М.Х.Шульман

Об экспериментальном доказательстве существования во Вселенной выделенной системы отсчета

Никакой детектив не может сравниться по драматизму и интриге с реальной историей великих научных идей. Автор готов проиллюстрировать этот тезис на целом ряде примеров, однако здесь и сейчас речь пойдет лишь об одном из них.

На рубеже 19-го и 20-го веков была повержена казавшаяся дотоле незыблемой концепция абсолютного пространства: опыты Майкельсона-Морли и специальная теория относительности Эйнштейна доказали (казалось бы, навсегда), что среди инерциальных систем не существует никакой выделенной системы отсчета, так же как и не существует никакого эфира, в котором распространяются электромагнитные волны.

Между тем, в 1964 г. два радиоастронома из Белл Телефон, Арно А. Пензиас и Роберт В. Вилсон, которые осуществляли тщательную калибровку нового радиотелескопа, обнаружили на волне длиной 7,35 см микроволновое излучение - некоторый "радиошум", подобный излучению черного тела при температуре около 3K и приходящий равномерно по всем направлениям. В 1978 году они были удостоены за свое открыти Нобелевской премии. В дальнейшем это излучение было идентифицировано в качестве фонового излучения Вселенной, обязанного, как принято думать, процессам ее ранней эволюции.

Черное тело при температуре около 3 К большую часть энергии излучает в микроволновом диапазоне волн. Молекулы земной атмосферы поглощают это излучение, так что на Земле астрономы не могут производить точные наблюдения в этом диапазоне. Поэтому такие измерения стали производить сначала в стратосфере (с самолетов и зондов), а затем и со спутников в открытом космосе. Уже в первых стратосферных экспериментах фоновое излучение было подвергнуто тщательному измерению, и подтвердилось, что в первом приближении оно действительно характеризуется замечательной изотропностью, т.е. одинаково в любом направлении на небосводе.

Однако, как отметил Я.Б.Зельдович в редакционном дополнении в [1], дальнейшие "тщaтельные измеpения, проведенные с помощью аппаратуры, установленной на высотном самолете (для уменьшения излучения атмосферы, попадающего в прибор), позволили обнapужить опpеделенную мaлую aнизотpопию микpоволнового фонa излучения. Антеннa, нaпpaвленнaя нa созвездие Львa, дaет темпеpaтуpу излучения нa 0,13 пpоцентa выше сpедней. В пpотивоположном нaпpaвлении темпеpaтуpa нa 0,13 пpоцентa ниже сpедней. Темпеpaтуpa плaвно меняется между этими двумя знaчениями ... Изотpопия имеет место лишь для некотоpого вообpaжaемого нaблюдaтеля. Солнечнaя системa, Земля ... движутся относительно этого нaблюдaтеля со скоpостью 390 60 км/с в нaпpaвлении нa созвездие Львa (здесь и далее выделено мной - М.Ш.). Вследствие этого движения, т.е. зa счет эффектa Допплеpa, излучение, идущее нaвстpечу, кaжется нaм более гоpячим ... , a излучение, догоняющее нaс, пpедстaвляется нaм более холодным ... Нa этом пpимеpе выясняется, что в кaждой точке Вселенной существует нaблюдaтель, относительно котоpого микpоволновое излучение изотpопно. Этого нaблюдaтеля и связaнную с ним систему кооpдинaт можно нaзвaть выделенными ... Нaличие в кaждой точке выделенной системы кооpдинaт нaпоминaет взгляды физиков до создaния теоpии относительности, когдa пpедполaгaлось, что свет - это колебaния особого веществa - эфиpa, зaполняющего всю Вселенную. Пpедполaгaлось дaлее, что системa кооpдинaт, связaннaя с эфиpом, является пpеимущественной, выделенной, и стaвились опыты по обнapужению движения Земли относительно эфиpa. Мы знaем, что эти опыты (Мaйкельсонa и дpугих) дaли отpицaтельный pезультaт - светоносный эфиp не существует. Однaко эволюция Вселенной пpиводит к тому, что в нaблюдениях космического микpоволнового излучения (но только в этих aстpономических нaблюдениях !) выделеннaя системa появляется, и ее иногдa нaзывaют "новый эфиp" ... в paсшиpяющейся Вселенной новый эфиp в одном месте движется относительно нового эфиpa в дpугом месте. Именно новый эфиp или, дpугими словaми, микpоволновое излучение с нaибольшей точностью осуществляет движение по зaкону Хaбблa."

18 августа 1989 года был запущен спутник COBE (Cosmic Background Explorer), разработанный Центром космических полетов Годдарда Национального Аэрокосмического Агенства (NASA). Он был предназначен для измерения диффузного инфракрасного и микроволнового излучения, приходящего из окружающей нас Вселенной. С этой целью он был оснащен тремя измерительными комплексами:

- абсолютный спектрофотометр в дальнем инфракрасном диапазоне (FIRAS Far Infrared Spectrophotometer) для сравнения микроволнового фонового излучения с излучением эталонного черного тела;

- дифференциальный микроволновый радиометр (DMR Differential Microwave Radiometer) для высокоточного построения карты космического излучения;

- экспериментальный комплекс по изучению диффузного инфракрасного фонового космического излучения (DIRBE Diffuse Infrared Background Radiation).

Спектр космического микроволнового фонового излучения был измерен с точностью 0.005%; было обнаружено, что этот фон имеет значимую анизотропию на относительном уровне порядка 10-5. Для исследования космического инфракрасного фонового излучения с помощью комплекса DIRBE (в двух растянутых диапазонах с длиной волны 140 и 240 мкм) были построены карты абсолютной яркости небосвода от 1.25 до 240 мкм. Аппаратура COBE имела угловое разрешение на небосводе 7 градусов, т.е. в 14 раз больше углового размера Луны.

Комплекс FIRAS показал, что спектр излучения с точностью 0.03% соответствует теоретической зависимости для черного тела в условиях теплового равновесия при температуре 2.726 К. Было также выявлено, что фоновое излучение обладает определенной анизотропией. Характер этой анизотропии был детально исследован благодаря измерениям, выполнявшимся в течение 4-х лет с помощью комплекса DMR.

На рис. 1 показана карта отклонений температуры излучений от средней величины (2.728 К) в микроволновой части спектра. Ориентация карты выбрана таким образом, чтобы плоскость Млечного Пути располагалось горизонтально в центре карты. Цветовой диапазон от синего до красного соответствует температурному диапазону от 2.724 К до 2.732 К. Слоистая структура карты соответствует анизотропии дипольного вида (напоминающая диаграмму инь-янь), что является проявлением эффекта, связанного с движением Солнца относительно среды, в которой распространяется микроволновое фоновое излучение.


Рис. 1. Отклонение фонового космического излучения Вселенной от изотропного распределения (средняя температура 2.728 К). Асимметрия дипольного типа, синий цвет соответствует 2.724 К, красный - 2.732 К, т.е. диапазон температур равен 0.008 К

На рис. 2 показана карта отклонений температуры небосвода в микроволновом диапазоне после вычитания дипольной компоненты. Оставшиеся флуктуации имеют величину, в 30 раз меньшую величины дипольной анизотропии: температура наиболее горячей точки (красный цвет) лишь на 0.0002 К отличается от температуры синей (наиболее холодной) точки. На этом рисунке видны флуктуации, обусловленные двумя главными факторами излучением от Млечного Пути (в районе экватора карты) и неоднородностями излучения вдали от экватора.

Рис. 2. Отклонение фонового космического излучения Вселенной от изотропного распределения - излучение Млечного пути и флуктуации (после вычитания дипольной асимметрии), диапазон температур равен 0.0002 К

Одно из возможных объяснений анизотропии реликтового излучения, приведенное в [2], сводится к гипотезе об анизотропии структуры ранней Вселенной, причем различным версиям и параметрам гипотезы отвечает, в частности, различное угловое распределение температуры этого излучения. Так или иначе, анизотропия космического излучения обусловливается при этом факторами, связанными именно с происхождением излучения, а не с локальной анизотропией в области (и в момент) приема излучения. Следовательно, подобная анизотропия не должна проявляться, если речь пойдет о приеме искусственного излучения, генерируемого обычным излучателем на Земле.

Между тем автором настоящей публикации предложено иное объяснение данного явления. В основе этого объяснения лежит новая концепция природы пространства и времени, изложение которой здесь не приводится. Важно, что согласно предложенной концепции в каждой точке Вселенной должно существовать свое уникальное пространственное направление и уникальное значение скорости движения в этом пространственном направлении, определяющее выделенную систему отсчета (фактически это есть 4-мерная стрела времени). Этот результат был получен мною до того, как я узнал о вышеописанном экспериментальном открытии. Поэтому возникает вопрос о дальнейшем экспериментальном подтверждении (или опровержении) новой теории, идея которого и рассматривается далее. В то же время можно надеяться, что осуществление и результаты новых экспериментов представляют самостоятельный интерес для физики безотносительно к мотивам их проведения и выдвинутым гипотезам.

Будем исходить из того, что любое (электромагнитное) излучение является идеально изотропным для (неподвижного относительно источника) наблюдателя лишь в выделенной системе отсчета, которая в каждой точке Вселенной уникальна. Тогда в любой другой системе отсчета возникнет анизотропия, проявляющаяся благодаря эффекту Допплера, который обусловлен направлением и скоростью движения измерительного устройства относительно выделенной системы отсчета. Количественно эта анизотропия будет определяться отношением скорости движения к скорости света (v/c) и углом a относительно выделенного направления движения. Как известно, специальная теория относительности дает [3] в этом случае формулу:

f/f0 = [(1-v2/c2)1/2]/[1-(v/c)cos a ] ,

причем при малых углах и в нерелятивистском приближении

f/f0 = 1+ (v/c)cos a

Основываясь на (уточненных) данных по анизотропии космического радиоизлучения, мы можем заключить, что v/c=0.0015 . Если бы это численное значение и указанная зависимость от угла подтвердились в новых экспериментах, не связанных с приходящим из космоса электромагнитным излучением, мы могли бы сделать вполне определенные выводы об универсальном характере пространственно-временной анизотропии.

Предлагается провести относительно несложные эксперименты по следующей схеме. Используется обычный искусственный источник электромагнитного излучения, причем начинать следует именно с микроволнового радиоизлучения и направления на созвездие Льва. В дальнейшем опыты должны быть повторены на других радиочастотах, а также (с учетом возможности достоверной регистрации Допплер-эффекта) и в инфракрасном диапазоне. Источник излучения помещается в центр мысленной или реальной сферы, на поверхности которой либо располагается нужное количество независимых датчиков, либо перемещается один и тот же датчик с целью нахождения зависимости величины Допплер-эффекта от телесного угла относительно выбранного направления. Диаметр сферы, разумеется, должен многократно превосходить длину волны измеряемого излучения.

И напоследок автор решается высказать еще один крамольный тезис, который ставит под сомнение саму возможность приписать фоновое космическое излучение как таковое процессам, происходившим в ранней Вселенной. Если мы говорим об эволюции последней, то, очевидно, хронологическая последовательность образующих ее этапов должна иметь абсолютный, а не относительный смысл. Такой абсолютный смысл теория относительности приписывает событиям, лежащим по отношению к наблюдателю внутри так называемого светового (полу)конуса, в области абсолютного прошлого (рис. 3). Сигнал от таких событий может достигать наблюдателей лишь со скоростью, меньшей скорости света. Только в этом случае подобные события предшествуют моменту регистрации сигнала нашим наблюдателем в любой системе отсчета, причем наименьший интервал времени от момента посылки сигнала до момента его регистрации имеет место в системе отсчета, связанной с сигналом-почтальоном.

Рис. 3. Диаграмма областей прошлое-будущее в специальной теории относительности

Если же сигнал распространяется со скоростью света (как космическое электромагнитное излучение), вдоль образующей светового конуса, то в системе отсчета, связанной с сигналом, интервал времени равен нулю, т.е. моменты посылки и регистрации сигнала совпадают. Но это означает физическую осуществимость ситуации, при которой аналогичный сигнал из современной эпохи мог бы быть принят в эпоху ранней Вселенной, причем тамошний потенциальный наблюдатель имел бы все основания думать, что он принял этот сигнал после его отправки нашим современником !

Приняв этот тезис, мы вынуждены сделать вывод о том, что космическое фоновое излучение приходит из современной нам Вселенной и является, по существу, обычным тепловым. Его спектр отвечает спектру излучения черного тела по той простой причине, что во Вселенной отсутствуют какие бы то ни было перегородки, отражающие такое излучение, т.е. по-существу имеют место лишь процессы поглощения. Что же касается численного значения температуры фонового излучения, то оно несет важную информацию, связанную с глобальными параметрами Мира. Действительно, согласно закону Стефана-Больцмана удельная энергия излучения в единице объема пропорциональна четвертой степени температуры черного тела. Эта энергия должна составлять определенную долю по отношению к удельной энергии покоя, обусловленной средней плотностью материи во Вселенной Задавшись общепринятыми параметрами Вселенной, можно заключить, что средняя энергия теплового излучения материи во Вселенной составляет от ее энергии покоя долю, приблизительно равную одной сотой процента, т.е. 10-4.

 

Библиография:

 

[1]С.Вaйнбеpг. Пеpвые тpи минуты. Совpеменный взгляд нa пpоисхождение Вселенной. Москвa, Энеpгоиздaт, 1981.

[2] Я.Б.Зельдович, И.Д.Новиков. Стpоение и эволюция Вселенной. Москвa, Нaукa, 1975.

[3] Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц. Теория поля. Москвa, Нaукa, 1967.