|
|
||
Большинство современных ученых - космологов, так или иначе, но в целом поддерживают Стандартную Космологическую Модель строения и эволюции Вселенной, основывающуюся на теории Большого взрыва. Так как именно эта модель способна объяснить на сегодня наибольшее количество наблюдаемых явлений.
Схематично, согласно теории Большого взрыва Вселенная возникла в результате взрывного расширения так называемой сингулярности - точки бесконечно малого объема с бесконечно большими плотностью и температурой. В результате дальнейшего расширения появившейся Вселенной - облака перегретых субатомных частиц, температура и давление в ней падали, что обеспечило формирование атомов, молекул, звезд, планет, галактик. И в результате этого процесса образовалось, то, что мы сегодня наблюдаем и называем Вселенной.
Да, Стандартная Космологическая Модель строения и эволюции Вселенной достаточно хорошо объясняет многое в наблюдаемой сегодня Вселенной, но, как известно, все же далеко не все. В этой связи необходимо учитывать, что явления, которые оказалось затруднительно объяснить при помощи Стандартной Космологической Модели строения и эволюции Вселенной делятся на две большие группы: соответственно имеющие место до и после Большого взрыва (рождения Вселенной).
Первая группа явлений или события имевшие место до Большого взрыва и в самом его начале неразрывно связаны со следующими вопросами:
Из чего возникла сингулярность и соответственно сама Вселенная?
Как долго существовало то, что было до возникновения Вселенной и вообще было ли что-то?
Как долго существовала сингулярность, как она формировалась и вообще формировалась ли?
Что послужило спусковым крючком для начала Большого взрыва? Почему он вдруг взял и случился?
Что собой представляла сингулярность, ее конкретные характеристики?
Как долго длилось то самое первое "мгновение" Большого взрыва после, которого сингулярность обрела свой самый первый минимальный, но все же уже не бесконечно малый, а конкретный размер?
И многими другими, подобными, выше перечисленным.
Стандартная Космологическая Модель строения и эволюции Вселенной не позволяет получить ответы на все эти вопросы. Ученые же, чтобы хоть как то выйти из положения заявляют, что она не предназначена для описания событий до Большого взрыва. Но подобные заявления делаются от безысходности, так как теория Большого взрыва не просто не предназначена, а принципиально не может этого сделать.
Сингулярность, являющаяся исходным состоянием Вселенной, в разработанной модели не поддается математическому описанию, поскольку представляется, как точка, наделенная рядом бесконечных характеристик. Такое начальное состояние в принципе не может быть описано математически. Об этом состоянии ничего нельзя сказать. Равно, как невозможны и любые прогнозы его развития. Все расчеты неизменно будут заходить в тупик.
Именно поэтому для обозначения начального состояния было использовано понятие сингулярности, которое, в свою очередь, использует понятие точки, которая представляет собой абстрактный объект в пространстве, не имеющий ни объема, ни площади, ни длины, ни каких-либо других измеримых характеристик.
Таким образом, фактически сингулярностью назвали некий объект, о котором ничего не известно, в том числе весьма сомнительны и объявленные ее характеристики: бесконечно малый объем, бесконечно большие плотность и температура. Почему? А потому.
Сколько времени потребуется для расширения бесконечно малого объема до объема хотя бы миллиметрового размера? Ясно, что бесконечно много при любой конечной скорости расширения. Но это противоречит наблюдениям.
Какова будет масса Вселенной возникшей из объекта бесконечно большой плотности? Ясно, что она будет бесконечно большой. Но и это противоречит наблюдениям.
Сколько времени потребуется для остывания до уровня обычных температур объекту с бесконечно высокой температурой? Тоже ясно, что бесконечно много. И это тоже противоречит наблюдениям.
Преодолеть эти противоречия можно только при условии установления конечных характеристик исходного состояния Вселенной, которыми, скорее всего, это состояние и обладает. Но сделать этого пока не удается.
Однако устранение этих противоречий мало повлияет на объяснение в рамках Стандартной Космологической Модели строения и эволюции Вселенной второй группы явлений, имеющих место уже после Большого взрыва.
Вторая группа наблюдаемых явлений, которые, оказалось, затруднительно объяснить при помощи Стандартной Космологической Модели строения и эволюции Вселенной породила следующие вопросы: Если бы Большой взрыв вызвал расширение Вселенной, то обязательно должно было бы возникнуть сильное неоднородное распределение вещества, но оно почему-то не наблюдается?
Большой взрыв произвел бы Вселенную неоднородную с участками, значительно отличающимися один от другого, в том числе и по температуре. Кроме этого, если Большой взрыв породил некое объемное облако элементов, то остывать это облако должно по-разному - его внешние слои быстрее, а внутренние медленнее. Тогда почему наблюдаемая температура во всех направлениях почти одинакова?
Почему начался процесс инфляции - расширение Вселенной в возрасте примерно 10-35 секунд с колоссальным ускорением? За счет чего происходила инфляция?
Если процесс инфляции начался под воздействием некоего поля, называемого инфлатоном, то, что собой представляет это поле, почему оно вдруг возникло и вообще существовало ли оно?
Наблюдения далеких сверхновых звезд позволили установить факт продолжения расширения Вселенной, причем ускоряющегося расширения. Почему это происходит? Доказательно объяснить, пока не удается. Ясно, что попытки объяснения такого расширения действием, так называемой, темной энергии сродни объяснению появления Вселенной из некой точки под названием сингулярность. Так как, что собой представляет точка, сингулярность или темная энергия никто не знает и, соответственно, исчерпывающих определений этих понятий не существует.
Почему существует, так называемый, "темный поток" - единообразное движение в одну точку к границе видимой Вселенной большого количества скоплений галактик?
Что из себя по своей форме представляет Вселенная?
Для объяснения наблюдаемой однородности Вселенной по распределению вещества вообще-то достаточно просто отказаться от представления Большого взрыва, как некоего аналога обычного взрыва, предусматривающего хаотичный разброс вещества. А рассматривать его взрывное (в смысле очень быстрое) но, упорядоченное расширение некой очень маленькой по своим геометрическим размерам области пространства с одновременным возникновением вещества.
Правда такое взрывное упорядоченное расширение все же не сможет объяснить наблюдаемое одинаковое во все стороны распределение температур. Ведь, если отследить скорость остывания, например, шарообразной стальной отливки массой всего-то в десяток килограмм, то скорость остывания на ее поверхности будет значительно превышать скорость остывания ее центральной части. И никакими ухищрениями избавиться от этого нельзя. А тут речь идет об остывании Вселенной с огромной массой.
Каким должно быть тело, чтобы скорость его остывания была примерно равномерной по всему его объему? Ответ на этот вопрос достаточно очевиден. Тело должно быть сравнительно тонкостенным. Иначе говоря, особенно в самом начале, наша Вселенная должна бы была представлять собой что-то в виде сферической сравнительно тонкостенной оболочки.
Но возможно ли, чтобы наша Вселенная в результате некоего процесса, называемого Большим взрывом, могла образоваться сразу в виде сферической оболочки?
Вообще топологи давно обсуждают вопрос о форме Вселенной. И этот вопрос, несмотря на его важность для космологии, до сих пор считается не решенным. До сих пор фактически не определено форму чего, собственно говоря, ищут? Геометрическую форму материи (вещества), составляющей Вселенную? Геометрическую форму пространства, включающего в себя всю материю Вселенной? А может быть, чего ни будь иного? И, наконец, для какой стадии развития Вселенной хотят определить ее геометрическую форму? Сразу для всех стадий? Или, каких-то определенных?
Однако, судя по обсуждениям, в первую очередь среди топологов, ищут все же геометрическую форму пространства, включающего в себя всю материю Вселенной. Причем в расчет принимаются лишь внешние границы такого пространства. Конечно, такая грубая идеализация геометрической формы Вселенной ничего хорошего принести не может.
В возникшую ситуацию с описанием формы Вселенной внесли свой вклад не только математики, но и космологи, по представлениям части, которых понятия классической механики, такие как форма, масса, размер, для Вселенной не имеют смысла. В связи с тем, что Вселенная якобы ни с чем не взаимодействует. Поэтому ее в первую очередь пытаются описать как термодинамическую систему, употребляя такие понятия как плотность, давление, температура, химический состав. В результате только через эти понятия и пытаются определить облик Вселенной как единого целого.
Но, как бы там ни было, а в топологии объекты, представляющие собой оболочки, особенно полностью замкнутые (без отверстий) почти не рассматриваются. Почему именно такой подход к этим объектам возобладал в математике и проблемах с этим связанных можно прочесть в статье: " Многогранник - единая и универсальная геометрическая форма всего" ( http://stob2.narod.ru/10i.htm). Кстати именно в этой статье говорилось о возможности того, что Вселенная, как геометрический объект вполне может представлять собой оболочку.
Таким образом, возникла ситуация, когда топология не может дать ответа о возможности трансформации Вселенной в оболочку и закономерностях образования и трансформации оболочек. Правда осталась возможность рассмотреть, конечно, с некоторыми допущениями, оболочки, как поверхности или говоря иначе, как двумерные многообразия в пространстве.
Если рассматривать поверхность в качестве модели геометрического объекта в виде сферической оболочки, то в современной топологии считается, что кусок плоскости не является гомеоморфным поверхности сферы. А это означает, что кусок плоскости и сфера топологически различимы или кусок плоскости нельзя непрерывно без склеек и разрывов деформировать в сферу. А это, в свою очередь, практически запрещает формирование сферической оболочки непосредственно из какой либо малой области пространства. Во всяком случае, такой процесс выглядит, как очень маловероятный.
Однако в современной топологии далеко не все является бесспорным и так уж однозначным. Так в статье: "Неудобные вопросы и парадоксы современной топологии" http://stob2.narod.ru/33s.htm показано, что при определенных условиях все же можно добиться гомеоморфного отображения куска плоскости на поверхность сферы. На основе принципов, изложенных в этой статье, была создана, показанная на Рис. 1 анимация формирования Вселенной в виде сферической оболочки из изначально небольшой области пространства.
Рис. 1 Анимация формирования Вселенной в виде сферической оболочки из изначально небольшой области пространства с последующим инфляционным ее расширением
На Рис. 1 хорошо видно, что теоретически формирование Вселенной в виде сферической оболочки вполне может происходить, как непрерывный процесс без выполнения склеек и разрывов.
Хорошо, теоретически формирование ранней Вселенной в виде сферической оболочки вроде бы возможно, а практически мы можем наблюдать в окружающей нас действительности образование подобным образом похожих по своей геометрии объектов?
Оказывается, можем, и более того большинство, хоть раз в жизни их создавали. Это самые обычные мыльные пузыри. Действительно, в детстве редко кто их не выдувал из своеобразной изначально плоской мембраны.Да и вообще образование различных пузырей очень распространенное явление.
И вообще планеты, звезды вполне можно рассматривать, как объекты, состоящие из системы оболочек. Во всяком случае, если исходить из современных представлений их строения.
Таким образом, вполне можно предположить, что окружающее нас пространство представляет собой некоторую многомерную гигантскую мембрану, из которой в наши три измерения был просто выбит пузырь нашей Вселенной. Разогрев же ее вещества мог произойти непосредственно в ходе ее выдавливания в наши три измерения.Вполне возможно, что этот процесс сопровождается большим выделением энергии, что и приводит к первоначальному разогреву вещества Вселенной. Во всяком случае, это выглядит более правдоподобным, нежели длительное пребывание вещества в точке с бесконечно большой температурой.
Форма ранней Вселенной в виде сферической оболочки позволяет объяснить равномерное распределение температур, но и не только это.
Прежде всего, следует отметить, что принятие формы ранней Вселенной в виде сферической оболочки не приводит к отмене ровным счетом ни одного объяснения для наблюдаемых явлений во Вселенной, уже сделанных в рамках Стандартной Космологической Модели строения и эволюции Вселенной. Разумеется без учета объяснений сделанных с учетом темных энергий, инфлатонов и тому подобных вещей. Но такие объяснения нельзя считать полноценными.
Пространственная структура распределения галактик во Вселенной на больших масштабах - ячеистая: узкие стенки с шириной, определяемой величиной скоплений и сверхскоплений галактик, а внутри этих ячеек - пустоты, так называемые войды. Войд - пространство, свободное от скоплений галактик и звёзд, размер которых обычно составляет 10-30 мегапарсек, что определяет достаточно устойчивый шаг ячеек. Их наличие не выводится из теории Большого взрыва и в рамках этой теории принимаются, как некоторые начальные условия.
Подобное, относительно упорядоченное размещение структур как раз очень характерно для слоев оболочек небольшой мощности. Например, в пластах коры Земли на больших площадях всегда можно наблюдать стабильный шаг трещиноватости. Таким образом, если принять в качестве геометрической формы ранней Вселенной сферическую оболочку, то возникновение наблюдаемой ячеистой структуры Вселенной является наиболее вероятной. А вот, если бы Вселенная на ранней стадии своего развития представляла бы собой не оболочку, а полнотелый объект, то, как минимум, параметры ячеек обязательно сильно изменялись бы по мере продвижения к ее центру, но этого не наблюдается.
Так же существенно изменятся и условия для объяснения расширения Вселенной на различных стадиях и вообще всяких движений вещества в ней.
Это в первую очередь связано с тем, что согласно общей теории относительности, гравитация не является реальной силой, а есть искривление пространства-времени. При этом обычно говорят лишь о том, что чем больше плотность материи, тем сильнее искривление. Но искривление пространства-времени также сильно еще зависит от чисто геометрической формы распределения материи в пространстве. Поэтому гравитационные взаимодействия во Вселенной тем сильнее будут отличаться от традиционно принятых и характерных для полнотелого массивного шара, чем сильнее форма Вселенной будет отличаться от формы такого полнотелого массивного шара. А геометрическая форма сферической оболочки вообще-то значительно отличается от формы полнотелого шара. Поэтому используемая в настоящее время при прогнозировании развития Вселенной средняя плотность материи - энергии во Вселенной может вполне оказаться недостаточной для получения достоверного прогноза.
Во вторых в ходе формирования оболочки вещество будет перемещаться не только в радиальных направлениях, но и по окружности, соответственно, приобретет определенные скорости своего движения по этим направлениям. И это обстоятельство тоже повлияет на объяснения явлений наблюдаемых в более поздней Вселенной.
На Рис. 2 показана классическая схема искривления пространства-времени под воздействием массивного полнотелого шарообразного объекта. Примерно так оно должно выглядеть в случае зарождения Вселенной в виде полнотелого шара.
Рис. 2 Классическая схема искривления пространства-времени под воздействием массивного полнотелого шарообразного объекта. Синим цветом показана недеформированная часть пространства-времени. Красным цветом показана деформированная часть пространства-времени.
На Рис. 3 показана схема искривления пространства-времени под воздействием сферической оболочки. В целях наглядности в схеме фактически используется только часть оболочки - кольцо, вырезанное из сферической оболочки.
Рис. 3 Схема искривления пространства-времени под воздействием сферической оболочки. Синим цветом показана недеформированная часть пространства-времени. Красным цветом показана деформированная часть пространства-времени. Зеленым цветом показана деформация пространства-времени во внутренней полости сферической оболочки.
На Рис. 3 деформация пространства-времени во внутренней полости сферической оболочки (выделено зеленым цветом) показана с сильно преувеличенными размерами. В идеале эта область пространства-времени всегда будет вырождаться в точку, в которой любое тело будет находиться в состоянии равновесия, так как оно будет притягиваться стенкой оболочки всюду одинаково, и силы гравитации будут уравновешивать друг друга. Эта особая точка будет соединяться с деформированной частью пространства - времени (показана красным цветом) конусной поверхностью, которая будет стремиться к плоской поверхности по мере увеличения размеров сферической оболочки. Причем эта конусная поверхность объясняет лишь гравитационное взаимодействие вещества оболочки в целом для сферической оболочки. Если же внутрь сферической оболочки поместить пробную массу, то она притянется не к центру сферической оболочки, а к ближайшей стенке.
Отличие схем искривления пространства-времени на Рис. 2 и Рис. 3 влечет за собой существенные изменения в перемещении вещества в пределах Вселенных устроенных подобным образом.
Так гравитационные силы в шарообразной полнотелой Вселенной всегда будут стремиться сжать ее вещество в центре шара, а во Вселенной в виде сферической оболочки гравитационные силы будут препятствовать покиданию веществом пределов оболочки, т. е. вещество не будет стремиться сжиматься к центру сферической оболочки. При движении вдоль оболочки по ее радиусу вещество всюду будет находиться в равновесии, т. е. вещество в оболочке под действием гравитационных сил не будет стремиться перемещаться вдоль оболочки по радиусу.
Необходимо отметить, что на все выше описанное значительное влияние будет оказывать размер такой Вселенной. При значительности расстояний между противолежащими стенками оболочки их гравитационное взаимодействие будет стремиться к нулю. Именно поэтому стремление вещества сферической оболочки сжаться в центре сферы будет пренебрежимо мало.
Таким образом, гравитационные силы, действующие в сферической оболочке, никак не будут препятствовать одновременному равномерному и пропорциональному расширению сферической оболочки. А это означает, что процесс инфляции - расширение Вселенной в раннем возрасте может идти без участия гипотетического поля, называемого инфлатоном и создающего отрицательное давление. Во Вселенной по своей форме представляющей сферическую оболочку, для поддержания процесса инфляции будет достаточно запасенной в ходе формирования оболочки кинетической энергии.
Конечно, такое расширение Вселенной будет длиться не бесконечно. Оно будет продолжаться до тех пор, пока плотность вещества в оболочке будет достаточно высока для поддержания ее устойчивости и однородности.
Как только плотность вещества упадет, по всей сферической оболочке начнут формироваться многочисленные центры гравитационного притяжения вещества, которые и сформируют поле гравитационных сил сдерживающих дальнейшее расширение, что положит конец процессу инфляции. А сферическая оболочка Вселенной перестанет быть сплошной. И для этого опять же не потребуется никакого исчезновения гипотетического поля, называемого инфлатоном.
Так как изначально вещество в сферической оболочке Вселенной было распределено очень равномерно, то и центры гравитационного притяжения вещества возникнут в ней со сравнительно стабильным шагом, что в дальнейшем предопределит ячеистую структуру Вселенной.
Необходимо отметить, что образование центров гравитационного притяжения вещества не способно полностью остановить расширение Вселенной в целом. Но способно скорректировать направления движения вещества. Более того по мере дальнейшего расширения Вселенной из-за увеличения расстояний между центрами гравитационного притяжения вещества поле гравитационных сил сдерживающих дальнейшее расширение Вселенной в целом будет ослабевать, в направлении же центра Вселенной оно вообще будет стремиться к нулю, что в свою очередь будет приводить к ускорению расширения Вселенной.
Таким образом, для объяснения ускоренного расширения Вселенной не потребуется использовать лишь гипотетически существующую темную энергию.
Кроме этого недавно открытый, так называемый, темный поток вполне может оказаться остаточным упорядоченным движением вещества, которое возникло в ходе формирования Вселенной в виде сферической оболочки.
Почему гипотеза образования Вселенной в виде сферической оболочки имеет право на существование? Потому, что она вовсе не хуже других. Ведь факт существования сингулярности пока никто не доказал. Никто и не определил ее характеристики. Отсутствуют доказательства того, что Большой взрыв действительно был подобен обычному и привычному для нас взрыву. Нет никаких доказательств и того, что Большой взрыв породил нечто именно в виде полнотелого облака. А о форме этого облака практически вообще ничего не говориться. Поэтому в смысле наличия доказательств высказанная здесь гипотеза совсем не уступает ныне существующим предположениям.
июнь 2012 года
В 2015 году исследователи из Швейцарии (Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL)) и Великобритании (университета Эдинбурга (University of Edinburgh)) опубликовали в журнале Science и на сайте НАСА результаты изучения 72 столкновений скоплений галактик и галактических кластеров, гравитационных эффектов, спровоцированных этим процессом, и роль тёмной материи в рассматриваемых явлениях.
Исследователи проанализировали данные о столкновениях, чтобы измерить изменение импульса тёмной материи в тот момент, когда два кластера врезались друг в друга. Предыдущие исследования в области физики частиц показали, что когда субатомные частицы сталкиваются друг с другом, то происходит обмен импульсами. Поэтому, в зависимости от того, что произошло с тёмной материей в процессе столкновения скоплений галактик, можно сделать выводы о её природе.
Расчёты показали, что сгустки тёмной материи попросту проходят сквозь друг друга. Это означает, что её частицы не взаимодействуют между собой и, что, скорее всего, частиц тёмной материи и не существует вовсе.
Сделанные наблюдения косвенно дополнительно подтверждают высказанную в настоящей статье гипотезу формирования и развития Вселенной.
|