Вселенная без Большого взрыва / Habr

Тема обсуждения

Телескоп JWST показал, что сверхдальние галактики имеют особенности, требующие более длительной эволюции, чем их возраст в теории Большого взрыва. Снимки галактики GN-z11 показали наличие массивной чёрной дыры в её центре, которая не могла набрать свою массу за время, прошедшее с Большого взрыва [1]. Встречаются сообщения о наличии в спектрах удалённых галактик линий тяжёлых элементов, которые не могли успеть образоваться из водорода в цепочке термоядерных реакций и т.д.

В рамках стандартной модели объяснений этому найти не удаётся. Попробуем поискать объяснение за этими рамками.

Начнём издалека – существуют ли тахионы?

Возможность существования тахионов – гипотетических частиц, движущихся в вакууме со скоростью v, большей скорости света с, – сама по себе не противоречит специальной теории относительности (СТО), запрещающей лишь переходы "светового барье��а". Но вопрос об их свойствах, включая их исключительную необнаружимость, остаётся открытым, несмотря на множество публикаций по этой теме.

В 1993 г. в УФЖ появилась статья [2], в которой проблема сверхсветовых перемещений была рассмотрена в особом ракурсе. Точнее, в том ракурсе, в котором она и должна была бы рассматриваться при последовательном применении СТО. Поскольку результаты рассмотрения нам потребуются в дальнейшем, придётся ход этого рассмотрения вкратце воспроизвести здесь, чтобы эти результаты не вызывали естественного недоверия.

Под последовательным применением СТО будем понимать всего лишь экстраполяцию на сверхсветовую область v > c постулата о равноправии всех инерциальных систем, в частности, в смысле описания любых физических явлений в трёхмерном пространстве и с одномерным временем и инвариантности интервала. В евклидовом пространстве-времени Минковского пространственные координаты выражаются действительными числами, временная – мнимыми: такие координаты часто удобнее, чем координаты псевдоевклидового пространства-времени.

Пусть в некоторой инерциальной системе отсчёта (далее – неподвижная система) координаты двух событий равны, соответственно, {icT, X} и {ic(T+dT), X + dX}, т.е. квадрат интервала idS между этими событиями в пространстве-времени Минковского равен

В системе отсчёта, движущейся относительно первой с постоянной скоростью v в направлении оси X₁ (далее – подвижная система), квадрат того же интервала, согласно СТО, выражается следующим образом:

$\begin {align} \left(idS \right)^2 =\left( ic \frac {dT-vdX_1/c^2}{ \sqrt {1-v^2/c^2}} \right)^2+ \left( \frac {dX_1-vdT}{ \sqrt {1-v^2/c^2}} \right) ^2+dX^2_2+dX^2_3≡ \\ ≡\left( icdT' \right) ^2+(dX'_1)^2+(dX'_2)^2+(dX'_3)^2. \hspace {3cm} (2) \end {align}$

Здесь dX₁, dX'₁ – проекции интервала на направление перемещения подвижной системы в неподвижной и подвижной системах отсчёта, соответственно, dX₂ = dX'₂, dX₃ = dX'₃ – проекции интервала на взаимно ортогональные направления, ортогональные направлению движения подвижной системы; i c dT' – проекция интервала на ось времени движущейся системы.

В обеих системах отсчёта интервал имеет одну времениподобную проекцию, выражаемую в (1) и (2) мнимым числом, и три пространственноподобные, выражаемые в (1) и (2) действительными числами. Две действительные проекции, перпендикулярные направлению относительного перемещения, не подлежат преобразованию, а действительная проекция, параллельная направлению относительного перемещения, и мнимая (времениподобная) преобразуются при переходе от неподвижной системы к подвижной по Лоренцу.

Переходя к интересующему нас случаю сверхсветовых скоростей, обнаруживаем, что в правой части (2) при подстановке | v | > с (когда (1 – v²/c²)¹^/² становится мнимым) три проекции интервала остаются действительными (icdT', dX'₂ и dX'₃ ), и по-прежнему имеется одна мнимая (dX'₁ ). Исходя из равноправия инерциальных систем, мы считаем, что и в "сверхсветовых" системах отсчёта интервал имеет три пространственноподобные проекции, измеряемые в действительных единицах длины, две из которых, перпендикулярные направлению движения, не преобразуются: dX'₂ = dX₂ и dX'₃ = dX₃ и одну времениподобную проекцию, измеряемую в мнимых единицах длины. Третьей пространственноподобной проекцией dХ₁'', параллельной направлению относительного перемещения, необходимо оказывается единственная оставшаяся действительной величина iсdT' = (dX₁ - dT с² / v) (1 – с² / v²)¹^/², а единственной времениподобной проекцией icdT" оказывается единственная мнимая величина dX'₁ = – iс(dT + dX₁/v)/(1 – c²/v²)¹^/². Преобразования координат в "сверхсветовом" случае оказываются совпадающими с привычными преобразованиями Лоренца с точностью до знака времениподобной проекции и при условии замены v → с²/v.

Пуанкаре [3] первым указал на тождественность преобразований Лоренца с мнимой временной координатой и преобразований поворота в плоскости осей icT и X₁ на мнимый угол φ', определяемый соотношениями:

$\begin{align} iсdT' = icdT \cos φ' + dX_1 \sin φ' \\ dX'_1 = dX_1 \cos φ' – i c dT \sin φ' \\ φ' = \frac {1}{i} \ln (\cos φ' + \sin φ') = \frac {1}{i} \ln \left( \frac {1}{\sqrt {1 – v^2/c^2}} + \frac {v/ic}{\sqrt {1 – v^2/c^2}} \right) = \frac {1}{2i} \ln \frac {1+c/v}{1-c/v} \text { (3)} \end{align}$

Вновь полученные для случая | v | > c преобразования координат оказываются частным случаем преобразований вращения при четырёхмерном повороте на комплексный угол φ', действительная часть которого равна нечётному числу π/2:

с инверсией или времени (при нечётных n), или координаты в направлении движения (при чётных n ).

Любопытны предельные частные случаи относительного покоя штрихованной системы отсчёта:

а) v = 0 (φ' = 0):

iсdT' = icdT cos 0 + dX₁ sin 0 = icdT (совпадение осей времени)

dX'₁ = dX₁cos 0 – icdT sin 0 = dX₁ (совпадение осей X₁)

б) v → ∞, n = 1 (φ' → π/2):

iсdT' ≡ dX₁" = icdT cos π/2 + dX₁ sin π/2 = dX₁ (совпадение осей X₁)

dX'₁ ≡ icdT" = dX₁cos π/2 – icdT sin π/2 = – icdT (инверсия оси времени)

Если преобразование вращения б) повторить, то угол поворота φ' осей новой системы отсчёта относительно нештрихованной системы окажется равным π:

iсdT' ≡ icdT" = icdT cos π + dX₁ sin π = – icdT (инверсия оси времени)

dX'₁ ≡ dX₁" = dX₁cos π – icdT sin π = – dX₁ (зеркальность осей X₁)

Наконец, если преобразование б) повторить ещё один раз, то угол поворота φ' осей новой системы отсчёта относительно нештрихованной системы окажется равным 3π/2:

iсdT' ≡ dX₁" = icdT cos 3π/2 + dX₁ sin 3π/2 = – dX₁ (зеркальность осей X₁)

dX'₁ ≡ icdT" = dX₁cos 3π/2 – icdT sin 3π/2 = icdT (совпадение осей времени)

Ещё один такой поворот ни к чему новому не приведёт, мы вернёмся к исходной нештрихованной системе отсчёта, повёрнутой на 2π.

Наблюдаемая скорость движения подвижной системы отсчёта при произвольном φ' определяется следующим образом:

а) рассматривается элементарный интервал, имеющий в подвижной системе только одну, не равную нулю, проекцию, а именно, времениподобную (интервал собственного времени);
б) с помощью преобразований поворота на угол φ' (3) определяются времениподобная проекция icdT и проекция dX₁ на направление относительного перемещения в неподвижной системе отсчёта;
в) наблюдаемая скорость w находится как отношение пространственноподобной проекции dX₁ к элементарному промежутку времени dT.

В случае | v | > с имеем

Из (5) следует, что в последовательной СТО с инвариантным интервалом при | v | > с 3-вектор v теряет смысл наблюдаемой относительной скорости, сохраняя роль (по интерпретации Пуанкаре) одного из параметров, определяющих взаимную ориентацию координатных осей двух инерциальных систем отсчёта, имеющих мнимые временные оси. Наблюдаемая же относительная скорость w оказывается меньшей скорости света как при | v | < с, так и при | v | > с. Можно также сказать, что у частиц при | v | > c групповая и фазовая скорости меняются ролями: v становится фазовой скоростью.

Необычная симметрия в мире элементарных частиц

Применяя вышеописанный подход к преобразованиям 4-плотности энергии-импульса, 4-плотности электрического тока и 4-плотности момента импульса мы можем получить вывод о наличии у любой частицы с массой покоя m, зарядом q и моментом вращения J_yz, кроме этого состояния (обозначим это состояние номером 1) ещё трёх "сверхсветовых" состояний:

состояние с массой покоя m, зарядом –q и моментом вращения –J_yz (состояние 2);
состояние с массой покоя –m, зарядом q и моментом вращения J_yz (состояние 3);
состояние с массой покоя –m, зарядом –q и моментом вращения –J_yz (состояние 4).

Частица в состояниях 2, 3 имеет знак отношения q/m, противоположный знаку этого отношения в состояниях 1, 4, а в различных состояниях с одним и тем же знаком отношения q/m она наблюдается с противоположными моментами вращения J_yz. Например, электрон в состоянии 2 – это позитрон. Нейтрино в состоянии 2 соответствует частица с массой, равной массе нейтрино, и с антипараллельным спином. То есть, частицы в состоянии 2 – это классические античастицы по отношению к частицам в состоянии 1. Важно, что они падают на вещество (на тела из частиц в состоянии 1) так же, как и частицы в состоянии 1, поскольку их тяготеющие массы имеют одинаковые знаки.

Иное дело – частицы с состояниями 3, 4. Между собой частицы состояний 3 и 4 взаимодействуют так же, как и пары "частица – античастица": притягиваются друг к другу и аннигилируют. А вот от тел из частиц в состояниях 1, 2 тела из частиц в состояниях 3, 4 гравитационно отталкиваются! А вот почему – с этим надо разбираться отдельно.

Нюансы тяготения

В приближении слабого поля (в ньютоновском приближении) гравитационная сила, действующая на пробное тело с массой m, находящееся на расстоянии R от центра сферически симметричного тела с массой M, равна –m grad Φ, где $Φ=-\gamma \frac {M}{R}$ – ньютоновский потенциал поля тяготения.

Эта формула для силы инвариантна по отношению к одновременной инверсии знаков масс m и потенциалов Φ, то есть к тотальной замене во Вселенной частиц в состояниях 1, 2 на частицы в состояниях 3, 4. Это означает, что гравитационные явления в областях преобладания отрицательных и положительных гравитационных масс идентичны друг другу.

При инверсии знака только одной из величин m или Φ, знак силы изменяется, что означает замену гравитационного притяжения гравитационным отталкиванием. То есть кластеры частиц в состояниях 3, 4 должны выталкиваться из области преобладания вещества из частиц в состояниях 1, 2. Симметричная картина будет наблюдаться в области с преобладанием частиц в состояниях 3, 4: кластерам частиц в состояниях 1, 2 там места нет.

Таким образом, при преобладании в суммарном гравитационном потенциале вкладов какого-либо знака в области с преобладанием частиц в состояниях 1, 2 будут формироваться и аккумулироваться электрически нейтральные группы частиц с положительными гравитационными массами, а в области с преобладанием частиц в состояниях 3, 4 – электрически нейтральные группы частиц с отрицательными гравитационными массами.

Теперь, если представить далёкое прошлое Вселенной в виде смеси частиц во всех перечисленных состояниях, то и без сложных выкладок можно увидеть, что после аннигиляций и появления электрически нейтральных форм мы получим фоновое электромагнитное излучение и растущие кластеры частиц в состояниях 1, 2, взаимно избегающие растущих кластеров частиц в состояниях 3, 4.

О лоренц-ковариантной теории гравитации, удовлетворяющей принципу соответствия, можно почитать здесь. О природе красного смещения, зависящего от расстояния до источника излучения, коротко написано здесь.

Вселенная без начала и конца?

Самоподдерживающаяся гравитационная поляризация Вселенной даёт ей шанс быть вечной во времени и бесконечной в пространстве. Грубо смоделировать развитие Вселенной в некоторый период времени можно, представив её неустойчивое начальное состояние в виде решётки, в малых окрестностях узлов которой расположены случайным образом, но поочерёдно, кластеры частиц в состояниях 1, 2 и кластеры частиц в состояниях 3, 4. Одна из фаз поляризации такой "Вселенной", весьма похожая на реально наблюдаемую картину, показана на рис. 1, где кластеры разных сортов изображены в виде красных и зелёных точек.

Рисунок 1. Некоторая фаза эволюции гипотетической "Вселенной". Красные и зелёные точки группируются в "сверхскопления" разных форм с "войдами" между ними. "Вселенная" похожа на реально наблюдаемую.

Знакопеременность вкладов кластеров 1, 2 и кластеров 3, 4 обеспечивает сходимость гравитационного потенциала в любой области бесконечной Вселенной, тем самым исключая парадокс Зеелигера.

Возраст галактик, наблюдаемых JWST, в предлагаемой модели Неустойчивой решётки, альтернативной по отношению к модели Большого взрыва, не ограничен сотнями миллионов лет, как в стандартной космологической модели, это даёт им время для формирования их сложных структур и элементного состава. Стоит заметить, что решение предлагается в рамках классической физики и специальной теории относительности без привлечения каких-либо излишних сущностей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Maiolino R., Scholtz J., Witstok J. et al. A small and vigorous black hole in the early Universe. Nature — 2024.

2. Тележко Г. М. К симметрии относительно светового барьера. УФЖ. — 1993. — Т. 38, № 2. — С. 183–189.

3. Poincaré H. Sur la dynamique de l'électron // Compt.Rend.Hebd.Seances Acad.Sci. — 1905 — 140 — P. 1504 — 1508.