Пространство-время, геометрия, космология. - Бёрке У.
Скачать (прямая ссылка):
В предыдущем разделе была упомянута проблема конечно- Проблема горизонта го горизонта. Эта проблема наглядно поясняется на рис. 51.5. Во Вселенной не существует точек, сигнал из которых может быть послан одновременно в точки А я В, поскольку вторая находится за горизонтом первой, и наоборот. Несмотря на это, Вселенная в точках AwB настолько похожа, что, очевидно, эти точки должны как-то между собой «договориться».
Одна из попыток разрешить сформулированную проблему состоит в продолжении Вселенной, что сделает возможным существование событий, происходящих до момента времени і/ = О2'. Точка С на рис. 51.6 может взаимодействовать как с До начала
" Сказанное вплотную подводит нас к мысли о том, что энтропия классической фридмановской Вселенной возрастает в процессе ее эволюции. Как примирить этот вывод со сценарием вечно осциллирующей Вселенной, изображенной на рис. 51.7 и 51.9? Обсуждение проблемы энтропии вечно осциллирующей Вселенной и, в частности, возможной роли деситтеровской (инфляционной) стадии как квантового «чистилища» для накопленной энтропии см., например, в работе Марков М. А. Труды ФИАН СССР им. П. Н. Лебедева, 1983, т. 152, с. 3—11. — Прим. перев.
2> Естественное решение проблемы горизонта дает сценарий инфляционной Вселенной; подробнее см. предисловие редактора перевода. — Прим. ред. 398
Гл. IV. Космология
п
X
Рис. 51.5
Отсутствие причинного взаимодействия в ранней Вселенной.
В
\
Рис. 51.6
События, происходящие до момента времени, отвечающего R = О, могли бы взаимодействовать с разобщенными точками, изображенными на рис. 51.5.
[Это можно было бы назвать «конспиративной» теорией происхождения космоса.]
[Некоторые гипотезы более или менее подробно разработаны Хойлом и Нарликаром. Популярное изложение этого круга вопросов содержится в книге [15].]
[По поводу таких причудливых множеств см. книгу о фракталях [23].]
[Эти рисунки настолько сложны, что наши математики не в состоянии их описать. В этой области ведутся активные исследования. Рисунки выполнены Крисом Шоу.]
точкой А, так и В. Идея заключается в том, что Вселенная может сколлапсировать, а затем испытать «отскок». Такую Вселенную называют осциллирующей. Концепция осциллирующей Вселенной позволяет перейти от картины на рис. 51.3 к картине на рис. 51.7. Беда здесь в том, что Большой Треск на рис. 51.3 представлен не совсем верно. Если же для представления Большого Треска используется рис. 51.4, то красивая упорядоченная осциллирующая Вселенная становится невозможной. Лучшее, что мы можем в этом случае предложить, — это кошмар, изображенный на рис. 51.8. На этой картине вся наша Вселенная умещалась бы внутри незначительной части большей Вселенной. Более того, сама наша Вселенная порождала бы меньшие дочерние Вселенные. Мы пришли бы к состоянию, которое лучше всего описывается как турбулентное пространство-время. Тогда рисунки 51.4 и 51.8 уже не могут служить хорошими представлениями Большого Треска. Они изображают Вселенную, распадающуюся в процессе эволюции на бесконечное число несвязанных кусков. Разумнее предположить, что Маленькие Трески собираются вместе и в результате образуют один Большой Треск. На рис. 51.9 сделана попытка наглядно изобразить эту-идею.
Предыдущие причудливые сценарии представляют собой не что иное, как плоды нашей необузданной фантазии. Мы не знаем физических законов, которые позволили бы нам перейти че- 51. Сингулярности
399
Рис. 51.7
Первое предположение о глобальной геометрии осциллирующей Вселенной. Время течет в направлении стрелки.
рез гиперповерхность R = O. Такой переход недопустим в общей теории относительности. Никто, правда, и не считает, что вблизи R = 0 общая теория относительности строго справедлива. Нет сомнений в том, что это — всего лишь приближенная теория и она неприменима при экстремальных условиях вблизи гиперповерхности R = 0.
Мы высказали некоторые предварительные соображения о Большом Треске. Общая теория относительности может описывать коллапс облака вещества, давление которого не в со- Гравитационный коллапс стоянии сдержать его самогравитации. Конечное состояние такого коллапса называется черной дырой. В рассматриваемом случае объекты также коллапсируют к нулевому значению радиуса. На рис. 51.10 изображено пространство-время, описывающее такую ситуацию. Обратите внимание, в частности, на поведение световых конусов в этом пространстве-времени. Наблюдатель, падающий в черную дыру и пересекающий линию, помеченную как «горизонт», не в состоянии предотвра- 400 Гл. IV. Космология
Рис. 51.8
Схематическое представление рекуррентной Вселенной, которой соответствует рис. 51.4.
тить попадания прямо в сингулярность, расположенную в начале координат. Чтобы избежать этого, потребовались бы скорости, превышающие скорость света. Язык метрических фигур и пространственно-временных диаграмм дает нам четкое представление о коллапсе. В действительности это единственный Черные дыры честный способ описания черной дыры.
Решающее свойство черной дыры заключается в настолько сильном тяготении, что даже свет не может избежать падения к центру. Коллапс в сингулярность мог бы показаться случайным результатом, обусловленным нашим предположением о точной сферической симметрии. Но это не так. В общей тео- 51. Сингулярности 401
