Читать книгу "О происхождении времени. Последняя теория Стивена Хокинга - Томас Хертог"

дальше границ нашего Млечного Пути. Это были галактики! Наблюдения Хаббла сразу сделали Вселенную в тысячи раз больше!

Но, что было еще поразительнее, оказалось, что большинство туманностей движутся прочь от нас. Еще в 1913 году талантливый астроном Весто Слайфер, работавший в Ловелловской обсерватории[53]вблизи Большого каньона, заметил в спектрах большинства спиральных туманностей явное смещение в сторону более длинных волн[54]. Такое смещение появляется, когда мы наблюдаем свет от удаляющихся от нас источников, – явление, известное под названием доплеровского сдвига. Мы все знакомы с доплеровским сдвигом звуковых волн – вспомните, как меняется звук сирены «скорой помощи», когда она проносится мимо вас. То же самое происходит и с волнами света – если источник света удаляется от вас, цвет такого света краснеет, что в космологии называется красным смещением. К середине 1920-х Слайфер измерил спектры не менее чем 42 спиральных туманностей и нашел, что только четыре из них приближались к Млечному Пути, в то время как 38 удалялись, и часто с огромными скоростями – до 1800 км/c, что намного превышало скорости любых небесных тел, известных в то время. Теперь мы знаем, что таблицы Слайфера, в которые были сведены измеренные скорости туманностей – пример такой таблицы показан на рис. 12, – были самым ранним свидетельством расширения Вселенной[55].

Вернувшись в Лёвен в 1925 году, Леметр осознал значение наблюдений Слайфера. Говорят, что к тому времени он понимал общую теорию относительности лучше всех, включая Эддингтона и самого Эйнштейна. Леметр видел, что построенная Эйнштейном статичная Вселенная была катастрофически неустойчивой. Она была космологическим эквивалентом иголки, балансирующей на острие; при малейшем толчке она начнет падать. Гениальное прозрение Леметра состояло в том, чтобы отказаться от глубоко укоренившейся идеи неизменной и вечной космической сцены и прочесть в общей теории относительности то, что она все время пыталась нам сказать:

Рис. 12. Первое свидетельство расширения Вселенной: лучевые скорости 25 спиральных туманностей (галактик), опубликованные Весто Слайфером в 1917 году. Отрицательные значения соответствуют галактикам, приближающимся к нам, а положительные скорости принадлежат удаляющимся галактикам.

что Вселенная расширяется. Связывая массу и энергию с формой пространства-времени, теория Эйнштейна с необходимостью приводит к тому, что пространство меняется во времени – и не только локально, но также и in extenso, в масштабах всей Вселенной. Проектируя статический мир, заключал Леметр, Эйнштейн ради своих философских предрассудков о том, каким космосу следует быть, проигнорировал самое драматическое предсказание, вытекавшее из его собственного уравнения. Опубликованная в 1927 году основополагающая статья Леметра, в которой он постулирует расширение пространства, как раз и устанавливает ту самую фундаментальную связь между общей теорией относительности и поведением физической Вселенной как целого[56]. Сам Леметр потом вспоминал с присущей ему беспечностью: «Вышло так, что я был в большей степени математиком, чем большинство астрономов, и в большей степени астрономом, чем большинство математиков»[57].

Рис. 13. Жорж Леметр читает лекцию в Католическом университете в Лёвене, в Бельгии.

Леметр понимал, что расширяющаяся Вселенная – совсем не то, что обычный взрыв. Взрыв происходит в определенной точке. Если вы наблюдаете взрывающуюся звезду с большого расстояния, пространство будет выглядеть очень по-разному в зависимости от того, смотрите ли вы в сторону звезды или в противоположную сторону. В расширяющейся Вселенной все обстоит иначе. В своем расширении Вселенная не имеет ни центра, ни края – растягивается само ее пространство. Если это и взрыв, то взрыв пространства как такового. «Туманности [галактики] похожи на микробов на поверхности воздушного шара, – пояснял Леметр. – Когда шар раздувается, каждый микроб видит, что все остальные удаляются от него, и у него складывается впечатление – но это только впечатление, – что он находится в центре». Выполненная в стиле комикса иллюстрация этой метафоры Леметра появилась в 1930 году в одной голландской газете (см. рис. 2 на вклейке).

Пока световые волны бегут от одного «микроба» до другого, они растягиваются вместе с расширяющимся пространством, и свет из-за этого краснеет. Это создает впечатление, будто далекие галактики устремляются прочь от Млечного Пути, хотя в действительности они не движутся. То есть «красное смещение» в спектрах туманностей – не доплеровский сдвиг, возникающий благодаря реальным движениям галактик, как думали Слайфер и Хаббл, а просто следствие раздувания самого пространства. Я попытался проиллюстрировать это на рис. 14. Так как лист бумаги имеет лишь два измерения, мне снова пришлось убрать два из трех измерений пространства, изобразив оставшееся третье в виде окружности. Внутренность этой окружности и пространство вне ее – просто средство визуализации. Итак, у нас есть одномерная расширяющаяся окружность: ее радиус увеличивается с течением времени. Мы видим, что это ведет к увеличению расстояний между галактиками.

Рис. 14. Схематическое представление одномерной Вселенной, имеющей форму окружности, расширяющейся с течением времени. Расширение пространства приводит к тому, что галактики отдаляются друг от друга, хотя в действительности они не движутся. Вследствие этого видимого движения наблюдаемый нами свет от галактик испытывает красное смещение.

Величина наблюдаемого нами красного смещения зависит от того, насколько давно – а значит, и насколько далеко от нас – воспринимаемый нами свет был испущен. Леметр подсчитал, что если Вселенная расширяется с постоянной скоростью, то должно существовать линейное соотношение между скоростью видимого убегания галактики v и расстоянием от нас до нее r. В своей статье 1927 года он записал это соотношение в виде знаменитого итогового уравнения:

v = H r

Это соотношение говорит нам, что видимые скорости v, с которыми разбегаются галактики, должны быть пропорциональны их расстояниям r от нас. Коэффициент пропорциональности H в этом соотношении есть числовая характеристика скорости расширения Вселенной. В поисках наблюдательного подкрепления своего предсказания Леметр взял измеренные Слайфером красные смещения и выполненные Хабблом (с большой неопределенностью) измерения расстояний для 42 туманностей, и на этом основании сделал оценку: через каждые три миллиона световых лет расстояния скорость разбегания галактик растет примерно на 575 километров в секунду[58].

Открытие расширения Вселенной ознаменовало собой крупнейший сдвиг космологической парадигмы со времен Ньютона. Однако в то время его почти никто не заметил, а те немногие отклики, которые дошли до Леметра, были не особенно вдохновляющими. Экземпляр своей статьи Леметр послал Эддингтону, но тот его потерял. А Эйнштейн, который только что употребил большие усилия на то, чтобы согласовать свою теорию с концепцией неподвижной и статичной Вселенной, отказался снова пересматривать этот вопрос. Во время их короткой и довольно нервной встречи в кулуарах Пятого Сольвеевского конгресса[59] Эйнштейн рассказал Леметру, что решения его уравнений, описывающие расширяющуюся Вселенную, были получены за четыре года до этого молодым математиком из Санкт-Петербурга Александром Александровичем Фридманом[60], вскоре