Гравитация Том 2 - Мизнер Ч.
Скачать (прямая ссылка):
Тайна «скрытого вещества» характеризует третий цикл сомнения и проверки с еще не найденным окончательным решением. Из уравнения (2) следует, что если эйнштейновское граничное условие замкнутости правильно, то плотность массы-энергии должна превышать определенный нижний предел
p>phB=JL*0* (11)
(«критическое количество массы-энергии, требуемое для замыкания геометрии Вселенной»). Подставляя в (И) хаббловскую скорость расширения H0 = = 55 км/(с -Мпс), находим нижний предел плотности:
Р" = -^Г (1,7-10* CM)* или Р^обычн = 5-10-30 г/см3; (12)
эту величину плотности сравнивают с плотностью р ~ 2-Ю-31 г/сма «светящегося вещества», наблюдаемого в галактиках (§ 29.6), причем скрытое вещество следует искать сегодня в пространстве между галактиками.
При более полном рассмотрении космологии мы имеем дело с условиями в прошлом, когда красные смещения были меньше в 10 000 раз или более современных смещений и размеры меньше в 10 000 раз современных размеров и когда нельзя было пренебречь излучением, причем оно даже преобладало^! 27.10). Мы также имеем дело с условиями на еще более ранних стадиях, когда, возможно, преобладали (гл. 30) анизотропные осцилляции геометрии Вселенной как целого (похожие на трансформации сигары в блин и обратно). Иначе говоря, нам необходимо рассмотреть эволюцию Вселенной к современному состоянию (гл. 28), современное состояние
2
380 27. Идеализованные космологические модели
и последующую эволюцию Вселенной (гл. 29). В данной главе до § 27.11 исследуются основные предположения, лежащие, в основе очерченной таким образом простой, классической космологии, а в § 27.11 рассматривается, какого рода качественные изменения возникают при ослаблении того или иного из этих предположений.
Оставшаяся часть данной главы, аа исключением дополнения 27.4, относится к курсу 2.
Перед чтением ее не нужно изучать какой-либо изложенный ранее материал из курса 2, однако она сама необходима как подготовительны! материал к гл. 29 (Современное состояние и будущая эволюция Вселенной).
Рассмотрение вещества Вселенной как идеальной жидкости,
(«жидкости, состоящей вв галактик»)
Физические условия в боль* ши* масштабах современной Вселенной:
1) кинетическая энергия и давление звезд и галактик
§ 27.2. ЭНЕРГИЯ-ИМПУЛЬС МАТЕРИИ ВСЕЛЕННОЙ -ПРИБЛИЖЕНИЕ ИДЕАЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ
С крупномасштабной точки зрения галактики можно рассматривать какч«частицы газа», заполняющего Вселенную. Внутреннее строение «частиц» (звезд, шаровых скоплений и т. д.) не принимают в расчет. Мелкомасштабные скопления «частиц» (скопления галактик размером ^ 3-Ю7св. лет) также не принимают в расчет. Для упрощения вычислений не учитывают даже специфическую природу «газа» (хотя при желании ее можно учесть, воспользовавшись кинетической теорией; о кинетической теории см. § 22.6, приложение ее к космологии см. в работе [369]), которая оказывается несущественной в приближении идеальной жидкости. Поэтому газ характеризуется 4-скоростью и (4-скоростпь наблюдателя, в окрестности которого галактики в среднем неподвижны), плотностью массы-энергии р (сглаженная плотность массы-энергии в системе отсчета, движущейся с 4-скоростью и; она представляет собой сумму массы покоя и кинетической энергии галактик в единичном объеме, деленную на объем) и давлением р (кинетическое давление галактик). Тензор энергии-импульса для этой «жидкости, состоящей из галактик» хорошо известен:
Т = (р + р) u ® u + gp,
(27.1)
где g — метрическии тензор.
Астрономические наблюдения показывают, что плотность массы покоя галактик намного больше плотности их кинетической энергии. Типичные относительные скорости галактик и звезд в галактиках составляют
(и) « 200 км/с ~ 10~3. (27.2)
Следовательно, отношение плотности кинетической энергии и отношение давления к плотности массы покоя имеют вид
Єкин/Рм.п = -J- (y2J « 10 Р/Р».п = 4- [V2) Ж Ю"6.
(27.3)
§ 27.2. Энергия-импульс материи Вселенной 381
2
По крайней мере таковы эти отношения сегодня. В очень ранний период эволюции Вселенной условия были совершенно иными.
Полная плотность -массы-энергии р, таким образом, очень близка к плотности массы покоя галактик рм. и. Для современной плотности рм. п астрономические наблюдения дают V'
Pm п > 2 -IO-81 г/см3 (27.4)
(см. § 29.6).
He все вещество во Вселенной связано в галактики; часть вещества находится в виде космических лучей со средней плотностью массы-энергии
Pu. Л =C Ю-33 г/см3, (27.5)
а часть, возможно, в виде межгалактического газа с плотностью
Pm. г =C IO-28 г/см3. (27.6)
(Определение более точного значения рм. г — одна из наиболее важных задач современного космологического исследования. Обзор этого вопроса по состоянию на 1971 г. см. в книге [363] стр. 56—120 1J.) Эти вклады в плотность массы и соответствующие давления можно смешать вместе с галактиками в «космологическую жидкость» с тензором энергии-импульса (27.1).
He вся энергия (и напряжения) во Вселенной существует в виде вещества. Имеются также магнитные поля, средняя плотность энергии которых почти определенно не превышает предела
