Волны от источника, движущегося вправо
К счастью для астрономов, свет, излучаемый движущимися объектами, тоже подвержен эффекту Доплера. Лимон, ракетой улетающий прочь от наблюдателя, изменит свой цвет в красную сторону и станет похожим на апельсин или даже помидор, если только он движется достаточно быстро.
[50] Если же лимон полетит с такой же скоростью на вас, то сможет ввести вас в заблуждение, показавшись лаймом или гигантской черничиной. Это происходит потому, что свет от источника, удаляющегося от наблюдателя, испытывает красное смещение, а свет приближающегося к наблюдателю источника – фиолетовое смещение. Точно так же как изменяется цвет лимона, изменяется и цвет галактик. Таким образом, измеряя величину смещения линий в спектре галактики, можно определить, с какой скоростью она движется относительно Земли.
Хаббл использовал эффект Доплера для определения скоростей огромного количества галактик. Он сравнивал спектр света каждой галактики со спектром эталонного лабораторного источника. Если бы Вселенная, как полагал Эйнштейн, была статичной, то линии одних и тех же элементов в обоих спектрах полностью совпадали бы. Но то, что обнаружил Хаббл, удивило всех. Свет почти всех далёких галактик испытывал красное смещение. В этом не было никаких сомнений. Одни галактики двигались быстрее, другие медленнее, но все они, за исключением нескольких самых близких к нам, удалялись от Земли. Это не могло не озадачить Хаббла. Сделанное им открытие означало, что в будущем галактики должны разлететься на ещё большие расстояния, но ещё более неожиданным был логичный вывод, что в прошлом галактики находились гораздо ближе друг к другу, а в какой-то момент, возможно, даже составляли одно целое!
Хаббл также сумел грубо определить расстояния до различных галактик и обнаружил закономерность: чем дальше от Земли располагалась галактика, тем с большей скоростью она удалялась. Ближайшие галактики удалялись медленно, но самые далёкие неслись прочь от нас с умопомрачительной скоростью. На приведённом графике из статьи Хаббла по горизонтальной оси отложено расстояние до галактик, а по вертикальной – скорость удаления. Каждая галактика представлена на графике отдельным чёрным квадратиком. Хаббл нашёл удивительным, что все точки лежат вблизи прямой линии.
Данные Хаббла
Это означает, что скорость удаления не просто зависит от расстояния, а зависит от него линейно. Галактика, находящаяся вдвое дальше от нас, удаляется с вдвое большей скоростью. Эта была новая неожиданная закономерность, новый космологический закон – закон Хаббла: Галактики удаляются от нас со скоростями, пропорциональными расстояниям до них. Или в более строгой формулировке: Галактики удаляются друг от друга со скоростью, равной произведению расстояния между ними на постоянную величину – постоянную Хаббла.
[51]
На самом деле открытый Хабблом закон не был такой уж неожиданностью. Ещё в 1922 году русский математик Александр Фридман, изучив опубликованную в 1917 году работу Эйнштейна, написал статью, в которой высказал утверждение, что Эйнштейн ошибался, считая Вселенную статической. Если Вселенная изменяется со временем, то введения космологической постоянной для обеспечения её устойчивости не требуется. Вселенная Фридмана точно так же, как и вселенная Эйнштейна, представляла собой замкнутую и ограниченную 3-сферу, но она была не статичной, а расширялась с течением времени подобно надуваемому воздушному шарику. Возьмите воздушный шарик и нарисуйте на нём галактики, более или менее равномерно распределённые по поверхности. А теперь начните медленно надувать шарик. Вы увидите, как по мере того, как шарик увеличивается в размерах, увеличиваются и расстояния между любыми двумя нарисованными на поверхности шарика галактиками. Ни одна галактика не выглядит привилегированной, расположенной в центре расширения. С точки зрения наблюдателя, находящегося в любой галактике, все остальные галактики движутся прочь от него. Это ключевой момент Вселенной Фридмана.
Обратите особое внимание, что нарисованные на шарике галактики будут удаляться друг от друга тем быстрее, чем большее расстояние на поверхности шарика их разделяет. Причём скорости их удаления будут пропорциональны расстояниям между ними, то есть закон Хаббла соответствует закону расширения поверхности раздувающейся сферы. К несчастью, Фридман умер в 1925 году, не увидев ни открытия Хаббла, подтверждавшего его теорию, ни той роли, которую сыграла его работа в будущем развитии космологии.
Рассмотрим некоторые из положений фридмановской космологии.
Космологический принцип и три геометрии
Только две вещи в мире бесконечны: Вселенная и человеческая глупость. Впрочем, насчёт Вселенной я не уверен.
Альберт Эйнштейн
Пару лет назад меня пригласили в Южную Африку для чтения курса лекций в одном из университетов. Будучи там, мы с женой совершили поездку в Национальный парк Крюгер. Этот парк занимает огромные просторы велда и служит домом для большинства крупных млекопитающих континента. Это было потрясающе. Каждое утро и каждый вечер мы садились в лендровер и отправлялись смотреть и фотографировать дикую природу. Мы видели бегемотов и носорогов, африканских буйволов и прайд львов, пожирающих антилопу, а также разъярённого слона. Но лично для меня самым сильным впечатлением оказался вид южного неба в тёмную безлунную ночь. Южное небо гораздо богаче северного, к которому я привык, а в парке Крюгер почти полностью отсутствует световое загрязнение. Вид млечного пути, протянувшегося через всё небо, был просто потрясающим. Но чувство необъятности нашей Галактики обманчиво. Вся она вместе со всеми видимыми звёздами является лишь крошечным островком в безбрежном океане пространства, однородно заполненного сотнями миллиардов галактик, которые можно увидеть только в крупные телескопы. И даже эта наблюдаемая часть Вселенной – лишь крошечный фрагмент гораздо большего космоса.
Согласно моему словарю, слово однородный означает одинаковый по структуре или составу. Применительно к овсяной каше слово «однородная» означает: «без комков». Конечно, если вы посмотрите на овсянку через увеличительное стекло, она вряд ли будет выглядеть однородной. Суть в том, что когда вы называете что-то однородным, необходимо сделать уточнение: на каком размере проявляется эта однородность. Хорошо перемешанная овсянка является однородной на размерах больше, чем четверть сантиметра. Пшеничное поле фермера Брауна в Канзасе однородно на характерных размерах больше, чем несколько метров.
