Но ведь на самом деле этого не происходит? Значит, где-то в рассуждениях мы допустили ошибку. Если мы проследим ход наших рассуждений, то где нам следует внести исправления? Мы можем сделать Вселенную конечной в пространстве, наметив границу. Мы можем сказать, что звезды располагаются лишь в какой-то одной части Вселенной, а не равномерно (мы можем также допустить, что более удаленные звезды обладают меньшей поверхностной яркостью и т. д., но, я думаю, вы уже догадались, куда я клоню). Мы можем предположить, что Вселенная конечна во времени, так что свет, двигаясь с конечной скоростью, еще не успел до нас добраться, и мы видим не всю Вселенную, а только ее часть. В XIX в., во времена Ольберса, астрономия не могла найти определенного ответа на этот вопрос. Требовалось выработать новый взгляд на Вселенную.
Царство туманностей
В 1929 г. Эдвин Хаббл опубликовал результаты своих наблюдений, которые указывали на то, что Вселенная расширяется, разлетаясь от нас во всех направлениях с одинаковой скоростью. В сущности, мы находимся в самом центре гигантского взрыва галактик. Хаббл заметил, что существует связь между яркостью эталонных звезд в выбранных для наблюдения галактиках и выявленным сдвигом в их спектрах. Поскольку яркость зависит от расстояния, а удаление объекта приводит к сдвигу спектра в красную сторону, мы говорим, что Хаббл открыл зависимость между расстоянием до галактики и красным смещением в ее спектре. Так что же такого особенного в нашем местоположении, что вся остальная Вселенная разбегается от нас с огромной скоростью? История современной космологии чрезвычайно захватывающая, поскольку принимавшие в ней участие физики-теоретики и астрономы-практики очень редко, если вообще когда-либо, взаимодействовали между собой. Так, в работе, которая почти полностью прошла мимо внимания Хаббла, два европейских космолога успешно перевели общую теорию относительности Эйнштейна на язык, которым можно было описать законы Вселенной.
Во время Первой мировой войны Александр Фридман пошел добровольцем на фронт, где использовал свои математические познания для составления таблиц прицельного бомбометания. Почти сразу после войны, в 1922 г., Фридман опубликовал статью, в которой показал, что уравнения теории Эйнштейна, которыми описывается наша Вселенная, допускают динамические решения, а значит, с течением времени ее физические размеры могут как увеличиваться, так и уменьшаться. Более того, с точки зрения математики оказалось значительно труднее представить себе Вселенную, находящуюся в статическом состоянии. В 1927 г. Жорж Леметр показал, что в описанной Фридманом расширяющейся Вселенной должна существовать линейная зависимость между расстоянием и красным смещением, которую Хаббл обнаружил двумя годами позже.
Самым трудным для понимания моментом из объяснений Леметра оказалась концепция того, что вся материя Вселенной — то, что мы называем пространством-временем, — равномерно расширяется, увлекая за собой галактики. Наблюдатель, находящийся в одной из галактик, будет видеть, что все остальные от него удаляются. При этом наблюдатель, находящийся в соседней галактике, будет видеть в точности такую же картину. Данная концепция приводит к просто головокружительным последствиям — каждая галактика оказывается в самом центре расширения Вселенной. Более того, Леметр показал, что, если мы в качестве математической гипотезы допустим движение часов в обратную сторону, то галактики начнут сближаться друг с другом и в какой-то момент времени в прошлом они сойдутся в одной точке. В пределах его математической модели эта точка обозначает начало Вселенной, как мы его себе представляем, — то, что впоследствии назовут Большим взрывом. Время между Большим взрывом и настоящим моментом и есть возраст Вселенной.
Хаббл записал соотношение между расстоянием и красным смещением в следующем виде: скорость удаления галактики = H × расстояние до этой галактики. Значение коэффициента H для современной Вселенной астрономы называют постоянной Хаббла. Мы можем воспользоваться формулой Хаббла, чтобы задать один интересный вопрос: если скорость удаления галактик почти не менялась за время существования Вселенной, то на сколько нужно перевести время назад, чтобы галактики слились в некое начальное состояние? С учетом того что время — это расстояние, деленное на скорость, если мы возьмем формулу Хаббла, связующую эти величины, получим, что искомое значение для времени — 1/H. Современное значение постоянной Хаббла приблизительно равно 70 км/с на мегапарсек (это означает, что, если галактика находится от нас на расстоянии одного мегапарсека — 3,26 млн световых лет, она будет удаляться от нас со скоростью 70 км/с). Однако, если учесть, что за время существования Вселенной скорость разбегания галактик немного менялась, возраст Вселенной, определенный с помощью постоянной Хаббла, будет составлять 13,8 млрд лет.
Так что же, получается не 6000 лет? Не совсем. Стоит отметить, что сопоставление результатов Фридмана, Леметра и Хаббла, которое было осуществлено в 1930-х гг., впервые дало возможность научно определить возраст Вселенной. Существовавшая на тот момент неточность в измерениях привела к тому, что этот возраст был определен как 1 млрд лет, что несколько отличается от принятой на данный момент величины. Когда данные астрономов сопоставили c радиометрическими измерениями возраста земных пород и расчетами времени жизни звезд на основе новой для того времени науки — ядерной физики, был получен поразительный, но тем не менее вполне логичный результат: Земля, звезды и Вселенная в целом оказались значительно старше, чем мы могли себе вообразить. Не тысячи или миллионы лет, а в тысячу раз больше.
Если оставить в стороне невероятное потрясение, вызванное в массовом сознании этим открытием, его результатом стало решение парадокса Ольберса: Вселенная зародилась в определенный момент времени. Самый далекий свет, который мы можем наблюдать сегодня, шел до нас 13,8 млрд лет. Это граница наблюдаемой Вселенной. Что лежит за ее пределами? На этот счет есть множество гипотез. Вполне возможно, что наша Вселенная бесконечна — мы просто этого не знаем. С течением времени наблюдаемая Вселенная расширяется, но только лишь со скоростью движущегося к нам света. Надеюсь, вам нравится нынешний вид звездного неба, поскольку в ближайшее время он не изменится!
Время пошло
Так чего же достигла Вселенная за эти 13,8 млрд лет? Как вписывается жизнь в этот колоссальный временной отрезок? Один из наиболее элегантных способов наглядно продемонстрировать масштаб истории Вселенной — представить весь этот промежуток времени в виде одного года и проследить за событиями на космическом календаре. Большой взрыв произошел в первое мгновение 1 января. Вы читаете эту книгу в последние секунды 31 декабря. Какие события мы можем отметить, оглядываясь на прошедший год?
В первые мгновения Вселенная расширялась как чистая энергия, а затем наступил черед элементарных частиц: рой фундаментальных частиц ринулся на свободу, как стая диких животных, вырвавшихся из зоопарка, и устремился на просторы космоса. Материя, из которой мы с вами состоим, зародилась из релятивистского «супа» фундаментальных частиц. По мере того как Вселенная расширялась, «суп» остывал. Из затухающего излучения Большого взрыва стали формироваться атомы химических элементов, более привычных для нас сегодня: водород, гелий, немножко лития и их изотопы. Этот атомный материал впоследствии сконцентрировался в первые космические структуры: медленно остывающие газовые облака.
