Астрофизика, кванты и теория относительности - Каррелли А.
Скачать (прямая ссылка):
Изменчивость
Являются ли «основные» законы физики действительно основными? Являются ли они вечными? Или существуют важные выводы относительно законов физики, которые можно и следует извлечь из того обстоятельства, что сама Вселенная не существует вечно?
Немногие разделы науки в последние два десятилетия получили более революционное развитие, чем астрофизика. Два ее достижения в особенности привлекают наше внимание. Первое состоит в открытии реликтового космического излучения. Еще до открытия этого излучения было установлено, что Вселенная образовалась в результате большого взрыва; это представление основывалось на 1) распространенности элементов,
2) внутренней астрофизической эволюции отдельных звезд и
3) динамической эволюции звездных скоплений. Однако с открытием излучения с температурой 3 К любые мысли об альтернативных космологических моделях в значительной степени были оставлены. Широко признана картина, согласно которой Вселенная образовалась в экстремальных условиях приблизительно IO-IO9 лет назад, достигнув за 1 с плотности порядка IO5 г/см3 и температуры порядка IO10 К, и с того момента вплоть до сегодняшнего дня медленно расширяется и охлаждается (рис. 2).
Скорость расширения Вселенной, выведенная из скорости разбегания галактик относительно нашей, замедлялась, как легко понять, под действием гравитационного притяжения между галактиками в течение всего времени существования. В настоящее время она настолько уменьшилась, что этим галактикам потребовалось бы приблизительно 20-IO9 лет, чтобы пройти расстояние от нас до их современного местоположения, двигаясь с современной скоростью. Никакое другое численное значение не говорит столь непосредственно в пользу замедления расширения Вселенной, как разница между — 20• IO9 годами, составляющими «время от начала, экстраполированное из современных скоростей разбегания», и действительным временем
11, Квант и Вселенная
541
от начала Вселенной, равным ~ 10* IO9 годам, которое следует из астрофизической эволюции отдельных звезд. Оба значения известны с точностью порядка 30—40%, Однако если эти два значения считать верными и подставить в стандартную модель
I I ^ Экстраполяция назад / на основе современного значения скорости. / расширения —' Г ^ I %
А Настоящий, L І момент г I V уС 1 V 1 : сИ З
гТ 11111111 п 1111111 I I IT 111 I I I TTIT'
і__________і
Действительное время до начат
I___________________I
Время Хаббла
Время от начала до настоящего момента 10* IO5Jiem Современное значение времени. Хаббла 20*10?лет
Современная спорость расширения Хаббла. ЩО
км/с
Современная спорость увеличения радиуса Современное значение радиуса Максимальный радиус Время от начала до конца Современная плотность Масса вещества Эквивалентное число Ларионов
мегапарсек
0,66 св. лет/год 13,19409 св. лет 16,94 * IO9 eft лет 59,52-Io9лет . IbjB • Ю'^г/см 5,68-IOssZ 3,39• IOr
90
Рис. 2. Некоторые данные для фридмановской модели изотропной Вселенной, «заполненной звездной пылью» [30].
Эйнштейна для замкнутой Вселенной, то они позволяют предсказать ряд других интересных значений и среди них расчетное время порядка 60-IO9 лет для интервала от большого взрыва до большой остановки (big stop). (Готт и др. [18] сомневаются, что Вселенная содержит достаточно вещества, чтобы искривить ее до замыкания.) Иногда говорят, что наиболее замечательным предсказанием теоретической физики является то, которое позволило предсказать (и предсказать в основном правильно), что должно было произойти, когда впервые в истории человечества кусок звезды был спущен на Землю во время взрыва в пустыне Аламагордо в Нью-Мексико в 5 ч 30 мил
542
Дж. Уилер
утра 16 июля 1945 г.1). Однако как еще более впечатляющее свидетельство способности человека проникать в неизвестное можно рассматривать тот факт, что стандартная (1915 г.) геометрическая теория гравитации Эйнштейна предсказала, предсказала правильно и вопреки всем ожиданиям столь фантасти* ческое явление, как расширение Вселенной2).
Ta же самая геометрическая теория гравитации предсказы-вает коллапс в черную дыру достаточно массивного образовав ния из холодной материи. Сегодня имеются впечатляющие косвенные указания, что один из членов двойной звездной системы с периодом в 5,6 дня в созвездии Лебедя (рентгеновский источник Cyg XI) является черной дырой с массой порядка десяти солнечных масс [17].
Эти достижения космологии и физики черных дыр придают новую силу некоторым наиболее замечательным следствиям стандартной теории Эйнштейна:
1. Вселенная не может быть статической.
2. Объем замкнутой Вселенной не является постоянным.
3. Полная энергия и полный угловой момент для замкнутой Вселенной не могут быть определены — они являются бессмысленными понятиями. Для такой системы никакой глобальный закон сохранения энергии и углового момента не имеет смысла или значения.
4. Барионное число и лептонное число являются хорошо определенными величинами для обычной звезды; но когда эта звезда коллапсирует в черную дыру, хорошо установленные законы сохранения этих чисел теряют всякую применимость.
