Темная энергия - следствие неправильной модели распространения света
В.И. Неудахин
Все разделы науки физики пронизаны понятием скорости света. В частности, постоянство скорости света заложено в основу специальной теории относительности (СТО) и общей теории относительности (ОТО). Фактически, и в СТО и в ОТО исследователи, используя математический аппарат, отвечают на вопрос: “что будет, если скорость передачи сигнала будет конечной, фиксированной и одинаковой во всех системах отсчета?”. И хотя в СТО декларируется инвариантность скорости света по отношению к любым системам отсчета, экспериментально подтвержден лишь тот факт, что скорость объектов имеющих конечную массу покоя не превышает скорость света в свободном пространстве, а может лишь приближаться к ней. Нет прямого экспериментального подтверждения того, что скорость света (здесь и в дальнейшем при использовании термина «скорость света» имеется в виду скорость света в свободном пространстве) не может быть меньше известной величины “c”. Последнее связано с проблемой измерения скорости света в одну сторону 1- 4.
Знание особенностей распространения света, в том числе и на большие астрономические расстояния, является весьма насущным для астрономии, так как эта наука в значительной степени построена на результатах анализа поступающих из космоса электромагнитных колебаний. И если имеющиеся данные о характере распространения этих колебаний являются приемлемыми для исследования объектов, расположенных на близких астрономических расстояниях, то справедливость их применения к объектам, расположенным на больших расстояниях, в настоящее время, вызывает сомнения.
К сожалению, такое основополагающее понятие, как скорость света, до настоящего времени не имело модельного представления. И это не удивительно - чтобы правильно ответить на вопрос: “что такое скорость света?”, необходимо иметь адекватную модель пространства-времени, в котором свет распространяется.
В настоящее время имеются разные модели пространства-времени, которые находятся в противоречии друг с другом.
Наиболее проработанными и признаваемыми в настоящий момент, являются модели, в которых наша Вселенная, пространство и время возникли в момент Большого взрыва, а пространство является 3-сферой (3-плоскостью), вложенной в (фиктивное с точки зрения авторов модели) четырехмерное евклидово пространство5. В своем первоначальном виде, эти модели имели несоответствие с наблюдательными данными по времени жизни Вселенной, а потом добавилось несоответствие с наблюдательными данных по светимости сверхновых типа Ia. Эти несоответствия были устранены введением подгоночного параметра, в рамках CDM- модели. Такой подход потребовал введение нового понятия “темная энергия”. Однако, как это будет показано ниже, несоответствие наблюдательных данных и модели, скорее всего, вызваны неадекватностью модели и реальности. Все-таки, время это не фиктивная величина, а равноправная координата наравне с пространственными координатами. Еще А. Эйнштейн и Дж.А. Уиллер говорили о пространстве-времени, как о 4-мерном континууме, в котором время является просто еще одной координатой, перпендикулярной трем пространственным координатам. А скорость света - неким пересчетным множителем, переводящим метрическую единицу длины в метрическую единицу времени.
Неудовлетворенность исследователей подобными моделями выражается в том, что появляются иные модели, в которых Вселенная не возникает из сингулярности. В частности, П. Стейнхардом и Н. Тюроукой выдвинута недавно теория циклического развития Вселенной, которая, согласно альманаху The Globe, является первой за последние два десятка лет заслуживающей внимание. Согласно этой теории, пространство и время возникли не в момент Большого взрыва, а существовали всегда. Критики этой теории называют ее основные положения, не имеющими фактологической базы.
Плохо, что ни одна из известных моделей не отвечают на вопрос: “Почему скорость света не складывается ни с каким другим движением?”. А также на другой вопрос, который тесно связанный с первым, и который неоднократно поднимался наукой, но так и не был решен: “Что есть свет? Волновые процессы физической среды или частица, двигающаяся в вакууме”.
Модель
Представленная здесь модель распространения света основывается на предположение, что пространство-время является физической средой. Оно четырехмерно, изотропно и имеет евклидову метрику. Такое предположение имеет самый общий характер и не накладывает ограничений на структуру пространства-времени. Это может быть и физический вакуум, 4-решетка, идеальная жидкость6 и т.д.
В этом 4-х мерном пространстве-времени, которое является физической средой, из области затравочной неоднородности концентрически распространяются волны возбуждения.
Для такого предположения есть основание. Известно решение задачи с начальными затравочными значениями для трехмерного волнового уравнения7. Это решение толкуется следующим образом: по истечении некоторого времени область с начальным, затравочным возбуждением трансформируется в некий трехмерный шаровой слой, в котором сосредоточены все волновые процессы. Решение имеет четкий внешний и внутренний волновые фронты. За пределами шарового слоя, как снаружи его, так и внутри, существуют области покоя.
Можно полагать, что решение 4-х мерного волнового уравнения с начальными затравочными условиями, приведёт к результатам подобным тем, что получены при решении трёхмерного волнового уравнения: будут существовать внешний и внутренний волновые фронты, с тем отличием, что «поверхностный» слой, заключённый между этими фронтами, будет четырёхмерный. А за пределами этого слоя будут области покоя.
Этот тонкий шаровой четырехмерный слой и есть наша Вселенная. Все волновые процессы сосредоточены именно в этом узком (по временной оси) слое. Передний фронт и задний фронты слоя ограничивают нашу Вселенную от остального Пространства-Времени. Модель не оговаривает, какого рода была затравочная неоднородность. В данной статье рассматривается только характер распространения света, поэтому этапы развития Вселенной до времени последней рассеяния не принимаются во внимание.
Двумерным сечением нашей Вселенной (одна временная и одна пространственная координата) является кольцо (рис. 1). В дальнейшем, когда речь будет идти о кольце, будет подразумеваться четырехмерный шаровой слой.
Область в центре кольца - место, где была затравочная неоднородность или место зарождения нашей Вселенной. Ширина кольца ограничена двумя движущимися фронтами: передним фронтом F1 и задним фронтом F0. Назовем этот слой для краткости Н - слоем. Сам Н - слой и есть наша Вселенная. Линии фронта, по определению, - линии равного времени.
Можно ли оценить толщину Н-слоя? Те расстояния, на которых взаимодействия подчиняются закону обратных квадратов, что соответствует трехмерному пространству, можно считать верхней границей толщины Н-слоя. Известно, что электромагнитное взаимодействие подчиняется этому закону до расстояний, равных примерно 10-13см. Отсюда можно предположить, что ширина шарового слоя составляет примерно 10-23 секунд. Узкая щель!
Однако, на самом деле, ширина Н-слоя может быть существенно больше, если стабильные частицы являются 4- цилиндрами, оси которых совпадают с вектором времени в точке, где находится частица.
Согласно предложенной модели, все объекты микромира являются волновыми процессами в среде пространства-времени, и по - этому должны иметь размерность равную размерности среды. То есть не менее четырех. Размеры этих объектов по временной координате очень малы, так как они должны размещаться в узкой щели Н-слоя. Таким образом, можно говорить об их квазитрехмерности. В то же время размеры этих объектов (частиц) вдоль пространственных координат могут быть достаточно большими, вплоть до макроскопических! В этом случае становится понятен корпускулярно-волновой дуализм частиц.
Действительно, если частица является волной, плоской по временной координате и имеющей макроскопические размер по пространственным координатам, то в этом случае у волны появляется возможность проходить одновременно через два отверстия, разнесенные пространственно, и интерферировать сама с собой. Что и фиксируется при проведении экспериментов. В то же время взаимодействие двух частиц возможно только в том случае, если совпадут также их временные координаты. Время их взаимодействия должно быть соизмеримым с размерами частиц по временной шкале, то - есть очень маленьким.
Одно из важнейших следствий такого устройства нашей Вселенной является то, что в ней скорость передачи сигнала не складывается ни с каким другим движением. Рассмотрим, например, с какой максимальной скоростью может распространяться сигнал из точки T0, через которую проходит вектор времени T1, и которая расположена на заднем фронте кольца (рис. 1).
Скорость распространения сигнала рассматривается, обычно, как прохождение сигналом некоторого пространственного интервала за некоторый интервал времени. В координатах пространство - время скорость характеризуется углом между направлением вектора времени и направлением вектора движения. Распространение сигнала перпендикулярно временной оси, с этих позиций, должно рассматриваться как распространение сигнала с бесконечной скоростью. Таким образом, максимальной скоростью распространения из точки T0 будет обладать сигнал, вектор движения которого будет направлен по касательной к фронту и перпендикулярен вектору времени в этой точке (вектору времени T1). .Это - вектор VX. Но любые волновые процессы, находящиеся внутри кольца, должны также иметь составляющую движения, направленную по вектору T1 (для точки T0, это - вектор VT) , что связано с расширением Вселенной. Следовательно, результирующий вектор VS сигнала будет суммой двух векторов VX и VT.
Эти два последних вектора должны быть равными по модулю, так как Вселенная изотропна и распространения сигнала, как и расширение Вселенной, должно происходить во все стороны с одинаковой скоростью. Таким образом, вектор VS скорости распространения сигнала должен быть направлен под углом 45 градусов к вектору времени в точке T0, от которой началось движение. Модуль же вектора VS должен быть равен или, что - то же самое, . Проекция вектора VS на пространственную ось X (ось перпендикулярная оси времени в точке T0) и есть известная скорость света “c”.
Становится понятным, почему полная энергия частицы с ненулевой массой покоя равна, а не , хотя вся энергия частицы должна переходить в кинетическую энергию разлетающихся фотонов. Ответ прост - модуль вектора скорости света равен . В то же время, импульс фотона равен p = E/c. Это является следствием того, что в качестве импульса выступает проекция вектора импульса на пространственную ось, которая только и доступна измерению. Должна существовать и некоторая временная составляющая вектора импульса, ведь перемещение частицы осуществляется не только в пространстве, но и во времени.
Движение фотона под углом 45О к вектору времени в точке вылета характерно не только для микромира. То же имеет место и на больших расстояниях. В подтверждение сказанному идет и тот факт, что расширение нашей Вселенной осуществляется именно со скорость света.
Последнее прямо следует из сравнения скорости разбегания галактик и скорости света и может быть проиллюстрировано схемой, приведенной на рис. 1.
Если вылет фотона состоялся из точки A, в момент времени T0 (рис. 1), то в момент времени T1, в соответствии с вышесказанным, он должен находиться в точке B. Расстояние, которое фотон преодолеет за это время, соответствует отрезок дуги LB.
Учитывая, что отрезок DL параллелен вектору T3, из приведенных построения видно, что отрезок DB - это расстояние, на которое расширяется наша Вселенная на пространственном отрезке LB за время ДT =. T1 - T0.
Отношение скорости расширения Вселенной к скорости света можно заменить отношением расстояний, если принять для расчетов одно и то же время. Таким образом, отношение отрезка DB к отрезку LB должно быть равно отношению скорости расширения Вселенной на пространственной дуге LB к скорости света.
Из простых геометрических соображений следует, что отношение двух отрезков DB/ LB будет равно отношению ДT / T0.
Для количественной проверки, в качестве конкретного значения временного отрезка удобно взять одну секунду. В этом случае длина дуги LB должна быть рана 300000 км. Для такого пространственного отрезка и рассчитывалась длин дуги LB, при величине постоянной Хаббла H = 73 км/с на мегапарсек.
Сравнение вышеуказанных соотношений показало, что равенство DB/LB = ДT/ T0 выполняется, если принять, что время существования нашей Вселенной (T0) составляет 14,4 млрд. лет.
Необходимо отметить одно из важнейших следствий такого устройства мира: вектор времени в любой точке фронта будет направлен радиально из центра. Это, в свою очередь, означает, что вектора времени в двух любых пространственно разнесенных точках не могут быть коллинеарными (например, вектора T1 и T2 на рис. 1), хотя на близких расстояниях эти вектора очень близки к этому.
На сравнительно небольших расстояниях (в том числе, и на небольших астрономических расстояниях), движущиеся фронты расширяющейся Вселенной можно с высокой степенью точности считать прямыми линиями. В этом случае можно полагать, что движение фотона под углом 45 градусов к вектору времени сохраняется постоянно. Однако, на больших астрономических расстояниях, когда становится необходимым учитывать кривизну Вселенной, такой подход не кажется единственно правильным. Необходимо рассмотреть два возможных варианта движения фотона.
1. Вылетев под углом 45О, фотон и дальше, на протяжении всего своего пути, сохраняет прямолинейное движение в четырехмерном, изотропном, имеющим евклидову метрику, пространстве-времени. В этом случае, угол по отношению к вектору времени в точке вылета должен сохраняться. Последнее возможно, если внешняя граница Н- слоя не жесткая и не препятствуют движению фотона. В этом случае внутренний фронт Н- слой можно рассматривать как поверхность расширяющейся Вселенной, и считать, что фотон распространяется в невозмущенном пространстве-времени, которое имеет линейную метрику. Линейность пространства подтверждается, в частности, данными WMAP.