Пульсирующая Вселенная - Николай Николаевич Горькавый

Суть этих затруднений понятна, потому что остальные работы по квантовой космологии, в которых масса математики и фантастики, но практически нет физики и наблюдений, трудноотличимы от «трудов» французских близнецов.

Несомненно, легко найти множество противоположных утверждений видных авторитетов, которые объявляют теорию струн и инфляционное размножение вселенных высочайшими достижениями человеческого разума. Но обсуждение достоверности теории струн, квантовой гравитации или концепции «мультиверса» выходят за рамки данной книги. Заинтересовавшиеся читатели могут обратиться к книгам Ли Смолина, Питера Войта, Сабины Хоссенфельдер и к материалам знаменитой дискуссии 2017 года, вызванной статьей Иджас, Стейнхардта и Лоеба в «Сайентифик Американ». Со своей стороны отметим лишь, что, согласно базисным принципам научных исследований, теоретики, чьи модели еще не подтверждены на практике, должны вести себя скромно и осторожно, как бы они ни были довольны друг другом и какие бы блестящие перспективы перед ними, с их точки зрения, ни сияли. Сияние чистого разума всегда должно подкрепляться приземленными и прочными фактами. Нарушение этого базисного правила науки грозит растраченными зря силами и личными катастрофами.

Вышесказанное позволяет трезво отнестись к реалистичности квантовой космологии. Наступило время новой космологической революции, которая на наших глазах создает убедительную модель Вселенной на основе доказанных фундаментальных теорий, в первую очередь — на основе общей теории относительности. Более того, динамика современной Вселенной управляется слабыми гравитационными полями, для которых эйнштейновские тензорные уравнения переходят в скалярные уравнения Ньютона. Следовательно, основная пружина динамической модели Вселенной может быть описана не только в рамках теории Эйнштейна, но и на языке ньютоновского гравитационного потенциала. Признаки правильности новой космологической модели должны быть очевидны:

• она будет базироваться на доказанных теориях и не будет вводить ни одного нового поля, или фундаментальной константы, или квантовой субстанции, или сорта частиц, или нового измерения;

• она должна объяснить все основные факты наблюдательной космологии;

• она сделает конкретные предсказания, которые можно будет проверить наблюдениями.

Просто ведь, правда?

Часть III. Новая модель пульсирующей Вселенной

Какой-то принцип, единственно верный и единственно простой, когда он нам станет известен, будет также столь очевидным, что не останется сомнений: Вселенная устроена таким-то и таким-то образом и должна быть так устроена, а иначе и быть не может. Но как открыть этот принцип?

Ч. Мизнер, К. Торн и Дж. Уилер. «Гравитация» (1977)

Глава 9. Выход из кризиса, или Свет в конце космологического туннеля

Несомненно, дверь однажды распахнется, и перед нами откроется сверкающий механизм движения мира во всем великолепии и простоте.

Ч. Мизнер, К. Торн и Дж. Уилер. «Гравитация» (1977)

Если проблемы сингулярности и природы Большого взрыва не решаются в течение многих десятилетий, невзирая на все усилия талантливейших физиков, то это не означает, что последние недостаточно умны. Это может означать, что изначально было пропущено что-то важное в подходе к решению этих проблем. Отсутствие этого ключевого пункта и делает безуспешными все попытки решения, возможно, достаточно простого.

Но где тот поворотный пункт, пропустив который мы потеряли возможность решения этих проблем в рамках теории Эйнштейна? Был ли здесь один пропущенный ключ или несколько? Был ли он найден и потерян, или еще никто не дотрагивался до того звена, потянув за которое можно вытащить всю цепь? Если эта идея была ранее высказана и не оценена по достоинству, то история физики может оказать хорошую услугу самой физике.

Попробуем проанализировать общую теорию относительности и понять, что вызывает ее (или нашу) неспособность решить основные проблемы динамики Вселенной. Физические уравнения диктуются природой, но их интерпретация, а также трактовка полученных решений часто беззащитны перед человеческим стремлением к упрощению (или усложнению).

9.1. Столетние споры о реальности энергии гравитационного поля

...новая научная истина прокладывает дорогу к триумфу не посредством убеждения оппонентов и принуждения их видеть мир в новом свете, но скорее потому, что ее оппоненты рано или поздно умирают и вырастает новое поколение, которое привыкло к ней.

Макс Планк

Электрические заряды порождают электромагнитное поле. В общем виде плотность энергии-импульса электромагнитного поля описывается тензором второго ранга. Квантовая электродинамика интерпретирует электромагнитное поле как набор квантов или фотонов, которые существуют в каждой точке пространства вокруг заряда (количество таких фотонов в любой локальной области пространства можно буквально пересчитать).

Знаменитый закон гравитации Ньютона является решением уравнения Пуассона, которое связывает гравитационный потенциал φ с его источником — гравитационной массой с плотностью ρ: Δφ  4πGρ, где значок Δ означает дифференциальный оператор Лапласа

Но если исходить из принципа равноправия энергий, то надо включать. А для этого требуется получить тензор энергии-импульса гравитационного поля — такой же, какой получен для энергии-импульса электромагнитного поля. Но математический объект второго ранга, который Эйнштейн предложил для описания энергии и импульса гравитационного поля, оказался не тензором: Эрвин Шрёдингер в 1918 году показал, что такой объект можно превратить в ноль даже простым выбором системы координат. Поэтому величину, описывающую энергию-импульс гравитационного поля, стали называть псевдотензором. Постепенно выяснилось, что вывести тензор энергии-импульса гравитационного поля в принципе невозможно!

Причина не в неумении физиков, а в самой ОТО, в основе которой лежит фундаментальный принцип эквивалентности, который устанавливает равенство между гравитационным полем и искривленным пространством. Этот принцип можно сформулировать как утверждение, что наблюдатель, запертый в небольшом лифте и свободно падающий в искривленном пространстве (гравитационном поле), никаким способом не сможет отличить свое пространство от плоского, а свое падение — от покоя. Для него гравитационное поле полностью исчезает, как и энергия этого поля. Такое локальное обнуление энергии гравитационного поля для свободно двигающегося наблюдателя называется нелокализуемостью гравитационной энергии. Этот феномен противоречит тензорному описанию энергии. Именно принцип эквивалентности является фундаментальным препятствием для квантования гравитационного поля, потому что, введя гравитоны или кванты такого поля, мы сталкиваемся с той проблемой, что их число магическим образом обнуляется