Земля и космос. От реальности к гипотезе
Шрифт:
Однако объяснение через «усталый свет» (как его стали называть) имеет свои трудности. Если не нарушать закона сохранения энергии, который ученые защищают особенно рьяно, можно предположить, что, когда свет постепенно теряет свою энергию, ее приобретает что-то другое. Но до сих пор астрономам не удалось обнаружить, каким способом энергия света может, проходя между галактиками, измениться таким образом, чтобы получилось наблюдаемое красное смещение. Нужного получателя энергии нет. (К примеру, стоящие на пути света молекулы будут поглощать протон из падающего на них света, но не обязательно «переизлучат» протон с меньшей энергией в том же самом направлении, в котором двигался протон поначалу. Газ и пыль будут поглощать или рассеивать свет, но не будут делать чего-либо еще, а это «что-либо еще» обязательно требуется для того, чтобы мы наблюдали свет.)
Кроме того, потери энергии светом были бы заметны не только в виде смещения в красную сторону в свете галактик — их можно было бы найти при наблюдениях внутри нашей Галактики, а этого нет.
Таким образом, гипотеза «усталого света» оказалась несостоятельной как в теории, так и в наблюдениях, и ее пришлось (с неохотой) отбросить — по крайней мере до появления новых фактов.
Но произошло следующее. В 1916 году Эйнштейн выдвинул общую теорию относительности, в которой было положение, что свет, движущийся против гравитационного поля, теряет энергию (что не противоречит закону сохранения энергии). Свет, идущий от любой звезды, движется против поля тяготения, так что он покажет гравитационное смещение в красную сторону.
Тогда может быть такое, что красное смещение галактик является по происхождению гравитационным?
Ответ дать было трудно, поскольку при обыкновенных обстоятельствах это смещение столь мало, что его не замечали. Чтобы смещение можно было различить, требовалось не только очень большое гравитационное поле — оно должно было иметь большую плотность. А поле достаточно большой плотности могло иметь только большое количество материи, заключенной в малый объем, к примеру белые карлики.
Тогда предположим, что смещение в красную сторону света отдаленных галактик имеет гравитационное происхождение и говорит об их невероятной плотности. Но даже если сделать такое предположение, то возникает новый вопрос: если объяснять красное смещение увеличением плотности галактик по мере их удаления от нас, то почему именно Земля является центром, от которого происходит увеличение плотности галактик?
Приходится снова вернуться к скорости удаления галактик как к единственному разумному объяснению красного смещения и странной связи между скоростью и расстоянием от нас.
Хаббл справился с этой задачей. Он перебрал все возможные методы определения относительных расстояний до галактик. Среди самых ближайших довольно просто различить группу пульсирующих звезд под названием цефеиды. Из их скорости пульсаций и видимой яркости можно определить относительные расстояния до них (и, таким образом, относительные расстояния до содержащих их галактик).
В более отдаленных галактиках таких звезд, как цефеиды, нет — зато есть несколько исключительно ярких звезд. Предположим, что существует какой-то предел свечения и что самая яркая звезда в каждой галактике находится на этом пределе. Предположим также, что все галактики в целом имеют примерно равное свечение. В этом случае можно определить относительные расстояния до содержащих эти звезды галактик.
Наконец, где галактики слишком далеки, чтобы были заметны отдельные звезды, можно предположить, что из их общей яркости также можно определить относительные расстояния до них.
Так были определены относительные расстояния, и как оказалось, скорость удаления имеет прямое отношение к расстоянию между нами и галактиками, как это было определено в свое время по красному смещению. Об этой зависимости Хаббл объявил в 1929 году. Она получила название закон Хаббла. Если галактика А в xраз дальше от нас, чем галактика В, то галактика А удаляется от нас в xраз быстрее, чем галактика В.
Неожиданно астрономы получили очень мощное средство (если, конечно, закон Хаббла правилен) для измерения расстояний до самых дальних видимых объектов. Как только расстояния до ближайших галактик можно было измерить каким-нибудь методом (любым, за исключением метода красного смещения), тогда сразу становились известными и расстояния до более удаленных галактик в этом направлении.
В 1950-х годах с помощью 200-дюймового телескопа были определены галактики, которые размещались на удалении в 1,5 миллиарда световых лет. В 1960-х были открыты квазары, которые располагались от нас на удалении 8–9 миллиардов световых лет, в то время как край наблюдаемой Вселенной, как было вычислено, располагается на расстоянии в 12,5 миллиарда световых лет.
Но мы все еще не нашли ответа, какая связь существует между расстоянием и скоростью удаления.
Этот ответ пришел из общей теории относительности Эйнштейна. Для нее Эйнштейн выработал набор «уравнений поля», которые описывают общие свойства Вселенной (это стало началом современной космологии). Эйнштейн решил уравнения поля для статичной Вселенной тем, что сделал постоянной общую плотность материи.
Однако в 1917 году голландский астроном Виллем де Ситтер отметил, что возможно и другое решение, при котором общая плотность материи Вселенной постоянно уменьшается со временем.
Чтобы понять такое постоянное уменьшение общей плотности, нужно предположить, что Вселенная состоит из частиц постоянной плотности, которые всегда движутся друг от друга с постоянной скоростью. Тогда Вселенная будет состоять из неизменных частиц и все увеличивающегося пространства, из-за чего общая плотность будет уменьшаться.
Де Ситтер исследовал такую возможность как чисто теоретическую, но, когда Хаббл создал свой закон, довольно скоро стало ясно, что этот закон совпадает с предположением де Ситтера.
Во Вселенной отдельные галактики могут рассматриваться как ее части. Галактики сохраняют свою форму благодаря взаимному притяжению составляющих их звезд, так что общая плотность в пределах галактики со временем не изменяется. Многие галактики, находящиеся относительно близко друг к другу, могут притягиваться гравитационными силами, так что общая плотность внутри некоторого набора галактик будет оставаться неизменной. Когда речь пойдет о галактиках в последующих главах, имейте в виду, что я буду касаться изолированных галактик или гравитационно связанных наборов галактик.
Если галактики постоянно движутся в разные стороны, общая плотность материи во Вселенной постоянно уменьшается. Тогда Вселенную следует назвать «расширяющейся Вселенной».
В постоянно расширяющейся Вселенной наблюдатель одной из галактик будет видеть все другие галактики удаляющимися. Следовательно, легко доказать (хотя я и не буду этого здесь делать), что в такой Вселенной закон Хаббла должен соблюдаться. Чем дальше наблюдаемая галактика от наблюдающей, тем быстрее становится скорость удаления наблюдаемой галактики от той, где находится наблюдатель.