Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы
Шрифт:
Дальше – больше. В 1922 году советский физик Александр Фридман сообщил Эйнштейну, что он может описать Вселенную с помощью уравнений теории относительности даже без введения в них этой таинственной постоянной, – но только при условии ее расширения. Эйнштейн отверг эту идею. Он считал Вселенную вечной и неизменной, и в то время у него были веские причины так думать.
И все же эти базовые убеждения Эйнштейна удалось поколебать. Сделал это один католический священник, который не только математически описал расширяющуюся Вселенную, но даже заявил, что астрономы уже видели признаки такого расширения. Этим священником был Жорж Леметр из Бельгии. Выпускник иезуитского колледжа, переживший ужасы Первой мировой войны, он стал священнослужителем и параллельно начал изучать математику и физику в Лёвене. Свое обучение он продолжил в Кембридже, у прославленного астрофизика
Леметр первым обратил внимание на странные характеристики галактических туманностей, которые американец Весто Слайфер обнаружил, работая в обсерватории Лоуэлла в Аризоне. В 1917 году Слайфер измерил скорость галактик с помощью эффекта Доплера. Мы знаем про этот эффект в акустике: если мимо нас проезжает машина скорой помощи с ревущей сиреной, то пока она едет к нам, мы слышим более высокий звук, а как только она нас минует и начинает удаляться, мы слышим более низкий звук. То, что верно для звука, верно и для света. Если галактики движутся к нам, свет “сжимается” и становится более голубым; если они улетают от нас, свет “вытягивается” и становится более красным. Как мы знаем, свет всегда движется с постоянной скоростью в обоих направлениях, но восприятие нами цвета меняется. Итак, измеряя длины волн характерных спектральных линий атомов в свете галактик с помощью спектрографа, вы можете зафиксировать даже малейшие сдвиги этих линий и, следовательно, измерить скорость галактик в том направлении, вдоль которого вы смотрите.
Результат оказался неожиданным: если не считать нашей соседки – галактики Андромеды, – длины волн характерных линий в основном смещались в красную сторону. То есть почти все галактики (кроме туманности Андромеды) от нас удаляются! Это было более чем странно и не могло оказаться совпадением. Представьте себе большой танцпол, заполненный скользящими по нему парами. Разве число пар, движущихся к вам, не должно быть примерно таким же, как число пар, удаляющихся от вас? А что если окажется, что все они от вас удаляются? Вы решите, что все хотят держаться от вас подальше?
Ответ Леметра таков: дело не в нас – расширяется вся Вселенная, а вместе с ней удаляются и источники света. Сопоставив скорости галактик, рассчитанные Слайфером, с расстояниями, рассчитанными Хабблом, Леметр обнаружил, что галактики удаляются от нас с тем большей скоростью, чем они от нас дальше. Самые далекие галактики движутся быстрее всех – совсем как последняя в ряду бедная маленькая студентка на моей вводной лекции.
Все почувствовали огромное облегчение. Значит, покраснение приходящего к нам из других галактик света происходит не из-за каких-то неприятных и отталкивающих свойств нашего собственного Млечного Пути! Другие наблюдатели в других галактиках увидят то же самое, что и мы. В отличие от стены в моем классе, Млечный Путь не прикреплен ни к чему в космосе и не находится в центре Вселенной, а движется в толпе космических танцоров так же, как и все остальные. Весь космический танцпол продолжает все время расширяться.
Это можно представить еще вот как: пусть танцпол находится на внешней поверхности гигантского воздушного шара и танцоры танцуют на этой поверхности. Если шарик начнет надуваться, танцпол будет расширяться, а все танцоры – отдаляться друг от друга. Только те из них, которые держат друг друга в объятиях, останутся неразлученными, как Млечный Путь и Андромеда. Их взаимное притяжение сильнее, чем сила, заставляющая Вселенную расширяться.
Леметр опубликовал свои результаты в 1927 году на французском языке, сославшись на данные измерений расстояний Хаббла. Два года спустя Хаббл опубликовал собственные результаты – с аналогичными выводами и используя почти те же данные, – но только по-английски. Однако он не упомянул ни Слайфера, измерениями которого оперировал, ни Леметра, с которым лично обсуждал результаты. Как историки науки, так и современники Хаббла говорят, что он “очень избирательно относился к подбору ссылок, не упоминая в своих публикациях работы своих коллег” [91] . Это еще мягко сказано. В научном мире ссылки на ваши работы и признания коллег являются единственной твердой валютой. Поведение, подобное поведению Хаббла, к сожалению, не редкость, но оно крайне неэтично.
91
Emilio Elizalde. Reasons in Favor of a Hubble-Lemaitre-Slipher’s (HLS) Law. // Symmetry 11 (2019): 15. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2019Symm…11…35E.
В
Этот закон сыграл решающую роль в расширении горизонтов Вселенной. С его помощью стало возможным измерять расстояния между Землей и самыми удаленными галактиками. Измерить расстояние в миллиарды световых лет больше не являлось проблемой. Если удавалось найти характерные спектральные линии атомов, испускающих свет в некой галактике, красное смещение этих спектральных линий служило мерой расстояния до нее.
Альберт Эйнштейн был совершенно не согласен с таким новым развитием событий. Ведь – если повернуть ход истории вспять – это расширение означало бы, что вся Вселенная уже давным-давно должна была быть сжатой в одну точку! В очередной раз, как и в случае с черными дырами, уравнения Эйнштейна приводили к сингулярности во времени и пространстве. Это значило, что Вселенная должна была иметь начало! Леметр оказался первым, кто осмелился озвучить эту мысль и заговорить о первичном атоме, из которого миллиарды лет назад, как из яйца, родилась молодая Вселенная.
Но Эйнштейну не понравилась и эта теория. Разве не подозрительно она звучала в устах священника, явно принимавшего желаемое за действительное? Разве эта идея не выросла из библейских представлений об акте творения? Католик Леметр вызывал недоверие, и ученые по-прежнему скептически относились к его модели, а некоторые даже высмеивали ее, с иронией называя “Большим взрывом”. Да-да, этот термин первоначально имел отрицательную коннотацию, но, поскольку в конечном счете стоящая за ним идея была хорошо обоснована, то он все-таки закрепился. В немецкой же литературе общеупотребительным стал термин Urknall, что означает “изначальный, довременной взрыв”, и мне он кажется более точным.
В долгих разговорах Леметр пытался убедить Эйнштейна, что его модель статичной вселенной не работает. И все же до того как теория Большого взрыва стала общепринятой, прошло много времени. Когда я был еще молодым ученым, я встречал выдающихся исследователей преклонных лет, решительно отвергавших эту идею. Похоже, они боялись, что, согласившись с теорией Большого взрыва, они позволят Творцу “выпрыгнуть из гроба”. Забавно, что история повторилась, но теперь стороны поменялись ролями. Если во времена Коперника и Галилея именно Ватикан отверг новую модель Вселенной, то во времена Леметра одним из первых, кто поддержал его новую теорию расширяющейся Вселенной, стал в 1951 году папа Пий XII.
Говорят, что старая теория умирает вместе с последними критиками новой. Так и случилось. Сейчас теорию динамичной, расширяющейся Вселенной полностью принимают все ученые, несмотря на то, что разгадать тайну Большого взрыва нам лишь предстоит.
Тысячелетиями люди могли смотреть на небо только невооруженным глазом. Позже, начиная с XVII века, им помогали в этом оптические телескопы. Но девяносто лет назад, с распространением совершенно новой методики, произошла революция в изучении космоса. Когда в 1932 году Карл Гуте Янский открыл космическое радиоизлучение, мы мгновенно увидели всю Вселенную в совершенно ином свете – буквально ином, потому что мы впервые использовали для наблюдений не видимый свет, а свет из другого диапазона электромагнитного спектра. Для астрономов это означало, что они вступают на абсолютно неизведанную территорию, к которой еще нужно было привыкнуть. Вначале некоторые воротили от нее носы, и потребовалось некоторое время, чтобы новая дисциплина – радиоастрономия – нашла свое место в рамках более широкой науки – астрономии, а ее инструменты стали называться телескопами, но уже не оптическими, а радиотелескопами. Компоненты оптических телескопов, с помощью которых формируется изображение, обычно изготавливаются из различных видов стекла, а радиотелескопы изготавливаются из стали.