Раз - Вселенная, два - Веленная (начало)

Это размышления о космологии - о черных дырах и множественных вселенных. Мои мысли почти наверняка не являются оригинальными идеями. Это, скорее, компилляция чужих идей и обрывков статей, отраженных в сознании дилетанта. Написано на эту тему уже невероятно много, и у меня просто нет сил и способностей для того, чтобы всерьёз освоить физическую литературу про черные дыры и космологию со всей прилагающейся математикой. Некоторые мысли приходили мне в голову самостоятельно, но и они, наверняка, не оригинальны.

Правильнее всего, думаю, начать со СТО.

Когда после долгих раздумий первые проблески понимания СТО осветили туман в моей голове, я необычайно вдоховился идеей, что любые расстояния относительны, и что изменение скорости может превратить сколь угодно большое расстояние в сколь угодно маленькое. И, значит, даже такое невообразимо гигантское пространство, как пространство Вселенной, если только оно конечное, при достижении наблюдателем (почти) скорости света, сожмется в плоский "блин" (почти) нулевой толщины, с застывшим временем.
Продолжив движение, наблюдатель быстро вылетит из "блина" нашей Вселенной, и окажется, фактически, в другой Вселенной, движущейся (почти) со скоростью света относительно нашей. Хотя это будет всё то же единое пространство Минковского, и, скорее всего, оно должно быть совершенно пустым - иначе пролёт нашей "сплющенной" Вселенной сквозь ту Вселенную стал бы катастрофой вселенского же масштаба.
На сплющивании Вселенной в плоскость моё воображение не останавливалось, мне хотелось большего. Я полагал, по наивности, что, если бы теперь воображаемый наблюдатель мог (повернув двигатели) снова разогнаться до скорости света в направлении перпендикулярном первоначальному направлению, то исходная Вселенная превратилась бы из плоскости в тонкую линию. А, если бы наблюдатель разогнался еще раз, используя третье, последнее пространственное направление, то вся наша нынешняя огромная Вселенная для него сжалась бы из прямой линии в крохотную точку. Только подумайте: ВСЯ Вселенная - в точку!
Я был в восторге от этой идеи, мне показалось, что я углядел некий гениальный "божественный" замысел, заключенный в столь поразительной гибкости, безразмерности пространства - оказалось, что наш гигантский мир может обернуться крошечным, карманным, можно сказать, одним "легким движением руки"  - изменением скорости.

Очень быстро, однако, я сообразил, что заблуждался. Что, во-первых, релятивистское правило сложения скоростей не позволит превратить плоскость в линию, а линию - в точку. Максимум, что можно достичь, - это сплющить пространство в плоский блин, перпендикулярный направлению движения... сколько ни поворачивай. Во-вторых, я не учел того, что пространство Вселенной расширяется, причем, на большом удалении от точки наблюдения, расширяется со скоростью, превышающей скорость света во много раз. Поэтому до скорости света можно разогнаться только относительно небольшого локального участка Вселенной, а не относительно всей Вселенной целиком. Ну, и в-третьих, конечность Вселенной тоже остается под вопросом, равно как и ее кривизна.

Тем не менее, сама идея о возможности уместить в малом объеме, или даже в точке, целую Вселенную, видимо, угнездилась где-то в угоке моего сознания. И когда позже я стал повнимательнее присматриваться к моделям черных дыр, у меня появилось растущая уверенность, что и господь Бог (или природа - как кому больше нравится) тоже не пренебрег этой возможностью...

Расширение пространства Вселенной.

Наша Вселенная расширяется во всех направлениях. Все далёкие объекты космоса удаляются от нас со скоростями, прямо пропорциональными расстоянию до них. Таков закон Хаббла. Экстраполируя назад во времени траектории их движения, ученые пришли к единственно возможному выводу: 14 млрд. лет назад все космические объекты, какие мы видим, разлетелись практически из одной точки, из очень маленькой области пространства, где плотность вещества в этот начальный момент (его принято называть "Big Bang" - момент "большого взрыва") была чудовищно высока. И значит, даже если сегодня наша видимая Вселенная имеет массу и диаметр недостаточные для того, чтобы казаться воображаемому "внешнему" наблюдателю черной дырой, то в прошлом она такой черной дырой несомненно была. Это самый важный факт, который мы должны ясно понимать и помнить в дальнейших рассуждениях.
К слову, Эйнштейн, на момент публикации ОТО, не предполагал, что пространство всей Вселенной расширяется. Он считал, что Вселенная бесконечна и стационарна, и впоследствии называл это своей главной научной ошибкой. Модель нестационарной замкнутой Вселенной с ненулевым и меняющимся коэффициентом кривизны, т.е., Вселенной, способной расширяться и сжиматься, была предложена Михаилом Фридманом в 1922 году.
  Непростым моментом, требующим обязательного объяснения, является то, что на три разных вопроса: "как определяют скорость?", "как определяют расстояние?", и "как определяют возраст?" в отношении очень далеких объектов космоса, вы чаще всего получите один ответ: "по красному смещению". Стоп... Это как же? Скорость удаления объекта по красному смещению (доплер-эффекту), действительно, можно определить, хотя и тут нужно знать, какой из формул следует пользоваться: формулы вычисления доплер-смещения для СТО и для раздувающегося координатного пространства совершенно разные. Но потом, чтобы определить по скорости наблюдаемый "возраст" объекта, нужно знать расстояние, на которое мы с ним разлетелись. А чтобы по скорости определить расстояние, надо знать "возраст" (время жизни от момента Большого Взрыва). Не возникает ли из-за этого неоднозначность и путаница, не пытаемся ли мы по одному известному вычислить два неизвестных?

  К счастью, нет. Потому что имеются дополнительные способы определения расстояний до галактик - в основном, по силе светимости звезд определенных классов, называемых "стандартными свечами" - цефеид, красных гигантов, сверхновых, - светимость которых точно известна. Степень рассеяния света, идущего от них, и, соответственно, ослабление их светимости дает примерное представление о расстоянии, с точностью до сотни КПарсек.  Приблизительное знание расстояний до галактик и позволило открыть закон Хаббла. Оно же позволило выбрать метод вычисления расстояния по красному смещению - отказаться от вычисления по формуле СТО, и остановить выбор на формуле для расширяющегося пространства. Поясню: если бы галактики разлетались в статичном пространстве Минковского, как осколки взрыва колоссальной мощности, то значительная часть их удалялась бы от нас почти со скоростью света, но не выше(!). Все они находились бы от нас на расстоянии некой сферы - свего рода космического "горизонта" (14 млрд.св.лет, для нынешнего "возраста", значит, видели бы мы их на половинном расстоянии - 7млрд.св.лет). И, находясь почти на одном расстоянии, они сильно различались бы по величине красного смещения, из-за разницы замедления времени, резко нарастающей с приближением к скорости света. Но такая картина не наблюдается в действительности. Расстояния до многих видимых галактик существенно больше, чем 7 млрд.св.лет, самые далекие обнаруживаются на расстоянии более 13 млрд.св.лет от нас, т.е., их возраст от момента Большого взрыва меньше одного миллиарда лет. И красное смещение их спектров как раз соответствует модели расширяющегося пространства.
  К примеру в "Википедии" приведены данные о галлактике UDFj-39546284 — компактной галактике, состоящая из голубых звёзд, которые удалены на 13,4 миллиарда световых лет, а их возраст всего 380 миллионов лет после Большого взрыва. Из-за красного смещения эта галактика на снимках выглядит темнокрасной, а не голубой.
  Думаю, и тут требуется пояснение. Любой наблюдатель может с равным правом считать себя "неподвижным центром расширения Вселенной", т.к. краёв Вселенной мы не видим и она представляется равномерно расширяющейся во всех направлениях. Следовательно, в нашей СО, мы всегда расположены в нулевой точке, а упомянутая галактика через 380 миллионов лет после Большого Взрыва удалилась от нулевой точки на некоторое расстояние Х, вследствие расширения пространства. Величина Х была большей, чем 380 миллионов св.лет, поскольку ограничение предельной скорости, известное из СТО, не действует в отношении расширяющегося пространства. Я не хочу здесь пускаться в точные вычисления, а хочу дать только качественную картину; поэтому, допустим, что Х был равен 1 млрд.св.лет.
Именно в этот момент (возраст - 380 мл.лет; расстояние - 1млрд.св.лет) был испущен галактикой свет, который дошел до нас сейчас - через 13.5 миллиарда лет после того, как он был испущен. Т.е., свету потребовалось 13.5 миллиарда лет на то, чтобы преодолеть расстояние в 1млрд.св.лет! Из-за чего? Всё из-за того же расширения пространства. Наилучшей иллюстрацией происходящего со светом мне кажется пример паучка, бегущего по паутинке от края к центру с постоянной скоростью С, в то время как некий человек, взявшийся за край паутины, растягивает ее со скоростью V, большей чем С: V>C. В первые секунды движения паучок будет не приближаться, а УДАЛЯТЬСЯ от своей цели, но, если человек, растягивающий нить паутины, продолжит двигаться с постоянной скоростью, а паучок неутомим и настойчив, он непременно достигнет центра паутины. Правда, у него уйдет на это много больше времени, чем на бег по неизменяемой, нерастянутой паутинке.
  На "паутинке" нашего мира вокруг нас есть некая сферическая, стремительно расширяющаяся поверхность, от которой паучок-свет бежал к нам все 14 миллиардов лет существования Вселенной, - он, этот свет, и есть знаменитое реликтовое излучение. В начале Вселенной эта сфера была крохотной (почти точкой), а сейчас находится много дальше расстояния в 14 млрд. св.лет. Вероятно, при условии равномерного расширения, где-нибудь на удалении в 50-60 млрд. св.лет, такую оценку я встречал. Вот только с "равномерным расширением" проблемы.
  Равномерность расширения Вселенной означает постоянное во времени, в прошлом и будущем, соблюдение линейного закона Хабла - те объекты, которые удалились от нас за 14 млрд. лет на некоторое расстояние "r", прямо пропорциональное их наблюдаемой скорости, и раньше (все 14 млрд.лет) удалялись с этой же скоростью, и в будущем продолжат удаляться с постоянной скоростью. Т.е., закон Хабла всегда был и останется линейным, только коэффициент пропорциональности в нем ("постоянная" Хабла, которая, конечно, никакая не постоянная во времени) будет изменяться.
  Тут есть некая сложность для понимания и расчетов, поскольку линейная зависимость скорости от расстояния (где скорость определяется величиной "красного смещения"), вовсе не означает линейной зависимости времени прохождения светового сигнала от расстояния. Как раз из-за упомянутой истории со световым "паучком". И степень растяжения пространства - масштабный фактор, определяющий красное смещение, - тоже нелинеен по времени: скорость разбегания объектов сохраняется, но быстрота растяжения пространственной "паутины" (и соответствующего увеличения длины волны) падает. Приведу пример: для того, чтобы чтобы определить, с какого расстояния должен к нам сейчас приходить свет от объектов, удаляющихся со скоростью света v=C, приходится сначала выяснить, за какое время масштабный фактор вырос в два раза (z=1 в формуле космологического красного смещения) - в одной из умных книг написано, что примерно за 10 млрд.лет (спасибо, самому не сосчитать), - потом вычесть эти 10 млрд из 14 млрд.лет (возраст Вселенной), получить время - 4 млрд.лет от начала мира и, соотв-но, расстояние в 4 млрд св.лет от нулевой точки для объекта с такой скоростью. Стало быть, сейчас этот объект находится от нас на расстоянии 14 млрд.св.лет (что очевидно), но длина волны света, идущего от него растянулась только в 2 раза.
    
 
     
Ускоренное расширение Вселенной, попытка объяснения

  Так вот, проблема с "равномерным расширением" заключается в том, что Вселенная, по наблюдениям, последние несколько миллиардов лет расширяется с ускорением. Если бы расширение замедлялось - а, вроде, так и было в более ранний период,- это было бы понятно и легко объяснимо действием гравитации: первоначальная энергия Большого Взрыва исчерпалась, обратилась в огромную массу разбегающегося Космоса, а теперь эта масса начинает тормозиться собственным гравитационным полем. Но расширение почему-то ускоряется, и мы должны предположить либо новый гигантский внутренний приток энергии (т.наз., "темной" энергии), либо...
  Хм! А ведь нам отлично знакома ситуация, когда свободно летящие тела начинают ускоряться, - это происходит, когда они куда-то падают! Запомним эту мысль (как раньше запомнили мысль о том, что наша Вселенная для внешнего наблюдателя - черная дыра). И теперь задумаемся: когда мы предположили, что под действием гравитации разбегание должно остановиться, а затем превратиться в сближение, мы априори предполагали, что Вселенная будет сжиматься точно так же, как она расширялась - синхронно и симметрично во времени. Как будто мы видим прокручиваемое в обратную сторону "кино" - шарик раздулся, шарик сдулся.
  Но, позвольте, не может быть так! Механизм начального этапа расширения Вселенной совершенно не похож не механическое разбегание материи в гравитационном поле, направленном обратно, к центру Большого взрыва. И, потому, дальнейшее ее движение, даже если оно происходит под действием одной только гравитации, вовсе не обязано быть симметричным и одновременным возвращением в ту же точку. Самой этой точки больше нет в нашем пространстве - вот что важно! Она теперь либо равномерно "размазана" по всему пространству (ибо мы приняли гипотезу, что любая точка нашего пространства может считаться центром расширения), либо находится вне наших трёх измерений - в направлении, перпендикулярном любой из 3-х координат нашего пространства. Это довольно трудно представить, не спорю. Но вспомним, что наиболее понятная и часто используемая упрощенная модель нашего мира это двумерная, плоская поверхность трехмерной сферы, подобная поверхности Земли, на которой можно двигаться только по двум направлениям: север-юг и запад-восток. Такая поверхность безгранична, но конечна по площади. Таким же - безграничным, но конечным - является, по предположениям физиков, пространство Вселенной, только оно не двумерное, а трехмерное, поэтому речь идет о конечном, замкнутом объеме, при отсутствии какого-либо края. А сфера, на которой такое трехмерное пространство расположено, стало быть, - четырехмерная сфера.
  Геометрически центральная точка сферы расположена вне ее поверхности - в центре сферы. Точно также, ценральная точка четырехмерной сферы находится вне трехмерного пространства на ее поверхности. Спрашивается - и это вопрос на засыпку!, - может ли вектор гравитации внутри трехмерного пространства быть направлен в точку, не принадлежащую этому пространству, а именно, в направлении, ортогональном всем трем координатным осям этого пространства? Если да, тогда, действительно, можно поговорить об одновременном сжатии сферы в исходную точку. Если же такое "внепространственное" действие гравитации невозможно - а все, что я знаю из физики, не предполагает такой возможности - то возможным является только "сползание" материи, в пределах сферического пространства, к некоему спонтанно возникшему в нем центру притяжения, и ни о каком одновременном синхронном схлопывании Вселенной снова в точку тут и речи не может быть. Более того, движение материи с ускорением, направленным к центру притяжения, расположенному на противоположной стороне сферы, приведет именно к ускоренному увеличению расстояний между удаленными объектами пространства, трудно отличимому от ускоренного расширения пространства - того самого ускоренного расширения, о котором нынешние космологи говорят с явным недоумением.  
   
 Справедливости ради, вспомним еще один сценарий будущего развития Вселенной, отличный от пульсирующей (расширение-сжатие) Вселенной, - энтропийный. По этому сценарию, расширение продолжится бесконечно, вещество Вселенной разлетится все дальше и дальше, утратит всякие физические связи, гравитации будет недостаточно, чтобы удерживать разбегающиеся галактики, и они потихоньку потухнут. Скучный сценарий, безопасный, но тоскливый какой-то... нет в нем никакого "перпетум мобиле", вечного движения. И как же он объясняет ускоренное расширение Вселенной? А никак...

Падение в гигантскую черную дыру.

Поразмышляем о падении материального тела в черную дыру гигантской массы и, соответственно, очень большого диамера. Почему не в маленькую? Потому, что падение в маленькую черную дыру  уничтожает(разрывает) любой материальный объект еще до его попадания внутрь. К тому же, в малых ЧД действуют, наряду с гравитацией, квантовые законы, которые я и не умею, и не хочу моделировать. Мой интерес сейчас - космология, т.е., судьба всей Вселенной. А к космологии самое прямое отношение должны иметь, прежде всего, гигантские черные дыры, пусть и абсолютно гипотетические. Например, с массой, эквивалентной массе материи всего видимого космоса. Или хотя бы галактического кластера. У таких ЧД кривизна пространства у "горизонта событий" совсем мала, и падение внутрь, за горизонт, должно происходить совершенно неприметно для проваливающегося туда наблюдателя. Точно также рыба, увлекаемая течением большой реки в огромный водопад, не почувствует того момента, когда она уже не сможет уплыть вверх по течению и избежать падения вместе с массой текущей воды. Таково мнение почти всех ученых, каких я слышал: пересечение горизонта гигантской ЧД произойдёт незаметно для падающего в нее наблюдателя. Но что произойдет с наблюдателем дальше, внутри черной дыры? Он останется невредим или молниеносно погибнет?

Это самым критическим образом зависит от того, явится ли пространство внутри ЧД для наблюдателя, угодившего в неё, большим или меньшим, чем наружный объем ЧД. И здесь мы неизбежно приходим к развилке судеб воображаемого наблюдателя, и обязаны рассмотреть их оба варианта.


Если с наблюдателем, и любым телом, пересекшим горизонт гигантской ЧД, не произойдет никаких немедленных метаморфоз, значит, пространство внутри ЧД тоже является трехмерным. Но оно, при этом, не является частью внешнего трехмерного пространства; на его месте во внешнем пространстве просто дырка. И потому, никакие координатные оси, никакие системы координат внешнего пространства не могут быть продолжены внутрь ЧД или наложены на нее. В частности, довольно нелепа, хотя и объяснима, попытка описать предполагаемые процессы внутри ЧД в полярных координатах, начало которых отсчитывается от центральной сингулярности ЧД; ведь эти координаты на самом деле привязаны к наружному пространству вокруг черной дыры, внутри её их попросту нет. Координатное пространство внутри ЧД даже не ортогонально нашему, оно просто другое, отдельное. Причем, оно отдельное и во времени, о чем еще поговорим. Разумеется, что и в нем есть некая поверхность, которая воспринимается как граница с нашей Вселенной, но ни размеры этой поверхности, ни объем пространства внутри ЧД совершенно не обязаны соответствовать размерам ЧД в нашем пространстве.

(...продолжение возможно, но не обязательно)

Сор и вода

Вот ведь чудо, что мне не понять:

Деревца под окном у меня,

Жарким полднем прохладу храня,

Изумрудной листвой шелестят.

Посадили их в грязь меж камней,

В известковой, негодной земле,

И годами под ними с тех пор

Лишь вода дождевая и сор.

Но всё толще и крепче стволы,

И звенит с высоты птичий хор,

Хоть и кроны у них я пилил,

И стучал по плечам их топор,

Но ростками ветвей - новых рук, -

Снова вверх, как гармонии звук,

С прежней силой стремились: туда,

Где простор, синева, и звезда,

Прорывались на свет сквозь кору 

Нежных листьев ростки поутру,

И цветов ярко-алый пожар

Пчёл сзывал на медовый нектар.

А в корнях - только сор и вода.

Никогда не пойму. Никогда.