Космические рубежи теории относительности - Кауфман Уильям (читаем бесплатно книги полностью TXT) 📗
В той области науки, которую описывает автор, развитие идет сейчас полным ходом. Немудрено, что ряд понятий ещё не установился, термины сплошь и рядом только «обкатываются», и хотелось бы предупредить читателя, чтобы он диалектически приходил к самому тексту изложения. Мы стремились передать живой стиль книги в оригинале и быть близкими к стандартам, уже принятым в отечественной литературе. Правда, стандарты эти порой находятся в процессе становления, а иногда требуют улучшения. Так, в нашей литературе употребляются два эквивалентных, но разных по написанию термина: времениподобный и временноподобный (это обычно относится к вектору или отрезку). Первое было введено на русском языке в работах В. К. Фредерикса и др. (см. вышедшую недавно книгу: Ландау Л. Д., Лифшиц Е.М. Теория поля - М.: Наука, 1973); второе также неоднократно использовалось разными авторами (например, Фок В. А. Теория пространства, времени и тяготения - М.: Физматгиз, 1961). Поскольку в русском языке соединительными гласными могут быть только «а» и «е», мы выбираем термин «временноподобный», тем более что ему соответствует принятый всеми, авторами термин «пространственноподобный» (а не «пространству-подобный»!). Фамилию крупнейшего английского специалиста по чёрным дырам Стивена У. Хоукинга мы предлагаем писать через «оу» (а не как «Хокинг», как пишут иногда, тем более что существует совсем другой физик, с полным основанием транскрибируемый у нас как Хокинг; в то же время выдающийся английский гравитационист Р. Пенроуз всегда удачно транскрибируется через «оу»).
Мы уже отмечали, что в книге Кауфмана общедоступно излагаются события «с переднего края» развития современной физики и астрофизики. Естественно, что за годы, прошедшие после выхода в свет книги, в этой области произошли некоторые изменения, связанные и с новыми открытиями, и с новыми, более совершенными методами исследования.
Так, полным ходом идут поиски чёрных дыр, ведутся расчёты многочисленных эффектов, характерных именно для этих удивительных объектов. При этом изучаются возможности существования как «звёздных» чёрных дыр (с массами в несколько масс Солнца), так и сверхмассивных чёрных дыр, по массам не уступающих ядрам галактик.
Замечательные результаты получены при наблюдениях пульсара, входящего в состав двойной системы. Этот пульсар, играющий для нас роль точнейшего стандарта частоты (т.е. естественных «часов»), обращается вокруг другой звезды (точнее, вокруг общего центра масс системы). (Не исключено, что второй компонент системы - чёрная дыра!) В подобной системе особенно легко выявить изменение орбитального периода обращения, причем оказалось, что такое изменение реально существует и в точности соответствует значению, предсказываемому общей теорией относительности на основании уноса энергии из системы за счет гравитационного излучения. По-видимому, тем самым впервые получено наблюдательное, хотя и косвенное, подтверждение реальности гравитационных волн.
Наконец, в 1979 г. в созвездии Большой Медведицы была обнаружена странная система из двух квазаров, необычайно похожих друг на друга. Их свойства, обычно совершенно различные для разных квазаров, на сей раз оказались практически тождественными, и всё больше укрепляется уверенность в том, что на самом деле это один квазар, а его «удвоение» - результат действия космологической «гравитационной линзы»-тот самый эффект, о котором пишет Кауфман. Это ли не подтверждение того факта, что в книге речь действительно идет о событиях с «переднего края» науки!
Позволим же себе ещё раз высказать надежду, что эта книга доставит удовольствие читателям, а быть может, направит некоторых на путь поиска, учёбы и научных изысканий, соответствующих их задаткам и наклонностям, - путь, ведущий к новым замечательным открытиям.
Н.В. Мицкевич
ПРЕДИСЛОВИЕ
Ли-c любовью и признательностью
Одной из примечательных особенностей астрономии последнего десятилетия является бурное возрождение интереса к общей теории относительности. Открытие пульсаров в 1967 г. побудило астрофизиков произвести детальные расчёты структуры нейтронных звёзд; эти расчёты показали, что для звёзд с массами, превышающими 1,5 массы Солнца, не существует устойчивых конфигураций. Воодушевлённые как этим открытием, так и другими, столь же волнующими, теоретики - астрофизики с небывалым рвением занялись проблемой чёрных дыр. Плодом их усилий был целый ряд новых открытий.
Но эти поразительные открытия оказались доступны лишь профессионалам - астрономам и физикам, достаточно владеющим языком математики, чтобы читать специальную литературу. А к чему обратиться любознательному читателю или студенту, чтобы попытаться понять, что такое чёрная дыра или искривлённое пространство-время и чем замечателен Лебедь-Х?
Эта книга написана, чтобы удовлетворить запросы именно таких людей. В ней отсутствует математический аппарат, и от читателя требуется лишь заинтересованность и пытливость ума. Чтобы читать её, можно (или нужно) знать лишь элементы математики, ибо автор старался пользоваться языком, доступным неспециалисту. Для объяснения многих понятий общей теории относительности вместо сложных математических формул повсюду использовались графики и диаграммы. В книге более 200 иллюстраций, и в их числе - диаграммы вложения, диаграммы Пенроуза и виды из иллюминаторов воображаемых космических кораблей, влетающих в чёрные дыры и проваливающихся в «кротовые норы» пространства-времени.
Если читателю понравится этот новый подход, то, как надеется автор, его книгу окажется возможным использовать как дополнение к вводному курсу астрономии или как пособие по курсу, который обычно предлагается студентам гуманитарных специальностей, интересующихся более подробным изучением избранных разделов астрономии. Автор стремился сделать изложение живым и интересным как для тех, кто изучает астрономию, находясь в стенах аудитории, так и для тех, кто делает это самостоятельно.
В конце 1974 г. я ушел в длительный отпуск с поста директора Гриффитской обсерватории и возвратился в группу астрофизики и теории относительности при Калифорнийском технологическом институте. Я благодарен членам отделения физики, и в особенности Кипу С. Торну за чуткое отношение. В этой книге, прежде всего благодаря моему пребыванию в Калтехе, рассказывается об открытиях, которые ещё не были опубликованы в специальных журналах. В этом отношении я глубоко признателен Ч. Т. Каннингэму и С. У. Хоукингу за многочисленные обсуждения и разъяснения, а также за знакомство с их расчётами до опубликования.
Я хочу поблагодарить Дж. О. Эбелла из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Д. М. Эрдли из Йельского университета за обсуждение рукописи книги и за советы. Я благодарен также отделению астрономии Калифорнийского университета за приглашение прочитать в университете курс по избранным вопросам астрономии в конце 1975 г. и летом 1976 г.: это была возможность испробовать свои мысли и свой подход на студентах.
Большинство рисунков для этой книги было выполнено Джоем Волем, талант и терпение которого заслуживают самой высокой оценки. Наконец, я глубоко благодарен Луизе Нельсон за печатание рукописи.
У. Кауфман
1
ОРИЕНТИРОВАНИЕ В ПРОСТРАНСТВЕ-ВРЕМЕНИ
На протяжении многих тысячелетий люди пристально вглядывались в усыпанное звёздами ночное небо, испытывая благоговейный трепет перед его величием и таинственностью. Ещё в древнейшие времена, от которых не сохранилось никаких письменных свидетельств, людей повергал в изумление размеренный ход небесного механизма. Восход и заход Солнца, смена фаз серебристого диска Луны, драматическое зрелище солнечного затмения и странствия планет по созвездиям пояса Зодиака - всего этого было достаточно, чтобы побудить наших предков заняться астрономией.
