Это, конечно, было остроумное решение проблемы, но Ньютон понимал, что и в нем есть потенциальная слабость. Вселенная может быть в среднем однородной, но она не может быть в точности одинаковой во всех точках, так что крохотные отклонения все же должны быть. Подобно карточному домику, она кажется стабильной, но даже крохотное нарушение вызовет мгновенный коллапс всей конструкции. Ньютон был достаточно умен и понимал, что однородная бесконечная Вселенная, хотя и стабильна, всегда балансирует на грани коллапса. Иными словами, взаимная компенсация бесконечных сил должна быть бесконечно точной, иначе Вселенная либо схлопнется, либо будет разорвана на части.
В конечном итоге Ньютон пришел к выводу, что Вселенная бесконечна и в среднем однородна, но иногда Богу приходится слегка встряхивать звезды во Вселенной, чтобы они не схлопнулись под действием гравитации.
Почему ночное небо черное?
Но это вызывает новую проблему. Если считать, что Вселенная бесконечна и однородна, то, в какую бы точку пространства мы ни бросили взгляд, он рано или поздно наткнется на звезду. Но поскольку звезд во Вселенной бесконечное количество, то и света в наши глаза должно попадать бесконечно много со всех направлений.
Ночное небо должно быть белым, а не черным. Эта загадка называется парадоксом Ольберса.
За поиск ответа на этот каверзный вопрос брались величайшие умы в истории человечества. Кеплер, например, просто отбросил парадокс, заявив, что Вселенная конечна и, следовательно, никакого парадокса не существует. Другие ученые высказывали предположения о том, что звездный свет заслоняют от нас пылевые облака. (Но такое объяснение не годится, поскольку через бесконечное время пылевые облака разогреваются и начинают излучать как абсолютно черное тело, аналогично звезде. Так что Вселенная вновь становится белой.)
Окончательный ответ дал Эдгар Аллан По в 1848 г. Как астроном-любитель, он был буквально заворожен парадоксом и сказал, что ночное небо черное, так как если двигаться назад во времени достаточно долго, то когда-нибудь мы достигнем отсечки, то есть начала существования Вселенной. Иными словами, ночное небо черно потому, что возраст Вселенной конечен. Мы не получаем из бесконечно далекого прошлого света, который сделал бы ночное небо белым, потому что у Вселенной не было бесконечно далекого прошлого. Это означает, что телескопы, направленные на самые далекие звезды, со временем увидят черноту самого Большого взрыва.
Остается лишь удивляться тому, как человек исключительно силой мысли, без каких бы то ни было экспериментов смог прийти к выводу, что Вселенная непременно должна иметь начало.
Общая теория относительности и Вселенная
Эйнштейн, формулируя в 1915 г. общую теорию относительности, должен был непременно столкнуться с этими ошеломляющими парадоксами.
Еще в 1920-е гг., когда он впервые начал применять свою теорию к самой Вселенной, астрономы говорили, что Вселенная статична, что она не расширяется и не сжимается. Но Эйнштейн нашел в своих уравнениях нечто озадачивающее. Попытки решить их показывали, что Вселенная динамична, что она либо расширяется, либо сжимается. (Тогда он этого не понял, но это был ответ на вопрос Ричарда Бентли. Вселенная не схлопывается под действием гравитации, потому что она расширяется, преодолевая таким образом тенденцию к схлопыванию.)
Чтобы найти хоть какую-нибудь статичную вселенную, Эйнштейну пришлось ввести в уравнения поправочный коэффициент (получивший название космологической постоянной). Подобрав величину этого коэффициента вручную, он смог скомпенсировать расширение или сжатие Вселенной.
Позднее, в 1929 г., астроном Эдвин Хаббл, воспользовавшись гигантским телескопом обсерватории Маунт-Вилсон в Калифорнии, сделал поразительное открытие. Оказалось, что Вселенная все же расширяется, как и предсказывали с самого начала уравнения Эйнштейна. Хаббл пришел к такому выводу, проанализировав доплеровское смещение света далеких галактик. (Когда звезда движется от нас, ее световые волны немного растягиваются, так что длина волны света чуть увеличивается, а весь спектр звезды слегка смещается в сторону красной области. Когда звезда движется к нам, ее световые волны сжимаются, так что длина волны света чуть уменьшается, а весь спектр звезды слегка голубеет. Тщательно проанализировав галактики, Хаббл обнаружил, что в среднем для их света характерно красное смещение, иначе говоря, они удаляются от нас. Таким образом, Вселенная расширяется.)
В 1931 г. Эйнштейн побывал в обсерватории Маунт-Вилсон и встретился с Хабблом. Когда Эйнштейну сказали, что в космологической постоянной нет необходимости и что Вселенная все-таки расширяется, он признал, что космологическая постоянная была его «величайшей ошибкой». (На самом деле, как мы увидим, не так давно космологическая постоянная вернулась, так что даже ошибки Эйнштейна открывают совершенно новые области для научных исследований.)
Кроме того, полученный результат позволял сделать еще один шаг и рассчитать возраст Вселенной. Имея вычисленную Хабблом скорость убегания галактик, можно было «пустить запись» в обратную сторону и рассчитать, как долго уже продолжается это расширение. Первоначальный расчет показал, что возраст Вселенной равен 1,8 млрд лет (это создало неловкую ситуацию, поскольку уже было известно, что возраст Земли больше – ей 4,6 млрд лет. Последние данные с космического телескопа «Планк» дают нам возраст Вселенной, равный 13,8 млрд лет).
Квантовое послесвечение Большого взрыва
Следующая революция в космологии произошла, когда физики начали применять квантовую теорию к Большому взрыву. Русский физик Георгий Гамов задался вопросом: если Вселенная начала свое существование в виде гигантского сверхгорячего взрыва, то не должна ли часть его тепла уцелеть до наших дней? Если применить квантовую теорию к Большому взрыву, то получается, что первоначальный огненный шар должен был представлять собой квантовое абсолютно черное тело – идеальный излучатель. Поскольку свойства абсолютно черного тела хорошо известны, можно, по идее, рассчитать и излучение, которое представляет собой послесвечение, или эхо Большого взрыва.
В 1948 г. Гамов и его коллеги Ральф Альфер и Роберт Херман вычислили, что температура остаточного излучения Большого взрыва сегодня должна быть примерно на пять градусов выше абсолютного нуля. (Реальная его температура составляет 2,73 K.) Такова температура Вселенной после миллиардов лет остывания.
Это предсказание подтвердилось в 1964 г., когда Арно Пензиас и Роберт Вильсон при помощи гигантского радиотелескопа в Холмделе обнаружили в космическом пространстве это остаточное излучение. (Сначала они решили, что фоновое излучение объясняется каким-то дефектом их аппаратуры. По легенде, они поняли свою ошибку, когда прочли лекцию в Принстоне и кто-то в аудитории сказал: «Либо вы регистрируете птичий помет на антенне, либо возникновение Вселенной». Для проверки им пришлось тщательно соскрести с антенны радиотелескопа весь голубиный помет.)
Сегодня это микроволновое реликтовое излучение, пожалуй, самое убедительное и весомое свидетельство в пользу Большого взрыва. Как и предсказывалось, недавние спутниковые снимки фонового излучения показывают однородный огненный шар энергии, равномерно распределенный по Вселенной. (Когда вы слышите помехи в радиоприемнике, их источником в определенной мере является Большой взрыв.)
