Возрождение циклической космологии и барионной массы
В первой статье с Александром Васильковым (MNRAS, 2016) мы, в рамках ОТО и модифицированной метрики Шварцшильда, установили причину Большого Взрыва и ускоренного начального расширения Вселенной. Во второй статье мы показали, что модель Вселенной с переменной массой описывается модифицированными уравнениями Фридмана, в которых естественно возникает аналог космологической постоянной, а значит - современное ускоренное разбегание наблюдаемых галактик.
Эти две статьи дают математический фундамент для решения всего остального спектра космологических задач (спектр начальных возмущений, расчет характерных периодов эволюции Вселенной и т.д.), из которых меня, в первую очередь, интересует циклическая динамика наблюдаемых компонент Вселенной, а также её самый минимальный размер, при котором и происходит самое интересное. То есть, хорошо бы построить самую примитивную модель (toy-model) нашего мира. Как раз об этом меня спросили в соседнем треде: откуда берётся барионная масса Вселенной?
Этот текст представляет собой набросок, из которого, я надеюсь, вырастет третья статья по космологии. Здесь много неясного и, возможно, ошибочного, так что дискуссия и советы только приветствуются. И я хотел бы начать с одного удивительного факта из области истории космологии, который сам узнал совсем недавно.
Статья Дикке-Пиблса-Ролла-Вилкинсона (ДПРВ), опубликованная в 1965 году вместе со статьей Пензиаса-Вильсона об открытии реликтового излучения с температурой около 3 Кельвинов, привычно считается статьей, в которой подводится теоретический базис под случайный (и тем не менее нобелевский) результат Пензиаса-Вильсона. Это одновременно правильно, и неправильно. Значение статьи ДПРВ (DPRW) значительно шире - там фактически заложены основы новой циклической космологии. Цитирую: “…for the matter we see about us now may represent the same baryon content of the previous expansion of a closed universe, oscillating for all time. This relieves us of the necessity of understanding the origin of matter at any finite time in the past. In this picture it is essential to suppose that at the time of maximum collapse the temperature of the universe would exceed 10^10 K, in order that the ashes of the previous cycle would have been reprocessing back to the hydrogen required for the stars in the next cycle”.
«Материя, которую мы видим вокруг нас, может представлять барионы из предыдущего расширения замкнутой Вселенной, колеблющейся все время. Это освобождает нас от необходимости обсуждать происхождение материи на протяжении любого конечного времени в прошлом. В этой картине важно предположить, что во время максимального коллапса температура Вселенной будет превышать 10^10 К, чтобы пепел предыдущего цикла перерабатывался обратно в водород, необходимый для звезд следующего цикла».
Авторы статьи рассматривают излучение от этого огненного шара с температурой более десяти миллиардов градусов как источник современного реликтового излучения, с учётом того, что температура этого излучения упала обратно пропорционально размеру Вселенной, что и привело к уменьшению температуры от десятков миллиардов до 3 градусов Кельвина. Они несколько раз возвращаются в своей короткой статье к этой принципиальной модели огненного шара сжатой Вселенной, которая должна разрушить тяжелые элементы предыдущего цикла и начать барионный и другие циклы с нуля.
“A temperature in excess of 10^10 K during the highly contracted phase of the universe is strongly implied by a present temperature of 3.5 K for black-body radiation”. “Assuming a singularity-free oscillating cosmology, we believe that the temperature must have been high enough to decompose the heavy elements from previous cycle…”
«Температура, превышающая 10^10 К во время сильно сжатой фазы Вселенной, неизбежна для получения настоящей температуры 3.5 К излучения черного тела. …Предполагая несингулярную осциллирующую космологию, мы считаем, что температура должна была быть достаточно высокой, чтобы разлагать тяжелые элементы из предыдущего цикла...»
Итак, откуда берутся барионы нашего цикла Вселенной? Дикке и др. дают простой ответ, с которым я вполне согласен, зная прижимистость природы-матушки: в процессе максимального сжатия, Вселенная растворяет в огненном шаре гамма-квантов ранее накопленные ядра химических элементов, получая снова протоны и нейтроны и возможность начать жизнь заново. Естественно, на это тратится огромная энергия, возникшая при гравитационном сжатии Вселенной. До какого же минимального размера сжалась Вселенная?
Вайнберг в своей популярной во всех смыслах книге «Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной», опубликованной в 1977 году, в последней главе о сжатии Вселенной описывает концепцию Дикке-Пиблса-Ролла-Вилкинсона. Вайнберг в своей книге приводит оценку размера, какой должна иметь сжатая Вселенная, чтобы её температура достигла ста миллиардов градусов 10^11 K. Он исходит из предположения, что современная Вселенная имеет периметр окружности в 125 миллиардов световых лет. Тогда, «длина окружности Вселенной в момент времени первого кадра была меньше теперешней пропорционально отношению температур тогда (10^11 K) и теперь (3 K); это дает для первого кадра длину окружности около четырех световых лет». Следовательно, размер Вселенной в момент максимального сжатия составляет немногим более светового года, или, если взять за основу статью Дикке и дрю, где обсуждается температура в 10^10 K, - десятка световых лет.
Дикке и др. не знают, каков должен быть механизм несингулярного отскока Вселенной, но предполагают, что он должен быть. Если мы включим в их космологическую модель нашу антигравитацию, обусловленную взаимослиянием массивных черных дыр, сближающихся внутри файрбола Вселенной, то получим нужный несингулярный отскок. Плюс ускоренное расширение окружающей нас части Вселенной, связанное с изменением гравитационной массы черных дыр в ходе очередного космологического цикла. А весь набор космологических наблюдательных феноменов (температура реликтового излучения, отношение гелия к водороду и т.д.) даст модель циклической Вселенной с классической моделью горячего Большого Взрыва, которую обсуждают Дикке и др.
Интересен следующий момент. В диаграмме, которую приводят Дикке и др, и которая лежит в основе книги Вайнберга о первых трёх минутах, на нижней шкале отложен радиус Вселенной, а на верхней - время. Видно, что на десять порядков изменения радиуса Вселенной приходится 16 порядков изменения времени. То есть радиус Вселенной не растет пропорционально времени, как можно было предполагать из простейшей модели расширяющегося фотонного облака, а зависит от времени в степени 0.5 или две трети. Это произошло из-за того, что скорость расширения Вселенной, описываемая первым уравнением Фридмана без космологической постоянной, однозначно зависит от плотности и её функции изменения от времени (так же как скорость подброшенного камня однозначно зависит от массы Земли).
Вайнберг обсуждает, как меняется физика Вселенной при падении её температуры от ста миллиардов градусов до миллиарда - у него на это уходит всего три минуты, после чего Вселенная почти не меняет свои свойства до отметки в 700 тысяч лет, когда плазма превратилась в нейтральный водород и гелий. Почему так быстро эволюционировала Вселенная в самом начале, несмотря на то, что минимальный её размер сравним со световым годом? Сжав Вселенную в 3*10^10 раз, что составляет в 4 степени (степень зависимости плотности излучения от радиуса) величину 10^42, Вайнберг получил из разреженной нынешней Вселенной компактную Вселенную с плотностью излучения 4 миллиарда грамм на куб.см (см. Приложение на стр.160). Эта суперплотная среда, через уравнение Фридмана сразу определила характерное время расширения (или обратную величину Хаббла) всего лишь в 0.02 секунды. Именно это и задало временной 3-х минутный масштаб начального охлаждения Вселенной в тысячу раз.
Но как только мы начинаем работать с модифицированными уравнениями Фридмана (полученные во второй нашей работе, но можно взять и уравнения Фридмана с феноменологической космологической постоянной из других работ и применить в начальному моменту времени), то у нас появляется космологическая постоянная, вернее, переменная, которая очень велика в начальный момент времени. То есть скорость расширения Вселенной будет задаваться антигравитацией, а не гравитацией. И характерная скорость её расширения вполне может быть пропорциональна времени и даже более сильной функции от времени. Тем самым, мы начальный минивременной масштаб Вайнберга в 0.02 секунды можем превратить в год, что на девять порядков больше. Тогда тысячекратное уменьшение температуры Вселенной произойдет не на протяжении 3 минут, а на протяжении десяти тысяч лет (что, навскидку, никак не влияет на динамику превращений квантов и барионов, потому что они определяются температурой, а не временем). Честно говоря, мне эта картина эволюции Вселенной из макроскопического объема (световой год) за неспешное время в десятки тысяч лет, нравится гораздо больше трех минут Вайнберга, и конечно больше, чем микродоли секунды в инфляционной теории. Кстати о последней: по статье Дикке и др (1965) и книге Вайнберга (1977), видно, что мысли астрономов до конца 70-х двигались в правильном направлении циклической Вселенной. Что случилось потом? Нашествие квантовиков-инфляционистов, начиная с 1981 года. Они построили модель образования Вселенной из ничего, из загадочного одноразового фазового перехода. Так как даже в самых диких инфляционных фантазиях было трудно представить циклический фазовый переход, то идея циклической Вселенной оказалась не майнстримом, а патологией в современной космологии. То есть, инфляционная теория резко затормозила развитие теоретической космологической мысли. При этом, если Дикке и др. и Вайнберг обсуждали с интересом - что будет при СЖАТИИ Вселенной с современного состояния до компактного, то такая задача нынешними авторами практически вообще не рассматривается, насколько я могу судить по литературе (если кто знает ссылки - прошу сообщить). Сжатие Вселенной стало ересью в нынешнем храме квантового инфляционного потенциала. Вообще говоря, непонятно - что с этим фанатизмом делать. Да, наивный Планк полагал, что неверные теории умрут вместе со своими сторонниками, но он не учел, что сторонники неправильных теорий способны долго плодить себе подобных учеников, невзирая ни на что - на слабую связь с экспериментом, на множество внутренних противоречий и т.д. Фанатики, они на то и фанатики, что никакие аргументы не способны заставить их изменить свою точку зрения. «Я вас не читал, но вы не правы!» - этим все сказано, аминь.
Если наблюдаемые вокруг нас барионы пришли из прошлого цикла, то тогда снимается острота наблюдаемой асимметрии материи-антиматерии (теоретическое рассмотрение рождения пар из вакуума дает симметрию частиц и античастиц): если барионы доминировали в прошлом цикле над анти-барионами, то они будут сохранять это преимущество все время. Аналогичный приход черных дыр из прошлого цикла решает проблему темной материи, появления сверхмассивных дыр в центрах галактик и т.д. Интереснейшая проблема - остановка разбегания Вселенной и дальнейший коллапс, но для неё тоже есть вариант решения.
При таких характерных временах расширения совсем по-другому будут решаться и проблемы однородности реликтового излучения и космического горизонта (части Вселенной расширялись независимо друг от друга - конечно независимо, если они расширялись за доли секунды, а размер Вселенной был световые годы!), которые раньше решались очень сильными средствами инфляционной теории.
В общем картина циклического мира возникает логичная и сулящая много интересных вариантов решения космологических задач. И отчетливо видно, как крупнейший астрономический объект - Вселенная - возвращается в русло нормальной науки, вырываясь из микроскопических оков и сбрасывая с себя темные лохмотья.
P.S. В книге Вайнберга, изданной на русском Энергоиздатом в 1981 году под редакцией Зельдовича Я.Б., есть досадная ошибка в фундаментальной таблице на стр.143, где приводятся температуры Вселенной, при которой рождаются те или иные частицы: в последних двух строках нужно убрать запятые в величинах 10,888 и 10,903, чтобы получилось 10888 и 10903 - корректор не учел, что в английской литературе запятая отделяет не десятичную часть числа, а тысячи от сотен. В результате температура рождения протонов и нейтронов была уменьшена в тысячу раз. У кого есть эта книжка, могут исправить.
Эти две статьи дают математический фундамент для решения всего остального спектра космологических задач (спектр начальных возмущений, расчет характерных периодов эволюции Вселенной и т.д.), из которых меня, в первую очередь, интересует циклическая динамика наблюдаемых компонент Вселенной, а также её самый минимальный размер, при котором и происходит самое интересное. То есть, хорошо бы построить самую примитивную модель (toy-model) нашего мира. Как раз об этом меня спросили в соседнем треде: откуда берётся барионная масса Вселенной?
Этот текст представляет собой набросок, из которого, я надеюсь, вырастет третья статья по космологии. Здесь много неясного и, возможно, ошибочного, так что дискуссия и советы только приветствуются. И я хотел бы начать с одного удивительного факта из области истории космологии, который сам узнал совсем недавно.
Статья Дикке-Пиблса-Ролла-Вилкинсона (ДПРВ), опубликованная в 1965 году вместе со статьей Пензиаса-Вильсона об открытии реликтового излучения с температурой около 3 Кельвинов, привычно считается статьей, в которой подводится теоретический базис под случайный (и тем не менее нобелевский) результат Пензиаса-Вильсона. Это одновременно правильно, и неправильно. Значение статьи ДПРВ (DPRW) значительно шире - там фактически заложены основы новой циклической космологии. Цитирую: “…for the matter we see about us now may represent the same baryon content of the previous expansion of a closed universe, oscillating for all time. This relieves us of the necessity of understanding the origin of matter at any finite time in the past. In this picture it is essential to suppose that at the time of maximum collapse the temperature of the universe would exceed 10^10 K, in order that the ashes of the previous cycle would have been reprocessing back to the hydrogen required for the stars in the next cycle”.
«Материя, которую мы видим вокруг нас, может представлять барионы из предыдущего расширения замкнутой Вселенной, колеблющейся все время. Это освобождает нас от необходимости обсуждать происхождение материи на протяжении любого конечного времени в прошлом. В этой картине важно предположить, что во время максимального коллапса температура Вселенной будет превышать 10^10 К, чтобы пепел предыдущего цикла перерабатывался обратно в водород, необходимый для звезд следующего цикла».
Авторы статьи рассматривают излучение от этого огненного шара с температурой более десяти миллиардов градусов как источник современного реликтового излучения, с учётом того, что температура этого излучения упала обратно пропорционально размеру Вселенной, что и привело к уменьшению температуры от десятков миллиардов до 3 градусов Кельвина. Они несколько раз возвращаются в своей короткой статье к этой принципиальной модели огненного шара сжатой Вселенной, которая должна разрушить тяжелые элементы предыдущего цикла и начать барионный и другие циклы с нуля.
“A temperature in excess of 10^10 K during the highly contracted phase of the universe is strongly implied by a present temperature of 3.5 K for black-body radiation”. “Assuming a singularity-free oscillating cosmology, we believe that the temperature must have been high enough to decompose the heavy elements from previous cycle…”
«Температура, превышающая 10^10 К во время сильно сжатой фазы Вселенной, неизбежна для получения настоящей температуры 3.5 К излучения черного тела. …Предполагая несингулярную осциллирующую космологию, мы считаем, что температура должна была быть достаточно высокой, чтобы разлагать тяжелые элементы из предыдущего цикла...»
Итак, откуда берутся барионы нашего цикла Вселенной? Дикке и др. дают простой ответ, с которым я вполне согласен, зная прижимистость природы-матушки: в процессе максимального сжатия, Вселенная растворяет в огненном шаре гамма-квантов ранее накопленные ядра химических элементов, получая снова протоны и нейтроны и возможность начать жизнь заново. Естественно, на это тратится огромная энергия, возникшая при гравитационном сжатии Вселенной. До какого же минимального размера сжалась Вселенная?
Вайнберг в своей популярной во всех смыслах книге «Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной», опубликованной в 1977 году, в последней главе о сжатии Вселенной описывает концепцию Дикке-Пиблса-Ролла-Вилкинсона. Вайнберг в своей книге приводит оценку размера, какой должна иметь сжатая Вселенная, чтобы её температура достигла ста миллиардов градусов 10^11 K. Он исходит из предположения, что современная Вселенная имеет периметр окружности в 125 миллиардов световых лет. Тогда, «длина окружности Вселенной в момент времени первого кадра была меньше теперешней пропорционально отношению температур тогда (10^11 K) и теперь (3 K); это дает для первого кадра длину окружности около четырех световых лет». Следовательно, размер Вселенной в момент максимального сжатия составляет немногим более светового года, или, если взять за основу статью Дикке и дрю, где обсуждается температура в 10^10 K, - десятка световых лет.
Дикке и др. не знают, каков должен быть механизм несингулярного отскока Вселенной, но предполагают, что он должен быть. Если мы включим в их космологическую модель нашу антигравитацию, обусловленную взаимослиянием массивных черных дыр, сближающихся внутри файрбола Вселенной, то получим нужный несингулярный отскок. Плюс ускоренное расширение окружающей нас части Вселенной, связанное с изменением гравитационной массы черных дыр в ходе очередного космологического цикла. А весь набор космологических наблюдательных феноменов (температура реликтового излучения, отношение гелия к водороду и т.д.) даст модель циклической Вселенной с классической моделью горячего Большого Взрыва, которую обсуждают Дикке и др.
Интересен следующий момент. В диаграмме, которую приводят Дикке и др, и которая лежит в основе книги Вайнберга о первых трёх минутах, на нижней шкале отложен радиус Вселенной, а на верхней - время. Видно, что на десять порядков изменения радиуса Вселенной приходится 16 порядков изменения времени. То есть радиус Вселенной не растет пропорционально времени, как можно было предполагать из простейшей модели расширяющегося фотонного облака, а зависит от времени в степени 0.5 или две трети. Это произошло из-за того, что скорость расширения Вселенной, описываемая первым уравнением Фридмана без космологической постоянной, однозначно зависит от плотности и её функции изменения от времени (так же как скорость подброшенного камня однозначно зависит от массы Земли).
Вайнберг обсуждает, как меняется физика Вселенной при падении её температуры от ста миллиардов градусов до миллиарда - у него на это уходит всего три минуты, после чего Вселенная почти не меняет свои свойства до отметки в 700 тысяч лет, когда плазма превратилась в нейтральный водород и гелий. Почему так быстро эволюционировала Вселенная в самом начале, несмотря на то, что минимальный её размер сравним со световым годом? Сжав Вселенную в 3*10^10 раз, что составляет в 4 степени (степень зависимости плотности излучения от радиуса) величину 10^42, Вайнберг получил из разреженной нынешней Вселенной компактную Вселенную с плотностью излучения 4 миллиарда грамм на куб.см (см. Приложение на стр.160). Эта суперплотная среда, через уравнение Фридмана сразу определила характерное время расширения (или обратную величину Хаббла) всего лишь в 0.02 секунды. Именно это и задало временной 3-х минутный масштаб начального охлаждения Вселенной в тысячу раз.
Но как только мы начинаем работать с модифицированными уравнениями Фридмана (полученные во второй нашей работе, но можно взять и уравнения Фридмана с феноменологической космологической постоянной из других работ и применить в начальному моменту времени), то у нас появляется космологическая постоянная, вернее, переменная, которая очень велика в начальный момент времени. То есть скорость расширения Вселенной будет задаваться антигравитацией, а не гравитацией. И характерная скорость её расширения вполне может быть пропорциональна времени и даже более сильной функции от времени. Тем самым, мы начальный минивременной масштаб Вайнберга в 0.02 секунды можем превратить в год, что на девять порядков больше. Тогда тысячекратное уменьшение температуры Вселенной произойдет не на протяжении 3 минут, а на протяжении десяти тысяч лет (что, навскидку, никак не влияет на динамику превращений квантов и барионов, потому что они определяются температурой, а не временем). Честно говоря, мне эта картина эволюции Вселенной из макроскопического объема (световой год) за неспешное время в десятки тысяч лет, нравится гораздо больше трех минут Вайнберга, и конечно больше, чем микродоли секунды в инфляционной теории. Кстати о последней: по статье Дикке и др (1965) и книге Вайнберга (1977), видно, что мысли астрономов до конца 70-х двигались в правильном направлении циклической Вселенной. Что случилось потом? Нашествие квантовиков-инфляционистов, начиная с 1981 года. Они построили модель образования Вселенной из ничего, из загадочного одноразового фазового перехода. Так как даже в самых диких инфляционных фантазиях было трудно представить циклический фазовый переход, то идея циклической Вселенной оказалась не майнстримом, а патологией в современной космологии. То есть, инфляционная теория резко затормозила развитие теоретической космологической мысли. При этом, если Дикке и др. и Вайнберг обсуждали с интересом - что будет при СЖАТИИ Вселенной с современного состояния до компактного, то такая задача нынешними авторами практически вообще не рассматривается, насколько я могу судить по литературе (если кто знает ссылки - прошу сообщить). Сжатие Вселенной стало ересью в нынешнем храме квантового инфляционного потенциала. Вообще говоря, непонятно - что с этим фанатизмом делать. Да, наивный Планк полагал, что неверные теории умрут вместе со своими сторонниками, но он не учел, что сторонники неправильных теорий способны долго плодить себе подобных учеников, невзирая ни на что - на слабую связь с экспериментом, на множество внутренних противоречий и т.д. Фанатики, они на то и фанатики, что никакие аргументы не способны заставить их изменить свою точку зрения. «Я вас не читал, но вы не правы!» - этим все сказано, аминь.
Если наблюдаемые вокруг нас барионы пришли из прошлого цикла, то тогда снимается острота наблюдаемой асимметрии материи-антиматерии (теоретическое рассмотрение рождения пар из вакуума дает симметрию частиц и античастиц): если барионы доминировали в прошлом цикле над анти-барионами, то они будут сохранять это преимущество все время. Аналогичный приход черных дыр из прошлого цикла решает проблему темной материи, появления сверхмассивных дыр в центрах галактик и т.д. Интереснейшая проблема - остановка разбегания Вселенной и дальнейший коллапс, но для неё тоже есть вариант решения.
При таких характерных временах расширения совсем по-другому будут решаться и проблемы однородности реликтового излучения и космического горизонта (части Вселенной расширялись независимо друг от друга - конечно независимо, если они расширялись за доли секунды, а размер Вселенной был световые годы!), которые раньше решались очень сильными средствами инфляционной теории.
В общем картина циклического мира возникает логичная и сулящая много интересных вариантов решения космологических задач. И отчетливо видно, как крупнейший астрономический объект - Вселенная - возвращается в русло нормальной науки, вырываясь из микроскопических оков и сбрасывая с себя темные лохмотья.
P.S. В книге Вайнберга, изданной на русском Энергоиздатом в 1981 году под редакцией Зельдовича Я.Б., есть досадная ошибка в фундаментальной таблице на стр.143, где приводятся температуры Вселенной, при которой рождаются те или иные частицы: в последних двух строках нужно убрать запятые в величинах 10,888 и 10,903, чтобы получилось 10888 и 10903 - корректор не учел, что в английской литературе запятая отделяет не десятичную часть числа, а тысячи от сотен. В результате температура рождения протонов и нейтронов была уменьшена в тысячу раз. У кого есть эта книжка, могут исправить.