Космические рубежи теории относительности

THE COSMIC FRONTIERS

OF GENERAL RELATIVITY

William J. Kaufman,III

Astrophysics-Relativity Group

Department of Physics

San Diego State University

and Department of Astronomy

University of California,

Los Angeles

LITTLE, BROWN AND COMPANY

BOSTON, TORONTO

У. КАУФМАН

КОСМИЧЕСКИЕ РУБЕЖИ

ТЕОРИИ

ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Перевод с английского

д-ра физ.-мат. наук, профессора

Н.В. Мицкевича

ИЗДАТЕЛЬСТВО

МОСКВА 1981

22.313

К30

530.1

Кауфман У.

К30

Космические рубежи теории относительности: Пер. с англ.-М.: Мир, 1981. 352 с., ил.

Общедоступное изложение принципов общей теории относительности А. Эйнштейна и её приложений к исследованию тех удивительных объектов Вселенной - чёрных дыр, гравитационных линз, нейтронных звёзд и т.п., - свойства которых можно понять только на основе релятивистских представлений.

Рассчитана на школьников старших классов, студентов младших курсов и всех, интересующихся достижениями современной науки.

K

20605-103

041(01)-81

103-81, ч. 1

1704020000

22.313

Редакция литературы по космическим исследованиям,

астрономии и геофизике

ПРЕДИСЛОВИЕ К ПЕРЕВОДУ

Советские читатели за последние десятилетия получили много интересных и полезных книг, освещающих идеи и достижения физики, астрофизики и геометрии, имеющие прямое отношение к проблемам, рассматриваемым автором в предлагаемом популярном труде по общей теории относительности. Когда мы говорим о теории относительности, то, как правило, имеем в виду частную (или специальную) теорию относительности, созданную Альбертом Эйнштейном в 1905 г. Общая же теория относительности, разработанная Эйнштейном в 1911-1915 гг., пока остаётся для большинства тайной за семью печатями. Почему же специальная теория оказалась общим достоянием, а общая - достоянием узких специалистов? Первая является частным, самым простым случаем общей теории относительности и касается «лишь» произвольно больших скоростей. Иными словами, это такое обобщение физики Ньютона, к пониманию которого люди с обычным школьным образованием уже более или менее подготовлены (в нашей средней школе не только вводятся релятивистские, т. е. относящиеся к теории относительности, представления, но иногда даже ведутся расширенные факультативные занятия по этой теории). Однако общая теория относительности в её полном объёме требует не только гораздо более мощного и сложного математического аппарата для её серьёзного изложения, но и опирается на идеи, непривычные и даже чуждые тем, которые рождены нашим повседневным опытом. Это неудивительно: наше восприятие мира, наша интуиция, весь наш строй, мыслей определяются наличным бытием, образом жизни, который в данное время преобладает. А где вы встретите в повседневной жизни те экстремальные физические условия, в которых свет распространяется не по прямой, пространство (вместе со временем!) искривляется и эволюционирует, а чёрные дыры неумолимо «заглатывают» и «переваривают» всё, что подойдет к ним слишком близко? Эти новые представления, к которым физика и астрофизика пришли за последние два десятилетия своего бурного развития, потому и являются новыми, что не сводятся ни к чему известному ранее и требуют коренной перестройки наших привычных убеждений. Речь идет не только об экзотических явлениях, протекающих где-то в недостижимых для нас областях космоса, но и о таких, которые при всей своей коренной необычности определяют судьбу мироздания, эволюцию Вселенной, развитие галактик и звёзд (включая наше Солнце), источники энергии, в миллиарды раз более эффективные, чем мы могли себе вообразить до создания теории относительности. Эта теория не только привлекает своей необычностью и великолепием абстрактных построений, но и проникает в самую сущность вещей и процессов, выявляет пути развития материального мира.

И здесь хотелось бы остановиться на другой стороне проблемы. Мы живем в эпоху научно-технической революции, когда, по словам К. Маркса, наука становится непосредственной производительной силой. Многое зависит от того, кто и когда придет в науки, занимающиеся исследованием ключевых проблем природы и общества, как эти проблемы будут анализироваться и какое приложение найдут полученные результаты. Жизнь спешит вперёд, и задача подготовки кадров, воспитания нового поколения исследователей и практиков как никогда ранее является насущной задачей. Вступая в творческую жизнь, молодые люди далеко не всегда способны строго оценить, какой им лучше избрать путь, чтобы он был увлекательным и соответствовал их индивидуальным данным. В этом вопросе всегда будет играть определённую роль случайность, но помочь и облегчить оптимальный выбор может и должно широкое знакомство молодежи с «горячими точками» науки, техники и практики. Предлагаемая читателю популярная книга У. Кауфмана как раз и является примером такой экскурсии в новую, богатую и впечатлениями, и актуальнейшей проблематикой область. На наглядных и контрастных примерах (при всей внешней утрированности остающихся реальными!) автор сеет в уме читателя семена поиска, интереса к новому, трудному, но необходимому для дальнейшего развития наших знаний и умения «владеть» природой, увлекательнейшему разделу науки. Конечно, начало в этих исследованиях уже положено, первые результаты получены, и дальше необходим серьёзный систематический труд, чтобы продвинуться вперёд. Но так бывает всегда. И при этом не может быть сомнений, что усилия в этой области не будут напрасными. Пусть школьники и студенты младших курсов прочитают эту книгу и подумают, не следует ли им посвятить свою жизнь такой теории. Конечно, нужно именно посвятить всю жизнь, ибо такое дело не делается наполовину.

В этой книге рассказ ведется, как в заправском детективном романе. После завязки и характеристики «действующих лиц» накал событий нарастает, мы становимся свидетелями драматической эволюции звёзд и сверхзвёзд, сталкиваемся с явлением гравитационного коллапса, путешествуем на «космических кораблях» (иногда даже без двигателей!) в чёрные дыры, а сквозь некоторые из них - в новые вселенные, которых иногда оказывается бесчисленное количество... Правда, потом автор уточняет положение вещей, и мы видим, почему на самом деле этих романтических «других вселенных», по всей видимости, не должно быть, а заодно с ними - и «машин времени», о которых здесь тоже пойдет речь. Но одновременно мы столкнёмся с не менее важными, хотя, может быть, и не столь сенсационными выводами о судьбе галактик и чёрных дыр. Конечно, в популярной книге, где нет формул (их место занимают многочисленные рисунки и диаграммы, которые хотя и не могут логически доказать утверждения, но делают их предельно наглядными и запоминающимися), невозможно охватить весь объём информации и не упростить ряд факторов и выводов. Но главная цель достигается - читатель окунается с головой в атмосферу общей теории относительности и может после этого сознательно делать выбор и приступать к изучению более строгих книг по физике, геометрии, астрофизике. Таких книг на разных уровнях у нас немало. Для начала можно рекомендовать «Физику пространства-времени» Э. Тейлора и Дж. Уилера (М.: Мир, 1971), доступную и школьнику старших классов.

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!