Физика Планковского масштаба российского ученого Евгения Ченского расширяет познание явлений во Вселенной

Евгений Ченский – талантливый физик-теоретик, долгое время заведовал лабораторией теоретической физики в Институте радиотехники и электроники Российской Академии Наук. Мне посчастливилось одному из первых познакомиться с его интересной теорией. Я не уверен, что все положения его совсем не простой теории мне удастся изложить в популярной, доступной читателю форме. Но кто-то ведь должен это сделать. Поэтому изложенное ниже в данной статье, прошу считать моим пониманием теории Евгения Ченского.

Теория Ченского не опровергает основы физических законов, она дополняет и расширяет наши представления о явлениях во Вселенной и помогает объяснить их. Его главные статьи на эту тему в рецензируемых международных научных журналах имеют тысячи просмотров и скачиваний.

Сегодня накопилось много вопросов к теории большого взрыва и расширяющейся вселенной. В науке идут серьезные дебаты о назревших противоречиях. Во время последнего обсуждения проблемы противоречий вокруг объяснений расширения Вселенной и роста постоянной Хаббла в июле 2019 в Калифорнийской Санта-Барбаре известные ученые, нобелевские лауреаты Д. Гросс и А. Рис сравнили сложившуюся в астрофизике ситуацию с кризисом. Директор института теоретической физики Д. Гросс часто упоминал, что вполне возможно, что противоречий можно было бы избежать, если бы удалось построить новую физику Планковского масштаба. Планковская длина – это размер порядка 10−33 см. (Постоянная Хаббла – это коэффициент, входящий в закон Хаббла, который связывает расстояние до внегалактического объекта со скоростью его удаления. Планковская длина – естественная единица длины, поскольку в неё входят только фундаментальные константы: скорость света, постоянная Планка и гравитационная постоянная.

В такой ситуации теория Ченского может оказаться полезной. Всех интересует ответ на вопрос, как из ничего, называемого в науке физическим вакуумом, появилась Вселенная. Получается, чтобы понять это, надо построить теорию этого самого физического вакуума, и чтобы она не противоречила существующим физическим законам.

Сегодня для описания процессов и наблюдаемых явлений во Вселенной ученые пользуются положениями теория большого взрыва и расширяющейся Вселенной. Но нет ответа на вопросы: «Что было до большого взрыва? В какой среде он произошел?». Не понятно, что означает часто упоминаемое бесконечное расширение Вселенной. Не ясно, сколько времени будет существовать Вселенная. И не понятно, как эти теории вписываются в существующее уже долгие годы представление, что «Вселенная бесконечна в пространстве и времени».

Более того, существует мнение, что большого взрыва вообще не было. Действительно, если бы он был, то было бы возможно рождение вещества из вакуума. Но мы видим, что даже рождение из вакуума одной электронно-позитронной пары невозможно без внешнего воздействия. И тем более представляется невозможным появление из физического вакуума целой Вселенной.

В теории большого взрыва одновременно делаются противоречащие друг другу высказывания. С одной стороны в одной точке возникает целая Вселенная и предполагается, что она расширяется, вначале инфляционным образом, а затем идет расширение с замедлением. С другой стороны, вещество, локализованное и обладающее огромной плотностью, рассматривается в виде черной дыры, которая захватывает вещество и не выпускает из себя. Видно, что одновременно рассматриваются два взаимоисключающих фактора, либо в первоначальный моменты времени вселенная, обладающая огромной плотностью должна быть черной дырой, из которой ничего не должно выходить, либо тут же рассматривается инфляционный случай, когда вселенная расширяется с огромной скоростью.

Чтобы разобраться в возникающих вопросах обратимся к истории проблемы. В 1930-х годах А. Эйнштейн высказал идею, что Вселенная может переживать бесконечный цикл больших взрывов и больших сжатий, а большой взрыв был этапом среди бесконечного числа других (см., например: Забытая модель Вселенной, предложенная Эйнштейном. Он ввел космологическую постоянную, чтобы уравнения его общей теории относительности (ОТО) допускали пространственно однородное статическое решение. Эта постоянная характеризует свойства вакуума. До 1997 года достоверных указаний на отличие космологической постоянной от нуля не было, поэтому она рассматривалась в общей теории относительности как необязательная величина. В 1998 году, при изучении сверхновых звёзд, объявили об открытии ускорения расширения Вселенной, которое предполагает ненулевую положительную космологическую постоянную. И вот сегодня, в связи с теорией расширяющейся Вселенной, возникла одна из самых больших проблем в космологии – «проблема космологической постоянной» из-за того, что данные ее измерений, как и постоянной Хаббла, не совпадают с расчетными. В 1929 году американский ученый Э. Хаббл, наблюдая за движением галактик, на основе обычного эффекта Доплера предположил, что Вселенная нестационарная и расширяется. Была введена постоянная Хаббла, определяющаяся скоростью движения галактик и расстоянием до них.

Россиянин А. Фридман в 1922-1924 годах, решая нестационарные уравнения А. Эйнштейна и предположил теорию расширяющейся Вселенной (см., например: Модель расширяющейся Вселенной. При этом он опроверг мнение о том, что общая теория относительности Эйнштейна требует допущения конечности пространства. Эйнштейн вначале не принял идеи Фридмана. Американский ученый Дж. Уилер писал, что знаменитое предсказание Фридмана о пульсирующей Вселенной не понравилось Эйнштейну. Он писал: «Эйнштейн некоторое время считал слишком ужасающим (представление Фридмана, примеч. автора), чтобы принять его» (см., например: Расширение вселенной на кончике пера. Впоследствии Эйнштейн изменил точку зрения и высоко оценил теорию Фридмана.

Одна из циклических моделей вселенной была предложена в 2001 году физиками Принстонского университета П. Стейнхардтом и Н. Туроком. В ней события разворачиваются согласно стандартной модели большого взрыва: создается горячее вещество и излучение, происходит быстрая инфляция (расширение), а затем все остывает – и формируются такие структуры, как галактики, звезды и планеты. Эта модель уже оспаривает некоторые предположения модели большого взрыва, поскольку он был не началом пространства и времени, а скорее переходом от более ранней фазы эволюции. А модель большого взрыва гласит, что это событие положило непосредственное начало пространству и времени как таковым.

Американский физик нобелевский лауреат С. Вайнберг пытается объяснить разницу между наблюдением и предсказанием модели при помощи «антропного принципа», когда значение космологической постоянной случайно и различается в разных частях Вселенной. Но такое разделение вселенной тоже многих не устраивает.

А вот, что пишут известные авторитеты. Американский физик нобелевский лауреат Д. Гросс считает, что «для физики в масштабах шкалы Планка, нужна новая теория, принципиально отличающаяся от квантовой теории поля». Мы измеряем все длиной, временем и массой. Но эти единицы изобретены человеком. А фундаментальными константами размерности в природе являются отнюдь не метры, килограммы и секунды (см., например: Д. Гросс. Теория суперструн).

Американский физик Д. Бом, который работал с А.Эйнштейном, консультировал Манхэттенский проект создания атомной бомбы, считает, что в природе существует некий скрытый порядок, который определяет и позволяет численно описать все процессы. Он считал, что свойства частиц должны определяться свойствами физического вакуума, но тогда все наблюдаемые величины для элементарных частиц являются производными от скрытых параметров физического вакуума, скрытого от наблюдателя порядка. Надо определить эти скрытые параметры. (См., например: Д. Бом. Развертывающееся значение. Часть 1. Скрытый порядок: новый подход к реальности.

Таким образом, мы видим, что сегодня назрела необходимость создания новой теории, позволяющей разрешить назревшие противоречия. И может быть действительно, как и предлагает нобелевский лауреат Д. Гросс, создание физики малых размеров, физики в масштабах шкалы Планка, прояснит ситуацию. Необходимо также определить скрытые параметры физического вакуума. И требуется решение «проблемы космологической постоянной», которая по Эйнштейну определяет свойства физического вакуума. Эйнштейн был твердо убежден, что не существует абсолютной системы координат. И ведь в этом и состоит суть его специальной теории относительности, построенной на математических преобразованиях Лоренца. Но тут возникает противоречие, потому что скорость в преобразованиях Лоренца – это скорость относительно абсолютной системы координат, а не относительная скорость объектов движущихся относительно друг друга. К тому же получается, что подход Эйнштейна противоречит тому пониманию, что физический вакуум и сам является реальной материальной средой, которая, в конечном счете, и определяет наличие абсолютной системы координат, относительно которой происходит движение объекта..

То есть мы видим, что необходимо построить саму модель физического вакуума – модель «ничего»! Одна из таких попыток проделана российским физиком Евгением Ченским. После двадцати лет напряженного труда в 2010 и 2013 годах появились его первые статьи в международных научных журналах.

Ченский представил физический вакуум как реальную среду с конкретными параметрами в виде жесткой кристаллической решетки, в узлах которой находятся частицы с определенными законами взаимодействия друг с другом, которые и определяют существование и свойства этого вакуумного кристалла. Он впервые решил задачу о связанных гармонических колебаниях такой трехмерной бесконечной структуры, и получил систему из двенадцати уравнений, с помощью которых можно описывать наблюдаемые явления. Фактически он впервые решил задачу о трехмерном солитоне. Но он пошел дальше, ведь его интересовала новая физика Планковского масштаба. И вот оказалось, что период жесткой решетки физического вакуума соответствует длине Планка. Таким образом, длина Планка обрела свой физический смысл.

Ченскому удалось также идентифицировать и скрытый порядок физического вакуума. Он показал, что таким параметром является известная постоянная тонкой структур, которая в тоже время является фундаментальной физической постоянной, характеризующей силу электромагнитного взаимодействия. Она была введена в 1916 году немецким физиком А. Зоммерфельдом в качестве меры релятивистских поправок при описании атомных спектральных линий в рамках модели атома датского физика Н. Бора. То есть она характеризует так называемую тонкую структуру спектральных линий. По Ченскому постоянная тонкой структуры обрела физический смысл, она равна восприимчивости жесткой кристаллической решетки физического вакуума. Через нее можно вычислить все известные физические постоянные. А константа взаимодействия осциллятора кристаллического вакуума с поляризационным полем пропорциональна заряду монополя Дирака. Тогда получается, что энергии протона и электрона характеризуются единым образом, а заряды электрона и протона оказываются одинаковыми по абсолютной величине.

По Ченскому осциллирующая вселенная означает, что энергии протона и электрона изменяются со временем. Если представить синусоидой изменение энергий частиц, то сейчас энергия протона уменьшается от максимального положения, а энергия электрона растет от минимального положения. Период времени этих изменений огромен, а сами изменения малые по амплитуде. Но это не связано с релятивистским изменением их масс частиц. В жизни вселенной когда-то наступит момент пересечения значений энергии частиц – их синусоидальных кривых, когда энергии протона и электрона сравняются. Это и есть состояние суперсимметрии, когда электрон и антипротон оказываются неразличимыми.

Согласно современным воззрениям, уже прошло 13,8 млрд. лет с момента, считающегося зарождением современного состояния вселенной. Но может быть все-таки это это был не большой взрыв, как это считается, а другой момент физического состояния вселенной, начиная с которого, по теории Ченского энергия протона начала уменьшаться, а энергия электрона – расти. Сейчас мы еще не дошли до точки суперсимметрии – той точки, где состоится пересечение синусоид энергии протона и электрона.

По Ченскому сейчас вселенная находится в том моменте, где производная от синусоидального изменения энергий протона и электрона растет (такое поведение легко понять, если нарисовать график синусоиды). Это означает, что энергия протона уменьшается с ускорением, а энергия электрона растет с ускорением. На практике, в нашей повседневной жизни сегодня, это может приводить к активизации, например, геофизических процессов на Юпитере, Сатурне, Земле и других планетах. На газовых гигантах Сатурне и Юпитере это будет выражаться в чем-то заметнее, поскольку они состоят из легких элементов – гелия и водорода. Например, это может приводить к активизации деятельности гейзеров воды Энцелада – спутника Сатурна, да и другим явлениям. Для Земли этот процесс выражается слабее, но может быть связан с изменением энергетического состояния ее ядра из тяжелого железа, поскольку будет изменяться плотность кристаллической решетки железа. Кроме этого будет изменяться энергия связи в ядрах, состоящих из протонов и нейтронов. В итоге это может приводить, например, изменению климата – к потеплению, к активизации вулканической деятельности, землетрясениям, неожиданным явлениям в океане и атмосфере.

По уменьшению энергии протона теория позволяет численно рассчитать, например, насколько энергия излучения Юпитера и Сатурна превышает поглощаемую ими энергию. Это связано с процессами в атмосфере газовых гигантов, которая состоит из водорода и гелия. Расчет дает табличное совпадение с измеренными величинами.

Теория позволяет уточнить, при каких условиях масса инерции не совпадает с гравитационной массой. Инерционность частиц оказывается не изотропной, она разная вдоль движения и перпендикулярно ему. При круговом движении инерционная и гравитационная массы совпадают. При эллиптической траектории они отличаются. Это объясняет перигелий Меркурия.

Е. Ченским получены точные уравнения движения для всех частиц в гравитационном поле. Исходя из которых, объявленное обнаруженным искривление пространства нельзя считать доказанным. По теории Ченского наблюдаемое красное смещение объясняется другими причинами, связанными с изменением энергии частиц при движении в гравитационном поле. И нет необходимости привлекать экзотическое искривление пространства. Свет может выходить из черной дыры. При этом фотон теряет энергию на работу выхода из потенциальной ямы. Энергия фотона и его частота уменьшаются, соответственно растет длина волны, которое наблюдатель фиксирует это как смещение в сторону красной линии спектра излучения.

По Ченскому получается, что нет необходимости вводить антигравитацию для объяснения поведения постоянной Хаббла. Постоянная Хаббла тоже будет расти, из-за роста расстояния между частотами, росста расстояния между уровнями энергии в атоме водорода. Если собственные частоты электронной ветви и протонной ветви колебаний меняются во времени по синусоиде, двигаясь навстречу друг другу, когда электронная частота растет, а протонная падает, то рост производной во времени электронной ветви, это и есть изменение постоянной Хаббла, и является естественным свойством этой синусоиды. И вводить темную энергию для объяснения роста постоянной Хаббла нет необходимости.

Теория также численно рассчитывает, при каких условиях масса инерции не совпадает с гравитационной массой, когда свет может выходить из черной дыры и другие эффекты. Инерционность частиц оказывается не изотропной, она разная вдоль движения и перпендикулярно ему. Получены точные уравнения движения для всех частиц в гравитационном поле. При круговом движении инерционная и гравитационная масса совпадают. При радиальном движении радиальная инерционность оказывается значительно больше, чем гравитационное воздействие. Инерционность растет и это приводит к тому, например, что вторая космическая скорость оказывается меньше первой, и она меньше скорости света. А это может приводить к тому, что фотон и релятивистские частицы могут вылететь из объектов типа черной дыры. Инерционная масс – тензор относительно направления движения, то есть вдоль движения инерционность оказывается выше, чем в перпендикулярном направлении.

Предложена новая трактовка существования красного смещения, которое Хаббл определил как доплеровское смещение, связанное со смещением в сторону увеличения длины волны в спектре наблюдаемого им излучения, которое он связывал разбеганием галактик. Ченский объясняет это следующим образом. При наблюдении за излучением далеких галактик мы обращаемся к излучению, которое испустилось миллиарды лет назад. Если вселенная бесконечна, то разбегания галактик быть не может. Тогда можно предположить, что мы имеем дело с изменением свойств кристаллической решетки физического вакуума во времени. Что в прошлом спектр излучения был сдвинут в красную сторону за счет того, что боровская энергия электрона была меньше, следовательно, и его масса была меньше. То есть масса электрона, а значит и его энергия, и боровская энергия атома водорода были меньше. А это означает, что сегодня мы наблюдаем не красное, а синее смещение во времени, поскольку электрон в каждый момент времени тяжелеет. При этом по Ченскому постоянная Хаббла тоже будет расти, из-за роста расстояния между частотами – между уровнями энергии в атоме водорода. Хотя согласно представлениям расширяющейся вселенной она должна уменьшаться, но поскольку она растет, то сторонники теории большого взрыва вводят темную энергию, связанную с антигравитацией. И при этом предполагается, что она равномерно распределена в пространстве. Но при равномерном распределении новых гравитационных сил не возникает. То есть и здесь есть противоречие.

С другой стороны, уменьшение энергии протона связано со сбросом его энергии в виде нейтрино. И нейтрино сверхнизких частот может составлять существующую темную материю, которая участвует в гравитационных процессах. Но нейтрино сверхнизких частот практически не взаимодействует с веществом, кроме проявления себя в эффектах гравитации. А это означает, что темную материю нельзя обнаружить никаким другим способом кроме ее проявления в гравитационных процессах. Причем, в настоящее время количество темной материи увеличивается в меру уменьшения энергии протона.
Другой интересный пример. Возникновение гравитационных волн по Ченскому можно рассматривать как упругую деформацию кристаллической решетки физического вакуума, типа акустических колебаний, связанных с квадратичной электрострикцией. Здесь скорость возникающих гравитационных волн не обязательно равна скорости света, так как она зависит от механической жесткости кристаллической решетки.

В кристаллической решетке существует две ветви колебаний поляризации, электрической и магнитной. В нулевом приближении эти моды оказываются независимыми друг от друга. Включение электромагнитного взаимодействия приводит к тому, что колебания этих мод оказываются связанными друг с другом. Это приводит к возникновению системы двенадцати уравнений, описывающей связанные колебания этих мод. Система уравнений позволяет описывать поведение всех наблюдаемых частиц.

Поскольку были и другие теории «циклического изменения вселенной», то отметим, что «Циклическая вселенная Евгения Ченского» подразумевает бесконечный процесс периодического изменения энергии протона и электрона. И ответ на вопросы: «Был ли большой взрыв? С какой скоростью расширяется вселенная?» – уже не является таким актуальным. «Как сказал бы Эйнштейн, лишь крайне зловредный (а посему, с его точки зрения, невообразимый) Бог мог бы нарочно создать вселенную, в которой все так однозначно указывает ее происхождение в большом взрыве, не осуществив сам этот взрыв» (Э. Краусс. Что ждет вселенную? Наше печальное будущее.

Вспоминается крылатое высказывание Л. Ландау: «Высшим достижением человеческого гения является то, что человек может понять вещи, которые он уже не может вообразить». Но это вряд ли можно отнести к уникальной и гармоничной теории Евгения Ченского. Она позволяет довести до численных расчетов описание наблюдаемых процессов во Вселенной и, несомненно, послужит новым направлением фундаментальных научных исследований.

---

Владимир ЧЕРНЫЙ
доктор физико-математических наук, директор ин-та современной науки.
Москва. Россия
Для “RA NY”