Эйнштейн всегда опирался на эксперименты и наблюдения. Многие эксперименты он и правда проделывал «мысленно» – и он и правда трудился больше десяти лет, – но при этом изучал новые математические методы и в процессе несколько раз заходил в теоретические тупики, и лишь после этого ему удалось создать теорию, отличавшуюся подлинной математической красотой. Однако главным условием для налаживания близких отношений с общей теорией относительности должны были стать наблюдения. За последние недели лихорадочной работы, когда Эйнштейн дорабатывал свою теорию, соперничая с немецким математиком Давидом Гильбертом, он на основании своих уравнений рассчитал прогноз для загадочного астрофизического явления – небольшой прецессии в перигелии (ближайшей к Солнцу точке) орбиты Меркурия.
Астрономы давно заметили, что орбита Меркурия немного отклоняется от траектории, которую предсказывают законы Ньютона. Она представляет собой не идеальный эллипс, замкнутый сам на себя, а отличается прецессией (то есть планета, совершив один оборот по орбите, возвращается не в ту же самую точку, а с каждым оборотом ориентация эллипса чуть-чуть сдвигается, и в результате получается траектория, напоминающая спираль). Величина этой прецессии ничтожно мала – около 43 угловых секунд (примерно одна сотая градуса) за сто лет.
Когда Эйнштейн рассчитал орбиту Меркурия на основе своей общей теории относительности, то получил именно это число. Как писал биограф Эйнштейна Абрахам Пайс: «Пожалуй, ни одно из событий в научной деятельности, да и в жизни, не потрясло Эйнштейна сильнее, чем это открытие (здесь и далее пер. В. и О. Мацарских)». Эйнштейн уверял, что «это открытие вызвало у него учащенное сердцебиение», как будто «внутри у него что-то оборвалось». Месяц спустя, когда он рассказывал об этой теории другу и называл ее несравненно прекрасной, было совершенно очевидно, что эта математическая модель доставляет ему много радости, но ни о каком сердцебиении уже не упоминалось.
Впрочем, довольно скоро очевидные противоречия между общей теорией относительности и данными наблюдений, которые указывали на то, что Вселенная статична, были улажены, хотя это и заставило Эйнштейна ввести в свою теорию поправку, которую он позднее называл своей величайшей ошибкой (но об этом позже). В наши дни уже все, кроме некоторых школьных учителей в США, знают, что Вселенная не статична – она расширяется, и началось это расширение примерно 13,72 миллиарда лет назад в момент Большого взрыва, когда она была очень плотной и горячей. Не менее важно и другое: теперь мы знаем, что наша Галактика – всего лишь одна из примерно 400 миллиардов галактик в наблюдаемой Вселенной. Мы как первые картографы – только начинаем составлять полную карту крупномасштабной структуры Вселенной. Неудивительно, что в последние десятилетия наша картина Вселенной претерпела революционные изменения.
Открытие, что Вселенная не статична, а расширяется, играет огромную роль и в философии, и в религии, поскольку предполагает, что у Вселенной было начало. А если начало – значит, акт творения, а идея акта творения всегда вызывает бурю эмоций. Хотя расширение Вселенной было открыто в 1929 году, потребовалось несколько десятков лет, чтобы независимо подтвердить его эмпирическими данными, однако уже в 1951 году папа Пий XII объявил это открытие доказательством Сотворения мира. Вот как он сказал:
По всей видимости, современная наука, сумев за единый миг заглянуть на многие века в прошлое, стала свидетельницей божественного мгновения – первичного «Fiat Lux» [Да будет свет!], когда одновременно с веществом из ничего вырвался целый океан света и излучения и химические элементы, сгорая и расщепляясь, создали миллионы галактик. И таким образом со всей конкретностью, свойственной физическим доказательствам, наука подтвердила, что Вселенная возникла обусловленно, и проследила ее существование в прошлое до той эпохи, когда мир вышел из рук Творца. Итак, мир был сотворен. А посему, говорим мы, Творец существует – а значит, Бог есть!
На самом деле все было немного интереснее. Первым предложил идею Большого взрыва бельгийский священник и физик по имени Жорж Леметр. Леметр был человек удивительно многогранный, прошедший извилистый профессиональный путь. Начал он исследования как инженер, во время Первой мировой прославился как артиллерист, а затем переключился на математику, параллельно готовясь к рукоположению – это было в начале двадцатых. Затем он увлекся космологией и сначала учился у знаменитого английского астрофизика сэра Артура Стэнли Эддингтона, впоследствии перебрался в Гарвард, а в конце концов получил вторую докторскую степень, по физике, в Массачусетском технологическом институте.
В 1927 году, перед тем как во второй раз получить степень доктора, Леметр решил уравнения общей теории относительности Эйнштейна и показал, что теория предсказывает нестатичную Вселенную, более того, из нее следует, что Вселенная, в которой мы живем, расширяется. Эта мысль показалась всем настолько возмутительной, что даже сам Эйнштейн ответил Леметру афоризмом «Математика у вас точна, зато физика отвратительна».
Леметра это, впрочем, не остановило, и в 1930 году он предположил, что на самом деле расширение Вселенной началось с крошечной точки, которую он назвал «первичным атомом», и что это начало – вероятно, это была аллюзия на сотворение мира – было «днем без вчера».
То есть гипотезу Большого взрыва, которую так славил папа Пий, первым предложил именно священник. Казалось бы, такое одобрение папы должно было порадовать Леметра – однако сам он уже отказался от мысли, что из этой научной теории можно сделать какие бы то ни было богословские выводы, и в конечном итоге убрал из черновика статьи 1931 года о Большом взрыве все намеки на сотворение мира. А в 1951 году даже публично возразил папе Пию на заявление о сотворении мира посредством Большого взрыва (не в последнюю очередь потому, что если бы его теория впоследствии оказалась опровергнута, это стало бы доводом против идеи о сотворении мира). К этому времени Леметр уже был избран в Папскую академию наук, а затем стал ее президентом. Как писал сам Леметр, «насколько я могу судить, подобная теория вообще не относится к вопросам религии и метафизики». Больше папа эту тему не поднимал.
История эта очень поучительна. По мнению Леметра, был Большой взрыв или нет, – это научный, а не богословский вопрос. Более того, если Большой взрыв действительно произошел (а в наши дни все свидетельствует о том, что так, бесспорно, и было), можно толковать это произвольно, по-разному, в зависимости от своих религиозно-метафизических предпочтений. Можно считать Большой взрыв намеком на Творца, если вам так нужно, а можно утверждать, что математика общей теории относительности объясняет эволюцию Вселенной до самого начала, обходясь безо всякого вмешательства того или иного божества. Однако подобная метафизическая спекуляция никак не зависит от физической обоснованности гипотезы Большого взрыва как таковой и не влияет на то, как мы ее понимаем. Разумеется, если пойти дальше простого существования расширяющейся Вселенной и попытаться понять, какие физические принципы имели отношение к ее зарождению, наука, скорее всего, прольет новый свет и на эту теорию – и проливает, как я покажу в дальнейшем.
Так или иначе, ни Леметр, ни папа Пий не убедили научное сообщество, что Вселенная действительно расширяется. Нет – как всегда бывает в добросовестных физических исследованиях, доказательство было получено благодаря тщательным наблюдениям, которые в данном случае провел Эдвин Хаббл, который и по сей день вселяет в меня веру в человечество, поскольку он начинал как юрист и лишь потом стал астрономом.
Хаббл совершил важнейший прорыв в астрофизике уже в 1925 году, когда он работал на стодюймовом телескопе Хокера в обсерватории Маунт-Вильсон. Тогда это был крупнейший в мире телескоп. (Для сравнения: теперь мы строим телескопы в десять с лишним раз больше в диаметре и в сто раз больше по площади!) До этого времени, с тогдашними телескопами, астрономы были способны лишь различать размытые пятна на месте тех объектов, которые нельзя было считать просто звездами из нашей Галактики. Они называли их «туманностями» – «nebulae»: в сущности, это латинское слово и означает «что-то размытое» (или просто «облако»). И велись дебаты о том, где находятся эти объекты – в нашей Галактике или за ее пределами.
Поскольку в те дни превалировало представление о Вселенной, в которой нет ничего, кроме нашей Галактики, большинство астрономов принадлежало к лагерю «в нашей Галактике», который возглавлял знаменитый гарвардский астроном Харлоу Шепли.
В школе Шепли проучился всего пять классов, а потом занимался самообразованием и в конце концов поступил в Принстон. Он решил изучать астрономию просто потому, что этот предмет стоял первым пунктом в учебном плане. В своих фундаментальных трудах он показал, что Млечный Путь гораздо больше, чем считали раньше, и что Солнце находится отнюдь не в центре галактики, а в ее захолустном, ничем не примечательном уголке. В астрономии Шепли обладал непререкаемым авторитетом, поэтому его воззрения о природе туманностей имели большой вес.
В школе Шепли проучился всего пять классов, а потом занимался самообразованием и в конце концов поступил в Принстон. Он решил изучать астрономию просто потому, что этот предмет стоял первым пунктом в учебном плане. В своих фундаментальных трудах он показал, что Млечный Путь гораздо больше, чем считали раньше, и что Солнце находится отнюдь не в центре галактики, а в ее захолустном, ничем не примечательном уголке. В астрономии Шепли обладал непререкаемым авторитетом, поэтому его воззрения о природе туманностей имели большой вес.
В первый день нового 1925 года Хаббл опубликовал результаты своих двухлетних исследований так называемых спиральных туманностей, где он сумел выявить переменные звезды особого рода, так называемые цефеиды. В число этих туманностей входила и туманность, которую мы теперь знаем как созвездие Андромеды.
Переменные звезды цефеиды были описаны еще в 1784 году. Это звезды, чья яркость меняется с определенной периодичностью. В 1908 году в Гарвардскую обсерваторию на должность «вычислителя» была принята еще никому не известная молодая женщина по имени Генриетта Суон Ливитт («вычислителями» называли женщин, которых пускали в каталог фотопластинок с изображениями звезд различной яркости; пользоваться телескопами женщинам в те годы не разрешалось). Генриетта, дочь священника конгрегационалистской церкви, прямого потомка первых переселенцев, сделала поразительное открытие, о котором и заявила в 1912 году: она заметила, что между яркостью цефеид и периодом их вариаций существует прямая зависимость. То есть если удастся определить расстояние до какой-то цефеиды с известным периодом (а это было сделано вскоре, в 1913 году), то, измерив яркость других цефеид с таким же периодом, можно будет определить расстояние и до них! Поскольку наблюдаемая яркость звезд уменьшается пропорционально квадрату расстояния до звезды (свет распространяется равномерно по сфере, чья площадь увеличивается пропорционально квадрату расстояния, поэтому, когда свет распределяется по большей поверхности сферы, его наблюдаемая интенсивность в любой точке обратно пропорциональна площади сферы), то определение расстояния до далеких звезд всегда было важной и трудной задачей для астрономов. Открытие Ливитт произвело настоящий переворот в этой области. (Сам Хаббл, которому не досталось Нобелевской премии, часто говорил, что труды Ливитт ее заслуживают, хотя он был человеком довольно-таки эгоистичным и, вполне вероятно, утверждал так лишь потому, что его вполне могли номинировать на Нобелевскую премию за его дальнейшие работы вместе с Ливитт.) В Шведской королевской академии наук даже готовили документы, чтобы номинировать Ливитт в 1924 году, но тут стало известно, что она умерла от рака за три года до этого. Благодаря силе личности, склонности к саморекламе и таланту наблюдателя Хаббл в результате сделал из своего имени настоящий бренд, а о Генриетте Ливитт известно, увы, лишь тем, кто увлекается историей астрофизики.
Опираясь на свои измерения яркости цефеид и на соотношение периода и яркости, которое обнаружила Ливитт, Хаббл сумел окончательно доказать, что цефеиды в туманности Андромеды и в нескольких других туманностях так далеки, что не могут находиться в пределах Млечного Пути.
Выяснилось, что Андромеда – это другая островная Вселенная, другая спиральная галактика, хотя и очень похожая на нашу, одна из более чем 100 миллиардов других галактик, которые, как мы теперь знаем, существуют в наблюдаемой Вселенной. Результаты Хаббла не вызывали сомнений – настолько, что астрономическое сообщество, в том числе и Шепли, который, кстати, к этому времени уже стал директором Гарвардской обсерватории, где Ливитт сделала свое поразительное наблюдение, быстро смирилось с тем, что Млечный Путь – это далеко не весь окружающий мир. Габариты известной нам Вселенной за один миг расширились куда больше, чем за много предшествующих столетий! Более того, изменилась архитектура Вселенной – как практически и все остальные ее характеристики.
После этого сенсационного открытия Хаббл мог бы почивать на лаврах, но его интересовала дичь покрупнее – в данном случае, более крупные галактики. Измерив еще более тусклые цефеиды в еще более далеких галактиках, Хаббл смог составить карту Вселенной еще большего масштаба. При этом он открыл еще кое-что – и это оказалось даже интереснее: оказалось, что Вселенная расширяется!
Этот результат Хаббл получил из сравнения расстояний до галактик, которые он исследовал, с другим набором наблюдательных данных, полученных от американского астронома Весто Слайфера, который измерил спектры света, испускаемого этими галактиками. А чтобы разобраться, откуда взялись эти спектры и какова их природа, нам с вами придется вернуться к самым истокам современной астрономии.
* * *Одно из важнейших открытий астрономии – то, что вещество звезд и вещество Земли по большей части одинаково. Все началось с Исаака Ньютона – как и очень многое в современной науке. В 1665 году Ньютон, тогда еще совсем молодой ученый, пропустил через призму тоненький лучик света – чтобы получить его, он полностью затемнил комнату и проделал дырочку в ставне, – и увидел, как солнечный свет разложился на знакомые всем цвета радуги. Ньютон заключил, что белый солнечный свет содержит все эти цвета, и был прав.
Прошло сто пятьдесят лет, и другой ученый более тщательно исследовал разложенный в призме свет, обнаружил, что цвета перемежаются темными полосами, и заключил, что это вызвано присутствием во внешних оболочках Солнца элементов, которые поглощают свет определенных цветов или длин волн. Вещество, создающее так называемые линии поглощения, можно отождествить, зная длины световых волн, которые, как показали лабораторные измерения, поглощаются теми или иными элементами – в том числе водородом, кислородом, железом, натрием и кальцием.
В 1868 году еще один ученый обнаружил две новые линии поглощения в желтой части солнечного спектра, которые не соответствовали никаким известным на Земле элементам. Он решил, что это, наверное, след какого-то нового элемента, который он назвал «гелий». Спустя поколение гелий нашли и на Земле.
Изучение спектров излучения от других звезд – важный инструмент, позволяющий многое узнать об их составе, температуре и эволюции. Слайфер с 1912 года наблюдал спектры света, исходящего от различных спиральных галактик, и обнаружил, что они похожи на спектры ближайших звезд, с тем лишь исключением, что все линии поглощения сдвигаются на одну и ту же длину волны. К тому времени стало понятно, что это вызвано всем известным «эффектом Допплера»: он назван в честь австрийского физика Кристиана Допплера, который в 1842 году объяснил, что волны, идущие в твою сторону из движущегося источника, растягиваются, если источник удаляется от тебя, и сжимаются, если он приближается. С проявлением этого эффекта мы все прекрасно знакомы, и мне оно всегда напоминает карикатуру Сидни Харриса: два ковбоя в прерии глядят на проезжающий вдали поезд, и один говорит другому: «Ах, как я люблю слушать этот одинокий гудок паровоза, когда его частота меняется из-за эффекта Допплера!» И в самом деле, и гудок поезда, и сирена «Скорой Помощи» звучит выше, когда поезд или машина едут в твою сторону, и ниже, когда они удаляются.
Оказывается, то же самое происходит не только со звуковыми волнами, но и со световыми, только по несколько другим причинам. Световые волны из удаляющегося источника – причем он может удаляться как из-за локального движения во времени, так и из-за расширения пространства, разделяющего источник и наблюдателя, – растягиваются и поэтому кажутся краснее, поскольку красный цвет расположен на длинноволновом краю видимого спектра, а волны из приближающегося источника сжимаются и кажутся синее.
В 1912 году Слайфер заметил, что линии поглощения от света, исходящего от спиральных галактик, почти все систематически сдвинуты в сторону более длинных волн (но некоторые галактики, в том числе Андромеда, испускают свет, сдвинутый в сторону более коротких волн). И сделал совершенно правильный вывод, что большинство этих объектов удаляются от нас, причем со значительной скоростью.
Хаббл сумел сравнить свои данные о расстояниях до этих спиральных галактик, как мы их теперь называем, с данными Слайфера о скоростях, с которыми они разбегаются. В 1929 году, при содействии сотрудника обсерватории Маунт-Вильсон Милтона Хьюмасона (наделенного такими инженерными талантами, что его приняли на работу в обсерваторию, хотя у него не было даже аттестата о среднем образовании), он объявил об открытии примечательного эмпирического соотношения, которое теперь носит название «закон Хаббла»: существует линейная зависимость между скоростью удаления галактики и расстоянием до нее. То есть чем дальше от нас галактики, тем быстрее они разбегаются!