Загадки нашого світу

Володимир Юмашев

Істина завжди виявляється простіше, ніж можна було припустити.

Р. Фейнман

Ми живемо у загадковому і дивному світі у відповідності з тими законами, які в ньому діють. В силу своєї допитливості, людство відкрило деякі з цих законів, але природа багатьох законів до цих пір невідома. Ми знаємо дію законів, але не знаємо причини їх виникнення. Ми використовуємо більшість законів за методом чорного ящика. Нам відомі вхідні дані і за допомогою математичних залежностей ми отримуємо вихідні дані. Але як дія розгортається в чорному ящику, ми не знаємо.

Одним з таких загадкових законів є закон, відкритий американським астрономом Е. Хабблом. Він встановив, що практично всі галактики віддаляються від нашої зі швидкостями, прямо пропорційними відстані до них. Відкриття цього закону призвело до появи гіпотези про Великий вибух. У рамках цієї гіпотези, первинний стан Всесвіту являло собою космологічну сингулярність, з необмежено високою щільністю і надзвичайно малим об'ємом. У початковий момент часу стався Великий вибух цієї сингулярності і, таким чином, утворилася наш Всесвіт, яка продовжує і до цього дня розширяться, в результаті такого вибуху.

Згідно з іншою гіпотезою, початкове стані спостережуваного Всесвіту було вакуумноподобним, а розширення відбувається в результаті квантового фазового переходу.

Крім цих сценаріїв освіти нашого Всесвіту існують і інші. Але жоден із сценаріїв не пояснює існуючі спостережні дані. Згідно з цими спостережною даними, практично всі галактики віддаляються від нас, відповідно до закону Хаббла. Більш того, в космологічної розбігання галактик присутній прискорення, тому що їх швидкості зростають у міру віддалення від нас. На горизонті видно, на відстані близько 5 мільярдів парсек від нас, швидкості галактик близькі до швидкості світла. І тут виникає парадокс: згідно релятивістському ефекту, маса галактик при таких швидкостях повинна необмежено зростати. Що тоді відбувається з зірками галактик, якщо вони рухаються з такими швидкостями, і яка повинна бути енергія, розігнана масивні галактики до таких швидкостей? І, нарешті, одвічне запитання: чому галактики віддаляються саме від нас? Невже ми займаємо якесь привілейоване становище у Всесвіті і знаходимося в центрі початку світу?

Звичайно, це не так. З тих же спостережних даних відомо, що Всесвіт, у великих масштабах, однорідна і в будь-якій точці простору вона повинна виглядати однаково. Швидше за все, ми неправильно трактуємо спостережні дані. Швидкість розбігання галактик визначається по червоному зсуву променів світла, що йде від них. Але, може бути, червоне зміщення виникає з іншої причини. Можливо, за мільйони і мільярди років подорожі, від далеких галактик до нас, фотони "старіють", втрачають свою енергію і, за рахунок цього, виникає червоне зміщення. Тоді наша Всесвіт стаціонарне, розширення немає, а галактики мають тільки пекулярні швидкості руху. Наприклад, найближча до нас галактика - Туманність Андромеди (М31), яка, на відміну від усіх інших, наближається до нас зі швидкістю близько 300 км / с (Рис.1). В інших скупченнях галактик, де вони розташовані ближче один до одного, таких прикладів більше. Більш того, галактики іноді зближаються на стільки близько, що вступає в дію гравітаційне тяжіння, і вони стикаються один з одним (Рис.2). Все це ставить під сумнів гіпотезу про розширення Всесвіту.

Так розширюється наш Всесвіт чи ні? Відповідь на цю загадку залишається таємницею і до цього дня.

Другий дивною загадкою є гравітація. На перший погляд здається, що нам все відомо про гравітації. Але насправді і тут є суперечності, які доводять протилежне.

Після відкриття І. Ньютоном закону всесвітнього тяжіння, гравітація розглядалася як фізичне поле, аналогічне електромагнітному. Однак, після створення А. Ейнштейном на початку ХХ століття загальної теорії відносності (ЗТВ), яку можна назвати релятивістської теорією тяжіння, гравітація стала розглядатися як викривлення тривимірного простору поблизу гравітаційної маси. Математично, обидві теорії добре описують гравітаційний вплив з урахуванням і без урахування релятивістських ефектів. Але природу гравітаційного впливу не розкривають.

Якщо гравітація це поле, то природно припустити, що існують переносники гравітаційного впливу - Гравітон і, відповідно, гравітаційні хвилі. Однак, до теперішнього часу, ні Гравітон, ні гравітаційні хвилі не виявлені. У різних країнах витрачаються колосальні кошти на створення установок по їх виявленню. Але чи можна виявити те, чого насправді в природі можливо і не існує? Адже з точки зору ОТО, гравітація - це викривлення тривимірного простору, очевидно, в якомусь чотиривимірному просторі. Хоча сама теорія про це нічого не говорить, але це випливає з простих логічних міркувань: двовимірне простір (площина) можна викривити тільки в тривимірному просторі, відповідно, тривимірний простір викривляється в просторі чотирьох вимірів. Однак такого простору ще ніхто не спостерігав.

З точки зору ОТО, взагалі немає сенсу говорити про Гравітон. Якщо гравітація - це зміна форми простору, то слід говорити про кванти самого простору. Але можна уявити собі гравітаційні хвилі у вигляді простору змінної кривизни. Це аналогічно хвилях на воді. Однак, у таких хвиль повинні бути "гребені" і "западини", які, відповідно, будуть по черзі викликати зменшення гравітаційного тяжіння (антигравітацію) і його збільшення.

Якщо повернутися до першої загадки - космологічному розширенню, то згідно ОТО вважається, Всесвіт що розширюється під дією сил гравітаційного відштовхування, тобто під впливом антигравітації. Для обліку такого впливу, в рівняннях гравітаційного поля Ейнштейна, ним же було введено космологічний член, величина якого не визначена до цих пір. З точки зору кривизни простору, це можна представити як викривлення всього вільного простору Всесвіту в одному напрямку, як би великий гребінь хвилі, а у місцях прояву гравітації - в іншому, як би западина. Але гравітаційні хвилі до цих пір не знайдені. Це говорить не про їх відсутність, а скоріше про неправильному розумінні прояву їх впливу в земних умовах.

З гравітацією пов'язані й такі об'єкти, як чорні діри. Їх існування передвіщається теоретичними розрахунками, але достовірно вони поки не виявлені. Це пояснюється відсутністю випромінювання і можливістю їх виявлення, в основному, за гравітаційного впливу. Вважається, що вони утворюються з нейтронних зірок в результаті колапсу, коли гравітаційне тяжіння перевищує сили меж'ядерного відштовхування в речовині зірки. Тут так само виникає проблема з викривленням простору. Чи то простір розривається і утворюється свого роду "свищ" в чотиривимірний простір, чи то простір згортається в сферу в межах гравітаційного радіуса.

З гравітацією пов'язана загадка принципу еквівалентності інерційної і гравітаційної мас. Якщо вони еквівалентні, а їх еквівалентність перевірена з точністю до 10-12, то можна припустити, що природа сил інерції і гравітації однакова. Але тоді не зрозуміло, з якої причини викривляється простір при русі інерційної маси з прискоренням і чому воно викривляється тільки всередині самої маси і ніяк не впливає на оточення. Якщо розглядати виникнення сил інерції з точки зору принципу Маха, то знову ж таки незрозуміла еквівалентність інерційної і гравітаційної мас, тому що згідно з принципом Маха, інерцію викликають далекі зірки і галактики. І, нарешті, якщо гравітація це фізичне поле, то, що таке тоді інерція.

Так що природа гравітації не має поки однозначного пояснення.

Але, мабуть, самим загадковим у нашому світі є час. З давніх пір люди ділили своє існування на минуле, сьогодення і майбутнє. Якщо минуле і сьогодення було однозначним, то майбутнє завжди було проблематичним і залежало від багатьох чинників, які не завжди можна було врахувати. З цієї точки зору, майбутнє носить імовірнісний характер.

Нам відомі деякі властивості часу - тривалість, неповторяемость і незворотність. Але ми не знаємо, чи має час початок і чи буде у нього кінець. Час тече як річка і як не можна увійти в одну й ту ж річку двічі, так і не можна повторити одне і те ж подію. У фізиці існує вираз - "стріла часу", яке означає, що час однонаправлені і тече тільки в одну сторону. Вимірювання часу засноване на спостереженні або здійсненні періодично повторюваних процесів однаковою тривалості. Це може бути обертання Землі навколо своєї осі (добу), обертання Землі навколо Сонця (рік). Зараз, для точного виміру часу, використовують квантові годинник, які засновані на частоті випромінювання атомів при переході їх з одного рівня енергії на іншій. Іншими словами, ми вимірюємо час побічно, за тривалістю тих чи інших процесів.

З появою такого годинника були встановлені ще деякі властивості часу. Виявилося, що час залежить від гравітації. Чим менше гравітація, або чим далі від гравітаційної маси, тим швидше плине час. Крім того, швидкість ходу часу залежить від швидкості руху годин. Якщо порівняти свідчення рухомих годин з показаннями що лежать, то що рухаються годинник буде йти повільніше.

Таким чином, можна зробити висновок, що швидкість течії часу носить відносний характер. У спеціальній теорії відносності, простір і час розглядаються як єдине ціле, і час представляється як четвертий вимір нашого світу. Але тут виникає закономірне питання, чому в трьох просторових вимірах ми можемо переміщатися в будь-якому напрямку, чи стояти на місці, а в часі ми можемо рухатися тільки в один бік, у відповідності зі "стрілою часу"? Ми не можемо ні повернутися назад в часі, ні зупинити його.

Зі швидкістю ходу часу пов'язані всі процеси, що відбуваються в нашому світі. Під впливом часу, всі види матерії як би "старіють", тобто "Стріла часу" викликає незворотні процеси в матерії нашого Всесвіту. Такі процеси відбуваються не тільки з живою матерією, а й з іншими її видами. Практично всі елементарні частинки, з яких складається наш світ, з часом розпадаються на інші елементарні частинки з виділенням енергії, як правило, у вигляді випромінювання. Виняток становлять протон і електрон. Їх розпад ніхто ще не спостерігав. Очевидно, час їх життя настільки велике, що виявлення їх розпаду практично зводиться до нуля. З цих двох часток складається найперший елемент таблиці Менделєєва - водень, який, як вважається, є основою для утворення речовини у нашому Всесвіті. Тоді наш Всесвіт безсмертна, тому що після розпаду речовини, залишаються електрони і протони, які з'єднуються в водень і еволюція Всесвіту починає новий кругообіг. Можливо, і час життя фотона має свою межу і він "старіє" з часом і, врешті-решт, зникає. Це проявляється у вигляді зменшення його енергії, що зміщує довжину хвилі випромінювання від далеких джерел (галактик) до червоного кінця спектра. Якщо це так, то закон Хаббла говорить не про швидкість розбігання галактик, а про "старінні" фотона з часом.

Залежність швидкості ходу часу від величини гравітації призводить до ще одного парадоксу. Згідно ЗТВ, на горизонті подій чорної діри, час зупиняється. Отже, в чорній дірі всі процеси повинні припинити своє існування. Тоді, що ж відбувається в чорній дірі і, взагалі, чи існують вони, якщо у них час зупиняється? Тут можна говорити про зникнення часу. Але якщо немає часу, то і матерія припиняє своє існування.

Перераховані властивості часу не зовсім відповідають властивостям вимірювання, у загальноприйнятому розумінні. Якщо час, в залежності від умов у просторі, може то сповільнювати, то прискорювати свій хід, а за певних умов і зникати взагалі, то за цим своїм властивостям воно нагадує властивості фізичного поля (наприклад, електромагнітного). Але найцікавіше те, що простір, гравітація і час взаємозалежні один з одним. У просторі, вільному від речовини (відсутність гравітації), хід часу максимальний. У присутності речовини (наявність гравітації), хід часу сповільнюється, а при досягненні максимально допустимої щільності речовини, час зупиняється. Якщо, яким-небудь чином, прискорити хід часу, то відбудеться якась зміна стану простору, що викличе зменшення гравітації і навпаки. Ймовірно, в деяких випадках, це вдавалося отримати експериментально (експерименти М. О. Козирєва, Є. Подклетнова та ін) Але результати цих експериментів носили випадковий характер і отримати, хоч скільки-небудь значущого ефекту, поки не вдалося. Проте, слід відзначити той факт, що зміна гравітаційного впливу спостерігалося в присутності мас, що обертаються. Чи то обертався гіроскоп в експериментах Н. А. Козирєва, чи то обертався надпровідний диск в експериментах Є. Подклетнова, але обертання присутнє завжди. Можливо, час і простір пов'язані між собою саме обертанням. Принаймні, будь-яке тіло в космічному вакуумі, у відсутності будь-яких дій, завжди обертається навколо своєї осі, яка, якимось чином, ще й орієнтована в просторі в строго визначеному напрямку. Астероїди, супутники, планети, зірки, галактики, можливо і місцеві скупчення галактик і весь Всесвіт обертаються навколо осей, які, в конкретному місці простору, для всіх об'єктів орієнтовані в одному і тому ж напрямку.

Можливо, зрозумівши природу часу і вивчивши його властивості, можна буде відповісти на багато загадок нашого світу.

З появою Internet і можливості вільного опублікування наукових робіт, різко збільшилося число опублікованих гіпотез з різних проблем, в тому числі і з космології. Офіційну науку це мало цікавить, тому що за словами англійського астрофізика Ф. Хойл "наука займається не доказом справедливості гіпотез, а доказом їх не спроможності". Але займатися доказом не спроможності всіх опублікованих в Internet гіпотез практично не можливо. Тому, авторам надається право самим доводити спроможність або не спроможність своїх гіпотез. Для цієї мети необхідно конкретизувати завдання з тієї чи іншої проблеми. Адже чітко сформульована задача, це вже половина вирішення проблеми. У кінцевому підсумку, пропонована гіпотеза, повинна отримати конкретне підтвердження в експерименті або спостереженнях. Тільки таким чином можна підтвердити спроможність пропонованої гіпотези.

У рамках даної статті, автор спробував сформулювати проблему природи часу, яка вимагає подальшої конкретизації і постановки більш цілеспрямованих завдань для її вирішення.

Список літератури

Берке У. Простір-час, геометрія, космологія. М.: - Світ, 1985.

Гінзбург В.Л. УФН 169 419 (1999).

Глінер Е.Б. УФН 172221 (2002).

Девіс П. Суперсила. М.: - Світ, 1989.

Козирєв М.О. Про можливість експериментального дослідження властивостей часу. Time in Science and Philosophy / Prague, 1971, p. 111-132.

Новіков І.Д. Як вибухнула Всесвіт. М.: - Наука, 1988.

Чернін А.Д. УФН 171 1153 (2001).