Фейнмановские лекции по гравитации
Шрифт:
13.2. О возможности неоднородной и несферической вселенной
Так как все наши заключения серьёзным образом основаны на постулате однородной космологии, мы могли бы проанализировать природу такого свидетельства. Если мы исследуем область вселенной, находящейся в пределах 1.3x10 световых лет от нас, мы без труда находим одно скопление, скопление Девы (Virgo), другими словами, вещество распределено в значительной степени довольно несимметричным способом. Отсутствие симметрии в этой области является таким значительным, что оно не может быть объяснено небольшими отклонениями от симметрии. Например, это не может быть обусловлено потемнением, вызванным галактической пылью, которое может задевать только ту область неба, которая лежит в пределах нескольких градусов от галактического экватора. Однородность должна выделяться при исследовании областей, которые больше, чем 10 световых лет, так как число галактик в обычном скоплении является слишком большим для того, чтобы их можно было достаточно точно описать как флуктуация плотности. Что обнадёживает, так это то, что оказывается, что очень удалённые области неба населены очень регулярными и компактными скоплениями
Само существование скоплений покалывает, что галактики притягиваются друг к другу с достаточной силой, так что такие системы находятся вместе в течение времени, сравнимого со временем вселенной. Очень интересно отметить, что почти все галактики находятся в скоплениях; и оказывается, что только очень небольшая их часть находится не в скоплении. Вывод состоит в том, что почти всё видимое вещество во вселенной не даёт достаточной кинетической энергии для того, чтобы вещество могло бы освободиться из гравитационного поля окружающей материи. Ввиду этого факта, мне кажется, что очень невероятным, чтобы средняя плотность вселенной много меньше, чем критическая плотность. Если плотность много меньше, чем критическая плотность, то образование скоплений должно быть приписано локальным флуктуациям, которые делают вещество более плотным в некоторых областях. На основе статистической модели это было бы довольно трудно, в этом случае должно быть достаточно локальных флуктуаций правильного вида, так чтобы почти всё вещество было сосредоточено в скоплениях. Может быть доказано, что в более ранние моменты времени, когда плотность была выше, такие флуктуации могут быть образованы более легко, но я не вижу количественного доказательства, основанного на этой идее. Неизбежный вывод состоит в том, что большая часть вещества затягивается в скопления, поскольку гравитационная энергия того же порядка, что и кинетическая энергия расширения, это наводит на мысль, что средняя плотность всюду должна быть почти равной критической плотности.
Предыдущие предположения о средней плотности не дают никакой поддержки гипотезе однородности. Может всё ещё оставаться вопрос, который касается того, является ли скопление вещества в заданных областях чисто локальным эффектом и меняется ли ситуация от области к области. Космологический принцип может изучаться только путём проведения детального сравнения плотности вещества и нелинейной зависимости красного смещения, которая представляет ускорение галактик. Это есть величины, которые в принципе измеряемы независимо, хотя определённое соотношение между ними предсказывается теориями, в которых принимается космологический принцип. Если вариация плотности от радиальной координаты была бы измерена с большой точностью, то мы могли бы обнаружить, что вещество может быть имеет большую плотность во внутренней области, так что космологический принцип не может выполняться.
Рис. 13.1.
Даже если космологический принцип был бы неверен, может оказаться, что вселенная имеет сферическую симметрию. Предпочтение в пользу космологического принципа отражает наше удивление от обнаружения того, что мы находимся в таком месте, которое выглядит как центр вселенной. Давайте предположим, что видимая область почти симметрична, но что вне её имеется довольно много вещества, распределённого достаточно кривобоко. Каково бы было в этом случае отличие от симметричного распределения вещества? Мы могли бы ожидать поправки первого порядка к движению удалённой галактики, которые были бы обусловлены влиянию приливных сил, как это проиллюстрировано на рис. 13.1. (Если видимая область ускоряется как целое, то мы не могли бы отдавать себе отчёт в этом ускорении!) Этот результат соответствовал бы поправке к красному смещению, имеющему квадрупольный характер; красное смещение было бы краснее в двух полярных областях и более голубое в экваториальной области.
Предшествующая дискуссия показала нам, как мало релятивистская теория гравитации говорит нам о космологии. Главные проблемы космологии могут быть решены только тогда, когда мы на самом деле знаем, как же ”действительно” выглядит вселенная, когда мы имеем точные зависимости красного смещения и плотности как функции расстояния и положения на небесной сфере.
13.3. Исчезновение галактик и сохранение энергии
Давайте кратко напомним некоторые другие загадки космологии и космологических моделей. Возможно ли, чтобы некая галактика исчезла, если мы смотрим на неё с позиции вечности? Если мы используем нашу нынешнюю теорию, то наш ответ на этот вопрос является отрицательным вне зависимости от того, является ли плотность больше или меньше критической, не существует галактики, которая сейчас является видимой и которая когда-нибудь полностью исчезнет, хотя она может становится всё более и более красной. Не имеет смысла беспокоиться о возможности галактик удаляться от нас со скоростью, превышающей скорость света, чтобы это не означало, так как эти галактики никогда не могли бы быть наблюдаемыми в соответствии с используемой нами теорией.
В теории Хойла галактики, находящиеся вдали от нас, действительно исчезают; его выражение для скорости удаления является таким, что объём куба, определяемый восемью заданными галактиками, удваивается в каждый временной интервал определённой величины. Таким образом, для того, чтобы получить такое увеличение, постулируются такие скорости, что некоторые галактики должны ускоряться до скоростей больших, чем скорость света c. Тем не менее, теория Хойла не претендует на то, чтобы объяснить движение галактики на языке сил. Она попросту устанавливает кинематическое правило для вычисления вполне определённых положений как функции времени, эти определения положений являются такими, что галактики действительно исчезают со временем. Мало смысла в поисках такой силы в природе, которая могла приводить к расширению Хойла, эта сила должна была бы быть необычного вида, так как нет финитных сил, которые когда-нибудь приводили бы к такому движению в рамках существующей механики.
Я унаследовал предрассудок моего учителя проф. Дж. Уилера, который считал, что это против правил объяснять результат, делая удобные изменения в теории, когда нынешняя теория не полностью исследована. Я говорю это, поскольку было высказано предположение, что сила расширения, которая должна бы стремиться ускорить галактики так, как этого хочет Хойл, должна бы возникать в том случае, если положительные заряды не были бы в точности равными отрицательным зарядам. Так как у нас есть превосходная теория электродинамики, в которой e в точности противоположен e, такое предположение кажется бесполезным. Мы не намереваемся опровергать очень красивую теорию электродинамики для того, чтобы обеспечить механизм для кинематической модели, которая может просто оказаться неверной, как только мы проведём точные измерения. Всё ещё остаётся возможность, что Хойл прав, но мы узнаем это прежде всего из наблюдений вселенной такой, какая она есть.
Давайте скажем также кое-что о том, чего учёные, которые беспокоятся о математических доказательствах и противоречиях, кажется, не знают. Нет способа показать математически, что некоторое физическое заключение является неверным или противоречивым. Всё, что может быть показано, состоит в том, что математические предположения ложны. Если мы находим, что определённые математические предположения приводят к логически противоречивому описанию Природы, мы меняем эти предположения, а не Природу.
Я говорю всё это потому, что я не уверен в том, в каких пунктах теория вселенной, в соответствии с теорией Хойла, может не вполне совпадать со многими другими предположениями, которые мы, физики, обычно делаем. Например, может быть есть некоторое затруднение в возможности передачи сигнала, что составляет очень большую часть размышлений в релятивистских теориях. Если заданная галактика исчезает из вида, действительно ли она исчезает из вселенной для нас? Возможно ли, что мы можем спросить друга с некоторого внешнего края (доступного для общения с нами) о том, как эта другая галактика себя ведёт, пока этот друг остаётся для нас на виду и галактика находится у него на виду? Или это есть общий заговор детальной кинематики для того, чтобы сохранить это релятивистское правило, что скорость вблизи c в координатной системе, движущейся относительно нас со скоростью вблизи c, всегда приводит к тому, что сумма меньше, чем c?
Рис. 13.2.
Давайте кратко поговорим о законе сохранения энергии. В теории Хойла вещество создаётся в покое в ”центре” вселенной, и мы говорили, что нет всеобщего образования энергии, поскольку отрицательная гравитационная энергия попросту уравновешивает энергию массы покоя. Такого рода сохранение энергии состоит в том, что если мы берём ящик конечного размера где бы то ни было, никакого вещества не появляется внутри ящика, исключая возможный поток энергии и вещества через стенки этого ящика. Другими словами, только локальный закон сохранения оказывается значимым. Если энергия может исчезать в одном месте и одновременно вновь появляться в некотором другом месте без течения чего бы то ни было между этими местами, мы не можем вывести никаких физических следствий из всеобщего ”сохранения”. Следовательно, давайте интерпретировать образование вещества согласно модели Хойла следующим образом. Мы представим себе конечную вселенную, имеющую большие массы, распределённые в сферической оболочке, как показано на рис. 13.2. Мы представляем себе пары частиц нулевой массы, падающих из внешней относительно оболочки части внутрь этой оболочки. Мы могли бы думать о том, что подобно фотонам, или гравитонам, или нейтрино, могут существовать некоторые новые частицы, некоторые шмутрино,1 которые не доставляют нам беспокойство, связанное с анализом сохранения барионного заряда. Когда они встречают другое шмутрино, падающее внутрь с противоположной стороны с противоположным значением импульса, эти частицы могут иметь достаточно энергии для того, чтобы образовать атом водорода. Таким образом, у нас может быть и образование вещества, требуемое в модели Хойла, и локальное сохранение энергии, так как вещество создаётся из энергии, втекающий внутрь и переносимой шмутрино. Если поток шмутрино является очень большим и сечение для образования вещества будет конечным, в точности выше порога, мы можем понять, почему вещество должно бы создаваться в покое относительно некоторого среднего в этой галактике. Идея состоит в том, что если поток является достаточно большим, как только шмутрино имеет достаточную энергию, это шмутрино будет находить другую такую же частицу, прилетающую с противоположного направления и будет приступать к созданию вещества; если максимальная энергия, которую шмутрино могут приобрести при падении, есть в точности такая же, как и порог для образования вещества, то материя будет создаваться ”в покое”. Каким-то таким способом мы можем одновременно иметь и закон сохранения энергии, и теорию Хойла. Конечно, имеется большое число оставшихся проблем: мы ещё должны рассмотреть, почему барионное число может не сохраняться.