Фейнмановские лекции по гравитации

Так как все наши заключения серьёзным образом основаны на постулате однородной космологии, мы могли бы проанализировать природу такого свидетельства. Если мы исследуем область вселенной, находящейся в пределах 1.3x10 световых лет от нас, мы без труда находим одно скопление, скопление Девы (Virgo), 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 10 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 обнадёживает, так это то, что оказывается, что очень удалённые области неба населены очень регулярными и компактными скоплениями скоплений, включающими в себя возможно тысячи галактик, причём все они роятся как пчелы вокруг центра масс сверхскоплений. Измерения дисперсии красных смещений показывают, что скорости относительно центра масс должны быть порядка 1000 км/с. Эта дисперсия служит в качестве весьма полезной меры массы скопления. Очевидно, что такие скопления образуются гравитационным притяжением, и что они являются объектами, которые имеют долгую жизнь, они являются устойчивыми финитными системами. Из этой информации мы 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 для массы скопления Девы, мы получаем массу примерно в 30 раз меньше, чем величина, получаемая другими способами. Однако, удалённые сверхскопления являются больше скопления Девы, так что такое вычисление может быть более надёжным.

Само существование скоплений покалывает, что галактики притягиваются друг к другу с достаточной силой, так что такие системы находятся вместе в течение времени, сравнимого со временем вселенной. Очень интересно отметить, что почти все галактики находятся в скоплениях; и оказывается, что только очень небольшая их часть находится не в скоплении. Вывод состоит в том, что почти всё видимое вещество во вселенной не даёт достаточной кинетической энергии для того, чтобы вещество могло бы освободиться из гравитационного поля окружающей материи. Ввиду этого факта, мне кажется, что очень невероятным, чтобы средняя плотность вселенной много меньше, чем критическая плотность. Если плотность много меньше, чем критическая плотность, то образование скоплений должно быть приписано 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 правильного вида, так чтобы почти всё вещество было сосредоточено в скоплениях. Может быть доказано, что в более ранние моменты времени, когда плотность была выше, такие флуктуации могут быть образованы более легко, но я не вижу количественного доказательства, основанного на этой идее. Неизбежный вывод состоит в том, что большая часть вещества затягивается в скопления, поскольку гравитационная энергия того же порядка, что и кинетическая энергия расширения, это наводит на мысль, что средняя плотность всюду должна быть почти равной критической плотности.

Предыдущие предположения о средней плотности не дают никакой поддержки гипотезе однородности. Может всё ещё оставаться вопрос, который касается того, является ли скопление вещества в заданных областях чисто локальным эффектом и меняется ли ситуация от области к области. Космологический принцип может изучаться только путём проведения детального сравнения плотности вещества и нелинейной зависимости красного смещения, которая представляет ускорение галактик. Это есть величины, которые в принципе измеряемы независимо, хотя определённое соотношение между ними предсказывается теориями, в которых принимается космологический принцип. Если вариация плотности от радиальной координаты была бы измерена с большой точностью, то мы могли бы обнаружить, что вещество может быть имеет большую плотность во внутренней области, так что космологический принцип не может выполняться.

Рис. 13.1.