Исторически все, как и обычно в физике, упиралось в симметрию. К середине прошлого века ситуация с нею стала запутана донельзя. Во-первых, космологи дозрели до осознания барионного дисбаланса, одной из главных загадок вселенной [1]. Суть ее проста: почему наша материя есть, а антиматерии нет – хотя они либо должны были уничтожить друг друга, либо существовать в примерно равных количествах? Почему исчезла – только лишь! – антиматерия? Или может не почему, а куда? Вопиющая непонятность – а на самом деле это был первый откровенный намек.
Потом случился и второй: ученые открыли асимметрию процессов, которые считались происходящими одинаково как в материи, так и в антиматерии. Речь идет о слиянии кварков в тяжелые частицы: «обычные» кварки делали это немного быстрее, чем антикварки [2]. Феномен получил название «нарушение СР-симметрии», где С, от «charge» – это электрический заряд, а Р, от «parity» – так называемая четность, комбинированное квантовое число, характеризующее сохраняемость свойств при зеркальном отображении. В качестве примера зеркальной трансформации можно представить себе частицы с разным спином, то есть вращающиеся в противоположные стороны. Механизм нарушения изучили до мелочей, но его причина осталась полной загадкой.
Ну а третьим намеком можно считать глобальную проблему, сформулированную давно, еще в конце 19-го века – нереально малую энтропию нашей вселенной. В отличие от барионной асимметрии эта тема практически не популяризируется в массах, хотя удивительного в ней не меньше. Вопрос состоит в следующем: почему после четырнадцати миллиардов лет своего существования вселенная все еще развивается куда-то и мы так уверенно говорим о ее стреле времени? Иными словами: почему нынешняя энтропия нашей вселенной так мала, что ей еще расти и расти? Ответ официальной науки таков: потому что вначале она была еще значительно меньше. Однако можно произвести расчет – прикинуть величину энтропии на ранних стадиях жизни нашей вселенной, в возрасте порядка четырехсот тысяч лет. Мы и сейчас улавливаем фотоны, освобожденные в те времена и отправившиеся в полет – с помощью обычной телеантенны – это так называемое реликтовое излучение. Изучив его распределение, можно сделать вывод: ранняя энтропия – с учетом гравитации, конечно – была мала настолько, что это просто невозможно себе представить. Вероятность возникновения подобного мира выражается десятичной дробью с таким количеством нулей после запятой, что ими, написанными на бумаге, можно заполнить все видимое пространство и еще останется про запас! [3]
Это, конечно, не очень комфортно – понимать, что наш мир возник в результате чуда. Чуду неоднократно пытались найти объяснение – самым принятым является так называемый антропный принцип: мы имеем именно такую вселенную, потому что во вселенной с большей начальной энтропией появление жизни было бы невозможно – в ней бы доминировали черные дыры вместо скоплений звезд, генераторов химических элементов. То есть, вселенных рождается много, но большинство из них для жизни не подходит. Подходит меньшинство, и наша – одна из этого меньшинства, и мы наблюдаем именно одну из меньшинства, а не из большинства, потому что иначе наблюдать просто было бы некому.
Рассуждение вроде логичное, но оно не работает: нашлись скептики, которые подсчитали – а среди тех вселенных, где жизнь возможна, насколько вероятно появление такой, как наша? И подсчет вновь дает вероятность с невообразимым количеством нулей под знаменателем – пусть и с меньшим, чем в первый раз, но все равно таким, что чудо остается чудом из чудес, по сравнению с которым хождение по воде и обращение оной в вино являются очень вероятными событиями. Да что там вино – если взять все огромнейшее количество частиц нашей Солнечной системы и подсчитать вероятность того, что они случайным образом сложатся в эту самую Солнечную систему со всеми планетами, то эта вероятность все еще будет невообразимо большей, чем та, что мы наблюдаем вселенную с такой низкой начальной энтропией, взятую из всех вселенных пригодных для жизни. В общем, нужно признать: достойного объяснения этому парадоксу в официальной науке нет до сих пор. [4]
[1] Sakharov, A.D. (1967). "Violation of CP Invariance, C Asymmetry, and Baryon Asymmetry of the Universe." JETP Lett. 5, 24–27
[2] Christenson, J. H., Cronin, J. W., Fitch, V. L., and Turlay, R. (1964). "Evidence for the 2π Decay of the K02 Meson." Phys. Rev. Lett. 13, 138
[3] Penrose, R. (1989). "The Emperor’s New Mind." Oxford University Press.
[4] Carroll, S. M. (2010). "From Eternity to Here: The Quest for the Ultimate Theory of Time." Dutton.
Во второй половине прошлого века выдающийся советский физик Андрей Сахаров опубликовал ряд работ, предлагающих принципиально новые «отгадки»: нарушенная симметрия – это лишь часть более глобальной симметрии, а наша вселенная – часть более глобального мира. У нее есть пара, состоящая из своей материи, отличающейся от нашей по свойствам, в частности имеющей противоположные по знаку четность и электрический заряд, а время в этой парной вселенной идет в другую сторону. «Исчезнувшая» СР-симметрия реализуется с обращением времени как полная СРТ-симметрия – где Т происходит от «time». Ну а барионный дисбаланс объясняется тем, что недостающая часть материи находится во вселенной-собрате [1,6,7,8]. Об этой материи по-прежнему уместно говорить с приставкой «анти», но это не та антиматерия, которую мы получаем в наших лабораториях и коллайдерах. Она ближе к той, о которой говорил еще один выдающийся физик, американец Фейнман – он активно развивал концепцию античастиц с противоположной четностью, движущихся во времени в обратную сторону [9].
[6] Сахаров, А.Д. (1979). "Барионная асимметрия Вселенной." ЖЭТФ, 72, 1172-1181.
[7] Сахаров, А.Д. (1980). "Космологические модели Вселенной с поворотом стрелы времени." ЖЭТФ, 79, 689-693.
[8] Сахаров, А.Д. (1982). "Многолистные модели Вселенной." ЖЭТФ, 83, 1233-1240.
[9] Petit, J.-P., Midy, P., Landsheat, F. (2001). "Twin matter against dark matter." In: International Meeting on Astrophysical and Cosmology “Where is the matter?”, Marseille, France, 25–29.
Гипотеза Сахарова решала проблему глобальной симметрии известных нам физических процессов и показывала, куда делась материя-антипод, возникшая одновременно с нашей. Однако, в ней никак не было отражено гравитационное влияние одной материи на другую. Это был взгляд физика-ядерщика на мир разрозненных элементарных частиц – две его вселенные, возникнув из некой общей флуктуации, никогда больше не взаимодействовали и ничего не «знали» друг о друге. Следующий принципиальный шаг в развитии теории двух вселенных сделал французский физик Жан-Пьер Пети. Результатом его сорокалетней работы стала космологическая модель Janus [10,11,12], объединяющая идею Сахарова и Общую теорию относительности Эйнштейна. Пети поместил две вселенные Сахарова в одно пространство, отведя им два разных «сектора» с разными геометрическими свойствами. По сути, они превратились в одну вселенную с двумя компонентами, одновременно и взаимозависимо деформирующими пространство-время – как один общий лист бумаги, на противоположных страницах которого находятся наш мир и его анти-собрат. Они вместе «продавливают» гибкий лист, формируя его искривленность – при этом их материя и энергия имеют разные свойства, а время течет в противоположные стороны. В моей книге «Человек-Cogito» высказывается принципиальная мысль: такой «лист», объединенное пространство нашей и парной вселенных, уже содержит как свое прошлое, так и свое будущее – с точки зрения наблюдателя, находящегося на любой из его страниц. Отмечу: это вовсе не означает, что все происходящее у нас повторяется в обратном направлении в парной вселенной – там своя физика, отличная от нашей, и все события тоже свои. И еще добавлю: вселенских компонент в подобной модели можно представить себе сколько угодно, сути это не меняет. Вариант с лишь двумя, очевидно, наиболее прост и удобен для рассмотрения.
Конечно, плоский лист со страницами – это очень условная визуализация. Говоря строже, это привычный космологам манифолд, четырехмерное многообразие с геометрией Римана, на котором работает Общая теория относительности Эйнштейна. Напомню, что она является самой принятой, изученной и подтверждаемой на практике теорией гравитации. А представляет она собой расширение Специальной теории относительности того же Эйнштейна в присутствии массы-энергии, обладающей заметным гравитационным потенциалом. Математически это система уравнений в частных производных, которую можно записать в компактном тензорном виде – как принято в научной литературе. Получается одно «уравнение Эйнштейна», которое связывает между собой геометрию пространства-времени и динамику материи. Пространство указывает материи, как ей двигаться, а материя указывает пространству, как ему искривляться. Это искривление описывается метрическим тензором, который называют просто метрикой деформированного пространства-времени. Метрика определяет разрешенные траектории движения всех частиц в этом пространстве – как говорят в математике, геодезические линии.
Так вот, модель Janus не противоречит теории Эйнштейна. Она ее дополняет – добавляя, так сказать, утерянную половину. Janus представляет собой два взаимосвязанных уравнения Эйнштейна с двумя разными метрическими тензорами. На пресловутом манифолде-листе определены две метрики, а не одна – отсюда визуализация с помощью двух страниц. При любых граничных условиях эти две метрики задают разные траектории движения – частицы нашего «сектора» и парного ему движутся в пространстве-времени, никогда не пересекаясь друг с другом. Они математически не могут столкнуться – и потому, к примеру, не взаимодействуют электромагнитно: «анти»-фотоны минуют любые наши детекторы, включая сетчатку глаза. Поэтому мы не можем ни «пощупать» парную вселенскую компоненту приборами, ни «увидеть» ее свет. Но эти частицы, эти компоненты вместе искривляют наше пространство, то есть взаимодействуют через гравитацию. И мы можем оценить это взаимодействие, наблюдая, как в совместно деформированном пространстве движется и распределяется наша материя.
[10] Petit, J.-P. (1995). "Twin universes cosmology." Astrophys. Space Sci. 226, 273–307
[11] Petit, J.-P., D’Agostini, G., Debergh, N. (2019). "Physical and Mathematical Consistency of the Janus Cosmological Model (JCM)." Progress in Physics. 15 (1): 38–47
[12] D’Agostini G., Petit J.-P. (2018). "Constraints on Janus Cosmological model from recent observations of supernovae type Ia." Astrophysics and Space Science. 363:139
Модель Janus – не упражнение типа «а давайте-ка извратимся вот так...». Она – естественное расширение теории Эйнштейна, которое вытекает из динамической теории групп [13].
Cовременная физика различает четыре фундаментальных взаимодействия. Общая теория относительности описывает гравитацию, а теория квантовых полей – остальные три. Краеугольным камнем, можно сказать базисом всех этих теорий является Специальная теория относительности Эйнштейна, точнее ее принцип метричности пространства-времени. Грубо говоря, этот принцип можно сформулировать так: мы живем в пространстве Минковского, которое в случае Общей теории относительности обобщается с учетом возможных искривлений. Метричность пространства Минковского обладает симметрией, описывающейся группами Пуанкаре. Можно сказать, что в нашем пространстве-времени могут существовать только те виды движений – то есть двигаться только те частицы – которые являются разрешенными видами трансформаций групп Пуанкаре. Научный мэйнстрим рассматривает ограниченные группы Пуанкаре плюс их преобразования (преобразования Лоренца) – а именно те, которые описывают движение в положительном направлении времени. Полные группы Пуанкаре допускают трансформации с обращением времени (так называемые Lorentz time-reversal operators), но использующие их теории, как в классической, так и в квантовой физике, безжалостно отбрасываются, не допускаясь к рассмотрению как не имеющие физического смысла. Это отбрасывание – не следствие математики, это всего лишь гипотеза, предположение, если хотите коллективный договор.
Так вот, модель Janus, как и ее предшественник, модель Сахарова, разрешает все трансформации полной группы Пуанкаре, включающую компоненты, соответствующие обращению времени. Но: очевидно, что у частиц «отрицательной» или «анти-» составляющей группы Пуанкаре должны быть другие свойства – хотя бы потому, что антикварки «собрата» нашей вселенной связываются в тяжелые частицы медленнее, чем обычные кварки. Они должны двигаться по-другому – поэтому одним уравнением и одной метрикой не обойтись. Отсюда и два спаренных уравнения с двумя разными метриками, а их вид вытекает из следующего математического факта: обращение времени требует перемены знака еще одной компоненты группы Пуанкаре. А именно той, которая соответствует энергии любого объекта, движущегося по обратной временной оси – это следует из теоремы, доказанной французским математиком Жаном-Мари Суро [14]. Частицы парной вселенной, как в модели Сахарова, так и в модели Janus, обязаны иметь отрицательную энергию, а значит и отрицательную массу – это фундаментальное свойство пространства-времени! А отрицательность их энергии-массы приводит к тому, что решения уравнений для нашей вселенной и ее парной компоненты дают непересекающиеся траектории движения – то есть к тому, что парная вселенная гравитационно ощутима, но электромагнитно невидима [15].
Отметим, что теории с отрицательной массой исследовали еще в середине прошлого века – и сразу наткнулись на известный «парадокс разбегания» [16]. С тех пор упоминать отрицательную массу считалось табу. Да, если поместить на одну «страницу», то есть в пространство с общей метрикой, частицы с положительной и отрицательной массами, то все они и впрямь устремляются в безудержный побег друг от друга – нарушая законы сохранения. Как по Эйнштейну, так и упрощенно, по Ньютону, частицам будет тесно – но если отрядить отрицательной массе отдельный сектор, ввести свой метрический тензор и поместить ее на противоположную «страницу», некоторым образом отразив зеркально, то все встает на свои места. В своих секторах как положительная, так и отрицательная массы ведут себя правильно – то есть притягиваются друг к другу. Никакого разбегания больше нет – а отталкивают они массы-антиподы, чувствуя их через несуществующую для гравитации границу. Грубо говоря, массы прогибают лист с двух сторон навстречу друг другу, и это помогает объяснить многое из наблюдаемого нами, не вводя искусственных сущностей типа темной материи и темной энергии [17]. Еще отметим, что, благодаря этому отталкиванию, «положительная» и «отрицательная» материи группируются, собираются в кластеры – где много одной, там мало другой. Например, «на обратной странице» нашей солнечной системы скорее всего очень мало «отрицательной» материи – поэтому общая теория относительности с одной метрикой так хорошо работает рядом с нами.
[13] Petit, J.-P. (2018). "A Symplectic Cosmological Model." Progress in Physics. 14, 38–40.
[14] Souriau, J.-M. (1997). "A mechanistic description of elementary particles: Inversions of space and time." in Structure of Dynamical Systems, Progress in Mathematics, Birkhäuser, pp. 189–193.
[15] Henry-Couannier, F., d'Agostini, G., Petit, J.-P. (2005). "I- Matter, antimatter and geometry. II- The twin universe model: a solution to the problem of negative energy particles. III- The twin universe model plus electric charges and matter-antimatter symmetry." arXiv:0712.0067.
[16] Bondi, H. (1957). "Negative Mass in General Relativity." Reviews of Modern Physics. 29, 423.
[17] Petit, J.-P., d'Agostini, G. (2014). "Negative mass hypothesis in cosmology and the nature of dark energy." Astrophysics and Space Science. 354, 611–615.
Обобщим – что же утверждает модель Janus:
– Наша вселенная является «половинкой» СРТ-симметричного пространственно-временного образования.
– «Пропавшая» антиматерия – это материя парной вселенной; она наш антипод не только по заряду, но и по так называемой четности: некоторые свойства ее частиц как бы отражены в зеркале.
– Мы не «видим» частицы парной вселенной, потому что траектории их движения не пересекаются с траекториями наших частиц. Но обе парные компоненты вместе искривляют пространство-время.
– Время парной вселенной идет в другую сторону – и по требованию математики это значит, что ее частицы имеют отрицательную по отношению к нашей энергию и, соответственно, массу.
Тут же отмечу: разнонаправленность стрел времени означает разнонаправленные изменения энтропии. Когда в одной вселенной энтропия увеличивается, в другой, соответственно, уменьшается, ибо, двигаясь в наше будущее, мы, как бы, забираемся в прошлое вселенной-собрата. Можно допустить, что суммарная энтропия обеих вселенных, если и не постоянна, то колеблется в каком-то статистически разумном диапазоне – не в этом ли разгадка энтропийного парадокса?..
И конечно же нельзя не затронуть вопрос первородства. Вопрос создания или даже создателя. Как возникла наша вселенская пара? Когда? Из чего?.. Увы – на все это нет ответа. Сказать можно только то, что наш «лист»-манифолд с двумя вселенскими компонентами-«страницами» есть. Об остальном можно лишь гадать, представляя, как из какой-то флуктуации-сингулярности возник, условно говоря, пузырь с двумя поверхностями, замкнутыми на себя, словно в листе Мебиуса, в котором есть особая точка. Та, которую называют Большим взрывом – не самое, прямо скажем, удачное название...
Возможно, наша пара вселенских компонент много раз проходит через эту точку – может быть бесконечное количество раз – и каждая из компонент приближается к ней то с одной, то с другой стороны. Что там, в этой точке – бесконечная малость? Или все же малость конечная, какое-то узкое горло? Полная остановка всех частиц? Изменение физических констант, в том числе скорости света?.. Есть теория о том, что скорость света стремится там к бесконечности – это альтернатива принятой сейчас инфляционной модели. Есть теория, что к этой точке никогда нельзя прийти, ни с нашей, ни с обратной стороны, можно лишь приближаться сколь угодно близко… Это и есть настоящий ноль, ничто и все, исчезнувшая беспредельность, вобравшая в себя бесконечное количество всего в предельно симметричном состоянии. Ее суть не охватить разумом, но она всегда будет в наших умах – как главный вызов.
Во-первых, отметим: благодаря разности свойств обычной материи и ее антипода, структуры нашей вселенной и ее пары очень разные. У нас мы наблюдаем галактики, закрученные в спирали, их скопления, вытянутые в нити, а главное, у нас есть звезды, термоядерные котлы – в них создаются новые элементы, из которых потом получаемся и мы с вами. В анти-вселенной, наоборот, все грустно – ее огромные горячие шарообразные облака сжимаются, но очень и очень медленно. Они, возможно, никогда не остынут до состояния, когда из них получатся «антизвезды», генераторы чего-либо, кроме водорода и гелия. Вселенная-собрат, увы, лишена разумной жизни – по крайней мере, так это видится нам сейчас отсюда.
Однако, это не мешает ей влиять на распределение нашей материи! Ее гигантские скопления-шары, сжимают нашу материю – на глобальном, вселенском уровне – в нитеообразные кластеры. В данный период эти «анти-скопления» понемногу сжимаются – по стреле времени, обратной нашей. Значит, по противоположной стреле – то есть, по стреле нашего времени – они, напротив, разрастаются, мы движемся в их прошлое. Разрастаются, выдавливая наши галактические кластеры как бы изнутри вовне; наши галактики будто разбегаются по поверхностям расширяющихся квази-сферических образований. И никакую дополнительную «темную энергию» к объяснению этого разбегания привлекать не нужно [18]! Совпадает ли это с наблюдаемыми данными? Да и очень хорошо. Модель Janus продемонстрировала полное соответствие данным по светимости и расстоянию 740 далеких сверхновых – это ключевой тест для любой космологической модели, объясняющей ускоренное расширение Вселенной [21].
Можно отметить еще целый ряд космологических проблем, прекрасно решаемых с помощью модели Janus [19,20,21]. Среди них:
- Крупномасштабная «ячеистая» структура Вселенной, которую стандартная, официально признанная космологическая модель ΛCDM (lambda cold dark matter model) не может объяснить в деталях.
- Отталкивающий эффект Великого Репеллера (структуры, открытой в январе 2017 года). Скорости разбегания галактик, измеренные вблизи этой области, противоречат предсказаниям ΛCDM, но совпадают с прогнозами Janus.
- Вопрос образования галактик, включая их форму и характер вращения. Во-первых, благодаря давлению окружающей отрицательной массы, галактики оказываются локализованы – как бы пойманы в ловушку. Во-вторых, расчеты показывают, что они закручиваются в спираль – благодаря как бы гравитационному «трению» между положительной и отрицательной компонентами. В третьих, спирали галактик оказываются плоскими и скорости их вращения совпадают с наблюдаемыми. И «темная материя» оказывается не нужна! Вместо нее достаточно рассмотреть две вселенные, взаимодействующие гравитационно.
- Параметры гравитационного линзирования, которое, в соответствии с моделью Janus, в основном обусловлено влиянием отрицательной массы, которая окружает галактики и скопления галактик. В результате вновь отпадает необходимость привлекать некою загадочную темную материю.
- Тот факт, что далекие галактики с сильным красным смещением имеют слишком слабую яркость, из-за чего кажутся карликовыми. Свет, который они излучают, проходя через облака отрицательной массы, в соответствии с моделью Janus, рассеивается из-за обратного эффекта гравитационного линзирования (грубо говоря, «выдавливается» наружу). Такое объяснение вновь позволяет отказаться от концепции темной материи.
Это впечатляющий набор совпадений с наблюдаемыми явлениями, который, наряду с доказанной и проверенной математической состоятельностью модели Janus, делает ее очень серьезным конкурентом стандартной модели ΛCDM.
[18] Petit, J.-P., d’Agostini, G. (2015). "Cosmological bimetric model with interacting positive and negative masses and two different speeds of light, in agreement with the observed acceleration of the Universe." Modern Physics Letters, 29-34.
[19] Petit, J.-P., d’Agostini, G. (2015). "Lagrangian derivation of the two coupled field equations in the Janus cosmological model." Astrophysics and Space Science. 357-367.
[20] Petit, J.-P. (2018). "Janus Cosmological Model and the Fluctuations of the CMB." Progress in Physics. 14, 226–229.
[21] d’Agostini, G. , Petit, J.-P., (2018). "Constraints on Janus Cosmological model from recent observations of supernovae type Ia." Astrophysics and Space Science. 363:139.
Тут все непросто – по причине, о которой говорилось чуть выше: модель Janus – это серьезный вызов, мощная альтернатива официально принятой модели ΛCDM. Она радикально меняет наши космологические взгляды – что, понятно, раздражает научный официоз. Все же речь идет о больших деньгах и большом научном эго. О грантах, диссертациях, рабочих местах, а также – пиетете коллег, профессорской власти, благосклонных аспирантках... И куда вообще деть всех тех, кто последнее десятилетие занимался в основном расчетами распределения темной материи?..
Жан-Пьер Пети работал над моделью больше сорока лет. Все эти годы он пытался донести свои результаты до благодарного человечества, которое в ответ откровенно и радостно слало его подальше. Радостно – потому что чувствовало за собой силу большинства. Большинство безжалостно – особенно, когда отстаивает удобное ему положение вещей.
Конечно, ситуация понемногу меняется. Все больше статей появляется в хороших журналах (подробная библиография – здесь). Отмахиваться от модели становится все труднее. Тем не менее, ΛCDM продолжает оставаться общепринятой в научном сообществе, в то время как Janus пока еще прозябает на периферии и воспринимается скептически.
При этом никто уже не оспаривает тот факт, что модель Janus математически выверена и локально совместима с общей теорией относительности Эйнштейна (она сводится к ОТО в областях, где доминирует положительная масса). Оснований для игнорирования модели нет. Тем не менее, ее все еще пытаются не замечать – упоминать ее в официальном научном дискурсе считается неприличным.
Наблюдается типичный порочный круг: для признания необходима валидация на большем спектре экспериментальных космологических данных, а для этого нужно, чтобы моделью занималось большее количество ученых. Пока ее старательно выталкивают из круга мажорных теорий, последователи прибавляются медленно. Но лично мне очевидно: признание модели Janus – вопрос времени. Повторится ситуация с Бенуа Мандельбротом, которого, с его фракталами, тоже долго не желали замечать – а потом вдруг прозрели и стали осыпать премиями и почетными званиями… Я бы очень хотел, чтобы Жан-Пьер Пети, уже очень немолодой человек, дождался этого момента.