Гравитация и вселенная - Дикке Р.
Скачать (прямая ссылка):
Из наблюдений следует, что Вселенная является расширяющейся системой, причем скорость расширения пропорциональна расстоянию от нас. Такая связь между расстоянием и скоростью чрезвычайно важна. В 1929 г. Хаббл обнаружил, что Вселенная расширяется, причем пройденное в ходе расширения расстояние пропорционально скорости разбегания [6]. Если предположить, что скорость убегания галактики не изменяется со временем, то ничего не стоит определить момент, когда эта галактика была совсем близка к нам. Этот момент оказывается одним и тем же для всех галактик; по современным оценкам это было 10— 17 миллиардов лет тому назад [5]. Вместе с тем гравитационное притяжение со стороны других галактик стремится замедлить скорость расширения, и есть основания считать, что истинный возраст Вселенной (время, прошедшее с момента «взрыва») равен приблизительно 2/з только что приведенного значения, т. е. 6,5—11 миллиардов лет. Следует отметить, что возраст Галактики, найденный из закона радиоактивного распада урана и оцененный в 7 миллиардов лет, согласуется с этой грубой оценкой.
Особенно важной чертой распределения галактик вокруг нас является однородность и изотропность этого распределения. Картина такова, как будто галактики разбросаны вокруг нас равномерно, и зта однородность касается не только их распределения, но и закона возрастания их скоростей по мере удаления от нас. Как это следует истолковать? Напрашивается Мысль, что человеку отведено особое, центральное положение во Вселенной, что все галак- 73 III. Космический і?огненный шар» и гравитация
тики разбегаются именно от нас. Другое истолкование утверждает, что Вселенная по своей структуре однородна и все точки в ней равноправны. Тогда Вселенная представляется изотропной при наблюдении из любой галактики, в какой бы ни жил человек. Это последнее, истолкование соответствует наблюдениям. Нетрудно мысленно перенестись в любую галактику, далекую от нашей, и учесть при этом то, что нам сегодня известно о распределении галактик и об их движении относительно нас (примем это движение чисто радиальным). Произведя такое простое математическое преобразование, мы придем к заключению, что в среднем Вселенная одинакова, из какой бы галактики мы ее ни наблюдали. Это заключение соответствует тезису об однородности Вселенной и о том, что человек не занимает в ней какого-то особого, центрального положения.
В целом мы приходим к представлению, что Вселенная была порождена в некой катастрофе и, вероятно, к катастрофе же стремится. Если скорость расширения Вселенной достаточно сильно замедляется, это расширение в один прекрасный день прекратится и сменится сжатием. Результатом его может быть катастрофа, при которой галактики начнут сталкиваться друг с другом, и конец Вселенной окажется тогда подобным ее началу, который нас сегодня в основном интересует.
ТЕОРИЯ ТЯГОТЕНИЯ И РАСШИРЯЮЩАЯСЯ ВСЕЛЕННАЯ
Как уже говорилось в двух предыдущих лекциях, мы проводим сравнение между двумя релятивистскими теориями тяготения: общей теорией относительности Эйнштейна и другой общерелятивистской теорией, тесно связанной с ней,— скалярно-тензорной теорией. Обе они основываются на римановой геометрии, физическое пространство в которой не обязательно плоское (евклидово). В теории тяготения Эйнштейна гравитационные эффекты связаны с кривизной пространства-времени. Точка зрения скалярно-тензорной теории аналогична, но добавляется скалярное поле, роль которого аналогична роли скалярного гравитационного поля в доэйнштейновской теории тяготения.
В обеих теориях пространство-время можно считать с достаточной степенью точности плоским в тех малых че- 75 III. Космический і?огненный шар» и гравитация
тырехмерных областях, в которых ставится лабораторный опыт. Если в этих малых областях частицы движутся относительно лаборатории достаточно медленно, то ньютоновская динамика в плоском трехмерном абсолютном пространстве достаточна. Для описания быстрых движений требуется частная теория относительности Эйнштейна, четырехмерное пространство-время которой также плоское.
Вселенная, взятая как целое, так огромна, что этот ограниченный подход, основывающийся на рассмотрении практически плоских малых элементов пространства-времени, приемлем только при анализе малого участка Вселенной. Однако вследствие ее однородности любой малый элемент пространства-времени должен быть (в среднем) типичным образцом целого. Образец этот должен быть малым, однако не чересчур. Существенно, чтобы он был достаточно велик и включал много галактик, даже скоплений галактик, иначе было бы невозможно считать заполняющую его материю непрерывной средой.
" К счастью, вся Вселенная настолько огромна, что даже этот гигантский «элемент» ее может считаться малым по" сравнению с ней самой. Таким образом, мы можем изучать Вселенную в целом, исследуя наш типичный образец, представляющий собой практически плоский элемент пространства-времени.
У теории тяготения Ньютона есть удивительное следствие: повсюду внутри пустой сферической массивной оболочки всякое гравитационное воздействие отсутствует. Интуиция подсказывает, что пробное тело, если его приблизить изнутри к оболочке, должно было бы притягиваться ее ближайшей частью. Однако этого не происходит, так как в этой часїиГ вещества намного меньше, чем во всех остальных частях обширной оболочки, и взаимно противоположные силы притяжения в точности компенсируют друг друга. Если бы мы пробурили в однородной сферической Земле радиальную шахту до самого центра, то ускорение брошенной в эту шахту дробинки все время уменьшалось бы по мере приближения к центру Земли.
