Устройство Мира волнует любого думающего человека, необязательно глубоко понимающего современную физику, а быстрое накопление знаний дает такой объем информации, что ее уже не способен осмыслить и узкий специалист. Поэтому имеет смысл обсудить, что же именно открыто в космологии.
В этом очерке я постараюсь осветить лишь небольшую часть затронутой обширной темы о расширении Вселенной. Я буду опираться только на известные (и понятные мне) факты.
“Равнодушной природе” безразличны человеческие страсти, связанные с приоритетами открытий. Она живет по своим законам, которые пытается открыть человеческая наука. Сами законы гораздо важнее истории их открытия. Моя цель в этом очерке не написать строгое справочное или учебное пособие, а побудить заинтересованного читателя к изучению других доступных источников. Ведь мы живем в очень волнующую эпоху — открытие нашей Вселенной еще не состоялось: оно происходит на наших глазах.
2. Раздвигание границ
После Аристарха Самосского (конец IV — первая половина III века до н. э.), одним из первых поместившего Солнце в центр мира , после Николая Коперника и Джордано Бруно, первым сформулировавшего “космологический принцип” — он первым предположил, что другие звезды сделаны из той же субстанции, что и наша Земля, — границы Солнечной системы и познанной Вселенной постоянно раздвигались.
Так продолжалось до 1920-х годов, когда физики стали всерьез обсуждать на основе общей теории относительности (ОТО) различные модели вселенных, в том числе и модели вселенной, конечной по объему. Любопытно, что в это время еще не были известны даже по порядку величины размеры Млечного Пути и не было твердо установлено, существуют ли вне его другие галактики. Первыми общерелятивистские (основанные на ОТО) модели Вселенной создали Альберт Эйнштейн, Виллем де Ситтер и Александр Фридман.
Размеры орбит планет в Солнечной системе были вычислены достаточно точно уже в XVIII веке. Для этого фактически требовалось измерить только среднее расстояние от Земли до Солнца — астрономическую единицу. Формы орбит планет и комет, законы Кеплера и Ньютона были установлены еще раньше. Движение околосолнечных небесных тел относительно друг друга можно было неплохо предсказывать, если пользоваться системой астрономических единиц для расстояний и периодом обращения Земли вокруг Солнца для времени. А вот в абсолютных размерах орбит можно было и сильно ошибаться. Положение тел на небесной сфере для наблюдателя от этой ошибки почти не зависело.
Поначалу дело было плохо с Луной — казалось, она не хочет подчиняться закону всемирного тяготения Ньютона. Были даже предложения исправить закон обратных квадратов Ньютона для малых расстояний, чтобы объяснить движение Луны. Но оказалось, что правильный учет возмущающей гравитации Солнца и планет, учет несферичности и деформаций Земли позволяют все объяснить. Теория движения Луны по Ньютону развивалась с XVIII по XX век, небольшие поправки были внесены уже с учетом ОТО.
Что же узнали астрономы о размерах Галактики и нашем положении в ней к 1920-м годам? Уже в XIX веке начали аккуратно измерять расстояния и обнаруживать собственные движения близких звезд (представление о сфере неподвижных звезд давно исчезло). Тогда сложилось представление, что наше Солнце расположено близко к центру Галактики. И только к 1920 году Харлоу Шепли правильно указал, что центр Галактики находится в направлении созвездия Стрельца, вокруг которого скучивались шаровые звездные скопления. Шепли далеко отодвинул Солнце от центра Галактики. Сейчас мы знаем, что до центра немногим больше 20 тысяч световых лет, и Шепли значительно завысил это расстояние. Но большинство астрономов в 20-е годы считали, что полный поперечник нашей Галактики в несколько раз меньше — порядка 8 тысяч световых лет (причем Солнце полагали вблизи центра Галактики).
26 апреля 1920 года в Национальной академии наук США в Вашингтоне состоялся исторический диспут между Шепли и Хебером Кертисом — “Великий спор”. Кертис отстаивал малую шкалу расстояний в Галактике, а Шепли — большую. Тогда никто никого не убедил. Только в 1930-е годы стало ясно, что Шепли в этом вопросе (и главное — в положении Солнца вдали от центра Млечного Пути) был прав. Это удалось выяснить, когда астрономы (Линдблад, Оорт) разобрались в асимметрии звездных движений вокруг нас и поняли, как вращается Галактика.
Но Шепли ошибся в другом — он упорно считал спиральные туманности, такие как М31 (Туманность Андромеды), маленькими газовыми образованиями, лежащими внутри Галактики или рядом с ней. А Кертис упорно доказывал, что эти спирали — такие же звездные миры, как Млечный Путь, и оказался прав (только размер галактик он значительно занижал).
Мы можем представить картину той маленькой стационарной Вселенной, модель которой пытался строить Эйнштейн еще до 1920 года, и сопоставить с реальностью, о которой мы знаем теперь: наблюдаемые масштабы изменились в миллионы раз и родилось понятие нестационарной Вселенной.
3. Красное смещение в космологии
В марте 2008 года в “Успехах физических наук” появилась статья А. Д. Чернина “Темная энергия и всемирное антитяготение” (ниже я ссылаюсь на нее как на АДЧ ). Я буду часто цитировать эту статью (а иногда и полемизировать с ней), чтобы пояснить читателю, о чем идет речь в современной космологии.
АДЧ: “Скорости разбегающихся галактик и расстояния до них в расширяющейся Вселенной измеряют уже почти сто лет”.
Откуда мы знаем скорости и расстояния до галактик, откуда мы знаем, что галактики “разбегаются”? Александр Фридман в 1922 году оценил возраст нашей Вселенной в 10 миллиардов лет, и эта оценка оказалась близкой к современным представлениям: сегодня мы оцениваем возраст Вселенной в 13 миллиардов лет. Значит, за сотню лет точных астрономических наблюдений какие-то расстояния могли измениться лишь на одну стомиллионную. Но приборов такой точности пока нет, и вряд ли они когда-нибудь появятся. Пока расстояния в космологии измеряют с точностью до нескольких процентов, то есть в миллионы раз хуже, чем нужно для прямой проверки разбегания галактик.
Реально мы наблюдаем только смещение линий в спектрах галактик . Из лабораторных опытов еще в XIX веке физики узнали, что при быстром удалении источника света (а позже радиоволн, гамма-лучей и любого электромагнитного сигнала) длина волны увеличивается: свет сдвигается в красную часть спектра. Наоборот, при сближении приемника с источником длины волн уменьшаются, свет сдвигается к фиолетовой части спектра. Теорию этого явления создал австрийский физик Кристиан Доплер. Этот эффект можно показать на основе аналогии с лодкой, движущейся по волнам: в системе отсчета, связанной с лодкой, частота волн увеличивается, если лодка движется навстречу волне, и уменьшается, если лодка движется в ту же сторону, в которую бегут волны.
Известен анекдот про физика (кажется, это был Роберт Вуд — чародей физической лаборатории), который проскочил светофор на красный свет и объяснил полицейскому, что из-за большой скорости красный свет показался ему зеленым вследствие эффекта Доплера. Конечно, это шутка; чтобы эффект оказался столь сильным , скорость должна быть в сотню тысяч километров в час.
В 1912 году Весто Слайфер начал постоянные наблюдения спектров галактик на телескопе в Аризоне. Он сделал замечательное открытие: спектральные линии большинства галактик смещены в красную сторону спектра. Если это красное смещение связано со скоростью, то оно указывает, что эти галактики удаляются от Млечного Пути. (Необходимо заметить, что на самом деле это не так для нескольких соседних с Млечным Путем галактик. Например, спираль M31 — Туманность Андромеды — имеет синее смещение. Слайфер, конечно, обратил на это внимание, но он увидел, что большинство галактик удаляется.)
В 1929 году Эдвин Хаббл (Hubble), работавший на новом в тот момент 100-дюймовом (около двух с половиной метров) телескопе на горе Маунт- Вилсон в Калифорнии, сделал еще одно открытие. Он сумел оценить расстояния до галактик и увидел, что чем дальше галактика, тем больше ее красное смещение, — это так называемый закон Хаббла. Сегодня график зависимости красных смещений объектов от их расстояний называют диаграммой Хаббла.
Если придерживаться исторической справедливости, то необходимо признать, что первым этот закон на восемь лет раньше открыл немецкий астроном Карл Вирц (Carl Wirtz, 1876 — 1939). Ученик Хаббла Алан Сандидж (Alan Sandage) назвал Вирца “европейским Хабблом без телескопа”. Вирц был настоящим пионером наблюдательной космологии и в 1921 году по данным для 29 спиральных галактик обнаружил, что чем дальше галактика, тем больше ее красное смещение (его статья опубликована в июне 1922 года в “Astronomische Nachrichten”, т. 215, стр. 349). К сожалению, из-за трудностей, которые испытывала наука в Германии в то время, его исследования не получили поддержки. В 1936 году, когда Хаббл был уже прославлен на весь мир, Вирц сделал отчаянную попытку напомнить о своем приоритете в журнале “Zeitschrift fu#r Astrophysik”, но ничего из этого не вышло, и он был практически забыт.
