скорость его движения и меньше время жизни.

На рис. 3 это выражается в том, что для «тихоходных» и, следовательно, масштабных космических объектов, таких как галактики и их скопления, тёмная материя заметно превалирует над веществом (левая ветвь кривой im/m₀).

Такая закономерность подтверждается и данными наблюдательной астрономии: «Чем больше масштаб структуры, тем большую роль играет „тёмная материя“: в самых больших структурах — в сверхскоплениях галактик — обычное вещество есть лишь слегка заметная (по массе) компонента, распыленная по громадному облаку материи неизвестной природы» [1].

Наконец, возникает естественный вопрос: если горячая сингулярность на рис. 3 знаменует собой Начало, то что означает сингулярность холодная? Конец Вселенной? Начало сжатия (схлопывания) Вселенной под воздействием бесконечно больших гравитационных полей?

Или, родившись однажды в правой, горячей сингулярности и непрерывно расширяясь и охлаждаясь, Вселенная становится вечной благодаря некой созидательной роли гравитационных силовых полей (см. наш сайт)? Вопрос пока остаётся открытым.

Литература:

1. Латыпов Н. Н., Бейлин В. А., Верешков Г. М. Вакуум, элементарные частицы и Вселенная. – М.: Изд-во МГУ, 2001, с. 116.

2. Бронштейн И. И., Семендяев К. А. Справочник по математике для инженеров и учащихся вузов. – М.: Физматиздат, 1962, с. 495, 528.

3. Новиков И. Д. Как взорвалась Вселенная. – М., Наука, 1988, с. 158, 116.

Константин Павлович Агафонов, инженер с двумя высшими образованиями и 47-летним опытом работы в различных отраслях промышленности. В настоящее время служит государственным патентным экспертом в Российском Патентном ведомстве (ФИПС). Связаться с автором статьи можно по адресу agafonovkp@narod.ru.

• Открытый космос