О МЕХАНИЗМЕ УСКОРЕННОГО РАСШИРЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ

О МЕХАНИЗМЕ УСКОРЕННОГО РАСШИРЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ
доктор техн. наук А.Н.Черний
Академия электротехнических наук Российской Федерации, г. Москва

Во всем виноват Эйнштейн. В 1905 году он заявил, абсолютного . покоя нет, и с тех пор его действительно нет.
Стивен Ликок
Статья посвящена самой важнейшей проблеме современной астрофизике и космологии в целом, связанной с пониманием причины ускоренного расширения Вселенной. Доказано, что в распространенной в настоящее время гипотезе о темной энергии, разгоняющей материю Вселенной под действием космического вакуума, больше мифического, чем физического. Приведены данные космологических измерений, говорящие о несостоятельности вакуумной концепции. Автором теоретически обосновано, что ускорение сверхновых звезд типа Ia, являющихся объектом астрофизических наблюдений, вызвано направленным взрывом коллапсирующей звезды.
Ключевые слова: темная энергия, космический вакуум, ускоренное расширение Вселенной, сверхновые звезды типа Ia , гравитационный коллапс, взрыв сверхновой.
В 1998 - 99 гг. две группы астрономов, одна в Австралии, а другая в США, проводили измерения зависимости светимости сверхновых звезд типа Ia далеких галактик от расстояния до них. Наблюдения показали, что светимость сверхновых падает с расстоянием сильнее, чем согласно расчетам по фридмановской модели с нулевым космологическим членом. Быстрое ослабление светимости сверхновых пытались объяснить наличием межзвездного газа в галактиках, эволюцией сверхновых во времени и другими факторами, но все эти доводы оказались несостоятельными [1, c. 248, 2, с.230].
По поводу ускоренного расширения Вселенной С.Арефьев пишет: «Сегодня космологи и физики, занимающиеся частицами, пребывают в состоянии если не растерянности, то, во всяком случае, недоумения. Классическая модель космологии уже принята большинством ученых и подтверждается последними наблюдениями, но в ней до сих пор остается зияющая дыра: никто не знает, почему расширение Вселенной ускоряется. Галактики летят вопреки всем законам, расходясь все дальше, исчезая в черной, недостижимой и абсолютно загадочной для нас пустоте. Скорость их полета так велика, что ученые уже предсказывают время, когда наша Вселенная исчезнет» [ 3 ]. По словам В.Д.Захарова, для объяснения ускоренного движения далеких галактик была выдвинута «сумасшедшая» гипотеза, согласно которой, ускоренное расширение Вселенной происходит под действием космического вакуума, создающего антигравитацию [1 c. 248]. Энергию космического вакуума принято
- 2 -
называть гравитационной темной энергией, равномерно распределенной в космическом пространстве. Антигравитация, создаваемая космическим вакуумом, стремится удалить тела друг от друга и тем самым подгоняет разлет галактик и скоплений [2, c.233].

Рис. 1. График ускоренного расширения Вселенной
По данным астрономических наблюдений за вспышками сверхновых типа Ia далеких галактик был построен график зависимости космологического расстояния R от времени t, прошедшего после Большого взрыва в точке О до вспышки сверхновой (рис. 1). Согласно этому графику в настоящее время tо расширение Вселенной происходит почти по экспоненциальному закону [2, c.238]. Ранее, до времени tv  6  8 миллиардов лет, оно происходило с замедлением.
За открытие ускоренного расширения Вселенной в 2011 г. нобелевская премия по физике вручена американским космологам Солу Перлмуттеру (Saul Perlmutter), Брайану Шмидту (Brian Schmidt) и Адаму Риссу (Adam Riess).
По своим физическим свойствам космический вакуум принципиально отличается от всех известных форм материи. «Космический вакуум – это такое состояние космической среды, которое обладает постоянной во времени и всюду одинаковой в пространстве плотностью – и притом в любой системе отсчета» [2, c.229].
Вакуум в космологию вошел с эйнштейновской космологической постоянной , и его плотность выражается через значение этой постоянной [2, c.234]:
v = c2 / (8G). ( 1 )
Космический вакуум обладает не только определенной плотностью, но и давлением [2, c.235]:
pv =  c2 v . ( 2 )
- 3 -
Плотность вакуума ( 1 ) считают положительной величиной [2, c.234], поэтому его давление согласно ( 2 ) будет отрицательным, что создает антигравитацию.
По нашему мнению гипотеза о расширении Вселенной, основанная на космологическом вакууме, не безупречна. И вот почему:
1. Согласно современным научным понятиям космологический и физический вакуум имеет одну и туже природу.
Физический или квантово-механический вакуум – это реально существующая природная среда, качественно отличающийся от вещества и поля третий вид материи с наинизшим энергетическим состоянием. Он содержит виртуальные частицы и античастицы при полном отсутствии привычного для нас вещества. Физический вакуум обнаруживает себя в реальных физических процессах (механизм Швингера, эффект Казимира, вакуумный фотоэффект и др.) [4, c.212]. Таким образом, физический вакуум проявляет себя в микро и мегамире; в тоже время, в макромире его присутствие обнаружить не удается. Почему?
2. Плотность вещества выражается отношением его массы m к объему w
 = m / w ( 3 )
Физический вакуум имеет отрицательную, отличную от нуля активную гравитационную массу, в тоже время, его пассивная гравитационная и инертная массы равны нулю [4, c.220]. Поэтому, в первом случае, согласно формуле ( 3 ), плотность вакуума будет иметь отрицательную величину, а согласно ( 2 ) давление вакуума будет положительным. Во втором случае плотность и давление вакуума будут равны нулю. Но все это противоречит основному свойству космологического вакуума, его антигравитации!
3. Принято считать, что физический вакуум своей антигравитацией воздействует на свойства пространства-времени. «А сам не испытывает ни обратного влияния вещества, ни обратного влияния геометрии мира… С вакуумом вообще ничего не происходит, он всюду и всегда один и тот же» [2, c.241].
Это не так. Под действием очень сильного внешнего электрического или гравитационного полей физический вакуум поляризуется, в результате чего его виртуальные составляющие материализуются, в действительном пространстве-времени
- 4 -
в виде частиц и античастиц [4, c.212]. Очевидно, что при этом изменится его активная гравитационная масса и сила его воздействия на окружающий мир. Воздействие физических полей реального мира на вакуум подтверждено экспериментально.
4. Говоря о механических свойствах космического вакуума, А.М.Черепащук и А.Д.Чернин, в частности, пишут: «По своему главному механическому свойству, он сопутствует местному объему и управляет его динамикой точно так же, как он управляет глобальной динамикой космологического расширения.
А так как никакому обратному воздействию галактик он не поддается, то и его динамический эффект никак не зависит от самих галактик,  ни от их распределения в пространстве, ни от их движения. Это и позволяет местному объему расширяться как отдельной маленькой вселенной внутри всей большой Вселенной с ее глобальным хаббловским потоком» [2, c.257].
Из этих строк следует, что Галактика под действием антигравитации вакуума должна расширяться со временем. Следовательно, в спектрах далеких звезд, находящихся в спиральных рукавах нашей Галактики, должно наблюдаться красное смещение. Однако, астрономические наблюдения не фиксируют этого феномена. Этот факт является очень серьезным аргументом против концепции космологического вакуума.
5. А.А.Баранников и А.В.Фирсов пишут: «Самые современные астрофизические наблюдения обнаруживают во Вселенной господство космического вакуума, плотность энергии которого превышает плотность всех других форм материи вместе взятых» [4, c.218]. А чуть раньше, на стр. 210 они же писали: «Из соотношения неопределеностей следует, что плотность энергии физического вакуума очень мала, ее хватает лишь на спонтанное рождение или уничтожение виртуальных частиц и античастиц». Но позвольте, «Вакуум космический и вакуум физический являются одним и тем же физическим объектом, который выступает в разных ипостасях» [4 , c.219]!
Каким же образом один и тот же физический объект может иметь одновременно самую минимальную плотность энергии и плотность энергии, превышающую плотность всех других форм материи вместе взятых?

- 5 -
Вышеприведенные аргументы говорят о том, что в ряде случаев гипотеза о влия- нии космологического вакуума на расширение Вселенной не выдерживает критики.
Против вакуумной гипотезы высказывались многие известные ученые. Как заметил в 2005 г. академик РАН В.А.Рубаков, ничего определенного о темной энергии физики сказать не могут: непонятен даже подход к познанию природы этой энергии [ 5 ]. Нет ясности в этом вопросе и в настоящее время.
По данным авторов книги [6, с.272], «энергии вакуума во Вселенной должно быть примерно 10100 раз больше, чем показывают космологические измерения»!
По словам Эйнштейна, критерием истины является эксперимент, поэтому, приведенные выше, данные авторов книги [6, с.272], фактически ставят крест на концепции космического вакуума, как движущей силы ускоренного расширения Вселенной. Вот почему астрофизики продолжают поиск альтернативных теорий. Так группа ученых из США, Канады и Италии нашли новый ответ на это загадочное явление. Как сказал один из исследователей Антонио Риотто журналу Physical Review Letters: «Конечно, людям легче поверить в некое воздействие загадочной «темной энергии», но добавлю, что все новейшие теории в направлениях астрономии и физики не могут объяснить воздействие и существование такой «темной энергии» вообще.» А.Риотто считает, что ускоренное расширение Вселенной это следствие Большого взрыва, в результате которого образуются гигантские волны, приводящие к ускоренному движению галактик.[7].
Поиск физической сущности темной энергии напоминает мне поиск «черной кошки» в безлунную ночь, особенно там, где ее нет. Истории физики известны такие случаи. Наиболее показательным из них является поиск «светоносного эфира» с помощью интерферометра Майкельсона в конце ХIX, начале ХХ веков [8, с.233].
В выше упомянутых астрономических наблюдениях, сверхновые типа Ia использовались в качестве «стандартных свеч». Поэтому для понимания причины ускоренного расширения Вселенной необходимо иметь теоретическое представление о механизме рождения сверхновых в сверхдалеких галактиках. Под сверхновой понимают гигантский взрыв массивной звезды (массой М  6М) на заключительной стадии ее эволюции, когда внутреннее равновесие звезды нарушается и она коллапсирует.
- 6 -
Сверхновые звезды подразделяются на два типа. Основной особенностью сверхновых I типа ( Ia ) является отсутствие в их спектрах интенсивных линий водорода и поразительное сходство кривых блеска. В отличие от первых, сверхновые звезды II типа имеют в своих спектрах линии водорода, а их кривые блеска отличаются разнообразием формы. Кроме того, сверхновые звезды I типа вспыхивают в галактиках всех видов, а сверхновые II типа  только в спиральных галактиках Sb и Sc [9, с.601, 604].
Основным горючим в ядерной топке звезды является водород. Внутреннее давление, возникающее в звезде в результате термоядерной реакции, уравновешивается силой гравитационного сжатия. В таком состоянии находятся все звезды, расположенные на главной последовательности. Когда запасы водорода израсходуются, равновесие между силами гравитации и внутреннего давления звезды нарушается и под действием сил тяготения звездное вещество сжимается, что приводит к резкому повышению температуры и давления в оболочке, окружающей выгоревшее ядро. Температура и давление возрастают настолько, что вновь начинается реакция синтеза гелия из водорода, при этом размеры звезды увеличиваются до тех пор, пока давление горячего газа не уравновесится силой гравитационного притяжения; звезда превращается в красный гигант. На заключительной стадии эволюции звезды в ее ядре гелий превращается в углерод; термоядерный синтез идет до образования железа, после чего реакция прекращается.
Время жизни красного гиганта незначительно, так как он слишком быстро расходует ядерное горючее. Как только ядерное топливо заканчивается, и термоядерная реакция прекращается звезда начинает коллапсировать. Гравитационный коллапс происходит из-за нарушения гидростатического равновесия между силой гравитационного притяжения и силами отталкивания частиц, обусловленными внутренним тепловым давлением. Внешние слои коллапсирующей звезды с огромной скоростью падают на выгоревшее ядро. При этом температура и давление в центре умирающей звезды резко возрастают, что приводит к возникновению ударной волны. Ударная волна разгоняет вещество оболочки до скоростей, превышающих параболическую скорость, в результате чего оболочка отрывается от ядра звезды и уносится в межзвездное пространство. Такой взрыв получил название взрыва сверхновой. Часто при этом в межзвездное пространство выбрасывается более ¼
- 7 -
массы взрывающейся звезды, что приводит к образованию туманностей различной геометрической формы. При взрыве сверхновой выделяется такое огромное количество энергии, что своим светом она затмевает свет целой Галактики, состоящей из сотен миллиардов звезд! По свидетельству древних китайских летописцев свет от сверхновой 1054 года был виден на Земле даже в дневное время. При вспышке сверхновой I типа приблизительно за 15 суток яркость звезды увеличивается более чем на 17 m. В этот период сверхновая излучает около 4,5  1043 эрг/с, что в 12 миллиардов раз превышает светимость Солнца. После достижения максимума, блеск звезды сначала быстро спадает  на 2 – 3 m за 20 – 30 суток, а затем уменьшается плавно. Продолжительность наблюдений сверхновых звезд I типа может достигать 350 суток [9, с.601].
Вышеуказанные свойства сверхновых звезд I типа ( Ia ) позволили использовать их в качестве «стандартных свеч» при исследовании самых далеких галактик, свет от которых летит к Земле миллиарды лет.
Согласно закону Хаббла, скорость удаления  внегалактических источников, вызванного расширением Вселенной, пропорциональна расстоянию до них
 = HR . ( 4 )
Коэффициент пропорциональности Н, носящий название постоянной Хаббла, имеет значение 50 – 100 (км/с)/ Мпк. В астрономических расчетах обычно берется среднее значение 75 (км/с)/ Мпк.
Из ( 4 ) следует, что наибольшую скорость имеют космические объекты, которые находятся на окраинах Метагалактики. Астрофизические наблюдения подтверждают это. Так, например, квазар PKS 2000-330 «убегает» от нас со скоростью, близкой к скорости света ( = 0,88с).
Поэтому понять причину ускоренного расширения Вселенной можно лишь познав механизм рождения сверхновой при субсветовой скорости движения звезды.
Когда скорость движения коллапсирующей звезды незначительна (  с) диаграмма направленности взрыва сверхновой имеет сферически-симметричную форму [9, c.603]. Это подтверждается изображением планетарных туманностей,
- 8 -
имеющих кольцеобразную форму, например туманности NGC7293 «Улитка» в созвездии Водолея, возникшей около 20 000 лет назад в результате взрыва сверхновой.
Наблюдать в деталях взрыв сверхновой на границах Метагалактики астрономы пока не могут (не позволяет разрешающая способность телескопов), поэтому для определения диаграммы направленности взрыва сверхдалеких звезд ученым может помочь только теория.
В работе [10] было обосновано, что вокруг массы, движущейся с релятивистской скоростью, формируется волна гравитационной энергии. По направлению движения объекта его гравитационное поле сжимается, и плотность гравитационной материи увеличивается. За движущимся объектом гравитационное поле разрежается, и плотность материи падает. При этом эквипотенциальные поверхности последовательно смещаются относительно центра объекта в направлении вектора скорости к зоне уплотнения гравитационной материи. Вследствие изменения плотности гравитационной материи нарушается сферическая симметрия поля объекта точечной массы.



Рис. 2. Вспышка сверхновой при движении звезды с релятивистской скоростью

- 9 -
Теперь можно рассмотреть взрыв сверхновой при субсветовой скорости движения звезды. При гравитационном схлопывании красного гиганта звездное вещество будет двигаться как к центру масс (О) умирающей звезды, так и в направлении ее вектора скорости (х), которая согласно закону Хаббла ( 4 ) для самых удаленных звезд близка к скорости света (рис.2). Размеры красного гиганта уменьшаются, в результате чего плотность звездной материи стремительно возрастает. Цифрой 1 показаны границы красного гиганта в различные моменты времени t1, t2, t3,…tn. В момент tn плотность звездного вещества и его температура достигают критического значения, в результате чего коллапсирующая звезда 2 взрывается. При взрыве звезды движущейся с субсветовой скоростью (  с), произойдет коллимированный (однонаправленный) выброс 3 вещества. Это объясняется изменением геометрии гравитационного поля вокруг массивного объекта, движущейся с субсветовой скоростью. При такой скорости умирающей звезды горизонт событий 4 выходит за пределы коллапсирующей материи 2 по направлению вектора ее скорости (х), тем самым полностью перекрывая фронтальный и боковые выбросы взрывающегося вещества (рис.2). Известно, что через горизонт событий не может прорваться даже свет. Поэтому наблюдатель В, находящийся на пути движения красного гиганта, вспышки сверхновой не увидит. Излучение и сверхгорячая плазма извергаются через «небольшое» окно 5, расположенное в хвостовой части остатка сверхновой 2, за пределами горизонта событий 4. Поэтому зафиксировать космическую катастрофу сможет лишь наблюдатели, находящиеся далеко за коллапсирующей звездой, на дуге 6, например наблюдатель А. Ширина дуги 6 определяется диаграммой направленности вспышки сверхновой.
В результате однонаправленного взрыва 3 титанической мощности остаток сверхновой 2 получает ускоряющий импульс р по направлению вектора скорости
, ( 5 )
где  мощность вспышки сверхновой в ее активной фазе (  4,51043 эрг/с), с  скорость света.
Расчеты по формуле ( 5 ) дают значение импульса р = 1,51028 кгм/с.

- 10 -
За 15 суток активной фазы сверхновой ее остаток М  1,3М (нейтронная звезда) под действием ускоряющего импульса увеличивает свою скорость на  = 7776 км/с! Это явление и было зарегистрировано астрономами по измерениям космологического красного смещения.
Таким образом, на основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что феномен «ускоренного расширения Вселенной» можно объяснить в рамках современной теории относительности, без привлечения к решению этой проблемы потусторонних темных сил – темной энергии космического вакуума, о которой, по словам академика В.А.Рубакова, наука практически ничего не знает.
Любая научная идея, объясняя одно, рождает массу новых вопросов. Это нормально, ведь в этом жизнь науки ! Для ответа на них потребуются дальнейшее астрофизическое зондирование Вселенной, глубокие теоретические проработки и время раздумий.
Литература
1. Захаров В.Д. Тяготение. От Аристотеля до Эйнштейна.- М.: БИНОМ. Лаборат. знаний 2003.- 279 с.
2. Черепащук А.М., Чернин А.Д. Вселенная, жизнь, черные дыры.- Фрязино: ВЕК 2, 2004.- 320 с.
3. Арефьев С. Взгляд в пустоту // Новый век,- 2004, № 6.- С. 42 – 48.
4. Баранников А.А., Фирсов А.В. Основные концепции современной физики.- М.: Высшая школа, 2006.- 352 с.
5. Рубаков В.А. Очевидное – невероятное. Канал ТНТ. 21.09.05.
6. Голдберг Д., Бломквист Д. Вселенная: руководство по эксплуатации.- М.: АСТ, 2010.- 416 с.
7. primeinfo.net.ru
8. Черний А.Н. Релятивистская физика космоса.- М.:Новый мир,2010.- 480 с.
9. Физика космоса.- М.: Советская энциклопедия, 1986.- 783 с.
10. Черний А.Н. Изменение величины гравитационного потенциала при релятивистс- кой скорости движения массы // Геодезия и картография. 1997. № 5. C. 18 - 23.


Подписи к рисункам
Рис. 1. График ускоренного расширения Вселенной
Рис. 2. Вспышка сверхновой при движении звезды с релятивистской скоростью