Миф о расширяющейся вселенной

ВВЕДЕНИЕ

Стремление к новым знаниям, включая и те, что лежат за пределами  необходимых для выполнения своей работы, свойственны многим нормальным людям. Я раньше старался не пропускать интересные познавательные передачи, включая телепередачу «Очевидное-невероятное», которую вёл Сергей Капица, известный учёный и сын выдающегося учёного Петра Капицы. При этом для меня наиболее интересны были передачи, в которых выступали представители различных взглядов по какой-то из научных проблем. Сейчас этой передачи нет, а другие познавательные передачи - большая редкость. Вместо этого вечером в самое ценное на основных телеканалах эфирное время нас приглашают на телепомойку. Там смакуют семейные дрязги, споры по разделу имущества, выясняют с помощью теста отцовство внебрачных детей всяких знаменитостей и т.п. Да и в дневное время по основным каналам идут в основном передачи, в которых мало познавательного, нет пищи для ума. В передаче «Судьба человека» мы узнаём о жизненном пути артистов, певиц, реже музыкантов, но не видим учёных, изобретателей, конструкторов, руководителей и выдающихся людей других не менее важных профессий.

В настоящее время многие люди в свободное время смотрят не телевизор, а используют интернет, как для просмотра новостей, так и в поисках интересующей их информации. В данной короткой публикации я намерен изложить свой взгляд на проблему теории расширяющейся Вселенной (ТРВ), которая, как я полагаю, представляет интерес. Эта теория признаётся большинством специалистов. Но есть также выдающиеся учёные, которые считают эту теорию ошибочной. Я считаю ТРВ лженаучной и привожу в доказательство аргументы. Изначально, исходя из общих мировоззренческих позиций, можно сомневаться, что такая Вселенная вообще может существовать во времени. К тому же появились новые знания об эфире как среде заполняющей мировое пространство. В начале ХХ века физики отказались от эфира после появления специальной теории относительности, в которой Эйнштейн упразднил эфир. Эфир не присутствует и в эйнштейновской космологии, что в свете новых знаний об эфире даёт основание считать её ошибочной.

В настоящее время эфир возвращается в естествознание под новым названием вакуум физический. Его определение приводится в энциклопедических изданиях, например, в Большой российской энциклопедии (как вакуум физический). Однако среди специалистов разных наук нет единого понимания физической сущности эфира.  В данной публикации я старался изложить суть темы в предельно доступной форме, учитывая специфику портала и рассчитывая на заинтересованных читателей с различной степенью подготовки.

КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ВОПРОСА

В 1917 г. Эйнштейн опубликовал статью «Вопросы космологии и общая теория относительности». Это была первая его работа, в которой он применил свою новую теорию к Вселенной, понимаемой как единое целое. Подходя к построению космологии, Эйнштейн разделял определённые общие воззрения на Вселенную. В частности, он полагал, что устройства мира должно быть простым. Вселенная как целое должна быть однородной: распределение вещества в ней всюду одинаково по плотности. Пространство также является однородным, т.е. всюду одинаковым по своим геометрическим свойствам.

Эйнштейн исходил из того, что Вселенная пребывает в неизменном статичном состоянии. Тогда такая Вселенная симметрична относительно сдвигов во времени. Статичность связывалась с малыми скоростям движения звёзд. При этом все точки мира были равноправны: переход с одного места к другому ничего не меняет в общей геометрии мира. Эйнштейн предполагал также, что вместе с однородностью мира имеется ещё изотропия, т.е. равноправность всех направлений в пространстве. Обе эти пространственные симметрии присущи Вселенной как целому и проявляются в её крупномасштабных свойствах.

Этот образ Вселенной представлялся в то время естественным и очевидным. Но оказалось, что уравнения гравитационного поля ОТО не допускают статичности Вселенной. Тогда в целях согласования теории с данными наблюдений Эйнштейн решил несколько подправить уравнения. Он предположил, что наряду с обычным веществом, все частицы которого испытывают взаимное притяжение, в мире существует ещё необычная среда, создающая отталкивание. Она способна компенсировать взаимное притяжение частиц вещества. Но при этом Эйнштейн ничего не говорит о природе источника гравитационного отталкивания. Он формально вводит в уравнения дополнительное слагаемое, которое назвал космологическим членом. В результате дополненные таким путём уравнения допускают статичную Вселенную.
 
ИСТОКИ ТЕОРИИ РАСШИРЯЮЩЕЙСЯ ВСЕЛЕННОЙ

В 1922 г. Александр Фридман (1888-1925) получил решения уравнений ОТО, когда они были применены к Вселенной в целом. Он использует уравнения Эйнштейна в общей форме, включая космологический член. Полученные решения допускают стационарную и нестационарную Вселенную: расширяющуюся или сжимающуюся. Поначалу Эйнштейн счёл результаты Фридмана подозрительными, но потом изменил своё отношение к ним. В частности, он писал: «Моя критика основывалась на ошибке в вычислениях. Я считаю результаты Фридмана правильными и проливающими новый свет». Впоследствии после открытия Э. Хабблом ( Hubble, Edwin Powell, 1889-1953) красного смещения в спектрах удалённых галактик Эйнштейн счёл космологический член излишним, хотя для этого было не больше оснований, чем при его введении.
Таким образом, позиция Эйнштейна в период становления новой космологии была непоследовательной. Вначале в целях согласования ОТО с положением о пространственной замкнутости Вселенной он ввёл в уравнения космологический член, а потом в целях согласования теории с новыми данными наблюдений отказался от него.

Непоследовательной была также позиция Эйнштейна в части учёта влияния эфира в уравнениях ОТО. В упомянутой статье «Вопросы космологии и общая теория относительности», опубликованной в 1917 году, эфир не упоминается. А в 1920 г. Эйнштейн отказался от своего прежнего утверждения об отсутствии эфира. В статье «Эфир и теория относительности» он пишет: «Согласно общей теории относительности, пространство немыслимо без эфира; действительно, в таком пространстве не только было бы невозможно распространение света, но не могли бы существовать масштабы и часы и не было бы никаких пространственно-временных расстояний в физическом смысле слова».

На основании изложенного делаем вывод: теоретическую основу ТРВ составляет ОТО, а наблюдательную основу - установленная Хабблом закономерность зависимости скорости удаления галактик от расстояния (от наблюдателя до галактики, закон Хаббла «скорость-расстояние»). При этом теоретическое обоснование включает в себя две гипотезы: первая - предпочтение отдано одному из различных мыслимых вариантов, а именно, расширению Вселенной; вторая - космическое пространство является пустым (эфир как материальная среда не существует, а если существует, то не влияет на движение небесных тел). Следовательно, ОТО является не физической, а математической теорией, в которой  её автор с помощью математических манипуляций добивается согласования теории с данными наблюдений.

ТРУДНОСТИ ТЕОРИИ РАСШИРЯЮЩЕЙСЯ ВСЕЛЕННОЙ

Теория расширяющейся Вселенной (ТРВ) признаётся большинством специалистов, несмотря на то, что она противоречит современным знаниям об эфире (вакууме физическом) и многочисленным данным наблюдений. Эти  трудности можно разделить на основные и дополнительные.

Одна из основных трудностей связана с феноменом эфира как среды, заполняющей мировое пространство. Если эфир существует, как это признал сам Эйнштейн, то его необходимо учесть в уравнениях ОТО. Поскольку этого не было сделано, то ОТО следует считать математической теорией, не соответствующей физической реальности.

К дополнительным трудностям можно отнести тот факт, что расширение Вселенной не следует однозначно из ОТО. Теория допускает также другие возможные варианты, включая сжимающуюся Вселенную и стационарную Вселенную. Поэтому открытое Хабблом красное смещение в спектрах удалённых галактик, которому приписывают доплеровскую природу, не противоречит ОТО, но и не подтверждает её.

О ФЕНОМЕНЕ ЭФИРА

Следует отметить, что в то время, когда была создана ОТО и получила признание специалистов, не было необходимых знаний о свойствах эфира, которыми располагает современная наука. Это знания, доставляемые квантовой теорией поля (КТП) и физикой конденсированных сред (ФКС). В КТП известны вакуумные эффекты, характеризующие эфир как среду со специфическими свойствами. Это рождение пар «частица-античастица», поляризация вакуума и другие. В ФКС эфир-вакуум рассматривается как квантовая жидкость, состоящая из двух компонент: основной, обладающей свойством сверхтекучести, и возбуждённой, обладающей вязкостью. 

Основополагающим положением в части понимания состава и структуры эфира является факт рождения пар «частица-античастица», так называемых вакуумных пар (ВП), а именно пар, электрон-позитрон и протон-антипротон. ВП следует рассматривать как структурные элементы эфира, определяющие его свойства как системы, состоящей из этих пар.   

ЗАКОН ХАББЛА

Как следует и сказанного выше расширение Вселенной не имеет достаточного теоретического обоснования. Тогда основным аргументов в пользу гипотезы расширения Вселенной являются только данные наблюдений, прежде всего, установленная Хабблом закономерность «скорость-расстояние», т.е. зависимость скорости разбегающихся галактик от их расстояния до наблюдателя. Однако полученную Хабблом зависимость лишь условно можно считать законом, так как много точек находятся далеко от интерполяционной прямой. Не удивительно, что эта закономерность время от времени уточняется.

Но главным тестом для проверки этой зависимости являются данные об объектах, которые не только находятся рядом, но и имеют признаки общего происхождения. Согласно закону Хаббла, эти объекты должны иметь одинаковые значения красных смещений в спектрах. Но имеются многочисленные данные наблюдений, которые не подтверждают эту закономерность.

О ПРИРОДЕ КРАСНЫХ СМЕЩЕНИЙ

Красные смещения в спектрах галактик могут быть обусловлены одной из двух причин. Первая причина может быть связана с «разбеганием» галактик. Тогда смещение зависит от скорости их взаимного удаления вследствие эффекта Доплера, т.е. уменьшения частоты фотонов. Вторая причина может быть связана с тем, что космическое пространство не является пустым. Тогда фотоны должны терять свою энергию при прохождении через эту среду.

В ТРВ пространство предполагается пустым. Против наличия в пространстве какой либо среды были выдвинуто следующее возражение. Если бы пространство не было пустым, то происходило бы рассеяние света вследствие столкновения фотонов с частицами этой среды. Тогда изображения далёких галактик казались бы размытыми. А они являются такими же чёткими, как и изображения близких галактик.

ДАННЫЕ НАБЛЮДЕНИЙ, ПРОТИВОРЕЧАЩИЕ ТЕОРИИ РАСШИРЯЮЩЕЙСЯ ВСЕЛЕННОЙ

На различные красные смещения объектов, принадлежащих одной группе, обратил внимание Воронцов-Вельяминов (Борис Александрович, 1902-1994). Он привёл ряд характерных примеров. Например, в тесном квинтете Стефана у четырёх галактик красные смещения заключены в пределах 5920 - 7010 км/сек, а у пятого члена группы смещение составляет всего 1070 км/сек.

Американский астроном Арп (Arp, Halton Christian, 1927-2013) объясняет происхождение больших космологических красных смещений как следствие процессов, происходящих в космических объектах. Он обнаружил ряд систем, связанных еле заметными струями, с объектами, имеющими различные красные смещения. Арп представил эти объекты как доказательство того, что красное смещение обусловлено внутренней структурой объектов, а не расстояниями до них.

Обстоятельные исследования красных смещений в спектрах квазаров и галактик были проведены индийским астрофизиком  Нарликаром (Narlikar, Jayant Vishnu). Он обращает внимание на дополнительные трудности, которые нельзя объяснить, исходя из случайных совпадений в картинной плоскости изображений квазара и галактики, находящихся на разных расстояниях. Он рассмотрел особенности в расположении некоторых групп галактик и квазаров. Непонятно, почему квазары располагаются крест-накрест около галактик, если их расположение случайно. И, наконец, совершенно невозможно попарное совпадение красных смещений квазаров, если исходить из космологического происхождения красного смещения.

Видимо нельзя избежать вывода о том, что квазары с большими красными смещениями связаны с галактиками, имеющими малые красные смещения. При этом попарно симметричное расположение квазаров можно было бы объяснить тем, что квазары выбрасываются в противоположных направлениях. Но тут и возникает главная трудность. Если квазары вылетают из галактик в разных направлениях, то часть из них будет удаляться (это объясняет красные смещения), а часть будет приближаться к нам. Поэтому у этих последних должны наблюдаться синие смещения. Однако, как отмечает Нарликар, до сих пор ни у одного квазара не наблюдалось синего смещения.

В 1971 г. Супруги Бербидж (Burbidge) привели примеры пар галактика-квазар, у которых красные смещения сильно различаются, несмотря на то, что члены каждой пары расположены на небесной сфере очень близко друг от друга. Это даёт основание считать, что они близки и в пространстве. Например, у пары «квазар 3С 232-галактика NGC 3067» смещения составляют, соответственно 0.534 и 0.0050.

Итак, многочисленные наблюдательные данные противоречат исключительно доплеровской интерпретации красных смещений (гипотеза разбегания галактик) и,  соответственно, теории расширяющейся Вселенной.

ГИПОТЕЗА БЕЛОПОЛЬСКОГО

В 1929 г. российский исследователь и астрофизик Аристарх Аполлонович Белопольский (1854-1934) выдвинул гипотезу о потере энергии фотонами при их движении в космическом пространстве. Он предположил, что частота (а значит и энергия) фотонов убывает по мере их движения в пространстве, причём так, что изменение частоты пропорционально пройденному расстоянию. Белопольский не дал какого-либо развёрнутого физического обоснования своей гипотезы. Эта гипотеза не получила признания как противоречащая представлениям о космическом пространстве как пустоте. Действительно, в пустом пространстве был непонятен  механизм потери энергии фотонами.

Другое возражение состояло в следующем. По утверждению оппонентов, если бы на пути фотонов встречались бы частицы межзвёздной среды, то неизбежно происходило бы отклонение фотонов от первоначального направления (вследствие комптоновского рассеяния), и тогда изображения далёких галактик казались бы размытыми. Но наблюдения показывают, что очертания далёких галактик столь же отчётливы, как и ближайших к нам галактик.

Однако, если принять позицию, что космическое пространство не является пустотой, а заполнено эфиром как материальной средой, то красные смещения можно рассматривать как эффект взаимодействия эфира с фотонами. Тогда с учётом современных знаний об эфире следует вернуться к гипотезе Белопольского как реальной альтернативе доплеровской интерпретации красных смещений и ТРВ в целом.

О МЕХАНИЗМЕ ПОТЕРИ ЭНЕРГИИ ФОТОНАМИ

В настоящее время, когда новые научные данные показывают, что космическое пространство - это не пустота, а заполнено эфиром как материальной средой со специфическими свойствами, гипотеза Белопольского приобретает вполне определённый физический смысл. Тогда первое возражение не имеет силы. При прохождении света через эфир как материальную среду фотоны должны терять энергию подобно тому, как это происходит при прохождении света через вещество.

Этот механизм известен и описан в научной литературе. Его суть состоит в следующем. В спектре света, проходящего через вещество, помимо несмещённой спектральной линии содержатся новые линии, частоты которых представляют суммы или разности частоты падающего света и частоты собственных колебаний рассеивающей среды. Разность частот называется стоксова компонента, а сумма - антистоксова компонента.  Интенсивность антистоксовых линий значительно меньше, чем интенсивность стоксовых линий, особенно при низких температурах, что объясняет смещение частоты в сторону её уменьшения, т.е. в красную сторону спектра.

Теперь обратимся ко второму возражению. Падающий фотон не сталкивается с одной из частиц вакуумной пары, он поглощается парой, передавая ей свою энергию, затем происходит излучение фотона. При этом в силу закона сохранения импульса фотон не изменяет своего направления как в случае столкновения с отдельной частицей. При распространении света в эфире-вакууме вакуумные пары выполняют ту же роль, что и молекулы вещества при прохождении света через вещество: поглощают и излучают фотоны.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 

Как было показано, теория расширяющейся Вселенной не имеет необходимого теоретического обоснования и надёжного экспериментального подтверждения. Теоретической основой теории принято считать общую теорию относительности. Однако расширение Вселенной не следует однозначно из ОТО, которая допускает другие мыслимые варианты Вселенной. В качестве наблюдательной основы принято считать установленную Хабблом закономерность «скорость-расстояние». Однако  скорости удаления галактик не являются наблюдаемыми величинами, а определяются на основании гипотезы о доплеровской интерпретации эффекта красных смещений в спектрах галактик. При этом наблюдаются противоречия закономерности «скорость-расстояние» с данными многочисленных наблюдений.
С учётом новых знаний об эфире (вакууме физическом) эффект красных смещений можно объяснить как потерю энергии фотонами вследствие их взаимодействия с эфиром как материальной средой. Такой подход позволяет на основе новых научных знаний возродить гипотезу Белопольского, выдвинутую им в 1929 г. и не получившую признания.

В заключение приведём слова  учёного с мировым именем французского физика Леона Бриллюэна (Brillouin, Leon, 1889-1969). В его книге «Новый взгляд на теорию относительности» даётся такая оценка ОТО: «Некоторые традиционные науки представляют собой странную смесь наблюдений и их интерпретации, основывающейся на отличных теориях, но экстраполируемой столь далеко за пределы условий эксперимента, что невольно настораживаешься и удивляешься, как часто желаемое выдаётся за действительное и тщательный анализ подменяется фантазированием. Приятно рассуждать о происхождении Вселенной, но надо помнить, что такие рассуждения - лишь чистая фантазия. И нечего ожидать, что читатель поверит в какую-либо модель Вселенной, описывающую то ли внезапный взрыв, то ли расширения и сжатия от - бесконечности до + бесконечности. Всё это слишком красиво, чтобы быть истинным, и слишком невероятно, чтобы поверить в это». 

С оценкой Брюллюэном ОТО и созданной на её основе модели Вселенной автор полностью согласен. А вот в части того, что «нечего ожидать, что читатель поверит» в эту модель Вселенной, можно усомниться. Многие читатели верят в теорию Эйнштейна и её предсказания подобно тому, как верующие верят в священное писание. И не только недостаточно образованные читатели, но и учёные с высокими научными степенями. Личность Эйнштейна стала культовой. Среди специалистов приверженцев теории Эйнштейна большинство. Они определяют редакционную политику научных изданий и пользуются своим монопольным правом на истину, игнорируют факты и не желают вступать в обсуждение трудностей этой теории с оппонентами.

Впервые автор опубликовал объяснение недоплеровской природы красных смещений в книге «Космический вакуум. Введение в теорию» (2002). Последние публикации по этой теме в статье «О природе красных смещений в спектрах галактик» в журнале «Исследования космоса» (2017, № 4) и книге автора «Теория вакуума» (2018).