Возможный тренд некоторых констант при расширении Вселенной

В древности в христианских и мусульманских религиях разработали учения, в которых создатель (Бог или Аллах) воссоздал Мир из ничего за шесть дней. Включая ангелов, рай, ад, Землю, растения и живых существ, в том числе и человека. После этого Вселенная находится в стабильном состоянии, а в заключении произойдет глобальная катастрофа – Страшный Суд. Эти религиозные учения способствовали созданию научных представлений об абсолютной стабильности нашей Вселенной. Поэтому само осознание того, что Мир может невозвратно изменяться являлось революционным, что всегда вызывало противодействие среди большинства ученых. Но в начале ХХ века было установлено, что чем дальше от нас галактика, тем быстрее она от нас удаляется. Это означало, что Вселенная безвозвратно расширяется. Но не все ученые стали отказываться от представлений о глобальной стабильности нашего Мира.

В данной работе обсуждены возможные тренды некоторых физических констант при расширении Вселенной. Эта работа является развитием подхода, изложенного в [1 - 3].

Указания на необратимое изменение нашего Мира

Впервые на возможность безвозвратного изменения нашего Мира высказался в 1865 г. Р. Клаузиус. Согласно законам классической термодинамики любая изолированная система со временем приходит к состоянию равновесия, при котором внутренние процессы затухают. И все процессы и формы жизни, какие известны, станут невозможными. Такое гипотетическое состояние Р. Клаузиус назвал тепловой смертью Вселенной. Эта была первая гипотеза, которая косвенно указывала на глобальную нестабильность нашего Мира. Однако в то время практически все ученые были сторонниками глобальной стабильности нашей Вселенной. Поэтому гипотеза о тепловой смерти Вселенной в представлениях большинства ученых осталась курьезным артефактом некорректного применения законов классической термодинамики к неограниченной Вселенной.

Еще одним фактом, указывающем на глобальную нестабильность нашего Мира, стало установление необратимого превращения одних атомов в другие в 1902 – 1903 г. Ф. Содди и Э. Резерфордом. В частности, атомы радия, испускающие α-частицы (ядра атомов гелия), превращаются в атомы радона. Однако это открытие касалось только нестабильности мельчайших частиц материи – атомов. Поэтому большинство ученых не стали отказываться от представлений о глобальной стабильности всей Вселенной, так как в процессе радиоактивности практически не меняется суммарная масса всех частиц.

Представления о глобальной неустойчивости нашей Вселенной стали обоснованными только с 1922 г., когда А. Фридман, опираясь на ОТО, разработанную А. Эйнштейном, математически показали, что Вселенная не может быть стабильной. Она должна расширяться, сжиматься или находиться в неустойчивых колебательных движениях. Затем в 1929 г. Э. Хаббл экспериментально установил, что чем дальше от нас находится галактика, тем быстрее она от нас удаляется. Эти данные надежно свидетельствовали о глобальной нестабильности нашей Вселенной, так как она расширяется. Это представление о ее нестабильности в настоящее время является общепризнанным.

Об изменении параметра Хаббла во времени

Размерность параметра Хаббла (H_p, где p – present time) обратно времени [sek^-1, или (km/sek)/Mpk]. Именно это позволило связать ее современное значение с возрастом Вселенной: t_p = 1/H_p, (где t_p – хаббловское время от зарождения Вселенной). Однако, измерения параметра Хаббла различаются в зависимости от метода оценки: по светимости цефеид 73.24±1.7 (km/sek)/Mpk [4], по реликтовому излучению 74.03±1.4 (km/sek)/Mpk [5], по барионным акустическим колебаниям 68.4±1.0 (km/sek)/Mpk [6].

Но каково было значение параметра Хаббла в самом начале? Согласно формуле H₀ = 1/t₀ при t₀ = 0, H₀ = ∞. Из этой формулы следует, что при зарождении Вселенной параметр Хаббла был практически бесконечным, а затем, постоянно уменьшаясь, достиг современного значения. В дальнейшем, эта величина будет продолжать уменьшаться с увеличением возраста Вселенной. Вывод о постоянном уменьшении параметра Хаббла находится в противоречии с предположением об ускоренном расширении Вселенной, предложенным на основе измерения этого параметра для очень удаленных расстояний [7]. Дополнительный учет возраста излучения от звезд типа 1а позволит согласовать экспериментальные данные с постоянным уменьшением параметра Хаббла с увеличением времени существования Вселенной.

Возможное изменение физических констант, обладающих статусом недостижимости.

В классических представлениях статусом недостижимости обладают только бесконечно-большие величины, что естественно. Статусом недостижимости обладает и бесконечно-малое, что использовал еще Зенон в своих апориях. Но в физике возникла необходимость наделить принципом недостижимости две конечные величины. Это абсолютный предел отрицательной температуры и ограниченность скорости передвижения материальных объектов. С одной стороны эти две величины конечны, а с другой стороны они обладают статусом недостижимости. Как это можно объяснить, опираясь на представления о зарождении и расширении Вселенной? Можно предположить, что в самом начале Большого взрыва эти две величины были либо бесконечно малыми, либо бесконечно-большими и обладали статусом недостижимости. Но при расширении Вселенной они сохранили статус недостижимости, однако их значения стали конечными.

Абсолютная недостижимость нуля означает, что ни один физический процесс не может охладить систему до абсолютного нуля за конечное число шагов или за конечное время. В настоящее время значение недостижимости по шкале Цельсия соответствует -273,15 градусов. Следует отметить, что любое значение недостижимости (например -500 ^оС) никак не повлияет на закон сохранения энергии. Но положение точки недостижимости отразится на эффективности работы машин и приборов, которые создают полезную работу. Так максимальный КПД при температурах Цельсия нагревателя t₁ и холодильника t₂ равен: η = ∆t/(t₁+273,15). Если бы точка недостижимости по шкале Цельсия была бы равна -500 ^оС, то эффективность работы тепловых машин при тех же температурах была ба меньше. Чем дальше от -∞ и ближе к положительным температурам Цельсия, находится предел недостижимости, тем выше эффективность работы тепловых и любых двигателей [3].

Абсолютная недостижимость предельной скорости перемещения следует из Специальной Теории Относительности (СТО). Эта теория была разработана усилиями Х. Лоренца, А Пуанкаре, А. Эйнштейна и др. физиков. Особенностью СТО является то, что при больших относительных скоростях, исследователям необходимо применять парадоксальные поправки, иногда противоречащие здравому смыслу. Это и сложение скоростей, и изменение размеров в направлении перемещения, и замедление времени в движущихся системах. В частности, из закона сложения скоростей следует, что скорость перемещения материальных объектов не может превысить скорость света.

Но какова была предельная скорость перемещения при зарождении Вселенной? Нашу Вселенную можно представить в виде расширяющейся трехмерной пространственной сферы в четырехмерном пространстве–времени. В самом начале такая сфера была очень маленькой. Поэтому естественно предположить, что скорость перемещения ограничивалась тем, что любое излучение не должно было достигнуть точки старта, перемещаясь по сфере. По мере увеличения размеров сферы происходило увеличение такой предельной скорости перемещения, которая к настоящему времени достигла скорости света. Это предположение об ограничении предельной скорости находится в согласии с тем, что в противном случае мы должны были бы видеть излучение, испущенное звездами нашей галактики со всех сторон, как и реликтовое излучение.

Экспериментальная возможность установления изменения величин во времени

Опираясь на значение параметра Хаббла, было установлено время, которое прошло после Зарождения Вселенной. Это примерно 13.6 миллиардов (13.6*10⁹) (по некоторым данным 13.8*10⁹) лет. Чтобы экспериментально подтвердить тренд ограничения температуры, необходимо точно установить значение предельной температуры по шкале Цельсия и зафиксировать время измерения. А затем через некоторый интервал повторить эксперимент. И чем больше такой интервал, тем меньше может быть точность определения предельной отрицательной температуры. В настоящее время значение абсолютной отрицательной температуры приводится в справочниках с точностью до 5 значащих цифр (t=-273.15 ^оС). Поэтому, учитывая возраст Вселенной ~13.6*10⁹ лет, возможное линейное изменение этого значения можно установить через ~ 10⁵ лет [3]. Но недавно группа физиков из Германии и Франции, используя конденсат Бозе-Эйнштейна из атомов рубидия, приблизилась к абсолютному нулю по шкале Кельвина до рекордного значения (38*10^-12 К) [8]. Но пока не ясно позволит ли этот метод установить более точное значение недостижимости по шкале Целься.

Если предположить, что за время существования Вселенной скорость перемещения возросла от нуля до ~3*10⁸ м/сек, то каждый год ее значение должно увеличиваться на ~0.02 м/сек. В работе [9] методом интерферометрии определено значение скорости света в 299 792 456.2±1.1 м/сек. Опираясь на эти данные, можно надеяться, что для надежного установления тренда скорости света необходим интервал как минимум в 50 лет [3]. Если точность определения скорости света будет увеличена, то тогда для установления тренда скорости света потребуется меньший интервал во времени.

Заключение

Наш Мир можно описывать в представлениях глобальной стабильности на интервале размеров от микрочастиц до самых крупных устойчивых образований – галактик. Но иногда наблюдаются такие необратимые процессы, как радиоактивное разрушение ядер атомов, некоторые химические превращения, механические разрушения, в том числе и при столкновениях объектов на Земле и в космосе, падение метеоритов на планеты, взрывы сверхновых и др. Однако, такие процессы носят локальный характер и почти не влияют на стабильное состояние Вселенной. Но для расстояний, сравнимых с дистанциями между галактиками, и вплоть до границ нашей Вселенной, справедливы представления о необратимом изменении нашего Мира.

В данной работе высказано предположение о тренде значений двух физических величин, имеющих статус недостижимости, в зависимости от возраста Вселенной. И предложены как такие изменения могут быть экспериментально установлены. Также нельзя исключить, что и другие постоянные и физические законы могли изменяться при расширении Вселенной.

1. Stabnikov P.A., Babailov S.P. Global Systematization of Material Objects and the Number of Fundamental Interactions. Intern. J. Astronaut Aeronautical Eng. 2021. 6:050. DOI: 10.35840/2631-5009/7550
2. Babailov S.P., Stabnikov P.A. Approaches to Describing the Motion of Stars in Galaxies, Astrophysics & Aerospace Technology. 2023. V.11. :1-2. DOI: 10.37421/2329-6542.2023.11.264
3. Стабников П.А., Бабаилов С.П. Типы взаимодействий и материальные острова стабильности: от микромира до вселенских масштабов. Философия науки 2019, 68 с. Новосибирск ИНХ СО РАН. (in Russ.)
4. Riess A. G.; et al. Determination of the local value of the Habble constant. The Astrophysical Journal 2016, 826: 56. arXiv:1604.01424. doi:10.3847/0004-637X/826/1/56
5. M. Lilley M. et al. Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters. 2018, 07-17. arXiv:1807.06209.
6. Wuzheng Guo, et al. Newest measurements of Hubble constant from DESI 2024 BAO observations. arxiv.org. 2024. doi:10.48550/arXiv.2412.13045.
7. Perlmutter, S. et al., 1999, Measurements of Omega and Lambda from 42 high redshift supernovae. Astrophysical Journal, 517, 565-586. DOI: 10.1086/307221.
8. C. Deppner et al. Collective-Mode Enhanced Matter-Wave Optics. Physical Review Letters. 2021, 08-30. Vol. 127, iss. 10. ISS doi:10.1103/PhysRevLett.127.100401.
9. Evenson K.M. et al. Speed of Light from Direct Frequency and Wavelength Measurements of the Methane-Stabilized Laser. Phys. Rev. Lett. 1972. 29. 1346-1349 DOI: 10.1103/PhysRevLett.29.1346.