Космические рубежи теории относительности
Шрифт:
Позволим же себе ещё раз высказать надежду, что эта книга доставит удовольствие читателям, а быть может, направит некоторых на путь поиска, учёбы и научных изысканий, соответствующих их задаткам и наклонностям, - путь, ведущий к новым замечательным открытиям.
Н.В. Мицкевич
ПРЕДИСЛОВИЕ
Ли-c любовью и признательностью
Одной из примечательных особенностей астрономии последнего десятилетия является бурное возрождение интереса к общей теории относительности. Открытие пульсаров в 1967 г. побудило астрофизиков произвести детальные расчёты структуры нейтронных звёзд; эти расчёты показали, что для звёзд с массами, превышающими 1,5 массы Солнца, не существует устойчивых конфигураций. Воодушевлённые как этим открытием, так и другими,
Но эти поразительные открытия оказались доступны лишь профессионалам - астрономам и физикам, достаточно владеющим языком математики, чтобы читать специальную литературу. А к чему обратиться любознательному читателю или студенту, чтобы попытаться понять, что такое чёрная дыра или искривлённое пространство-время и чем замечателен Лебедь-Х?
Эта книга написана, чтобы удовлетворить запросы именно таких людей. В ней отсутствует математический аппарат, и от читателя требуется лишь заинтересованность и пытливость ума. Чтобы читать её, можно (или нужно) знать лишь элементы математики, ибо автор старался пользоваться языком, доступным неспециалисту. Для объяснения многих понятий общей теории относительности вместо сложных математических формул повсюду использовались графики и диаграммы. В книге более 200 иллюстраций, и в их числе - диаграммы вложения, диаграммы Пенроуза и виды из иллюминаторов воображаемых космических кораблей, влетающих в чёрные дыры и проваливающихся в «кротовые норы» пространства-времени.
Если читателю понравится этот новый подход, то, как надеется автор, его книгу окажется возможным использовать как дополнение к вводному курсу астрономии или как пособие по курсу, который обычно предлагается студентам гуманитарных специальностей, интересующихся более подробным изучением избранных разделов астрономии. Автор стремился сделать изложение живым и интересным как для тех, кто изучает астрономию, находясь в стенах аудитории, так и для тех, кто делает это самостоятельно.
В конце 1974 г. я ушел в длительный отпуск с поста директора Гриффитской обсерватории и возвратился в группу астрофизики и теории относительности при Калифорнийском технологическом институте. Я благодарен членам отделения физики, и в особенности Кипу С. Торну за чуткое отношение. В этой книге, прежде всего благодаря моему пребыванию в Калтехе, рассказывается об открытиях, которые ещё не были опубликованы в специальных журналах. В этом отношении я глубоко признателен Ч. Т. Каннингэму и С. У. Хоукингу за многочисленные обсуждения и разъяснения, а также за знакомство с их расчётами до опубликования.
Я хочу поблагодарить Дж. О. Эбелла из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Д. М. Эрдли из Йельского университета за обсуждение рукописи книги и за советы. Я благодарен также отделению астрономии Калифорнийского университета за приглашение прочитать в университете курс по избранным вопросам астрономии в конце 1975 г. и летом 1976 г.: это была возможность испробовать свои мысли и свой подход на студентах.
Большинство рисунков для этой книги было выполнено Джоем Волем, талант и терпение которого заслуживают самой высокой оценки. Наконец, я глубоко благодарен Луизе Нельсон за печатание рукописи.
У. Кауфман
1
ОРИЕНТИРОВАНИЕ В ПРОСТРАНСТВЕ-ВРЕМЕНИ
На протяжении многих тысячелетий люди пристально вглядывались в усыпанное звёздами ночное небо, испытывая благоговейный трепет перед его величием и таинственностью. Ещё в древнейшие времена, от которых не сохранилось никаких письменных свидетельств, людей повергал в изумление размеренный ход небесного механизма. Восход и заход Солнца, смена фаз серебристого диска Луны, драматическое зрелище солнечного затмения и странствия планет по созвездиям пояса Зодиака - всего этого было достаточно, чтобы побудить наших предков заняться астрономией.
Оглядываясь назад, следует признать, что глубокая проницательность и преданность точному знанию, проявленные многими древними цивилизациями, поистине удивительны. Архитекторы пирамид и строители Стоунхенджа несомненно располагали богатейшим запасом сведений из области астрономии, собрать которые можно было лишь благодаря неустанным и кропотливым наблюдениям, ведущимся десятилетиями, а то и на протяжении жизни нескольких поколений. По основательности этих наблюдений можно заключить, что древние гораздо больше интересовались астрономией, чем наши современники, живущие в век, именуемый космическим. В определённом смысле можно даже сказать, что строительство Стоунхенджа (рис. 1.1) 5 тысяч лет назад было намного более впечатляющим достижением человечества, чем космические полёты на Луну, осуществлённые в 1970-х годах.
Это становится особенно очевидным, если принять во внимание размеры расходов на программу космических исследований и то, сколь мало она коснулась нашей повседневной жизни. В период наиболее интенсивного претворения в жизнь проекта «Аполлон» ежегодные затраты на
РИС. 1.1. Стоунхендж. Этот астрономический памятник, созданный почти 5000 лет назад, высится как немое свидетельство изобретательности и мастерства человека в глубокой древности. (Снимок Гриффитской обсерватории.)
Независимо от точки зрения или устремлений любое познание Вселенной должно начинаться с некоторых наблюдений. Правда, лишь немногие могут удовлетвориться одними нескончаемыми наблюдениями. Недостаточно просиживать ночь за ночью, ограничиваясь регистрацией положений звёзд и планет или делая снимок за снимком. В один прекрасный момент каждый из нас задаёт себе вопрос: почему всё в мире происходит именно так, а не иначе? В один прекрасный момент нам захочется узнать, почему и как движутся планеты или почему галактики обладают именно такими размерами и формами. На протяжении веков люди в той или иной мере осознавали, что во Вселенной существует некоторый порядок. Регулярные восходы и заходы Солнца, совершающиеся из года в год, смена фаз Луны каждые четыре недели - всё это внушало мысль о порядке, а не о хаосе. Именно это проявление упорядоченности вселяет в нас надежду на более глубокое понимание мироздания.
Совокупность идей или гипотез, выражающих понимание Вселенной как некоего целого и позволяющих объяснить астрономические наблюдения, называется космологией. Каждая цивилизация и каждая религия, когда-либо существовавшие на нашей планете, в центр своих представлений о мире ставила какие-либо космологические представления. Характер и содержание любой космологии органически связан с породившей её культурой. В учениях большинства древних цивилизаций утверждалось, что космологические идеи были сообщены людям самими богами через посредство верховных жрецов или посвященных в тайны оккультного знания. Позднее, начиная с древних греков, люди стали больше полагаться на непосредственные наблюдения небесных явлений. Вследствие большого разнообразия методов приобретения знаний о Вселенной не приходится удивляться множеству красочных и зачастую противоречивых теорий космоса, господствовавших у разных цивилизаций. Некоторые из этих теорий составлены из мифов и легенд, которые больше говорят нам о психологии данного общества, нежели о физической природе Вселенной. Другие представления демонстрируют зачатки того, что мы сегодня можем назвать «научным методом». Не может ли случиться так, что астрономия и астрофизика XX в. спустя тысячи лет будут восприниматься как фантазия и миф?
Разумеется, космологическая теория зависит от имеющихся наблюдений, и ни один здравомыслящий астроном не станет отрицать, что теории следует изменять или даже отказаться от них, если выявились новые данные. Однако в гораздо более глубоком смысле космология опирается на целый ряд аксиом и предположений, которые часто не проверяются и не подвергаются сомнению. Например, современная психология учит нас, что конкретный способ видения мира зависит от того, каким образом учится ребёнок распоряжаться информацией, поступающей через органы чувств, и формулировать свои мысли и представления. Таким образом, человек систематически отсеивает или принимает во внимание определённые данные в соответствии со своей первоначальной психологической установкой. И современные учёные, с видом оскорбленной невинности протестующие против укоров в необъективности, нередко оказываются столь же предвзяты, как и католические священники, осудившие Галилея. Ведь эти прелаты, отклонив приглашение Галилея и отказавшись посмотреть в его телескоп на Луну, Венеру или Юпитер, поступили так просто потому, что такая методология постижения красоты и гармонии Вселенной была им органически чужда. Подобным же образом современный учёный использует космические корабли серии «Маринер», чтобы узнать, каковы условия на Марсе или Венере, но сама мысль о том, что сведения об этих планетах можно получить при помощи внечувственного восприятия считается абсурдной и смехотворной, если не безумной. Я не собираюсь защищать парапсихологию, а лишь предлагаю подход к теории восприятия и обучения, позволяющий взглянуть на науку с новой точки зрения. В частности, убежденность современных астрономов в том, что их «объективная» наука раскрывает целиком и полностью истинную природу физической реальности, не менее претенциозна и тщеславна, чем утверждение, что Земля является центром Вселенной.