Каков физический механизм Большого взрыва?

Наука и жизньНаука

Цикличность большого взрыва

Николай Горькавый

Галактика Фантом

Несомненно, дверь однажды распахнётся, и перед нами откроется сверкающий механизм движения мира во всём великолепии и простоте. Ч. Мизнер, К. Торн и Дж. Уилер. Гравитация

Космология должна отвечать на ключевые вопросы: каков физический механизм Большого взрыва? Как избежать сжатия в точку коллапсирующей Вселенной или любой гравитирующей системы (проблема сингулярности)? Чем вызывается современное ускорение расширяющейся Вселенной (проблема тёмной энергии)?

В космологии Фридмана, которой в декабре 2022 года исполнилось 100 лет, впервые в рамках теории Эйнштейна была рассмотрена периодическая Вселенная. Предположение о цикличности накладывает ограничение на космологические решения: условия, вызывающие Большой взрыв и современное ускорение Вселенной, должны надёжно повторяться в каждом цикле*.

* См. статью: Н. Горькавый. Вселенная, пульсирующая в чёрной дыре. — «Наука и жизнь» № 12, 2022 г.

Решение этих сложных вопросов можно найти в рамках классической теории Эйнштейна, не вводя новых полей или измерений пространства, — если правильно интерпретировать важную проблему гравитационной энергии.

Странности гравитационной энергии

Вся материя Вселенной имеет положительную энергию: тела, частицы и силовые поля, включая электромагнитное. Единственное исключение — гравитационное поле, которое, согласно теории Ньютона, обладает отрицательной энергией.

Столь странный на первый взгляд результат можно объяснить с помощью закона сохранения энергии. Падающий на Землю камень увеличивает свою положительную кинетическую энергию, тогда его потенциальная энергия должна убывать. А поскольку очевидно, что на бесконечности потенциальная энергия гравитационного взаимодействия должна быть равна нулю, то при приближении к Земле она должна стать отрицательной.

Но в чём её смысл? Что можно «зажарить» на отрицательной энергии? Великий Максвелл был так поражён фактом отрицательности энергии гравитационного поля, что оставил всякие попытки построения теории гравитации, написав в 1864 году: «Так как я не могу представить, как среда может обладать такими свойствами, я не могу двигаться дальше в этом направлении в поисках причины гравитации».

Странности гравитационной энергии на этом не закончились. В 1915 году Эйнштейн записал уравнения общей теории относительности, рассматривающей гравитационное поле как искривлённое пространство-время, описываемое метрическим тензором. Причиной или источником искривления пространства-времени в теории относительности Эйнштейна стал тензор энергии-импульса вещества и электромагнитного поля. Но входит ли энергия самого гравитационного поля в число источников или генераторов гравитационного поля?

Изначально Эйнштейн считал, что входит. Неожиданно оказалось, что получить тензор энергии-импульса гравитационного поля, который должен быть инвариантен, то есть не зависеть от выбора системы отсчёта и систем координат, невозможно! Математический объект, который Эйнштейн предложил для описания энергии гравитационного поля, не обладал инвариантностью тензора: например, Эрвин Шрёдингер, будущий создатель квантовой механики, показал, что такой объект можно превратить в ноль выбором системы координат. Согласно принципу эквивалентности Эйнштейна, наблюдатель, запертый в лифте, свободно падающем в искривлённом пространстве, никаким способом не сможет отличить своё пространство от плоского, а своё падение — от покоя. Для него гравитационное поле и его энергия полностью исчезают. Этот феномен называется нелокализуемостью гравитационной энергии. Такое локальное исчезновение энергии гравитационного поля тоже противоречит тензорному описанию энергии: тензор не может обнулиться из-за выбора системы отсчёта или наблюдения. Поэтому величину, характеризующую энергию-импульс гравитационного поля, стали называть псевдотензором.

В 1916—1918 годах среди корифеев физики возникли острые дискуссии. Реальна ли гравитационная энергия? Может ли нетензорная и нелокализуемая гравитационная энергия служить источником тензорного гравитационного поля? После этих дискуссий Эйнштейн изменил своё мнение и с 1919 года стал считать, что гравитационная псевдоэнергия не может быть источником гравитационного поля. Его поддержали А. Эддингтон, Э. Шрёдингер и многие другие физики.

Фактически есть версия общей теории относительности 1915 года с включением нетензорной гравитационной энергии в источники гравитационного поля и позднейший вариант теории от 1919 года, где Эйнштейн навсегда исключил гравитационную энергию из источников искривлённого пространства. До последнего времени разница между этими версиями казалась несущественной, потому что энергия гравитационных волн считалась малой. Но обсерватория LIGO открыла в 2015 году, что слияние пары чёрных дыр переводит около 5% их массы в гравитационное излучение. Превращение за долю секунды нескольких масс Солнца в энергию гравитационных волн актуализировало старый спор — генерирует ли энергия гравитационного излучения новое гравитационное поле?

Антигравитация в теории Эйнштейна

Гравитация считается синонимом притяжения. Но в последние годы обнаружен удивительный теоретический феномен: по Ньютону, столкновение и слияние двух чёрных дыр разной массы должно приводить к образованию итоговой дыры, покоящейся в центре масс. Расчёты по теории Эйнштейна дали другой результат: финальная дыра получает толчок в сторону меньшей из дыр и улетает из центра масс. Если масса крупной дыры в пять раз больше, чем у маленькой дыры, то скорость такой «отдачи» для невращающихся дыр достигает 175 км/с.

Что вызвало эту отдачу? Воронка гравитационного потенциала вокруг массивной дыры и небольшая яма вокруг лёгкой дыры сливаются в несимметричную воронку, которая не успевает выровнять свои склоны из-за конечной скорости распространения гравитационного поля. Эта асимметрия суммарного потенциала и сообщает чёрной дыре значительный импульс. Можно считать, что итоговая дыра оказалась не в минимуме, а на склоне воронки потенциала, по которому она и покатилась в сторону дна, ускоряясь искривлённым пространством-временем, — ведь в рассматриваемой системе нет никаких других сил. Этот эффект отдачи не имеет аналогов в гравитации Ньютона, где потенциал перестраивается мгновенно. Отдачей сливающихся дыр объясняют вылет чёрных дыр из галактик, но значимость этого эффекта гораздо глубже.

Проведём мысленный эксперимент: расположим по поверхности сферы большое количество чёрных дыр. Сфера обладает самогравитацией, и чёрные дыры должны начать падать с небольшим ускорением к центру. Разместим снаружи каждой чёрной дыры ещё одну дыру в пять раз меньшей массы (рис. 1), что усилит притяжение сферы. Но если каждая пара чёрных дыр сольётся, то произойдёт нечто парадоксальное: сфера из чёрных дыр начнёт расширяться с огромной скоростью — 175 км/с!

Рис. 1. Антигравитация сферы из двойных дыр. До попарного слияния больших и маленьких дыр (а) в системе действовала притягивающая гравитация (синие стрелки), которая заставляла сферу сжиматься. После слияния дыр (б) сфера разлетается в разные стороны (красные стрелки) на волне антигравитационного потенциала. Рисунок Николая Горькавого

Градиент потенциала, возникшего после слияния дыр, направлен так, что вместо притяжения возникло отталкивание, или антигравитация. Этот мысленный эксперимент опровергает мнение, что гравитация — это синоним притяжения, и доказывает, что в теории Эйнштейна можно получить антигравитацию, не вводя новых сил или квантовых полей. На рис. 1 показана довольно искусственная система со специально заданным расположением чёрных дыр. Она лишь демонстрирует принципиальную возможность появления отталкивающих сил в теории гравитации. Можно ли получить антигравитацию в реальной космической системе, где никто не заботится о упорядоченном размещении чёрных дыр?

Как вывернуть воронку притягивающего потенциала и превратить гравитацию в антигравитацию в момент коллапса Вселенной? Я много лет обдумывал проблему энергии-импульса гравитационного поля и сопутствующий вопрос: что будет с гравитацией системы из сливающихся, хаотически расположенных чёрных дыр? Часть их массы должна перейти в гравитационные волны. С точки зрения теории Эйнштейна 1915 года, гравитационная масса системы не изменится, а вот по версии теории 1919 года — уменьшится. В мае 2003 года, в короткой заметке в Бюллетене Американского астрономического общества, я показал, что если гравитационная масса замкнутой системы уменьшается, а скорость распространения поля конечна, то в центре воронки гравитационного потенциала вырастает холм, на склоне которого будет не притяжение, а отталкивание (см. рис. 2)*.

* Gorkavyi N. Origin and Acceleration of the Universe without Singularities and Dark Energy. // Bulletin of the American Astronomical Society, 2003, 35, p. 743.

Рис. 2. Антигравитационный пик, или монопольная волна, которая представляет собой симметричное расплывание горбообразного возмущения на месте исчезнувшего Солнца. Формула ускорения из-за ньютоновского притяжения окрашена жёлтым, формула нового антигравитационного ускорения на центральном пике — зелёным. Параметр α отражает скорость изменения гравитационной массы. Стрелка 1 показывает обычное орбитальное движение Земли; 2 — вектор скорости Земли, направленный по касательной к орбите; 3 — движение Земли под воздействием антигравитационного потенциала центрального пика. Красные стрелки показывают направление ускорения тел в данном гравитационном потенциале. Иллюстрация на основе рисунка Дианы Коверн, 2019, https://www.youtube.com/watch?v=DjcS1kRkc6M.

Учёт переменности гравитационной массы модифицирует ньютоновский закон притяжения, добавляя в него новый член, который возникает из-за конечности скорости света. При уменьшении гравитационной массы новая сила описывает «антигравитацию», а при увеличении массы — «гипергравитацию», то есть повышенное притяжение. Новая сила стремится к доминированию в космологических масштабах, потому что падает с радиусом как 1/r — медленнее ньютоновского притяжения 1/r2. Появление антигравитации в случае уменьшения гравитационной массы иллюстрирует рис. 2. Эта антигравитация имеет такую же природу, как и отталкивающая сила, вызывающая разлёт сферы из дыр (рис. 1).

В 2016 году мне вместе с теоретиком Александром Васильковым, выпускником МФТИ, удалось показать, что выражение для новой силы, ранее выведенное в квази-ньютоновском приближении, может быть получено как аккуратное решение уравнений Эйнштейна для случая переменной гравитационной массы*. Такое решение в виде монопольной, то есть радиально распространяющейся неколебательной гравитационной волны (см. рис. 2) было независимо получено польским физиком Мареком Кутчерой в 2003 году, но он не заметил, что такая волна вызывает новую гравитационную силу.

* Gorkavyi N. and Vasilkov A. A repulsive force in the Einstein theory. // MNRAS, 2016, 461, 2929—2933.

Пик на рис. 2, вызванный уменьшением гравитационной массы центрального тела (исчезновением Солнца), иллюстрирует монопольную волну, которая распространяется во все стороны и генерирует отталкивание для всех объектов в поле своего действия. Аналогичный пример монопольной волны можно найти в гидродинамике: если увеличить в какой-то точке Мирового океана объём воды (солнечным нагревом или появлением воздушного пузыря под водой), то получившийся водяной бугор будет расплываться, распространяясь во все стороны. Слияние чёрных дыр тоже должно генерировать не только обычные гравитационные волны, но и монопольную волну, отражающую уменьшение гравитационной массы системы на несколько процентов.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Выживут только инфорги Выживут только инфорги

«Инфорги» — люди, которые придут на смену Homo Sapiens

Популярная механика
Как установить сертификат Минцифры: подробная инструкция Как установить сертификат Минцифры: подробная инструкция

Рассказываем о том, как установить сертификат Минцифры 2022 года

CHIP
Ускользающие инопланетяне Ускользающие инопланетяне

Новая шкала инопланетных цивилизаций

Популярная механика
Страна дальнего следования Страна дальнего следования

В России работает непреложное правило — чем дальше в лес, тем ярче приключения

СНОБ
Солнце меняет климат Солнце меняет климат

Почему климат на Земле так стремительно меняется

Наука и жизнь
Разгрузка для печени Разгрузка для печени

Печень выполняет множество функций, а потому нуждается в особом внимании

Лиза
11 способов становиться немного умнее каждый день 11 способов становиться немного умнее каждый день

Интеллект, как и тело, требует правильного питания и регулярных тренировок

Psychologies
На изящном: как Джексон Поллок стал культурным героем США На изящном: как Джексон Поллок стал культурным героем США

В Джексона Поллока мало кто верил, но пропаганда и пресса сделали свое дело

Правила жизни
Вселенная, пульсирующая в чёрной дыре Вселенная, пульсирующая в чёрной дыре

Происхождение Вселенной всегда волновало людей

Наука и жизнь
Как свести его с ума: 5 простых приемов для обретения женской привлекательности Как свести его с ума: 5 простых приемов для обретения женской привлекательности

Развить в себе привлекательность, которая будет приманивать мужчин, может каждая

VOICE
Как летает «Кинжал» Как летает «Кинжал»

Что такое аэробаллистическая траектория и в чем ее преимущества

Популярная механика
Аму Хаджи: человек, который не мылся 67 лет Аму Хаджи: человек, который не мылся 67 лет

Аму Хаджи занесен в книгу рекордов Гиннеса

ТехИнсайдер
Энергия на длинную дистанцию Энергия на длинную дистанцию

Сможет ли управляемый термоядерный синтез заменить углеводородное топливо

Наука и жизнь
Как принять свою неидеальность: 7 основных правил Как принять свою неидеальность: 7 основных правил

Как во всем преуспевать и всем нравиться?

Psychologies
Неправильный огород Неправильный огород

Как называть серавая, который высаживает странные цветы просто ради красоты?

Вокруг света
Traveller 4х4. Peugeot и немцы Traveller 4х4. Peugeot и немцы

Можно ли не заинтересоваться Peugeot Traveller с полным приводом?

4x4 Club
6 признаков, что нужно срочно менять смартфон 6 признаков, что нужно срочно менять смартфон

Признаки того, что телефон скоро устареет

Maxim
Насколько сложно отказаться сейчас от российского гражданства и можно ли его вернуть Насколько сложно отказаться сейчас от российского гражданства и можно ли его вернуть

Какие могут возникнуть проблемы у людей, которые хотят отказаться от гражданства

Forbes
История мальчика, которого пытались превратить в девочку: жизнь Дэвида Реймера История мальчика, которого пытались превратить в девочку: жизнь Дэвида Реймера

Правда ли, что любого ребенка можно превратить хоть в мальчика, хоть в девочку?

VOICE
Тайсон повернут на марихуане: курил даже перед боями, а теперь зарабатывает миллионы на ранчо и планирует тематический парк Тайсон повернут на марихуане: курил даже перед боями, а теперь зарабатывает миллионы на ранчо и планирует тематический парк

Мы осуждаем это увлечение Майка Тайсона, ты тоже осуди!

Maxim
Как быстро и просто отмыть йод и зеленку с любой поверхности: самые нужные лайфхаки Как быстро и просто отмыть йод и зеленку с любой поверхности: самые нужные лайфхаки

Справиться с пятнами от зеленки и йода помогут некоторые хитрости

ТехИнсайдер
Театр цвета Театр цвета

Дом в Геленджике для отдыха с интерьером в различных оттенках серого

SALON-Interior
Отекают ноги Отекают ноги

Почему отекают ноги и что делать в том или ином случае

Лиза
Странная внешность помогла успешной карьере. История знаменитого фрика Странная внешность помогла успешной карьере. История знаменитого фрика

В начале XX века людям с необычной внешностью была всего одна дорога

ТехИнсайдер
Раскрыта причина волны детской смертности, случившейся 80 лет назад Раскрыта причина волны детской смертности, случившейся 80 лет назад

Ученые из Университета Восточной Англии разгадали 80-летнюю загадку медицины

ТехИнсайдер
ФБР, коллекция книг и геронтофилия. Факты о Мэрилин Монро ФБР, коллекция книг и геронтофилия. Факты о Мэрилин Монро

Знаменитая блондинка покорила весь мир, но оставалась непростым человеком

ТехИнсайдер
«Зеленый» менеджмент человеческих ресурсов | Green Human Resource Management «Зеленый» менеджмент человеческих ресурсов | Green Human Resource Management

Оценка влияния на экологическую устойчивость банков (на примере Нигерии)

Позитивные изменения
Как вернуть натуральный цвет волос: вместе с парикмахером разбираем 4 типичных случая Как вернуть натуральный цвет волос: вместе с парикмахером разбираем 4 типичных случая

Как быстро и безболезненно вернуться к своему натуральному оттенку волос?

VOICE
Песни Севера Песни Севера

Позволь себе еще одно зимнее путешествие – в снежную морозную Карелию

Лиза
Викинги целое столетие не могли победить небольшой монастырь в Кенте Викинги целое столетие не могли победить небольшой монастырь в Кенте

Монастырь Лайминдж сопротивлялся разрушению викингами почти столетие

ТехИнсайдер
Открыть в приложении