Правдоподобное объяснение предложил человек, бывший одной из наиболее интересных личностей в истории астрономии, — Фриц Цвикки, астроном из Калифорнийского технологического института. Цвикки родился в 1898 году в болгарском городе Варне в семье швейцарского посла. В 1925 году он поступил в Калифорнийский технологический институт и большую часть жизни проработал в Паломарской обсерватории и обсерватории «Маунт-Вилсон». У Цвикки было много идей, опережавших свое время, к примеру идея о том, что галактики формируют скопления.
В 1929 году Цвикки предположил, что красное смещение вызвано утомлением света: фотоны, преодолевшие большое расстояние, просто теряют энергию в ходе попутного взаимодействия с материей, в том числе, возможно, с другими фотонами. Если фотоны теряют энергию, соответствующая им длина волны будет увеличиваться, смещаясь в красную сторону.
Хотя эту идею в различных формах можно было встретить на протяжении десятилетий, в конце концов ее опровергли с помощью теста поверхностной яркости, предложенного американским физиком-теоретиком Ричардом Толменом. В статической Вселенной интенсивность света, идущего от звезды или галактики, снижается по формуле 1 /r2, где r — расстояние до галактики, в то время как видимая площадь света также снижается по тому же закону. Так что наблюдаемая яркость света на единицу площади будет постоянной. В расширяющейся Вселенной яркость по мере увеличения расстояния снижается быстрее по двум причинам. Во-первых, поскольку объект, испускающий фотоны, удаляется, каждому следующему фотону приходится преодолевать большее расстояние, чем предыдущему, вследствие чего интенсивность света снижается. Во-вторых, объект кажется больше, чем в действительности, поскольку он испустил свет, который мы наблюдаем, когда был ближе к нам. Данные точнейших измерений поверхностной яркости подтвердили теорию расширяющейся Вселенной и опровергли гипотезу утомленного света.
Переменные постоянные
Еще одно предположение заключалось в том, что наблюдаемое красное смещение вызвано снижением скорости света со временем. Эддингтон отмечал, что это противоречит специальной теории относительности, которая предполагает, что с — постоянная. Как мы узнали из главы 6, предположение, что скорость света в вакууме с — постоянная величина, теперь прочно укрепилось в физике. Но, как обычно, лучше обосновывать выводы данными, нежели теорией. Поскольку специальная теория относительности согласовывалась со многими тысячами экспериментов, проведенных более чем за столетие, мы можем уверенно придерживаться этого мнения, пока новые данные не докажут обратного.
В 1938 году Поль Дирак предложил модель, в которой ньютоновская гравитационная постоянная G изменяется со временем
. Это противоречило общей теории относительности и приводило к выводу, что возраст Вселенной составляет всего 700 млн. лет. Когда Дирак понял это, он отказался от своей идеи. В настоящее время мы признаем, что G и с — произвольные постоянные и их числовые значения просто определяют систему измерения, в которой мы работаем
.
Космология Милна
В 30-х годах XX века Эдвард Артур Милн, брат А. А. Милна, автора «Винни-Пуха», предложил собственный вариант космологии, который не зависел от общей теории относительности
. Он отрицал идею об искривлении и расширении пространства. На деле пространство не рассматривалось как что-то физическое, но представляло собой просто систему координат
.
В моей книге «Постижимый космос» (The Comprehensible Cosmos), вышедшей в 2006 году, я описал метод, изложенный Милном, благодаря которому можно проводить наблюдения, не используя ничего, кроме часов
. Мне кажется, Милн смог точно и объективно описать, как мы на самом деле определяем, что происходит в мире вокруг нас, и трактуем это в рамках пространственно-временной модели. Все, что мы делаем, будучи наблюдателями, — это посылаем и принимаем сигналы. Вслед за Милном я показал, как, используя одни лишь часы, импульсный источник света и детектор, можно построить картину окружающего мира.
Мы просто посылаем сигналы и принимаем их отражения, подобно радару. Без всяких метровых брусков или других приспособлений для измерения расстояний, просто меряя время, мы можем определить величину, называемую расстоянием, на основании которой можно разработать модель окружающего мира. В этой схеме скорость света считается постоянной по определению, следовательно, специальная теория относительности не нужна.
В милновской модели Вселенная состоит из хаотично движущихся частиц, подобных молекулам газа. Далее Милн делает разумное предположение, что Вселенная должна выглядеть одинаково для всех наблюдателей. Историю этого космологического принципа можно проследить вплоть до Николая Кузанского, жившего в XV веке (см. главу 2)
.
Из этой модели Милну удалось вывести закон Хаббла v = Hr, а из него — расширение Вселенной, в отрыве от общей теории относительности. Однако больше ничего особенного вывести ему не удалось. Он предсказал, что ньютоновская гравитационная постоянная G будет увеличиваться со временем, однако так медленно, что этого нельзя уловить. На самом деле он не считал, что такой вариант времени поддается экспериментальному исследованию, поскольку речь шла о совершенно новом типе времени, который предложил сам Милн, назвав его кинематическим временем. Кинематическое время не измеряется при помощи часов.
Хотя космология Милна и была в высшей мере нетрадиционной, в 1930-е годы она привлекла большое внимание. В частности, Хаббл относился к ней благосклонно и упомянул ее в конце своей книги «Мир туманностей», где он несколько страниц посвятил теории
.
Однако многих оттолкнуло то, что Милн смешал космологию с богословием — тоже довольно нетрадиционным. В своей книге 1935 года он говорит, что для получения окончательных ответов на вопросы космологии следует обратиться к Богу. Он часто упоминает Бога в речах и других своих работах. В отличие от Леметра, который имел осторожность разделять религию и науку, Милн верил, что богословские или метафизические аргументы могут иметь научный смысл, в особенности в том, что касается сотворения Вселенной
. Он писал: «Исследователи, не принимающие во внимание Бога, raison d'étre (фр. «смысл жизни») Вселенной, обнаруживают свою жалкую неполноценность, сталкиваясь с вопросами космологии»
.
Но с точки зрения научного сообщества экспериментаторов крайний рационализм Милна был еще хуже его богословских взглядов. Милн ставил логику и здравый смысл превыше наблюдения и эксперимента.
Теорию Милна постигла судьба большинства теорий, в которых слишком большой акцент делается на рациональном мышлении, логике и математике, но недостаточно внимания уделяется данным: эта теория не смогла пройти эмпирическую проверку на фальсифицируемость. В науке нефальсифицируемая теория имеет только историческое значение (по крайней мере, должна иметь), так что в итоге космологию Милна окончательно отвергли, в то время как общая релятивистская космология и теория Большого взрыва, подкрепленные открытиями в области физики на субмикроскопическом уровне, вышли на первый план. Но, как мы теперь видим, это произошло не за один день.
