Cтраница 2
Но продвигаясь к общим целям, физики и космологи, надо полагать, применяют различную экспериментальную технику. К тому же и подходы разные. Физики - экспериментаторы на своих установках возбуждают те или иные процессы. Космологи же занимаются астрономическими и астрофизическими наблюдениями. [16]
Целью настоящего обзора является описание современного состояния основных наблюдательных тестов, на которые должка опираться любая космологическая теория, претендующая на соответствие эксперименту. Ситуация з наблюдательной космологии меняется настолько быстро, что даже лучшие обзоры на эту тему [101, 102, 122] успевают устаревать за 3 - 5 лет, не говоря уже о классических учебниках космологии. Сейчас уже пришло время подвести некоторые итоги развития наблюдательной космологии в части, касающейся сопоставления наблюдательных данных с предсказаниями стандартных моделей. II то, что наблюдательные данные разочаровали многих космологов, не оправдав их надежд, по-видимому, свидетельствует о надвигающемся кризисе з космологии. Это обязывает еще и еще раз обратиться s анализу исходных постулатов космологии и возможности их прямой наблюдательной проверки. [17]
Эддипгтон [82] и Толмен [414] независимо друг от друга предположили, что крупномасштабная неоднородность может объяснить результат Хаббла, и по предложению Толмена Омер [274] построил неоднородную релятивистскую модель ( сферически симметричную относительно нашего местоположения; разд. Однако к 1950 - м годам идея о возможной крупномасштабной неоднородности была вытеснена из умов космологов, а ее место заняли споры об однородных моделях мира ( эволюционирующие, или стационарные, или справедлива кинематическая космология Милна. Примером может служить книга Бонди [21] по космологии, в которой предположение Эддингтона и Толмена упоминалось, но было отвергнуто как бесполезное. Другой пример - книга Мак-Витти Факт и теория в космологии [242], в которой мы находим более осторожное суждение. В книге рассмотрены только однородные космологические модели, но Мак-Витти все же подчеркивает наблюдательные затруднения, связанные с обоснованием однородности. [18]
Хотя мы уже кратко рассмотрели некоторые из всеобъемлющих физических принципов, лежащих в основе направленности воспринимаемого нами потока времени, нам все же пока не удалось понять не только почему мы воспринимаем время как нечто текущее, но даже почему мы вообще его воспринимаем. Я считаю, что тут необходимы гораздо более радикальные идеи. До сих пор мое изложение особым радикализмом не отличалось, хотя в некоторых случаях расстановка акцентов была далека от традиционной. Мы ознакомились со вторым началом термодинамики, и я попытался убедить читателя в том, что этот закон - данный нам в виде, выбранном самой природой, - уходит своими корнями в чрезвычайно сильное геометрическое ограничение на происхождение вселенной в результате Большого взрыва - гипотезу о вейлевской кривизне. Некоторые космологи предпочитают интерпретировать это исходное ограничение иначе, но такого рода ограничение на начальную сингулярность действительно является необходимым. [19]
Его интересовало, могут ли небольшие начальные флуктуации в ходе эволюции превратиться в возмущения, соответствующие в некоторых отношениях наблюдаемой картине. Проблема объяснения того, как произошли галактики и скопления галактик, безусловно, заслуживает внимания, и общий подход к проблеме, сформулированной Леметром, представляется весьма полезным в настоящее время: именно он является темой этой книги. Как ни странно, в 1930 - е годы эти идеи Леметра почти не обсуждались и не оказали заметного влияния на развитие космологии в последующие несколько десятилетий. Одна из причин состояла в том, что Леметр стремился соединить эти идеи со своей моделью, тогда как многие космологи изучали другие модели и приводили доводы в пользу того, что постоянную Л нужно исключить. Другая причина заключалась, конечно, в том, что опасались, как бы не собрались тучи над однородными моделями. [20]
Действительно, общая теория относительности предсказывает некоторые факты, которые не находят правильного объяснения ни в рамках ньютоновской динамики, ни в специальной теории относительности. Одно из этих предсказаний касается искривления луча света в гравитационном поле. В общей теории относительности кратчайшим расстоянием между двумя точками является отрезок не прямой линии, а геодезической - пути, по которому проходил бы световой луч между этими двумя точками, изгибаемый гравитационным полем. Согласно специальной теории относительности свет обладает энергией, а поскольку масса и энергия эквивалентны, свет будет отклоняться в гравитационном поле. Однако величина этого отклонения не может быть найдена правильно путем таких простых рассуждений, потому что сила тяжести, действующая на движущееся тело, зависит от его скорости. Мы можем в действительности наблюдать изгибание светового луча, который идет от удаленных звезд и проходит очень близко от Солнца, во время солнечного затмения. Этот эффект очень мал ( около двух угловых секунд), но его можно измерить с высокой точностью, и результаты этих измерений хорошо согласуются с предсказаниями общей теории относительности. Общая теория относительности очень важна для физики, но в основном она используется в космологии как рабочий инструмент для изучения Вселенной. Космологов интересуют такие вопросы, как Конечна ли Вселенная. Вселенной, продолжаться бесконечно, или, все время распространяясь вперед, вернется к своей исходной точке. Много усилий современных астрономов направлено к выяснению ответа на этот вопрос. В настоящее время мы не знаем, является ли известное нам пространство конечным или бесконечным, но оно определенно искривлено в релятивистском смысле. [21]
Все физические явления, от развития звезд и до жизни светлячка, в сущности представляют собой непрерывную цепь превращений - одной формы энергии в другую. Эти превращения энергии удается проследить в масштабе всей Вселенной. Физикам известен теперь еще один вид энергии - ядерная энергия, которая является источником излучения звезд. Вершиной наших знаний является утверждение, что энергия в той или иной избранной нами области изменяется только при условии, если имеет место обмен энергии между данной областью и всем тем, что ее окружает. Если за эту область мы примем Вселенную, то нельзя ожидать каких-либо изменений ее полной энергии, так как ничего не существует вне Вселенной. Утверждение, что полная энергия Вселенной постоянна, является основой большинства космологических теорий. Но все это является лишь смелым обобщением нашего опыта, который весьма ограничен. С нашей точки зрения, энергия сохраняется с большой точностью, но возможно, что небольшие количества исчезнувшей или возникающей энергии ускользнули от нашего внимания. Если бы, например, полная энергия Вселенной на протяжении нескольких миллиардов лет удвоилась, мы, вероятно, даже не заметили бы этого изменения. Существуют космологические теории, которые выдвигают идею непрерывного возникновения энергии. Космологи упорно работают над тем, чтобы выяснить, действительно ли энергия полностью сохраняется всюду во Вселенной. И именно теперь впервые появилась возможность с помощью решающих экспериментов установить, какая из конкурирующих теорий соответствует действительности. [22]