Альтернативный взгляд на мироустройство

1.1 Теория относительности Эйнштейна

В классической физике предполагалось, что Вселенная существует вечно и безгранична в пространстве, которое заполнено однородным и неподвижным эфиром. В нём свободно без трения перемещаются тела и распространяются электромагнитные волны. Скорость их распространения в эфире постоянна и равна С. А скорость распространения волн относительно тел, движущихся в эфире со скоростью ±V, равна С ± V. Но опыты Майкельсона, Морли показали, что свет проходит между зеркалами, установленными на жёсткой основе за одинаковое время, независимо от того, размещены ли они вдоль направления движения Земли или поперёк него. Для объяснения этого было высказано предположение, что эфир увлекается движущимися телами, однако и оно было опровергнуто другими опытами.

В результате в физике наступил кризис понимания того, как устроен материальный мир. Для объяснения опытов Майкельсона и Морли два других физика, Фитцджеральд и Лоренц, выдвинули гипотезу о сокращении материальных тел в направлении их движения в эфире, который неподвижен и не увлекается телами. Но целостной физической теории они не создали. Это сделал Альберт Эйнштейн на основе радикального предположения, что эфира нет и свет распространяется в пустоте с постоянной скоростью относительно любых тел, независимо от направления и скорости их движения.

Теория относительности Эйнштейна, основанная на этом постулате, ломала все установившиеся представления об устройстве Вселенной и её законах. Абсолютное движение относительно неподвижного эфира, заполняющего пространство, перестало существовать. Движение в теории Эйнштейна стало, если можно так выразиться, абсолютно относительным. Согласно его теории, нельзя сказать, что тело движется или покоится. Можно говорить только о движении или покое тел друг относительно друга. Вместе с тем это как бы несуществующее движение порождает совершенно неожиданные явления.

В объекте, который движется относительно другого, время течёт медленнее, чем в том, относительно которого он движется, масса движущегося тела возрастает, и его размеры изменяются (сокращаются вдоль направления движения и увеличиваются поперек него). Дальнейшее развитие теории относительности Эйнштейном охватило неинерциальные движения (с ускорением и замедлением), гравитацию, а также пространство и время. В соответствии с этим теорию относительности Эйнштейна разделили на специальную и общую. Но мы будем говорить о ней в целом, используя в качестве сокращённого обозначения ТЭ.

Для того чтобы новая теория была принята взамен старой, к ней предъявляется ряд требований. Во-первых, она должна объяснять то, что объясняла старая, во-вторых – то, что старая объяснить не могла, и, в-третьих, предсказывать новые, до того неизвестные явления. Последнее считается особо важным качеством теории, претендующей на признание. И начало широкому признанию теории Эйнштейна положило предсказанное ею отклонение луча света при прохождении возле массивного тела, которое наблюдалось близ Солнца во время затмения. Его объяснили искривлением пространства, которое в теории Эйнштейна заменяет гравитационное притяжение тел. Казалось бы, этот результат мог интересовать только физиков-теоретиков, но он получил широкую огласку, всколыхнул всё общество и стал мировой сенсацией. О теории относительности Эйнштейна писали в газетах, её обсуждали в научных кругах, в светских салонах и в кругу простых людей (как говорили тогда – кучеров и прачек).

Это соответствовало общему настроению начала XX века, когда общество пребывало в ожидании радикальных перемен во всём, в том числе в науке и искусстве. Но многие физики противились радикальной ломке представлений, на которых зиждилось их мировоззрение. Да и сам Эйнштейн не от всего был готов отказаться. В частности, он, как его предшественники и современники, полагал, что Вселенная вечна, безгранична и стационарна. Однако советский физик Фридман показал, что из уравнений Эйнштейна следует нестационарность материальной Вселенной. Что она должна либо расширяться, либо сжиматься. Сам Эйнштейн долго не соглашался с этим и даже ввёл в свои уравнения член, позволявший сделать Вселенную стационарной. Разошлись по этому вопросу и мнения физиков.

Но через несколько десятилетий конец спорам и сомнениям положил американский астроном Хаббл. Он обнаружил красное смещение спектров излучения галактик – тем большее, чем дальше от нас они находятся. Красное смещение объяснили эффектом Доплера, вызванным разлётом галактик[2]. Это посчитали признаком расширения Вселенной и подтверждением справедливости как вывода Фридмана, так и теории относительности Эйнштейна, и она была положена в основу представлений о происхождении и эволюции Вселенной. А Эйнштейн вернул своё уравнение к первоначальному виду и до конца жизни считал наибольшей своей ошибкой введение в это уравнение члена, делавшего Вселенную стационарной.

Принятие этого уравнения полностью меняло существовавшее дотоле научное мировоззрение. Из него следовало, что Вселенная существовала не всегда. Что когда-то Вселенная была сосредоточена в исчезающе малом объёме (меньшем атомного ядра) и теперь занимает сферу ограниченного размера. Наблюдательная астрофизика стала факт за фактом и дальше подтверждать выводы ТЭ. Расстояние до максимально удалённых от нас видимых звёзд оказалось конечным и равным 13,4 млрд световых лет. А с несколько более далёкого расстояния (13,8 млрд световых лет) к нам со всех сторон приходит реликтовое электромагнитное излучение, возникшее первым после так называемого Большого взрыва. Отсюда были сделаны выводы как о возрасте Вселенной, не превышающем 14 млрд лет, так и о её ограниченном размере, имеющем вид сферы радиусом около 14 млрд световых лет, за пределами которой нет ничего, даже пространства. Хотя это противоречило интуитивным представлениям людей больше, чем наивное библейское, изображённое на картине, где любопытный человек высовывает голову за пределы звёздной сферы и видит там пустое пространство.

А когда начались ядерные исследования, стали подтверждаться и другие предсказания ТЭ. Подтвердилась эквивалентность массы и энергии, определяющаяся знаменитой формулой Эйнштейна Е = mс2. А в мощных ускорителях частицы невозможно было разогнать до скорости света, что было объяснено увеличением их массы, которая, согласно ТЭ, при приближении к скорости света должна была возрастать до бесконечности. Подтвердилось и предсказание ТЭ о замедлении времени в движущихся объектах: частицы, быстро распадающиеся в обычных условиях, при высоких скоростях движения во много раз увеличивали своё время жизни. А когда начались исследования в космосе, то с помощью сверхточных атомных часов было обнаружено замедление времени и на движущихся относительно Земли спутниках.

Можно ли было сомневаться в верности такой теории? Конечно, нет! Но тем не менее скептики оставались и приводили следующие возражения против ТЭ. Ещё в 1676 году датский астроном Оле Рёмер на основе наблюдений, проведенных в Парижской обсерватории, установил, что период обращения спутника Юпитера Ио зависит от того, движется Земля к Юпитеру или от него. Разница составляла 30 секунд. Это наблюдение многократно подтверждалось астрономами впоследствии. Его можно объяснить только тем, что скорость света, идущего от Ио, складывается со скоростью Земли при её движении к Юпитеру и вычитается при движении от него, как это следует из законов классической механики, но противоречит ТЭ.

А в июне 1964 года был подтверждён противоречащий ТЭ классический закон сложения скоростей при радиолокации Венеры. В опытах участвовали две американские обсерватории (Массачусетская станция и станция в Пуэрто-Рико) и Крымская обсерватория АН СССР. Условия эксперимента различались только тем, что благодаря вращению Земли в направлении с запада на восток приёмник отражённого сигнала в Крыму двигался навстречу Венере, а в Пуэрто-Рико – от неё. Согласно ТЭ, это не должно было сказаться на результатах измерения. Но задержка отражённого сигнала в СССР каждый раз оказывалась меньше, чем в Америке. Это можно было объяснить только сложением скоростей по законам классической механики. Брайан Уоллес показал, что результаты радиолокационных наблюдений Венеры, обработанные по законам Ньютона, и вычислений, сделанных по его же теоретическим формулам, идеально совпадают. В то время как подобные операции, выполненные по формулам ТЭ, дают расхождения, превышающие возможную ошибку наблюдений и вычислений в 170 раз. Эти сообщения научное сообщество по каким-то причинам проигнорировало.

А недавно обнаружились и другие несоответствия ТЭ наблюдаемым явлениям, которые невозможно было оставить без внимания. Согласно расчетам, скорость обращения звёзд вокруг центров галактик должна уменьшаться по мере увеличения расстояния от него. Но наблюдения показали, что звёзды, расположенные близко к центру, подчиняются этой закономерности, а более удалённые – нет (рис. 1). Расхождение расчётов с наблюдениями происходит не на какие-то проценты, а в разы. При таких скоростях вращения периферийных тел центробежные силы должны были бы разрывать галактики, но этого не происходит. Теоретики придумали простое объяснение этому несоответствию. Они предположили, что пустое пространство между звёздами заполняет некая невидимая «тёмная материя», которая, кроме создания дополнительной гравитации, ничем другим себя не обнаруживает. Для того чтобы в расчётах сошлись концы с концами, масса этой «тёмной материи» во Вселенной должна превышать массу всего прочего вещества в 5 раз.

Рис. 1. Орбитальные скорости движения звёзд в зависимости от расстояния до центра галактики

До обнаружения «темной материи» велись споры о том, начнёт ли Вселенная со временем сжиматься и в итоге снова стянется в точку или продолжит расширяться с замедлением. При этом ранее приходили к выводу, что для сжатия во Вселенной недостаёт гравитационной массы (точнее, её плотности). Теперь же её сжатие оказалось на грани возможного. В 1997 году была осуществлена проверка того, насколько замедлился разлёт наиболее удалённых звёзд и не стали ли они возвращаться назад. Результат оказался неожиданным и поверг астрофизиков и физиков-теоретиков в шок. Оказалось, что удалённые звёзды не только не возвращаются, напротив, их разлёт ускоряется! В рамках ТЭ объяснить это невозможно.

Физики-теоретики нашли выход из нового неприятного положения, подобный предыдущему, придумали «тёмную энергию», которая заполняет всё пространство и расталкивает присутствующее в нём вещество. При этом оказалось, что необходимое количество «темной энергии» в пересчёте на массу должно быть ещё больше, чем «тёмной материи». В связи с этим на долю известной нам материи осталось всего лишь 5% от общей массы Вселенной. На этом теоретики успокоились, но напрасно. Для того чтобы расчёты сходились с наблюдениями, пришлось предположить, что плотность «темной энергии» остаётся постоянной в пространстве, которое расширяется. Но последнее означает, что количество «темной энергии» во Вселенной постоянно увеличивается. А это нарушает закон сохранения энергии – фундаментальный закон физики, – что недопустимо. Двумя последними открытиями астрофизиков авторитет ТЭ был подорван непоправимо. Сегодня многие физики ставят вопрос о необходимости создания взамен ТЭ принципиально новой теории, которая позволила бы объяснить все наблюдаемые факты. Этому решили посвятить свою работу 200 участников конференции в Лозанне, посвящённой проблемам «темной материи» и «тёмной энергии».

Ученые говорят, что отрицательный результат не менее полезен, чем положительный, он обещает новые открытия. Кроме того, история науки показывает, что её достижениям служат и неверные представления. Так было с идеей, что носителем тепла является жидкость теплород, которая перетекает между соприкасающимися телами по правилам сообщающихся сосудов. Ею успешно пользовались для решения задач теплофизики. Полторы тысячи лет люди пребывали в заблуждении, полагая, что вся Вселенная вращается вокруг Земли. В эту схему не укладывалось движение планет, но Птолемей нашел математический выход из неприятного положения, приписав им движение вокруг Земли по замысловатым траекториям, эволютам и эвольвентам. Это позволяло предсказывать положение планет на небосводе, лунные и солнечные затмения с хорошей точностью. Ещё основательнее послужила науке теория относительности Эйнштейна. Однако критерием истинности теории является не наличие многих фактов, её подтверждающих, а отсутствие хотя бы одного факта, её опровергающего[3].

Почти одновременно с ТЭ возникла и параллельно с ней разрабатывалась ещё одна фундаментальная физическая теория – квантовая механика, описывающая закономерности микромира. Для целостного представления о закономерностях материальной Вселенной две указанные теории следовало свести воедино. Этому посвятил свою дальнейшую работу Эйнштейн, а вслед за ним и многие другие физики-теоретики. Однако их первоначальная уверенность в успешном решении указанной задачи не оправдалась. Попытки объединения ТЭ с квантовой механикой в единую всеобъемлющую теорию, которые делаются уже без малого сто лет, пока не привели к успеху, и перспективы его достижения не просматриваются. Вот что об этом пишет известный физик Брайан Грин в книге «Элегантная Вселенная (суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории)»:

«За последние полвека физики столкнулись с теоретическим противоречием, не уступающим противоречию между специальной теорией относительности и ньютоновской гравитацией. Выяснилось, что общая теория относительности, по-видимому, на фундаментальном уровне несовместима с другой чрезвычайно тщательно проверенной теорией – квантовой механикой… При объединении уравнений этих теорий правильно поставленные физические задачи дают бессмысленные ответы. Бессмыслица часто принимает форму прогноза, что квантово-механическая вероятность некоторых процессов равна не 20, 73 или 91%, а бесконечности. Но что же может означать вероятность, превышающая 100%, не говоря уже о бесконечности? Мы вынуждены заключить, что здесь есть какой-то серьезный порок».

И порок этот не в квантовой механике, многочисленные выводы которой, даже самые неожиданные, находят экспериментальные подтверждения, а в ТЭ. Некоторые её несоответствия действительности были отмечены выше, а о других будет сказано ниже.

После рождения квантовой механики физики вынуждены были признать, что пространство не пусто, а заполнено «физическим вакуумом». По сути, в облике «физического вакуума» физикам пришлось вернуться от пустоты к эфиру. Но эфиру, отличающемуся своими свойствами от эфира классической физики. «Физический вакуум» квантовой механики, как и классический эфир, заполняет всё пространство, невидим и неощутим, но, в отличие от классического эфира, обладает некой потенциальной энергией. Из неё формируются элементарные частицы, из которых строятся атомы и весь материальный мир. Рождаются эти частицы спонтанно (непредсказуемо) в произвольных точках пространства в виде пар антиподов. При встрече эти антиподы могут аннигилировать и бесследно исчезнуть, вновь обратившись в «физический вакуум». А из уцелевших частиц создаётся материальный мир.

Ошибка классической физики состояла в представлении о материальных телах как погружённых в эфир, но не состоящих из него и не взаимодействующих с ним. При этом одни физики полагали, что тела свободно перемещаются в неподвижном эфире, другие – что тела при перемещении увлекают эфир за собой. Но ни то, ни другое предположение не подтвердилось на опыте, что и привело к отказу от эфира в пользу пустоты и признанию ТЭ. Но «физический вакуум», заполняющий всё пространство, не пустота, и, по-видимому, именно это делает квантовую механику не совместимой с ТЭ.