Архангельская И.В., Розенталь И.Л., Чернин А.Д. Космология и физический вакуум Изд. стереотип.

Оглавление

Предисловие. Профессор И.Л.Розенталь и его книги

Профессор Иосиф Леонидович Розенталь (1919–2004) написал более 300 статей и 19 книг, считая с той, которую держит сейчас в руках читатель. Это книги о самых важных и острых проблемах современной фундаментальной физики, астрофизики и космологии, о ключевых экспериментальных и наблюдательных фактах науки, о ярких и плодотворных теоретических идеях, выдвинутых и им самим, и другими выдающимися физиками-теоретиками XX в.

Иосиф Леонидович родился в Москве, в среде (по его словам) "средней полуинтеллигенции, живущей в коммуналках: в одной квартире располагались до 5 семей". Мать была зубным врачом, отец – кустарем-одиночкой. Разносторонняя одаренность Иосифа Леонидовича проявилась еще в школе, к моменту окончания которой он был уже широко образованным человеком, отличался безупречным литературным стилем. Когда в 1936 г. он поступил на физический факультет МГУ, друзья удивлялись: "А почему не на филфак?" (Здесь и далее мы следуем биографической статье, опубликованной в 2004 г. в журнале "Земля и Вселенная"). Он любил шахматы и однажды (в 16 лет) выиграл партию у Эммануила Ласкера в сеансе одновременной игры; тогда же играл и с Василием Смысловым. Иосиф Леонидович рассказывал, что хотел серьезно заняться шахматами, но позже оставил эту идею ради физики, которую любил больше всего. И.Л.Розенталь окончил МГУ в 1941 г., сдав последний экзамен через три дня после начала войны.

В июле 1941 г. было организовано Московское народное ополчение, в которое добровольцами вступали студенты и преподаватели МГУ, в их числе и И.Л.Розенталь. Однако военкомат отозвал из ополчения группу физиков, окончивших университет, и отправил их в военные учебные заведения для подготовки по военным специальностям. И.Л.Розенталь становится сначала курсантом Артиллерийской академии, а потом и Высшей военной школы обороны, где он обучался до июня 1942 г. Затем в должности командира батареи он воюет на Северном и Центральном фронтах до самого окончания войны. Его военные награды – орден Отечественной войны, многие боевые медали.

В 1945 г. Иосифа Леонидовича отзывают из армии для работы по атомному проекту. Он работал в Физическом институте им.П.Н.Лебедева АН СССР сначала как физик-экспериментатор в области физики космических лучей (в то время часть атомного проекта), но довольно быстро переключился на теоретическую физику высоких энергий. С конца 1950Нх гг. И.Л.Розенталь преподавал в МИФИ, в 1960–1969 гг. заведовал кафедрой Экспериментальной ядерной физики института; с 1970 г. Иосиф Леонидович – старший научный сотрудник Института космических исследований РАН, но продолжал и преподавать в МИФИ до 2004 г.

Иосиф Леонидович Розенталь – основоположник каскадной теории электронно-фотонных и ядерно-каскадных ливней. Его труды в этой области широко известны и до сих пор используются во многих научных лабораториях в нашей стране и за рубежом для анализа экспериментальных данных по широким атмосферным ливням, вызываемым космическими лучами. Иосиф Леонидович многие годы сохранял интерес к каскадным процессам, и в конце 1990Нх гг. совместно с российскими и японскими коллегами выполнил важные исследования этих явлений, когда они протекают в сильном электромагнитном поле. Результаты нашли применение в изучении одного из самых интересных природных явлений – мощных всплесков космического гамма-излучения.

В самые последние годы Иосифа Леонидовича больше всего увлекли неожиданные наблюдательные открытия в космологии. В 1998–1999 гг. астрономы доказали, что в природе существует не только всем известное всемирное тяготение Ньютона, но еще и всемирное анти-тяготение. Этот удивительный феномен был предсказан теоретически Эйнштейном еще в 1917 г. Как оказалось, анти-тяготение даже сильнее тяготения в масштабе всей Вселенной. Именно анти-тяготение задает динамику расширения Вселенной в современную эпоху космической эволюции, заставляет ее расширяться с ускорением. Если тяготение создают планеты, звезды, галактики и вообще все "обычные" тела природы, то физическая природа анти-тяготения остается полностью загадочной. Возможно, оно создается особой, весьма необычной физической средой, равномерно заполняющей все пространство Вселенной. Эту среду называют космическим вакуумом. Но вакуум – не пустота: у вакуума имеется энергия, причем эта энергия превышает по величине суммарную энергию всех известных тел Вселенной.

О гипотезе космического вакуума, а также и о других идеях, возникших в физике под влиянием новейших открытий в космологии, и пойдет речь в этой книге.

Введение. Метагалактика и Вселенная

Стремительно расширяются наши представления об окружающем мире. Для предтеч западной цивилизации еще 2 и 3 тысячи лет назад он был ограничен бассейном Средиземноморья (Геркулесовы столбы). Причем с тех пор, как человек начал интересоваться структурой мироздания, господствовало убеждение: звезды – вечный и неизменный орнамент, украшающий ночное небо. Разумеется, не осталось незамеченным, что на фоне этой поражающей воображение неизменности и масштабности существуют несколько меняющих свое положение на небесной сфере, а следовательно, и относительно Земли, звезд – планет. Поэтому возникла стройная система, являющаяся синтезом огромного эмпирического материала, накопленного древними восточными и греческими астрономами: мир состоит из неподвижных звезд, "прикрепленных" к вращающейся вокруг Земли сфере, а также планет и Солнца, тоже движущихся вокруг центра Вселенной – Земли. Лишь по приказу египетских фараонов были установлены истинные размеры африканского континента. Размеры Земли (прибл. 10⁹ см) были определены только после путешествий Колумба и Магеллана (рубеж XV и XVI вв.). Революционные идеи Галилея и Коперника не изменили представлений о размерах "Вселенной", а лишь внесли новый элемент в понятие "центра" мира (вместо Земли "центром" мира стало считаться Солнце). Убеждение относительно неизменной звездной сферы сохранилось еще на долгие века. Хотя в других областях науки давно возникли и установились идеи развития (вспомним, например, теорию катастроф Кювье или теорию происхождения видов Дарвина), в одной из самых древних наук – астрономии – господствовали убеждения о бесконечном и неизменном мире. Лишь в конце XVIII столетия Гершель обратил внимание на особенности туманностей и звездных скоплений и сделал предварительные заключения о том, что туманности являются совокупностью звезд. Однако полное понимание природы туманностей – основы концепции Островной вселенной – пришло лишь в начале XX в. благодаря крупным телескопам нового поколения, позволившим достоверно интерпретировать туманности (названные галактиками) как совокупность звезд. В дальнейшем, благодаря техническому прогрессу и усовершенствованию статистических методов обработки наблюдений удалось установить, что галактики группируются в скопления, а в середине прошлого века было обнаружено, что скопления галактик, в свою очередь, группируются в сверхскопления. Совокупность всех наблюдаемых на небе объектов назвали Метагалактикой; однако чаще к этой совокупности применяли термин "Вселенная" (в дальнейшем мы попытаемся четко разграничить оба эти понятия). В таблице В.1 приведены средние характеристики основных классов небесных объектов.

Таким образом, можно заключить, что размеры "Вселенной" существенно возрастали с прогрессом техники исследований и наблюдений. Следовательно, понятие "Вселенная" не может быть эквивалентом "всего сущего", оно лишь отражает наше знание о мире в данный момент. Тем не менее как в популярных изданиях, так и в части серьезных монографий укоренилось тождество: Вселенная — все сущее. В этих терминологических разногласиях есть две причины. Одна чисто субъективная: "Вселенная" звучит гораздо эффектнее, чем, например, сверхскопление или Метагалактика. Но есть и вторая, объективная, причина. В течение многих десятилетий существовало убеждение, что размеры Метагалактики (прибл. 10²⁸ см) совпадают с границами познаваемого мира, и поэтому ее следует отождествить со Вселенной. Однако в космологии существует также точка зрения, что Метагалактика лишь небольшая часть нашего мира и поэтому отождествление Метагалактики со Вселенной весьма неправомерно. В связи с темой книги целесообразно дать более точное определение обоих понятий. Метагалактикой мы будем называть совокупность объектов, расположенных сейчас в пространственном объеме радиусом прибл. 10²⁸ см. В данном определении мы не учитываем (для простоты) эволюцию Метагалактики во времени. Вселенная – это совокупность объектов, познаваемых в данный момент. Это понятие отражает уровень наших знаний о мире. Лишь совпадение обоих понятий в течение нескольких десятилетий привело к их отождествлению.

Тем не менее возникает естественный вопрос – ограничиваются ли этими двумя понятиями все остальные образования в познаваемом мире? В рамках современной космологии обсуждаются другие объекты, сравнимые по размерам с нашей Метагалактикой, но с иными физическими свойствами. Мы будем называть такие объекты метагалактиками с маленькой буквы. И, наконец, предположительно должны существовать объекты значительно большего размера (по некоторым оценкам, их размеры составляют прибл. 10¹⁰⁶ см), которые часто называют мини-вселенными или доменами.

И еще одно замечание. До сих пор космология и физика элементарных частиц обычно рассматриваются как разные разделы физики, но в последнее время наметилась тенденция к их объединению. Однако строгое изложение обеих ветвей физики в рамках одной книги невозможно. Поэтому авторы вынуждены иногда для общности жертвовать строгостью. Полное изложение отдельных этапов в космологии можно изучить по нескольким монографиям, например [14, 23, 26, 27].

Об авторах

Архангельская Ирина Владимировна

Окончила Московский инженерно-физический институт с красным дипломом по специальности "Экспериментальная ядерная физика"; дипломная работа была награждена медалью "За лучшую студенческую работу". В настоящее время работает в Институте ядерной физики и технологий МИФИ.

Автор научных работ по гамма-всплескам, фрактальному анализу, обработке информации с детекторов гамма-излучения, солнечным вспышкам и физическому вакууму. Результаты ее научных исследований докладывались на десятках конференциях и семинарах, в том числе зарубежных, и получили высокую оценку научной общественности, а книги "Геометрия, динамика, Вселенная" (М.: URSS; соавт. И. Л. Розенталь) и "Космология и физический вакуум" (М.: URSS; соавт. И. Л. Розенталь и А. Д. Чернин) являются основой курса лекций "Современные проблемы физики", который И. В. Архангельская читает в МИФИ для студентов 5-го курса.

Розенталь Иосиф Леонидович

Доктор физико-математических наук, профессор Московского инженерно-физического института (государственного университета), старший научный сотрудник Института космических исследований РАН. Родился в Москве. Окончил физический факультет МГУ имени М. В. Ломоносова в 1941 г. Служил на Северном и Центральных фронтах вплоть до окончания войны в должности командира батареи. Награжден орденом Отечественной войны и многими медалями. В 1950 г. защитил кандидатскую диссертацию, затем в 1957 г. — докторскую. В 1962 г. получил звание профессора. Область научных интересов: космология, физика элементарных частиц, астрофизика. Автор более 300 статей и 19 книг. Многие книги переведены на английский, японский, немецкий и польский языки.

Чернин Артур Давидович

Доктор физико-математических наук, профессор Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга Московского государственного университета. Область исследований — теоретическая астрофизика и космология. Автор (соавтор) более 300 научных статей и 7 книг, вышедших на русском, английском, испанском и японском языках; среди них: «Звезды и физика» (М.: URSS), «Космология и физический вакуум» (М.: URSS; в соавт. с И. В. Архангельской и И. Л. Розенталем), «Александр Александрович Фридман. Жизнь и деятельность» (М.: URSS; в соавт. с Э. А. Троппом и В. Я. Френкелем), «Cosmology: Foundations and Frontiers» (М.: URSS; with Gene G. Byrd & Mauri J. Valtonen), «Физика времени» (М.: URSS).