7.5. Антигравитация вакуума?

Итак, к концу двадцатого века астрономы вдруг осознали очень интересный и, на первый взгляд, совершенно неправдоподобный факт. Расширение Вселенной в малых масштабах, где материя распределена очень неравномерно, происходит по тому же закону, что и в больших масштабах, где материя распределена почти равномерно. Получалось, что распределение материи внутри Вселенной практически не влияет на её расширение.

В 2001 году астрономы Специальной астрофизической лаборатории РАН исследовали около двухсот близких галактик, расположенных сразу же за пределами Местной группы галактик на расстояниях 5-25 миллионов световых лет. Расстояния до галактик были определены с погрешностью менее 20%, а их скорости относительно центра масс Местной группы измерены с погрешностью менее 5 км/с. И ещё раз, только с гораздо более высокой точностью, было подтверждено: скорости удаления близких галактик подчиняются тому же линейному закону, что и скорости удаления далёких галактик. И постоянная Хаббла для близких галактик та же самая (в пределах точности измерений), что и для далёких галактик [178,с.252]:

Н = 20  3 км/с на каждый млн. св. лет (7.4)

Для того чтобы объяснить этот странный феномен, некоторые астрономы, уже в который раз за всю историю существования общей теории относительности, выдвинули предположение об антигравитационных свойствах вакуума. Всё дело в том, что можно видоизменить гравитационные уравнения Эйнштейна, введя в них новую космологическую постоянную, так называемый лямбда-член. В этом случае между любыми двумя массами будут действовать (помимо обычных сил притяжения) силы отталкивания, пропорциональные расстоянию между ними. И всякий раз, когда в астрономии или космологии возникали серьёзные проблемы, то некоторые астрономы для решения этих проблем предлагали видоизменить уравнения Эйнштейна путём введения в них космологической постоянной. Но затем, когда проблема решалась, необходимость в космологической постоянной отпадала. И поэтому нет ничего удивительного в том, что в конце двадцатого века также «вспомнили» про антигравитационные свойства вакуума. Вот что пишет об этом А. Чернин [178,с.254,255]:

Можно сказать, что космология начинается теперь не с сотен Мпк, а с нескольких Мпк от нас. Она подступает почти вплотную к нам, к Млечному пути. И все это из-за динамического доминирования вакуума, как по Вселенной в целом, так и в самых малых её объёмах, вроде местного объёма.

Начиная с расстояний в несколько Мпк, галактики хаббловского потока движутся как пробные частицы на идеально регулярном фоне вакуума, который их разгоняет (верней, подгоняет). Критический пункт этих рассуждений – кинематическая идентичность хаббловского потока на всём интервале масштабов от нескольких Мпк до самых больших расстояний в мире галактик. Этот вопрос, который до сих пор ставил в тупик думающих астрономов – наблюдателей, теперь, кажется, проясняется. Действительно, раз во всех этих масштабах доминирует вакуум с его всюду одинаковой плотностью, то и темп расширения, характеризуемый постоянной Хаббла, должен быть везде почти одинаков, поскольку постоянная Хаббла определяется почти исключительно одной только плотностью вакуума.

В этом, возможно, и состоит разгадка той «тайны», которая существовала со времён работы Хаббла 1929 г. И о которой совсем недавно говорил Сэндидж.

Мы видим, что только с открытием космического вакуума стали по-настоящему ясны космологическое значение и реальный физический смысл открытия, сделанного Хабблом по наблюдениям в местном объёме Вселенной.

Да, глубоко внутри ячейки однородности общего распределения галактик Хаббл открыл глобальный космологический феномен расширения Вселенной. Но по существу он тем самым открыл ещё и космологический вакуум.

Итак, А. Чернин (как и некоторые другие астрономы), полагает, что Хаббл открыл антигравитационные свойства вакуума. Логика, которая привела российского астронома к такому выводу, достаточно проста. Величина постоянной Хаббла одна и та же и на малых, и на космологических расстояниях. То есть сильно неоднородное распределение материи в малых масштабах практически не влияет на её расширение. Следовательно, расширение Вселенной определяется главным образом не гравитационными свойствами материи, а чем-то другим. Кроме материи во Вселенной существует ещё вакуум (то есть пустота) и, значит, расширение Вселенной определяется в основном вакуумом, а точнее его антигравитационными свойствами.

Необходимо подчеркнуть, что никаких прямых экспериментов или наблюдений, подтверждающих наличие у вакуума антигравитационных (или гравитационных) свойств нет. То, что вакуум может обладать такими свойствами, – это всего лишь гипотеза, используемая для объяснения той или иной космологической проблемы. Поэтому давайте внимательно исследуем такой вопрос: можно ли антигравитацией вакуума объяснить загадку Хаббла?

Сначала рассмотрим доводы в поддержку положительного ответа на этот вопрос.

Предположим, две галактики находятся на расстоянии r друг от друга. С одной стороны, между ними действуют гравитационные силы притяжения. С другой стороны, если мы предполагаем, что вакуум обладает антигравитационными свойствами, между ними действуют силы отталкивания. Если в движении галактик основную роль играет вакуум и обычными гравитационными силами притяжения можно пренебречь, то галактики будут удаляться друг от друга с ускорением а, прямо пропорциональным расстоянию между ними:

а  r (7.5)

Или, введя коэффициент пропорциональности К_:

а = К_ r (7.6)

Величина К_ определяется величиной космологической постоянной .

Решим уравнение (7.6). Для этого преобразуем его левую часть:

(7.7)

Здесь V – скорость, с которой галактики удаляются друг от друга. Из (7.7) следует:

(7.8)

Взяв интеграл от обеих частей этого уравнения, получаем:

(7.9)

Мы предполагаем, что расширение вызвано только антигравитацией вакуума, то есть если r = 0, то V = 0. Поэтому получаем:

(7.10)

Мы получили, что скорость удаления галактик друг от друга пропорциональна расстоянию между ними. И роль постоянной Хаббла играет величина :

Н =  (7.11)

Полученный результат можно обобщить и на большее число галактик. В результате, приходим к следующему выводу. Если пространство заполнено галактиками, и определяющую роль в их движении играет антигравитация вакуума, то галактики будут удаляться друг от друга со скоростями, пропорциональными расстоянию между ними (7.10). При этом не имеет значения, равномерно или неравномерно распределены эти галактики в пространстве. Всё это, на первый взгляд, соответствует предположению, разделяемому А. Черниным, что движение галактик в Местном сверхскоплении определяется антигравитацией вакуума.

Теперь рассмотрим доводы против антигравитационной гипотезы. Будем рассуждать от противного. Предположим, что движение галактик определяется только силами гравитации, действующими между ними, и антигравитацией вакуума.

Сила притяжения, действующая между двумя массами, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. А сила отталкивания прямо пропорциональна расстоянию между ними (7.6). Поэтому на больших расстояниях преобладает антигравитация, а на малых – гравитация. Например, внутри нашей Местной группы галактик преобладает гравитация, а за её пределами – антигравитация. И именно поэтому галактики, находящиеся за пределами Местной группы, удаляются от неё.

Но ведь в прошлом расстояния между галактиками были намного меньше, чем сейчас. А в очень далёком прошлом всё вещество наблюдаемой Вселенной занимало объём меньший, чем объём Местной группы галактик, диаметр которой 3 миллиона световых лет. И, следовательно, в то время гравитационное притяжение, действующее между частями Вселенной, намного превосходило гравитационное отталкивание. Как же в таком случае Вселенная могла расширяться?

Итак, предположив, что расширение Вселенной есть следствие антигравитации, мы приходим к выводу, что ранняя Вселенная всё равно не могла расширяться за счёт антигравитации. И, следовательно, гипотеза об антигравитационных свойствах вакуума не в состоянии объяснить сам факт расширения Вселенной. Зачем в таком случае вводить такую гипотезу? Кроме того, что антигравитационная гипотеза не объясняет расширение ранней Вселенной, она также не в состоянии объяснить и высокую пекулярную скорость Млечного Пути и всего Местного сверхскопления галактик. Ведь если во Вселенной основную роль играет антигравитация, то из-за чего может возникнуть высокая пекулярная скорость чего бы то ни было относительно реликтового фона?

Можно также отметить, что сам факт выдвижения подобных экзотических гипотез для объяснения той или иной астрономической проблемы, свидетельствует о кризисе в астрономии.