Вселенная. Руководство по эксплуатации - Дэйв Голдберг

Еще один кусочек пазла расширяющейся Вселенной — это измерение скорости, с которой разбегаются от нас галактики. Измеряют ее примерно так же, как инспектор измеряет скорость, с которой вы мчитесь по дороге, — при помощи допплеровского сдвига. Вы наверняка заметили этот странный феномен, который происходит со звуком, когда мимо проносится пожарная машина. Когда машина летит на вас, сирена воет выше обычного. А когда она удаляется, сирена воет ниже. Со светом происходит примерно то же самое — только когда источник света движется на вас, свет кажется немного синее обычного. А когда удаляется — немного краснее. Чем быстрее удаляется источник, тем сильнее сдвиг в красную сторону, называемый астрономами «красное смещение».

Представьте себе, что мы берем Коржика из «Улицы Сезам» и разгоняем его в сторону от Земли со скоростью в 25 % скорости света. Его мех — темно-синий — в наших телескопах будет казаться ярко-красным. На взгляд астронома-наблюдателя Коржик — вылитый Элмо, однако он никогда не будет так бояться щекотки.

Мы знаем, что большинство книг по этому вопросу твердят, что галактики удаляются от нас, и опускают подробности, но мы верим в ваш интеллект. Вселенная растет, а галактики по большей части сидят смирно, зато пространство вокруг них растягивается. На первый взгляд такие поправки кажутся мелочными придирками, но на самом деле это важное уточнение.

Когда какая-нибудь далекая галактика испускает свет, фотоны проделывают долгий путь — от родной галактики до нас. При этом Вселенная расширяется, и тем больше фотонам требуется времени на дорогу, чем больше Вселенная успевает расшириться за время пути. Это расширение влияет на их цвет, как мы уже описали. Когда фотон «расширяется», это на самом деле значит, что увеличивается длина световой волны. Длина световой волны определяет цвет. Так что если Вселенная расширяется, пока фотон путешествует, фотон будет становиться краснее. Чем дальше от нас находится источник, тем сильнее, успеет расшириться Вселенная за время пути и тем больше будет красный сдвиг у фотона.

I. Где находится центр Вселенной?

Если вы хоть немного похожи на нас, то выросли с убеждением, что вы — центр Вселенной, и на первый взгляд наблюдения Хаббла подтверждают эту теорию. Кажется, что все галактики разбегаются от нас врассыпную (хорошо, если хотите, Вселенная расширяется вокруг нас), и напрашивается мысль, что мы выгодно отличаемся от иных прочих. Ведь если все галактики удаляются от нас, значит, мы находимся в центре, как же иначе?

Позвольте представить: тентакуляне, раса астрономов из галактики, которая находится в миллиарде световых лет от нашей. Один из величайших астрономов — создание по имени доктор Калачик. Хотите познакомиться с доктором Калачиком? К сожалению, вынуждены вас огорчить. Поскольку эта галактика находится в миллиарде световых лет от нашей, то даже если бы мы послали на Тентакулюс VII радиограмму и попросили доктора Калачика ответить, у самого доктора Калачика это вряд ли получилось бы из-за крайне преклонного возраста. Если бы вам очень повезло, вы бы получили ответ от его прапрапра (умножьте миллионов на 50) правнучки, и к тому времени, как она ответила бы вам и указала на ошибку, пройдет еще добрый миллиард лет (даже если она не станет тянуть с ответом, а тогда наши потомки для начала просто забудут, что мы пытались с кем-то там наладить радиосвязь. Так что лично познакомиться с доктором Калачиком мы не можем, поэтому не можем и спросить у него, что же он видит в телескоп.

На самом деле все еще сложнее — ведь Вселенная расширяется. Если мы отправим сигнал на Тентакулюс VII, он будет идти туда больше миллиарда лет — и еще дольше будет идти ответ. Это все равно что пытаться измерить угря. Пока берешь линейку, он извивается со страшной силой, а пока приложишь к линейке голову, понимаешь, что нулевая отметка совсем не там, где ты ее оставил.

Это ничего, мы все равно знаем, что видит доктор Калачик в телескоп. Он видит в точности то же самое, что и мы с Земли, — почти все галактики в небесах разлетаются от Тентакулюса VII, и чем дальше они находятся, тем быстрее, как представляется, летят. Шовинистически настроенные элементы на Тентакулюсе уже постановили интерпретировать эти наблюдения как несокрушимое доказательство того, что Тентакулюс — центр Вселенной.

Разве может быть так, что прав и доктор Хаббл, и доктор Калачик? Разве может быть так, что обе галактики находятся в центре Вселенной?

Представьте себе, что вы жарите оладьи с черникой. Эту добавку мы выбрали по двум причинам: во-первых, любим чернику, во-вторых, черничины, как и галактики, в процессе приготовления оладий сами по себе не расширяются. Когда тесто для оладий поднимается и расширяется, черничины начинают удаляться друг от друга. Если бы они были разумны, все и каждая из них думали бы одно и то же: все прочие черничины разбегаются от меня, а дальние движутся быстрее, чем ближние!»[94]

Это подводит нас к достаточно деликатному вопросу, который вам, вероятно, покажется знакомым, если вы вспомните главу 1. Если у всех во Вселенной складывается впечатление, что все остальные от них разлетаются, разве можно утверждать, будто кто-то вообще двигается?

По всей истории науки красной нитью проходит общая тема «антицентропупизма». Николай Коперник (в честь которого назван «принцип Коперника») доказал, что Земля — не центр Солнечной системы. В 1918 году Харлоу Шапли из Гарварда показал, что наша Солнечная система находится на глухой периферии галактики Млечный Путь — вопреки распространенному заблуждению. А теперь Хаббл (и доктор Калачик на своей планете) утверждают, что наша Галактика — вовсе не центр Вселенной!

Однако, как мы сказали, с уверенностью назвать себя центром Вселенной не вправе никто. Предлагаем вам аналогию: представьте себе, что вы муравей, живущий на поверхности воздушного шара. Когда шар надувается, вы видите, что все остальные муравьи разлетаются от вас все дальше и дальше.

Заядлый зануда нашел бы возражения против мира муравьев. Он бы сказал: «Минуточку! Я знаю, что если бы мир муравьев надувался, муравьи бы заметили! Ведь я же замечаю, когда моя мама, скажем, нажимает на педаль газа!» Да, это так, но в нашем случае муравьи ничего не замечают, потому то их вселенная расширяется в загадочном третьем измерении, которого они прямо не воспринимают[95].

Вероятно, мы движемся в четвертом пространственном измерении, которое отличается от привычной системы координат из трех пространственных осей и оси времени. Чуть ниже мы поговорим о том, возможно ли, что существуют и другие измерения, кроме трех, которые мы воспринимаем непосредственно. Вероятно, это как раз тот случай, когда аналогия заводит слишком далеко. По принятой сейчас стандартной космологической модели, мы не нуждаемся ни в каких измерениях, кроме трех известных (плюс время).

II. Как выглядит край Вселенной?

Разговор о Тентакулюсе VII наталкивает нас на важные размышления. Если бы у нас были такие мощные телескопы, что в них можно было бы разглядеть родную планету доктора Калачика, мы бы увидели не то, что там происходит сегодня, а то, что было примерно миллиард лет назад. А если бы мы поглядели на другую, еще более отдаленную галактику, то заглянули бы в еще более отдаленное прошлое. Именно так ученые и изучают ранние стадии развития Вселенной — они смотрят, что происходит в очень далеких галактиках.

Однако за самыми дальними галактиками существует предел, за который мы заглянуть не в силах. На Земле мы называем этот предел горизонтом, но точно такой же горизонт существует и у Вселенной в целом. Заглянуть за горизонт мы не можем, так как свет распространяется с постоянной скоростью.

А поскольку Вселенная существует относительно недавно, всего каких-то 13,7 миллиарда лет, все, что расположено дальше, чем 13,7 миллиарда световых лет, еще некоторое время не будет доступно нашему глазу.

А откуда, собственно, взялась эта дата «начала Вселенной»? Начнем с конца. Если все галактики во Вселенной удаляются друг от друга, значит, когда-то в прошлом был момент, когда они (или по — крайней мере атомы, которые их составляют) сидели друг у друга на голове. Это «событие» мы называем Большим взрывом, который стал причиной крупных заблуждений, всяческой путаницы и написания следующей главы.

Оценить, когда произошел Большой взрыв, мы сумеем, если вспомним, что скорость — это отношение расстояния ко времени. Предположив (ошибочно, как выясняется, но пока что такая погрешность нас устраивает), будто скорость удаления галактики, где расположен Тентакулюс, с начала времен постоянна, мы можем вычислить скорость Вселенной при помощи простых маломатематических выкладок. Только подумайте: чем дальше от нас галактика находится сегодня, тем старше наша Вселенная, поскольку все разбегается друг от друга в известном нам темпе. Подставим в это простенькое линейное уравнение переменные, справедливые для нашей Вселенной, и прикинем, что возраст Вселенной — около 13,8 миллиарда лет: смотрите, результат почти такой же, как если бы вы проделали все вычисления точно и с нужными поправками.