О сущности ускоренного расширения Вселенной

Петр Путенихин, 2021

Что означает ускоренное или замедленное расширение Вселенной? Приведено определение понятия космологического ускорения и уравнение для его вычисления. What does the accelerated or slowed down expansion of the universe mean? The definition of the concept of cosmological acceleration and the equation for its calculation are given.

О сущности ускоренного расширения Вселенной

В наших рассуждениях мы постоянно использовали понятие ускоренного, равномерного или замедленного расширения Вселенной. Однако чёткого определения этих понятий, что мы под ними подразумеваем, мы пока не привели. Более того, представления о механизмах, лежащих в их основе, весьма неопределённые и у многих других исследователей. Вследствие этого возникают довольно спорные выводы по проявлениям этих механизмов. В частности, существует мнение, что ускоренное расширение Вселенной напрямую связано с уменьшением параметра Хаббла во времени. Если параметр Хаббла уменьшается, то это означает ускоренное расширение Вселенной. Сторонники этого подхода приводят, например, аргумент, уравнение, который, по их мнению, определённо подтверждает такое мнение:

Утверждается, что вид этой формулы лишает всякой возможности придумать убывающую функцию масштабного фактора a(t), при которой убывал бы и параметр Хаббла. Действительно, из этого уравнения, на первый взгляд, явно следует, что росту масштабного фактора соответствует убывание параметра Хаббла. Однако перепишем уравнение условно и кратко:

Теперь уже точно видно: при росте масштабного фактора a параметр Хаббла H может только возрастать! Это происходит из-за знака минус перед членом, содержащим масштабный фактор, в результате чего при его росте вычитается всё меньшая и меньшая величина, а результат, соответственно, возрастает.

Заметим, что и само понятие"ускоренное расширение Вселенной"имеет некоторую двусмысленность. Все объекты в расширяющейся Вселенной по определению движутся с ускорением. В самом деле, масштабный фактор Вселенной, пространство которой расширяется равномерно, описывается уравнением:

Это уравнение и собственно масштабный фактор и его производная по времени относятся ко всей Вселенной в целом, описывает каждую точку его пространства. В наблюдательной астрономии у них есть физические эквиваленты: конкретные дистанции между объектами (например, в световых годах) и скорости убегания (например, в долях от скорости света). Эти эквиваленты, соответственно, относятся только к этим двум объектам. В дальнейшем мы не будем акцентировать внимание на отмеченных особенностях, а просто будем подразумевать их тождество. В приведённой записи имеется в виду некоторый нулевой момент времени, когда масштабный фактор был ненулевым, равным некоторому начальному значению a₀. Соответственно, эти два эквивалентных подхода имеют и эквивалентные уравнения:

Обе величины — масштабный фактор и дистанция можно связать единичным коэффициентом:

Смысл коэффициента — это длина, например, стандартного метра r₀ в пространстве с масштабным фактором a₀. Дифференцированием находим и такую же связь между скоростями изменения этих величин, представляющую закон Хаббла:

C учётом коэффициента находим выражение, которое выглядит, по сути, как простая замена переменных:

Хотя обычно мы оперируем масштабными факторами, это же уравнение, как видим, можно записывать и с реальными физическими переменными — скоростью и удалённостью.

Существует общепризнанная гипотеза, что обнаруженное ускоренное расширение Вселенной вызвано действием тёмной энергии. Но все объекты удаляются друг от друга с ускорением и в равномерно расширяющейся Вселенной. Из (13.3) мы явно видим, что скорость убегания объекта непрерывно возрастает. Это видно и из уравнений (13.2). Двойное дифференцирование показывает, что объекты не только удаляются с некоторым ускорением, но и само ускорение непрерывно растёт:

Уравнение для ускорения весьма похоже на стандартный закон Хаббла. Сразу же замечаем некоторые странности в трактовке таких ускорений. Понятно, что любой удаляющийся во Вселенной объект обладает некоторой массой. Следовательно, для его ускоренного движения необходимо приложить к нему какую-то силу, затратить некоторую энергию:

Странность состоит в том, что для наблюдателей слева этот объект ускоренно убегает вправо, а для наблюдателя справа — влево. Если инициатором убегания является некая сила, энергия, пусть даже и загадочная тёмная, то вопросы остаются одними и теми же: в какую сторону эта сила, энергия толкает удаляющийся объект? Сколько сил или тёмных энергий толкают объект, если с разных точек зрения он движется с разным ускорением?

Неясным оказался и вопрос о связи переменного параметра Хаббла и характером расширения Вселенной: ускоренным или замедленным. Хотя ответ видится достаточно очевидным, но по нему нередко возникают довольно жаркие дискуссии. Например, в одной такой дискуссии бы предложен весьма красивый и поучительный пример. Предложено уравнение масштабного фактора, явно стремительно возрастающего во времени:

Видим, что это уравнение описывает параболу с ветвями, направленными вверх. С ростом времени до бесконечности, так же до бесконечности возрастает и масштабный фактор. Автор этого примера задаёт весьма коварный вопрос: описывает ли это уравнение Вселенную, расширяющуюся ускоренно?

Вроде бы ответ очевиден. Правда, он опирается на неявное определение понятия ускоренного

Конец ознакомительного фрагмента.