Пульсирующая Вселенная - Николай Николаевич Горькавый

века того факта, что Вселенная имеет космологическую постоянную больше нуля, уже делает условия, принятые в этих теоремах, достаточно сомнительными. А если будет доказано, что вблизи сингулярности возникает сильная антигравитация? Теоремы Пенроуза — Хокинга безусловно нарушаются при введении антигравитационного квантового поля возле сингулярности, но ситуация будет аналогичной, если антигравитация будет носить неквантовый характер.

Математические теоремы, доказанные в теоретической физике, имеют совсем другой уровень истинности, чем обычные теоремы Пифагора или Ферма. Математические теоремы в теоретической физике создают иллюзию строгости, гипнотически действуя на неискушенных физиков, но они не могут доказать реалистичность физической теории. Возможно, что ущерб, наносимый математическими теоремами в теоретической физике, перевешивает их пользу.

4.2. Что является пружиной Большого взрыва?

В сингулярностях и катастрофических этапах эволюции вещества нет ничего страшного и невозможного, а есть только много непривычного.

Г. И. Наан

Какой может быть природа квантового отталкивания возле сингулярности, которое может обеспечить Большой взрыв? Как классическое притяжение может смениться на квантовое отталкивание? Квантовый подход к решению проблемы сингулярности и Большого взрыва предполагает существование ранней Вселенной в квази-планковском микроскопическом масштабе, потому что на хорошо изученном макроуровне не существует сильного квантового отталкивания. С точки зрения квантовой космологии динамику Вселенной размером в десятки миллиардов световых лет до сих пор определяют квантовые процессы неизвестной природы, случившиеся более десяти миллиардов лет назад в микрообъеме.

Это очень сильное предположение, как и вовлечение в физику ранее неизвестных квантовых полей. Какова же альтернатива? Где же найти решение проблемы сингулярности и Большого взрыва, которое базировалось бы на проверенной теории и было бы неоспоримо?

Интересный феномен исследован в последние годы в общей теории относительности. Рассмотрим обычную классическую систему: два неодинаковых и неупругих (например, пластилиновых) невращающихся шара, которые достаточно медленно движутся навстречу друг другу вдоль прямой линии. По Ньютону, если столкновение таких шаров рассмотреть в системе центра их масс, то после удара они слипнутся в один шар, который будет неподвижен относительно наблюдателя, который удобно устроился в центре инерции.

По логике Ньютона, столкновение и слияние двух неодинаковых черных дыр, которое наблюдается из центра масс, тоже должно приводить к одной покоящейся черной дыре. Но не тут-то было! Как показывают расчеты в рамках ОТО, при слиянии неодинаковых черных дыр итоговая дыра не остается в центре масс системы, а получает толчок в сторону меньшей из дыр и улетает из центра масс системы. Физику этого толчка можно интерпретировать следующим образом: каждая черная дыра имеет вокруг себя воронку гравитационного потенциала. Меньшая дыра имеет меньшую воронку, а большая дыра соответственно более масштабную воронку. При слиянии дыр образуется одна суммарная воронка потенциала, которая оказывается несимметричной из-за разных потенциальных воронок неодинаковых сливающихся черных дыр и из-за того, что гравитационное поле перестраивается не мгновенно, а со скоростью света. Можно сказать, что образовавшаяся суммарная дыра оказалась в несимметричной воронке или не в минимуме итогового потенциала, а на его склоне — и этот склон потенциала выталкивает суммарную черную дыру из центра масс. Максимальная скорость такой «отдачи» для невращающихся дыр — 175 километров в секунду, если масса крупной дыры в пять раз больше, чем у меньшей дыры. Очевидно, что итоговая черная дыра ускоряется искривленным пространством-временем, потому что в данной системе нет других сил.

Этот эффект не имеет аналогов в ньютоновской гравитации, в которой гравитационный потенциал перестраивается мгновенно. Феномен «отдачи» в ОТО хорошо изучен за последние годы и даже применяется для объяснения вылета черных дыр из шаровых скоплений и галактик. Но принципиальная значимость этого эффекта гораздо глубже. Общепринято, что гравитационная сила является притягивающей силой. Гравитация — это синоним слова «притяжение». Слово «антигравитация» в науке и культуре часто носит иронично-негативный оттенок, вплоть до диагноза.

Проведем следующий мысленный эксперимент. Возьмем большое количество черных дыр звездной массы и равномерно расположим их по поверхности сферы, например, в сто световых лет (рис. 1).

Эта конструкция будет обладать заметной самогравитацией. Если отпустить черные дыры, то они начнут падать с небольшим ускорением к центру сферы. Разместим возле каждой черной дыры еще одну дыру в пять раз меньшей массы — так, чтобы меньшая дыра располагалась снаружи, то есть на продолжении линии «центр сферы — крупная дыра». Притяжение дыр к центру сферы только усилится. Если же разрешить слияние каждой пары черных дыр, то произойдет с точки зрения теории Ньютона нечто невероятное (см. рис. 1): сфера из суммарных черных дыр вместо сжатия начнет расширяться со скоростью почти двести километров в секунду! Мы сумели так расположить систему гравитирующих объектов, что градиент потенциала для всех дыр, возникших после слияния,

Рис. 1. Антигравитация сферы из двойных дыр. До слияния больших и маленьких дыр в системе действует притягивающая гравитация (штрихованные стрелки), которая заставляет сферу медленно сжиматься. После слияния мелких и крупных дыр сфера начинает быстро разлетаться в разные стороны (сплошные стрелки) на волне антигравитационного потенциала, вычисляемого в рамках ОТО

оказывается направленным внутрь — и вместо притяжения ( гравитации) мы получили отталкивание (антигравитацию). Этот мысленный эксперимент полностью разрушает прочно устоявшееся мнение, что гравитация — это синоним притяжения. Мы получили в рамках ОТО антигравитацию, не вводя никаких новых сил, квантовых полей или гипотетических отрицательных давлений! Эта разлетающаяся сфера из черных дыр — светлый луч надежды в царстве темных сил.

Можно задаться логичным вопросом: а можно ли вывернуть воронку притягивающего потенциала так, чтобы он стал отталкивающим в момент коллапса Вселенной? Если гравитация становится в околосингулярной области мощнее всех остальных сил, то нельзя ли победить гравитационный коллапс и сопутствующую сингулярность с помощью самой гравитации?

Глава 5. Проблема темной материи

5.1. Фриц Цвикки и невидимая масса в скоплениях галактик

Если это подтвердится, то мы придем к поразительному выводу, что количество темной материи гораздо больше, чем светящейся.

Ф. Цвикки (1933)

Фриц Цвикки (1898–1974) вырос в Европе и окончил Цюрихский политехнический институт, где раньше учился Альберт Эйнштейн. В 1925 году Цвикки уехал в Калифорнию, где располагались Маунт-Вильсоновская и Паломарская обсерватории. За последующие двенадцать лет Фриц Цвикки получил множество научных результатов, которые поставили его в ряд величайших астрономов XX века. Но в своих открытиях он настолько опережал свое время, что коллеги его часто не понимали. Поэтому Фриц Цвикки жил в состоянии острого конфликта с научным сообществом. Один из очевидцев вспоминал: «Окружающие видели в нем сумасшедшего, а он их считал глупцами». В результате у Цвикки, который