(Фейнман) Лекции по гравитации, страница 53

В этом месте я хотел бы сделать замечание о нынешнем состоянии наблюдений, относяш;ихся к космологии. Когда физик читает статью типичного астронома, то он обнаруживает необычный стиль при работе с неопределенностями в ошибками. Хотя работы, в которых приводятся вычисления и измерения, очень часто бывают аккуратны при перечислении и обсуждении источников ошибки и лаже при оценивании степени согласна, с которой мы могли бы сделать определенные ключевые предположения когда возввхает время для оцеввваиия такой величины, как хаббловский возраст вселенной, то физик не находит оценку полной неопределенности, например, в юще обычной оценки +/ЗТ, используемой фиэикамн.

Такие авторы, очевидно, не имеют намерения в точности установить вероятность, соответствуквцую тому, что их величина оказывается правильной, хотя они очень тщательно приводят многие источники ошибок, и хотя совершенно ясно, что зтв ошибка составляет существенную часть этой величины.

Бела заключается в том, что часто другие космологи или астрофизики берут это число без относительно возможншЪ олпзбки, рассматривал его как астрономическое наблюдение, являющееся настолько точным, как и период планеты. Например, подобная беда имеет место при работе с хосмологическими моделями, где все модели предсказывают красное смещение с практически линейной завневмостью от расстояния. Только ускорение далеких галактик есть та величина, с помощью которой различия между космологическими молелями становятся существенными. Оказывается, что если ускорение выражается как параметр д, который, как показывают наблюдения и вычисления, должен быть, например, ЛЯ вЂ” =д =1.2; яз (13.1.3) то это число оказывается непрвгодвым для того, чтобы сравнввать его с предсказаниями теории.

Лаже если модель Хойла должна предсказывать о = -0.5, Хойл мог бы быть все-тали прав потому, что ускорение может иметь гигантские ошибки, например 1.2 ж 5.0. Тем не менее, это именно то место, где некоторые авторы сбиваются с пути, работал с величинами без указания их ошибок, как будто это величины известны предельно точно. Когда-нибудь, конечно, ошибки могут быть много меньше, так как гигантские усилия предпринимаются многими астрономами лля того, чтобы получить все более точные величины. Развязка всего этого состоит в том, что критическая плотность является наилучшей плотностью, для непользования в космологнческнх задачах.

Этот факт имеет огромное мкожество очень приятных свойств, например, эта плотность, при которой создание вещества в центре вселенной (который находится всюду, согласно приишшу космологнческой однородности) ничего ке стоит. Если плотность вещества есть р, тогда мы знаем, что пространство имеет положительную кривизну, обусловленную непосредственно плотностью вещества. С другой стороны, трехмервее пространство в эквивалентные моменты собственного времени при эволюции галактики имеет отрипательную кривизну; критическая плотность уравновешивает величину кривизны таким образом, чтобы сделать трехмерное пространстзю плоским. Критическая плотность также разделяет случай вселенной с конечньгм числом галактик от вселенной с бесконечным их числом. С учетом всех волшебных свойств этой величины заманчиво было бы пораз- 13.2.

О нозможностд неоднородной и лесфернческой вселенной 247 Л дн 13 246 мышлзть, что эта величина, на самом деле, есть "истинная" плотность. Тем ве менее, мы не должны обманывать самих себя думая, что такой замечательный результат более надежен просто благодаря своей "красоте", которая есть частично искусственный результат пашах цредпаложевнй. 13.2. О воэможности неоднородной и несфернческой вселенной Так как все нэшн заключения серьезным образом основаны на постулате однородной космологии, мы могли бы проанализировать природу такого свидетельства. Если мы исслелуем область вселенной, находящейся в пределах 1.3 х 10з световых лет от нас, мы без труда находим одно скопление, скопление Девы (%або), 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 10з 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 обнадеживает, так это то, что оказынаетсз, что очень удаленные области неба населены очень регулярными и компактными схоплениями скоплений, включающими в себя возможно тысячи галактик, причем все они роятся как пчелы вокруг центра масс сверхскоплений.

Измерения дисперсии красных смешений показывают, что скорости относительно центра масс должны быть порядка 1000 хм~с. Эта дисперсия служит в качестве весьма полезной меры массы скопления. Очевидно, чта такие скопления обраэуютсз гравитационным притюкением, и что ови звляютсз объектами, которые имеют долгую жизнь, они звлюотся устойчивыми финитными системами.

Иэ этой ннформапни зал выводим массу, поскольку знаем, что скоростей 1000 км/с недостаточно для того, чтобы галактика, обладающая такой скоростью, покинула систему. Существует некоторое беспокойство, вызванное использованием такой поправки; если, например, мы делаем подобное вычисления лля массы скопления Девы, мы получаем массу примерно в 30 раз меньше, чем величава, получаемая другими способами. Однако, удаленные сверхсхопления явлюотся больше скопления Девы, так что такое вычисление может быль более надежным.

Само существование скоплений показывает, что галактики првтягиваются друг к другу с достаточной силой, тал что такие системы находятсз вместе в течение времеки, сравнимого со временем вселенной. Очень интересно отметить, что почти все галактики находятся з скоплениях; и оказывается, что толька очень небольшая нх часть находится не в скоплении. Вывод состоит в том, что почти все видимое вещество во вселенной не дает достаточной кинетической энергии для того, чтобы вещество могло бы Вещество Вещество Видимал область Рис.

13.1. освободиться из гравитационного поля окружающей материи. Винцу этого факта, мве казкется„что очень невероятным, чтобы средняя плотность вселенной много меньше, чем критическая плотность. Если плотность много меньше, чем критическая плотность, то образование скоплений должно быть врипнсано 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 дравильного вила, так чтобы почти все вещество было сосредоточено в скоплениях. Может быть доказано, чта в более ранние моменты времени, когда плотность была вьппе, такие флуктуации могут быть образованы более легко, но я не вижу количественного доказательства, основанного на этой илес.

Неизбежный вывод состоит в том, что болыпая часть вещества затягивается в скопления, посколъку гравитациовнам энергия того же порядка, что и кинетическая энергия распвкревия, зто каводвт на мысль, чта средняя плотность всюлу должна быть почта равной критической плотности. Предыдущие дредположенвз о средней плотности не лают никакой поддержки гипотезе олвородностн. Может все еще оставаться вопрос, который касается того, является лн скопление вещества в заданных областях чисто локальным эффектом и меняется ли свтуэция от области к области. Космологическвй принцип может научаться только путем проведения детального сравнения плотности вещества н нелинейной зависимости красного смещения, которая представляет ускорение галактик. Эта есть величины, которые в приицвпе измеряемы независимо, хотя определенное соотношение между ними прелсказывается теориями, в которых принимается космологнческий принцип.

Если вариация плотности от рапиэльной координаты была бы измерена с большой точностью, то мы могли бы обнаружить, что вещество может быть имеет большую плотность во внутренней области, так что космологическвй принцип не мо:кет выполняться. Лаже если космологнческнй принцип был бы неверен, может оказаться, что вселенная имеет сферическую симметрию. Предпочтение в пользу космологического прюшипа отражает наше удивление от обнаружения того, что мы находимся в таком месте, которое выглкпит как центр вселенной.

Давэзгге прелположнм„что видимая областыючти симметрична, но что вне ее вмеется повально много вещества, распределенного достаточно кривобоко. Каково бы было в этом случае отличие от симметричного рас- 13.3. Исчезновение гвлаптдх и сохранение энергии пределения вещества? Мы могли бы ожидать поправки первого порядка к движению удаленной галактики, которые были бы обусловлены влиявшо приливных снл, ках зто проиллюстрировано на рис. 13.1. (Если видимая область ускоряется как целое, то мы не могли бы отдавать себе отчет в этом ускорении!) Этот результат соответствовал бы поправке к красному смещению, имеющему квелрулолъный 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.

1"лааные проблемы космологии могут быть решены только тогда, когда мы на самом деле знаем, как же "действительно" выглядит вселенная, когда мы имеем точные завншмостн красного смещения и плотности как функции расстояния н положения на небесной сфере. 13.3. Исчезновение галактик и сохранение энергии Лавайте кратко напомним некоторые другие загадки космологии и космо- логических моделей.

Возможно ли, чтобы некая галактюса исчезла, если мы смотрим на нее с позиции вечностя? Если мы исполъзуем нашу нынешнюю теорию, то наш ответ на этот вопрос является отрицательным вне зависимости от того, является ли плотность болъше или меньше критической, не существует галактики, которая сейчас является видимой и которая когда-нибудь полностью исчезнет, хотя оиа может становится все 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 зти галактики никогда не могли бы быть наблюдаемыми в соответствии с используемой нами теорией. В теории Хойла галактики, находюциеся вдали от нас, действительно исчезают; его выражение для скороств удаления является таким, что объем куба, определяемый восемъю заданными галактиками, удваивается в каждый временной интервал определенной величины.