Космические рубежи теории относительности - Кауфман Уильям (читаем бесплатно книги полностью TXT) 📗
В 1975 г. Стивен Хоукинг в Калифорнийском технологическом институте отметил, что все физические законы формулируются на языке пространства и времени. Но именно эти последние понятия теряют смысл на сингулярности, где кривизна становится бесконечно большой. Поэтому в сингулярности теряют смысл и законы физики. Сингулярность пространства-времени не обязана подчиняться известным законам природы, и из «голой» сингулярности вещество и энергия могут истекать совершенно беспорядочно. Из этого удивительного открытия Хоукинга - принципа беспорядка -вытекает, что сингулярность должна выглядеть как белая дыра. Наличие в центре галактики «голой» сингулярности могло бы объяснить те таинственные явления, которые были открыты астрономами в последние годы.
В самом начале нашего века астрономы пришли к выводу, что не могут объяснить в рамках известных тогда физических законов, почему светит Солнце. Всё говорило о том, что Солнце должно было погаснуть много миллионов лет назад. Лишь после того, как получили развитие частная теория относительности, квантовая механика и ядерная физика, удалось свести концы с концами. Решение загадки источника солнечной энергии пришло только после открытия новых законов физики.
Сейчас перед наукой снова встала трудная проблема. Почти каждый день астрономы открывают в небе объекты, которые излучают энергию в таких количествах, которые как будто невозможно объяснить. Некоторые астрофизики обратились к самым экзотическим объектам, которые только знает сегодняшняя наука, - к массивным чёрным дырам, белым дырам и «голым» сингулярностям. Может быть, они идут по верному пути, но не исключено, что это лишь напрасная трата сил. История астрономии учит нас, что не следует отмахиваться от возможности открытия новых законов физики. Возможно, что лишь новое и более глубокое понимание физической действительности позволит астрономам понять природу квазаров и взрывающихся галактик.
17
ПЕРВИЧНЫЕ ЧЁРНЫЕ ДЫРЫ
В первые же годы космических исследований стало ясно, что одним из практических приложений этих исследований может стать космическая система связи. Всё, начиная от телефонных разговоров и до телевизионных программ, может быть ретранслировано в любую точку нашей планеты с помощью искусственных спутников, выведенных на околоземные орбиты. Поэтому учёные и инженеры, работающие в государственных и частных лабораториях, принялись за разработку устройств, необходимых для практической реализации этой идеи.
В середине 1960-х годов специалисты из лаборатории «Белл телефон компани» в Нью-Джерси (США) приступили к разработке весьма чувствительной антенны для приема сигналов от спутников связи «Эхо» и «Телстар». В 1965 г. Роберт У. Вильсон и Арно А. Пензиас провели ряд экспериментов с новой антенной, чтобы проанализировать все источники помех, которые неизбежны для всех радиоприемников и вообще электронных устройств (рис. 17.1). К их большому удивлению, они обнаружили наличие слабого шума, причины которого не поддавались объяснению. Ещё более удивительным был тот факт, что этот слабый фон приходил, по-видимому, из всех областей неба с одинаковой интенсивностью.
РИС. 17.1. Вильсон и Пензиас. Роберт У. Вильсон (слева) и Арно А. Пензиас (справа) стоят перед антенной, отражатель которой имеет форму огромного рупора, на территории лаборатории «Белл телефон компани» в Холмделе, Нью-Джерси. С помощью этой антенны Вильсон и Пензиас открыли 3-градусное фоновое излучение, которое представляет собой остывшее «эхо» Большого Взрыва. (С разрешения лаборатории «Белл телефон компани».)
Исследователи компании «Белл» не знали, что в Принстонском университете, всего в нескольких километрах от них, группа теоретиков, в которую входили Р. Г. Дикке, П. Дж. Э. Пиблз, П. Дж. Ролл и Д. Т. Уилкинсон, вела интересные расчёты. Исходя из высказанных ранее Толменом и Гамовым предположений, члены Принстонской группы рассматривали некоторые последствия гипотезы о Большом Взрыве. Если Вселенная начала существовать 18 миллиардов лет назад с первичного взрыва, то температура Вселенной на ранней стадии её существования должна быть чрезвычайно высокой. В частности, через 1 с после рождения Вселенной её температура должна была составлять около 10 миллиардов градусов. Принстонская группа применила здесь важный термодинамический закон: если что-нибудь (вроде газа) расширяется, то его температура обязательно падает. Значит, и температура Вселенной должна уменьшаться в ходе расширения Так, через два часа после своего рождения температура Вселенной, по-видимому, должна была понизиться до 100 миллионов градусов. Когда Вселенной было 100 лет, её температура спустилась уже немного ниже одного миллиона градусов. А сегодня, 18 миллиардов лет спустя после этапа первичного огненного шара, эта температура должна составлять около 3 градусов выше абсолютного нуля, т.е. 3 К.
Один из фундаментальных законов физики связывает температуру тел с характером испускаемого ими излучения. Так, тело, нагретое до 6000 К (такую температуру имеет поверхность Солнца), испускает главным образом видимый свет. Очень горячие объекты, температура которых достигает миллионов градусов, испускают рентгеновские лучи. Достаточно холодные объекты дают радиоволновое излучение. А если температура объекта равна 3 К, то он должен испускать радиоволны в основном с длиной волны от 1 мм до 100 см. Антенна компании «Белл» была настроена на 7,53 см, т. е. почти в точности на середину этого диапазона.
Узнав об этих расчётах, выполненных в Принстоне, Вильсон и Пензиас сразу же подумали, что таинственным источником обнаруженного ими шумового фона на самом деле может быть излучение остывшего первичного огненного шара. Были проведены наблюдения на разных длинах волн, и полученные результаты дали точки, уложившиеся на теоретическую кривую для температуры 2,7 градуса выше абсолютного нуля. Теперь все считают, что это фоновое излучение является остывшим «отголоском» Большого Взрыва.
РИС. 17.2. Фоновое излучение. Приходящие со всех сторон неба слабые радиоволны соответствуют средней температуре Вселенной 2,7 К выше абсолютного нуля.
Одним из самых замечательных особенностей реликтового фона является его чрезвычайная изотропия. В любой момент дня или ночи, в любое время года радиоастрономы всегда принимают фоновое излучение одной и той же интенсивности со всех участков неба. С точки зрения астрофизика, это удивительно, так как нет явных причин, почему температура во Вселенной в одном направлении должна быть точно такой же, как и в любом другом направлении.
С различным успехом предпринимались разные попытки объяснить изотропию реликтового фонового излучения. Например, в конце 1960-х годов Чарлз Мизнер из Мэрилендского университета предложил теорию «Вселенной - смесителя» (миксмастер-модель), исходя из необычного класса решений уравнений Эйнштейна. Миксмастер-модель претерпевает резкие сжатия попеременно во всех направлениях; считают, что она должна описывать состояние Вселенной вскоре после Большого Взрыва. Хотя работа Мизнера и позволяет понять важные аспекты возможного поведения Вселенной на её раннем этапе существования, она не способна полностью описать изотропию 3-градусного фона. Самым главным здесь является то, что существование изотропии реликтового фонового излучения должно быть обусловлено какими-то физическими процессами.
В то время как изотропия 3-градусного фона убедительно свидетельствует об эффективных процессах перемешивания и выравнивания, которые происходили, когда возраст нашей Вселенной был менее 1 с, вся Вселенная не стала полностью однородной. Если бы 18 миллиардов лет назад вся Вселенная приобрела полную однородность, она оставалась бы однородной и теперь. Но в ней существуют скопления вещества в виде звёзд и галактик, планет и нас с вами. Значит, процессы, приводившие к выравниванию поля излучения, не были особенно эффективны в смысле выравнивания распределения и движения вещества во Вселенной.
