13,8. В поисках истинного возраста Вселенной и теории всего - Джон Гриббин

Когда в конце 1928 года Хаббл поручил Хьюмасону измерять красные смещения, тот не слишком обрадовался. Ему пришлось получать фотографии спектров (а это намного сложнее, чем просто фотографировать галактики) при большой выдержке в обжигающем холоде гористой местности. Зима была оптимальным временем для подобной работы, поскольку ночи в это время самые долгие и морозные, а купол телескопа не должен нагреваться, чтобы колебания теплого воздуха не мешали видимости. Хотя телескоп был оборудован механизмом для автоматического отслеживания движения объектов по небу по мере вращения Земли, это устройство было несовершенно: наблюдателю приходилось постоянно сидеть за большим телескопом и, ориентируясь на маленький телескоп наведения, подстраивать механизм, чтобы он всегда был нацелен в нужную область неба. Даже при этих условиях для получения детального снимка, необходимого Хьюмасону, одной ночи не хватало. В конце наблюдения, пока еще темно, пластинку надо было вынуть из спектрографической камеры и поместить в светонепроницаемый футляр, а на следующую безоблачную ночь так же, в темноте, снова вставить ее в камеру, направить телескоп в точности на то же самое место и снова погрузиться в кропотливую работу, требующую постоянного напряжения глаз и адаптации к холоду. Как бы Хьюмасон ни ненавидел этот процесс, он был отличным наблюдателем и никто не справился бы лучше него. Он стал измерять красные смещения тусклых галактик, не различимых телескопом Слайфера.

А Хаббл в это время измерял расстояния – сначала до галактик, красные смещения которых уже изучил Слайфер. Хабблу удалось измерить методом цефеид расстояния до шести из них и использовать полученные данные для доказательства того, что самые яркие звезды в этих галактиках были почти равны по блеску. Это дало ему возможность оценить расстояния до более удаленных галактик (где нельзя было различить цефеиды), предположив, что и в них самые яркие звезды обладают той же средней яркостью (абсолютной величиной), и определяя дистанцию до них по видимому блеску. Так удалось получить еще четырнадцать расстояний, всего двадцать. Из этого списка он вывел среднюю яркость для галактики и с ее помощью оценил примерные расстояния еще до четырех. К 1929 году был сформирован список из двадцати четырех галактик, красные смещения двадцати из которых измерил Слайфер, а четырех – Хьюмасон. Хабблу было этого достаточно, чтобы опубликовать свое знаменитое открытие: расстояние от нас до галактики находится в точной пропорции со скоростью, высчитанной на основе ее красного смещения. Эта пропорция получила название закона Хаббла. Он представил его в выпуске «Трудов Национальной академии наук США», но с одним принципиальным изменением.

Хотя в работе Хаббла от 1929 года труд Слайфера не упоминается (что само по себе поразительно и, безусловно, сделано умышленно; историк Дон Лаго утверждает, что «в молчании Хаббла нет ничего случайного», а Шепли описывал Эдвина как «до абсурда тщеславного и напыщенного»{22}), он вычел из подсчитанных скоростей 700 км в секунду – скорость нашего «дрейфа сквозь космос», открытого Слайфером. Оставшиеся скорости показывали, что на каждые 500 км в секунду приходится расстояние в миллион парсек (1 мегапарсек, или Мпк), на 1000 км в секунду – 2 Мпк и так далее. Этот коэффициент – 500 км в секунду на 1 Мпк – прославился как постоянная Хаббла (Н), а его точное значение стало предметом горячих дискуссий на годы и десятилетия. Однако важно отметить и еще один момент: хотя красное смещение измеряется в единицах скорости (км в секунду), Хаббл нигде не упоминает, что эти смещения представляют собой результат доплеровского эффекта. Он хотел использовать их просто как индикаторы расстояний и в 1929 году даже сказал в интервью газете Los Angeles Times, что «в реальность этих скоростей трудно поверить».

После опубликования закона Хаббла и вычисления постоянной Хаббла ее стало возможно использовать для измерения расстояния до любой галактики, чье красное смещение поддавалось анализу. В отдельной статье, опубликованной параллельно с работой Хаббла, Хьюмасон сообщил, что наиболее значительное красное смещение на тот момент обнаружено у галактики NGC 7619, расположенной в направлении созвездия Пегаса. Данные о ней собирались несколько ночей, в течение 33 часов, а дополнительная обработка заняла еще 45 часов. В результате было получено красное смещение, соответствующее скорости 3779 км в секунду, что более чем вдвое превышает самое большое смещение, полученное Слайфером, и соответствует расстоянию примерно в 8 Мпк, или более чем 25 млн световых лет. Вследствие этого прорыва владельцы Маунт-Вилсоновской обсерватории решили выделить средства на усовершенствованный спектрограф, который наряду с изобретением более чувствительных фотопластинок позволил Хьюмасону продвинуться еще дальше во Вселенную и несколько упростить себе работу. За следующие два года удалось проанализировать еще 40 галактик и обнаружить среди них удаленные от нас на 100 млн световых лет. И за все это, как показывают названия закона и постоянной, слава досталась Хабблу, хотя красные смещения первым открыл Слайфер, а заслуга наиполнейшего для того времени использования этого открытия принадлежит Хьюмасону. Но что все это должно было означать? Фактически (Хаббл не мог этого не знать) к 1928 году уже имелись теоретические основания для предположения, что Вселенная расширяется или, по крайней мере, что красное смещение и расстояние взаимосвязаны.

Русская революция

Эйнштейн разработал общую теорию относительности в конце 1915 года и почти сразу же применил ее для создания математической модели Вселенной. Это был не такой громадный прыжок в науке, как может показаться, поскольку общая теория описывает взаимодействие между пространством, временем и материей и, строго говоря, применима только к полному набору этих элементов – Вселенной. При попытке применить ее для описания части Вселенной[150], например природы орбиты Меркурия вокруг Солнца, получается что-то приблизительное, хотя и точное настолько, насколько нужно исследователю. Эйнштейн опубликовал свою прорывную космологическую работу под названием «Вопросы космологии и общая теория относительности» в 1917 году. Он находился под сильным влиянием общепринятого тогда воззрения, что вся Вселенная есть Млечный Путь, а также видимого факта, что звезды Млечного Пути движутся относительно мало и бессистемно, не образуя входящего или исходящего потока. Он склонялся к идее, что Вселенная замкнута аналогично поверхности Земли или иной сферы, которая, как известно, имеет конкретную площадь поверхности, но не имеет конца. Сферическая вселенная обладает конечным объемом, но не имеет границ: направившись в любую сторону по прямой, вы в конце концов обогнете ее и вернетесь в исходную точку.

Однако здесь есть затруднение. Такая замкнутая вселенная должна сужаться, поскольку вся материя в ней притягивается друг к другу по закону всемирного тяготения, это соответствует как закону Ньютона, так и общей теории относительности. Поэтому Эйнштейн добавил к своим уравнением дополнительный элемент, названный космологической константой и обозначенный буквой греческого алфавита – лямбдой (Λ), который означал некую «упругость» пространства, компенсировавшую гравитацию. В результате получилась математическая модель замкнутой сферической вселенной, содержащей материю, но стабильной, о чем, по мнению Эйнштейна, свидетельствовали небольшие скорости звезд.

В 1916 году, формулируя свои идеи, Эйнштейн обсуждал их с голландским астрономом Виллемом де Ситтером, который вскоре издал собственные размышления на ту же тему. Голландия соблюдала нейтралитет в Первой мировой войне, так что новости от Эйнштейна без серьезных преград добирались из Германии до де Ситтера, а затем – к английским друзьям, в частности к Артуру Эддингтону. Де Ситтер опубликовал свою работу в ежемесячных «Заметках Королевского астрономического общества». Это привлекло внимание англоязычных астрономов к прорыву Эйнштейна, но также показало, что идея богаче, чем думал автор. Де Ситтер обнаружил, что уравнения общей теории относительности также могут использоваться для описания стабильной, но пустой вселенной – космоса, не содержащего материи. Такая вселенная не сжималась бы по причине отсутствия вызывающей гравитацию материи. Для нее космологическая постоянная была не нужна, но при желании ее можно было использовать. Де Ситтер, однако, хотел узнать, не может ли оказаться, что наша Вселенная настолько велика, что даже можно пренебречь наличием в ней звезд и считать пригодной для ее описания модель пустой вселенной. Он внес в пустую вселенную математический эквивалент небольшого количества материи («пробные частицы») и пришел к неожиданному выводу. Если эти частицы излучали свет, то длина его волн растягивалась по мере удаления от частиц; как выразился сам де Ситтер, «частота световых вибраций уменьшалась». Эта форма красного смещения, являющаяся свойством пространственно-временного континуума во вселенной де Ситтера, не является эффектом Доплера, и из нее не следует, что Вселенная расширяется. Но де Ситтер знал о работе Слайфера и стал одним из первых астрономов, поддержавших идею о том, что спиральные туманности находятся на большом расстоянии от Млечного Пути. Эйнштейн был озадачен и написал де Ситтеру, что не может осмыслить происходящее. Но худшее (или с современной точки зрения лучшее) было еще впереди: обнаружилось, что возможных моделей вселенных может быть несколько.