Вселенная. Путешествие во времени и пространстве

Астрономы доказали, что Млечный Путь является гигантской спиральной системой, состоящей из сотен миллиардов звезд, вокруг которых вращаются планеты и другие малые тела, а также из облаков газа и пыли. Движением всех объектов Галактики управляет закон тяготения, открытый Ньютоном.

Но являются ли тождественными понятия «Галактика» и «Вселенная»? Существует ли что-то в мире, кроме нашей Галактики? Вмещает ли в себя наша Галактика все звезды и все туманности нашего мира?

Этот вопрос возник сразу же, как только астрономы начали открывать туманности. Некоторые из них разрешались на отдельные звезды (Гершель радовался возможностям своих телескопов), но некоторые на звезды не рас­падались, и оставалось непонятным — либо возможностей телескопа не хватает (туманность состоит из звезд, но слишком далека, чтобы это можно было рассмотреть), либо туманность устроена как-то иначе. Но может ли далекая туманность оказаться за пределами ­Галактики?

Сопоставление размеров 16,5-метровой деревянной трубы телескопа Уильяма Парсонса с ростом человека.

Последователь Гершеля Уильям Парсонс (1800–1867) — аристократ, третий граф Росс, который в 21 год уже был членом британского парламента, — был страстным любителем астрономии. На собственные деньги лорд Росс в 1845 году завершил сооружение гигантского телескопа-рефлектора с зеркалом диаметром 72 дюйма (182 санти­метра!) и фокусным расстоянием 58 футов[18]. Телескоп описан современниками как:

«…колоссальная деревянная труба шестидесяти футов длиной и более шести футов (более 183 см) в диаметре. Собственно она так толста, что в нее может не сгибаясь войти высокий мужчина… ­Поистине, это самый большой инструмент, когда-либо создававшийся для обозрения небес!»[19]

Друг Парсонса священник Томас Робинсон заявил на заседании Ирландской королевской академии наук: «Описывая, какой выглядит Луна с помощью этого инструмента, трудно сохранить надлежащую трезвость речи!»

Телескоп, называемый «Левиафан», оставался крупнейшим в мире более 70 лет. Построен на территории родового замка Бирр, Ирландия.

Этот телескоп упоминается в данной книге потому, что именно через него лорд Росс и Робинсон разглядывали странную туманность, имевшую форму спирали. Эта туманность значилась под номером 51 в каталоге Мессье. Французский астроном Шарль Мессье (1730–1817) охотился за кометами, но нередко он принимал за кометы туманности. Чтобы не ошибаться, он составил свой знаменитый каталог туманных объектов, и до сих пор некоторые туманности из этого каталога упоминаются астрономами под номерами из этого труда.

Лорд Росс тщательно зарисовал туманность М51. То, что наша Галактика имеет форму спирали, уже постепенно становилось понятным. Вопрос был чрезвычайно актуален: что такое М51? Это такая же галактика, как и наш Млечный Путь, или же это нечто спиральное внутри нашей Галактики?

Дать ответ на этот вопрос было крайне сложно: было ясно, что спирали, подобные М51 (а их открывали все больше), находятся очень далеко. Но насколько далеко? Внутри Галактики или за ее пределами?

Спиральная галактика М51.

Метод, который использовался для определения расстояний до ближайших звезд, для далеких объектов уже не работал. Смещение Земли в течение года для удаленных объектов не меняло направление на этот объект: если смотреть с удаленного объекта, вся орбита Земли превращается в точку. Других методов определения расстояний тогда не существовало.

Но оказалось, что сама природа подбрасывает подсказки ее сообразительным исследователям.

…Есть тип переменных (меняющих свою светимость) звезд, который получил название цефеиды. Нетрудно догадаться, что в названии фигурирует созвездие Цефей — именно здесь находится одна из наиболее характерных цефеид. Цефеиды периодически меняют светимость, их блеск плавно увеличивается, затем уменьшается, и все повторяется снова. Цефеиды продемонстрировали интересную закономерность: оказалось, что светимость цефеиды в максимуме (в момент, когда она излучает больше всего) зависит от периода — промежутка времени между двумя соседними минимумами. Если определить максимальные светимости нескольких цефеид и определить их периоды, на графике зависимости светимости от периода получится прямая линия. Это значит, что, зная период, можно довольно точно определить светимость в максимуме. Эту закономерность в 1908 году обнаружила американский астроном мисс Генриетта Ливитт (1868–1921).

Невозможность применения годичного параллакса Земли при определении расстояний для далеких объектов.

Смещение Земли из положения 1 в положение 2 составляет 152 млн км.

Выдающийся американский астроном Эдвин ­Хаббл (1889–1953) применил эту закономерность для определения расстояния до одной из туманностей, которая называется туманность Андромеды (нетрудно догадаться, в каком созвездии она находится). С помощью нового, крупнейшего в мире телескопа обсерватории Маунт Вилсон (диаметр зеркала телескопа составлял 2,5 метра), Хаббл рассматривал и фотографировал туманность Андромеды, которая оказалась скоплением звезд. В этом скоплении удалось выделить несколько цефеид (цефеиды — очень яркие звезды) и определить их периоды. Дальше по графику мисс Ливитт было несложно получить значения истинных светимостей цефеид. А затем оставалось сравнить истинный блеск це­феиды с наблюдаемым блеском.

Телескоп Хукера — главный телескоп обсерватории Маунт Вилсон, на котором работал Хаббл, — построен в 1917 году. Он опередил телескоп Парсонса и долго являлся крупнейшим телескопом мира. Работает он и сейчас.

Если вы точно знаете, что номинал наблюдаемой лампочки 100 ватт, можно определить расстояние до нее, измерив, сколько света от нее к вам приходит. Тут достаточно знать, что освещенность, создаваемая источником света, уменьшается обратно пропорцио­нально квадрату расстояния до него.

«Номинал» цефеиды в туманности Андромеды был известен по графику мисс Ливитт — период колебаний яркости Хаббл определил из наблюдений, и оставалось только «войти в график». Несложные расчеты позволили рассчитать, на каком расстоянии должна находиться цефеида в туманности Андромеды, чтобы ее яркость оказалась такой, какую мы наблюдаем.

График зависимости яркости цефеид от периода.

Ответ был ошеломляющим. Расстояние до цефеиды в туманности Андромеды (а значит, и до самой туманности) существенно превышало размеры Галактики! Значит, скопление звезд под названием туманность Андромеды находится далеко за пределами Галактики. Значит, это другая галактика — возможно, похожая на нашу… Расстояние до галактики М31 (так в каталоге Мессье обозначена туманность Андромеды) равно примерно 2,5 миллиона световых лет (напомним, что диа­метр Галактики составляет примерно 100 тысяч световых лет — в 25 раз меньше).

Расстояние до ближайшей к нам галактики М31 в сравнении с размерами нашей Галактики.

Так были открыты другие галактики.

Образ хотя и бесконечной, но стационарной (не меняющейся со временем) Вселенной, наполненной многочисленными галактиками, стал наиболее распространенным в среде образованных людей к началу ХХ века. Но этот образ оказался только отчасти правильным.

Но об этом — позже.

7. Вселенная, управляемая физикой

Бог Ньютону сказал откровенно: «Мне рулить надоело Вселенной! Сконструируй, Ньютон, Тяготенья закон — Пусть он сам управляет Вселенной!» Сергей Валлаго, «Законы природы»

Критическое мышление и основанный на нем научный метод позволяют добиться поразительных успехов. Еще раз повторим важный тезис: на протяжении десятков тысяч лет, пока не было науки, человек не мог ничего достоверно узнать об устройстве мира.

Замечательный пример применения научного метода — зарождение астрофизики.

Как узнать об устройстве Солнца, звезд и планет? Как получить информацию о том, из чего состоят небесные тела? Как определить их температуру, скорость движения (на больших расстояниях даже быстро движущиеся тела кажутся неподвижными)?

Казалось, узнать это невозможно. В просвещенном XIX веке, в 1835 году французский философ Огюст Конт писал:

«Мы представляем себе возможность определения их (небесных тел. — Авт.) форм, расстояний, размеров и движений, но никогда, никакими средствами мы не сможем изучить их химический состав, их минералогическое строение, природу органических существ, живущих на их по­верхности… Я остаюсь при своем мнении, что любое знание истинных средних температур звезд неизбежно должно быть навсегда скрыто от нас».

Слова вроде «навсегда» и «никогда» надо использовать аккуратно. Потенциал науки, вооруженной критическим мышлением, оказался громадным — она смогла решить эту задачу! При этом — не летая к далеким звездам.

Что попадает к нам на Землю от далеких звезд? Только свет. Начиная с середины XIX века физики выяснили, что свет несет в себе информацию о многих физических свойствах источника света, то есть звездах.

Еще опыты Ньютона показали, что в свете ближайшей к нам звезды — Солнца — присутствует свет с разной длиной волны. Там есть и световые волны, которые наш глаз воспринимает как красный цвет, и волны, которые мы получаем в виде желтого цвета, и так далее. Природа сама научилась разлагать свет в спектр — разноцветную полоску, в которой лучи света с разной длиной волны расходятся в разные стороны. В природе капельки воды в атмосфере могут работать как спектральный прибор — лучи солнечного света, проходя сквозь них, расходятся в разные стороны в зависимости от длины волны, и тогда мы видим радугу.

Ньютон соорудил первый искусственный спектральный прибор — спектроскоп. В ­дальнейшем физики научились строить более совершенные аппараты. Анализ спектров солнечного света позволил определять многое.

Например, удалось определить температуру излучающей свет поверхности Солнца, причем даже несколькими способами. Если с помощью спектрального прибора разложить солнечный свет в спектр, а затем измерить, сколько энергии приносят от Солнца отдельно красные лучи, отдельно зеленые, отдельно фиолетовые — получится график, напоминающий холм с более крутым левым склоном и более пологим правым.

Закон Вина. Точка максимума на графике смещается влево с повышением температуры.

Оказалось (физики смогли построить соответствующую теорию), что температуру поверхности Солнца можно определить, зная, где находится «вершина холма» на графике (какой длине волны приходящего света соответствует максимум излучения). Простая формула позволяет рассчитать температуру: она тем больше, чем меньше длина волны максимума этой кривой на графике. Эта закономерность носит название за­кона смещения Вина (по имени открывателя — лауреата Нобелевской премии по физике, немецкого физика Вильгельма Вина (1864–1928)). Закон можно сформулировать так:

Длина волны максимума излучения обратно пропорциональна температуре источника излучения Т (в нашем случае поверхности Солнца).

Почему закон называется законом смещения? ­Потому что максимум смещается на графике влево или вправо — в зависимости от температуры.

Представим себе, что максимум излучения звезды приходится на синие или фиолетовые лучи (длина волны равна 400 нанометрам). Это значит, что звезда очень сильно нагрета — температура ее поверхности равна 15–20 тысячам градусов!

Если максимум соответствует длине волны 500 нанометров (это зеленый цвет), температура равна примерно 6 тысячам градусов. К таким звездам, например, относится наше Солнце. В потоке света от Солнца больше всего зеленого и красного цветов, их смешение нашим глазом воспринимается как желтый. Поэтому Солнце и кажется желтоватым, хотя в потоке света от Солнца, конечно, есть и красные, и фиолетовые лучи. Нетрудно догадаться, что, согласно закону Вина, по цвету можно сразу определить температуру звезды: температура голубых звезд гораздо выше, чем у Солнца (15–20 тысяч градусов), зато температура красных звезд — меньше (3 тысячи градусов).

Самое замечательное, что расстояние до звезды не влияет на возможности определения ее температуры. Опытные астрономы могут грубо оценить температуру яркой звезды просто на глаз — исходя из ее ­цвета. Если света звезды хватает, чтобы разложить его в спектр и построить распределение энергии излучения по длинам волн, то максимум получившейся кривой на графике точно укажет на температуру этой звезды.

Теперь нужно остановиться и обсудить вопрос, который часто возникает у людей, далеких от физики. Автор хорошо себе представляет, как этот вопрос задала бы девочка, про которую рассказано в предисловии. «Вы, астрофизики, построили теорию, — говорят такие люди. — Но почему вы решили, что эта теория верна? Вы проводите какие-то непонятные измерения, потом применяете какие-то вычисления по каким-то вашим формулам и затем утверждаете, что нашли температуру далекой звезды. Но кто вам сказал, что вы нашли ее правильно? Как вы можете доказать, что ваш ответ верен?»

Дело в том, что законы природы действуют однозначно. У закона всемирного тяготения нет исключений. Рассчитывая эффекты, порождаемые им, включая траектории небесных тел, форму небесных тел (закон тяготения отвечает и за явление приливов), мы убеждаемся тысячи и миллионы раз, что все получается в полном согласии с расчетами. Спутники, космические корабли, ядра комет, астероиды движутся в полном соответствии с законом тяготения. Если мы видим, что ­закон (как нам кажется) нарушается — это значит, что воздействие каких-то тел в рамках этого же закона мы учитываем не полностью.

Так было, когда открытый Вильямом Гершелем Уран, судя по наблюдениям, двигался не совсем так, как можно было ожидать, исходя из закона тяготения. Появилась версия: закон верный, но мы не все учитываем! А что, если за Ураном вокруг Солнца движется еще одна планета, которая, в полном соответствии с законом тяготения, тоже притягивает к себе Уран и его орбита от этого «возмущается»? И тогда возникла задача: ­анализируя возмущения орбиты Урана, рассчитать, где должна находиться восьмая планета Солнечной системы. Французский астроном Урбен Леверье (1811−1877) выполнил необходимые расчеты и указал, куда надлежит навести телескоп. Немецкий астроном Иоганн Галле[20] (1812−1910) навел туда телескоп и обнаружил ранее не известную планету, названную Нептуном.

Гипотеза Урбена Леверье и выполненные им расчеты позволили открыть неизвестную планету за орбитой Урана.

Открытие Нептуна считается триумфом закона всемирного тяготения. Об этом открытии говорят, что оно было сделано «на кончике пера»: сначала координаты неизвестной планеты на небе были вычислены и записаны, а затем расчеты были подтверждены на практике наблюдениями.

Поразительно, но до сих пор появляются люди, которым почему-то не нравится закон тяготения, и они хотят предложить взамен что-то свое. Эти попытки обречены на провал: мы пользуемся законом ежесекундно, он проверен бесчисленное число раз и прекрасно действует. Нет сомнений, что теми же формулами можно будет пользоваться и через тысячу лет.

Вернемся к закону Вина. Он основан на других, также проверенных тысячи раз закономерностях, которые были использованы при его выводе. Но главное, что он проверен в экспериментах. Да, мы не можем непосредственно измерить температуру поверхности Солнца. Но мы можем сделать это во время эксперимента в лаборатории, определяя, как меняется форма графика распределения энергии излучения по длинам волн с изменением температуры источника излучения! Так вот, эксперименты в лаборатории показали: закон работает, форма кривой на графике соответствует результатам вычислений по формулам, расчеты температуры соответствуют измерениям. Это позволяет считать, что формула правильна.

Логика и математика в физике работают однозначно. Это означает, что если формулы правильны, то иначе быть не может. А формулы (как сказано выше) проверены, в том числе и в других экспериментах, и поэтому могут считаться доказанными. Кроме того, выше уже указывалось, что существуют и другие способы определять дистанционно температуру Солнца (или других звезд). Эти другие способы дают такой же результат: температура поверхности Солнца близка к 6 тысячам градусов. Результаты разных методов сходятся.

Решая школьную задачу, например, на сколько градусов нагреется вода, если поместить туда горячий кусок известного нам металла известной массы, не требуется каждый раз проверять решение задачи экспериментально. Используемые формулы столько раз проверялись на практике, что нет сомнений в их правильности. Сегодня так получается и в астрофизике. Отработанные за полтора столетия методы дают верные совпадающие результаты.

Кроме того, неправильная теория рано или поздно даст неверные предсказания, не в этом, так в другом случае. Одни и те же формулы используются в разных случаях, и если бы там была ошибка, обязательно проявился бы неверный ответ. Если же прогнозы, основанные на расчетах, всегда совпадают с теорией, — нет оснований не доверять теории.

Спектральный анализ позволяет определять не только температуру удаленных источников света. Спектры несут в себе и информацию о химическом составе источника излучения.

Сегодня мы знаем, что атомы вещества имеют свойства поглощать свет — каждый тип атомов на своей, вполне определенной, длине волны. Если взять спектр Солнца (или любой другой звезды), можно увидеть, что он пересечен множеством темных линий. Они называются линиями Фраунгофера — имя замечательного немецкого оптика уже упоминалось в этой книге.

Поскольку спектр — это разложение света по длинам волн, каждой длине волны соответствует свой участок спектра (своего цвета). И если, например, во внешних слоях звезды присутствует много атомов водорода, а атомы водорода имеют свойство поглощать свет на вполне определенной длине волны, понятно, что в спектре на этой длине волны будет меньше света. Часть света на этой длине волны оказалась поглощенной атомами водорода. Значит, опытный спектроскопист, анализируя спектр, увидит на этом месте недостаток света в спектре — темную линию Фраунгофера на длине волны, соответствующей поглощению света водородом, и скажет: «Ага! На этой звезде есть водород». Темные линии (их еще называют линиями поглощения) Фраунгофера похожи на отпечатки пальцев разных химических элементов. Если на спектре звезды видны линии, порожденные атомами железа, кислорода, кальция и так далее — это означает, что есть такие атомы в раскаленной оболочке звезды.

Более того. Нетрудно догадаться, что если атомов того или иного элемента там много, то и линия поглощения, принадлежащая этому элементу, будет более «мощной» (атомы «съедят» больше света на этой длине волны).

Теория линий поглощения физиками сейчас разработана детально. Анализируя спектральные линии, можно получить немало «зашитой» в спектре информации об источнике излучения. Дело это непростое (теория звездных спектров, технология их обработки и анализа достаточно сложны), но оно стоит усилий: благодаря анализу линий Фраунгофера мы можем определить химический состав Солнца и любой другой звезды! При этом расстояние до звезды не играет роли.

Итак, благодаря спектральному анализу человечество узнало то, о чем писал в 1835 году Огюст Конт, утверждая, что мы этого не узнаем никогда. Замечательно, что к тому времени Фраунгофер уже двадцать лет как открыл линии поглощения в спектрах. Но люди еще не знали, что это «метки», которые оставили атомы разных элементов в спектре Солнца.

В 1859–1862 годах теория спектрального анализа и методика определения химического состава далеких источников света была подробно разработана. Огромный вклад в эти исследования внесли немецкий физик Густав Кирхгоф (1824–877) и немецкий химик Роберт Бунзен (1811–1899). Наверно, не стоит пояснять, что спектральный анализ прошел испытание на лабораторных источниках и уже затем был ­перенесен «на небо».

Оказалось, что на вид спектральных линий влияют условия, которые царят там, где был испущен свет. Эксперименты показали, что некоторые линии поглощения могут расщепляться (раздваиваться и даже растраиваться) под воздействием магнитного поля — если оно есть там, откуда пришел свет. Это явление получило название эффект Зеемана (его открыл голландский физик Питер Зееман (1865–1943), один из первых в истории удостоенный Нобелевской премии по фи­зике). Обнаружение эффекта Зеемана в спектрах пятен на Солнце позволило открыть солнечные магнитные поля.

Расщепление линий Фраунгофера в магнитном поле. На нижних рисунках показаны различные проявления эффекта для линий поглощения в магнитном поле.

Для дальнейшего повествования чрезвычайно важен еще один эффект, применяемый в арсенале спектрального анализа. Речь идет об эффекте Доплера, открытом в 1842 году и, на первый взгляд, не имевшем никакого отношения к астрономии. Работавший в Праге австрийский физик и профессор математики Христиан Доплер (1803–1853) провел интересное исследование. Если поезд проходит мимо станции, тон его свистка (гудка) будет казаться выше наблюдателю на перроне, пока поезд приближается, и ниже, когда локомотив, пройдя мимо наблюдателя, начнет от него удаляться. Те, кто пользуется железной дорогой, безусловно, замечали, как резко меняется тон свистка встречного поезда, когда приближающийся локомотив превращается в удаляющийся.

Утверждается, что для проверки эффекта Доплер провел в 1845 году впечатляющий эксперимент. На ­перроне стояли люди с музыкальным слухом, а паро­воз провозил мимо них платформу, на которой играл духовой оркестр. Тон звука изменялся — он зависел от того, приближается или удаляется источник звука. Эксперты подтвердили, что так оно и есть.

В 1845 году Кристиан Бёйс-Баллот экспериментально проверил теорию Доплера. Наняв паровоз с грузовым прицепом и разместив на прицепе двух трубачей, он устроил «концерт на рельсах» — поставил им задачу попеременно играть ноту соль, чтобы звук не прерывался. На платформе между Амстердамом и Утрехтом Бёйс-Баллот поместил группу наблюдателей с отличным музыкальным слухом.

Но какое отношение все это имеет к астрономии? Французский физик Арман Физо (1819–1896) доказал, что эффект Доплера должен проявляться не только в звуковых, но в любых волнах! Если свет — это электромагнитные волны (а в ХIX веке это уже стало ясно), то длина волны должна меняться в зависимости от того, к нам или от нас движется источник ­света. Если сравнить спектр неподвижного лабораторного источника света и спектр источника, движущегося от нас, мы обнаружим, что все линии Фраунгофера сместятся в сторону более длинных волн (к красному концу спектра). Это смещение будет называться красным. ­Более того, по простой формуле можно определить, с какой скоростью от нас удаляется источник света.

Точные измерения показали, что, например, линии в спектре, полученном от восточного края солнечного диска, смещены в «синюю» сторону, а линии от западного края — в «красную» сто­рону. Это означает, что Солнце вращается вокруг своей оси: вещество на восточном крае к нам приближается, спектр демонстрирует синее смещение, а вещество на западном крае от нас удаляется (здесь наблюдается красное смещение). Так была независимым способом определена скорость вращения Солнца, и результат прекрасно совпал с данными, полученными по измерениям смещения трассеров на Солнце — например, солнечных пятен.

Красное смещение — сдвиг спектральных линий химических элементов в длинноволновую сторону (красный цвет спектра) Синее смещение — сдвиг спектральных линий в коротковолновую сторону (синий цвет спектра).

Итак, эффект Доплера позволяет определять скорость источника света вдоль луча зрения — к нам или от нас. Чем совершеннее спектрограф, которым оснащен телескоп, тем точнее можно измерить относительный сдвиг линий поглощения в спектре и вычислить скорость удаления или приближения источника света.

Таким образом в середине XIX века были заложены основы нового мощного метода изучения далеких небесных светил — спектрального анализа. Повторим еще раз: разлагая в спектр свет далекой звезды, можно получить информацию о химическом составе звезды, скорости, с которой к нам или от нас движется звезда, температуре поверхности звезды и магнитном поле, которое на ней существует.

Измеряя изменение скорости во времени, можно определить период обращения одной звезды вокруг другой[21] (если это двойная система), а по периоду и характеру изменения скорости судить об орбите звезды, ее вытянутости и отношении масс двух звезд, входящих в систему (для этого применяются законы Кеплера). Это еще далеко не полный список тех свойств далекого объекта, который можно получить, анализируя приходящий с огромных расстояний свет. Современные наблюдения на мощных телескопах, оснащенных точной совершенной аппаратурой, позволяют определять размеры, массу, плотность, наличие или отсутствие атмосферы, оценивать температуру планет, вращающихся вокруг далеких звезд, даже в том случае, если эти планеты вообще не видны в телескоп как отдельные объекты! Воистину, критическое мышление, вооруженное современными технологиями, а также большой объем накопленных знаний позволяют добиваться удивительных результатов.

Все эти методы, основа которых была заложена в XIX веке, быстро совершенствовались. Улучшались и инструменты (телескопы, оснащенные спектральными приборами). Астрономия стремительно развивалась, и поток достоверной информации о небесных телах увеличивался. В начале ХХ века люди уже очень много знали о мире, в котором мы живем.

Итак, Вселенная в понимании образованных людей начала ХХ века представляла собой бесконечный объем, заполненный гигантскими звездными скоплениями — галактиками. Сегодняшние возможности астрономии позволяют оценить число наблюдаемых галактик умопомрачительным числом в два триллиона. В каждой галактике — сотни миллиардов звезд, а около звезд, вероятно, существуют целые системы из планет, комет и астероидов. В межзвездном пространстве существуют гигантские разреженные облака из газа, пыли, а также из смеси газа с пылью. Так всегда было и так всегда будет — такие положения лежали в основе новой картины мира. Вся Вселенная управляется физическим законами, главным среди которых является закон тяготения. Он определяет траектории всех небесных тел, форму массивных небесных тел, порождает приливные явления. Во всей Вселенной равномерно течет одинаковое время.

Такая картина, установившаяся в головах образованных людей в начале ХХ века, была понятна, ее несложно было осознать и принять. Конечно, место планеты Земля и человека изменилось. Мы начали рассмотрение развития картины мира в умах людей с тех давних времен, когда Земля считалась плоской и накрытой твердым куполом. Земля полагалась сооруженной Создателем специально для человека. Затем она стала считаться неподвижным шаром в центре Вселенной, окруженным твердыми прозрачными сферами, где были закреплены планеты, Солнце и Луна. В ходе коперниканской революции Солнце и Земля поменялись местами, и земной шар навсегда ушел из центра мира.

Закон всемирного тяготения и следствия из него (законы Кеплера) сделали невозможными твердые сферы и объяснили, почему и как движутся небесные тела. Джордано Бруно объявил о бесконечности Вселенной. Телескопы позволили обнаружить туманности и помогли разобраться с устройством Млечного Пути, а в начале ХХ века было доказано, что бесконечная (скорее всего) Вселенная заполнена не звездами, а гигантскими скоплениями звезд — галактиками. Наша Галактика, в которой Солнце с его планетной системой находится далеко не в центре, является одной из многочисленных галактик, ничем особо не отличающейся… За две тысячи лет Земля от статуса Вселенной либо, в худшем случае, центра Вселенной стала микроскопической планетой в обычной планетной системе возле ничем не примечательной звезды в одной из множества галактик. Путь человека от вершины и цели творения до представителя биосферы на одной из множества планет также был пройден в сознании. Религиозные люди полагали, что мир оказался таким в соответствии с планом Создателя, люди нерелигиозные считали, что Вселенная стала такой в соответствии с законами природы.

Картина мира в головах людей изменилась самым существенным образом (спасибо критическому мышлению). Теперь она строилась на проверенных результатах наблюдений и достижениях науки. Казалось, что, наконец, человечество приблизилось к истине, мир стал понятен, и оставалось только уточнять подробности и дорисовывать несущественные детали в картине мира — написанной (великими учеными) хотя бы и крупными пока мазками.

Но все оказалось гораздо сложнее, и комфортная, понятная стационарная картина мира оказалась неверной!

Часть вторая

8. Вселенная относительная

Сегодня в полдень пущена ракета. Она летит куда скорее света И долетит до цели в семь утра Вчера... Самуил Маршак, «По теории относительности»

Иногда возникают вопросы: почему научное открытие было сделано именно тогда, когда оно сделано? Можно ли было сделать его на сто лет раньше?

Однозначных ответов на эти вопросы нет. Но похоже, что сделать открытие раньше определенного времени нельзя.

Дело в том, что каждое открытие требует определенного уровня знаний и определенного духа вре­мени. Спектральный анализ было невозможно разработать раньше XIX века. Таблицу Менделеева невозможно было выстроить в Средние века. Если Джордано Бруно и говорил о бесконечной Вселенной, его идея не стала общепризнанной — дух времени был еще не готов к восприятию такого устройства Вселенной. По той же причине гениальные догадки Аристарха о гелиоцентричности мира не были восприняты его современниками.

Определение расстояний до звезд, открытие других галактик не могли случиться без определенного уровня технологий. Человечество должно было сначала научиться изготавливать очень точные астрономические измерительные приборы, способные определять координаты небесных тел и измерять очень маленькие углы. Для таких открытий нужны телескопы с большим диаметром оптики, высокой точностью обработки поверхности вогнутых зеркал, а значит, сначала надо было создать технологии варки качественных ­оптических стекол, научиться сооружать сложные спектральные приборы. Требовалось использование множества специальных материалов, сплавов и так ­далее. Все это требует множество других знаний, умений, ­навыков, которые порой очень далеки от астрономии.

Другими словами, требовалось, чтобы наука, развиваясь широким фронтом, поддерживала и матема­тику, и физику, и металлургию, и многое другое. Только то­гда наука может ставить научные задачи, соответствующие уровню научно-технического развития человечества. Поэтому ответ на первый вопрос в начале главы таков: все происходит не случайно. Каждое открытие соответствует своему уровню развития цивилизации. Ньютон не смог бы открыть закон тяготения в первом веке. Гершель не смог бы строить телескопы, окажись он в Древнем Египте. Конечно, во все времена существовали гениальные люди уровня Ньютона и Гер­шеля. Но четыре тысячи лет назад они, скорее всего, оставались неграмотными, возможно, даже были рабами и реализовать свой потенциал не смогли — во всяком случае, мы об этом ничего не знаем.

Итак, какое представление о Вселенной сформировалось у образованной части человечества в начале ХХ века?

Еще раз повторим то, о чем сказано в предыдущей главе. Вселенная, скорее всего, бесконечна в пространстве и во времени. В бескрайнем пустом объ­еме ­Вселенной на огромных расстояниях друг от друга разбросаны гигантские скопления вещества — галактики. Они содержат сотни миллиардов звезд, некоторые из них (вероятно) обладают планетными систе­мами. ­Помимо звезд, в галактиках присутствуют облака из газа и пыли (туманности). Вселенная всегда существовала и всегда будет существовать, и она в среднем не меняется: и в далеком прошлом, и в далеком будущем мы увидели бы Вселенную такой же, как сейчас. Она управляется законом тяготения. Люди религиозные полагали, что такую Вселенную целенаправленно ­создал Творец, атеисты считали, что во Вселенной действуют бессознательные силы природы.

Интересно, что еще буквально веком раньше образованные люди уже получали от природы сигналы о том, что в такой картине мира что-то не так. Более того, логический анализ этих сигналов должен был привести к выводу, что описанная Вселенная просто не может существовать.

Первый грозный сигнал получил название гравитационный парадокс. На качественном уровне (без формул) идея сводится к следующему.

Почему, несмотря на влияние тяготения, среднее расстояние между звездами остается неизменным? Потому что (как считалось) одинаковое притяжение бесконечного числа звезд с одной стороны должно компенсироваться притяжением бесконечного числа звезд с противоположной стороны. Но тщательное рассмотрение картины показало, что это рассуждение не­верно. Тяготение работает только в одну сторону — массы всех физических тел притягиваются друг к другу. Отталкивающие же силы были в те времена неизвестны[22]. Это значит, что со временем расстояние между массивными телами (например, звездами, поскольку галактики еще не были открыты) должно уменьшаться. А чем ближе друг к другу оказываются гравитирующие тела, тем сильнее взаимное притяжение и тем сильнее должен «разгоняться» процесс сближения. Если позади у нас бесконечное количество лет, все звезды (или все галактики) давно должны были притянуться друг к другу и слиться в один сверхплотный ком вещества (вероятно, очень горячего). Ничего подобного мы не наблюдаем — галактики разбросаны на огромных расстояниях друг от друга и не демонстрируют никакого стремления сближаться.