Эйнштейновская теория относительности - Борн М.
Скачать (прямая ссылка):
§ 12. космология
Впервые высказанная Эрнстом Махом идея о том, что инер-циальные силы обусловлены действием полной системы неподвижных звезд, наводит на мысль о применении общей теории относительности ко всей Вселенной. Этот шаг действительно был предпринят Эйнштейном в 1917 г., и с этого момента начинается период современного развитйя космологии и космогонии— наук о строении и происхождении Вселенной. Это развитие продолжается в полную силу и в наши дни, обогащаясь важнейшими результатами, хотя мы еще далеки от окончательных заключений. Описание этого колоссального поля исследований и предположений потребовало бы еще одной книги такого же 352
Г л. VII. Общая теория относительности Эйнштейна
объема, как наша. Но поскольку космологические исследования многие считают самой важной частью работы Эйнштейна, эти исследования нельзя обойти. Поэтому мы кратко обрисуем современную ситуацию в этой области.
Размышления о Вселенной занимают человека с незапамятных времен. Древние полагали, что звезды прикреплены к хрустальной сфере; вопрос о том, что за нею, тогда не поднимался. С другой стороны, Аристотель рассматривал время как бесконечное. В средние века Фома Аквинский учил, что это мнение Аристотеля нельзя ни подтвердить, ни опровергнуть. Сотворение космоса и времени может базироваться їолько на вере. Начало мира в определенный момент времени и его конечная протяженность были твердо установившейся доктриной схоластики. Идея о том, что космос можно рассматривать как бесконечный, была выражена средневековым мыслителем Николаем Кузанским (1401 —1464 гг.). Ньютон включил бесконечность пространства и времени в свои фундаментальные принципы (см. стр. 62) и размышлял над вопросом, конечно ли число звезд и заполняют ли они конечную часть бесконечного пространства. Он пришел к заключению, что число звезд должно быть бесконечным и они должны распределяться в пространстве довольно равномерно, так как конечное число звезд рухнуло бы друг на друга под действием сил взаимного притяжения. Позднее выяснилось, что этот аргумент ведет к столь серьезным математическим трудностям, что стали даже задумываться о видоизменении ньютоновского закона тяготения на больших расстояниях.
Против предположения о конечном числе звезд существует еще одно возражение, прямо противоположное выдвинутому Ньютоном, — именно, что такая система стала бы расползаться и, таким образом, исчезла бы, растворившись в бесконечном пространстве. Звезды имеют довольно большие скорости, причем скорости, распределенные хаотически во всех направлениях. В этом смысле система напоминает молекулы газа, а ведь ясно, что газ, не ограниченный жесткими стенками, станет расширяться и постепенно улетучится в результате диффузии. Как учит нас кинетическая теория, для того чтобы избежать этой диффузии, недостаточно заменить стенки взаимными притягивающими силами, обратно пропорциональными квадрату расстояния, соответственно закону Ньютона. В свете этих соображений кажется весьма трудным объяснить, почему звездная система до сих пор существует, несмотря на такую тенденцию к расширению. Однако этот аргумент тоже потерял свою силу, поскольку современные исследования недавно обнаружили действительное существование подобного рода расширения Вселенной, о чем мы сейчас расскажем. § 1'2. Космология
353
Существуют и другие критерии, которыми можно воспользоваться, подходя к проблеме о том, конечен или бесконечен звездный мир. Во втором случае, как утверждалось, все небо светилось бы ярким светом, ибо интенсивность света, посылаемого на Землю звездами, должна в последовательных сферических слоях одинаковой толщины возрастать, а яркость каждой отдельной звезды, наоборот, убывать, как квадрат расстояния до Земли, т. е. с одной и той же скоростью. Следовательно, если бы такие сферические оболочки простирались до бесконечности, а плотность звезд оставалась при этом приблизительно постоянной, то глаз видел бы яркую освещенность во всех направлениях. Одно время думали, что этот аргумент существенно ослабляется замечанием, что пространство не вполне пусто: E нем присутствуют атомы и частички пыли повсеместно, преимущественно с малой плотностью, но иногда в форме концентрированных облаков. Последние поглощают и рассеивают проходящие через них световые лучи, тем самым затуманивая и затемняя звезды. Но это возражение было бы справедливым лишь в том случае, если бы имело место начало мира в какой-то конкретный момент времени. В противном случае во Вселенной существовало бы тепловое равновесие и пылевые облака должны были бы становиться такими же горячими и яркими, как сами звезды. Эта позиция приводит к проблеме «тепловой смерти Вселенной», к представлению о необратимом выравнивании разностей температур, как тому учит термодинамика. Но не будем углубляться в обсуждение этого вопроса. • Все эти рассуждения не дают определенного ответа. Поэтому Эйнштейн, взявшись за исследование проблемы с точки зрения своей теории, сделал весьма решительный шаг. Он попытался прежде всего дать ответ на традиционный вопрос: как может материя быть однородно распределенной в пространстве, не переходя в состояние движения в направлении наружу от центра распределения и, таким образом, не растворяясь в бесконечном пространстве? Но здесь он был разочарован, так как столкнулся с теми же самыми трудностями, которые в свое время остановили предыдущих исследователей, подходивших к этой проблеме с классической позиции. Как мы уже сказали выше, эти трудности оказались столь велики, что ученые были вынуждены искать довольно радикальный выход, обратившись к попытке изменить ньютоновский закон силы на больших расстояниях. Аналогичным образом Эйнштейн предложил модификацию своего закона тяготения, сохранив, конечно, принцип общей инвариантности, но изменив уравнения поля так, что эти изменения оказались неуловимыми для планетных систем и проявлялись лишь на космологических расстояниях. Он воспользовался фактом, что его пространство неевклидово и ис-
