Даже тем ученым, которые поняли,
что ньютоновская теория тяготения
делает невозможной статическую Вселенную,
не приходила в голову гипотеза расширяющейся
Вселенной. Они попытались модифицировать
теорию, сделав гравитационную силу отталкивающей
на очень больших расстояниях. Это практически
не меняло предсказываемого движения
планет, но зато позволяло бесконечному
распределению звезд оставаться в равновесии,
так как притяжение близких звезд компенсировалось
отталкиванием от далеких. Но сейчас мы
считаем, что такое равновесие оказалось
бы неустойчивым. В самом деле, если в какой-то
области звезды чуть-чуть сблизятся, то
силы притяжения между ними возрастут
и станут больше сил отталкивания, так
что звезды будут и дальше сближаться.
Если же расстояние между звездами чуть-чуть
увеличится, то перевесят силы отталкивания
и расстояние будет нарастать.
Еще одно возражение против
модели бесконечной статической
Вселенной обычно приписывается
немецкому философу Генриху Олберсу,
который в 1823 г. опубликовал работу, посвященную
этой модели. На самом деле многие современники
Ньютона занимались той же задачей, и статья
Олберса была даже не первой среди работ,
в которых высказывались серьезные возражения.
Ее лишь первой стали широко цитировать.
Возражение таково: в бесконечной статической
Вселенной любой луч зрения должен упираться
в какую-нибудь звезду. Но тогда небо даже
ночью должно ярко светиться, как Солнце.
Контраргумент Олберса состоял в том,
что свет, идущий к нам от далеких звезд,
должен ослабляться из-за поглощения в
находящемся на его пути веществе.
Но в таком случае само это
вещество должно нагреться и
ярко светиться, как звезды. Единственная
возможность избежать вывода
о ярко, как Солнце, светящемся
ночном небе - предположить, что звезды
сияли не всегда, а загорелись
в какой-то определенный момент
времени в прошлом. Тогда поглощающее
вещество, возможно, еще не успело
разогреться или же свет далеких
звезд еще не дошел до нас.
Но возникает вопрос: почему зажглись
звезды?
Конечно, проблема возникновения
Вселенной занимала умы людей
уже очень давно. Согласно ряду
ранних космогонии и иудейско-христианско-мусульманским
мифам, наша Вселенная возникла в какой-то
определенный и не очень отдаленный момент
времени в прошлом. Одним из оснований
таких верований была потребность найти
"первопричину" существования Вселенной.
Любое событие во Вселенной объясняют,
указывая его причину, т. е. другое событие,
произошедшее раньше; подобное объяснение
существования самой Вселенной возможно
лишь в том случае, если у нее было начало.
Другое основание выдвинул Блаженный
Августин (православная Церковь считает
Августина блаженным, а Католическая -
святым. - прим. ред.). в книге "Град Божий".
Он указал на то, что цивилизация прогрессирует,
а мы помним, кто совершил то или иное деяние
и кто что изобрел. Поэтому человечество,
а значит, вероятно, и Вселенная, вряд ли
очень долго существуют. Блаженный Августин
считал приемлемой дату сотворения Вселенной,
соответствующую книге "Бытия": приблизительно
5000 год до нашей эры. (Интересно, что эта
дата не так уж далека от конца последнего
ледникового периода - 10 000 лет до н. э.,
который археологи считают началом цивилизации).
Аристотелю же и большинству
других греческих философов не
нравилась идея сотворения Вселенной,
так как она связывалась с
божественным вмешательством. Поэтому
они считали, что люди и окружающий
их мир существовали и будут существовать
вечно. Довод относительно прогресса цивилизации
ученые древности рассматривали и решили,
что в мире периодически происходили потопы
и другие катаклизмы, которые все время
возвращали человечество к исходной точке
цивилизации.
Вопросы о том, возникла ли Вселенная в
какой-то начальный момент времени и ограничена
ли она в пространстве, позднее весьма
пристально рассматривал философ Иммануил
Кант в своем монументальном (и очень темном)
труде "Критика чистого разума", который
был издан в 1781 г. Он назвал эти вопросы
антиномиями (т. е. противоречиями) чистого
разума, так как видел, что в равной мере
нельзя ни доказать, ни опровергнуть ни
тезис о необходимости начала Вселенной,
ни антитезис о ее вечном существовании.
Тезис Кант аргументировал тем, что если
бы у Вселенной не было начала, то всякому
событию предшествовал бы бесконечный
период времени, а это Кант считал абсурдом.
В поддержку антитезиса Кант говорил,
что если бы Вселенная имела начало, то
ему предшествовал бы бесконечный период
времени, а тогда спрашивается, почему
Вселенная вдруг возникла в тот, а не другой
момент времени? На самом деле аргументы
Канта фактически одинаковы и для тезиса,
и для антитезиса. Он исходит из молчаливого
предположения, что время бесконечно в
прошлом независимо от того, существовала
или не существовала вечно Вселенная.
Как мы увидим ниже, до возникновения Вселенной
понятие времени лишено смысла.
Когда большинство людей верило
в статическую и неизменную
Вселенную, вопрос о том, имела
она начало или нет, относился,
в сущности, к области метафизики
и теологии. Все наблюдаемые явления
можно было объяснить как с
помощью теории, в которой Вселенная
существует вечно, так и с
помощью теории, согласно которой
Вселенную сотворили в какой-то
определенный момент времени
таким образом, чтобы все выглядело,
как если бы она существовала
вечно. Но в 1929 г. Эдвин Хаббл
сделал эпохальное открытие: оказалось,
что в какой бы части неба ни вести наблюдения,
все далекие галактики быстро удаляются
от нас. Иными словами, Вселенная расширяется.
Это означает, что в более ранние времена
все объекты были ближе друг к другу, чем
сейчас. Значит, было, по-видимому, время,
около десяти или двадцати тысяч миллионов
лет назад, когда они все находились в
одном месте, так что плотность Вселенной
была бесконечно большой. Сделанное Хабблом
открытие перевело вопрос о том, как возникла
Вселенная, в область компетенции науки.
Наблюдения Хаббла говорили о
том, что было время - так
называемый большой взрыв, когда
Вселенная была бесконечно малой
и бесконечно плотной. При таких
условиях все законы науки
теряют смысл и не позволяют
предсказывать будущее. Если в
еще более ранние времена и
происходили какие-либо события,
они все равно никак не смогли
бы повлиять на то, что происходит
сейчас. Из-за отсутствия же наблюдаемых
следствий ими можно просто
пренебречь. Большой взрыв можно
считать началом отсчета времени
в том смысле, что более ранние
времена были бы просто не
определены. Подчеркнем, что такое
начало отсчета времени очень
сильно отличается от всего
того, что предлагалось до Хаббла.
Начало времени в неизменяющейся
Вселенной есть нечто, что должно
определяться чем-то, существующим
вне Вселенной; для начала Вселенной
нет физической необходимости.
Сотворение Богом Вселенной можно
в своем представлении относить
к любому моменту времени в
прошлом. Если же Вселенная
расширяется, то могут существовать
физические причины для того,
чтобы она имела начало. Можно
по-прежнему представлять себе, что
именно Бог создал Вселенную
- в момент большого взрыва
или даже позднее (но так,
как если бы произошел большой
взрыв). Однако было бы абсурдно
утверждать, что Вселенная возникла
раньше большого взрыва. Представление
о расширяющейся Вселенной не
исключает создателя, но налагает
ограничения на возможную дату
его трудов!
Поскольку
уже существующих частных теорий вполне
достаточно, чтобы делать точные предсказания
во всех ситуациях, кроме самых экстремальных,
поиск окончательной теории Вселенной
не отвечает требованиям практической
целесообразности. (Заметим, однако, что
аналогичные возражения можно было бы
выдвинуть против теории относительности
и квантовой механики, а ведь именно эти
теории произвели революцию в ядерной
физике и в микроэлектронике!) Таким образом,
открытие полной единой теории, может
быть, не будет способствовать выживанию
и даже никак не повлияет на течение нашей
жизни. Но уже на заре цивилизации людям
не нравились необъяснимые и не связанные
между собой события, и они страстно желали
понять тот порядок, который лежит в основе
нашего мира. По сей день мы мечтаем узнать,
почему мы здесь оказались и откуда взялись.
Стремление человечества к знанию является
для нас достаточным оправданием, чтобы
продолжать поиск. А наша конечная цель
- никак не меньше, чем полное описание
Вселенной, в которой мы обитаем.
Глава
2. Расширяющаяся Вселенная
Если
в ясную безлунную ночь посмотреть
на небо, то, скорее всего, самыми
яркими объектами, которые вы
увидите, будут планеты Венера,
Марс, Юпитер и Сатурн. Кроме того,
вы увидите огромное количество
звезд, похожих на наше Солнце,
но находящихся гораздо дальше
от нас. При вращении Земли
вокруг Солнца некоторые из
этих "неподвижных" звезд чуть-чуть
меняют свое положение относительно
друг друга, т. е. на самом
деле они вовсе не неподвижны!
Дело в том, что они несколько
ближе к нам, чем другие. Поскольку
же Земля вращается вокруг
Солнца, близкие звезды видны
все время в разных точках
фона более удаленных звезд.
Благодаря этому можно непосредственно
измерить расстояние от нас
до этих звезд: чем они ближе,
тем сильнее заметно их перемещение.
Самая близкая звезда, называемая
Проксимой Центавра, находится от нас
на расстоянии приблизительно четырех
световых лет (т. е. свет от нее идет до
Земли около четырех лет), или около 37 миллионов
километров. Большинство звезд, видимых
невооруженным глазом, удалены от нас
на несколько сотен световых лет. Сравните
это с расстоянием до нашего Солнца, составляющим
всего восемь световых минут! Видимые
звезды рассыпаны но всему ночному небу,
но особенно густо в той полосе, которую
мы называем Млечным Путем. Еще в 1750 г.
некоторые астрономы высказывали мысль,
что существование Млечного Пути объясняется
тем, что большая часть видимых звезд образует
одну дискообразную конфигурацию - пример
того, что сейчас называется спиральной
галактикой. Лишь через несколько десятилетий
астроном Уильям Гершель подтвердил это
предположение, выполнив колоссальную
работу но составлению каталога положений
огромного количества звезд и расстояний
до них. Но даже после этого представление
о спиральных галактиках было принято
всеми лишь в начале нашего века.
Современная картина Вселенной
возникла только в 1924 г., когда
американский астроном Эдвин
Хаббл показал, что наша Галактика
не единственная. На самом деле
существует много других галактик,
разделенных огромными областями
пустого пространства. Для доказательства
Хабблу требовалось определить
расстояния до этих галактик,
которые настолько велики, что,
в отличие от положений близких
звезд, видимые положения галактик
действительно не меняются. Поэтому
для измерения расстояний Хаббл
был вынужден прибегнуть к
косвенным методам. Видимая яркость
звезды зависит от двух факторов:
от того, какое количество света
излучает звезда (се светимости),
и от того, гдe она находится. Яркость
близких звезд и расстояние до них мы можем
измерить; следовательно, мы можем вычислить
и их светимость. И наоборот, зная светимость
звезд в других галактиках, мы могли бы
вычислить расстояние до них, измерив
их видимую яркость. Хаббл заметил, что
светимость некоторых типов звезд всегда
одна и та же, когда они находятся достаточно
близко для того, чтобы можно было производить
измерения. Следовательно, рассуждал Хаббл,
если такие звезды обнаружатся в другой
галактике, то, предположив у них такую
же светимость, мы сумеем вычислить расстояние
до этой галактики. Если подобные расчеты
для нескольких звезд одной и той же галактики
дадут один и тот же результат, то полученную
оценку расстояния
можно считать
надежной.
Таким путем Хаббл рассчитал
расстояния до девяти разных
галактик. Теперь известно, что наша
Галактика - одна из нескольких
сотен тысяч миллионов галактик,
которые можно наблюдать в
современные телескопы, а каждая
из этих галактик в свою
очередь содержит сотни тысяч
миллионов звезд. На рис. 3.1 показано,
какой увидел бы нашу Галактику
наблюдатель, живущий в какой-нибудь
другой галактике. Наша Галактика
имеет около ста тысяч световых
лет в поперечнике. Она медленно
вращается, а звезды в ее
спиральных рукавах каждые несколько
сотен миллионов лет делают
примерно один оборот вокруг
ее центра. Наше Солнце представляет
собой обычную желтую звезду
средней величины, расположенную
на внутренней стороне одного
из спиральных рукавов. Какой
же огромный путь мы прошли
от Аристотеля и Птолемея, когда
Земля считалась центром Вселенной!
в ее атмосфере.
В 20-х годах, когда астрономы
начали исследование спектров
звезд других галактик, обнаружилось
нечто еще более странное: в
нашей собственной Галактике
оказались те же самые характерные
наборы отсутствующих цветов, что
и у звезд, но все они были
сдвинуты на одну и ту же
величину к красному концу
спектра. Чтобы понять смысл
сказанного, следует сначала разобраться
с эффектом Доплера. Как мы
уже знаем, видимый свет - это
колебания, или волны электромагнитного
поля. Частота (число волн в
одну секунду) световых колебаний
чрезвычайно высока - от четырехсот
до семисот миллионов волн
в секунду. Человеческий глаз воспринимает
свет разных частот как разные цвета, причем
самые низкие частоты соответствуют красному
концу спектра, а самые высокие - фиолетовому.
Представим себе источник света, расположенный
на фиксированном расстоянии от нас (например,
звезду), излучающий с постоянной частотой
световые волны. Очевидно, что частота
приходящих волн будет такой же, как та,
с которой они излучаются (пусть гравитационное
поле галактики невелико и его влияние
несущественно). Предположим теперь, что
источник начинает двигаться в нашу сторону.
При испускании следующей волны источник
окажется ближе к нам, а потому время, за
которое гребень этой волны до нас дойдет,
будет меньше, чем в случае неподвижной
звезды. Стало быть, время между гребнями
двух пришедших волн будет меньше, а число
волн, принимаемых нами за одну секунду
(т. е. частота), будет больше, чем когда
звезда была неподвижна. При удалении
же источника частота приходящих волн
будет меньше. Это означает, что спектры
удаляющихся звезд будут сдвинуты к красному
концу (красное смещение), а спектры приближающихся
звезд должны испытывать фиолетовое смещение.
Такое соотношение между скоростью и частотой
называется эффектом Доплера, и этот эффект
обычен даже в нашей повседневной жизни.
Прислушайтесь к тому, как идет по шоссе
машина: когда она приближается, звук двигателя
выше (т. е. выше частота испускаемых им
звуковых волн), а когда, проехав мимо,
машина начинает удаляться, звук становится
ниже. Световые волны и радиоволны ведут
себя аналогичным образом. Эффектом Доплера
пользуется полиция, определяя издалека
скорость движения автомашин по частоте
радиосигналов, отражающихся от них. Доказав,
что существуют другие галактики, Хаббл
все последующие годы посвятил составлению
каталогов расстояний до этих галактик
и наблюдению их спектров. В то время большинство
ученых считали, что движение галактик
происходит случайным образом и поэтому
спектров, смещенных в красную сторону,
должно наблюдаться столько же, сколько
и смещенных в фиолетовую. Каково же было
удивление, когда у большей части галактик
обнаружилось красное смещение спектров,
т. е. оказалось, что почти все галактики
удаляются от нас! Еще более удивительным
было открытие, опубликованное Хабблом
в 1929 г.: Хаббл обнаружил, что даже величина
красного смещения не случайна, а прямо
пропорциональна расстоянию от нас до
галактики. Иными словами, чем дальше находится
галактика, тем быстрее она удаляется!
А это означало, что Вселенная не может
быть статической, как думали раньше, что
на самом деле она непрерывно расширяется
и расстояния между галактиками все время
растут.