В конце концов идея Большого взрыва была воспринята не из-за новой теоретической работы, а из-за новых измерений. Когда Эдвин Хаббл убедился в существовании других галактик, следующим естественным его шагом стало изучение их распределения в пространстве и движения. Как правило, довольно легко измерить скорость, с которой объект приближается к вам или удаляется, поскольку это движение вызывает сдвиг линий в спектре. Красный свет имеет наименьшую частоту среди всех цветов радуги, и если галактика удаляется от нас, все ее спектральные линии будут испытывать красное смещение, то есть сдвигаться ближе к красному концу спектра, и чем выше ее скорость, тем сильнее будет это смещение. Если же галактика приближается, то ее цвета, напротив, будут испытывать голубое смещение к более высоким частотам.
Если бы галактики просто беспорядочно двигались в пространстве, то примерно половина из них имела бы красное смещение, а остальные – голубое. К удивлению Хаббла, почти все изученные им галактики имели красное смещение. Почему они разбегаются от нас? Они нас не любят? Мы что-то не то сказали? Вдобавок Хаббл открыл, что чем больше расстояние d, тем выше скорость v, с которой галактика удаляется от нас. Это выражается формулой v = Hd, которую сейчас называют законом Хаббла. Здесь H – постоянная Хаббла, которую сам Хаббл в эпохальной статье 1929 года скромно обозначил буквой K. Интересно, что Жорж Леметр в своей незамеченной статье 1927 года показал, как из решения, описывающего расширяющуюся Вселенную, вытекает закон Хаббла: если все в мире расширяется, удаляясь от всего прочего, то и далекие галактики разбегаются от нас согласно именно такому закону.
Если галактика радиально удаляется, значит, раньше она находилась очень близко. Давно ли это было? Глядя на автомобиль, удирающий после ограбления банка, можно, разделив пройденное расстояние на скорость, оценить, как давно он отъехал от банка. Если сделать это для удаляющихся галактик, закон Хаббла дает одинаковый ответ – d/v = 1/H – для всех них. Современные измерения дают оценку этой величины 1/H ≈ 14 млрд лет, то есть открытие Хаббла свидетельствует, что около 14 млрд лет назад имело место нечто весьма впечатляющее – огромное количество материи было сжато до очень высокой плотности. Чтобы получить более точный ответ, нужно принять во внимание ускорение (замедление, равномерное движение) автомобиля (Вселенной) с момента оставления места преступления. Мы, делая сейчас расчеты с применением уравнения Фридмана и данных современных измерений, обнаруживаем, что требуется очень незначительная, на несколько процентов, корректировка: после Большого взрыва наша Вселенная примерно половину времени замедлялась, а остальное время ускорялась, так что соответствующие поправки примерно компенсируют друг друга.
Что означает расширение Вселенной?
После того как были опубликованы измерения Хаббла, они убедили даже Эйнштейна: наша Вселенная официально стала расширяющейся. Но что означает расширение Вселенной? Здесь мы подходим еще к четырем вопросам, сформулированным в начале гл. 2.
Вопрос первый: действительно ли галактики удаляются от нас – или это пространство расширяется? Весьма удобно, что теория гравитации (общая теория относительности) Эйнштейна считает эти две точки зрения эквивалентными и в равной мере правильными (рис. 3.2), так что думайте об этом так, как вам кажется более естественным[8].
Согласно первой точке зрения, пространство не меняется, а галактики движутся сквозь него, как шоколадные крошки на поднимающейся сдобной булке под действием добавленного в тесто разрыхлителя. Все галактики (шоколадные крошки) удаляются друг от друга, и чем больше расстояние между ними – тем быстрее. В частности, если вы встанете на конкретную крошку (галактику), вы увидите, что движение всех остальных относительно нее подчиняется закону Хаббла: все они удаляются от вас радиально, и с увеличением расстояния вдвое их скорость также удваивается. Примечательно, что все выглядит совершенно одинаково независимо от того, с какой шоколадной крошки (галактики) вести наблюдение, так как если у распределения галактик нет границы, то расширение не имеет центра – оно кажется одинаковым отовсюду.
Согласно второй точке зрения, пространство подобно тесту сдобной булки: оно расширяется так, что шоколадные крошки относительно теста неподвижны, а галактики не двигаются сквозь пространство. То есть можно считать галактики покоящимися в пространстве (рис. 3.2, справа), при этом все расстояния между ними изменяются. Это все равно, что поменять отметки на воображаемых линейках, соединяющих галактики, сделав их из миллиметровых сантиметровыми, отчего все межгалактические расстояния станут в 10 раз больше прежних.
Это дает ответ еще на один вопрос: не нарушают ли галактики, удаляющиеся быстрее света, теорию относительности? Закон Хаббла v = Hd говорит, что галактики будут удаляться от нас быстрее скорости света c, если расстояние до них больше c/H ≈ 14 млрд световых лет, и у нас нет оснований сомневаться, что такие галактики существуют. Не противоречит ли это утверждению Эйнштейна о том, что никакой объект не может двигаться быстрее света? Ответ – и да, и нет. Это нарушает специальную теорию относительности 1905 года, но не противоречит общей теории относительности 1915 года, которая стала последним словом Эйнштейна по данному вопросу. Следовательно, все в порядке. Общая теория относительности ослабила световой барьер: если специальная теория относительности утверждает, что никакие два объекта не могут двигаться быстрее света друг относительно друга ни при каких обстоятельствах, то общая говорит, что они не могут двигаться быстрее света друг относительно друга, когда они находятся в одном и том же месте. Однако галактики, удаляющиеся со сверхсветовой скоростью, находятся очень далеко от нас. Если настаивать на том, что пространство расширяется, можно перефразировать это соображение: ничему не позволено двигаться быстрее света сквозь пространство, но само пространство может растягиваться с какой ему угодно скоростью.
Кстати, о далеких галактиках. Я видел газетные статьи, где говорилось о галактиках, отстоящих от нас на 30 млрд световых лет. Если возраст нашей Вселенной всего 14 млрд лет, то как мы видим объекты в 30 млрд световых лет? Каким образом их свету хватило времени, чтобы добраться до нас? Более того, они удаляются от нас быстрее света, что делает абсурдным сам разговор о возможности их увидеть. Ответ в данном случае состоит в том, что мы видим эти далекие галактики не там, где они находятся теперь, а там, где они были, когда испускали свет, который сейчас доходит до нас. Точно так же, как Солнце мы видим таким, каким оно было 8 минут назад, и в том месте, где оно было 8 минут назад, далекие галактики мы можем видеть такими, какими они были 13 млрд лет назад, и в тех местах, где они были тогда, – примерно в 8 раз ближе к Земле, сравнительно с их нынешним положением. Так что свету из таких галактик достаточно пройти сквозь пространство всего 13 млрд световых лет, а разница добирается за счет растяжения пространства. Это похоже на то, как по бегущей дорожке в аэропорту можно пройти 20 метров, сделав всего 10 шагов.
Как расширяется Вселенная?
Не случится ли там, вдали, куда направлено разбегание галактик, какого-нибудь космического ДТП, когда они врежутся в то, что находится там, куда они расширяются? Если наша Вселенная расширяется согласно уравнениям Фридмана, такой проблемы не существует: как показано на рис. 3.2, расширение выглядит одинаково повсюду в космосе, так что подобных проблемных мест быть не может. Если принять ту точку зрения, что далекие галактики удаляются сквозь статическое пространство, причина, по которой они никогда не сталкиваются с более далекими галактиками, состоит в том, что те удаляются еще быстрее: вам не удастся врезаться сзади в разгоняющийся «Порше», если сами вы сидите за рулем ископаемого «Форда-Т». Если же считать, что пространство расширяется, то объяснение состоит просто в том, что его объем не сохраняется. Новости с Ближнего Востока приучили нас к той мысли, что нельзя получить больше места иным путем, кроме как отобрав его у кого-нибудь. Однако общая теория относительности утверждает прямо противоположное: дополнительный объем может быть создан в определенной области между некоторыми галактиками без того, чтобы он расширялся в другие области. Этот объем просто остается между галактиками (рис. 3.2, справа).
Космическая классная комната
Как бы безумно это ни звучало, представление о расширении Вселенной логически последовательно и поддерживается астрономическими наблюдениями. Со времени Эдвина Хаббла подтверждающих эту теорию наблюдений стало гораздо больше благодаря современным технологиям и новым открытиям. Самый фундаментальный вывод состоит в том, что изменениям подвержена вся Вселенная: отодвинув рубеж наших знаний на миллиарды лет, мы обнаружили Вселенную, которая еще не настолько сильно расширилась и поэтому была плотнее и гуще населена. Таким образом, мы обитаем не в скучном статическом пространстве, аксиоматизированном Евклидом, а в динамичном эволюционирующем пространстве, которое пережило своего рода детство и даже, возможно, рождение – около 14 млрд лет назад.
Радикально усовершенствованные телескопы усилили наше зрение настолько, что теперь мы можем непосредственно наблюдать за эволюцией пространства. Представьте, что вы выступаете с презентацией перед большой аудиторией. Внезапно вы замечаете нечто забавное. Ближайший к вам ряд кресел занят людьми примерно вашего возраста. Однако в десятом ряду вы видите лишь подростков. За ними – кучку маленьких детей, а ряд позади них занят младенцами. Вглядываясь во Вселенную, мы видим нечто подобное. Вблизи множество больших, зрелых галактик, похожих на нашу, а очень далеко мы видим в основном маленькие юные галактики, которые не кажутся вполне развитыми. А за ними и вовсе нет галактик, лишь темнота. Поскольку свету требуется больше времени, чтобы прийти издалека, заглядывание на большие расстояния равносильно наблюдению прошлого. Темнота позади галактик – это эпоха до образования всех галактик. В то время пространство было заполнено водородом и гелием в виде газа, тяготение которого еще не успело превратить его сгущения в галактики, а поскольку этот газ прозрачен, как гелий в воздушных шарах, он невидим в телескоп.
Но есть загадка: во время презентации вы неожиданно замечаете, что из-за последнего пустого ряда поступает энергия – задняя стена аудитории не вполне темная, а испускает слабое излучение в виде микроволн! Почему? Мы видим именно такое свечение, когда заглядываем очень далеко во Вселенной.
Откуда приходят микроволны?
Для меня главный урок Ньютона и Фридмана сводится к максиме: «Экстраполируйте смелее». Берите законы физики, как вы их понимаете, применяйте их к еще не исследованным ситуациям и смотрите, не предскажут ли они что-нибудь такое, что можно наблюдать. Ньютон взял законы движения, которые Галилей открыл для Земли, и экстраполировал их на Луну и другие небесные тела. Фридман взял законы движения и гравитации, которые Эйнштейн открыл, опираясь на данные о Солнечной системе, и экстраполировал их на всю Вселенную. Кажется, эта максима должна стать распространенным научным методом. В частности, можно было бы ожидать, что после 1929 года, когда фридмановская идея расширяющейся Вселенной получила признание, ученые по всему миру станут соревноваться друг с другом в систематическом изучении того, что случится, если экстраполировать ее в прошлое. Ну, если вы так подумали, то ошиблись… Как бы ученые ни настаивали, что они заняты рациональным поиском истины, они, как и все люди, имеют слабости: ученые испытывают предубеждения, зависят от чужого мнения и повинуются стадному инстинкту. Чтобы преодолевать эти недостатки, требуется нечто большее, чем просто талант к вычислениям.
Для меня следующим космологическим супергероем, который сделал необходимые выводы, был еще один русский ученый – Георгий Гамов. Научным руководителем его диссертации в Ленинграде был не кто иной, как Александр Фридман. Хотя Фридман умер на втором году совместной работы, Гамов унаследовал как идеи, так и интеллектуальную смелость Фридмана.
Космический плазменный экран
Раз Вселенная расширяется, значит, в прошлом она должна была иметь большую плотность. Но всегда ли она расширялась? Вероятно, нет: работа Фридмана допускает, что когда-то Вселенная могла сжиматься, и все вещество, двигавшееся к нам, постепенно замедлилось, остановилось и начало ускоряться – но уже направляясь от нас. Такой космический отскок мог случиться, только если плотность вещества была гораздо ниже известного теперь значения. Гамов решил систематически исследовать другую возможность, более общую и радикальную: расширение, имеющее начало. Как он объяснял в книге 1946 года, если уподобить космическую драму кинофильму и запустить его в обратную сторону, мы увидим, как плотность Вселенной беспредельно возрастает. Поскольку межгалактическое пространство заполнено водородом, по мере продвижения назад во времени этот газ будет становиться все плотнее, а значит, все горячее. Если нагревать ледяной куб, он расплавится. Если продолжать нагревать жидкую воду, она превратится в газ – пар. Аналогично, если продолжать нагревать газообразный водород, он перейдет в четвертое состояние – плазму. Почему? Дело в том, что атом водорода – это просто электрон, обращающийся вокруг протона, а газообразный водород – это просто скопление таких атомов, сталкивающихся друг с другом. Когда температура поднимается, атомы движутся быстрее и сталкиваются друг с другом сильнее. Если становится достаточно горячо, удары оказываются настолько разрушительными, что атомы распадаются на части, а электроны и протоны начинают двигаться независимо. Водородная плазма – это и есть «суп» из свободных электронов и протонов.
Рис. 3.3. Свету от далеких источников требуется время, чтобы достичь Земли, поэтому, заглядывая вдаль, мы смотрим и вглубь времен. За самыми далекими галактиками мы видим непрозрачную стену светящейся водородной плазмы, излучению которой потребовалось около 14 млрд лет, чтобы дойти до нас. В то время водород, который заполняет пространство сегодня, был разогрет настолько, что представлял собой плазму. Нашей Вселенной тогда было всего около 400 тыс. лет. (На основе рисунка группы NASA/WMAP.)
Иными словами, Гамов предсказал, что наша Вселенная началась с горячего Большого взрыва и что плазма некогда заполняла весь космос. Причем особенно интересно, что предсказание проверяемо: если холодный газообразный водород прозрачен и невидим, то горячая водородная плазма непрозрачна и ярко светится, подобно поверхности Солнца. Это означает, что когда мы заглядываем дальше в космос (рис. 3.3), мы видим сначала старые галактики, за ними молодые галактики, затем прозрачный газообразный водород, а затем стену сияющей водородной плазмы. Мы не сможем увидеть, что за этой стеной, поскольку она непрозрачна, а значит, скрывает все, что было до нее. Более того, как показано на рис. 3.4, мы должны видеть это во всех направлениях, поскольку, куда бы мы ни взглянули, мы смотрим назад во времени. Получается, мы должны увидеть окружающую нас гигантскую плазменную сферу.
В книге 1946 года Гамов, излагая теорию Большого взрыва, предсказал, что у нас должна иметься возможность наблюдать эту плазменную сферу. Он поручил своим ученикам Ральфу Альферу и Роберту Херману проработать этот вопрос, и несколько лет спустя они опубликовали статью, в которой предсказали, что эта сфера будет светиться с температурой около 5° выше абсолютного нуля, а значит, в основном будет испускать микроволны, а не видимый свет. К сожалению, Альферу и Херману не удалось убедить астрономов поискать фоновое космическое микроволновое излучение, и их работа была почти забыта, как и фридмановское открытие расширения Вселенной.
Рис. 3.4. Все выглядит так, как если бы мы находились в центре гигантской плазменной сферы. Мы видим плазменную стену с предыдущего рисунка во всех направлениях.
Как увидеть послесвечение
К 1964 году группа принстонских ученых поняла, что доступный для наблюдения микроволновый сигнал должен существовать, и планировала начать его поиски, но ее неожиданно опередили. В том году Арно Пензиас и Роберт Вильсон испытывали в «Белл лабораториз» в штате Нью-Джерси самый совершенный в то время микроволновый телескоп. Они обнаружили нечто загадочное: телескоп регистрировал сигнал, который они не могли объяснить, причем сигнал не менялся, куда бы ни направляли аппарат. Странно! Ученые предполагали регистрировать сигналы только при наведении на конкретные объекты на небе, например на Солнце или на спутник с микроволновым передатчиком. Но вместо этого складывалось впечатление, что все небо светится с температурой 3° по абсолютной шкале – очень близкой к 5°, предсказанным Гамовым и его коллегами. Радиоастрономы стали проверять локальные источники шума – на время подозрения пали на голубей, которые гнездились в телескопе и оставляли там помет. Как-то раз я обедал с Арно. Он рассказал, что голубей посадили в деревянный ящик с пищей и послали в отдаленный кампус «Белл лабораториз», чтобы птиц выпустили там. К сожалению, голуби вернулись. В книге Арно уклончиво сказано, что физики все-таки «избавились» от голубей. Я, напоив его вином, выяснил правду: это было сделано с применением огнестрельного оружия… Голубей устранили, но загадочный сигнал остался: Пензиас и Вильсон открыли космический микроволновый фон, слабое послесвечение нашего Большого взрыва[9].