Страница 70 из 151
Растяжение ткани
История Вселенной звучит как нечто грандиозное, но в рамках грубого, эскизного наброска является неожиданно простой и зависит по большому счёту всего от одного существенного факта: Вселенная расширяется. Поскольку это является самым центральным элементом космической истории и, несомненно, вообще является одним из наиболее глубоких открытий, сделанных когда-либо, рассмотрим прежде, как это стало известно.
В 1929 г. Эдвин Хаббл, используя 100-дюймовый телескоп в обсерватории Маунт-Вильсон в Пасадене, штат Калифорния, обнаружил, что пара дюжин галактик, которые он смог обнаружить, все разбегаются в стороны.{157} Фактически Хаббл выяснил, что чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется. Чтобы дать представление о величинах, заметим, что более полные версии оригинальных наблюдений Хаббла (изучались тысячи галактик, в том числе с использованием космического телескопа «Хаббл») показывают, что галактики, которые удалены от нас на 100 млн световых лет, удаляются со скоростью около 10,2 млн км/ч, те же, до которых 200 млн световых лет, удаляются в два раза быстрее, около 20,4 млн км/ч, а те, до которых 300 млн световых лет, улетают в три раза быстрее, около 30,6 млн км/ч, и т. д. Открытие Хаббла было шокирующим, поскольку господствовавшие научные и философские убеждения состояли в том, что Вселенная, в большом масштабе, должна быть статической, вечной и неизменной. Но Хаббл одним ударом вдребезги разбил эту точку зрения. И в поразительном соответствии теории и эксперимента, общая теория относительности Эйнштейна оказалась способной обеспечить прекрасное объяснение открытия Хаббла.
Действительно, не нужно думать, что получить объяснение слишком сложно. В конце концов, если вы, проходя мимо завода, вдруг увидите, что во все стороны от него летят различные материалы, то вероятно подумаете, что на заводе что-то взорвалось. Если вы проследите назад по времени пути металлических кусков и бетонных блоков, вы найдёте, что все они сходятся в месте, которое является вероятным кандидатом на место взрыва. По тем же самым причинам, поскольку вид с Земли — как свидетельствуют наблюдения Хаббла и последующие — показывает, что галактики разлетаются, вы можете подумать, что наше положение в пространстве было местом древнего взрыва, который однородно разбросал исходный материал звёзд и галактик. Проблема с этой теорией в том, что она выделяет одну область в пространстве — нашу область — как уникальную, поскольку делает её местом рождения Вселенной. Будь так, это повлекло бы за собой глубокую асимметрию: физические условия в областях, удалённых от изначального взрыва — удалённых от нас, — сильно отличались бы от условий здесь. Поскольку в астрономических данных нет подтверждения такой асимметрии и, более того, поскольку мы с большим подозрением относимся к антропоцентрическим объяснениям, замешанным на докоперниковском мышлении, требуется более изощрённая интерпретация открытия Хаббла, в которой наше положение не занимает выделенного места в космосе.
Общая теория относительности обеспечивает такую интерпретацию. В этой теории Эйнштейн выяснил, что пространство и время являются подвижными и растяжимыми, а не жёсткими и раз и навсегда фиксированными; и он дал уравнения, которые точно говорят, как пространство и время откликаются на присутствие материи и энергии. В 1920-е гг. русский математик и метеоролог Александр Фридман и бельгийский священник и астроном Жорж Леметр независимо проанализировали уравнения Эйнштейна применительно ко всей Вселенной, и оба нашли нечто поразительное. Точно так же, как из-за гравитационного притяжения Земли бейсбольный мяч, запущенный кетчером свечой вверх, должен либо двигаться вверх, либо падать вниз, но, определённо, не может стоять на месте (исключая одно мгновение, когда он достигает своей высшей точки), так и Фридман и Леметр обнаружили, что из-за гравитационного притяжения материи и излучения, распространяющегося по всему космосу, ткань пространства должна либо растягиваться, либо сжиматься, но что она не может сохранять фиксированного размера. Фактически, это один из редких примеров, в которых метафора схватывает не только суть физики, но также и её математическое содержание, поскольку, как оказалось, уравнения, управляющие высотой полёта бейсбольного мяча над землёй, почти идентичны уравнениям Эйнштейна, управляющим размером Вселенной.{158}
Подвижность пространства в общей теории относительности даёт способ для глубокого объяснения открытия Хаббла. Вместо того чтобы объяснять разбегание галактик космической версией взрыва на заводе, общая теория относительности говорит, что в течение миллиардов лет пространство растягивается. И по мере разбухания пространство растаскивает галактики друг от друга, подобно тому как чёрные пятнышки на посыпанном маком пироге удаляются друг от друга, когда тесто поднимается в печи. Так что причина движения галактик в разные стороны не во взрыве, который имел место внутри пространства. Нет, движение в разные стороны возникает из непрекращающегося растяжения самого пространства.
Чтобы лучше ухватить эту ключевую идею, подумаем также о чрезвычайно полезной модели расширяющейся Вселенной в виде воздушного шара, которую часто используют физики (аналогия, столь же давняя, как весёлая карикатура, которую вы можете увидеть в примечании{159} и которая появилась в голландской газете в 1930 г. после интервью с Виллемом де Ситтером, учёным, который внёс большой вклад в космологию). Эта аналогия уподобляет наше трёхмерное пространство двумерной поверхности сферического воздушного шара (как на рис. 8.2а), который раздувается до всё большего и большего размера. Галактики представлены многочисленными равномерно распределёнными монетками пенни с портретом Линкольна, приклеенными к поверхности шара. Так как шар раздувается, все монетки удаляются друг от друга, обеспечивая простую аналогию того, как расширяющееся пространство разносит галактики.
Рис. 8.2. (а) Если равномерно распределённые монетки приклеены к поверхности сферы, вид, который увидит один Линкольн, изображённый на монетке, будет таким же, который увидит любой другой. Это соответствует тому, что вид из любой галактики во Вселенной в среднем будет таким же, как из любой другой. (б) Если сфера раздувается, расстояния между всеми монетками увеличиваются. Более того, чем дальше монетки друг от друга разнесены на (а), тем больше увеличится между ними расстояние на (б). Это хорошо согласуется с измерениями, которые показывают, что чем более удалена от данной точки отсчёта галактика, тем быстрее она удаляется от этой точки. Отметим, что ни одна монетка не была выделена как специальная, что также согласуется с нашей уверенностью, что во Вселенной ни одна галактика не является как-то выделенной или центром расширения пространства
Важная особенность этой модели состоит в том, что имеется полная симметрия монеток, поскольку вид, который наблюдает какой-либо отдельно взятый Линкольн, будет таким же, как и вид, который наблюдает любой другой Линкольн. Чтобы показать это, представьте, что вы уменьшились, попали на монетку и обозреваете все направления вдоль поверхности шара (вспомним, что в этой аналогии поверхность шара представляет всё пространство, так что взгляд не вдоль поверхности шара лишён смысла). Что вы будете видеть? Конечно, вы увидите монетки, удаляющиеся от вас во всех направлениях, так как шар раздувается. А если вы перейдёте на другую монетку, что вы будете наблюдать? Симметрия гарантирует, что вы будете видеть то же самое: монетки, разбегающиеся во всех направлениях. Этот осязаемый образ хорошо подкрепляет наши убеждения — при поддержке всё более точных астрономических исследований, — что наблюдатель в любой из более чем 100 млрд галактик Вселенной, вглядывающийся в своё ночное небо через мощный телескоп, будет в среднем видеть образ, сходный с тем, что видим мы: окружающие галактики, удаляющиеся прочь во всех направлениях.
{157}
Физическое явление, затронутое здесь, обсуждается в главе 11, и известно как красное смещение. Обычные атомы, такие как водород и кислород, испускают свет с длинами волн, которые хорошо известны из лабораторных экспериментов. Когда такие вещества входят в состав галактик, которые уносятся от нас прочь, длина волны испущенного ими света увеличивается, почти как увеличивается длина волны звука сирены полицейского автомобиля, который уносится прочь, приводя к понижению тона сирены. Поскольку красный свет — это свет с наибольшей длиной волны, который может быть виден невооружённым глазом, это растяжение света называется красным смещением. Величина красного смещения растёт с ростом скорости убегания, а потому, измеряя длины волн зарегистрированного света и сравнивая их с лабораторными результатами, можно определить скорость удалённого объекта. (На самом деле это один из видов красного смещения, он известен как эффект Допплера. Красное смещение может быть также вызвано гравитацией: длина волны фотонов увеличивается, когда они выкарабкиваются из гравитационного поля.)
{158}
Более точно, как отметит склонный к математике читатель, что частица массы m, находящаяся на поверхности шара радиуса R с плотностью массы ρ, ощущает ускорение d2R/dt2, равное (4π/3)R3Gρ/R2, так что (1/R)d2R/dt2 = (4π/3)Gρ. Если мы формально отождествим R с радиусом Вселенной, а ρ с плотностью массы Вселенной, это будет уравнение Эйнштейна для эволюции размера Вселенной (в предположении отсутствия давления).
{159}
См.: Peebles P. J. Е. Principles of Physical Cosmology. Princeton: Princeton University Press, 1993. З. 81.
Надпись гласит: «Но кто на самом деле надувает этот мяч? Из-за чего Вселенная расширяется или раздувается? Эту работу делает Лямбда! Другой ответ не может быть дан». Лямбда обозначает нечто, известное как космологическая постоянная, — идея, с которой мы встретимся в главе 10.