Бог и Мультивселенная. Расширенное понятие космоса - Виктор Стенджер

Реальность, созданная Хабблом

Одиннадцатого сентября 1919 года благодаря неустанным усилиям Джорджа Эллери Хейла на горе Вилсон заработал 100-дюймовый телескоп-рефлектор. Неделю спустя в обсерватории появился новый сотрудник, Эдвин Хаббл, во время Первой мировой войны служивший капитаном, но не участвовавший в боях. В 1923 году он занимался исследованием туманностей при помощи обоих телескопов, имеющихся в его распоряжении (60- и 100-дюймового), и обратил особое внимание на NGC 6822, туманность в созвездии Скорпиона, которая напоминает Большое Магелланово Облако.

Хаббл обнаружил в NGC 6822 пять переменных звезд и попросил Шепли из Гарварда проверить этот объект на пластинках из своей коллекции. Исходя из наблюдаемой светимости ярчайших звезд NGC 6822, Шепли определил, что она находится примерно в 1 млн. световых лет от нас. Он признал, что это «вероятно, находится за пределами Галактики», однако эта туманность не была спиральной, так что Шепли продолжал настаивать на том, что спиральные туманности «не состоят из звезд и по размеру не соответствуют галактикам»{113}.

Хаббл обнаружил в NGC 6822 одиннадцать цефеид и с их помощью определил, что расстояние до этой галактики — 700 тыс. световых лет. Однако величайшее открытие, принесшее ему мировую славу, он сделал в начале 1924 года, когда обнаружил цефеиду в галактике Андромеды и определил, что она находится на расстоянии 900 тыс. световых лет от нас. Хаббл написал Шепли письмо, а тот, получив его, сказал коллеге: «Вот письмо, разрушившее мою Вселенную»{114}.

На самом деле в 1922 году эстонский астроном Эрнст Эпик опубликовал более точное значение расстояния до Андромеды, полученное новым методом: он использовал вращательную скорость галактики, которая зависит от ее массы, и предположил, что светимость галактики пропорциональна ее массе. Его оценка составила 1,5 млн. световых лет, в то время как Хаббл получил результат 900 тыс. световых лет. Это было несколько ближе к современному значению, равному 2,5 млн. световых лет.

Однако Шепли какое-то время играл роль адвоката дьявола, причем такая позиция идеально подходила главному эксперту, поддерживающему противоположную теорию. Когда совершаются новые научные открытия, для людей, работающих на передовой науки, они не всегда очевидны, и Хаббл вел себя таким же образом, проявляя большую осторожность и консерватизм.

Тем временем Хаббл женился на дочери богатого банкира из Лос-Анджелеса, и молодая пара отправилась в трехмесячное свадебное путешествие, включающее тур по Европе.

По возвращении Хаббл занялся исследованием других туманностей, в частности прекрасной спиральной туманности М33 в созвездии Треугольника, расположенной плашмя по отношению к наблюдателю. В ней он обнаружил 22 цефеиды, благодаря которым установил, что эта туманность находится на расстоянии не менее 1 млн. световых лет от нас. Измерение периодов всех этих переменных звезд во времена, когда не было не то что компьютеров, но даже обычных карманных калькуляторов, было утомительно и сложно. Кроме того, Хаббла беспокоили результаты измерений спиральных туманностей, полученные его старшим коллегой ван Мааненом в обсерватории «Маунт-Вилсон». Если бы они были верны, спиральные туманности не могли бы находиться за пределами нашей Галактики. Поэтому Хаббл не очень стремился оглашать свои результаты публично или высказывать сомнения касательно выводов ван Маанена.

Однако результаты Хаббла скоро стали известны всему миру благодаря развитой системе связи между астрономами, уже тогда весьма эффективной (сегодня они могут обмениваться сообщениями мгновенно). Даже в «Нью-Йорк таймс» что-то прослышали, и 23 ноября 1924 года она вышла с заголовком: «Доктор Хаббелл [sic] подтверждает — существуют “островные вселенные”, подобные нашей»{115}.

Несмотря на сомнения Хаббла, астрономическое сообщество серьезно отнеслось к полученным им результатам, поскольку они основывались на методе, имевшем к тому моменту серьезный базис, — на шкале расстояний по цефеидам. Ошибку ван Маанена в конце концов установили, в его методах расчета были найдены изъяны. Хаббл получил премию 1000 долларов от Американского общества содействия развитию науки, разделив ее с паразитологом Сэмюэлом Кливлендом, который обнаружил простейших в пищеварительном тракте термитов{116}. Хаббл опубликовал свои результаты в 1925 году в «Публикациях Американского астрономического общества»{117}.

Шепли сожалел о своем уходе в Гарвард. Он считал, что мог бы сделать то же открытие, что и Хаббл, если бы только остался в обсерватории «Маунт-Вилсон». Но в конце концов он великодушно заметил, что Хаббл заслужил свою славу и был «великолепным исследователем, лучшим, чем я»{118}.

Хаббл, однако же, считал результаты ван Маанена пятном на своем великом открытии и испытывал к нему все нарастающую личную неприязнь, поскольку они продолжали работать в одной обсерватории. Ван Маанен ограничился тем, что неохотно признал существование некоторых ошибок в расчетах, и пообещал довести работу до конца. Но так этого и не сделал{119}.

Глава 8.

ДИНАМИЧЕСКИЙ КОСМОС

Релятивистская космология

Даже если бы достижения Эдвина Хаббла ограничивались убедительным доказательством того, что Вселенная простирается далеко за пределы Млечного Пути и что помимо нашей Галактики существует множество других, он вошел бы в историю. Но ему удалось обессмертить свое имя еще раз, когда он доказал, что большинство галактик удаляются от Земли со скоростями, возрастающими в линейной зависимости от расстояния до них (по крайней мере, именно об этом свидетельствовали новейшие данные тех времен).

Еще в 1912 году Весто Слайфер на основании смещения спектральных линий сделал вывод о том, что спиральные туманности удаляются от нас или, как Андромеда, приближаются к нам с невероятно огромными скоростями. Хотя этот факт и не доказывал непосредственно, что они лежат за пределами нашей Галактики, он стал одним из первых свидетельств того, что Вселенная не ограничивается Млечным Путем.

Именно в этот период истории теория и эксперимент начали объединяться, хотя немногие теоретики имели представление об экспериментальных данных и мало кто из экспериментаторов что-то смыслил в теории. Как мы узнали из главы 6, Эйнштейн добавил в свое гравитационное уравнение новую величину — космологическую постоянную, чтобы ввести понятие гравитационного отталкивания. Он понимал, что оно необходимо для стабилизации Вселенной, ведь в противном случае звезды сталкивались бы друг с другом.

В 1917 году Эйнштейну удалось найти решение своего уравнения, согласно которому Вселенная представляет собой ограниченную в пространстве (замкнутую) статичную четырехмерную гиперсферу{120} (рис. 8.1). Такую модель иногда называют цилиндрической Вселенной, поскольку, если убрать одно из пространственных измерений, такая Вселенная в каждой заданной точке пространства будет представлять собой круг, а с учетом оси времени — пространственно-временной цилиндр.

Стоит отметить, что, хотя модель Эйнштейна формально и была статичной, она была нестабильной, подобно камню на вершине горы. Мельчайшее изменение одного из параметров модели, к примеру космологической постоянной или плотности вещества, приведет к тому, что Вселенная будет расширяться бесконечно или же, наоборот, резко схлопнется.

В том же 1917 году нидерландский астроном Биллем де Ситтер (1872–1934) доказал, что существует еще одно статическое космологическое решение уравнения Эйнштейна, при котором во Вселенной нет материи, но есть только энергия, заключенная в космологической постоянной{121}. Эта модель изображена на рис. 8.2. В решении Эйнштейна гравитационное притяжение массы во Вселенной полностью уравновешивается отталкиванием, заключенным в космологической постоянной. В модели де Ситтера нет ни вещества, ни излучения — только космологическая постоянная, заданная ею положительная пространственная кривая и гравитационное отталкивание, под воздействием которого Вселенная экспоненциально расширяется.

Рис. 8.1. Статическая Вселенная Эйнштейна. Четырехмерная гиперсфера, изображенная в трехмерной системе координат (убрано одно из пространственных измерений), из-за чего она принимает вид цилиндра. У нее нет ни начала, ни конца. Авторская иллюстрация

Разумеется, можно возразить, что расширяющаяся Вселенная никак не может быть статической. Мир де Ситтера называют статическим, потому что он расширяется и всегда будет расширяться равномерно экспоненциально. В этой модели плотность энергии постоянна, поскольку Вселенная расширяется и общая внутренняя энергия со временем увеличивается. Закон сохранения энергии при этом не нарушается, поскольку внутреннее давление, соответствующее космологической постоянной, отрицательно. Если рассматривать эту модель Вселенной как термодинамическую систему, она работает сама на себя.