Гравитация и вселенная - Дикке Р.
Скачать (прямая ссылка):
J. L. Modisette, Journ. Geophys. Res., 72, 1521 (1967); A. Alfonso-Faus, Journ. Geophys. Res., 72, 5576 (1967).
11. R. Kraft, частное сообщение, 1964.
12. R. Kraf t, частное сообщение, 1968.
13. R. H. Dicke, H. M. Go ldenb erg, Phys. Rev. Letters, 18, 313 (1967).
14. R. H. Dicke, в печати.
15. L. N. Howard, D. W. Moore, E. A. Spiegel, Nature, 214, 1297 (1967).
16. R. H. Dicke, Astrophys. Journ., 149, L121 (1967).
17. P. G о 1 d r e і с h, G. Schubert, Astrophys. Journ., 150, 571 (1967); 154, 1005 (1968). III. КОСМИЧЕСКИЙ «ОГНЕННЫЙ 'ШАР» И ГРАВИТАЦИЯ
ВВЕДЕНИЕ
В двух предыдущих лекциях я подчеркнул, что гравитационное взаимодействие является чрезвычайно слабым и что для проведения принципиальных экспериментов приходится использовать огромные тела. Источником гравитационного поля в опыте Этвеша, обсуждавшемся в первой лекции, было Солнце, и оно же использовалось при положительной проверке общей теории относительности, обсуждавшейся во второй лекции. Сегодня мы обратимся к наибольшей из возможных динамических систем —ко Вселенной в целом. Здесь протяженности в пространстве и во времени столь велики, что динамика системы определяется главным образом релятивистскими принципами, а не релятивистскими эффектами, играющими роль второстепенных возмущений системы, почти полностью описываемой механикой Ньютона.
Подход ко Вселенной в целом как к прибору — вещь занятная, но проведение экспериментов с таким прибором имеет ограничения. Наблюдатель не может управлять опытом, и опыт не может быть повторен. Более того, в прибор невозможно вносить изменения.
Приборы астрономических размеров требуются не только для исследования тяготения. Ядерные реакции протекают внутри Солнца в таких условиях, которые невозможно воспроизвести в лаборатории, а внутри нейтронных звезд и белых карликов вещество сжато до плотностей, абсолютно недостижимых в лаборатории. Во Вселенной происходят магнитогидродинамические эффекты, в которых участвуют магнитные поля и чрезвычайно разреженный ионизованный газ в таких объемах и в течение таких интервалов / времени, что ничего подобного в лаборатории нам не повторить. Для изучения подобных физических явлений исследование астрономических систем становится существенным. Но в случае гравитации — самого слабого из известных взаимодействий — такой астрофизический подход к экспериментальному познанию просто необходим. 69 III. Космический і?огненный шар» и гравитация
Вселенная — слишком сложная система, чтобы ее исследовать дедуктивно, исходя из начальных условий и решая уравнения движения. Гораздо более плодотворный подход =— тщательно анализировать наблюдаемые свойства Вселенной, а затем пытаться делать заключения об их природе и эволюции в прошлом.
Что мы видим, выглядывая из своего мира во Вселенную? Кроме планет, Луны и прочих мелких тел Солнечной системы, первым существенным объектом является наше ' Солнце. Солнце, будучи типичной звездой, содержит в своих наружных слоях кроме водорода круглым числом 25%' гелия и 2%! других элементов. Излучение Солнца поддерживается превращением в его недрах водорода в гелий при очень высоких температурах. Факт наличия на Солнце кроме водорода и гелия также других элементов очень важен, так как есть основания думать, что эти более тяжелые элементы были синтезированы в прошлом внутри других звезд.
Покинув Солнце и отправившись еще гораздо дальше в космос, на расстояния, более чем в 100 ООО раз превышающие расстояние от Солнца до Земли, мы начнем встречать и другие солнцеподобные объекты — звезды. Они попадаются иногда целыми скоплениями — гравитационно связанными системами, такими, как известные всем Плеяды, а множество очень слабых, а значит, и очень далеких звезд образует огромный пояс вокруг всего неба — Млечный Путь. Эта последняя система наводит на мысль об удивительнейшей тенденции в распределении звезд, а именно стремлении собираться в уплощенные дискообразные системы. Именно таким диском, видимым с ребра, и является наш Млечный Путь. Тщательное исследование его структуры, особенно при помощи радиотелескопов, показало, что он обладает формой уплощенной спирали и подобен давно известным спиральным туманностям, во множестве наблюдаемым на небе. Этот диск — Галактика, гравитационно связанная система звезд. Известно, что диаметр Галактики составляет приблизительно 25 кпс, т. е. 7,5 -IO22 см или 5 миллиардов расстояний от Солнца до Земли. В Галактике примерно 100 миллиардов звезд, а толщина диска на расстоянии Солнца от центра Галактики составляет около 2 % его диаметра. В целом диск медленно вращается вокруг 70
III. Космический і?огненный шар» и гравитация
своей оси, причем наружная его часть движется медленнее. Солнцу для оборота вокруг центра Галактики требуется 250 миллионов лет.
Одним из аспектов строения Галактики, не бросающихся в глаза, является существование в ней двух подсистем звезд. Первая подсистема, или население I, включает звезды, составляющие уже описанный диск; вторая же система, или население II, состоит из звезд, сферически распределенных вокруг центра Галактики. Звезды населения II движутся не по круговым орбитам, типичным для членов населения I, а по чрезвычайно вытянутым. Известно, что звезды населения II чрезвычайно стары, и в них мало тяжелых элементов по сравнению с Солнцем. Эти различия в химическом составе и движении имеют важное значение для фундаментального вопроса, связанного с гравитацией, к которому мы еще вернемся.
