Общая теория относительности - Хокинга В.
Скачать (прямая ссылка):
космологии расширяющейся вселенной является вполне корректным; требуется
только моральная смелость. В простом виде такая теория была построена
Милном [43]. Обзор с усовершенствованием понятия однородности дан автором
[73].
По иронии судьбы простой ньютоновский подход был сформулирован через
десять лет после того, как были найдены гораздо более сложные
общерелятивистские решения Фридмана [19, 20]. Ньютоновское доказательство
было найдено тогда, когда ответ был уже известен из релятивистской
теории, созданной Эйнштейном.
Один вопрос, не решенный еще и теперь, касается плотности вещества во
вселенной. Кроме того, вопрос о том, является ли вселенная закрытой или
открытой, не решен окончательно. Но даже довольно широкие ограничения,
даваемые наблюдательными данными, приводят к информации об элементарных
частицах, которая не может быть получена обычными методами лабораторной и
ускорительной физики. Этот вопрос рассматривается в разд. 2.
Принятие эволюционной теории, включающей динамику расширения вселенной,
дает первое приближение к структуре вселенной в больших масштабах:
геометрический, кинематический и динамический фон. Следующий шаг состоит
в выяснении физического содержания, присутствующих частиц и температуры
среды.
Было сделано несколько попыток объяснить изобилие различных химических
элементов и изотопов нуклеосинтезом в однородно расширяющемся веществе.
Они были основаны на завышенных оценках постоянной Хаббла Я, которую
сначала считали равной 550 км-с-1-Мпс-1.
Полученный в результате возраст Я-1=2-10” лет был меньше или равен
оценкам возраста Земли, Солнца и шаровых скоплений. Поэтому представление
о космологическом возникновении всех элементов казалось убедительным.
Гамов [21] пытался сделать это, рассматривая ванну, полную нейтронов, в
которой происходят поглощение нейтронов ядрами и последующие бета-
распады. Чтобы помешать изотопам сильно реагировать с медленными
нейтронами, Гамов [22, 23] ввел высокие начальные температуры и вычислил
современное значение температуры, равное 6 К, что поразительно близко к
действительно измеренной температуре 2,7 К. Все промежуточные стадии
расчета Гамова оказались несостоятельными: возраст вселенной равен (15—
20) х X 10“ лет — гораздо больше, чем возраст Земли и Солнца (~5-10*)
лет. Космологический нуклеосинтез практически заканчивается на Не4;
элементы со средними и большими атомными весами образуются в звездах.
IV. Космология и ранняя вселенная
219
Однако горячая модель «большого взрыва», предложенная Гамо-вым, была
развита дальше в работах Альфера и Германа [1], Хайя-ши [30], Ферми и
Туркевича (цитируется в работе Ш) и др. В работе, которая осталась
незамеченной радиоастрономами, Дорошке-вич и Новиков [16] указали, что
даже при низкой температуре космологическое излучение должно превосходить
излучение звезд, радиоисточников и т. д. в определенном диапазоне длин
волн (например, для К между 0,1 и 20 см).
Хорошо известно, что Дикки и др. [13] независимо пришли к тому же выводу
и, более того, сделали попытку найти космологическое излучение с длиной
волны 3 см. Поэтому, когда Пензиас и Вильсон [54] действительно
обнаружили шум на 7,3 см, Дикки и его сотрудники сразу поняли его
происхождение и объявили, что теория «большого взрыва» доказана. Позднее
было осознано, что наблюдавшееся ранее Мак-Келларом [42] необъяснимое
возбуждение межзвездных молекул CN также было доказательством и к тому же
давало хорошую меру космологического излучения. Горячая модель «большого
взрыва» приводит к естественному делению космологического сценария. В
порядке возрастающей отдаленности от нашего времени, а также возрастающей
сложности рассмотрим следующие этапы.
1. Лептонная эра: от /=0,01 с, z=10u, T=3-10U К=30 МэВ вплоть до ситуации
на сегодняшний день. Физические законы в эту эпоху хорошо известны,
космология помогает установить важные детали. Лептонная эра
рассматривается в разд. 3.
2. Адронная эра: от 10-42 до 0,01 с. Развитие физики частиц, включая
нарушение симметрий и кварковый конфайнмент, демонстрирует возможность
многих неожиданных новых качественных свойств горячей плазмы в этой
области (разд. 4).
3. Последнее, но не менее важное. Планковская единица времени 10-43 с как
раз характеризуется прямым воздействием квантовой теории на космологию,
гравитацию и метрику. Фактически остальные статьи в этой книге посвящены
этому предмету. Испарение черных дыр — квантовый эффект, который
продолжается за планковское время. Некоторые замечания о первичных черных
дырах и квантовой гравитации даны в разд. 5.
2. СРЕДНЯЯ ПЛОТНОСТЬ ВЕЩЕСТВА ВО ВСЕЛЕННОЙ
Плотность вещества, непосредственно видимого как звезды и светящиеся
газовые облака в галактиках, усредненная по всему объему, включающему
темное межгалактическое пространство, является величиной порядка 10“30—
10-31 г/см3.
Плотность энергии электромагнитного излучения космологического
происхождения (чернотельное реликтовое излучение с температурой 2,7 К)
