Введение в космологическую революцию

don_beaver — 25.05.2020 Ура! Больше месяца потратил на введение к обзорной космологической статье. Было трудно вместить 100 лет развития космологии в пять страниц (такое положил себе ограничение), но – удалось. Дальше пойдет уже готовая математика, так что за июнь планирую закончить статью. 51 ссылка во Введении – и ни одной на мои статьи. Мне было важно показать, что обсуждаемая программа выхода космологии из кризиса возникла из накапливающихся новых наблюдений и идей, высказанных независимо другими исследователями. Ведь если направление правильное, то в эту сторону смотрели многие. Лишь гении-шизофреники одиноким пиком возвышаются над «болотом невежества», все остальные лишь делают небольшой шаг по сравнению с другими коллегами по науке.
Введение предполагает широкий взгляд без математики, так что можете прочитать и, если захотите, высказаться.

**************

1. Введение
Общая теория относительности (ОТО) А. Эйнштейна стала фундаментом для разработки космологических моделей. В развитии науки о Вселенной после создания ОТО можно выделить три периода: классической космологии, квантовой космологии и современный период, который характеризуется накоплением наблюдений, указывающих на недостаточность существующих теоретических моделей.

1.1. Классическая космология.
В 1917 году А. Эйнштейн построил на основе ОТО стационарную модель замкнутой Вселенной (Эйнштейн, 1965). Чтобы уравновесить гравитационное притяжение, А. Эйнштейн ввел космологическую постоянную Λ, описывающую антигравитацию на масштабах Вселенной. В 1922 году А.А. Фридман показал, что ОТО в общем случае приводит к нестационарной Вселенной и рассмотрел решение с монотонно растущей кривизной, а также решение с периодически изменяющейся кривизной (Фридман, 1979). Для случая нулевой Λ А.А. Фридман оценил в 10 млрд лет период циклической Вселенной с массой в 10^55 г. До сих пор, концепция одноразовой открытой Вселенной, монотонно меняющей свои параметры, противостоит циклической Вселенной, которая может быть замкнутой, то есть обладать заметной положительной кривизной. В 1934 году Р.Толмен отметил, что энтропия растет от цикла к циклу, что усложняет создание модели периодической Вселенной (Толмен, 1974).
В 1914 году В. Слайфер обнаружил, что двенадцать из пятнадцати соседних галактик разбегаются от Млечного Пути со скоростями в сотни километров в секунду. В 1927 году Ж. Леметр предложил уравнение, связывающее скорость убегания галактик с расстоянием до них, а также предположил, что причиной расширения Вселенной может быть ядерный взрыв. Но «ядерный сценарий» приводит к обилию тяжелых элементов, что не подтверждается наблюдениями. В 1929 году Э. Хаббл нашёл, что скорости разбегания галактик связаны с расстояниями до них линейной функцией с постоянной Хаббла H0: чем дальше располагается галактика, тем быстрее она движется (закон Хаббла-Леметра).
В 1940-х годах Г. Гамов с соавторами предложил модель, по которой Вселенная существовала в компактном и горячем ~10^10 K состоянии, в котором существовали только протоны, нейтроны, электроны и гамма-кванты (Alpher and Herman, 1949; Gamov, 1953). Все более тяжёлые ядра химических элементов, созданные в звёздах прошлого цикла, разрушались при фотодиссоциации. Гамов рассматривал Большой Взрыв как упругий Большой Отскок сколлапсировавшей Вселенной предыдущего цикла (Gamov, 1953).

Физика такого отскока Вселенной осталась неизвестной, но Гамов с соавторами предсказали реликтовое излучение, которое должно остаться от горячей молодой Вселенной, и верно оценили его температуру в несколько кельвинов. В 1965 году А. Пензиас и Р. Вильсон открыли реликтовое излучение с температурой около трёх кельвинов. Р. Дикке и его группа интерпретировали открытие Пензиаса-Вильсона в рамках цикличной замкнутой Вселенной: «Предполагая свободную от сингулярностей осциллирующую космологию, мы полагаем, что температура должна быть достаточно велика для разрушения тяжелых элементов из предыдущего цикла…»; «…материя, которую мы видим вокруг нас, может содержать барионы из предыдущего расширения замкнутой вселенной, постоянно осциллирующей. Это освобождает нас от необходимости обдумывать возникновение материи в обозримом прошлом. В этой картине существенно предположение, что в момент максимального коллапса температура вселенной должна превосходить 10^10K, чтобы пепел предыдущего цикла мог превратиться снова в водород, необходимый для звёзд следующего цикла» (Dicke et al, 1965) – см. также Peebles (1993). Для получения температуры реликтового излучения в ~3*10^10K, достаточной для фотодиссоциации тяжелых ядер, современную Вселенную с диаметром ~100 млрд световых лет (Davis and Lineweaver, 2004) нужно сжать в 1.6*10^10 раз (Вайнберг, 1975), то есть до размера в ~ 6 световых лет.
До начала 80-х годов замкнутая модель Вселенной и периодическая модель Фридмана рассматривались как наиболее перспективные космологические модели (Мизнер и др, 1977). Наблюдения указывали на изотропность и однородность реликтового излучения (Mather and Boslough, 2008) и крупномасштабного поля галактик.
Классическая космология достигла значительных успехов, но не смогла уверенно ответить на следующие вопросы:
1. Является ли Вселенная открытой или замкнутой?
2. Каков физический механизм Большого Взрыва и разлёта галактик в разные стороны?
3. Испытывает ли Вселенная одноразовое расширение или будет циклически менять расширение и сжатие? Как циклические модели совмещаются с законом роста энтропии? Что заставит расширяющуюся Вселенную снова коллапсировать? Каков был минимальный размер Вселенной перед Большим Отскоком?
4. Почему Вселенная так однородна и изотропна?
5. Как возникли галактики? Если они выросли из флуктуаций плотности, что определило нужную амплитуду этих флуктуаций? (Мизнер и др., 1977).
6. Какова природа тёмной материи в галактиках, вращение которых указывает на наличие невидимой гравитирующей массы?
Нерешенные или дискуссионные проблемы остались не только в космологии, но и в ОТО, лежащей в основе космологии. Наиболее значимой из них является проблема энергии гравитационного поля, которая не имеет хорошего тензорного описания (Эддингтон, 1934). Поэтому остался нерешенным следующий важный вопрос:
7. Почему гравитационная энергия носит нетензорный характер? Включать ли эту энергию в правую часть уравнений Эйнштейна в качестве источника гравитационного поля?
Ещё одной серьезной проблемой является космологическая сингулярность: если заменить нынешнее расширение Вселенной на сжатие, то оно должно продолжаться до точки, где плотность станет бесконечной (Hawking and Penrose, 1970). Возникает вопрос:
8. Как избежать гравитационной сингулярности?
Если проблема сингулярности является фундаментальной проблемой ОТО, то теория Эйнштейна должна быть заменена на более корректную теорию, например, квантовую теорию гравитации. Возможно, решение существует в рамках ОТО, но оно ещё не найдено.

1.2. Квантовая космология
К концу 1970-х годов была создана Стандартная модель для всех частиц и полей, за исключением гравитации. Поэтому специалисты по квантовым теориям поля переключились на такие неосвоенные области, как ОТО и космология. В 1981 году А. Гус предложил инфляционную квантовую модель, по которой микроскопическая Вселенная начала своё расширение с ускорением из-за квантового отталкивающего поля «инфлантона» (Guth,1981; 1997). Ускоренное расширение растягивало все неоднородности и приводило к однородной и изотропной Вселенной. Квантовые флуктуации в микроскопической Вселенной стали затравками галактик. В качестве тёмной материи квантовая космология предложила гипотетические частицы, слабо взаимодействующие с веществом (WIMP). Теория инфляции, которая рассматривала Вселенную как квантовый объект, испытывающий одноразовое расширение, предлагала ответы на шесть главных космологических вопросов. Проблема сингулярности тоже смягчалась, благодаря арсеналу квантовой космологии, которая смело вводит новые поля, а также нарушает закон сохранения энергии.
Когда выяснилось, что Вселенная расширяется с ускорением (Riess, 1998; Perlmutter, 1999), которое соответствует ненулевой космологической постоянной, то добавился вопрос:
9. Почему Вселенная ускоряется? Что определяет величину космологической постоянной?
Все наблюдательные данные о Вселенной хорошо описываются ɅCDM-космологией, основанной на ОТО и феноменологически включающей холодную «тёмную материю» и космологическую константу Ʌ (или «тёмную энергию»). Согласно LCDM-космологии, Вселенная состоит из 3-х компонент: темная энергия - 68.5%, темная материя - 26.5%, барионы – около 5% (Aghanim et al, 2020). Близость этих значений породили десятый вопрос:
10. Почему темная энергия, темная материя и масса барионов сопоставимы?
Эта проблема была сформулирована Р. Дикке (см. Peebles (1993). Она заключается в том, что космологическая константа и плотность материи меняются со временем по разным законами и на десятки порядков. Почему же они оказались так близки в настоящее время? Эта проблема остро стоит перед квантовой космологией, согласно которой каждая из этих компонент никак не связана с другими (см. обзор Adams, 2019).
Главная проблема квантовой космологии состоит в отсутствии базисной фундаментальной теории. Квантовой теории гравитации, которая была бы теоретически удовлетворительной и наблюдательно проверенной, ещё нет. Попытки вычисления давления вакуума с помощью существующей квантовой теории приводят или к нулю, или значению космологической постоянной на 120 порядков больше наблюдаемого (Weinberg, 1989). Стандартная модель не включает квантовое поле инфлантон, или отрицательное давление вакуума, или гипотетические частицы WIMP, или новые пространственные измерения, или феномены вроде глобального «фазового перехода». Весь этот инструментарий, необходимый для квантовой космологии, приходиться постулировать как часть новой физики, выходящей за рамки Стандартной модели и ОТО. Активно развивается концепция «мультивселенной», где число различных вселенных~10^500. Эту концепцию невозможно проверить наблюдениями, что вызывает оправданные сомнения (Ellis, 2007). Один из основателей теории инфляции, П. Стейнхард отказался от неё и стал её критиком (Ijjas et al, 2013).

1.3. Современный кризисный период
Последние годы отмечены целой серией важных наблюдательных результатов, которые не укладываются в существующие модели.
- Наблюдения LIGO в 2015 году доказали наличие гравитационных волн и открыли неожиданно большое количество черных дыр с массой ~ 30 масс Солнца (Abbot et al, 2016). Сброс массы сливающихся черных дыр в гравитационные волны составил ~5% от начальной массы или около трёх солнечных масс.
- Сверхмассивные черные дыры (SMBH) в 10^5-10^10 солнечных масс найдены в центрах практически всех галактик (Черепащук, 2014), и их происхождение трудно объяснить. Гигантские черные дыры в миллиарды масс Солнца, недавно открытые на ранних стадиях расширениях Вселенной, сделали эту проблему одной из самых острых в космологии (Banados et al, 2018).
- В ɅCDM-космологии постоянная Хаббла H0 не должна зависеть от расстояния, на котором она определяется. Но значение этой постоянной: 67.4 (км/сек)/Мпс, полученное для больших расстояний (или ранней Вселенной), оказалось заметно меньше, чем значение постоянной Хаббла для сравнительно локальной – или поздней – Вселенной: 73.5 (км/сек)/Мпс (Riess, 2020). Значит, реальная динамика Вселенной не описывается ɅCDM-космологией с постоянной темной энергией и уменьшающейся плотностью темной материи.
- Анализ с учетом ненулевой кривизны Вселенной показал, что данные спутника «Планк» с вероятностью >99% указывают на положительную кривизну Вселенной, то есть на её замкнутость (Handley, 2019; Valentino et al, 2019). Группа космолога Дж Силка в Nature высказала мысль о кризисе в космологии, потому что замкнутость Вселенной противоречит предсказанию теории инфляции о бесконечном расширении Вселенной (Valentino et al, 2019).
- Многочисленные наблюдения говорят, что Вселенная изотропна, но целый ряд данных указывает на её анизотропность (в космологии даже появилось выражение «ось зла»). В статье Migkas et al (2020) изучена равномерная выборка из 331 кластера галактик с температурой газа, измеренной по рентгеновскому излучению, и построено анизотропное распределение постоянной Хаббла по небосводу, которое имеет квадрупольный характер и характеризуется синусоидой в две волны с амплитудой в 16%.
По итогам этих наблюдений можно сформулировать новые космологические вопросы:
11. Почему LIGO нашел так много черных дыр звездных масс, в то время как только одна из тысячи звезд в ходе своей эволюции превращается в черную дыру? Как образовался наблюдаемый спектр черных дыр, включая сверхмассивные черные дыры?
12. Почему существует расхождение между измерениями постоянной Хаббла для далеких и для близких областей Вселенной?
13. Почему Вселенная анизотропна?
Чтобы ответить на вопрос 10, квантовые космологи вводят связь между темной материей и темной энергией. Чтобы решить вопросы 12 и 13, делаются попытки сделать постоянную тёмную энергию, основанную на отрицательном давлении квантового вакуума, переменной во времени и даже анизотропной в пространстве.
Накопление новых наблюдательных данных, на которое теория инфляции не может ответить или отвечает лишь прогрессирующим усложнением, активизирует поиск альтернативных идей и космологических моделей.

1.4. Программа выхода из кризиса
Из идей, выдвинутых для объяснения новых наблюдений, можно составить программу выхода космологии из современного кризиса и создания модели Вселенной, которая: 1. Использует ОТО, как базисную теорию. 2. Не вводит новых полей или гипотетических частиц. 3. Отвечает на всю дюжину обсуждавшихся выше вопросов.
После обнаружения LIGO многочисленной популяции черных дыр от 8 до 80 Mʘ, была выдвинута гипотеза, что эти черные дыры и образуют темную материю (Bird et al, 2016; Kashlinsky, 2016; Долгов, 2018; Clesse and Garcia-Bellido, 2018; Carr and Kuhnel, 2019; Belotsky et al, 2019 ). Пересматривается и роль сверхмассивных черных дыр: обсуждается модель, по которой сверхмассивные черные дыры являются затравками для образования галактик (Черепащук, 2014; Carr and Silk, 2018; Долгов, 2018). Это позволяет ответить на вопросы 5 и 6 без привлечения гипотетических частиц или квантовых флуктуаций. Для объяснения раннего появления сверхмассивных черных дыр, Долгов (2018) выдвинул модель формирования таких дыр из флуктуаций плотности в процессе Большого Взрыва. Carr et al (2011), Clifton et al (2017) выдвинули интересную гипотезу о том, что сверхмассивные черные дыры сохранились с прошлого космологического цикла. Эта гипотеза поддерживает концепцию цикличности Вселенной и позволяет накопить общую массу черных дыр звездных масс, достаточную для темной материи, и вырастить сверхмассивные черные дыры.

В эпоху квантовой космологии продолжает развиваться концепция циклической Вселенной (Steinhardt and Turok, 2002; Baum and Frampton, 2007; Novello and Bergliaffa, 2008; Penrose, 2011; Cai et al, 2012; Brandenberger et al., 2017; Matsui et al, 2019). Перспективную модель циклической Вселенной, которая пульсирует внутри огромной черной дыры, выдвинул Poplawski (2016). Ранее модель Вселенной в черной дыре обсуждали Patria (1972) и Stuckey (1994). В модели Поплавского за Большой Отскок отвечает сверхвысокое давление, существующее в теории гравитации Эйнштейна-Картана, а современное расширение Вселенной будет остановлено на радиусе чёрной дыры. Главный недостаток этой модели состоит в выходе за рамки ОТО. Можно ли найти механизм Большого Отскока в рамках ОТО? Привлекает внимание идея, высказанная в 2018 году нобелевским лауреатом Ф. Андерсоном. Он указал, что переход массы черных дыр в гравитационное излучение уменьшает массу Вселенной - и это нужно учитывать в космологических расчетах: «В недавних наблюдениях гравитационного излучения от столкновения чёрных дыр было подсчитано, что масса результирующей системы на несколько солнечных масс... меньше, чем сумма масс исходной пары ... Наблюдаемая вселенная становится легче с какой-то неизвестной скоростью, в зависимости от уровня необратимого излучения. ...Это, по-видимому, не учитывается в существующей космологии, и может объяснить часть, или даже всю «тёмную энергию», которая сейчас постулируется» (Anderson, 2018).

Единственный вопрос 7, который относится не к модели, а к базисной теории: Вносит или нет гравитационное излучение вклад в гравитационную массу? - раскалывает гравитационистов на два лагеря. А. Эйнштейн в 1916 году принадлежал к числу тех, что рассматривал гравитационную энергию равноправной всем другим энергиям, а после дискуссий 1918 года с Э. Шредингером и другими физиками, перестал включать гравитационную энергию в число источников гравитационного поля. Детально эта проблема обсуждена в книге А. Эддингтона (1934) (см. также Родичев, 1974). Спор о природе гравитационной энергии, аксиоматический по сути, обычно рассматривался как практически несущественный, потому что энергией гравитационного излучения всегда пренебрегалось. Данные LIGO показали, что вклад гравитационных волн в энергию системы игнорировать нельзя. Идея Ф. Андерсона указывает на необходимость рассмотрения Вселенной с переменностью гравитационной массой из-за генерации гравитационного излучения. Это не означает нарушение закона сохранения энергии, в который гравитационная энергия вносит свой вклад. Метрику тела с переменной гравитационной массы получил Kutschera (2003), что дает инструмент для исследования новых космологических задач.
Рассмотрим математическую модель замкнутой циклической Вселенной с переменной гравитационной массой и с темной материей из черных дыр.

Литература
1. А. Эйнштейн, Собр. соч. т.1, М., Наука, стр. 601 (1965).
2. А.А. Фридман, В сб. Альберт Эйнштейн и теория гравитации. М. Мир, стр. 320 (1979).
3. Р. Толмен. Относительность, термодинамика и космология, М., Наука. (1974).
4. R.A. Alpher and R.C. Herman R.C., Phys. Rev., 75, 1089 (1949).
5. G. Gamov, The Creation of the Universe, Viking Press (1953).
6. R.H. Dicke, P.J.E. Peebles, P.G. Roll and D.T. Wilkinson, Astrophys. J., 142, 414 (1965).
7. P.J.E. Peebles, Principles of Physical Cosmology. Princeton Univ. Press. (1993).
8. С. Вайнберг, Гравитация и космология. М. Мир (1975).
9. Ч. Мизнер, К. Торн и Дж. Уилер, Гравитация. М, Мир, т.2, (1977).
10. J.C. Mather and J. Boslough, The very first light. Basic Books, New York, (2008).
11. T.M. Davis, Ch.H. Lineweaver, Publ.Astron.Soc.Austral., 21, 97 (2004).
12. S.W. Hawking and R. Penrose, Proc.Roy.Soc.Lond. 314, 529-548 (1970).
13. A.H. Guth, Phys.Rev.D 23, N2, 347 (1981).
14. A.H. Guth, The Inflationary Universe. The quest for a new theory of cosmic origins, Perseus Books (1997).
15. A.G. Riess, A.V. Filippenko, P. Challis et al., Astron.J., 116, 1009 (1998).
16. S. Perlmutter, G. Aldering, G. Goldhaber et al., ApJ., 517, 565 (1999).
17. N. Aghanim, Y. Akrami, M. Ashdown et al, A&A, 638, (2020). https://doi.org/10.1051/0004-6361/201833910
18. F.C. Adams, Phys.Reports, 807, 1 (2019).
19. S. Weinberg, Rev. Modern Phys., 61, 1 (1989).
20. G.F.R. Ellis, In: The Handbook in Philosophy of Physics, Ed. J. Butterfield and J. Earman , Elsevier, p.1183 (2007).
21. A. Ijjas, P.J. Steinhardt, A. Loeb, Phys. Letters B 736, 142-146 (2014).
22. B.P. Abbot, R. Abbot, T.D. Abbot et al. Phys.Rev.Lett. 116, 061102 (2016).
23. А.М. Черепащук, УФН, 184, 387 (2014).
24. E. Banados, B.P. Venemans, C. Mazzucchelli, et al., Nature 553, 473 (2018).
25. A.G. Riess, Nature, 2, 10 (2020).
26. E.Di. Valentino, A. Melchiorri and J. Silk. Nature Astronomy, 4, 196 (2019).
27. W. Handley, Phys. Rev. D 100, 123517 (2019).
28. K. Migkas, G. Schellenberger, T. H. Reiprich et al, A&A, 636, A15, (2020).
29. S. Bird, I. Cholis, J.B. Munoz et al., Phys.Rev.Lett. 116, 201301 (2016).
30. A. Kashlinsky, ApJ Lett., 823, L25 (2016).
31. А.Д. Долгов, УФН 188, 121 (2018).
32. S. Clesse, J. Garcia-Bellido, Physics of Dark Universe 22, 137-146 (2018).
33. B. Carr, F. Kuhnel, Phys. Rev. D99, 103535 (2019).
34. K.M. Belotsky, V.I. Dokuchaev, Y.N. Eroshenko et al, Eur.Phys.J. C79, 246 (2019).
35. B. Carr, J. Silk, MNRAS 478, 3756-3775 (2018).
36. B.J. Carr, A.A. Coley, Int. Journ. Modern. Phys. D 20, DSS14 (2011).
37. T. Clifton, B.J. Carr and A. Coley, Class.Quant.Grav. 34:135005 (2017).
38. P.J. Steinhardt and N. Turok, Science 296, 1436-1439 (2002).
39. L. Baum, P.H. Frampton, Phys.Rev.Lett. 98: 071301 (2007).
40. M. Novello and S.E.P. Bergliaffa, Phys. Rept. 463, 127-213 (2008).
41. R. Penrose, Cycles of Times. NY, Alfred A. Knopf Publ. (2011).
42. Y.-F. Cai, D.A. Easson, R. Brandenberger, JCAP08(2012)020, (2012)
43. R. Brandenberger and P. Peter, Foundations of Physics 47, 797-850 (2017).
44. H. Matsui, F. Takahashi, T. Terada, Phys.Lett. B 795, 152 (2019).
45. N.J. Poplawski, ApJ 832, 96-104 (2016).
46. R.K. Patria, Nature 240, 2985-299 (1972).
47. W.M. Stuckey, Am.J.of Physics 62, 788-795 (1994).
48. Ph.W. Anderson, https://arxiv.org/abs/1804.11186, (2018).
49. M. Kutschera, MNRAS 345, L1-L5 (2003).
50. А.С. Эддингтон, Теория относительности, Л.-М. ОНТИ-ГТТИ. (1934).
51. В.И. Родичев, Теория тяготения в ортогональном репере. М.Наука (1974).

Оставить комментарий

Популярные посты:

• Ранее
• Архив