УДК: 524.85

ТЕОРИЯ САМОРЕПЛИКАЦИИ: ТЁМНЫЕ ЧАСТИЦЫ КАК ВОЗМОЖНАЯ ЕДИНАЯ ПРИРОДА ТЁМНОЙ ЭНЕРГИИ И ТЁМНОЙ МАТЕРИИ

Москвин С.Л.
Директор автономной некоммерческой организации
дополнительного образования «Инноватор»
Россия, г. Москва
ORCID: https://orcid.org/0009-0009-6004-3321

Аннотация. В работе рассматривается гипотеза, объединяющая тёмную энергию и тёмную материю в единую сущность: обе они трактуются как проявления одной популяции гипотетических самореплицирующихся тёмных частиц, число которых не сохраняется. Механизм отождествляется с адиабатическим рождением материи, что позволяет перевести гипотезу из качественной в количественную. Показано, что режим поведения компонента определяется отношением частоты рождения к темпу расширения, Γ/3H: при Γ/3H ≪ 1 компонент ведёт себя как пылевидная материя и скучивается, при Γ/3H → 1 — как космологическая постоянная. Главный результат работы количественный: для однопараметрического семейства частот рождения Γ = 3αH₀(H₀/H)ⁿ эффективная плотность материи на больших красных смещениях равна (1 − α)^2/m при m = n + 1, тогда как амплитуда α полностью определяется современным ускорением. Совместное выполнение наблюдаемых q₀ ≈ −0,55 и Ω_m ≈ 0,315 зажимает показатель вблизи m ≈ 2 — то есть вблизи того единственного случая, в котором фоновое решение в точности вырождено с ΛCDM. Отсюда следует, что унификация тёмного сектора через рождение частиц возможна, но лишь в узком окне, и её проверка должна идти через рост возмущений, а не через историю расширения. Ранее высказанное объяснение плоских кривых вращения давлением рождения снимается как ошибочное по знаку.

Ключевые слова: тёмная материя, тёмная энергия, тёмный сектор, унификация, рождение материи, теория саморепликации, саморепликация тёмных частиц, газ Чаплыгина, кривые вращения галактик, космология

SELF-REPLICATION COSMOLOGY: DARK PARTICLES AS A POSSIBLE UNIFIED NATURE OF DARK ENERGY AND DARK MATTER
Moskvin S.L.

Abstract. This paper considers a hypothesis unifying dark energy and dark matter into a single entity: both are treated as manifestations of one population of hypothetical self-replicating dark particles whose number is not conserved. The mechanism is identified with adiabatic matter creation, which makes the hypothesis quantitative rather than qualitative. The behaviour of the component is shown to be governed by the ratio of the creation rate to the expansion rate, Γ/3H: for Γ/3H ≪ 1 the component behaves as pressureless matter and clusters, while for Γ/3H → 1 it behaves as a cosmological constant. The main result is quantitative: for the one-parameter family of creation rates Γ = 3αH₀(H₀/H)ⁿ the effective matter density at high redshift equals (1 − α)^2/m with m = n + 1, whereas the amplitude α is fixed entirely by the present acceleration. Simultaneously matching the observed q₀ ≈ −0.55 and Ω_m ≈ 0.315 confines the exponent to m ≈ 2, that is, to the single case in which the background solution is exactly degenerate with ΛCDM. It follows that a unification of the dark sector through particle creation is possible, but only within a narrow window, and that testing it must proceed through the growth of perturbations rather than through the expansion history. The previously proposed explanation of flat rotation curves by creation pressure is withdrawn as having the wrong sign.

Keywords: dark matter, dark energy, dark sector, unification, matter creation, self-replication cosmology, SRDM, Chaplygin gas, galaxy rotation curves, cosmology

Введение
Природа тёмной материи и тёмной энергии остаётся одной из главных нерешённых проблем физики [Bertone, Hooper, 2018]. Существование тёмной материи выводится из динамики: наблюдаемые скорости звёзд и газа на периферии спиральных галактик слишком велики для видимой массы [Rubin, Ford, 1970], а гравитационная масса скоплений превышает светящуюся со времён работ Ф. Цвикки [Zwicky, 1933]. Тёмная энергия введена для объяснения ускоренного расширения, открытого по сверхновым типа Ia [Riess et al., 1998; Perlmutter et al., 1999] и подтверждённого измерениями реликтового фона [Planck Collaboration, 2020].
В стандартной модели ΛCDM это две независимые сущности с противоположными свойствами: холодная тёмная материя скучивается под действием гравитации, тогда как космологическая постоянная однородна и вызывает ускоренное расширение. Ни микрофизическая природа первой, ни теоретическое значение второй объяснения не получили [Copeland, Sami, Tsujikawa, 2006].
Существует давняя линия исследований, стремящаяся описать тёмный сектор единой субстанцией — «тёмной жидкостью» или обобщённым газом Чаплыгина [Kamenshchik, Moschella, Pasquier, 2001], — которая вела бы себя как материя при высокой плотности и как тёмная энергия при низкой. Настоящая работа предлагает для такой унификации конкретный физический механизм: саморепликацию, то есть несохранение числа частиц тёмного компонента.
Центральный тезис: тёмная энергия и тёмная материя — не две сущности, а два режима одной популяции самореплицирующихся тёмных частиц. В отличие от предыдущей версии настоящей работы, ограничивавшейся качественным описанием, здесь режимы определены количественно, а условие существования унификации выведено и сопоставлено с наблюдениями.
1. Механизм: одна популяция, два режима
Несохранение числа частиц в космологии описывается уравнением непрерывности с источником, ρ̇ + 3Hρ = Γρ, где Γ — удельная частота рождения. По термодинамике открытых систем такой процесс эквивалентен отрицательному давлению рождения [Prigogine et al., 1988; Calvão, Lima, Waga, 1992], и эффективное уравнение состояния компонента есть
w_eff = − Γ / (3H) .
Это выражение и задаёт разделение режимов, причём управляющим параметром оказывается не плотность сама по себе, а отношение частоты рождения к темпу расширения. При Γ/3H ≪ 1 имеем w_eff → 0: рождение пренебрежимо, компонент ведёт себя как обычная пылевидная материя, разбавляется как a⁻³ и свободно скучивается под действием гравитации, образуя гало и крупномасштабную структуру. При Γ/3H → 1 имеем w_eff → −1: компонент ведёт себя как космологическая постоянная и вызывает ускоренное расширение.
Поскольку H убывает со временем, а Γ — величина того же порядка, что и современное H₀, отношение Γ/3H мало́ в ранней Вселенной и приближается к единице в поздней. Тем самым одна субстанция последовательно проходит оба режима: сначала материю, затем тёмную энергию. Именно это и составляет содержание предлагаемой унификации.
Микрофизическая интерпретация постоянной Хаббла, предложенная в [Москвин, 2026a], уточняется здесь соответственно: соотношение H = Γ/3 описывает не современную эпоху, а предельное состояние, к которому динамика стремится асимптотически, так что строгая запись есть H∞ = Γ/3 при H > H∞ во все прошлые эпохи.
2. Центральная трудность и её разрешение
Любая объединённая модель тёмного сектора сталкивается с фундаментальным возражением, которое следует обозначить прямо. Тёмная материя обязана скучиваться: без этого не образуются гало и крупномасштабная структура. Тёмная энергия, напротив, обязана быть гладкой и расталкивающей: скучиваясь, она не дала бы однородного ускоренного расширения. Как одна субстанция может делать и то и другое?
Ответ, следующий из предыдущего раздела, состоит в разделении не по сортам частиц и не по локальной плотности, а по эпохам. В ранней Вселенной Γ/3H ≪ 1, компонент пылевиден и скучивается — именно тогда и формируются гало и структура. В поздней Вселенной Γ/3H приближается к единице, и тот же компонент, уже разреженный и распределённый однородно, вызывает ускоренное расширение. Противоречия нет, поскольку два режима разнесены во времени, а не сосуществуют в одной эпохе.
Здесь необходимо снять утверждение, содержавшееся в предыдущей версии настоящей работы. Там предполагалось, что плоские кривые вращения галактик поддерживаются градиентом давления самореплицирующихся частиц. Это неверно по знаку: давление рождения отрицательно, а отрицательное давление уменьшает активную гравитационную массу, поскольку в общей теории относительности она определяется комбинацией ρ + 3p. Такой вклад действует против удержания звёзд на периферии, а не за него. Правильное объяснение состоит в том, что на масштабах галактик и в эпоху их формирования Γ/3H ≪ 1, компонент пылевиден, и гало образуются обычным гравитационным коллапсом. Саморепликация в этой части не добавляет к холодной тёмной материи ничего нового — и не должна.
3. Количественное условие унификации
Перейдём к главному вопросу: при каких свойствах частоты рождения унификация действительно воспроизводит наблюдения? Рассмотрим однопараметрическое семейство
Γ = 3αH₀ (H₀/H)ⁿ , m ≡ n + 1 ,
содержащее оба известных предельных случая: при m = 1 частота постоянна, при m = 2 давление рождения постоянно и модель в точности вырождена с ΛCDM [Lima, Jesus, Oliveira, 2010]. Подстановка в уравнение эволюции параметра Хаббла и замена u = (H/H₀)^m линеаризуют задачу, давая замкнутое решение для любого показателя:
E(z)^m = α + (1 − α)(1 + z)^3m/2 , E ≡ H/H₀ .
Отсюда следуют два соотношения, разделение ролей в которых и составляет главный результат работы. Эффективное уравнение состояния есть w_eff = −α/E^m, откуда w₀ = −α и q₀ = 1/2 − 3α/2 при любом показателе: амплитуда α определяется исключительно современным ускорением и ничего не знает о форме Γ. Вся информация о форме сосредоточена в ранней Вселенной, где высокоредшифтный предел даёт эффективную плотность материи
Ω_m,eff = (1 − α)^2/m .
Зафиксируем α по наблюдаемому q₀ ≈ −0,55, что даёт α = (1 − 2q₀)/3 = 0,70, и посмотрим, как ранняя Вселенная зависит от показателя:
Таблица 1. Эффективная плотность материи и красное смещение перехода к ускорению в зависимости от показателя m при фиксированном α = 0,70. Наблюдаемые значения: Ω_m = 0,315 ± 0,007 [Planck Collaboration, 2020], z перехода 0,6–0,8.
Результат виден сразу. Случай постоянной частоты, m = 1, оставляет Ω_m,eff = 0,09 — в три с половиной раза ниже наблюдаемого — и относит переход к ускорению на z ≈ 1,8 вместо 0,6–0,8; он исключён. Согласие достигается только вблизи m = 2. Количественно: требование Ω_m,eff = 0,315 ± 0,007 при α = 0,70 даёт m = 2,08 ± 0,04. Оценка получена при жёстко зафиксированном α и в полноценном совместном фите расширится, однако порядок величины — единицы процентов — сохранится.
Содержательный смысл этого числа существен и не вполне очевиден. Единственная область, где единая самореплицирующаяся субстанция воспроизводит и современное ускорение, и раннюю плотность материи, есть окрестность того самого случая m = 2, в котором фоновое решение неотличимо от ΛCDM. Унификация тёмного сектора через рождение частиц, таким образом, не опровергнута — но допустима лишь в узком окне вблизи вырождения.
Отсюда следует методологический вывод. Искать отличие такой модели от ΛCDM в истории расширения — по сверхновым и барионным акустическим осцилляциям — малоперспективно: в допустимом окне это отличие по построению мало. Различающая проверка должна идти через рост возмущений плотности, где давление рождения входит в уравнения и где вырождение снимается.
4. Физическая мыслимость самореплицирующихся частиц
Гипотеза предполагает, что тёмные частицы способны к самовоспроизводству. Мыслимость такого поведения поддерживается двумя независимыми линиями данных, которые, однако, следует прямо назвать аналогиями, а не свидетельствами.
Во-первых, саморепликация не является привилегией биологии: продемонстрировано самоподдерживающееся экспоненциальное самокопирование молекулы РНК-фермента [Lincoln, Joyce, 2009], что показывает принципиальную возможность автокатализа у неживых молекулярных систем.
Во-вторых, при сверхнизких температурах вещество переходит в макроскопические квантовые состояния с выраженной самоорганизацией: бозе-эйнштейновские конденсаты [Pitaevskii, Stringari, 2016], сверхтекучесть и сверхпроводимость [Leggett, 2006], конденсация экситонных поляритонов [Kasprzak et al., 2006]. В этих состояниях миллиарды частиц ведут себя как единое когерентное целое.
Граница аналогии очевидна и должна быть названа: во всех перечисленных системах число частиц сохраняется, тогда как предлагаемая гипотеза опирается именно на его несохранение. Приведённые примеры показывают, что коллективные и автокаталитические явления на фундаментальном уровне возможны, но не подтверждают конкретный механизм и не заменяют наблюдательной проверки.
5. Проверяемый критерий и условие фальсификации
Проверяемый критерий. Ключевое эмпирически различимое следствие унификации состоит в том, что плотности тёмной материи и тёмной энергии не независимы, а связаны общим параметром. В настоящей работе эта связь получает количественную форму: обе определяются парой (α, m), причём α фиксируется современным ускорением, а m — ранней плотностью материи. Соответственно предсказывается конкретное соотношение Ω_m,eff = (1 − α)^2/m, которого в ΛCDM нет, поскольку там Ω_m и Ω_Λ независимы.
Условие фальсификации. Гипотеза будет опровергнута, если совместный фит по сверхновым, барионным акустическим осцилляциям и реликтовому фону даст доверительную область для m, не содержащую значений, совместимых с наблюдаемым Ω_m при α, требуемом современным ускорением. Она будет опровергнута и в том случае, если анализ роста возмущений при m в допустимом окне даст амплитуду скучивания, несовместимую с данными по крупномасштабной структуре. Первое условие проверяется существующими данными, второе требует расчёта возмущений, который в настоящей работе не выполнялся.
Отметим, что формулировка «гипотеза опровергается, если тёмная энергия строго постоянна», использованная в предыдущей версии работы, некорректна: строгую постоянность установить невозможно, наблюдения способны лишь ограничить отклонения. Приведённые выше условия свободны от этого недостатка, поскольку сформулированы как ограничения на измеримый параметр m.
Заключение
В работе предложена и доведена до количественной формы гипотеза, объединяющая тёмную энергию и тёмную материю как два режима одной популяции самореплицирующихся тёмных частиц. Разделение режимов управляется отношением Γ/3H и разнесено по эпохам: ранняя Вселенная пылевидна и скучивается, поздняя ускоряется. Тем самым снимается основное возражение против единых моделей тёмного сектора — необходимость совместить скучивание с расталкиванием.
Главный результат состоит в том, что унификация допустима не при любых свойствах механизма рождения, а лишь в узкой окрестности m ≈ 2, где фоновое решение вырождено с ΛCDM. Это одновременно объясняет, почему единые модели тёмного сектора так трудно отличить от стандартной по истории расширения, и указывает, где их следует проверять: в росте возмущений плотности.
Ранее высказанное объяснение плоских кривых вращения давлением рождения снято как ошибочное по знаку; в предлагаемой картине гало образуются обычным гравитационным коллапсом пылевидного компонента в эпоху, когда Γ/3H ≪ 1.
Выводы
1. Тёмная энергия и тёмная материя рассматриваются как два режима одной субстанции — самореплицирующихся тёмных частиц; режим определяется отношением Γ/3H, а не сортом частиц.
2. Противоречие между скучиванием и расталкиванием разрешается разнесением режимов по эпохам: при Γ/3H ≪ 1 компонент пылевиден и скучивается, при Γ/3H → 1 ведёт себя как Λ.
3. Для семейства Γ = 3αH₀(H₀/H)ⁿ получено замкнутое фоновое решение; амплитуда α определяется современным ускорением, показатель m — ранней плотностью материи через Ω_m,eff = (1 − α)^2/m.
4. Совместное выполнение наблюдаемых q₀ и Ω_m зажимает показатель вблизи m ≈ 2, то есть вблизи случая, вырожденного с ΛCDM; случай постоянной частоты m = 1 исключён.
5. Различающая проверка унификации должна идти через рост возмущений, а не через историю расширения; объяснение кривых вращения давлением рождения снято как ошибочное по знаку.

Цитируемая литература
Москвин, 2026a – Москвин С.Л. Теория саморепликации: тёмные частицы как механизм расширения Вселенной и путь к космологии без начальной сингулярности. Zenodo, 2026. DOI: 10.5281/zenodo.21759021
Bertone, Hooper, 2018 – Bertone G., Hooper D. History of dark matter // Reviews of Modern Physics. 2018. Vol. 90, no. 4. Art. 045002. DOI: 10.1103/RevModPhys.90.045002
Calvão, Lima, Waga, 1992 – Calvão M.O., Lima J.A.S., Waga I. On the thermodynamics of matter creation in cosmology // Physics Letters A. 1992. Vol. 162. P. 223–226. DOI: 10.1016/0375-9601(92)90437-Q
Copeland, Sami, Tsujikawa, 2006 – Copeland E.J., Sami M., Tsujikawa S. Dynamics of dark energy // International Journal of Modern Physics D. 2006. Vol. 15, no. 11. P. 1753–1936. DOI: 10.1142/S021827180600942X
Kamenshchik, Moschella, Pasquier, 2001 – Kamenshchik A., Moschella U., Pasquier V. An alternative to quintessence // Physics Letters B. 2001. Vol. 511, no. 2–4. P. 265–268. DOI: 10.1016/S0370-2693(01)00571-8
Kasprzak et al., 2006 – Kasprzak J., Richard M., Kundermann S. et al. Bose–Einstein condensation of exciton polaritons // Nature. 2006. Vol. 443. P. 409–414. DOI: 10.1038/nature05131
Leggett, 2006 – Leggett A.J. Quantum Liquids: Bose Condensation and Cooper Pairing in Condensed-Matter Systems. Oxford: Oxford University Press, 2006.
Lima, Germano, Abramo, 1996 – Lima J.A.S., Germano A.S.M., Abramo L.R.W. FRW-type cosmologies with adiabatic matter creation // Physical Review D. 1996. Vol. 53. P. 4287–4297. DOI: 10.1103/PhysRevD.53.4287
Lima, Jesus, Oliveira, 2010 – Lima J.A.S., Jesus J.F., Oliveira F.A. CDM accelerating cosmology as an alternative to ΛCDM model // Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. 2010. No. 11. Art. 027. DOI: 10.1088/1475-7516/2010/11/027
Lincoln, Joyce, 2009 – Lincoln T.A., Joyce G.F. Self-sustained replication of an RNA enzyme // Science. 2009. Vol. 323, no. 5918. P. 1229–1232. DOI: 10.1126/science.1167856
Perlmutter et al., 1999 – Perlmutter S., Aldering G., Goldhaber G. et al. Measurements of Ω and Λ from 42 High-Redshift Supernovae // The Astrophysical Journal. 1999. Vol. 517, no. 2. P. 565–586. DOI: 10.1086/307221
Pitaevskii, Stringari, 2016 – Pitaevskii L., Stringari S. Bose–Einstein Condensation and Superfluidity. Oxford: Oxford University Press, 2016.
Planck Collaboration, 2020 – Planck Collaboration. Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters // Astronomy & Astrophysics. 2020. Vol. 641. Art. A6. DOI: 10.1051/0004-6361/201833910
Prigogine et al., 1988 – Prigogine I., Geheniau J., Gunzig E., Nardone P. Thermodynamics of cosmological matter creation // Proceedings of the National Academy of Sciences. 1988. Vol. 85. P. 7428–7432. DOI: 10.1073/pnas.85.20.7428
Riess et al., 1998 – Riess A.G., Filippenko A.V., Challis P. et al. Observational Evidence from Supernovae for an Accelerating Universe // The Astronomical Journal. 1998. Vol. 116, no. 3. P. 1009–1038. DOI: 10.1086/300499
Rubin, Ford, 1970 – Rubin V.C., Ford W.K. Rotation of the Andromeda Nebula from a Spectroscopic Survey of Emission Regions // The Astrophysical Journal. 1970. Vol. 159. P. 379–403. DOI: 10.1086/150317
Steigman, Santos, Lima, 2009 – Steigman G., Santos R.C., Lima J.A.S. An accelerating cosmology without dark energy // Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. 2009. No. 06. Art. 033. DOI: 10.1088/1475-7516/2009/06/033
Zwicky, 1933 – Zwicky F. Die Rotverschiebung von extragalaktischen Nebeln // Helvetica Physica Acta. 1933. Vol. 6. P. 110–127.