Пространство-время, геометрия, космология. - Бёрке У.
Скачать (прямая ссылка):
концентрация реликтовых нейтрино (каждого сорта) примерно в три раза меньше концентрации реликтовых фотонов [11]. Если нейтрино, как раньше полагали, имеют массу, равную нулю, то энергия каждой частицы будет чисто тепловой и отвечает температуре порядка 2 К. Соответствующая плотность энергии (в пересчете на эффективную массу) имеет порядок IO-34 г/см3, и ее вклад, как и вклад реликтовых фотонов, составляет лишь Ю-4 от плотности обычного вещества. Поэтому если нейтрино безмассовы, их роль в динамике Вселенной в целом малосущественна.
Однако в 1980 г. группа ученых из Института экспериментальной и теоретической физики во главе с В. А. Любимовым сообщила о результатах эксперимента, в котором с большой точностью измерялся энергетический спектр электронов, вылетающих при /3-распаде ядер тяжелого водорода (трития). Если нейтрино массивны, то спектр электронов должен обрываться раньше, поскольку массивные нейтрино в отличие от безмассовых не могут уносить сколь угодно малую энергию — ее минимальное значение равно энергии покоя. Из результатов измерений следовало, что масса нейтрино лежит в интервале 30 ± 16 эВ. Хотя этот вывод еще нельзя считать окончательным, вытекающие из него следствия для астрофизики и космологии столь радикальны, что не могут быть обойдены молчанием.
Действительно, простой подсчет показывает, что при массе электронных нейтрино 30 эВ (5- 10~32г) в реликтовых нейтрино должна быть сосредоточена почти вся масса вещества во Вселенной (97%). Эта цифра еще увеличится, если другие типы нейтрино также массивны. Полная плотность вещества во Вселенной при этом оказывается порядка Ю-29 г/см3, т.е. порядка критической плотности. Заметим, что именно из космологических соображений следуют наиболее жесткие ограничения на суммарную массу всех типов нейтрино — она не может существенно превышать 40 эВ, иначе время существования Вселенной окажется слишком малым [11].
Существуют причины, по которым массивные нейтрино крайне «нужны» в астрофизике и космологии. Наличие массы у нейтрино существенно изменяет картину возникновения структурных неоднородностей в первоначально однородном распределении вещества [16]. Под действием собственного тяготения нейтрино будут достаточно быстро образовывать сгущения, которые своим гравитационным полем должны увлекать и обычное вещество. Если же нейтрино безмассовы и создаваемое ими гравитационное поле пренебрежимо мало, процесс развития гравитационной неустойчивости должен происходить гораздо медленнее и для объяснения наблюдаемой в настоящее 12
Предисловие редактора перевода
время структуры Вселенной приходится предполагать слишком высокий уровень флуктуаций плотности в раннюю эпоху. Одновременно масса нейтрино разрешает парадокс скрытой массы, о котором упоминается в разд. 37. Согласно наблюдениям, в скоплениях галактик действует гравитационное поле, для создания которого необходима по крайней мере на порядок большая масса, чем суммарная масса самих галактик. Величина недостающей массы хорошо согласуется с массой сгущений, образующихся при развитии гравитационной неустойчивости массивных нейтрино. Конечно, нельзя утверждать, что проблемы гравитационной неустойчивости и скрытой массы не могут быть разрешены иначе, однако простота приведенных выше объяснений позволяет говорить о наличии астрофизических указаний на существование массы у нейтрино, что делает саму проблему экспериментального поиска массы нейтрино еще более острой.
Этот краткий обзор идей, получивших развитие уже в восьмидесятые годы, показывает, какими гигантскими темпами создается сейчас самая грандиозная физическая теория — теория Мира в целом. Надеемся, что предлагаемая вниманию читателей книга окажется полезной не только тем, кто хочет получить общее представление о космологии, но и тем, кто посвятит себя работе в этой захватывающе интересной области физики.
Перевод книги был выполнен кандидатами физико-математических наук Ю. В. Грацем (предисловия, раздел «Как пользоваться книгой», разд. 1 — 6 гл. I и гл. II), 3. А. Штейн-градом (введение, разд. 7 — 14 гл. I и гл. III) и В. И. Хлебниковым (гл. IV).
Д. Гальцов
ЛИТЕРАТУРА
1. Хокинг С., Эллис Дж. Крупномасштабная структура пространства-времени. — M.: Мир, 1977, с. 431.
2. Зельдович Я. Б., Новиков И. Д. Строение и эволюция Вселенной. — M.: Наука, 1975, с. 736
3. Пиблс Ф. Дж. Э. Структура Вселенной в больших масштабах. — M.: Мир, 1983, с. 408.
4. Гриб А. А., Мамаев С. Г., Мостепаненко В. М. Квантовые эффекты в интенсивных внешних полях. — M.: Атомиздат, 1980, с. 1 — 295.
5. Биррел H., Девис П. Квантованные поля в искривленном пространстве-времени. — M.: Мир, 1984, с. 356.
6. Квантовая гравитация. Труды 2-го семинара «Квантовая теория гравитации», Москва, 13 — 15 окт. 1981 г. — M.: ИЯИ, 1982, с. 1 — 319. 13 Предисловие редактора перевода
7. Starobinsky A. A. A new type of isotropic cosmological model without singularity. — Phys. Lett., 1980, v. 91 B, No 1, p. 99— 102.
8. Вейнберг С. Первые три минуты. — M.: Энергоиздат, 1981.
