Пространство-время, геометрия, космология. - Бёрке У.
Скачать (прямая ссылка):
Краеугольным камнем наших моделей является симметрия, Симметрия которую нам нужно тщательно исследовать. Вводим ли мы предположение о симметрии только для того, чтобы иметь возможность решить получающиеся уравнения? В какой степени Вселенная симметрична в настоящее время? Мы можем наблюдать изотропию окружающего нас мира, но вывод об однородности можно сделать только косвенным путем. Мы хотим знать также, насколько симметричной была Вселенная на ранней стадии своей эволюции. Малые отклонения от симметрии Возмущения называются возмущениями, и их изучение ведется весьма активно. Растущие возмущения важны потому, что они образуют галактики. Хорошая теория должна объяснить, почему галактики имеют именно такие массы, которые наблюдаются в действительности. Затухающие возмущения также важны. Анализ поведения этих возмущений позволяет на основе отклонений от симметрии в настоящее время сделать заключение о таких отклонениях в прошлом. Изучение таких возмущений весьма затруднительно и пока окончательно не завершено. Физическая задача состоит в гидродинамическом рассмотрении релятивистской радиационно-доминированной самогравитирующей плазмы в искривленном расширяющемся пространстве-времени. Насколько нам сейчас известно, в радиационно-доминиро-ванную эру возмущения растут не очень быстро1'. Указанное обстоятельство мешает образованию галактик, но дает нам основание предположить, что ранняя Вселенная могла и не быть слишком симметричной. Начальные возмущения, оставшиеся после радиационной эры, вырастают впоследствии в IO2 или IO3 раз. Если мы примем, что начальные возмущения имели порядок Ю-3, то они проскочат через радиационную эру и за-
'' Исследования последних лет показывают, что и в радиационно-доминиро ванную эру во фридмановской Вселенной возможно существование быстрорастущих мод возмущений, происходящих с нарушением локального термодинамического равновесия (см., например, Хлебников В: И. — ЖЭТФ, 1984, т. 86, вып. 1, с. 13—24). Однако роль таких возмущений в эволюции реальной Вселенной пока еще не ясна. — Прим. ред.
25* 388
Гл. IV. Космология
Изотропия микроволнового фонового излучения
[Будьте осторожны — этот наблюдательный факт требует лишь существования поверхности со сферической симметрией. Чтобы распространить эти соображения на все пространство, мы еще должны предположить однородность. Занятный контрпример описан в статье [10].]
Горизонты
тем, начав увеличиваться после z = 1000, образуют галактики при значении z, близком к 10. Остается, однако, вопрос: откуда они взялись первоначально?
Основное наблюдательное свидетельство симметрии Вселенной — изотропия микроволнового фонового излучения. Исследования, проведенные с помощью высотной авиации, показали, что это излучение во всех направлениях с точностью Ю-3 имеет одинаковую температуру. Это замечательный наблюдательный факт. Поскольку, как мы полагаем, начиная с Z = 1000, такое излучение распространяется к нам свободно, мы можем сказать, что при z = 1000 Вселенная была симметричной с точностью Ю-3. Наблюдения микроволнового фонового излучения позволяют также определить скорость нашей Галактики относительно системы отсчета, в которой рассматриваемое излучение изотропно. Эта скорость оказывается величиной порядка Ю-3, т.е. как раз порядка наблюдаемых хаотических скоростей других галактик. Последнее обстоятельство согласуется с тем, что наша Галактика является типичной, как того и требует однородность. Если бы наша скорость оказалась равной 10_б, мы были бы в недоумении.
При дальнейшем размышлении изотропия микроволнового фонового излучения кажется еще более удивительным наблюг дательным фактом. Одно из следствий того обстоятельства, что Вселенная имеет конечный возраст по дуговому времени, заключается в том, что различные части Вселенной могут взаимодействовать лишь по истечении определенного интервала зремени. Две точки, удаленные друг от друга на дуговое расстояние х> не могут провзаимодействовать, пока не пройдет дуговое время х- Когда мы смотрим на микроволновое фоновое излучение в двух различных направлениях, мы видим две различные точки в плазме при z = 1000. Хватило ли этим точкам времени, чтобы провзаимодействовать? На этот вопрос следует ответить отрицательно; ведь они находятся очень далеко в направлении своих лучей зрения.
Пример
Вычисление того расстояния, иа котором должны находиться эти точки на небе, представляет собой забавную геометрическую задачу. Обратимся к моделям, использованным в- вычислениях «своими руками». В табл. 50.1 представлено дуговое время X, истекшее с момента z = 1000, а также дуговое время yIbb' прошедшее от начала расширения Вселенной до этого момента. Здесь рассматривается та же самая геометрическая си- 50. Наблюдения реальной Вселенной 389
ТАБЛИЦА 50.1. ВЕЛИЧИНЫ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ ГОРИЗОНТ ДЛЯ РАССМАТРИВАЕМЫХ МОДЕЛЕЙ ВСЕЛЕННОЙ
Тип Дуговое расстояние до Дуговое время Угловой размер
Z = 1000 при г = 1000 горизонта, е
Пыль 4,2 рад 0,3 рад 0,009 рад
Пыль с
излучением 2,2 0,004 0,001
