Преобразующаяся вселенная и проблема времени

Применением инвариантного преобразования времени к классической теории нестационарной вселенной показано, что условия существования наблюдателя, связанные с ходом времени, могут отражаться на свойствах наблюдаемых им объектов. Фактор времени при этом должен играть существенную роль в восприятии явлений большого пространственного масштаба, а также локальных явлений большого временного масштаба, если придерживаться последовательно релятивистской точки зрения. Обсуждаются возможности идентификации фактора времени в геофизических явлениях.

 

 

 

"Был ли в самом начале у мира исток?

Вот загадка, которую задал нам бог.

Мудрецы толковали о ней как хотели,-

Ни один разгадать ее толком не смог".

Омар Хайам

 

 

            Нет вещи более обыденной и, вместе с тем, более загадочной, чем время. Мы привычно пользуемся им, имея смутные представления о том, что это такое. Современная физическая наука глубоко проникла в микромир и создала возможности наблюдать объекты на границе вселенной, но в понимании того, какие аспекты реальности отражает категория времени, она недалеко ушла от древней науки. Мы относимся к времени, по большей части, утилитарно, и в этом заключается проблема времени: оно, как призрак старого замка, присутствует везде и во всем в виде бестелесного образа и меняет положение вещей по своему усмотрению, а обитатели замка воспринимают это как само собой разумеющееся положение дел. Однако без решения этой проблемы взгляд на старый замок его обитателей обречен быть однобоким, а мировоззрение будет не полным. Попробуем взглянуть на замок с точки зрения призрака.

 

            В теории однородной и изотропной расширяющейся вселенной время обычно рассматривается как универсальное, а временной компонент четырехмерной системы расстояний (метрики), используемой в общей теории относительности (ОТО), одинаков и равен единице. Это удобно, но вопрос об универсальности времени, тем не менее, имеет дискуссионный характер. Например, в свое время Джинс и Эддингтон высказывались за универсальное время - как утилитарный способ согласования времени в ОТО и в теории тяготения Ньютона. Де Ситтер показал, что выбором системы координат в ОТО можно обеспечить "полную инвариантность относительно любых преобразований всех четырех переменных", включая время, которое в этом случае будет отличаться от универсального. Категорически отвергал универсальное время Гедель - как зависящее от "особого типа связи между материей и движением в мире" и поэтому не удовлетворительное как философская концепция.

 

            Присоединимся к мнению Геделя и добавим два очевидных обстоятельства. Во-первых, физический наблюдатель существует во времени и наблюдает мир, возможно, из преобразующейся системы отсчета. Во-вторых, универсальное мировое время отсчитывается от горизонта вселенной, а время наблюдателя - от самого наблюдателя. Последнее обстоятельство не так уж и тривиально, поскольку, помещая начало мира на его наблюдаемую границу, современный наблюдатель сталкивается с безнадежной проблемой точного задания начальных условий мира, которые никогда и никем не могут быть наблюдаемы, поскольку всякий реально существующий наблюдатель безнадежно отстранен от них в силу необратимости хода времени. Попытки прийти к начальным условиям обратным ходом не увенчались успехом, столкнувшись с проблемой неустойчивости решений динамических уравнений в их сингулярной точке. Поэтому для решения проблемы была привлечена физика высоких энергий микромира на том основании, что динамическая теория предсказывает вблизи границы вселенной неограниченный рост энергии, а также ряд сопутствующих этому эффектов (в частности, красное смещение спектров излучения, изотропное микроволновое излучение), которые действительно наблюдаются астрономами, что дает повод интерпретировать эти наблюдения как эффекты начального взрыва. Соответствие предсказаний теории наблюдениям это, как известно, критерий истины, если речь идет о прямых наблюдениях, а не об их интерпретациях. Но ведь Большой Взрыв это именно интерпретация, и при всей ее правдоподобности она все равно остается гипотезой. Помещая физику высоких энергий микромира в математическую сингулярность макромира, космология не снимает самой проблемы начальных условий мира, а только переводит ее в другую познавательную плоскость, вызывая множество методологических вопросов остающихся без ответа. Единственная это интерпретация или одна из возможных? Применимы ли достижения физики микромира на границах макромира? Какова роль наблюдателя и что он собой представляет? Не является ли Большой Взрыв иллюзией, вызванной тем, что условия существования наблюдателя переносятся им на свойства наблюдаемых объектов подобно тому как вращение Земли переносилось Птолемеем на движение звезд? Во всяком случае, последний вопрос представляется не менее правдоподобным, чем гипотеза Большого Взрыва, которая все равно останется гипотезой до тех пор пока не будет доказана ее единственность, - независимо от того господствует она сегодня или нет.

 

            Правомерность этого вопроса следует из самой же классической теории вселенной Фридмана, если отобразить в ней перемещающегося во времени (т.е. современного) наблюдателя, заменяя мировое время некоторой функцией его собственного времени и вводя новый элемент - преобразование времени. Теория Фридмана это логически безукоризненный научный аппарат исследования вселенной на основе ОТО, так что суть дела сводится к вопросу: существует ли такое преобразование времени, которое не изменяет отношений размерных параметров входящих в динамические уравнения вселенной? Оказывается, решения Фридмана допускают такое масштабно-инвариантное преобразование времени, причем, в единственном случае - когда параметр ускорения вселенной равен единице. По формальным критериям теории Фримана это означает, что закон сохранения количества движения вселенной сводится ко второму закону Ньютона; при этом вид функции преобразования времени: f=(1+1/2H0T)1/2 - фактора времени, где время имеет отрицательное значение в прошлом и отсчитывается от наблюдателя - идентичен по виду Лоренц-фактору (см. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2005/046.pdf).

 

            Данное преобразование времени оказывает влияние на все наблюдаемые параметры, а характер влияния на тот или иной параметр определяется показателем степени фактора времени, который квантуется по размерностям физических величин, так что преобразование времени представляет собой типичный оператор с дискретным спектром собственных значений: 0, (+/-)1, (+/-)2,... Параметры с собственным значением равным нулю представляют собой физические константы, а все переменные параметры оказываются принципиальнонеобратимыми в поле зрения современного наблюдателя в силу кратности 1/2 всех собственных функций оператора, так как очевидно, что при перемене знака у времени симметрия физических величин этим фактором нарушается. Поскольку необратимость во времени вносится оператором не через уравнения, а непосредственно через физические величины, то это означает, что все физические процессы должны быть необратимыми независимо от того, какими уравнениями они описываются.

 

            Если данное инвариантное преобразование времени реально существует, тогда то что мы наблюдаем и то что мы при этом видим - далеко не одно и то же, а взгляд на нестационарную вселенную может быть и таким:

            - вселенная выглядит одинаково для любого наблюдателя, будь он удален от нас на тысячи мегапарсек в пространстве или на миллиарды лет во времени; инвариантность нестационарных уравнений во времени означает, что возраста у вселенной в целом не существует, а есть лишь динамический масштаб времени (1/H0) не изменяющийся с течением времени;

            - кроме пространственной перспективы существует перспектива во времени (фактор времени) и соответствующий временной горизонт (1/2H0), так что все наблюдаемые изотропные изменения физических характеристик относятся не столько к области физики высоких энергий, сколько к области масштабирования;

            - существование временного горизонта означает, что там, где расположен наблюдатель, не существует объектов старше временного горизонта, а значит по возрасту метеоритов (4.6 млрд. лет), как древнейших объектов, можно оценить верхнюю границу постоянной Хаббла значением 105 км/с/МПк;

            - динамика вселенной - ньютоновская, а ее эволюция это чисто релятивистский эффект, связанный с тем, что сам наблюдатель существует во времени - т.е. перемещается по оси времени относительно наблюдаемого прошлого, преобразующегося за счет этого перемещения фактором времени;

            - эволюция вселенной неотделима от перемещающегося во времени наблюдателя, и некорректно рассматривать ее отдельно как последствие некого взрыва, который реально произошел без него.

 

            Масштабная инвариантность космологических уравнений вносит дополнительные (связанные со спецификой наблюдателя) ограничения в гипотезу расширения пространства, не противореча ей по существу, но позволяя выбрать из множества вариантов динамики вселенной лишь один - ньютоновский. Это дает хорошие перспективы для развития наших представлений о вселенной, так как устраняет теоретическую неоднозначность динамики вселенной, приводящую сегодня к ситуации в космологии, когда истину приходится выбирать по соглашению сторон, что вряд ли можно считать нормальным. Кроме того, релятивизм прошлого дает ключ к разработке физической теории времени, а фактор времени приводит к последовательно релятивистской нестационарной теории вселенной, в которой важнейшую роль должна играть специфика системы отсчета наблюдателя (локальной системы координат) - не только в пространстве, но и во времени. В свое время специальная теория относительности произвела релятивистскую реформу динамики введением в уравнения Лоренц-фактора. Однако применительно ко времени такой подход наталкивается на большие "подводные камни", так как всякое преобразование нарушает метрику пространства-времени. Это может означать, что никакого релятивистского эффекта во времени на самом деле нет (f=1), и эволюция вселенной определяется исключительно динамикой (гипотеза расширения), - но только в том случае, если исключить возможность компенсации преобразования времени неявным преобразованием пространства. А такая возможность существует - на нее указывал в свое время де Ситтер - это центральная симметрия преобразования четырехмерного пространства-времени. При такой симметрии, если какое-либо плоское сечение четырехмерного пространства-времени преобразуется, то соответственно должны преобразовываться и остальные - как чисто пространственные, так и пространственно-временные. Неявность преобразования пространства не должна нас смущать, если мы помним уроки птолемеевой системы мира, в которой Земля не могла вращаться, и это казалось очевидным.

 

            Что представляет собой неявное преобразование пространства, и как можно составить представление о неочевидном? - только одним способом: использовать имеющиеся проверенные знания. Как известно, любое движение можно представить в координатной плоскости времени и пространства как поворот координат на угол определяемый скоростью движения. Следовательно, обнаруженное Хабблом регулярное изотропное космологическое движение вещества с переменной в пространстве скоростью устанавливает факт наличия регулярного вращения мира (Хабблово вращение) в любом из трех пространственно-временных сечений. Если же мы предполагаем центральную симметрию преобразований, то обязаны допустить существование вращения и в любом из трех пространственных сечений, - т.е. наличие глобального момента вращения в окружающем мире, у которого нет оси, а есть лишь центр симметрии связанный с наблюдателем (что-то вроде спина). При этом параметр Хаббла приобретает смысл угловой скорости вращения мира, которая, однако, не постоянна, как при обычных вращениях твердых тел, а изменяется в пространстве, линейно возрастая от наблюдателя к границам вселенной. Можно показать, что траектория светового луча, исходящего из центра (наблюдателя), в произвольной пространственной плоскости в этом случае скручивается в спираль и наматывается на окружность с радиусом равным кривизне пространства R. В трехмерном представлении это дает концентрическую световую волну с переменной фазовой скоростью стремящейся на горизонте к нулю. Анализ показывает, что только в одном случае эта спираль может быть эквивалентна хаббловому вращению пространственно-временных координат (линейная зависимость скорости расширения от расстояния) - когда параметр ускорения вселенной равен единице. Мы, таким образом, вновь приходим к нютоновскому варианту модели Фридмана, наряду с гипотезой масштабной инвариантности уравнений. При этом центробежное ускорение вещества (H02R) на границе наблюдаемого мира радиусом R создает силовое поле, компенсирующее гравитационное сжатие, так что вселенная в целом находится в динамическом равновесии: H02R=(4/3)ПGpR, где G - гравитационная постоянная, р - плотность материи, П=3.14 - постоянная Пифагора. В таком случае механическая работа, которую необходимо выполнить чтобы перенести частицу с массой покоя m0 из-за горизонта вселенной в точку расположения наблюдателя, преодолев центробежное ускорение, в точности равна энергии массы покоя переносимой частицы. Действительно, интегрируя по расстоянию от наблюдателя (r) центробежную силу (m0/L)*(V2/r), где V - скорость Хаббла, L=(1-V2/C2)1/2 - Лоренц-фактор и C - скорость света, с учетом закона Хаббла (V=H0r, H0=C/R) получим выражение для работы вида A=-m0C2*(1-r2/R2), что в пространственных пределах от r=0 до r=R дает в точности A=m0C2. Следовательно, причиной преобразования пространства является энергия массы покоя вещества.

 

            Закон причинности является принципиальным моментом физической картины мира. В связи с этим, гипотеза масштабной инвариантности вызывает резонный вопрос: если динамика не управляет эволюцией вселенной, то каковы причины наблюдаемых эволюционных изменений? С точки зрения гипотезы центральной симметрии преобразования пространства-времени ответ может быть таким: причиной является преобразование пространства-времени, которое само по себе есть внутреннее физическое свойство вселенной как частицы мира, ограниченной пространственно-временным горизонтом наблюдателя, - подобно тому как спин является свойством элементарной частицы. Условие инвариантности уравнений Фридмана выявляет фактор времени наблюдателя, а центральная симметрия пространственно-временных преобразований - фактор вращения пространства, так что их совместное действие может быть уподоблено пространственно-временной волне, введение системы координат в которой возможно только при определенных условиях существования наблюдателя.

 

            Попробуем разобраться в том, каковы эти условия? Можно вообразить четыре типа систем координат в преобразующемся пространстве-времени: локальную мировую (скорость света постоянна, время универсально), локальную собственную (скорость света постоянна, время преобразуется), сопутствующую мировую (скорость света переменна, время универсально), сопутствующую собственную (скорость света переменна, время преобразуется). Современный наблюдатель определяется двумя своими фундаментальными способностями: быть современным и наблюдать, и их осуществимость можно выразить двумя соответствующими условиями. В соответствии с первым условием, сопутствующая собственная система координат должна быть эквивалентна локальной мировой системе координат. Это обеспечивает сопутствующее локальной мировой системе перемещение во времени собственной системы координат наблюдателя, т.е. - его современность. По второму условию локальная собственная система координат должна быть эквивалентна сопутствующей мировой системе координат, дающей основу для наблюдения в пространстве.

 

            Данные условия представляют собой что-то вроде дисперсионного соотношения для пространственно-временной волны, связывая частотные характеристики (ход времени) с геометрическими характеристиками (расстояние до объекта), и вот что удивительно! - оно недвусмысленно показывает, что условие современности выполнимо только в положительной области оси времени (будущее), тогда как по условию наблюдаемости можно наблюдать только последовательность прошедших событий. При этом в прошлом вселенная ограничена временным горизонтом, а в будущем - собственное время наблюдателя бесконечно, и можно констатировать, что преобразующаяся вселенная потенциально вечна.

 

            Таким образом, ход времени в поле зрения современного наблюдателя не произволен, а задается дисперсией пространственно-временной волны. Дисперсионное соотношение выражает принцип причинности в преобразующейся вселенной, устанавливая два фундаментальных ограничения во времени для ее физического наблюдателя: возможность перемещаться только в будущее ("стрела" времени) и возможность наблюдать только прошлое (мы движемся во времени как бы задом-наперед). Оно жестко связывает ход времени с изменением масштаба расстояния до наблюдаемого объекта, давая возможность измерять ход времени в разных точках вселенной по красному смещению спектров излучения. Благодаря дисперсии пространственно-временной волны, временной фактор сопровождается фактором вращения пространства, и оба фактора компенсируются в поле зрения наблюдателя. Фактор времени нейтрализует нарушение метрики, вызванное фактором вращения, а фактор вращения играет роль скрытого заводного механизма часов наблюдателя, который вынужден перемещаться во времени для того, чтобы оставаться всегда современным. Это похоже на серфинг - наблюдатель скатывается по склону волны вниз, в то время как сама волна услужливо подгоняет под него свою вершину, обеспечивая ему (в том числе и его часам) прогрессивное перемещение во времени.

 

 

[]

            Движение во времени должно сопровождаться релятивистским эффектом, отражающимся на наблюдаемых свойствах вселенной. Более того, фактор времени, как отмечено выше, должен воздействовать на все физические величины, что выражается в появлении у них множителей, определяемых различными степенями фактора времени, причем, дискретность спектра оператора времени непосредственно связана с размерностями физических величин, так что алгебра его собственных значений должна соответствовать алгебре размерностей. Таким образом, во все физические процессы вносится необратимость - в том числе и в локальные; следовательно, появляется основание для поиска следов космологической эволюции на космических телах, - в частности, на Земле. Заметим, что это важное дополнительное обстоятельство обязано исключительно тому, что нестационарная вселенная, благодаря условию масштабной инвариантности космологических уравнений и выявлению в них фактора времени, рассматривается в данном ее представлении с точки зрения современного наблюдателя, ибо в теории Фридмана, рассматривающей динамику вселенной относительно ее сингулярной точки, какое либо влиние эволюции вселенной на локальные физические процессы отсутствует.

 

            Наблюдатель это любой физический объект - как живой, так и не живой. На него воздействуют современные ему физические процессы, и если у него есть память, - т.е. его природа такова, что воздействия надолго фиксируются его структурой, - то среди реликтов прошлого должны быть следы фактора времени. И они действительно обнаруживаются в геологии, палеонтологии, палеомагнетизме! Статистический анализ данных подсчета внутригодовых колец роста ископаемых кораллов, "запомнивших" продолжительность года, а также геофизических данных, отражающих признаки расширения Земли, показал их удивительную согласованность (http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2005/114.pdf). Они неплохо ложатся на функцию преобразования времени, а среднее значение постоянной Хаббла по двум рассмотренным группам данных о продолжительности года и линейных размерах Земли составляет 104 км/с/Мпк, что совпадает с оценкой на основе возраста метеоритов и не противоречит астрономическим оценкам. Снижение оценки вплоть до 65 км/с/Мпк по последним астрономическим данным о предельно далеких объектах связано, возможно, с действием фактора времени на границе вселенной.

 

            Наш беглый взгляд на вселенную и время это лишь иллюстрация того, что потенциал теории русского ученого А.А. Фридмана далеко не исчерпан и что проблема времени - это ключевая проблема мировоззрения, будущее решение которой может изменить взгляд на мир. Нестационарная наблюдаемая вселенная может рассматриваться как образ устойчивой динамической системы, обладающей моментом вращения. В ней две тесно взаимосвязанные и вечно конкурирующие силы, - гравитация и инерция, - делают бессмысленным поиск начала начал и предлагают нам не беспокоиться о будущем. Масса вещества выполняет не одну, а две функции - создает гравитационное поле (искривляет пространство) и вызывает изотропное преобразование пространства-времени, следствием которого является инерция. Это похоже на "ведро Ньютона", в котором вращение вокруг оси создает вертикальную циркуляцию воды, за счет чего искривляется поверхность воды, и создается стоячая волна. Мы видим лишь поверхность волны и непрерывно скатывемся по ее склону, оставаясь при этом на вершине благодаря сопутствующей трансформации "водной" поверхности. Не зная о том, что происходит в глубинных слоях вселенского четырехмерного "ведра", трудно отказаться от представления, что у потока на искривленной поверхности есть начало и конец.

 

            Но так ли это на самом деле?

Карташов Александр Сергеевич