Дельфис

Попробуем взглянуть по-новому на явление микроволнового фонового излучения. Напомним, что в 1965 году американские учёные А.Пензиас и Р.Вильсон [1] открыли существование однородного электромагнитного излучения (фонового излучения) с температурой 2,7 по шкале Кельвина. Частота излучения лежит в диапазоне 10–33 Ггц (1 Ггц = 10 млрд. гц). Это излучение является изотропным, то есть одинаковым во всех направлениях. В 1969 году другой американский учёный, Е.Конклин [2], обнаружил анизотропную (неравномерно распределённую по направлениям) компоненту этого фонового излучения; её температура составляет 3,35 милликельвина, что в 1000 раз слабее основного (изотропного) фона. Анизотропия в данном случае означает, что слабая компонента излучения неодинакова в разных направлениях. Выделяется направление с экваториальными координатами (на эпоху 2000.0): прямое восхождение a = 13 час. 17 мин., склонение d = – 21°. Этот участок неба расположен в созвездии Гидра. Интересно, что в области созвездий Гидра и Центавр находится также гипотетический объект, названный в литературе Главным Аттрактором. Эта область неба является довольно обширной и не связана с каким-либо наблюдаемым компактным образованием. Положение Главного Аттрактора найдено с помощью вычислений: астрономы сложили вектора скоростей всех известных галактик и их скоплений и получили, что с точки зрения земного наблюдателя все крупные объекты Вселенной движутся (притягиваются) к некоторой области. Очень важно подчеркнуть, что анизотропная компонента микроволнового фонового излучения, найденная экспериментально (путём наблюдений), также расположена в районе Главного Аттрактора.

Изотропная (сильная) компонента излучения получила название монопольной, а анизотропная (слабая) — дипольной. В самом названии «микроволновое фоновое излучение» заложена информация о том, что учёные рассматривают его как фон, на котором происходят все явления во Вселенной. Иногда его называют реликтовым. Такое наименование присутствует, в основном, в советской, а позднее в российской научной литературе. Происхождение данного названия связано с представлением о Большом Взрыве и с теорией горячей Вселенной Гамова. В соответствии с этой теорией, высокочастотное электромагнитное излучение возникло на одном из ранних этапов эволюции Вселенной, зародившейся в результате взрыва — мгновенного расширения сверхплотного компактного объекта — «зародыша» современной Вселенной. Учёные даже посекундно рассчитали последовательность различных этапов новорождённой Вселенной. Они убеждены, что наблюдаемое в настоящее время фоновое электромагнитное излучение имеет такой же возраст, как и сама Вселенная (по разным оценкам, 10–20 млрд. лет). Отсюда и его название — реликтовое.

Указанные выводы основаны на математических расчётах. Теоретической базой современной релятивистской космологии является один достаточно узкий класс нестационарных (зависящих от времени) решений уравнений общей теории относительности (ОТО), полученных русским математиком Александром Фридманом в 20-е годы прошлого века. Согласно его предположениям, пространство современной Вселенной является однородным (все точки равноправны) и изотропным (все направления равноправны). Полученные в рамках этих допущений решения дают ряд моделей, обладающих следующими свойствами: время в них течёт равномерно (как в галилеевой¹ системе отсчёта в плоском пространстве-времени), а пространство не вращается и не гравитирует. Оно лишь деформируется одинаково во всех направлениях. Эти решения получены как ответ Фридмана Эйнштейну. Известно, что Эйнштейн утверждал: модель Вселенной должна быть обязательно стационарной. Фридман в ответ получил целый класс нестационарных решений, о чём и сообщил Эйнштейну. Через некоторое время Эйнштейн признал правоту Фридмана.

^{В.Черноволенко. Озарение. 1966}

Однако здесь речь идёт лишь о математической корректности решений Фридмана, но сами последствия их спора мы пожинаем до сих пор. В подходе Фридмана модель Вселенной строится с позиции наблюдателя, удалённого от небесных тел. Действительно, для него все объекты Вселенной равномерно распределены в пространстве и находятся от него на таких огромных расстояниях, что он не замечает ни гравитационного притяжения, ни взаимного движения небесных тел. Между тем их расположение следует строгой иерархической системе, согласно которой менее крупные тела вращаются вокруг более крупных, подчиняясь гравитационному притяжению. Кроме того, гравитационные поля менее крупных тел являются частями гравитационных полей более крупных тел. А наличие гравитации и вращения приводит к неравноправию всех точек пространства (имеются центры притяжения) и неравноправию направлений (существуют оси вращения). Немаловажно также отметить, что реальный наблюдатель находится на Земле, то есть в гравитационном поле Земли, Солнца, Галактики и т.д. Все эти очевидные факторы не учитываются во фридмановских моделях, потому что конечной целью построения было нахождение нестационарной модели. Однако такой подход прижился, ибо прост с математической точки зрения. Более того, космологи считают, что он применим на всех этапах развития Вселенной, начиная с её зарождения до возможного конца.

Итогом вышеуказанного подхода является неограниченная экстраполяция решений как в прошлое (зарождение Вселенной), так и в будущее, включая её конец. Некоторые решения описывают сценарий, в соответствии с которым Вселенная возникла в результате Большого Взрыва сверхплотного (сингулярного) объекта и с тех пор всё расширяется. Слово «сингулярный» означает особенный, единственный в своём роде. Реальным аргументом в пользу подобной теории может послужить только наблюдаемое красное смещение² в спектрах далёких галактик. Однако утверждение о том, что микроволновое фоновое излучение есть остаток вещества, образовавшегося в процессе взрыва «зародыша» Вселенной, никаких экспериментальных подтверждений не имеет.

Таковы в общих чертах основные следствия теории горячей Вселенной, образовавшейся в результате взрыва первоначального сингулярного объекта, и картина микроволнового фонового излучения, созданная трудами современных космологов. Но одно и то же явление можно рассматривать с разных сторон. При этом основным критерием правильности выводов в науке должны служить аргументы, полученные экспериментальным путём. Мы представим экспериментальные обоснования, на базе которых будет предложена совершенно иная концепция микроволнового фонового излучения, основанная на результатах исследований в области радиологии.

Сравнительный анализ микроволнового фонового излучения и излучения водной поверхности нашей планеты позволяет сделать следующий вывод: микроволновое фоновое излучение имеет земное происхождение и представляет собой, в основном, излучение земных океанов, а также всех планетных источников, содержащих в своём составе значительное количество воды [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10]. Микроволновое излучение есть результат коллективного резонанса колеблющихся молекул воды.

Очевидно, к источникам, содержащим большое количество воды, относится и человеческое тело. Исследование характера излучения человеческого мозга и других частей тела, осуществлённое посредством сканера, полностью подтверждает эту гипотезу. Результаты измерений микроволнового излучения, проводимых на поверхности Земли и на разных высотах от неё, также находятся в контексте концепции именно земного происхождения указанного излучения. Особенно этот эффект проявляется при измерениях его анизотропной составляющей: чем дальше от поверхности планеты производятся измерения, тем чётче сказывается анизотропия. А подобные измерения проводились и на поверхности планеты, и с высоты летящего самолёта, и со спутника. Отслеженный результат легко объяснить тем, что вблизи поверхности существует много сигналов, испускаемых водой, растениями и другими источниками. Понятно, что при удалении от поверхности вклад множественных слабых источников уменьшается, и тогда более чётко проявляется лишь излучение, порождаемое океанами. Также ясно, что по мере удаления от поверхности монопольная составляющая излучения должна ослабевать обратно пропорционально кубу расстояния, асимптотически стремясь к нулю. Это полностью соответствует классической концепции электромагнетизма.

Полученные результаты измерений требуют теоретического обоснования. Мы предлагаем модель, построенную в рамках ОТО. В основе данной модели лежат следующие предположения: 1) микроволновое излучение планеты есть результат проявления структуры самого пространства-времени, в одной из областей которого расположена наша планета; 2) в каждой области пространства-времени существует поле вращения, являющееся частью глобального поля вращения Вселенной; 3) пространство-время не является пустым, оно заполнено электромагнитным излучением; 4) анизотропия микроволнового излучения обусловлена движением Земли (источника излучения) в определённом направлении, то есть эффектом Доплера³.

Изложенная постановка задачи диктует чёткую последовательность действий, необходимых в рамках используемой теории. Вначале строится метрика пространства-времени, включающая глобальное поле вращения и применимая для описания конкретных условий, в которых производится эксперимент. В данном случае нас интересует математическое описание движения спутника, вращающегося в состоянии невесомости в гравитационном поле Земли. В качестве исходной мы рассматривали метрику, описывающую в квазиньютоновом приближении гравитационное поле, созданное центральным телом. Поскольку важны результаты измерения, произведённые со спутника, мы исследовали его движение (вращение вокруг Земли) в плоскости орбиты. И, наконец, самое главное: мы предположили, что в каждой точке исследуемого пространства-времени существует поле вращения. Нахождение математической структуры данного поля и было нашей главной задачей.

Вопрос о том, почему мы ввели поле вращений, является центральным для поставленной задачи. Но точного ответа на него мы дать пока не можем, приведём лишь некоторые аргументы в пользу наличия этого поля. Согласно исследованиям как ближайших окрестностей Земли, так и крупномасштабной структуры Вселенной, её пространство содержит гравитационные поля, сходные по структуре. Любое центральное тело (Солнце, Центр Галактики, Центр Местной группы галактик и т.д.) создают свои гравитационные поля. Планеты, звёзды, галактики вращаются вокруг соответствующих центров притяжения. Например, планеты вращаются вокруг Солнца, Солнце вместе со всеми входящими в его систему телами (планетами с их спутниками, астероидами, кометами) — вокруг Центра Галактики. Можно думать, что подобная ситуация имеет место и для структур более крупного масштаба — скоплений и сверхскоплений галактик. Мы можем рассматривать цепочку относительных вращений как проявление некой глобальной силы (поля), приводящей в движение миры разных ступеней бесконечной иерархической лестницы, на которой мельчайшей частицей является атом.

Проблема нахождения монопольной составляющей микроволнового фонового излучения сводится к ряду вычислений, осуществляемых в рамках ОТО. Вначале мы получили систему из 10 уравнений Эйнштейна для метрики рассматриваемого пространства-времени, заполненного электромагнитным излучением. Искомой величиной здесь является поле вращения. Однако правые части уравнений содержат также неизвестные пока характеристики электромагнитного поля (плотность энергии, плотность потока энергии, тензор напряжений). Указанные характеристики являются компонентами тензора энергии-импульса электромагнитного поля. Как известно, тензор энергии-импульса любого материального поля подчиняется законам сохранения энергии. Получив 4 уравнения закона сохранения, мы увидели, что все искомые характеристики этого поля выражаются через физические характеристики пространства — гравитационный потенциал планеты, угловую скорость вращения спутника, производные компонент поля вращения. Фактически в данной задаче мы решили проблему геометризации электромагнитного поля⁴, существующего в заданном пространстве-времени. Теперь оставалось только получить решение уравнений законов сохранения и найти таким образом точное математическое выражение для поля вращения.

Уравнения законов сохранения оказались с виду очень громоздкими. Тем не менее, они имеют весьма простое решение: вектор линейной скорости вращения пространства n = Treij, где Т(t) — функция времени, r — радиальная координата, e — основание натурального логарифма, i — мнимая единица, j — угловая координата, характеризующая угол поворота спутника при его орбитальном движении. Конкретный вид функции времени мы нашли, воспользовавшись условием равенства нулю следа тензора энергии-импульса электромагнитного поля. Вещественная часть функции времени: ReT(t) = –w2t, где w — угловая скорость вращения спутника. Зная функцию времени (следовательно, и точное выражение для вектора линейной скорости поля вращения), можно было легко вычислить значения характеристик электромагнитного поля.

Оказалось, что поток энергии для микроволнового излучения равен нулю, а его плотность убывает обратно пропорционально кубу расстояния от земной поверхности. Так подтвердилось предположение о том, что источником этого излучения является сама планета. В противном случае, если бы это излучение было остатком взрыва «зародыша» Вселенной, его плотность не должна меняться с расстоянием от поверхности планеты. Окончательные же выводы можно будет сделать лишь после обработки результатов измерений спутника «Планк». Планируется, что он будет запущен 31 октября 2008 года. Вначале спутник сделает замеры на расстоянии 900 км от земной поверхности, затем его направят в одну из точек Лагранжа⁵, находящуюся на расстоянии 1,5 млн. км от Земли. Мы ждём, что в этой точке монопольная компонента практически не будет наблюдаться из-за большой удалённости от источника электромагнитного дыхания планеты — воды земных океанов, осцилляции молекул которой и создают этот фон. Мы считаем, что Вселенная, так же как и любая её часть, живёт и функционирует в разнообразных ритмах, подобно организму любого живого существа. Вселенная — не остывающее тело, зародившееся миллиарды лет тому назад, а живой организм, каждая часть которого проявляется по-своему. И один из ритмов Земли — пульсации в микроволновом диапазоне электромагнитного излучения, обусловленные процессами, происходящими в водной среде.

До сих пор мы в основном говорили о сильной (монопольной) составляющей микроволнового фонового излучения. Как же объяснить происхождение её слабой (дипольной) компоненты, проявляющейся как анизотропия распределения температуры, чья величина не зависит от расстояния от поверхности планеты? Конечно, на самой поверхности анизотропию наблюдать трудно из-за того, что множественные источники сильной компоненты излучают одновременно, создавая различные помехи. Но при некотором удалении от поверхности результаты измерений уже не зависят от высоты. Проще всего предположить, что имеет место эффект Доплера, обусловленный движением Земли в пространстве в определённом направлении. Ранее было сказано, что оно фиксируется в пределах протяжённой области неба, определяемой как Главный Аттрактор. Данная область найдена чисто математическим путём. Просто учёные захотели узнать, куда смотрит результирующий вектор скоростей всех известных в настоящее время галактик и их скоплений разного масштаба с точки зрения земного наблюдателя. С учётом разброса данных, получилось, что вектор может быть направлен в пределах именно этой области, а его величина заключена в интервале 350–365 км/c. Здесь особенно интересно первое число, так как именно эту величину Н.А.Козырев в своё время рассматривал как скорость течения времени. Будем считать, что Земля движется относительно некоторого невидимого источника, расположенного в районе Главного Аттрактора. Тогда можно надеяться, что измерения анизотропии микроволнового излучения указывают точные координаты невидимого источника, притягивающего крупномасштабные структуры Вселенной.

Теперь вновь обратимся к ОТО и с помощью её методов найдём теоретическое объяснение наблюдаемой анизотропии излучения. Дело в том, что эффект Доплера имеет объяснение лишь в классической (нерелятивистской) физике. Пусть Земля движется в некотором направлении равномерно и прямолинейно со скоростью V. Применив преобразования Лоренца и подставив их в рассматриваемую ранее метрику, мы получим метрику пространства-времени в новых координатах. Она учитывает факт движения источника микроволнового электромагнитного излучения (Земли) в пространстве. Поскольку старая метрика содержала поле вращения, то его взаимодействие с поступательным движением планеты породит ряд интересных эффектов. В частности, появится деформация пространства, зависящая от скорости V. Кроме того, эта скорость войдёт в вектор гравитационно-инерциальной силы, определяющей поле тяготения, и внесёт вклад в кривизну трёхмерного пространства.

Измерения микроволнового излучения сводятся к подсчёту фотонов, распространяющихся в разных направлениях. Фотоны (кванты электромагнитного поля) движутся вдоль особых линий, называемых изотропными, или нулевыми. Последнее название обусловлено тем, что эти линии имеют нулевую четырёхмерную длину. Но их трёхмерная длина отлична от нуля, и величина её равна длительности⁶. Поэтому фотоны можно рассматривать как посредников между пространством и временем: для них разница между этими категориями отсутствует. Движение фотонов в данном пространстве-времени определяется путём решения уравнений нулевых геодезических. В результате мы получили, что фотоны, испускаемые поверхностью планеты в радиальном направлении, отклоняются в направлении движения планеты. Отношение разности скоростей фотонов, испускаемых неподвижным и движущимся источниками излучения, к скорости фотона от неподвижного источника равно V/c, где с — скорость света. Оно в точности равно отношению разности длин волн (частот) движущегося и неподвижного источников, как это имеет место в эффекте Доплера.

Интересно отметить, что в классической физике эффект Доплера объясняется тем, что при движении объекта в направлении излучающего источника спектральные линии излучения источника смещаются в фиолетовую сторону, так как линия, соединяющая источник и объект, сжимается. Следовательно, длина волны света l получается короче. Это означает, что частота света n, связанная с длиной волны формулой l = с/n, становится выше (линии спектра смещаются в фиолетовую сторону). Соответственно, при удалении источника от объекта траектория света как бы растягивается. Поэтому длина волны увеличивается, следовательно, частота уменьшается, и линии спектра смещаются в красную сторону (красное смещение). В ОТО объяснение данного эффекта выглядит иначе, так как оно вытекает непосредственно из решения уравнения нулевых геодезических и, очевидно, определяется физическими свойствами исследуемого пространства-времени. В нашей задаче из решения уравнения геодезических следует, что частота фотона в рамках сделанных приближений не меняется. Точнее, имеют места изменения частоты второго порядка малости, называемые в литературе эффектом Доплера 2-го порядка. А эффект Доплера 1-го порядка (классический эффект Доплера) в свете ОТО связан не с изменением частоты волны, но с зависимостью скорости света от наличия или отсутствия движения источника излучения в пространстве-времени. Но из этого ни в коем случае не следует вывод о том, что скорость света механически складывается со скоростью источника. Дело в том, что само движение в пространстве-времени меняет его структуру: даже в отсутствии поля вращений наличие поступательного движения приводит к дополнительному искривлению трёхмерного пространства [11]. Это искривление как раз и приводит к анизотропии скорости света в направлении движения источника. Таким образом, мы показали, что анизотропия скорости света (эффект Доплера 1-го порядка) не зависит от расстояния от источника. Теперь остаётся только ждать запуска космического аппарата «Планк» и надеяться на то, что проведённые с его помощью измерения подтвердят новую концепцию микроволнового излучения как излучения нашей планеты, летящей вместе с нашей и другими галактиками в сторону Главного Аттрактора.

Москва–Колумбус (США)

^{В.Черноволенко. Отблески. 1967}