Алексей Тарасов,
инженер-конструктор

Космология и теории гравитации от античности до Большого взрыва и теории гравитации Эйнштейна. (текст собран из различных отрывков, которые я попытался максимально адаптировать друг к другу)

 

«Есть еще много, друг Горацио, такого
что и не снилось нашим мудрецам»
(Известный автор)

 «Не следует бежать за автобусом,
женщиной и космологической теорией,
потому что через несколько минут
может появиться новая»
(автор неизвестен).

“Если непредвзято проанализировать
наблюдаемые нами явления,
то вполне может оказаться,
что мы проживаем совсем не в том мире,
каким он нам представляется.”
(Я, А.Т. цитата из текста не вошедшего в доклад.)

Общепринятая сейчас теория Большого взрыва описывает однократно рожденную Вселенную, которая далее развивается по сценарию, практически целиком зависящему от ее массы. Теория хороша только как шаг в развитии наших взглядов на Вселенную. Ничего по сути не объясняя, имея массу нестыковок и ни одного факта в свое подтверждение, она давно должна была быть отвергнута. Поразительная живучесть теории объясняется только тем, что альтернативные ей теории стационарной Вселенной еще менее убедительны и, объясняя одни факты, “спотыкаются” на гравитационной неустойчивости Вселенной и проблеме исчерпания энергии в ней. Отсюда ясно, что истина должна находиться где-то посередине. Т.е. строение и жизнь Вселенной должны быть цикличны. И периоды стационарности, относительной устойчивости Вселенной, причем достаточно длительные в космическом, разумеется, а не антропном масштабе, должны сменятся кратковременными периодами неустойчивости в которых и должна образовываться потенция для дальнейшего устойчивого существования. В главах 7-9 книги хорошо показано как это может происходить и какими причинами это вызвано. Это только один, первый из возможных сценариев развития Вселенной. Но уже в нем находят простое и естественное объяснение практически все факты и астрономические наблюдательные данные.

 Почему такие глобальные теории выдвигает не академик или профессор – доктор наук?

 Во-первых: Современная наука необычайно структурирована. Времена ученых универсалов эпохи Ренессанса, видимо, безвозвратно канули в прошлое. Современному ученому, для постоянного нахождения “на гребне волны” необходимо углублённое изучение своей, узкоспециализированной тематики, что приводит к тому, что специалисту – профессионалу часто остаются неизвестны какие-то сведения из других, даже смежных наук. На это у него просто не остается времени. Иногда это приводит к удивительным казусам. Так в 1883г. который известен как год, в котором не было лета, газеты помещали практически рядом сообщение об извержении Кракатау и метеосводки. Но никто тогда не смог связать воедино попадание в верхние слои атмосферы огромного (свыше 18 км3,) пепла и пыли, экранирующей солнечные лучи – как причину, и аномально низкие температуры – как следствие.

Во-вторых: Для построения новых теорий совсем не обязательно припадать оком к окуляру телескопа. Очень важно, кроме постановки опытов, переосмысление, интерпретация полученных результатов и выявленных закономерностей. А поток информации, приходящей из различных областей современной науки просто огромен. И трудно определить, что сейчас является главным в постижении законов природы – теория или практика. «Нет ничего практичнее хорошей теории» – это высказывание принадлежит блестящему физику, Нобелевскому лауреату, Нильсу Бору, который за всю свою жизнь поставил только один опыт, да и тот, еще будучи студентом.

Кроме того, стремительное развитие науки не способствует переосмысливанию вопросов, по которым уже однажды было принято решение. Но ведь нельзя забывать, что любая возникшая проблема, допускает несколько путей ее решения; и выбирается тот, который кажется на текущий момент наиболее правильным. Но проходит время, появляются новые результаты, возникают новые научные идеи, и может оказаться, что первоначальный выбор был неудачен. Однако к этому выбору, этому решению уже привыкли. Он вошел в учебники, на воспитаны поколения студентов и защищены диссертации. Бороться с ним крайне тяжело. Но все же не всегда устоявшиеся, кажущиеся очевидными, выводы оказываются правильными. Иногда их приходится и отвергать. Так бывало не раз. К примеру, все люди (за исключением живущих за полярным кругом) видели, что каждый день Солнце встает на востоке и заходит на западе, и понадобился гений Коперника, чтобы заявить, что не Солнце вращается вокруг Земли, а как раз наоборот. Однако новые идеи воспринимаются тяжело. Человечество неохотно, просто мучительно отказывается от привычных взглядов. И авторы новых идей изначально подвергаются обструкции – в простейшем случае это всеобщее осмеяние, но история хранит факты, когда смельчакам высказывание новых идей стоило жизни. Но, будем надеяться, что время костров инквизиции уже прошло безвозвратно…

Но вернемся непосредственно к книге.

Когда я готовил доклад на тему книги, мне пришла в голову интересная мысль, что умение ученого разграничивать и выявлять в сходных проявлениях следствие различных законов природы, в чем-то сродни способности криминалистов в беспорядке наслоившихся на преступление побочных событий увидеть следы и действия преступника, который сверх того, еще очень умело их маскирует под эти самые случайные события.

Отступление №1.

I. Преобразования Лоренца и теории относительности Эйнштейна.  

Чтобы лучше понять истоки создания теорий относительности Эйнштейна, необходимо совершить краткий исторический экскурс.

После завершения Джеймсом Максвеллом формулировки уравнений электродинамики, эта область науки, развитая ранее Майклом Фарадеем, приобрела завершенный вид. Т.е. стало возможным просчитать параметры электромагнитного поля (напряженность и т.д.) в любой точке пространства и для любого произвольного момента времени, если заданы расположение, направление и скорость движения всех зарядов, создающих это электромагнитное поле. Однако новая теория оказалась очень сложной, и ее математический аппарат был достаточно громоздок. Даже для решения уравнений для системы покоящихся зарядов. Для системы движущихся зарядов решение значительно усложняется превращением зарядов в токи, превращением постоянных электрических и магнитных полей в переменные, возникновением токов смещения и ЭДС индукции.

Однако оказалось, что для равномерно движущейся системы зарядов и токов S, уравнения Максвелла имеют такой же вид, как и для некоторой другой, формальной, неподвижной системы S/, которая математически связана с системой S очень простым и определенным образом. Это замечательное свойство уравнений Максвелла позволяет значительно упростить математический аппарат теории, т.к. для неподвижной системы S/ решать задачу значительно легче. А затем, с помощью полутора десятков уравнений, которые собственно и составляют преобразования Лоренца, производится математическая операция замены переменных, и находятся решения для движущейся системы S.

Сами по себе уравнения преобразования Лоренца очень просты и полезны. Но для изложения нашей книги приводить их нет смысла. Хотелось бы только отметить два коэффициента, присутствующих почти во всех уравнениях:                  

Коэффициенты b и g представляют собой относительные скорости движения системы зарядов и токов. Легко увидеть, что при приближении абсолютной скорости движения v к скорости света с, коэффициент b стремится к единице, а g - к бесконечности.

 Каков же физический смысл этих коэффициентов, в частности и всех величин системы S' вообще? Так вот – преобразования Лоренца являются математической абстракцией, все величины системы S' фиктивны и чисто формально им не придается никакого физического смысла (!!!)

(Здесь я не открываю ничего нового, это Вам подтвердит любой физик). Т.е. система S' это даже не тени на дне Платоновой пещеры!

Тут, как мне кажется, необходимо совершить небольшое отступление и разобраться, что такое математическая операция по замене переменных, и к чему эта операция может привести, если мы не будем руководствоваться здравым смыслом, и забудем о физической сути решаемых, с ее помощью проблем.

Итак, предположим, что нам необходимо решить уравнение:

                                                                Х8 + 5х4 – 6 = 0

Решить такое уравнение “ в лоб ” весьма затруднительно. Однако это уравнение (подобно и уравнениям Максвелла) обладает свойствами, позволяющими ввести новую переменную у = х4. Тогда первоначальное уравнение восьмой степени, преобразуется в самое заурядное квадратное уравнение:

                                                                y2 + 5у – 6 = 0

Решив его по известным формулам, без труда определяем корни: у1= 1 и у2 = -6. После этого, легко находим корни первоначального уравнения: х = ± 1. Интересно отметить два факта. Первый -  по условию задачи, введенная переменная “ у ”, не имела для нас никакого значения (читай никакого физического смысла). Находить ее не требовалось и после того, как она сыграла свою положительную роль, о ней можно забыть. Второй факт вообще удивителен – при постулированном равенстве у = х4 , строго говоря, ни у1 , ни тем более у2, этому условию не удовлетворили. И если бы мы, в процессе решения, не проявили должной бдительности (читай здравого смысла), то получили бы в результате совершенно неверный результат. Как принято говорить в таких случаях, комментарии излишни.

И зачем, собственно, я вам здесь так подробно изложил преобразования Лоренца?

Дело в том, что с определенного момента, виртуальный математический мир системы S' преобразований Лоренца начал приобретать реальный вид. Особенно ярко это проявилось в част-

ной теории относительности Эйнштейна, где он постулировал (т.е. объявил без доказательств)

                                                                                                                                                     Стр. 54

целый ряд утверждений.

Наиболее важные для нашего изложения это: сжатие силовых линий электромагнитного поля в направлении движения в γ раз переросло в сокращение длины материальных тел в направлении движения также в γ раз. Следующий постулат объявлял о замедлении течения времени при движении. Но самое главное, на мой взгляд, - это возведение в абсолют скорости распространения электромагнитного взаимодействия, т.е. скорости света.*

Следующим, уже логическим шагом в этой цепи предположений, явилось создание общей теории относительности. В ней уже масса тел приобрела зависимость от γ. Действительно, внимательно рассмотрев известную формулу, обнаружим:

                           m = m0/√(1 - υ²/c²) **

Сама же масса, из меры инерции превратилась в меру энергии:

                          E = m · c²  ***

А само гравитационное взаимодействие низвелось к топологии искривленной четырехмерной пространственно – временной субстанции.

Пала жертвой и сила, вызванная гравитационным взаимодействием:

                                                                          F=Gm1m2/R²

Так виртуальная система S' стала реальной. Но так как системы S и S' взаимно инвариантны, то при придании реальности S', фиктивные свойства приобрела система  S. Наш реальный мир стал виртуальным.**** Причем, если в известном фильме «Матрица» наш мир находился хотя бы в ощущениях главного героя, то в нашем варианте мы не можем рассчитывать даже на это – нас постигла полная и голая математическая абстракция.

 Гравитационное взаимодействие стало как бы безсиловым. Так, по Эйнштейну, движение, например Земли вокруг Солнца, происходит не под действием сил Всемирного тяготения, а это движение происходит без воздействия внешних сил – по кратчайшим линиям (т.н. геодезическим) в искривленном гравитационным полем Солнца, пространстве. Кроме того, как раз в полном соответствии с взглядами Аристотеля, оказывается, что по инерции, без воздействия внешних сил,

*Интересно отметить, что в теориях относительности бесконечности ограничиваются. Так, например, отрицается возможность бесконечных скоростей и устанавливается предел скорости – C; Вселенная замкнута, т.е. также имеет границы. А в теории Большого взрыва, построенной на теории относительности наоборот рождаются бесконечности – сингулярности, бесконечные температуры, давления, гравитационные поля. Парадокс? Но почемуто никого этот парадокс не смущает. 

**  Опыты с электроном действительно подтверждают  пропорциональность его массы γ:  me~ γ. Но допустимо ли экстраполировать результаты этих опытов на свойства инертной массы? Вспомним, что электрон являет собой практически безмассовую частицу, но обладающую ощутимым (по меркам микромира) электрическим зарядом. Учитывая, что при сопоставимых условиях (для электрона) эффективность электромагнитного взаимодействия в 1040 раз выше гравитационного, резонно предположить, что мы измеряем не возрастание me в γ раз, а увеличение силы электромагнитного взаимодействия в γ раз.   

    Да и вообще, механически переносить эффекты микромира в макромир рискованно. (Вспомним хотя бы эффекты квантования и корпускулярно-волновой дуализм электрона.) Кроме того, необходимо помнить, что движение электрона (электрического заряда!) создает электрический ток, появляется магнитное поле и дальнейшему увеличению скорости движения электрона препятствует ЭДС индукции, что эквивалентно появлению добавочной массы, зависящей от скорости.

***Формула наводит на размышления: куда девался коэффициент ½? Действительно, формула для кинетической энергии: Ек=mv2/2. Видимо приведенная формула имеет несколько иное содержание. Я бы представил его так:  Е=mс2полноекв=mс2/2+mвс2/2.

Где Ев и mв – описывают какую-то внутреннюю энергию и массу тела, связанную, например, с внутренним вращательным моментом, либо с каким-то другим видом энергии – например внутренним электрическим зарядом.     

  ****Кстати говоря, психологам хорошо знаком этот феномен своеобразной подмены реального мира вымышленным. Вот что говорит об этом А.Маслоу: “Абстрагирование (им. в виду современный научный метод) более активно и склонно к вмешательству, отбору и отказу. Конечным продуктом абстрагирования служит математическое уравнение, химическая формула, карта, понятие, модель – все это отходит все дальше и дальше от исходной действительности (карта не есть территория). Конечным продуктом эстетического, неабстрагирующего восприятия является целостный образ, где все в равной мере ценится и размыто деление на более и менее важное. Богатству образа отдается предпочтение перед упрощением и схематизацией. Для многих запутавшихся ученых и философов уравнение, понятие, чертеж стали реальнее самой действительности.” А. Маслоу. Новые рубежи человеческой природы. М. Смысл 1999. Стр. 71, 72.(Курсив – мой А.Т.)

                                                                                                                                                     Стр. 55 происходит не только равномерное движение, но и свободное падение (опять таки по пресловутым геодезическим).

 Приведенная формула предложена Лоренцем из предположения, что размеры тела сокращаются в направлении его движения в γ* раз. Но так ли это? Почему, собственно, так легко принимается на веру такой, мягко скажем, экзотический постулат? Сейчас уже, к сожалению, почти совершенно забыт другой подход к решению этой проблемы, предложенный ранее немецким физиком М.Абрагамом, в предположении недеформируемости электрона и на основе законов классической механики. Правда, полученная формула имела значительно более сложный, чем у Эйнштейна вид:  mе=3mo/4β²{(1+β²)/2β·ℓn{(1+β)/(1- β)-1}}

Чем же было вызвано столь странное описание нашего мира? Да просто, в который уже раз, (вспомним хрустальные небесные сферы) возобладало искушение распространить успехи наиболее развитой, на текущий момент времени, науки – электромагнетизма в область малопонятых сил – гравитационных. А такой механический перенос законов (преобразований Лоренца) сформулированных для одного вида взаимодействий (электромагнитного) на другой (гравитационный) привел к тому, что для сохранения принципа относительности, гравитационным силам были приписаны свойства сил электромагнитных. Имеется в виду, что для случая равномерного движения, продольные силы должны были бы сохранять свое значение, в то время как поперечные, исходя из преобразований Лоренца, должны были уменьшаться в γ раз. Но у электромагнитных сил есть веские физические причины вести себя именно таким образом, в то время как у гравитационных сил для такого поведения причин нет. За исключением желания распространить сам принцип относительности и на них.

Такой подход вызвал к жизни целый ряд парадоксов. Это и общеизвестный парадокс близнецов, и появление принципиальной возможности попутешествовать во времени. На этом фоне просто блекнут прочие несуразности, как-то изменение масштабов и масс при движении с околосветовыми скоростями; сжимающиеся линейки и пр. Не говоря уже о замедляющемся ходе часов; или, например, о кажущемся нарушении принципа причинности при движении со сверхсветовыми скоростями.

 Позвольте, а как же многочисленные проверки, подтверждающие теории относительности? Но, например, такой эффект как искривление хода лучей в поле тяготения Солнца, был предсказан и другими теориями и из более простых соображений. (Учитывая корпускулярно-волновой дуализм световых лучей, фотоны, как корпускулы, просто гравитационно притягиваются Солнцем). А если внимательно разбираться в сути проводимых опытов, то их результатам всегда можно найти другое, более простое и логичное объяснение.

Возьмем, например, опыты по изменению хода часов. Ни один из них нельзя интерпретировать как исследования пространственно-временных характеристик, либо гравитационных взаимодействий. Действительно, любые самые точные часы, используют тот или иной вид электромагнитных резонансов. Ведь это действительно так! Ведь какие бы ни были часы, все они в качестве частотозадающего элемента, т.е. элемента непосредственно отвечающего за точность хода часов, используют те или иные виды резонансов. Будь то резонансы в кристаллах (кварц, рубин и др.) или квантовые резонансы электрона в атомах. Но ведь все эти резонансы основаны не на гравитационном виде взаимодействий, а на электромагнитном! А ведь производятся то проверки именно теории гравитации!

А частота резонанса, весьма чувствительна к изменению внешних условий – температуры, давления, влажности и др. Так что, учитывая крайнюю малость исследуемых эффектов, в опытах мы скорее исследуем влияние внешних условий на частоту электромагнитных резонансов, нежели гравитационные эффекты.

Это очень хорошо иллюстрируется тем, что несмотря на всю похожесть формул для гравитационного и электромагнитного видов взаимодействий (F ~ m1m2/R²  и  F ~ q1q2/R²) между ними есть одно очень существенное различие:

                                                                F=Gm1m2/R²;

                                                                F=(1/4πεοε)(q1q2/R²);

где ε – характеризует свойства среды. А в гравитационном взаимодействии такой зависимости от свойств среды нет! Т.е. ни сила, ни скорость распространения гравитационного взаимодействия,

от свойств среды никоим образом не зависят! Так что, скорее всего, в этих опытах исследуется

*Еще современник Лоренца и Эйнштейна Ортега-и-Гассет обратил внимание, что теория относительности, которая как бы эволюционно вышла из теории Лоренца, совершенно противоположна ей по духу. У Лоренца материя сжимается и подчиняется геометрии, а у Эйнштейна наоборот, геометрия пространства изменяется и подчиняется материи. См. Хосе Отега-і-Гасет. Вибрані твори. КиΪв. “Основи”. 1994. Стр. 402,403.

                                                                                                                                                     Стр. 56

влияние на частоту электромагнитных резонансов внешних условий. (Можно было бы посоветовать произвести этот опыт, используя один задающий генератор, а счетчики разместить на различных высотах: на уровне моря (в пещере) и на горе (самолете, аэростате). Если будет зафиксирован фазовый набег на выходах этих счетчиков то вот уже его действительно можно будет интерпретировать как изменение течения времени.

Или возьмем формулу  m = m0γ. Даже если не полемизировать о ее верности, задумаемся, а что собственно она описывает – недостижимость скорости света для материальных тел? Но это, как говорится, мы уже проходили со скоростью звука. Попробую пояснить возможную интерпретацию этой формулы на примере. Пусть мы имеем покоящуюся лодку, на которой поднимем простейший прямоугольный парус. Под воздействием ветра лодка начнет ускоряться, однако при увеличении скорости движения лодки, давление ветра на парус будет ослабевать. Если, для простоты, отбросить влияние трения, возможность движения галсами и прочие эффекты, то скорость движения нашей лодки будет все медленнее приближаться к скорости ветра, так никогда и не достигнув ее.

Если теперь несколько видоизменить опыт, построив космический парус, движущийся под воздействием солнечных лучей (такими примерами переполнены научно-фантастические, а в последнее время уже и научные произведения), то рост скорости нашей космической лодки при приближении к скорости света будет уменьшаться, так никогда и не достигнув ее. Что мы вольны трактовать как безграничный рост массы нашей лодки.

Интересны и общеизвестные попытки иллюстрации принципа эквивалентности гравитации и ускорения, с помощью экспериментатора находящегося в лифте. Принцип эквивалентности требует чтобы гравитационное поле и равномерное ускорение были неразличимы. Это сильный принцип эквивалентности из которого вытекает слабый принцип, утверждающий равенство инертной и гравитационной масс. Равенство масс установлено еще Этвешем в 1890г. с высокой точностью. Однако, соблюдение слабого принципа еще не влечет за собой однозначное соблюдение принципа сильного. При включении сильного принципа эквивалентности в свою теорию Эйнштейн основывался на том бесспорном факте, что движущийся магнит генерирует вокруг себя электрическое поле, однако, если наблюдатель движется вместе с исследуемым магнитом, то генерируемое электрическое поле обнаружить не удается. При этом ускользает из внимания один существенный нюанс: для генерации электрического поля необходимо движение магнита. Для генерации же гравитационного поля движение не обязательно. На основании этого уже можно смело утверждать, что действия ускорения и гравитационного поля будут отличимы всегда! Действительно, при внимательном рассмотрении кабины лифта, движущейся в пространстве с ускорением а = g, и покоящейся на поверхности Земли, видно, что пробные тела будут двигаться к полу лифта в первом случае по отвесным - параллельным траекториям, а во втором – по отвесным - радиальным траекториям, направленным к центру Земли (см. рис.                                                                                                                         рис.2

В другом варианте, сравниваются кабины лифта в пространстве в невесомости и лифта падающего на Землю все с тем же ускорением  a=g. Однако такие, если можно так сказать, естественная и искусственная невесомости, тоже легко различимы. Если подвесить в кабине лифта капельку жидкости, то в первом случае она примет идеальную сферическую форму, а во втором, под действием градиента гравитационных сил Земли, она растянется в эллипсоид. При этом я не рассматриваю величину проявляемых эффектов. Главное это принципиальное их отличие. Так что мне теории относительности представляются попыткой „ выудить ” из преобразований Лоренца то, что в них не содержится (вспомним корень y2 в предложенном ранее уравнении).

А общая теория относительности, описанная выше, оказывается вовсе не теорией гравитации, а, пусть меня простят за такой жаргон, теорией электрогравитации. Следует признать, что гравитационное взаимодействие так и остается самым мало познанным видом взаимодействий. Неизвестны ни скорость его распространения, ни причины возникновения инертной массы, ни возможные эффекты, возникающие в сильных гравитационных полях.

Все попытки дальнейшего полного объединения электромагнетизма и гравитации окончились полным провалом, как у самого Эйнштейна, так и у других ученых. Что с блеском подтвердило несостоятельность теорий относительности Эйнштейна, как первого этапа такого объединения.

Все же, в остальном тексте брошюры, я попытался скрыть свое личное отношение к теориям относительности Эйнштейна, и построить текст максимально возможно толерантно по отношению к ним. 

Отступление №2.

II Обзор и сравнение некоторых теорий тяготения.

После триумфа гравитационной теории Ньютона долгое время не было желающих, да и не было особой нужды разрабатывать новые теории. Однако, со временем, интерес к этой тематике возродился вновь, особенно с середины XIXв, когда Леверье обнаружил невязку в 43′′ в смещении перигелия Меркурия, и к моменту формулирования ОТО имелся ряд альтернативных,  и даже соперничающих с ней теорий гравитации. Возрождению интереса к проблемам гравитации способствовала в основном необходимость объяснения аномальностей в движении Луны и Меркурия. Возможно, именно это было также одним из основных побудительных мотивов и для Эйнштейна, хотя к тому времени аномальности движения Луны уже были счастливо объяснены в 1787г. Лапласом, воздействием приливного трения. Впрочем, объяснены только качественно, а первые количественные оценки появились только в 1920-х г. А после того, как ОТО стала доминирующей, интерес к разработке новых теорий не то чтобы пропал совсем, но заниматься этим стало как-то непрестижно и неперспективно. И тем не менее, и в своей книге это я уже неоднократно подчеркивал, часто общепринятые теории оказывались в дальнейшем отвергнутыми. А т. к. характер гравитационной теории может повлиять и на теорию космологическую, как это, кстати, и произошло с парой ОТО – Большой взрыв, то необходимо хотя бы вкратце рассмотреть наиболее удачные теории, тем более что в отечественной литературе  их рассмотрение практически отсутствует, что создает у потенциального читателя благодушное настроение безальтернативности ОТО.

Вначале работы по объяснению аномалии движения Меркурия не были направлены на разработку новых теорий тяготения. Наиболее ранние и очень научно красивые (пусть меня простят за такой жаргон!) попытки объяснить эти аномалии связаны с гипотетической внутримеркурианской планетой, получившей условное название Вулкан. Эта гипотеза обладает целым рядом привлекательных качеств. Прежде всего, отпадала необходимость в фальсификации авторитетной Ньютоновской теории. А сверх того эта гипотеза хорошо вписывалась в представления о периодичности и гармоничности строения Солнечной системы. Попытки гармонизировать космогонию не прекращались со времен Пифагора. Эта устремленность нашла свое математическое выражение в законе Боде, который выразил количественно правило, сформулированное Тициусом в 1772г. В основе закона Боде – Тициуса лежит числовой ряд: 0, 3, 6, 12, и т.д. к каждому члену которого прибавлено 4. Если выражать расстояния до планет в астрономических единицах умноженных на десять, то эти значения замечательно соответствуют закону Боде – Тициуса. Этот закон сработал в 1781г. когда на требовавшемся расстоянии Гершель открыл Уран. Он же хорошо сработал в 1801г. когда Дж. Пиации открыл Цереру. И хотя размер Цереры был слишком мал, чтобы заполнить пробел между Юпитером и Марсом, положение спасла гипотеза Ольберса о том, что когда-то между Марсом и Юпитером была большая планета, впоследствии распавшаяся, и Церера, как и другие, вскоре найденные астероиды, являются ее осколками. (К 1850г. было найдено уже 12 астероидов.) И, наконец, этим же законом воспользовались Леверье и Адамс в 1840г. для предварительной оценки расстояния до планеты, вносящей аномалии в движение Урана. Однако найденный в 1849г. Нептун несколько разочаровал несоответствием своего расстояния закону. А в 1930г. еще более разочаровал Плутон, все же закон Боде – Тициуса просуществовал некоторое время и успел сыграть свою положительную роль в науке.

Гипотеза Вулкана также чудесно вписывалась в правило, называвшееся аналогией Кирквуда. Согласно этому, сформулированному в 1849г. эмпирическому правилу, величина n2/D3 для всех планет постоянна. Здесь n – число оборотов планеты вокруг собственной оси за орбитальный период, D – расстояние между двумя точками, расположенными по разные стороны планеты, в которых сила притяжения к самой планете уравновешивается силой притяжения к соответствующей соседней планете, при условии что все три планеты находятся в соединении. Это, довольно любопытное правило, коррелировало с законом Боде – Тициуса и было воспринято научной общественностью очень серьезно, и его по своему значению ставили в один ряд с третьим законом Кеплера. Высказывались надежды, что в дальнейшем удастся связать его непосредственно с небулярной гипотезой Лапласа и тот, кто это сделает сыграет роль второго Ньютона. Уокер, на основании аналогии Кирквуда, вычислил расстояние и массу Вулкана, которые неплохо согласовывались с расчетами Леверье, выполненными на основе характеристик, требуемых для объяснения меркуранской аномалии. А Кирквуд, на основе одноименного правила, рассчитал расстояние до планеты-прародительницы кольца астероидов, которое получилось равным 2,9а.е. что согласовывалось с выдвинутой ранее гипотезой Ольберса – 2,8а.е. Кирквуд скромно назвал эту планету своим именем.

В 1852г. Кирквуд, вдохновленный своим открытием, разбивает уже открытые и гипотетические планеты на пары с близкими значениями плотности и среднего диаметра. Сходство планет в парах было очень впечатляющим. Для наглядности эти данные сведены в таблицу, где для усиления впечатления я добавил еще и данные по среднему расстоянию до Солнца – “радиусом циркуляции” по Кирквуду.

                                                                                                                          Таблица 4

пара

        планета

Средний диаметр

  плотность

Расстояние                       

          а.е.´10        

Расстояние по з. Боде-Тициуса

 1

Нептун

            4,739 

       0,187

         300

                388

Уран

            4,428

       0,153

         192

                196

 2

Сатурн

            9,205

       0,133

           95,5

                100

Юпитер

          11,255

       0,243

           52

                  52

 3

Кирквуд (пояс астероидов)

            0,584 (?)

       1,472 (?)

           27,7

                  28

Марс

            0,510

       1,032

           15,2

                  16

 4

Земля

            1

       1

           10

                  10

Венера

            0,991

       0,973

             7,2

                    7

 5

Меркурий

            0,391

       1,93

             3,8

                    4

Вулкан

                -

         -

             -

                    2

Однако Вулкан так и не был открыт, хотя сообщения о его наблюдении делали Лескарбо и Бабине.

Но положение дел могло спасти предположение о группе астероидов или других материальных тел, либо кольца вещества, подобного гипотезе разрабатываемой Бюйс – Балло в 1843 – 1860гг. тем более, что гипотеза колец вещества опиралась на наблюдательную основу – зодиакальный свет. Зодиакальный свет – это слабое свечение, при благоприятных условиях видимое в сумерках и на рассвете. Это свечение с малой яркостью связывается с отражением и рассеянием солнечного света на частицах материи, окружающей Солнце. Детально эту гипотезу рассмотрел Хуго фон Зеелигер. В 1906г. он рассмотрел возможность нахождения пылевой материи, сосредоточенной в основном в 2х эллипсоидах, один из которых расположен на расстоянии 0,24а.е. т.е. внутри орбиты Меркурия и оказывающий гравитационное воздействие на его орбиту; а второй  - находящийся вне орбиты Меркурия и влияющий в основном на движение узлов орбиты Венеры.

Все эти предположения, относящихся к т.н. материальной гипотезе, были выдвинуты в рамках законов Ньютона. Однако параллельно делались попытки объяснить аномалии движения планет, несколько видоизменив закон Ньютона. Первая такая попытка была предпринята Клеро еще в 1747г. С целью объяснить обнаруженное аномальное смещение апогея Луны, он предложил несколько изменить форму закона Ньютона: F=GMm[1/r2+a/r4], где а – малая постоянная. Этот вариант формулы получил название закона Клеро. В этом варианте закона сила притяжения зависит от расстояния несколько иным образом, и недостаток этого осознал еще сам Клеро – закон дает слишком большое значение для силы притяжения на малых расстояниях. Любопытно, что закон Клеро дает точное значение смещения перигелия Меркурия (40′′) и если бы на тот момент было известно об этой аномалии, то закон получил бы весомое эмпирическое подтверждение.

Но прецедент произошел и в 1894г. Асаф Холл предложил вариант лишенный недостатков закона Клеро: F=GMm/r2+δ, где δ<<1. Холл определил значение δ=157´10-9. Собственно, эта идея не была нова и еще Ньютон, говоря в своих «Началах» о движении апогея Луны отмечал, что смещение апогея на 3° за один орбитальный период можно полностью объяснить законом, в который G входит в степени 2+4/243. Такой дробный показатель степени кажется весьма сомнительным, но для тех, кого это беспокоило, Клеро упомянул другие законы физики, где такое отклонение налицо, например зако­ны, определяющие форму капель жидкости, уровень жидкости в капиллярах, сцепление помещенных в вакуум пластин, ис­кривление и преломление лучей света. Сюда он мог бы добавить закон для магнитных явлений, содержащий обратную пропорциональность степени 5/2, или простой обратный степенной закон, описывающий тепловое движение молекул, уже упоминавшийся в «Началах» Ньютона. Но дробная степень величин влечет за собой и их дробные размерности, и если в формулах, содержащих, например, показатель степени 1/2 от дробности можно избавиться возведя в квадрат обе части уравнения, то закон Холла, для избавления от дробности необходимо возводить уже в степень109, а это уже чрезвычайно сомнительно. Кроме того, закон обратных квадратов непосредственно связан с трехмерностью пространства, и если вводить поправки в степень r, то это автоматически влечет за собой дробную мерность пространства.

Можно изменить закон Ньютона и еще более радикальным образом, записав закон тяготения в виде: F = GMm[l/r2 + f(v, r)]. В этом случае сила зависит не только от взаимного расстоя­ния тел, но и от их скоростей.

Но все эти законы не претендовали на объяснение причин тяготения. А уяснить суть гравитации и механизм ее действия было очень заманчиво. На объяснение причин претендовали теории исходящие из свойств эфира. В 1870-х годах Бьеркнес попытался объединить в рамках гидродинамической теории электрические, магнитные и гравитационные взаимодействия. Его идея состояла в том, что два сферических тела, помещенные в несжимающуюся жидкость (эфир) и пульсирующих в фазе, будут притягиваться с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. При этом если фазы колебаний отличаются на p, тела будут отталкиваться. Бьеркнесу удалось даже ставить демонстрационные опыты с полыми шарами, в которых он иллюстрировал свою идею, за что был удостоен диплома на международной выставке в Париже в 1881г. Схожую теорию опубликовал в 1872г. Чаллис. Обе эти теории были сводимы к закону Клеро, поэтому они не получили серьезной поддержки.

В 1880г. Хикс предложил свой вариант эфирной теории, где предлагал метод подо­бия, позволяющий строго определить взаимодействие двух сферических тел, и, во-вторых, показывал, как этим взаимодействием можно объяснить гравитацию. Хикс  предположил, что пульсируют в эфире не тела, а составляющие их вихревые атомы, и получил следующий закон для силы:

                                                          T      .                 .

                                                          0

Несмотря на кажущуюся сложность, закон Хикса также похож на закон Клеро, но Хикс пренебрег членами, пропорциональными r--5, так как считал их крайне малыми. Здесь а и b - радиусы пульсирующих частиц (т. е. вихревых атомов); e -разность фаз колебаний; Т – период пульсаций, одинаковый для всех частиц. При e = 0 полу­чаем cos(2pe/T) = 1 и сила положительна (притяжение); при e = Т/2, cos(2pe/Т)=-1 и сила отрицательна (отталкивание); при e = Т/4 и e = ЗТ/4 сила равна нулю. Таким образом, в теории появилась “отрицательная” материя, отталкивающая обычное, т. е. “положительное”, вещество и притягивающая “отрицательное”. Эта идея в целом не противоречит логике, т.к. отрицательная материя должна была бы покидать области пространства, где преобладает положительная материя, и за их пределами образовывать свои “отрицательные” системы. “Безмассовая” материя могла бы существовать повсюду и пронизывать массовые области пространства.

В 1889г. Лийи, отказавшись от абсолютно несжимаемого эфира, рассмотрел пульсации в упругой среде и получил выражение для силы еще более громоздкое, чем у Хикса.

Карл Пирсон не стал пренебрегать членом, пропорциональный r-5. Выведенный им в 1885г. закон также напоминал закон Клеро, но обладал рядом новых свойств. Оказалось, что благодаря из­менениям периодов пульсаций под влиянием других соседних тел масса тяготеющего тела должна немного меняться. От­сюда следовало, например, что, измеряя плотность Земли и ис­пользуя в эксперименте различные материалы, мы должны получать разные результаты. Это довольно сомнительный вывод, но Пирсон полагал, что от него можно избавиться, рассматривая вме­сто массы в законе тяготения другие функции; правда, он указывал на опыты Бейли, где средняя плотность, полу­ченная в серии экспериментов с шарами на крутильном стержне, различалась в зависимо­сти от вещества шаров. Из теории также следовала зависимость массы, от температуры, кото­рая, как считается, противоречит наблюдениям. Но таких целенаправленно поставленных опытов было проведено очень мало. В 1905,1906гг. Пойнтинг, Филлипс, Саузерн обнаруживали слабую зависимость массы от температуры.  А в 1916г. Шоу, изменяя в опытах температуру тела большей массы, получил экспериментальную модификацию закона обратных квадратов с учетом температурной зависимости: F=G(1+αθ)Mm/r2. Где θ- температура тела большей массы (в опытах Шоу изменялась в интервале 20-240˚С), а α-температурный коэффициент гравитации.  Так что закон Пирсона даже имел опытные подтверждения, хотя и довольно шаткие.

В 1906, 1907гг. Пуанкаре выступил с критикой пульсационных теорий, указав на два присущих им недостатка. Первый: в теориях предполагалась синхронность пульсаций атомов, что требовало объяснения причин такой синхронности; второй: для поддержания амплитуды пульсаций требовались какие-то дополнительные внешние силы. Но первое условие преодолимо в случае существования фундаментальной частоты пульсаций. Второе условие попытался преодолеть в 1908г. Бартон, предполагая, что не волны сжатия-разрежения, распространяющиеся через эфир, служат причиной притяжения, как это предполагалось, например, у Чаллиса, а вызванные этими волнами пульсации элементарных частиц. При этом допущении и выражение для силы у Бартона получилось куда как проще: F=r-2cos(2pr/l), где l-длина эфирных волн. Бартона поддержал Тунцельман, который объяснял появление массы схожим с архимедовым эффектом – масса частицы у него зависела от количества (массы) вытесненного частицей эфира. (Не правда ли очень красивая идея?)

Выдвигались и другие теории, исходящие из свойств эфира. В них причиной вызывающей притяжение тел считались не пульсации (короткопериодические потоки), а вековые потоки эфира через каждую частицу вещества. Что такие потоки могут дать эффект притяжения показал Риман еще в 1853г. В 1891г. все тот же Пирсон, отказавшись от пульсационной интерпретации в пользу вековых потоков – “эфирных струй”, разработал новую теорию. В ней для скорости потоков эфира он получил выражение в виде ряда. Он содержал постоянный член, ответственный за тяготение и периодические и другие колебательные члены, описывающие оптические и электрические явления. Периодические члены зависели от темпа переноса струй эфира и расстояния. Определяя массу как средний темп переноса струй эфира, Пирсон вывел закон обратных квадратов. Потенциальная энергия представляла собой по существу кинетическую энергию эфира; а под струями понимались истоки и стоки эфира, которые и были положительными и отрицательными массами, как у Хикса. Эта теория, как это видно, была по сути теорией счастливо объединяющей два типа взаимодействий, однако на тот момент, по всей видимости, еще не существовало осознанного желания в разработке такой теории, иначе идея Пирсона получила бы куда большую поддержку.

В 1906г. Шотт дал ответ на вопрос куда и откуда текут струи эфира. Его ответ опирался на объяснении узости спектральных линий.  Однако трудность этого ответа заключалась в том, что при этом, как показал Рэлей, невозможно строго стационарное движение электрона в атоме, если только не допускать его медленного изменения размеров. На идее такого “раздувающегося” электрона, Шотт, в рамках теории Пирсона, вывел закон обратных квадратов, но уже с зависящей от времени постоянной тяготения. А Тунцельман объяснил, что причина такого расширения состоит в общем уменьшении давления эфира во Вселенной.

Внес свой вклад в “эфирные” теории и Максвелл. Но его “электрический” подход к гравитации не сработал, т.к. сила взаимодействия в гравитации является силой притяжения, а разноименных зарядов не существует, то при сближении двух тел энергия поля уменьшается. И т.к. отрицательные значения энергии не допускаются, то энергия поля пустого пространства в отсутствие гравитирующих тел должна была быть столь высокой, чтобы оставаться положительной даже при наличии самой большой возможной гравитационной силы. Как в локальных - лабораторных условиях, так и во Вселенной в целом. Приписать эфиру столь огромную внутреннюю энергию Максвелл не решился.

С опровержением теории эфира автоматически были отвергнуты и все теории гравитации, базировавшиеся на этой идее. А жаль, мне кажется, что несмотря на ложность первичной посылки, в результате этих работ могла бы получиться очень интересная теория, в которой необходимость существования эфира была бы не обязательной – отпала бы сама собой.

Еще одну, сходную с эфирными теорию предложил Лесаж в 1782г. По теории Лесажа материя состоит из элементарных неделимых ча­стиц в форме сетчатых ячеек с “прутьями” очень малой тол­щины, а все пространство во всех направлениях с высокими скоростями пронизывают корпускулы - перенос­чики гравитации, которые очень редко сталкиваются друг с другом. Изолированное тело, помещенное в пространство, бу­дет находиться в покое, поскольку импульсы получаемые прутьями со всех сторон одинаковы. Если к нему приблизить другое тело, то оно станет экранировать первое тело от корпускул, ле­тящих по направлению от второго тела. Равновесие нару­шится, и тела будут стремиться друг к другу, как если бы они взаимно притягивались.

Теория ответила на ряд вопросов, касавшихся, например, связи трехмерности пространства с законом обратных квадратов; о том, почему, например, изменение расстояния между телами изменяет силу притяжения (вес тела), а изменение формы тела его веса не ме­няет - поскольку при этом не меняется количество составляющих его ячеек. Теория Лесажа оставалась очень авторитетной в течение длительного времени, хотя имела ряд слабых мест: корпускулы в теории Лесажа считались абсолютно жест­кими. Чтобы теория  работала,  их  скорость в результате столкновений с “прутьями” должна уменьшаться, следова­тельно, гравитационное взаимодействие со временем должно постепенно ослабевать. Однако, по мнению Лесажа, никаких трудностей это не создает, если только процесс протекает достаточно медленно.  Абсолютно жесткие корпускулы не будут, испытывать отдачи после столкновения, они “прилип­нут” к бомбардируемому телу. Постоянство массы тел при таком “налипании” можно было бы объяснить ничтожностью массы корпускул, но Лесаж полагал, что после столкновения корпускулы “стекают” с тел. Если они абсолютно жесткие, большая часть их энергии должна уходить на нагревание. Такое нагревание должно быть столь велико, что в результате этой бомбардировки тела испарились бы. При упругих столкновениях нагревание не происходит, однако если скорость корпускул остается неизменной, эффект тяготения не возникает.

Целый ряд авторитетных физиков подвергали эту теорию анализу. Томсон предположил, что на самом деле кинетическая энергия поступательного движения корпускул при столкнове­ниях уменьшается и часть ее переходит в энергию колебаний. Она, в свою очередь, может вновь перейти в энергию посту­пательного движения, что и должно обеспечивать прежний уровень тяготения.

В теории предполагалось поглощение  гравитации. Стали проводиться эксперименты с целью поиска такого поглощения, и в 1920г. Майорана сообщил   об открытии эффекта. Окружив подвешенный в вакууме свинцовый шар весом 1274г массивной (104кг) ртутной оболочкой, он обнаружил, что вес шара при этом уменьшился на 0,00098 ±0,00016мг.

И окончательно опроверг эту гипотезу Пуанкаре. Он, связав нагревание с сопротивлением, рассчитал количественный эффект. При этом скорость корпускул оказалась в 24∙1017 раз больше скорости света, а количество энергии, получаемое при этом Землей в 1020 раз больше, чем от Солнца.

К этому времени уже была сформулирована теория Максвелла, и возникал соблазн использовать ее успехи применительно к теории гравитации; а именно обобщить закон обратных квадратов примерно тем же путем, каким Вебер в 1846г. обобщил закон Кулона. Цельнер в 1872г. предложил при рассмотрении взаимодействия покоящихся и движущихся материальных точек использовать закон Вебера, поскольку ньютонов закон вытекает из него как частный случай. Основная идея Цельнера сводилась к тому, что взаимодействие между двумя положительно заряженными частицами должно несколько отличаться от взаимодействия двух отрицательно заряженных. Таким образом, возникает нескомпенсированность электрических зарядов и эта остаточная электрическая сила как раз и вызывает гравитационное взаимодействие. А если взаимодействие электрически заряженных частиц выражается законом Вебера, то и остаточная “электрически – гравитационная” сила также должна быть описана этим законом. В том же 1872г. Тиссеран для своих расчетов использовал закон Вебера, адаптировав его к следующему виду: F=Gmμ/r2[1-1/h2(dr/dt)2+2/h2´r´d2r/dt2], где μ- сумма гравитирующих масс,а h-скорость распространения гравитационного взаимодействия, которую он, на мой взгляд совершенно нелогично – ведь речь идет о электрическом заряде(!), принимал равной h=Ö2с. Очень хорошо видно, что предложенный Тиссераном закон почти не отличается от закона Вебера. В 1900г. Лоренц несколько подправил Цельнера и Тиссерана, заменив нескомпенсированность электрических зарядов, на отличие возмущений эфира, производимых разноименно заряженными ионами. Он же исправил и значение скорости распространения положив h=с.

В 1882г Ньюком предложил свой вариант закона, который мало отличается от варианта Тиссерана: F = GMm/r2[1-1/h2(dr/dt)2+2r/h2´d2r/dt2].

А в 1898г. схожую формулу предложил Гербер: F = GMm/r2[1-3/v2(dr/dt)2+6r/v2´d2r/dt2].

Но пожалуй самой удачной теорией такого рода была теория Ритца. Его теория была баллистической – в ней действие переносится частицами с суммарной скоростью света и источника. В полученной Ритцем формуле присутствует постоянная k, значение которой не определено. Произвол в выборе значений k вряд ли мог служить основой для оптимизма.

В теории Ритца электрические заряды скомпенсированы, но члены, зависящие от скорости не равны нулю. Это в целом более логичное предположение о возникновении гравитационной силы, но при этом, также как и в теории Пирсона, возникает температурная зависимость гравитации. К сожалению, вскоре после опубликования, Ритц скончался, что конечно не способствовало проявлению интереса к его работе. Но несмотря ни на что теория Ритца была достаточно авторитетной и весьма серьезно конкурировала с теорией гравитации Эйнштейна. К ней проявляли интерес еще в 1965г. когда Фокс предложил методику оценки коэффициента k по анализу тонкой структуры спектра водородного атома.

Все эти законы свободны от недостатков, как закона Клеро, так и закона Холла. И если версии Нькома, Тиссерана и Ритца были так или иначе опровергнуты, то вариант Гербера канул в небытие не будучи опровергнут.

И, наконец, в начале XXв. непосредственно с ОТО конкурировали две теории Гуннара Нордстрема и по одной Густава Ми и Макса Абрагама. Иллюстрировать различия между этими теориями можно следующим образом: полная энергия Е тела массой m является функцией гравитационного потенциала Ф. Энергию Е можно описать известной формулой: Е=mc2. Если Е есть функция Ф, то либо с, либо m обязательно должны быть функцией Ф. Эйнштейн принял с=f(Ф), и из-за этого теории относительности оказались справедливыми лишь для локальных областей пространства; Абрагам также принял с=f(Ф), но не связывал себя вытекавшими отсюда ограничениями. Нордстрем и Ми приняли m=f(Ф). Ми выдвинул свою теорию строения вещества, в которой предпринял попытку охватить все физические процессы посредством единой мировой функции, выраженной через электрические и магнитные величины.

Вот, например, как Эйнштейн реагировал на первую теорию Нордстрема:

1. В гравитационном поле, вращающееся тело, согласно этой теории, должно падать медленнее, чем невращающееся. Теперь нам известно, что аналогичное противоречие свойственно и ОТО.

 2. «Неудовлетворительным остается только то обстоятельство, что, согласно этой теории, инерция тела хотя и подвержена влиянию остальных тел, но не обусловлена ими, поскольку в этой теории инерция тем больше, чем дальше оно от других тел». Другими словами, теория Нордстрема противоположна принципу Маха. На тот момент Эйнштейн еще надеялся включить принцип Маха в свою теорию, однако ему это не удалось.

3. Теория Нордстрема была скалярной теорией и содержала лишь один гравитационный потенциал, а ОТО – тензорная теория, содержащая их 10. В скалярных теориях связь между электромагнитным и гравитационным полями отсутствует, следовательно скорость света вблизи массивного тела не изменяется и эффект отклонения лучей света отсутствует. Вскоре Эйнштейн сам понял ошибочность этого аргумента и отказался от него.

4. Тензорные теории справедливы по отношению к гораздо более широкой группе преобразований, чем скалярные. От этого аргумента Эйнштейн не отказался, но смягчил его тем, что он сам еще не нашел наиболее общую группу преобразований, соответствующую его уравнениям гравитации.

Как хорошо видно, аргументы относились скорее к области эмоций, чем к науке. Но по каким же критериям в действительности оценивать гравитационные теории? Таких критериев было выдвинуто три:

1. Смещение перигелиев планетных орбит; прежде всего Меркурия и в меньшей степени Венеры.

2. Искривление световых лучей вблизи массивных тел; прежде всего наблюдения в гравитационном поле Солнца при полных Солнечных затмениях.

3. Красное смещение в спектрах излучения массивных тел. А именно та его часть, которая не связана с эффектом Доплера, либо каким-то иными.

По первому пункту точные значения давали теории Эйнштейна, Гербера и Ритца. Теория Тиссерана объясняла только треть аномального смещения, у Цельнера получалось только 7′′, и совсем плохи дела были у Нордстрема, теория которого давала 7′′ обратного смещения. Почему-то получил распространение миф, что ОТО получила признание благодаря объяснению аномалии смещения перигелия Меркурия. На самом деле, как показал Лие еще в 1860г. (а уточнил и дополнил его Питерс в 1879г.), 20′′ смещения можно было объяснить за счет материальной гипотезы, например зодиакального света Зеелигера, а оставшиеся 15′′ отнести на счет большей массы Венеры. Т.о. предсказание в теориях смещения отличного от 43′′ просто изменяло предполагаемое количество околосолнечного вещества. Учитывая эту ситуацию не удивительно, что предсказание смещения перигелия Меркурия не считалось релевантным эффектом, т.е. эффектом позволяющим произвести проверку теорий тяготения. Не случайно никто не вспомнил в этой связи закон Клеро, который также давал верное смещение. Да еще к тому же Макс Лауэ показал, расчеты смещения перигелиев планет в рамках ОТО не применимы к протяженным телам.

 По второму пункту для поля тяготения Солнца ОТО давала 1,75′′, теория Ритца 3/4 (1, 31′′), теория Ньютона и одна из теорий Нордстрема - половину от 1,75′′,  теория Гербера 2, 62′′, а еще  в одной из теорий Нордстрема эффект отсутствует. Здесь следует отметить, что результаты измерений отклонения световых лучей всегда плохо согласовывались друг с другом. Экспедиция Гринвичской обсерватории на Прин­сипи, состоявшаяся в 1919г., получила значение 1,61′′ ± 0,40′′, а австралийская экспедиция 1922г. получила 1,77′′ ±0,40′′. Экспедиция 1929г. во главе со Фрейндлихом получила 2,24′′±0,10′′, а замеры в СССР в 1936г. дали результат 2,73′′±0,31′′. И хотя последующие измерения не подтвердили столь значительного отклонения, на тот момент теория Гербера по этому пункту казалась предпочтительней.

Третий критерий также весьма неоднозначен и также не может служить для проверки теорий. Т.о. теории отвергались по несущественным признакам.

В 60-х годах XXв. вновь оживились работы по созданию новых теорий тяготения. Этот интерес возник в связи с прогрессом в технике эксперимента. Новые, более точные и чувствительные приборы и методики позволяли исследовать более тонкие и частные эффекты. Кроме того, на мой взгляд, многие ученые не были удовлетворены теориями Эйнштейна. Именно на этой волне была разработана теория Бранса – Дикке, упоминавшаяся в гл6. Однако, на сколько мне известно, ни опыты по температурной зависимости, ни по экранированию, ни по поглощению повторены не были.

Как необходимо относиться к старым теориям? Нужно ли пытаться их реанимировать? Мне кажется, этот процесс не только полезен, но даже неизбежен. С одной стороны, на этом пути нас могут ждать новые коперниканские революции, как это произошло с идей Аристарха Самосского; с другой стороны этот процесс, на мой взгляд, является обратной стороной медали фаллибилизма, добрым словом помянутого мною еще в предисловии к книге: постоянная проверка ныне авторитетных теорий имплицирует постоянный же анализ и теорий старых. Важно только, чтобы процесс реанимации старых теорий сопровождался их критическим анализом на основе знаний новых. Иначе получается результат достаточно гротескный. Посудите сами: Максвелл не решился приписать огромные значения внутренней энергии эфиру, чтобы подтвердить теорию, однако теории современные запросто оперируют подчас значительно более громадными энергиями вакуума. А чем, собственно, вакуум лучше эфира? Получив новое название и новые более логичные свойства от Поля Дирака, впоследствии он “нахватался” свойств куда более сомнительных, чем эфир. Или вспомним корпускулы Лесажа, по сути это те же гравитоны даже и не в очень новом понимании этого термина. Разве нет резона пересмотра теории Лесажа с новых позиций?

И еще один вопрос на который хотелось бы получить ответ в рамках обсуждаемой в книге тематики: какую теорию тяготения следует выбирать для построения новой теории космологической? С одной стороны – теория тяготения может “потянуть за собой теорию космологическую как следствие. Тогда образуется пара подобная ОТО – Большой взрыв. С другой стороны, и космология может потребовать пересмотра взгляда на природу гравитации, как это произошло с теорией Бранса – Дикке и теориями с перменной G. Необходимо пробовать и то и другое! Единственно чего не следует ожидать, так это появление новой космологи в рамках ОТО – уж слишком много сил потрачено как в ее рамках, так и в рамках Большого взрыва. Еще что вызывает у меня сомнение в применении ОТО к космологии, так это локальность ее эффектов. Теория Ньютона представляется мне куда более логичной в этом отношении.

Стр. 8

2.Как формировалась современная концепция строения мира.

Вселенная античности и возрожденной античности была статичной – раз и навсегда целесообразно устроенной высшим разумом. В сотворение Вселенной богом верили практически все мыслители по Ньютона и Канта включительно, и многие после них. Такая концепция была самодостаточной и не требовавшей дополнительных пояснений. Но в XIXв. появляются факты не укладывающиеся в эту концепцию. Это, прежде всего, фотометричеий и гравитационный парадоксы, а также осознание неизбежности постепенного исчерпания источников энергии звезды. Ясно, что звезды со временем расходуют водород в термоядерных реакциях и, поэтому Вселенная должна каким-то образом изменяться – эволюционировать.

Фотометрический парадокс, ныне несколько подзабытый, был сформулирован еще в 1744г. швейцарским астрономом де Шезо, но нам более известен в формулировке Ольберса 1826 года. Представим себе, что пространство вокруг Земли бесконечно, вечно, неизменно и равномерно заполнено звездами. Тогда в каком бы направлении мы ни посмотрели на небо, взгляд наш рано или поздно встретит звезду. Т.е. получается, что каждая точка на небе должна светиться – полное количество света, приходящее на Землю от звезд, должно быть бесконечным, из-за чего ночное небо должно было бы быть не черным, а залитым ослепительно ярким светом. Чего, однако, мы не наблюдаем. А это говорит о том, что какое-то из этих условий не выполняется: т.е. либо Вселенная конечна во времени или в пространстве; либо она не неизменна; либо звезды (галактики) распределены в пространстве неравномерно; либо какие-то ее свойства качественно иные, еще не понятые нами. Причем предположение о существовании в пространстве протяженных непрозрачных областей – туманностей, не решает проблемы, т.к. поглощая свет, туманности бы нагревались и в дальнейшем переизлучали свет не хуже самих звезд.

Гравитационный парадокс был сформулирован Зеелигером в 1895г. Этот парадокс можно объяснить с помощью простых и наглядных рассуждений: единственными силами, формирующими структуру Вселенной, являются гравитационные силы. Если представить, что каким-либо путем, пусть даже и в результате Божественного творения, в какой-либо произвольный момент времени, была образована Вселенная с однородным распределением материи в ней по всем направлениям, то уже в следующий момент времени, под воздействием сил гравитации эти огромные массы материи придут в движение. Вещество такой Вселенной неизбежно начнет сжиматься. Сам Зеелигер пытался объяснить одноименный парадокс тем, что на большúх расстояниях притяжение убывает быстрее, чем по закону Ньютона. По-моему, это исторически первая попытка поставить под сомнение: экстраполяцию законов, выведенных в земных лабораториях на весь космос, и неизменность величин универсальных физических констант, в данном конкретном случае – гравитационную постоянную G. В начале XXв. Шарлье несколько модифицирует и смягчает это объяснение, предположив, что плотность звезд уменьшается по мере удаления в пространство. Если бы на тот момент было известно о существовании других галактик; если бы на тот момент были поняты и объяснены причины гравитационной устойчивости спиральных и сферических галактик; то тогда, возможно, была бы предпринята попытка объяснить устойчивость Вселенной по аналогии с устойчивостью сферических галактик. В сферической галактике звезды постоянно падают к ее центру, набирая при этом скорость. Пролетев центр, они удаляются от него, постепенно замедляясь. Т.о. происходит постоянное перемешивание звезд, но структура галактики, в целом, остается неименной. Устройство Вселенной могло бы быть аналогично устройству сферической галактики, где функцию структурной составляющей вместо звезды выполняли бы галактики и скопления галактик, с одним уточнением: таких центров, вокруг которых группировались бы галактики могло быть больше одного. Возможно это бы отдалило крах концепции стационарной Вселенной, в любом случая дни теории в ее античной формулировке были сочтены.

Современная концепция строения мира, в основном, была сформулирована в 20-х годах нашего столетия стараниями таких выдающихся ученых как Фридман, Хаббл  и Эйнштейн, Хотя и другие ученые также внесли заметную лепту в становление этой концепции. Так, в период с 1912 по 1917г., американский астроном  Весто Слайфер, проявив титаническое трудолюбие, исследовал спектры излучения 25-и  наиболее ярких туманностей. Спектры почти всех туманностей имели очень ощутимое красное смещение. Логично интерпретировав это смещение как результат эффекта Доплера, Слайфер впервые получил возможность напрямую измерить лучевые скорости (т.е. скорости движения, по направлению к наблюдателю) этих туманностей. Результат оказался поразительным – только несколько самых ярких туманностей  (и, как оказалось в последствии – наиболее близких к нам туманностей, например, туманность Андромеды) приближались к нам, остальные – удалялись. Причем скорости их движения оказались огромны – несколько сот километров в секунду, и на порядок превышали обычные скорости движения звезд. Таким образом, окончательно стало ясно, что эти туманности не могут являться зародышами планетных систем, как считалось     

                                                                                                                                                     Стр. 9

ранее и, более того, что эти объекты не могут принадлежать нашей Галактике. Далее трудами другого американца – Эдвина Хаббла было показано, что эти туманности, о чем догадывался еще Кант, представляют собой другие звездные миры – галактики, подобные нашей. Ему удалось измерить расстояния до них. Эти расстояния также оказались огромны. Мир, наша Вселенная, в очередной раз увеличилась в размерах, что потребовало очередного переосмысления наших представлений о ней. Но самое важное, что требовало коренного  переосмысления - это тот факт, что скорости движения галактик увеличиваются с увеличением расстояния до них. Причем заслуга Хаббла была в том, что он показал вид этого движения, т.е., что галактики удаляются друг от друга, как бы разбегаются. Причем средняя скорость удаления V, одинакова и не зависит от угла наблюдения галактики, а только от расстояния R до нее. Кроме того, он дал первое численное выражение этой космологической постоянной, носящей теперь его имя. (По современным оценкам, постоянная Хаббла Н равна: Н=V/R=50…100 км./с·МПс.) Так мир изменился не просто количественно по сравнению с фактом открытия бóльших расстояний до звезд, чем до планет, но и качественно. В этот, весьма драматический для развития астрономии момент  пришлись весьма кстати успехи в развитии  другой науки – физики. Произошедшая “смычка” этих наук оказалась настолько успешной, что с тех пор развитие этих наук идет параллельными путями  и  уже почти забыто слово астроном, а на смену ему пришло новое понятие – астрофизик.

Наиболее важным, ключевым для астрономии, событием в физике, было формулирование Альбертом Эйнштейном в 1905г. специальной, а в 1917г. и общей теорий относительности. Общая теория относительности, по своей сути, представляет собой новую, отличную от Ньютоновской, теорию гравитации. Идеи и следствия этой теории трудно постижимы даже сейчас, а на момент опубликования носили просто революционный характер. Кроме того, математический аппарат этой теории необычайно сложен, так что только в 1922 ÷ 1924г.г. Александр Фридман нашел первые решения уравнений этой теории. Эти решения носят нестационарный характер.  Другими словами, в приложении к космологии, Вселенная не может находиться в покое, а под действием гравитационных сил должна, либо неудержимо расширяться, либо неотвратимо коллапсировать – сжиматься. Как я уже упоминал, к 1929г. Хаббл показал, что в действительности реализуется  1-й вариант – т.е. галактики, эти структурные составляющие Вселенной разбегаются, взаимно удаляясь друг от друга. Но до этого момента такой ясности еще не было и, продолжая работу над своей теорией гравитации, Эйнштейн пытался решить возникшие проблемы введением в нее так называемого космологического  l - члена. l – член, по аналогии с электромагнитным взаимодействием, вводил в гравитацию наряду с притяжением и гравитационное отталкивание. В отличие от гравитационного притяжения, которое спадает, как и любая другая сила в 3-х мерном мире,* пропорционально квадрату расстояния, гравитационное отталкивание, описываемое l - членом, должно было бы нарастать, компенсируя на космологических расстояниях притяжение. Таким образом, была бы обеспечена возможность существования стационарной  Вселенной. Но попытки постулирования  l - члена  не увенчались успехом, и после открытий Хаббла и осознания того факта, что для зависящих от времени решений никакая космологическая постоянная не нужна,  Эйнштейн от него отказался. Однако  l - член оказался значительно живучей своего создателя и в дальнейшем он неоднократно всплывал в трудах ученых в различных ипостасях. В одном из последних вариантов, l - член описывает гипотетическое гравитационное отталкивание вакуума.          

Интересно отметить, что сначала Эйнштейн категорически не признал выводы Фридмана и только со временем был вынужден согласиться, признать свою неправоту. Интересно также отметить, что наличие и величина красного смещения в спектрах  галактик не обязательно однозначно связана только со скоростью удаления объекта, т.е. с эффектом  Доплера. Согласно той же гравитационной теории Эйнштейна красное смещение может возникать за счет воздействия гравитационных полей и при взаимодействии с облаками газа, находящимися на пути от источника света, где терялась бы часть энергии. Возможно предложить и другие толкования. С другой стороны, непосредственно, т.е. геометрическими методами**, возможно измерять расстояния до величин *Если мы будем рассматривать какое-либо силовое воздействие F в одномерном мире, то при его распространении по одной координате r, рассеивания происходить не будет и его величина останется постоянной. Т.е. в одномерном мире справедливо соотношение: F=const~1/r0. В двумерном мире с расстоянием r будет происходить рассеивание в плоскости пространства и соответственно убывание величины F пропорционально r: F~1/r1.  В трехмерном мире рассеивание будет происходить в пространство по поверхности все увеличивающейся сферы. Но т.к. площадь сферы растет пропорционально квадрату линейного размера S~r2, то и плотность силовых линий распределяющихся по этой сфере будет убывать пропорционально r2: F~1/r2. Т.е. справедлива формула: F~1/r(n-1), где n – мерность мира. Кстати первым подобные идеи высказывал еще Иммануил Кант. Он же говорил и о силе отталкивания, как о силе способствующей устойчивости планетных и звездных систем. Но его “метательная” сила является, при ближайшем рассмотрении, обычной центробежной силой, убывает по обычным законам, и поэтому ничего общего с l - членом не имеет.

**Имеется в виду метод параллаксов.

                                                                                                                                                     Стр. 10

порядка 300 световых лет, - т.е. до ближайших звезд. Расстояния до других галактик измеряются косвенными методами, например, по характеру излучения особого класса переменных звезд, называемых Цефеидами*, находящихся в этих галактиках. Ясно, что надежность любых косвенных измерений вызывает некоторое сомнение**. Таким образом, получается, что однозначность связи скорости разбегания, с расстоянием до галактик может быть подвергнута сомнению, как в части расстояния, так и по скорости. Это было ясно уже и в 20-х годах. Кроме того, как оказалось, наша Галактика находится в аномальной области – принадлежит гигантскому скоплению галактик с центром в направлении созвездия Девы, до которого около 90млн. св. лет. Ясно, что на постоянную Хаббла (регулярную составляющую) будет накладываться скорость, присущая Галактике, как члену скопления (нерегулярная составляющая). Поэтому в измеренные значения скоростей других галактик необходимо вносить соответствующую поправку. Однако достаточно неожиданно, попытки измерить нерегулярную составляющую скорости Галактики натолкнулись на серьезные затруднения. Оказалось сложным определить даже характер этого движения – по мнению Ааронсона, много сделавшего для разрешения этой проблемы, Галактика движется к Деве не по прямой, а по спирали, что вызвано вращением самого скопления. Но по данным некоторых измерений оказалось, что Галактика с большой скоростью движется вовсе не к Деве, а в направлении Льва. Насколько мне известно, пока не ясно, какие из этих измерений верны.

Тем не менее, утвердившись в науке, эти взгляды получили дальнейшее развитие и привели к формулированию теории Большого взрыва, которая, несмотря на целый ряд противоречий, рассматриваемых далее, общепринята и в наши дни.

*Цефеиды получили свое название от звезды Дельты Цефея. Это звезды, относящиеся к классу красных сверхгигантов в определенные, завершающие этапы своей эволюции, когда звезда, значительно исчерпав свое термоядерное топливо, приходя в нестабильное состояние, начинает пульсировать. Пульсации эти носят периодический характер. Эмпирически было найдено, что чем длиннее период пульсации, тем больше светимость Цефеиды. Значит, определенному значению периода пульсации соответствует вполне определенная светимость. Эта зависимость считается достаточно жесткой. Таким образом, измерив период и видимую величину (блеск) звезды, возможно определить расстояние до нее.  А, определив расстояние до Цефеиды, узнаём и расстояние до галактики, в которой она находится. Способствует измерениям еще и то, что светимости Цефеид, особенно долгопериодических, очень велики и они видны с больших расстояний.  Таким методом возможно определение расстояний до объектов удаленных до 106…107Пс. Беда, однако, состоит в том, что в окрестностях Солнца нет ни одной Цефеиды, для которой было бы возможно измерить расстояние методом параллакса. Методы измерения расстояний до Цефеид в Галактике опять таки косвенные и весьма приближенные, так что и “Цефеидная” шкала расстояний до других галактик, также весьма приближенная.

**Кстати говоря, так и произошло и первая оценка, произведенная самим Хабблом оказалась ни много, ни мало в 10 раз больше установленного ныне более реального значения, т.е. Н»500км/с·МПс. И связана эта ошибка была как раз с недооценкой яркости Цефеид, что и дало заниженную в несколько раз шкалу расстояний.  

3.Почему Большой взрыв?     

 Почему же теория, развиваемая с 20-х годов, оказалась столь живучей, тем более учитывая большое количество попыток ее опровергнуть?

Вернемся опять к Фридману и вспомним, что космологические уравнения, следовавшие из гравитационной теории Эйнштейна, были выведены и решены им в приложении к однородной и изотропной  Вселенной. Фридман математическим путем показал невозможность нахождения материи в покое в масштабах Вселенной, добавив т.о. аргументацию парадоксу Зеелигера. Вещество такой Вселенной должно было под действием гравитации падать к центру Вселенной. Решениям Фридмана не противоречит и другой вариант. В нем Вселенная опять же однородна и изотропна, но уже в большúх масштабах. На меньших масштабах вещество во Вселенной фрагментировано и организовано в галактики. Галактикам придан начальный импульс таким образом, что они удаляются друг от друга. В такой Вселенной действуют уже две силы и дальнейшая судьба ее - разлет или сжатие - будет зависеть от начальной скорости и величины общей массы Вселенной.              

 Этот второй вариант неплохо соответствует наблюдательным фактам. Вселенная в большúх масштабах удивительно однородна и изотропна. Кроме того, она явно нестационарна – хотя бы часть красного смещения в спектрах галактик обусловлена эффектом Доплера – галактики разбегаются, Вселенная расширяется. Вспомним теперь, что силы тяготения постоянно тормозят разбег – являясь своего рода аналогом трения в космологических масштабах. Значит в более ранние эпо

                                                                                                                                                     Стр. 11

хи, чем наблюдаемая, скорости разбегания галактик были выше, а размер Вселенной меньше. Стало быть, Вселенная была компактнее, плотнее и горячее. Не вдаваясь в подробности, вывод о большей температуре Вселенной  обоснован хотя бы просто подразумеванием перехода кинетической энергии в потенциальную.

Возвращаясь еще дальше в прошлое Вселенной, согласно этому сценарию, будем обнаруживать всё бóльшие скорости, плотности и температуры. Возникает вопрос – где необходимо остановиться в этом “походе в прошлое”? По ныне принятым представлениям – приходим к сингулярности – гипотетической точке с бесконечной плотностью. Масса этой первичной сингулярности, видимо, должна была быть равна массе всей нынешней Вселенной, с учетом скрытых (ненаблюдаемых) масс и эквивалентной массы интенсивностей всех видов излучений (по знаменитой формуле: E=MC2). А величина обратная постоянной Хаббла, даст значение времени прошедшего с этого начального момента, который собственно и именуется Большим взрывом. По разным оценкам это от 8…12 до 20млрд. лет. Учитывая, что скорость разлета со временем падает, наиболее реалистична оценка в 14-15млрд. лет.

Уже вскоре после опубликования теория Большого взрыва подверглась критике. Например, швед Х. Альвен очень метко заметил: “Если мы предполагаем, что некогда произошел взрыв первородного атома, то отсюда следует, что галактика должна двигаться в соответствии с законом Хаббла; но обратное несправедливо: из закона Хаббла не следует неизбежность “Большого взрыва”.

Конечно, теория Большого взрыва совершила большой шаг вперед в понимании строения мира, по сравнению со стационарными теориями. Поэтому-то она и является общепринятой такое длительное время. А насколько справедлива эта теория, возможно апробировать очень простым способом. Надо теперь из описываемых начальных условий прийти к настоящему, к наблюдаемым условиям, ответив при этом, по возможности, на наибольшее количество вопросов, которые могут при этом возникнуть.

Стр. 11

4. Так был ли Взрыв?

Итак, что же произошло около 15 млрд. лет назад?

Первичная сингулярность, по не совсем пока понятным причинам, “пришла в движение”- взорвалась и начала “расшвыривать” в окружающее пространство вещество, генерируя и формируя при этом как само вещество, так и собственно окружающее пространство. В результате этих грандиозных процессов и родилась наблюдаемая ныне Вселенная.

Этапы этого формирования теоретически описаны вплоть до 10-43с момента начала Взрыва и достаточно освещены в литературе. Поэтому остановимся на них очень кратко, фиксируя внимание лишь на тех фактах, которые пригодятся в дальнейшем изложении.

Все этапы развития Вселенной, по теории Большого взрыва, связаны с падением плотности и температуры вещества при его расширении. Причем наиболее бурно, со значительными качественными изменениями протекали самые первые мгновения Вселенной, так как в эти моменты были наиболее велики градиенты и плотности вещества, и его температуры. До момента 10-43 с, вероятно, определяющими были эффекты квантовой гравитации и квантовой структуры пространства-времени. Но уже к моменту 10-6с. стали образовываться аэроны (нейтроны, протоны, мюоны, пионы и д.р.) Причем этот первичный “космический бульон“ состоял как из частиц, так и из их античастиц. И к тому же в абсолютно одинаковой пропорции. Но с понижением температуры частицы и их античастицы аннигилировали. К 10-3 с. аннигилировали мюоны. К     10-2с. Вселенная состояла уже, в основном, из легких элементарных частиц (протонов, нейтронов и др.),причем на одну частицу приходилось 109 квантов излучения (фотонов). К моменту с 10-1с. до 1с. температура упала настолько, что реакции с участием нейтрино стали неэффективны, т.е. попросту говоря, Вселенная стала прозрачна для нейтринных потоков – это первый вид излучения, которое “оторвалось” от вещества. По стандартному сценарию Большого взрыва - это первая, “нейтринная”информация, которая может быть принципиально доступна для исследования в более поздние эпохи, включая и нашу. В то же время  фотоны продолжали эффективно взаимодействовать с веществом, постоянно обновляя таким образом записанную в фотонных потоках информацию. К моменту 1с. успела проаннигилировать основная часть частиц и античастиц. Причем откуда-то возник избыток вещества, и не произошла его полная аннигиляция с антивеществом. В промежутке времени между  14с. и 35мин. этот остаток вещества образовал ядра дейтерия и гелия (2Н и 4Не), причем образовалось по массе »25% (22-28%) ядер гелия, остальное - водород. Количество образовавшихся ядер других элементов было пренебрежимо мало. И только к возрасту 7×105 лет (105…106 лет) температура вещества упала настолько (3000 °К), что свободные электроны рекомбинировали с ядрами и образовали нейтральные атомы. До рекомбинации излучение (фотоны) рассеивалось главным образом на свободных электронах. После рекомбинации свободных электронов практически не осталось, и Вселенная стала прозрачной для излучения. Т.е. фотоны в такой Вселенной стали проходить огромные расстояния не рассеиваясь. Излучение “оторвалось” от вещества и зафиксировало на себе информацию об условиях, существовавших на момент этого отрыва. Распространяясь во Вселенной и теряя при этом энергию, это первичное излучение должно было к настоящему моменту остыть с начальных 3000°К до 3°К. Остывающее вещество своей гравитацией замедляло скорость разлета, и ко времени рекомбинации уже должны были образоваться первичные неоднородности – зародыши, вокруг которых началась фрагментация масс вещества на галактики. Гравитация стала определяющей силой в крупномасштабных структурах Вселенной. После своего образования, галактики стали устойчивыми структурами, т.е. размеры и масса галактик остаются довольно стабильными в течении длительного времени. Далее гравитация формировала устойчивые образования уже внутри галактик – звезды и планетные системы вокруг них.

Хорошо ли описывает этот сценарий нынешнее положение дел во Вселенной? Да, несомненно, большинство наблюдательных фактов очень хорошо соответствуют теоретическим расчетам в рамках Большого взрыва. Решающим фактом в поддержку теории явилось открытие в 1964г. Робертом Вильсоном и Арно Пензиасом фонового микроволнового излучения, которое было названо реликтовым и интерпретировано как остаток Большого взрыва. Причем измеренная температура этого излучения оказалась равной теоретически рассчитанной ранее - 3°К*. Хорошо коррелирует с теоретическими расчетами и наблюдаемое содержание гелия во Вселенной – 25% по массе. И хотя в процессах термоядерного синтеза, в недрах звезд образуется дополнительный гелий, он не должен за прошедшие 15млрд. лет коренным образом изменить это соотношение, т.к. по теоретическим расчетам эффективность генерации гелия при термоядерном синтезе невелика -

*Еще в конце 40-х годов Гамов предсказывал существование подобного излучения с °Т около 5°К. К сожалению, на тот момент его предсказания остались без должного внимания.

                                                                                                                                                      Стр. 12          

не более 8% по массе. Очень убедительно в поддержку этой теории свидетельствуют фотометрический и гравитационный парадоксы.

Кроме того, раз процессы, протекающие в недрах звезд необратимы, то ясно, что и Вселенная должна быть нестационарной. Она должна претерпевать какие-то качественные изменения (ну это, конечно, если не согласиться с утверждением об однократности творения Вселенной) и теория Большого взрыва явилась первой, по своей сути, теорией, описавшей начало и различные варианты конца эволюции Вселенной.

Хорошо вписывается в теорию и возраст известных на сегодня космических образований, прежде всего звезд. И, наконец, в пользу теории свидетельствует и наличие в спектрах галактик красного смещения. Собственно этот факт и был базой для формулировки самой теории.

Начальные и конечные этапы Вселенной тесно переплетаются с квантовой теорией. Чем ближе к моменту Большого взрыва, тем более ярко проявляют себя квантовые эффекты, пока не становятся решающей, определяющей силой. Хорошо ли это для теории? XXв. ознаменован триумфом квантовой теории, и, как это часто бывает, наиболее успешная наука оказывает влияние на другие. Существует большой соблазн решить с ее помощью проблемы других наук. Такая наука начинает “размножаться”. Появляются квантовая электродинамика, квантовая хромодинамика и т.д. Есть все основания назвать теорию Большого взрыва, и, особенно ее инфляционный сценарий, квантовой космологией. Т.е. вслед за небесной музыкой и небесной механикой возникла небесная “квантоника”. Сейчас, наверно, нельзя сказать насколько это хорошо или плохо. Просто отметим это как любопытный нюанс.

Как видим, теория обладает большим количеством достоинств. А есть ли у нее недостатки? Много ли фактов не укладывается в рамки Большого взрыва? Да много. Но, к сожалению, в отечественной литературе традиционно мало уделяется места проблемным вопросам, и авторы научно-популярных изданий неохотно описывают несоответствия теорий и практических фактов – опытов и наблюдений. Поэтому рассмотрим их достаточно внимательно.

По моему мнению, рассмотрение любой теории полезно начинать с общих рассуждений философского характера. Действительно, как мы увидели в гл.I, такой взгляд позволяет охватить больший круг проблем и создать наиболее глобальные теории. Кроме того, философские взгляды оказываются значительно более долговечными, в то время как физические аспекты любой теории претерпевают, как правило, более частые изменения. И, к тому же, как метко однажды заметил Эйнштейн, ученого-естествоиспытателя заниматься философией заставляют прежде всего концептуальные трудности его собственной науки. Так теория Большого взрыва зиждется на гравитационной теории Эйнштейна, которая в свою очередь может служить предметом для дискуссии (см. отступление №3). И хотя одна из основополагающих в теории Большого взрыва идей – идея гравитационной неустойчивости принадлежит еще сэру Исааку Ньютону, но легко предположить, что при формулировании новой гравитационной теории, на ее основе будет сформулирована и новая космологическая парадигма. И в этой новой космологической парадигме основополагающими будут идеи, отличные как от Ньютоновских, так и от Эйнштейновских. Философские же идеи показали свою удивительную живучесть. Достаточно вспомнить, выдвинутую еще Демокритом, идею о существовании мельчайших частичек вещества - атомов. Ведь эта чисто философская идея пережила не одно тысячелетие! Возможно, не менее древняя и идея о вечности и бесконечности Вселенной. И эта идея также постоянно подтверждается. Вспомним закон сохранения энергии. Ведь это закон о вечности Вселенной! Материя (вещество, энергия, излучение и т.д.) неуничтожима – ничто из ничего не возникает и в никуда не исчезает. В своем движении (развитии, эволюции) материя только видоизменяется, “перетекает” из одной формы существования в другую. Так же неуничтожимо и вечно  пространство и время. Ничего подобного в Большом взрыве нет. У Вселенной появляется как начало*, так и два крайних варианта ее конца. В зависимости от величины общей массы Вселенной либо победит гравитация, и тогда разбегание галактик сменится сжатием с дальнейшим коллапсом Вселенной в сингулярность; либо расширение будет происходить вечно, но это приведет к энтропийной – тепловой смерти Вселенной, с разрушением всех ее существующих структурных единиц и самого вещества вообще. Средний вариант с промежуточным, критическим значением массы крайне неустойчив.

*А ведь против такого взрывного начала выступал еще Аристотель, проанализировавший  возможность возникновения и (или) гибели мира во времени. Применительно к концепции Большого Взрыва, в рассуждениях Аристотеля интересно отметить следующий момент: ”почему вещество не породило мир раньше, чем он возник в действительности, почему движение не началось ранее? Такой причиной могло быть только существование какого-то препятствия к движению, помехи или задержки. Однако эта помеха, в свою очередь, могла иметь только природу движения, что абсурдно. (Курсив и подчеркивание – мое А.Т.).

                                                                                                                                                     Стр.13

Т.е. что же получается? Раз Вселенная не вечна, то и наше бытиё имеет вид короткой вспышки на фоне вечного мрака забвения. Удивительно, просто парадоксально, как вообще могла возникнуть такая Вселенная! Это вызывает категорическое неприятие (см. также гл.5).

 И хотя к моменту сингулярности, по теории Эйнштейна, вообще неприменимы понятия пространства и времени и, таким образом, неправомочен вопрос: “А что было раньше, и что будет потом?”? выдвигаются предположения о множественности Вселенных, существующих  параллельно с нашей в пространстве, во времени и др. варианты. Весь этот сонм никак не взаимодействующих между собой Вселенных и призван как-то обойти проблемы кратковременности существования нашей Вселенной, в рамках Большого взрыва. Однако эти попытки носят довольно искусственный, надуманный характер, и в целом идут вразрез со стандартной теорией Большого взрыва.

Теперь от философских рассуждений перейдем к сугубо физическим вопросам. В сингулярности, и, даже на начальном этапе расширения зарождающейся Вселенной, вещество было горячим и плотным. Соответственно давление вещества, заключенного в этом начальном объеме, было огромным. Создается впечатление, что это давление и было причиной взрыва и дальнейшего расширения Вселенной. Но давайте внимательно вникнем в детали этого процесса. Вспомним, например, процесс взрыва порохового заряда в патроне. После детонации, порох, сгорая, сильно нагревается и создает внутри гильзы высокие давление и температуру. При этом образуется большой  перепад между низким атмосферным давлением и высоким  давлением нагретого газа в гильзе. Этот перепад и выталкивает пулю из гильзы и затем толкает и разгоняет ее уже далее по стволу оружия. Ничего подобного не было в начале расширения Вселенной. Вещество Вселенной, до начала структурирования, т.е. довольно продолжительный начальный этап ее развития, было однородно и изотропно. Следовательно, никаких перепадов плотности и давления не возникало, не возникало, стало быть, и силы, которая толкала бы вещество. Не было и самого окружающего пространства, согласно гравитационной теории Эйнштейна, на которой собственно и стоятся все расчеты теории (!). Ведь при отсутствии вещества в пространстве вне сингулярности, не было, вернее не генерировалось ни само пространство, ни течение времени в нем. Для наглядности эту ситуацию возможно сравнить со стальным баллоном со сжатым газом в нем. Давление внутри баллона может быть огромным, да и газ может быть прилично разогрет (по сравнению с абсолютным нулем шкалы температур Кельвина), но он остается надежно заперт внутри баллона. В масштабах Вселенной эта ситуация значительно усугубляется еще и фантастическими по величине силами гравитационного притяжения.

Так как же выйти из этого затруднения? Что же может послужить “первотолчком” и дальнейшей  “начальной движущей силой” в зарождающейся Вселенной? В последних разработках в качестве причины такого первотолчка выдвигается отрицательное давление вакуума. (И это при таких громадных плотностях, температурах и массах называется вакуумом! Ну да ладно, оставим терминологию на совести тех, кто ее выдумывает.) Т.е. что предполагается – что при плотностях, температурах и давлениях, которые развивались в начальной стадии зарождения Вселенной, вещество находилось в особом, “вакуумно- подобном” (!) состоянии  при котором происходила своего рода суперсимметрия всех сил, всех видов взаимодействий (см. отступление №2). При этом, собственно, и развивалось это отрицательное давление.

Можно, конечно по-разному относиться к этому утверждению. Следует вспомнить, что теории объединения, при определенных условиях, различных сил природы, уже показали свою плодотворность (см. отступление №2). Так в свое время были объединены в одну силу два, казавшихся разными ее проявления – магнетизм и электричество. Причем условие объединения оказалось простейшим – движение. Т.е. движущийся электрический заряд генерирует вокруг себя магнитное поле, а движущийся магнит – электрическое. Но т.к. творцы этой теории жили задолго до того, как изобретатель динамита и фанеры завещал свое состояние науке, их труды остались без должного материального вознаграждения. А вот уже за объединение в одну общую теорию сил электромагнетизма и ядерного слабого взаимодействий, их авторам – Стивену Ванбергу, Шелдону Глэшоу и Абдусу Саламу благодарное человечество присудило Нобелевскую премию. Условия для объединения этих сил посложнее – высокие температура и плотность.

Для проявления эффектов предположительно наблюдавшихся в начальных этапах зарождения Вселенной необходимы давления и температуры еще на много порядков выше. Причем настолько высокие, что пока недостижимы в современных лабораториях. Так что для их исследований приходится довольствоваться только теоретическими расчетами. (См. отступление №2). Спрашивается, насколько они могут быть верны? Где гарантия того, что при увеличении количества (имеется в виду температура, плотность и др.) не проявятся новые качества? Как уже было, например, при экстраполяции законов макромира в мир элементарных частиц. Но дело даже не в этом. Дело в

                                                                                                                                                   Стр. 14

том, что любые, даже самые успешные попытки экстраполяции установленных ныне законов, не решат проблем описания ранних стадий Вселенной, а только породят новые. И это принципиально не устранимо, несмотря на развитие науки, т.к. бесконечные плотности и температуры будут требовать бесконечной экстраполяции.

 Но будем считать все же, что Большой взрыв каким-то образом произошел. Т.е. эта черная дыра – первичная сингулярность, превратилась в белую дыру и стала расшвыривать вокруг себя вещество, образуя тем самым пространство и время – Вселенную. Теоретические предсказания возможности существования белых дыр выдвигались неоднократно. Проделывались даже соответствующие расчеты, основанные на теории Эйнштейна, на основе которой, собственно, и делались эти предсказания. Результаты расчетов были однозначны – неустойчивость, которая образуется в результате этого процесса, очень быстро приводит к гравитационному коллапсу – белая дыра превращается в черную. Возникают своего рода космические качели – первичная сингулярность генерирует вещество, вещество генерирует мощное гравитационное поле, которое “схлопывает” пространство обратно в сингулярность.

 Отсутствует в теории убедительное объяснение преобладания во Вселенной вещества над антивеществом. А попросту говоря - отсутствие антивещества. Хотя эта проблема может показаться относящейся к физике элементарных частиц. Но корни-то у нее космологические – именно теория Большого взрыва задает те условия, в рамках которых физики должны дать ответ на этот вопрос. И ошибочность теории повлечет за собой задание неверных начальных условий, а отсюда и невозможность получения вразумительного ответа. Так что наблюдательные данные об отсутствии во Вселенной сколь-либо значительных масс антивещества свидетельствуют против теории Большого взрыва. Ведь в первые мгновения зарождения Вселенной должно было генерироваться одинаковое количество как частиц, так и их античастиц. Что в дальнейшем привело бы к их полной аннигиляции, либо массы вещества и антивещества должны были быть разведены друг от друга. Тогда возникли бы области Вселенной, состоящие из вещества, как например наша Галактика. Но должны были бы образоваться и области состоящие из антивещества. Таких областей не обнаружено. Не описан и механизм, разводящий вещество и антивещество в пространстве. Не приведены и убедительные примеры реакций с элементарными частицами, которые должны были бы обеспечить требуемый “перекос” в пользу вещества над антивеществом.

Большое удивление вызывает и высокая изотропия фонового излучения. Собственно говоря, при современном уровне развития измерительной техники, какой-либо серьезной анизотропии фонового излучения не выявлено. На первый взгляд ничего страшного в этом нет. Ведь процесс зарождения и формирования галактик, кстати детально описанный еще в начале века Дж. Джинсом, предполагает фрагментацию догалактических облаков газа в результате гравитационной неустойчивости даже изначально почти однородной среды. Но формирование какой-либо структуры должно быть связано с наличием слабых возмущений плотности – начальных, “затравочных” нерегулярностей среды. Далее под действием тяготения эти первичные возмущения усиливаются – процесс идет уже сам по себе в ускоряющемся темпе. И хотя галактики формировались в период 1-3млрд. лет после Взрыва, а реликтовое излучение оторвалось от вещества не позднее 1млн. лет после оного, все же полная бесструктурность, идеальная однородность и изотропия излучения, по теории, невозможны. Ведь рост возмущений проходит с какой-то скоростью и для того, чтобы при возрасте Вселенной 1-3млрд. лет, смогли  формироваться галактики, то догалактические возмущения должны были возникнуть значительно ранее. “Корни” этих возмущений растут еще из дорекомбинационной эпохи. И каков бы ни был характер этих возмущений – адиабатический или энтропийный, излучение, эффективно взаимодействуя с веществом, должно было, оторвавшись от него, сохранить на себе след этих неоднородностей. Ну и по большому счету, не совсем понятен этап и процесс возникновения этих неоднородностей в первоначально идеальном “космическом бульоне”. Теоретические расчеты относят момент их возникновения к квантовым флуктуациям. Т.е. по сути, к самой сингулярности. К этому примечательному факту мы еще вернемся. А пока рассмотрим динамику движения галактик.

Совершенно непонятно, каким образом спиральные галактики приобретают такие большие вращательные моменты. Вспомним, что изначально Взрыв придает частицам только поступательное движение. Какой-то вращательный момент галактики, имеющие форму отличную от сферической, могли бы приобрести под воздействием их взаимного гравитационного притяжения (см. рис. 4 -1.). Однако расчеты показывают, что этот фактор слишком слаб чтобы объяснить вращение. Следовательно, необходимо искать иные процессы, приводящие к появлению турбулентностей, вихрей в изначально ламинарном потоке. А, учитывая, что общее количество спиральных

                                                                                                                                                     Стр.15                                                                             

 

                                                                                                              Рис. 4-1

галактик составляет более 2/3, и лишь менее трети припадает на эллиптические и неправильные галактики, то процесс появления турбулентностей должен носить всеобщий, а не спорадический харарктер. Линейные скорости движения галактик в скоплениях также аномально высоки*. Эти случайные скорости трудно объяснимы только гравитационным взаимодействием.

Весьма интересные факты обнаруживаются при наблюдениях за спутниками галактик. За видимой границей  некоторых массивных спиральных галактик, где в заметных количествах материя уже не наблюдается, обнаруживаются небольшие внегалактические объекты – звездные скопления, галактики и пр. Такие объекты называются галактиками – спутниками. Логично предположить, что основная галактика и галактика – спутник гравитационно связаны, т.е. образуют гравитационную пару. Тогда они будут вращаться вокруг общего центра масс в полном соответствии с законами Ньютона и Кеплера. Значит, по видимым движениям галактик возможно вычислить их массы. И вот масса галактики, вычисленная по движению галактики – спутника, оказывается иногда в несколько раз больше, чем масса, вычисленная по наблюдению за количеством и движением звезд в самой галактике. Из этого следует, что, либо наблюдения неточны, - либо в галактике

присутствуют значительные массы вещества, которые себя никак, кроме гравитации не проявляют. Второе предположение кажется более разумным, тем более что есть и реальные претенденты на роль этих скрытых масс – это нейтрино**, в предположении (тоже разумном) что их масса покоя, хоть и незначительно, все же отлична от нуля. Таким образом, оказывается, что галактика, кроме видимых балджа и спиральных рукавов, состоит еще и из нейтринной короны сферической или несколько сплюснутой в области эклиптики, формы. Эта корона, видимо, охватывает всю галактику, так что тяготение этих скрытых масс практически не сказывается на движении звезд внутри галактики – т.к. воздействие отдельных частей ее на них оказывается скомпенсированным. Но эти массы оказывают значительное воздействие на тела на границе короны и за ее пределами.

     Тяжелее объяснить движение галактик, гравитационно связанных в скопления. В таких скоплениях направление и распределение скоростей движения галактик нерегулярно. Т.е. они движутся хаотически относительно друг друга. Учитывая  явную гравитационную связь галактик в скоплениях, здесь также применим описанный метод вычисления масс. Т.е. измеряются скорости движения галактик, после чего измеряется полная масса скопления, которая требуется для создания суммарного поля тяготения, сообщающего галактикам наблюдаемые скорости. Естественно, чем больше наблюдаемые скорости, тем бóльшая требуется масса для придания этих скоростей. И вот оказывается, что иногда вычисленная по скоростям движений галактик, полная масса скопления, оказывается уже не в разы, а в десятки раз превышающей массу, вычисленную по наблюдениям за светящейся массой галактик. Для объяснения этого факта приходится привлекать уже внегалактические скрытые массы. На мой взгляд, это уже чересчур. Что это за массы? Чем они

образованы? Откуда они берутся, из каких процессов? Создается впечатление, что все мы живем

на видимой верхушке айсберга в океане невидимой массы, никак абсолютно себя не проявляющей, кроме гравитации. Почему эта огромная масса, во много раз превосходящая видимую, никак не влияет более на происходящие в ней процессы? Видимо необходимо искать другие факторы, другие объяснения аномальных скоростей движения   галактик.  

 *Имеются в виду нерегулярные скорости движения, которые накладываются на всеобщие скорости движения, связанные с разбеганием галактик, по закону Хаббла. Кроме того, когда Фридман предлагал свою модель, то предполагалось, что все галактики удаляются друг от друга в прямом направлении, и тогда они все они должны были находиться в одной области пространства. Однако, как показывают наблюдения, галактики никогда не разбегаются точно по прямой: у них имеются еще и небольшие составляющие скорости, направленные под углом. Следовательно галактики, вещество из которых они состоят, никогда не было заключено в одной области пространства (сингулярности Большого взрыва)!

 **Есть и другие, более экзотические кандидаты на роль скрытых масс – это гипотетические партнеры частиц: у фотона – фотино, у W – вино, у гипотетического гравитона – еще более гипотетическое гравитино. Суммарная масса этих “ино” может оказаться достаточно большой.

                                                                                                                                                     Стр. 16

Но, если даже эта искомая масса все же будет обнаружена, то возникнут еще более серьезные проблемы иного рода. Как уже упоминалось, существует некоторая критическая масса, или вернее плотность, вещества во Вселенной. Если масса превышает критическую, то разлет галактик тормозится и очень скоро сменяется их сближением – с последующим коллапсом Вселенной. Если масса меньше критической – расширение происходит бесконечно. Так вот по современным наблюдательным данным, масса Вселенной, с высокой степенью точности соответствует критической. Особенно точно это соответствие, по расчетам, проявлялось в первые мгновения после Большого взрыва. Чтобы обеспечивалось нынешнее соответствие масс, в первые мгновения точность их соответствия  должна была быть не менее 10-53 %! Такую фантастическую точность просто невозможно себе представить! Это не случайность. Этому факту должна быть найдена какая-то веская причина.

     Одна из самых известных и, как считается, наиболее плодотворных попыток объяснения этого феномена  связана с именами де Ситтера и Алана Гута носит название инфляционной модели. В ней вводится инфляционная фаза или второе рождение Вселенной (повторный Большой взрыв!) примерно через 10-35с после начала Большого взрыва. При этом, за интервал времени, не превышающий 10-32 с, Вселенная “раздувается” более чем в 1050 раз(!) от микроскопического размера до размеров, сопоставимых с размерами наблюдаемой ныне Вселенной. Причины, приводящие к столь удивительному поведению Вселенной, кроются в предполагаемом нарушении симметрии между сильным ядерным взаимодействии – с одной стороны, и слабым ядерным и электромагнитным взаимодействиями – сдругой (см. отступление №2). Однако эта авторитетная модель ставит новые вопросы и, по мнению ряда ведущих физиков (см. например работы Ильи Пригожина) не отвечает на поставленный вопрос, а лишь привносит в космологическую историю эпизод, связанный с запаздыванием в адаптации Вселенной к собственному охлаждению. Вся беда в том, что на современных ускорителях возможно получать частицы с энергиями соответствующими моменту около 10-9с после Большого взрыва. Что же касается более ранних моментов в истории рождения Вселенной, то они остаются предметом теоретических изысканий (см. стр. 11). При этом как-то даже неудобно спрашивать о соблюдении постулата о предельности скорости света во время этого эпизода. Вас такое объяснение устраивает? Меня – нет. А самое неприятное, что эта модель не рождает никаких уникальных предсказаний, которые не могут быть объяснены каким-то иным путем. Следовательно, вся это идея целиком попадает под принцип бритвы Оккама, и должна быть отброшена, как надуманная.

А в том, что масса наблюдаемой Вселенной действительно с высокой степенью точности соответствует критической, убеждают наблюдения за геометрией Вселенной. А она с высокой степенью точности соответствует Евклидовой – плоскому пространству. Если бы масса Вселенной не была бы равна критической, мы бы наблюдали отличия в геометрии пространства – имели на деле, а не в теории, неевклидову геометрию с суммой углов треугольника не равной 180°.

Однако это еще не все проблемы скрытой массы, связанные с Большим взрывом. Одним из следствий уже упоминавшейся электрослабой теории, является генерация в условиях Большого взрыва магнитных монополей. Причем это должны быть очень массивные образования, в зависимости от вида (сорта?), имеющие массу от 104 до 1016 масс протона. А количество этих “моно полюсов” (язык не поворачивается назвать их элементарными частицами) должно быть равно количеству протонов. Стало быть, и суммарная масса только этого магнитного скрытого вещества в 104…1016 раз превосходит массу наблюдаемого вещества. Однако из наблюдений следует, что скрытая масса не может превосходить массу наблюдаемого светящегося вещества более чем в 10 раз. Ведь иначе масса Вселенной значительно бы превосходила критическую, и расширение давно бы уже сменилось сжатием.                                                                                                     

И авторитет теории Большого взрыва заставляет искать причины необразования, либо распада монополей, или же неточности в электрослабой теории.

Есть во Вселенной и еще одни интересные, уже не скрытые массы, это космическая пыль. Понятно образование при Большом взрыве масс водорода, но откуда могла взяться пыль имеющая сложный химический и структурный состав – силикаты и графит? (Не углерод, а именно графит – структурированное вещество) Можно было бы предположить, что это остатки взрывов сверхновых первого поколения, но как разлетающиеся после взрыва массы, имеющие большие скорости и температуру, смогли образовать графит?! (См. также последний абзац стр.22 и далее на стр.23)

И, хотя из уже изложенного видно, что ни стандартная, ни модифицированные взрывные теории не в состоянии описать свойства Вселенной, теория