CC BY
11О ФИЗИЧЕСКОМ ЭФФЕКТЕ ПОВЫШЕНИЯ ГРАВИТАЦИОННОЙ МАССЫ ВСЕЛЕННОЙ ПРИ ЕЕ КОСМОЛОГИЧЕСКОМ РАСШИРЕНИИ
Кошман В.С.
Канд. техн. наук, доцент
Пермский государственный аграрно - технологический университет, инженерный факультет
г. Пермь, Россия
ON THE PHYSICAL EFFECT OF INCREASING THE GRAVITATIONAL MASS OF THE UNIVERSE DURING ITS COSMOLOGICAL EXPANSION
Koshman V.
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor Perm State Agrarian and Technological University,
Faculty of Engineering Perm, Russia
АННОТАЦИЯ
В работе показано, что фотонное излучение Вселенной возникло одновременно со взрывным распадом весьма малого планковского сгустка материи на удаленные друг от друга материальные части, взаимодействующие по закону всемирного тяготения. Высказано предположение о том, что рост гравитационной массы Вселенная по мере ее космологического расширения обусловлен взаимодействием поверхности сферы мира как ударной волны с космическим вакуумом, в глубины которого изначально расширяется Вселенная.
ABSTRACT
It is shown that the photon radiation of the Universe arose simultaneously with the explosive decay of a very small Planck clot of matter into material parts distant from each other, interacting according to the law of universal gravitation. It is suggested that the growth of the gravitational mass of the Universe as its cosmological expansion is due to the interaction of the surface of the sphere of the world as a shock wave with the cosmic vacuum, into the depths of which the Universe initially expands.
Ключевые слова: модель Вселенной, закон всемирного тяготения, формула Планка, космический вакуум, элементарные частицы, разлет галактик, эвклидова геометрия, барион - фотонное отношение.
Keywords: the model of the Universe, the law of universal gravitation, Planck's formula, cosmic vacuum, elementary particles, the spread of galaxies, Euclidean geometry, the baryon-photon ratio.
«По мне, лучше найти истину хотя бы в небольшом деле,
чем длинно рассуждать о величайших вопросах,
не достигнув никакой истины» Галилео Галилей
Если в XIX веке человек понял, что жизнь на Земле эволюционирует, то в XX веке он осознал, что вся наша Вселенная представляет собой нечто изменяющееся, развивающееся (А. Д. Сахаров) [1, с. 5]. Начиная с 1998 года, в космологии активно обсуждается модель мира: расширяющаяся Вселенная заполнена загадочной формой материи («темная энергия» [2, 3, 4 и др.]), о которой достоверно ничего не известно. Из текста работы [2, с. 172] мы узнаем, что исследователи сталкиваются «с новой сложной загадкой в стремлении построить единую космологическую модель, объясняющую всю совокупность доступных нам наблюдательных данных». Не говорит ли отмеченное о том, что решения строгих мировых дифференциальных уравнений А. Эйнштейна далеко не полностью отражают закономерности расширяющейся Вселенной, но в соединении с эмпирически установленными свойствами
мира и подтвержденными на опыте фундаментальными законами физики они дадут возможность исследователям ближе подойти к описанию истинной картины движения Вселенной? Ниже подойдем к решению фрагмента задачи с инженерных позиций.
Из числа известных из физики решений выделим два заметных теоретических обобщения опытных данных:
■ закон всемирного тяготения
_ mimK *пр - иН г2 '
(1)
где индексы i и к нумеруют взаимодействующие частицы и тела,
- формула/закон Планка для спектра излучения абсолютно черного тела
йу
duE j
—ldv — —— dv — ■
dv
c3 eh-v/kB-T-1 •
(2)
Здесь ие - энергия фотонного излучения, V -объем Вселенной, V - частота, Т -температура фотонного излучения. В формулах (1) и (2), а также в записи планковских величин Рр1 = при-
сутствуют четыре мировые константы: Сн - гравитационная постоянная, с - скорость света в вакууме, h - постоянная планка и кв - постоянная Больцмана.
Согласно (1) все тела/частицы в природе притягиваются друг к другу с силой которая прямо
пропорциональна каждой из масс (т.1,тк) этих тел/частиц и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. В отдельных космологических сценариях обсуждается [2] возможность модификации закона всемирного тяготения как на масштабах галактик, так и на масштабе планков-
ской длины Ьр1 = (—¡г) = 10-35м. Согласие
наблюдаемого спектра реликтового излучения с планковским спектром абсолютно черного тела отмечается многими авторами. Любопытно взглянуть на картину космологического движения Вселенную, вполне доверяя установленным Ньютоном и Планком фундаментальным законам физики (1) и (2).
Аппаратурно регистрируется реликтовое излучение, технические средства позволяют наблюдать удаленные от Земли планеты Солнечной системы, а также «видимое» барионное вещество: звезды и их скопления. В данной связи естественно возникают вопросы: Когда возникли первые из ныне реликтовых фотонов? Когда возникли те первые элементарные частицы, которые по закону (1) вступили в гравитационное взаимодействие между собой? Являются ли сложившиеся на сегодня представления о модели нестационарной Вселенной окончательными? Какая форма материи доминирует в современной Вселенной? Возможно ли на роль основной составляющей материи Вселенной номинировать ее гравитационную составляющую? Возможно ли компактно и сжато с единых позиций хотя бы обозначить ответы на сформулированные выше вопросы?
Разбегающиеся галактики не существовали всегда. Чем дальше мы пройдём назад по времени, тем ближе к сингулярности будет подходить Вселенная, тем более внимательными нам необходимо быть, ведь у каждой из экстраполяций есть свои ограничения. Как основное допущение примем два положения: а) начальный сгусток материи в своем движении прошел через физическое состояние с температурой, близкой к абсолютному нулю, минуя состояние с числовыми значениями параметров порядка планковских величин; б) поскольку начальный сгусток материи изначально погружен в космический вакуум, а дальнейшее развитие событий достигло вселенского масштаба, то вакуум следует признать активным участником физического процесса роста массы М Вселенной от планковской (Ь сЛ1'2 л
величины тр1 = (—) = 10 8 кг до ее полного
современного числового значения М1п > МЬп = 1052кг.
Поскольку всегда сохраняется опасность увязнуть в сложных формулах, из большого числа известных формул обратим внимание на наиболее простые , но достаточно привлекательные.
По Эйнштейну, «отыскание законов природы как математическая проблема приводит к задаче: требуется найти логически наиболее простые законы...». Эйнштейн в качестве модели принимает уравнение Пуассона в теории тяготения Ньютона Л Ф = 4пСнр, в основе которого он видит идею, что
«источником гравитации является плотность вещества р» [5, с. 63]. В научный оборот вводится отрицательное давление (связано с Л - членом), гравитационное и электромагнитное поля рассматриваются как неразрывные фундаментальные сущности, причем для гравитационного поля предлагается формула [там же, с. 80]:
R
К&Рд/
(3)
где К - радиус Вселенной, а рд - объемная плотность массы материи Вселенной. Далее, переходя к формуле К = , где радиус Вселенной К «определяется через полную массу материи М», Эйнштейн отмечает: «Из этого соотношения становится совершенно ясной полная зависимость геометрических свойств от физических».
По данным работы [3], самый яркий результат, достигнутый в космологии в последние годы, касается геометрии трехмерного пространства, в котором происходит разбегание галактик: «Оказалось, что это обычная школьная эвклидова геометрия». А
МВ 4п п3 ВтгСн
следовательно, при рд = V = и ж = [5]
- в согласие с формулой Эйнштейна (3) - имеем формулу
Мп = — , (4)
9 з вн ' у '
где гравитационная масса Мд прямо пропорциональна среднему радиусу Вселенной К: Мд « И. Следует или нет рассматривать функцию (4) как проявление закона, выявленного в чистом виде, нам не известно. Покажем возможность выйти на (4) с качественно иных позиций.
Б. Цвибах [6] обращает наше внимание на наличие глубинных связей между мировыми константами Сн,с,к и кв и планковскими величинами. Оказывается, копнув глубже, можно записать, что
гравитационная постоянная GH = ——2
(10-35У лп-ц м3
10_8 (10-43)2 = 10 11 ^j, скорость света в вакууме с
_ Lpl _ 10"
= 10- , постоянная Планка h = U.
zpi
pi
tpi = 109 -10 43 = 10 34Дж • с, а постоянная Боль-
т Upl 10 ,, г. — 23 ДЖ тг
цмана кв = —— = —тт = 10 23 —. Как видим, воВ TPL 1032 К
преки сложившемуся мнению, гравитационная постоянная GH может быть определена не только по результатам опыта, но и теоретически, расчетным путем. Тогда из (1), (2), (4) следуют конструкции с информативной математической аранжировкой и с легкостью восприятия космологического смысла
- закона всемирного тяготения
mt•mK(LPi\2 Lpi
Рпр = Fpl -г-1—) при Fpl = mpi ф- ; (5)
mpl УГ1К' zpl
- формулы Планка
dus _ UEpl I v \3_1__^ч
dv VpVvpl \vpl) Tpl^Vpi-T-i • ( )
- формулы для гравитационной массы Вселен-
-23 Дж
ной
1 Я Ма = -mvl— •
a 3 Pl Lpi
-43
0
с
изменяется в своих
Очевидно, что выражения (5) и (6) имеют статус законов физики. Мы изменили внешний вид формул (1), (2) и (4), сохранили их смысловую нагрузку, сделали суть более наглядной. В (5) - (7)
каждая из безразмерных планковских величин —,
Ьр1
мд ?пр т тк г1к у Т
тр1 ' Рр1 ' тр1 ' тр1 ' 1р1' Чр1 ' Тр1 естественных пределах, что придает им особую привлекательность.
Прежде, чем идти дальше, отметим следующее. Для температуры Вселенной Т, ее среднего радиуса R и частоты ут, отвечающей максимуму кривой чернотельного спектра на координатной плос-
йиЕ _
кости — - V, можно обозначить границы
йу
изменчивости их числовых значений: Тр1 = 1032К > Т > Тп = 2,73 К; Яр1 = Ьр1 = 10-35м < Я < Д„;
(8) (9)
ур1 = 1043с-1 > ут > утп = 1,6 • 1011с-1. (10) Выражения (8) и (10) позволяют записать большие числа ^ = 1032 и ^ = 1032, которые свидетельствуют в пользу формулы
= = 6 • 1010 с-1К-1; (11) т тр 4 '
она известна из курса физики как закон смещения Вина. При радиусе наблюдаемой сферы Вселенной Яп = 1026м из (8) и (9) следуют большие
числа — = 1032 и т2- = 1061, а следовательно, и вза-
Тп
имосвязь
Ьр1
Я^Т2 = 1рГ Т.2 = 1029 мК2
(12)
как дополнительное объективное свидетельство в пользу Вселенной, которая расширяется с охлаждением: Из (12) видно, что вслед за планков-ским мгновением времени Ьр1 = 10-43с средний радиус Вселенной R обратно пропорционален квадрату ее температуры. Умножая (11) на (12), также можно записать и уравнение связи
ут = Ьр1 • Тр1 • ур[ = 1040 м • К/с или
= 1,
(13)
Ьр1-Тр1Ур1
где явно присутствует и обсуждаемое в литературе большое космическое число 1040. Полагаем, что прочтение формул (5) - (13) неразрывно связано с космологической историей Вселенной. Ниже приведем суждения исключительно в нашем видении, без претензии на истину в последней инстанции.
В целях объяснения необъяснимых загадок, а также упрощения и прояснения ситуации, в качестве рабочей гипотезы можно принять размышления в развитие известной «идеи конечной бомбы» [7 и др.]. Естественный механизм, который мог бы привести к формированию современного облика Вселенной не известен, но его поиск представляет сейчас одну из наиболее увлекательных задач как в космологии, так и в физике элементарных частиц. Необходимо интерпретировать формулы (5) - (7).
а) На смену предыдущему циклу сжатия, приходит новый цикл расширения Вселенной.
{Н'С \1/2
б) В эпоху Планка от / = 0 до Ьр1 = = 10-43с движение квантов материи отличается своей стремительностью. К моменту окончания
планковской эпохи сила Г и давление р соответственно понизились до числовых значений величин Рр1 = 1043Н и рр1 = 10114Па, тогда как огромная
плотность материи рр1 = ^^ = 1097 кг/м3 продолжает оставаться сконцентрированной в весьма малой области пространства. Столь экстремально высокие величины параметров не могут остаться без последствия. На планковское мгновение времени Ьр110-43с в развитии материи заметен выход на элементарный, по Планку, квант действия И = ир1 • Ьр1 = 6,62 • 10-34Дж • с. Планковский сгусток материи взрывается изнутри, что влечет за собой развернутый во времени природный взрыв.
б) Прежде всего напомним, что планковская длина Ьр1 весьма мала: Ьр1 = 10-35м. Поэтому на самом первом этапе движения Вселенной, когда звезды и галактики еще отсутствуют, присутствующие в (5) удаления между первыми элементарными частицами с их массами т^ и тк были сверхмалыми, а энергии гравитационного взаимодействия между материальными частицами были сверхвысокими. Изначально материя Вселенной представляет собой дискретную структуру, образованную массивами движущихся от единого центра к периферии элементарных частиц. Начиная с план-ковского мгновения времени Ьр1, существует фотонное излучение, на фоне которого под влиянием гравитационного взаимодействия формируется привычная, наполненная звездами и галактиками Вселенная.
в) В появлении фотонов и барионов (как строительного материала звезд, планет) нет ничего загадочного. Барионная асимметрия во Вселенной изначально отсутствует, фотоны и барионы как продукты термоядерных реакций населяют Вселенную синхронно. Барион - фотонное отношение р определяется не только как отношение числа барионов
к числу фотонов в объеме Вселенной, но и как корень квадратный из отношения массы ты в линейке масс барионов к барионной доле планков-
1
ской массы тЬр1 = Ььтр1 = Ьь (^г)2 (где Ьь - коэф
фициент; Ьь < 1): р
— ЕЬ— (тЬр1\2
[8,9 и др.].
Ь " 1): г (ть1)
При расширении Вселенной фотоны, возникнув, не исчезают и должны сохраниться до современной эпохи [3].
Для нас прежде всего важно, что именно по причине реального взрыва вначале элементарные частиц, а затем и галактики по инерции движутся по радиусам от единого центра к периферии. И сегодня в инерциальной системе со скоростью света с движутся не только реликтовые фотоны, но и Земля, и Солнечная система, и звезды, и галактики. Если бы скорость Земли в ее доминирующем движении по радиусу мира была бы меньше известной скорости реликтовых фотонов в том же направлении (то есть меньше скорости света в вакууме с = 3 • 108), то отсутствовала бы сама возможность аппаратурной регистрации электромагнитного поля Вселенной.
1
Авторы [2, 10] рассматривают сферу радиуса К, внутри которой содержаться галактики. Но также в объеме данной сферы V = -^К3 присутствует и гравитационное поле Вселенной, масса которого Мд, определяемая через объемную плотность массы Рд как Мд = рд -V, существенно превышает массу галактик Мь. Массу Мд размещаем в центре сферы. Из ньютоновой теории тяготения следует, что потенциальная энергия любой типичной галактики на поверхности сферы Епот =
тМаН 4птЯ2 равн
--=--^—, где т - масса галактики [там
же]. Кинетическую энергию Екин галактики, которая движется со скоростью света в вакууме с, определяем по формуле Эйнштейна Екин = тс2. Тогда из условия ЕпоТ + Екин = 0 [там же] имеем формулу для объемной плотности массы гравитационного поля Вселенной:
Рд
_ '"я _
(14)
V 4п СНЯ2 '
Закономерность (14) должна быть однозначно связана с соответствующими параметрами план-ковского пункта пути, поскольку в ней Мд и И следует рассматривать как функции космологического времени (.
С учетом известных из работы [6] особенно-
" n Lpl
стеи GH = —-^т-
" mprt^i
и с = — для ВселенноИ объемом
tpi
(15)
V = -R3 из формулы (14) следует решение
мд _ 1 mplt%lLll 1
4П„3 4П .3 t2 „2 •
—R3 — LPi tpiR
Как видим, безразмерные планковские грави-
„ ма
тационная масса Вселенной-2- и ее характерный
mvi
R
геометрический размер — связаны друг с другом
Lpi
соотношением
Ma _ я mpi Lpi '
И вновь, как и в случае (7), мы видим, что масса гравитационного поля Вселенной Мд прямо пропорциональна её среднему радиусу R, причем
(16)
Мв _ тр1 _ (GH)
1/2
Lpl (hGH
- = ГН • (17)
Следовательно, чем больше К, тем больше и Мд, и наоборот. Легко заметить, что данный вывод непосредственно следует и из формулы (14), где
"в _
_з__
4ж GffR-
. Сравнение формулы (16) с формулой (7) показывает их идентичность. Теории гравитации Эйнштейна и Ньютона дают один и тот же результат, но решение, полученное по теории Ньютона отличается большей наглядностью.
И если наблюдаемое разбегание галактик - это самый грандиозный феномен природы [3], то космологическое расширение Вселенной - это самое грандиозное из известных нам газодинамических
течениИ. Как можно объяснить физический эффект нарастания гравитационной массы ВселенноИ по мере ее космологического расширения? Из газовой динамики известны ударные волны как области резкого сжатия среды, которая в виде сферического слоя распространяется во все стороны от места взрыва со сверхзвуковой скоростью. Вселенная со скоростью света c изначально расширяется в космический вакуум. Передние точки поверхности сферы образуют фронт ударной волны. По причине взаимодействия с космическим вакуумом энергия доминирующей по массе среды за ударной волной неуклонно возрастает. Этим и объясняется непрерывный рост массы гравитационной составляющей материи расширяющейся Вселенной Мд. Современная теория гравитации наличие связи Мд <х R не учитывает. Эпиграф принят по данным работы [11].
Литература
1. Морозова Н.Д. Горячие точки космологии. // Природа. 1989. № 7. С. 3 - 18.
2. Барбашов Б.М., Первушин В.Р., Проскурин Д.В. Экскурс в современную космологию. // Физика элементарных частиц и атомного ядра. 2003. Т. 34. Вып. 7. С. 138 - 189.
3. Черепащук А.М., Чернин А.Д. Космология: открытия и загадки [Электронный ресурс]. URL: https://scfh.ru/papers/kosmologiya-otkrytiya-i-zagadki (дата обращения 17 сентября 2021).
4. Алексеев С.О. Введение в общую теорию относительности, ее современное развитие и приложения: учебное пособие. / С.О. Алексеев, Е.А. Памятных, А.В. Урсулов, Д.А, Третьякова, К.А. Ранну. Екатеринбург: Из - во Урал. ун - та. 2015. -380 с.
5. Эйнштейн А. Сущность теории относительности. // А. Эйнштейн. Собрание научных трудов. Т. 2. М.: Наука. 1966. С. 5 - 82.
6. Цвибах Б. Начальный курс теории струн. / пер. с англ. М.: Едиториал УРСС. 2011. - 784 с.
7. Гекман О. Эйнштейн и космология. // В. Штоф, А. - М. М'Боу, Г. Кляре и др. Проблемы физики: классика и современность / пер. с нем. и англ. М.: Мир. 1982. С. 155 - 163.
8. Кошман В.С. Физические законы излучения как ключ к выявлению космологических тайн Вселенной. // Sciences of Europe. 2020. № 59. Vol. 1. pp. 52 - 56.
9. Кошман В.С. О закономерностях роста объема Вселенной при ее космологическом расширении с охлаждением. // Sciences of Europe. 2020. № 58. Vol. 1. pp. 3 - 6.
10. Вайнберг С. Первые три минуты: Современный взгляд на происхождение Вселенной. / пер. с англ. М.: Энергоиздат. 1981. - 208 с.
11. Окунь Л.Б. Фундаментальные константы физики. / Успехи физических наук. 1991. Т. 61. № 9. С. 177 - 194.
2
3 с
R
с
