Читаем От чёрных облаков к чёрным дырам онлайн бесплатно

Дж. Нарликар

От чёрных облаков к чёрным дырам

Перевод с английского:

кандидата физико-математических наук

А.В. БЕРКОВА

МОСКВА

ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ

1989

УДК

523.8

Н 29

ББК

22.632

Рецензенты: К. П. Станюкович, Д. В. Гальцов

JAYANT V. NARLIKAR

FROM BLACK CLOUDS ТО BLACK HOLES

WORLD SCIENTIFIC

Нарликар Дж.

H 29

От чёрных облаков к чёрным дырам: Пер. с англ. — М.: Энергоатомиздат, 1989.— 141 с.: ил.

ISBN 5-283-02465-2

В занимательной и доступной форме изложены современные концепции происхождения и эволюции звёзд. Описаны типы звёзд, способы их наблюдения и этапы жизни: рождение, физические процессы в звёздах, катастрофические явления типа взрыва сверхновых, конечные стадии эволюции с образованием нейтронных звёзд и чёрных дыр.

Для широкого круга читателей, интересующихся проблемами современной науки.

Н

1604080000—005

254-89

ББК 22.632

051(01)-89

ISBN 5-283-02465-2 (рус.)

ISBN 9971-978-13-Х (англ.)

© 1985 by World Scientific Publishing Co Pte Ltd.

© Перевод на русский язык, Энергоатомиздат, 1989

Предисловие к русскому изданию

Каждый житель Земли с ранних лет привыкает к виду ночного неба, полного таинственно мерцающих звёзд. Одним из самых поразительных, хотя иногда и неосознанных наблюдений человека является неизменность вида звёздного неба на протяжении всей его жизни, что даёт ощущение прикосновения к вечности..

Но на самом деле звёзды, как и люди, рождаются, живут и умирают. Только отпущенный им срок неизмеримо больше человеческого. Важнейшим завоеванием науки XX века является то, что сегодня учёные могут подробно рассказать о всех стадиях жизни звезды, им стал известен секрет звёздной энергии и те бурные события, которые сопровождают рождение новых звёзд, и ещё более грандиозные катаклизмы, которыми может закончиться жизнь некоторых из них.

Несомненно, что успехи астрофизики стали нашим общим культурным достоянием. Каждый образованный человек должен хоть на каком-то простейшем уровне иметь представление о современном взгляде на происхождение нашей Вселенной и населяющих её звёздных миров.

Предлагаемая советским читателям книга Джайанта Нарликара «От чёрных облаков к чёрным дырам» как раз предназначена для первого ознакомления с историей жизни звёзд. Её автор, известный индийский астрофизик, пользуется заслуженным авторитетом среди учёных за ряд важных работ в области теоретической астрофизики. Нарликар является также создателем нестандартной теории тяготения, положения которой, правда, не разделяются подавляющим большинством специалистов, однако свидетельствуют об оригинальности мышления её автора. Наконец, нашим читателям известны ещё две научно-популярные книги Нарликара: «Гравитация без формул» и «Неистовая Вселенная». В чем же отличительные черты предлагаемой книги и чем вообще привлекательны популярные книги Нарликара? Прежде всего, пожалуй, даром автора рассказать об очень сложных вещах достаточно точно, не привлекая при этом математический аппарат и пользуясь лишь простейшими сведениями из школьной физики. При этом Нарликар очень умело и деликатно обходит те проблемы, которые невозможно элементарно изложить, придумывая наглядные аналогии или доступно объясняя полученные учёными результаты. В целом, рассказанная в книге «От чёрных облаков к чёрным дырам» история жизни звёзд полно и точно отражает современное научное понимание этих проблем.

Следует заметить, что решительный прогресс в астрофизике в последние десятилетия, несомненно, связан с переходом от традиционных способов наблюдения звёзд и галактик в оптическом диапазоне длин волн приходящего света (с помощью оптических телескопов) к способам регистрации излучения звёзд в других диапазонах (радио, инфракрасном, рентгеновском и гамма-диапазонах). Фундаментальные открытия пульсаров, квазаров, возможно, чёрных дыр непосредственно связаны с этими успехами. Широкое развитие получила спутниковая астрономия, данное направление будет все больше развиваться. Подтверждением этому служат превосходные эксперименты по наблюдению излучения вспыхнувшей в начале 1987 г. сверхновой 1987А, проведённые на комплексе «Мир» — «Салют» нашими космонавтами Ю. Романенко и А. Лавейкиным. В первых главах книги Нарликар кратко и ясно излагает необходимые минимальные сведения о свойствах света и об астрономических характеристиках звёзд, позволяющих классифицировать их по группам.

В последующих главах описан путь эволюции звёзд от начального разреженного облака межзвёздного газа, сжимаемого собственными силами тяготения, через стадию горения термоядерного топлива к финальной стадии превращения в белый карлик, нейтронную звезду или чёрную дыру (в зависимости от массы звезды). Попутно автор популярно, поясняет фундаментальные физические законы, необходимые для понимания процессов, происходящих внутри звёзд.

Таким образом, для понимания основного содержания книги не требуется никаких специальных знаний, и она доступна любому читателю со средним образованием. Те же читатели, которые заинтересуются проблемами, затронутыми в книге, и захотят познакомиться с ними подробнее, могут обратиться к другим изданным у нас популярным книгам, требующим для чтения более высокой подготовки (их список, конечно неполный, приведён в конце книги). В этом смысле книга Нарликара предназначена, так сказать, для начального образования. Она даёт читателю главное — знакомство с идеями, лежащими в основе понимания сложнейших процессов, происходящих в звёздах в течение всей их жизни. Эти идеи охватывают широчайший круг вопросов теории тяготения, электродинамики, квантовой механики, ядерной физики, физики элементарных частиц, гидрогазодинамики и многое другое, что в результате создаёт у читателя очень важное понимание единства физики.

Мы надеемся, что книга Дж. Нарликара «От чёрных облаков к чёрным дырам» будет с интересом встречена всеми, кто интересуется современной физикой и астрофизикой и хочет получше узнать, как устроен тот мир, в котором мы живём.

А. Берков

Предисловие

Извечная тяга человека к небесам нашла самые разные пути своего выражения - от поэтических фантазий до фундаментальных философских размышлений и глубоко укоренившихся религиозных верований. Наука вступила в игру сравнительно недавно, добившись при этом успехов, достойных всяческой похвалы.

Действительно, на первый взгляд кажется дерзостью даже пытаться применять научные законы, открытые при очень ограниченных условиях здесь, на Земле, к небесным телам, удалённым на несколько световых лет от нас или ещё дальше. В противоположность своему коллеге в одной из других областей науки, который может потрогать руками и повозиться с объектами своего исследования, астрофизик вынужден беспомощно наблюдать их с огромных расстояний. Поэтому вызывает восхищение уже то, что здесь удалось добиться хоть какого-то успеха. Но это не все! Можно утверждать, что астрономия внесла свежую струю в наше понимание физического мира, и ничто не могло бы её заменить. Например, если бы не астрономические наблюдения планет и спутников, закон тяготения (являющийся одним из четырёх фундаментальных законов физики) долго оставался бы неоткрытым.

Ни одна из ветвей астрофизики не может похвастаться таким впечатляющим списком достижений, как изучение внутреннего строения звёзд и их эволюции во времени. Задолго до того, как физики в лабораториях только задумались о реакции ядерного синтеза как источнике энергии, астрофизики уже построили модели звёзд, основанные на этом процессе. Благодаря изучению звёздной эволюции мы получили ключ к пониманию происхождения множества химических элементов, обнаруженных во Вселенной. Даже такие загадочные объекты, как чёрные дыры, естественно, находят своё место в истории жизни звёзд.

Цель этой маленькой книги заключается в том, чтобы рассказать эту историю на самом простом языке, без технических деталей, и передать неподготовленному читателю то возбуждение, которое движет астрофизиками, увлекая их вперёд к ещё более грандиозным целям. К этим «горячим точкам» астрономии относятся, например, загадка того, как образуются галактики, состоящие из сотен миллиардов звёзд, другая загадка - о том, что является источником энергии необычайно ярких и в то же время необычайно компактных квазаров, и, конечно, наиболее фундаментальный вопрос о происхождении Вселенной в целом. Благодаря способности, понять, что происходит внутри звёзд, астрономы уверены сегодня, что и на эти вопросы будет получен хотя бы частичный ответ в не столь отдалённом будущем.

Первые четыре главы книги служат подготовке к звёздной одиссее. История жизни звезды начинается в, гл. 5 - внутри тёмных на взгляд межзвёздных облаков. Она заканчивается в гл. 10 описанием того, как неосторожная звезда, приобретшая под конец жизни слишком большую массу, завершает своё существование чёрной дырой. В промежуточных главах рассказывается о том, как можно объяснить меняющиеся физические характеристики звезды с помощью известных нам здесь и сейчас законов физики. Но, как подчёркивается в последней главе книги, все ещё остаются некоторые загадки в этой сравнительно хорошо понятой части астрофизики.

Хотя и была сделана попытка изложить вопрос максимально просто, все же не удалось избежать нескольких формул. Аналогично, кое-где пришлось использовать степени десяти и логарифмы. Можно надеяться, что незнакомые с этими вещами читатели с пользой прочтут приложение в конце книги.

Эта книга была написана для издательской компании World Scientific по предложению проф. Фуа, и я благодарен ему за помощь и поддержку. Подготовка иллюстраций и фотографий очень упростилась благодаря помощи художественного и фотографического отделов Института фундаментальных исследований им. Тата. Наконец мне приятно поблагодарить Савана за быструю и аккуратную перепечатку рукописи.

Бомбей, Индия

Джайант Нарликар

Глава 1

О ЗВЕЗДАХ И ЛЮДЯХ

Когда яркая звезда Альфа Центавра осталась далеко ко позади, три обитателя маленького космического корабля пробудились от своего искусственно вызванного сна. Приближалось время действий.

Первым вернулся в нормальное состояние Профессор. Два его ученика и помощника чувствовали себя все ещё не очень уверенно, но вскоре чёткие инструкции Профессора окончательно пробудили их и напомнили о предстоящих обязанностях.

«Очень скоро мы приблизимся к планете X, на которой, как известно, существуют разумные и сравнительно высокоразвитые формы жизни. В подходящий момент я высажу вас обоих на поверхность планеты. Конечно, вы будете должным образом снаряжены, с тем чтобы выжить там столько времени, сколько захотите. Благодаря имеющемуся у вас сложному оборудованию ваше пребывание на планете X останется незамеченным её обитателями. Ваша главная задача состоит в том, чтобы выяснить все об этих созданиях: как они рождаются, как растут, как живут и как умирают. Вы сможете связаться со мной с помощью выданных вам сигнализаторов; когда вы все закончите, я заберу вас обратно на корабль».

Профессор ждал вопросов.

«Будем ли мы делать все вместе?» — спросил Сунья, который был трудолюбив, но немного простоват.

«Нет! Лучше, если вы будете работать независимо. Я высажу вас в разные места на планете».

«Сэр! А много ли этих существ на планете X?» — раздался вопрос несколько сонного товарища Суньи.

«Да! Но почему ты спрашиваешь, Пурна?»

«В этом случае моя задача упрощается», — загадочно сказал Пурна. Профессор понял и усмехнулся. Он знал, что Пурна хоть и ленив, но очень умен.

Сунья ничего не понял. Он подумал, что чем больше население планеты, тем труднее будет их работа. Но прежде чем ему удалось получить разъяснения, наступило время высадки.

Прошло много времени, прежде чем Сунья завершил свою работу и вернулся на корабль. Он трудился напряжённо и был уверен, что вернётся первым. Каково же было его удивление, когда он увидел Пурну и Профессора, нетерпеливо его ожидавших.

«Ты долго отсутствовал! Надеюсь, что твой отчёт будет хорошим. Расскажи нам, что же ты делал и что ты обнаружил». Профессор времени не терял.

«Сэр! Планета зовётся Земля, а её обитатели называют себя людьми. Чтобы тщательно выполнить задание, я решил взять под наблюдение одного из членов этого общества на протяжении всей его жизни. Я видел, как он родился, наблюдал за тем, как он стал взрослым, затем жил, пока не постарел и, наконец, умер. Вот здесь я записал все детали его жизни». Сунья показал маленькое устройство и продолжал: «Естественно, весь процесс занял довольно продолжительное время — примерно семьдесят шесть периодов обращения Земли вокруг её звезды — Солнца». Сунья был горд успехом своей работы и ожидал похвалы.

Но Профессор был недоволен. «Да, я вижу, что ты потратил семьдесят шесть лет на то, чтобы узнать все подробности жизни одного человеческого существа. Но что ты узнал о других людях на Земле? Ты уверен, что тот, кого ты наблюдал, является типичным представителем человеческой популяции или хотя бы её части?»

«Сэр! У меня не хватило бы времени, чтобы получить ответы на эти вопросы — ведь население Земли так велико!» Сунья был огорчён. «А можно узнать, как справился со своей работой Пурна?»

«Да будет тебе известно, что он вернулся всего лишь через год и привёз с собой значительно более ценную информацию, чем все, что тебе удалось собрать». Профессор протянул ему отчёт, составленный соперником.

На этом месте мы прощаемся с обитателями космического корабля и подумаем немного над тем, как справился со своим заданием Пурна.

Ключ к подходу Пурны содержится в его замечании, что задача упрощается благодаря многочисленности человеческой популяции. Вместо того чтобы наблюдать Лишь одно человеческое существо, он исследовал популяции, объединённые в большие группы, вроде городов в разных странах. В городе он наблюдал людей на разных стадиях жизни — от состояния, предшествующего рождению, вплоть до старости и смерти. Кроме того, наблюдая различные физические характеристики вроде роста, массы, цвета волос, строения кожи и т. п., Пурна смог установить, как эти характеристики человека меняются в зависимости от возраста.

Рис. 1. Распределение группы людей по росту и весу (массе)

Например, на рис. 1 показано распределение людей в типичном городе но росту и массе. Заметим, что у точек на этом рисунке имеется тенденция к подъёму от малых значений роста и массы, переходящая затем в ровный участок, на котором изменения в росте не очень велики, но довольно значительны вариации массы. Кроме того, на ровном участке размещается значительно больше точек, чем на растущей части диаграммы. Что же следует из такого распределения?