Теоретическая космология началась, в рамках общей теории относительности (ОТО), когда Эйнштейн предложил первую математическую модель стационарной Вселенной (1916г.). Прежде чем использовать в своей модели уравнения ОТО, Эйнштейн делает ряд пророческих предположений: “относительные скорости звезд очень малы по сравнению со скоростью света”. Поэтому, задолго до осознания данного факта другими учеными, Эйнштейн четко отметил что, во-первых, в космологических моделях вполне достаточно использовать Ньютоновское приближение; во-вторых, “материя в большой области пространства распределена равномерно”, то есть плотность материи во Вселенной можно считать постоянной: “материя в течение продолжительного времени находится в покое”; и, наконец, в-третьих, если ввести в уравнение Пуассона для гравитационного потенциал φ член описывающий антигравитацию (-Λφ), то “Вселенная может рассматриваться как замкнутый континуум, имеющий конечный пространственный (трехмерный) объем”. Следуя данным предположениям, Эйнштейн модифицирует свои уравнения ОТО, аналогично обобщенному уравнению Пуассона, и получает модель стационарной Вселенной в виде:
Модель отвечает всем критериям правильности как физики, так и математики, но оказывается, как показал Фридман, она неустойчива. Для придания устойчивости нашей вселенной в теоретической модели Эйнштейна не хватило еще одного «пророческого» предположения. Очень близко к такому предположению подошли авторы модели “Steady State Theory” Бонди, Голд, Хойл.
В модели Эйнштейна, как и в модели Фридмана, присутствует, так называемая, проблема сингулярности. Избежать космологической сингулярности можно, вводя гипотетическое поле с отрицательной плотностью энергии. Такую цель преследовала модель Хойла-Нарликара (модель HN), как теория стационарной Вселенной. В течение двух десятилетий, начиная с 1948 г. значительная часть теоретических и наблюдательных работ космологов была посвящена проверке, развитию и критике модели HN. Первоначально идея стационарной глобальной Вселенной с непрерывным рождением барионного вещества была высказана одновременно в работе Бонди-Голда и в работе Хойла. Но детально данная модель была разработана Хойломи Нарликаром на основе уравнений ОТО с Λ-членом и дополнительным слагаемым, описывающим некое С-поле, творящее материю. Главным моментом модели HN является гипотеза о постоянном рождении барионного вещества в нашей Вселенной из гипотетического С-поля. Поэтому данную модель называют также теорией непрерывного творения материи:
Подобрав подходящее А, можно тождественно удовлетворить условию стационарности. В 1963 г. Хойл и Нарликар предположили, что рождение материи происходит преимущественно там, где уже велика плотность вещества (!). К сожалению, по совокупности наблюдательных данных и теоретических расчетов, модель HN считается опровергнутой. В то же время, Зельдович и Новиков “отдают должное интеллектуальной смелости авторов данной теории, так как дискуссии вокруг неё были полезныи способствовали общему подъему космологии” (!). Следует добавить, что идея непрерывного рождения «материи» в нашей Вселенной не исчерпала себя моделью HN, так как кроме барионной материи в настоящее время определенные надежды можно возложить на таинственную небарионную темную материю, структура и рождение которой остается пока большой загадкой.
Наблюдательные данные
Начиная с 1994 г. группой Караченцева были получены очень интересные наблюдательные данные:
1) галактики нашей местной группы (численностью около 40), совместно с гало темной материи (ТМ) образуют систему с центром вблизи двух наиболее крупных галактик (Млечный Путь иТуманность Андромеды). Гравитационное притяжение, в основном благодаря ТМ местной группы, нейтрализует антигравитационное влияние темной энергии (ТЭ);
2) небольшому числу карликовых галактик (численностью около 20), под воздействием ТЭ, удается преодолеть гравитационное притяжение местной группы и образовать, так называемый, «хаббловский поток», подчиняющийся общему закону разбегания галактик во Вселенной;
3) масса ТМ в местной группе во много раз (5-6) превосходит массу барионной материи. Это позволяет, при анализе поведения местной группы, считать галактики «пробными частицами» в поле ТЭ иТМ;
4) в некоторых местных группах (в том числе и в нашей местной группе) наблюдается отрыв части ТМ от общего гало. Предполагается, что большое количество ТМ может располагаться в войдах;
5) замечено, что чем старее галактика, тем больше плотность ТМ связанной с этой галактикой (!).
Мы не знаем из чего состоит темная материя, но теоретически представляем, как она образует гравитационные потенциальные ямы, куда «сваливается» барионная материя, формируя структуру Вселенной, «необходимую для рождения живой материи». Несколько соседних групп галактик с гало из ТМ образуют сверхскопления в виде «блинов» Зельдовича размером порядка 30 Мпк (Местная вселенная). И, наконец, сверхскопления образуют цепочки, филаменты, в которые входят (5–20) сверхскоплений. Следует отметить группу Шайна (входящую в проект “Cosmikflous-2”), построившую подробную компьютерную симуляцию движения галактик в Местной вселенной, промоделировав траектории 1382 галактик в течение последних 13 млрд. лет.
Модель Местной вселенной
Возникает естественный вопрос: по какой причине Местная вселенная должна быть стационарна. Такая вселенная, в первом приближении, стабилизируется взаимно компенсирующими друг друга силами гравитационного притяжения галактик и силами антигравитационного расталкивания ТЭ (модель Эйнштейна). Дополнительную устойчивость системы должна бы обеспечивать «невидимая барионная материя» (модель Хойла-Нарликара). Но, следуя урокам анализа модели HN, теперь вместо непрерывного рождения барионной материи (которого нет), остается предположить, что где-то непрерывно рождается темная материя: именно там, где плотность материи максимальна, то есть внутри галактик. Математическая модель стационарной Местной вселенной представлена ниже, где использованы идеи модели Эйнштейна и модели Хойла-Нарликара. В частности, аналогично гипотезе модели HN, принята гипотеза непрерывного экспоненциального рождения темной материи в недрах галактик Местных вселенных. Именно эта темная материя образует гало.
Рассмотрим стационарную группу галактик (пренебрегая массой галактик), погруженную в гало ТМ. Положим, что в процессе эволюции Местной вселенной масса ТМ (М) росла по экспоненциальному закону:
Отсюда, используя известную процедуру получения уравнений Фридмана в ньютоновском приближении, для плотности ТМ (ПТМ)
получим первое уравнение:
Далее, используя закон гравитационного взаимодействия ТМ (закон тяготения Ньютона) с учетом ТЭ (в виде Λ-члена):
получаем второе уравнение:
Объединяя уравнения (5) и (7), получим нелинейное уравнение, описывающее динамику ПТМ глобальной Вселенной:
Переходя к Местной вселенной, можно пренебречь вторым слагаемым в (8). Стационарность Местной вселенной определяется условием:
то есть третье слагаемое в (8) исчезает и уравнение динамики ПТМ Местной вселенной приобретает простой вид:
Решением данного уравнения является функция Вейерштрасса (эллиптическая двоякопериодическая функция комплексного аргумента):
получается, так называемый, эквиангармонический случай эллиптических функций, когда р(t) долгое время сохраняет постоянное значение (стационарность ПТМ).
Давно замечено, что почему-то «счастливая случайность» стала преследовать нашу Вселенную с самого начала ее рождения. В процессе фазовых превращений вакуума, Вселенная удивительно точнопо падала в нужный (для возникновения жизни) минимум потенциальной энергии; удивительно точно и своевременно проходили все этапы рождения требуемых (для возникновения жизни) полей и частиц; с невероятной скоростью и точностью проходил нуклеосинтез главных биологических атомов углерода и кислорода. В этой связи Хойл считает, что «совпадение в синтезе углерод-кислород столь удивительно, что кажется «нарочно подстроенным», а в физике, химии и биологии экспериментировал сверхинтеллект». Подобное удивление вызывают и случайные совпадения фундаментальных физических констант Вселенной. По данному поводу Новиков пишет: «Все это выглядит так, как будто природа специально «подгоняла» значения констант такими, чтобы могли появиться сложные структуры во Вселенной и, в частности, могла появиться жизнь».
Я предлагаю «списать» все «счастливые случайные» события в нашей Вселенной на «мнимый вакуум с сознанием» (см. статью п.4).