Почему небо темное. Как устроена Вселенная
Шрифт:
1930, 1931: Жорж Леметр, узнав о достижениях Хаббла, написал письмо Артуру Эддингтону, в котором он напомнил о своей работе 1927 года. Эддингтон, сам уже начавший заниматься построением модели нестационарной Вселенной, был огорчен, что его опередили. Однако, как он написал в письме де Ситтеру, удар был смягчен тем, что в прошлом Леметр был его — Эддингтона — студентом.
Эддингтон сразу понял значение работы Леметра и ее связь с результатами Хаббла и Хьюмасона. В этом и в последующем годах он и де Ситтер публикуют работы, обращающие внимание на результаты Леметра. Кроме того, в 1931 году по инициативе Эддингтона издается перевод статьи Леметра на английский язык. В том же 1931 году выходит капитальная статья Хаббла и Хьюмасона, в которой они подтвердили существование соотношения v — r на гораздо большем материале: «…наблюдения охватили интервал расстояний в 18 раз больший, чем было в предварительном исследовании… Но форма корреляции остается неизменной… и, таким образом, зависимость скорость — расстояние представляется общей характеристикой наблюдаемой области
К сожалению, А. А. Фридман не дожил до 30-х годов и не смог принять участие в дальнейшем развитии теории расширяющейся Вселенной. Его результаты были переоткрыты Леметром, которому принадлежат еще много интересных идей в этой области. Отчасти поэтому, вероятно, пионерский вклад Фридмана оказался «в тени» работ Леметра, который в западной литературе долго считался чуть ли не единственным автором модели расширяющейся Вселенной. В этой связи любопытно, что пионеры релятивистской космологии — де Ситтер, Леметр, Робертсон, Эддингтон и не упоминавшийся ранее Ричард Толмен — знали работы Фридмана и, пусть и далеко не всегда, ссылались на них.
Что же касается Эйнштейна, то, как было написано раньше, он публично признал справедливость результатов Фридмана еще в 1923 году. Позднее он также не раз признавал приоритет Фридмана. В 1931 году Эйнштейн, имея в виду расширяющуюся Вселенную, сказал, что первым на этот путь вступил Фридман. В том же году в устном выступлении на тему «Современное состояние теории относительности» он говорит о «русском математике», который пришел к мысли, «что видимая материя находится в состоянии расширения». В приложении к многократно переиздававшейся книге «О специальной и общей теории относительности» Эйнштейн снова отметил, что Фридман показал, что «…уравнения поля допускают решение, в котором „радиус мира“ зависит от времени (расширяющееся пространство). В этом смысле, согласно Фридману, теория требует расширения пространства… Поэтому открытие Хаббла можно рассматривать до некоторой степени как подтверждение теории».
Эдвин Хаббл, поставивший последнюю точку в вопросе о существовании и форме соотношения v — r , относился к своему открытия неоднозначно. Он всегда активно отстаивал свой и Хьюмасона приоритет в открытии линейного соотношения между скоростью и расстоянием галактик, подчеркивал, что оно является «маунтвилсоновским достижением», но никогда не утверждал, что он открыл расширение Вселенной. Сомнения по поводу интерпретации красного смещения в спектрах галактик оставались у него до конца жизни. Например, в популярной заметке, изданной в 1946 году, он написал: «Свет, приходящий к нам от туманностей, теряет энергию, пропорционально пройденному им расстоянию. Этот факт установлен, но его объяснение все еще остается неясным». Определенная непоследовательность Хаббла в этом вопросе, возможно, помешала ему стать первым астрономом, который получил бы Нобелевскую премию по физике. К сожалению, Хаббл просто не успел ее получить — он должен был стать лауреатом премии за 1953 год, однако не дожил до нее несколько месяцев, а посмертно Нобелевская премия не вручается.
Как видно из моего рассказа (конечно, неполного), расширение Вселенной было открыто в результате многолетней и целеустремленной работы многих исследователей — как наблюдателей, так и теоретиков. В области наблюдений основополагающими были работы Слайфера, измерившего красные смещения ближайших галактик, и Хаббла, научившегося оценивать их расстояния. Теоретическая возможность нестационарности нашей Вселенной была открыта Фридманом (поэтическую Вселенную Эдгара По считать серьезной космологической моделью все-таки сложно), Леметр подтвердил это открытие и впервые сравнил наблюдения с теорией. Отчасти курьезом выглядит то, что работы Фридмана и Леметра остались незамеченными, в то время как искусственная модель де Ситтера послужила стимулом для наблюдательных работ по поиску связи и r . Окончательный синтез теории и наблюдений сложился в начале 30-х годов, причем очень большой вклад в пропаганду новой картины Вселенной внес Артур Эддингтон.
2.2. Расширяется ли Вселенная на самом деле?
Размышляя над всей этой историей, я исходил из предпосылки, что истиной, какой бы невероятной она ни казалась, является то, что останется, если отбросить все невозможное. Не исключено, что это оставшееся допускает несколько объяснений. В таком случае необходимо проанализировать каждый вариант, пока не останется один, достаточно убедительный.
Почему все так уверены, что Вселенная действительно расширяется? В научной литературе реальность расширения уже почти не обсуждается, так как профессиональные ученые, знающие проблему во всей ее полноте, в этом практически не сомневаются. Активные обсуждения этого вопроса часто вспыхивают на разного рода интернет-форумах, где представители так называемой «альтернативной науки» (в противовес «ортодоксальной») снова и снова пытаются «изобрести велосипед» и найти другое, не связанное с удалением объектов, объяснение наблюдаемому в спектрах галактик красному смещению. Такие попытки, как правило, основаны на незнании того, что, помимо красного смещения, есть и другие свидетельства в пользу реальности космологического расширения. Строго говоря, стационарность Вселенной была бы гораздо большей проблемой для науки, чем ее расширение!
Современная наука представляет собой плотно сотканную ткань взаимосвязанных результатов или, если угодно,
Но сначала несколько слов о недоплеровской интерпретации красного смещения. Вскоре после открытия зависимости z от расстояния возникла — и это вполне естественно — идея, что красное смещение может быть связано не с удалением объектов, а с тем, что по пути от далеких галактик часть энергии фотонов теряется и, следовательно, длина волны излучения увеличивается, оно «краснеет». Приверженцами такой точки зрения были, к примеру, один из основоположников астрофизики в России А. А. Белопольский, а также Фриц Цвикки — один из самых нестандартно мыслящих и плодотворных астрономов XX века. К подобному объяснению z время от времени склонялся и сам Хаббл. Вскоре, однако, выяснилось, что подобные процессы потери энергии фотонами должны сопровождаться размыванием изображений источников (чем дальше галактика, тем сильнее размытие), что не наблюдалось. Другой вариант этого сценария, как было показано советским физиком М. П. Бронштейном, предсказывал, что эффект покраснения должен быть разным в разных частях спектра, то есть он должен зависеть от длины волны. К началу 60-х годов XX века развитие радиоастрономии закрыло и эту возможность — для данной галактики величина красного смещения оказалась не зависящей от длины волны. Знаменитый советский астрофизик В. А. Амбарцумян еще в 1957 году резюмировал ситуацию с разными вариантами интерпретации красного смещения таким образом: «Все попытки объяснить красное смещение каким-либо механизмом, отличным от принципа Доплера, окончились неудачей. Эти попытки вызывались не столько логической или научной необходимостью, сколько известным страхом… перед грандиозностью самого явления…».
Рассмотрим теперь несколько наблюдательных тестов, поддерживающих картину глобального космологического расширения Вселенной. Первый из них был предложен еще в 1930 году американским физиком Ричардом Толменом. Толмен обнаружил, что так называемая поверхностная яркость объектов будет вести себя по-разному в стационарной и в расширяющейся Вселенной.
Поверхностная яркость — это просто энергия, излучаемая единицей площади объекта в единицу времени (например, за секунду) в каком-нибудь направлении или, более точно, в единице телесного угла. В стационарной Вселенной, в которой причиной красного смещения является какой-то неизвестный закон природы, приводящий к уменьшению энергии фотонов по пути к наблюдателю («старение» или «усталость» фотонов), поверхностная яркость объекта должна уменьшаться пропорционально величине 1 + z . Это означает, что, если галактика находится на таком расстоянии, что для нее z = 1, то она должна выглядеть в два раза тусклее по сравнению с такими же галактиками вблизи нас, то есть при z = 0.
В расширяющейся Вселенной зависимость яркости (имеется в виду болометрическая, то есть полная, просуммированная по всему спектру, яркость) от красного смещения становится гораздо сильнее — она спадает как (1 + z )4. В этом случае объект с z = 1 будет выглядеть уже не в 2, а в 16 раз более тусклым. Причиной столь сильного падения яркости является то, что, помимо уменьшения энергии фотонов из-за красного смещения, при реальном удалении галактик начинают работать дополнительные эффекты. Так, каждый новый фотон, испускаемый далекой галактикой, будет добираться до наблюдателя с все большего расстояния и тратить на дорогу все большее время. Интервалы между приходами фотонов возрастут и, значит, за единицу времени на приемник излучения будет попадать меньше энергии и наблюдаемая нами галактика будет казаться слабее. Кроме того, в случае реального расширения зависимость углового размера галактики от z будет другой, чем для стационарной Вселенной, что также приводит к изменению ее наблюдаемой поверхностной яркости.
Тест Толмена выглядит очень простым и наглядным — действительно, достаточно взять два сходных объекта на разных красных смещениях и сравнить их яркости. Однако технические сложности его осуществления таковы, что применить этот тест смогли лишь относительно недавно — в девяностых годах XX века. Сделал это ученик и последователь Хаббла знаменитый американский астроном Алан Сендидж [13] . Совместно с разными коллегами Сендидж опубликовал целую серию статей, в которых он рассмотрел тест Толмена для далеких эллиптических галактик.
13
Как вспоминал Сендидж, Хаббл плохо реагировал на критику и, когда Джесси Гринстейн в конце 1930-х годов опубликовал заметку, в чем-то опровергавшую его результаты, Хаббл был недоволен. В конце 1940-х годов Гринстейн перебрался в Калифорнийский университет и по совместительству стал работать в обсерватории Маунт Вилсон, где с 1919 года уже работал Хаббл. Сендидж отметил, что Хаббл и Гринстейн так и не стали близкими коллегами и их отношения всегда оставались холодными.
Летом 1949 года Хабблу для работы на Маунт Вилсон понадобился студент. Он обратился с этим вопросом к Гринстейну и тот порекомендовал ему Сендиджа. Таким образом, с начала 1950 года Алан Сендидж стал сотрудником Хаббла. Свои воспоминания о том времени Сендидж закончил вопросом: «Кого бы Гринстейн послал к Хабблу, если бы они были друзьями?».