a117
| 17 |
|---|
С положительными массами уравнение Эйнштейна выглядит так:
(95)
**S **= c T
где S — геометрический тензор, а T — тензор «энергия-материя». Мы можем выразить его в форме, где явно присутствуют r (плотность материи) и p (давление). В классической теории относительности оба значения положительны.
Назовем теперь r+ и p+ вклады, связанные с положительными массами. Назовем T+ тензор, построенный из этих величин.
Отрицательная плотность массы r- < 0 и отрицательное давление p- < 0, связанные с отрицательными массами, дадут тензор T-.
Тогда соответствующее уравнение поля становится:
(96) S = c (T+ + T-)
Нерешенные проблемы в современной астрономии и космологии.
Существует множество нерешенных проблем в этих двух областях. Здесь мы не будем пересказывать всю историю астрономии и космологии. Спектральный метод, совмещенный с измерениями эффекта Доплера, предоставил важные данные о химическом составе и температуре звездных хромосфер.
Цефеиды, используемые как стандарты расстояний, позволяют оценивать расстояния до десятков миллионов световых лет.
Инструменты дифференциальной геометрии дали новое понимание космологии (уравнение поля, метрика) и объяснили явление красного смещения и космическое фоновое излучение.
Ядерная физика создала модели звезд, как по их происхождению, так и по их функционированию и эволюции (но мы видели в предыдущем разделе, что дефицит солнечных нейтрино вызывает серьезную проблему в этих звездных моделях).
Ядерная физика объясняет наличие и относительную распространенность первичного гелия во Вселенной.
Но:
-
У нас нет теоретической модели, объясняющей галактическую динамику. В этой области наш подход остается полностью эмпирическим.
-
Мы не знаем, как формируются галактики и почему у них такие специфические массы, а также как они эволюционируют со временем. Спиральная структура не полностью понята. Ее реальное происхождение остается спорным.
-
Все галактики должны были взорваться миллиарды лет назад (эффект недостающей массы). Кривая вращения, с высокими периферийными скоростями, остается загадкой.
-
Та же проблема недостающей массы касается скоплений галактик.
-
Многие галактики очень неправильной формы. Давно, британский астроном Сэр Джеймс Джинс часто говорил:
Когда мы видим такие искаженные узоры, мы не можем удержаться от мысли, что за этим стоит мощная и полностью неизвестная сила. * * - Похоже, это проблема, связанная с возрастом Вселенной, по измерениям постоянной Хаббла, по сравнению с оцененным возрастом самых старых звезд нашей галактики (которые принадлежат к шаровым скоплениям, например, к скоплению Геркулеса).
-
Структура VLS (очень большая структура) Вселенной остается нерешенной проблемой. Мы не знаем, почему галактики располагаются вокруг больших пустот, протяженностью в 100 миллионов световых лет.
-
Источник энергии квазаров остается неизвестным.
-
Холтон Арп обнаружил много систем галактик, красное смещение которых нарушает закон Хаббла.
-
Природа «гамма-всплесков»: неизвестна.
-
Нейтронные звезды были предсказаны, и было найдено несколько сотен. Эта модель имеет критическую массу: около 2,5 солнечных масс. Никакая нейтронная звезда не может существовать с большей массой, так как внутренняя сила давления не сможет уравновесить гравитационную силу, и объект будет коллапсировать.
Такие условия должны существовать где-то во Вселенной. Например, как результат слияния двух нейтронных звезд. Классический ответ — так называемая черная дыра. Некоторые астрономы «объясняют» все явления такими объектами. Гигантские черные дыры должны присутствовать в центре галактик или в центре скоплений галактик. Они «объясняют» явление квазаров. Они «объясняют» почти все.
Но прямые наблюдения выглядят очень редкими. Почему так мало кандидатов?
Когда объект действительно существует, со временем астрономы находят много. Пример: сверхновые, вращающиеся нейтронные звезды (пульсары). Почему так мало кандидатов на черные дыры?
Кроме того, геометрия черной дыры — это решение уравнения Эйнштейна, когда второй член исчезает, когда **T **= 0. Это означает, что это решение описывает часть Вселенной где нет энергии и материи. Уравнение поля сводится к:
(97)
**S **= 0
-
Возвращение к стандартной модели: почему ранняя Вселенная (изображение которой дается космическим фоновым излучением) кажется такой однородной? Согласно модели, в самом начале частицы Вселенной не могли взаимодействовать, потому что «горизонт» ct был меньше среднего расстояния между ними. Тогда, что вызвало замечательную однородность, наблюдаемую сегодня в космическом фоновом излучении?
-
Что такое «время», около «t=0»? Имеет ли смысл этот вопрос?
Возвращаясь к самой далекой прошлости, физики достигают условий высокой энергии, и проблемы, с которыми они сталкиваются, кажутся похожими на текущую кризисную ситуацию в физике высоких энергий:
- О чем мы говорим? - Кто знает, не учит ли уравнение Эйнштейна, поддерживающее Стандартную модель, электромагнитные явления? Связь между гравитацией и теорией света еще не установлена. То же самое расхождение между квантовым миром и гравитацией (что такое гравитон?).
Пятьдесят лет нулевой физики.
Это название кажется очень провокационным. Современные технологические достижения впечатляют. Теоретические физики мечтают о «Теории всего» (TOE). Успех квантовой механики обманул исследователей. Знаете ли вы, что у нас нет способа предсказать массы частиц? Модель кварков похожа на птолемеевскую систему.
Сто лет назад Птолемей нашел систему, способную описать траектории планет на небе через сложную систему кругов. Это было очень эффективно для предсказания затмений, например. В конце концов, эта модель использовала 48 кругов. До эпохи Коперника. Когда юный король Испании узнал птолемеевскую модель от своего учителя, он сказал:
- Боже мой, если бы Господь спросил моего совета перед созданием всего этого, я бы посоветовал что-то более простое!
Ложные вещи могут эффективно работать в течение столетий. Именно поэтому дефицит солнечных нейтрионов, упомянутый в предыдущем разделе, так захватывающе: квантовая механика не может это объяснить. Это первое время, когда квантовая машина выходит из строя.
Некоторые обращаются к теории суперструн, основанной на теории групп. Последователи суперструн думают, что все в мире может соответствовать разным структурам десятимерной сущности, «пространства». В 1714 году немецкий философ и математик Готфрид Вильгельм Лейбниц предложил что-то подобное в своей книге «Монадология». Лейбниц думал, что «все состоит из монад». Мир должен был быть каким-то организованным системой монад, но он не смог развить свою идею.
Последователи суперструн ищут свою современную десятимерную монаду.
Все это приводит к действительно сюрреалистическим обсуждениям на конференциях, таких как та, которая недавно проходила в Аспене, Колорадо. Газета «Scientific American» сообщила об этом в выпуске января 1996 года, в статье, названной «Объяснение всего», написанной журналисткой Мадхусри Мукерджи.
Ищущие этот магический объект, предположительно организующий десятимерную Вселенную, некоторые говорят о «звездных сферах», ежиках, покрытых векторами, или «пушистых гусеницах», пятимерных мембранах (Дафф, из Имперского колледжа в Лондоне), способных катиться самими собой «как кожа колбасы».
Шварц, из Калтеха (один из пионеров теории), добавляет: «Я должен был быть грузовиком!»
Другие говорят о «черных дырах с нулевой массой».
Джэффри А. Харви, из Университета Чикаго, воскликнул:
«Значит, ваши черные дыры имеют нулевую массу? Они двигаются со скоростью света?»
«Нет, у них ничего нет, нет импульса», ответил Гари Т. Горовиц из Университета Калифорнии в СантаБарбаре.
«О, бред!» — это был Ленард Сускинд из Стэнфорда.
У них нет энергии, нет импульса — там ничего нет!» — возмущается Харви.
Стромингер: «Возможно, в некоторых регионах Вселенной существуют части пространства в виде маленьких капель, в которых черные дыры превращаются в струны, и наоборот. В нашем окружении эти маленькие капли могут казаться плавающими в виртуальных вселенных, которые существуют лишь в течение бесконечно малого времени, так как они исчезают сразу, еще до того, как их можно было бы наблюдать.»
Сускинд: «Я лично думаю, что это полный бред.»
В 1986 году кто-то спросил исследователя кратко описать «Теорию всего» в семи словах, и он ответил:
- О, Господи, почему ты меня оставил?
Все это интересно, но это не конец, как мы можем видеть. Никогда в истории физики теория не вызывала таких бурь, как сейчас, когда ежедневно публикуется десять статей по этой теме. И мы не можем сказать, родит ли гора мышь или мышь — гору.