Марио Ливио - От Дарвина до Эйнштейна. Величайшие ошибки гениальных ученых, которые изменили наше понимание жизни и вселенной

Вопрос «Каково расстояние от Земли до ближайшей планеты» современную космологию не занимает. Даже вопрос более крупного масштаба, например, «Каково расстояние от Млечного Пути до соседней галактики», и то не предмет космологии. Космология изучает общие свойства наблюдаемой Вселенной в среднем – то, что получается, если усреднить все данные, которые получают наши самые мощные телескопы. Хотя галактики склонны собираться и в маленькие группы, и в крупные скопления, и те, и другие держит сила тяготения, и если мы возьмем достаточно крупный объем, Вселенная окажется очень однородной и изотопной. Иначе говоря, во Вселенной нет привилегированных мест и все примерно одинаково выглядит, куда ни посмотри. С точки зрения статистики любой космический куб со стороной 500 миллионов световых лет или больше с точки зрения содержимого будет выглядеть как все остальные такие же кубы, где бы они ни находились (один световой год – это расстояние, которое свет проходит за год, примерно 9 триллионов километров). И чем больше брать масштаб, тем точнее становится это приблизительное усреднение – вплоть до «горизонта» наших телескопов. Космология занимается именно теми вопросами, ответы на которые одинаковы, независимо от того, в какой галактике мы оказались или в какую сторону случайно направили телескоп.

Эйнштейн выдвинул идею крупномасштабной однородности и изотропии пространства еще в 1917 году, однако эта упрощающая поправка получила высокий статус фундаментального принципа благодаря статье английского астрофизика Эдуарда Артура Милна, вышедшей в 1933 году. Милн назвал свой принцип «расширенным принципом относительности»: согласно ему, «не только законы природы, но и события, происходящие в природе и само мироздание должны представляться наблюдателю одинаковыми, где бы он ни находился» [331]. Сегодня оговорка об однородности и изотопии называется космологическим принципом (этот термин ввел в обращение немецкий астроном Эрвин Финлей-Фройндлих), а самое сильное прямое доказательство его справедливости – «Отсвет Творения», реликтовое фоновое космическое микроволновое излучение. Реликтовое излучение – это отпечаток первобытного состояния Вселенной, когда она была горячей, плотной и непрозрачной. Это излучение идет отовсюду, и оно изотропно с точностью выше одной десятитысячной (по выражению астронома Боба Киршнера, «гораздо глаже, чем попка младенчика»). Кроме того, о высокой однородности свидетельствуют и исследования галактик на больших пространственных масштабах. Во всех исследованиях, которые охватывают такой большой кусок космического пространства, что его можно назвать «хорошим образцом», даже самые заметные и бросающиеся в глаза особенности космической структуры мельчают и сглаживаются.

Поскольку действенность космологического принципа для разных участков пространства доказана, естественно задаться вопросом, можно ли обобщить его и на время . То есть можно ли утверждать, что крупномасштабная структура Вселенной не меняется со временем и так же постоянны ее физические законы? Именно этот серьезный вопрос задали себе Хойл, Бонди и Голд в 1948 году. Как ни курьезно, подсказал его блистательной троице, вероятно, английский фильм ужасов «Глубокой ночью» (на илл. 24 приведен оригинальный плакат к фильму). Вот как описывал последовательность событий сам Хойл:

«В каком-то смысле теория стационарной Вселенной, можно сказать, зародилась тем вечером, когда мы с Бонди и Голдом в очередной раз зашли в кино в Кембридже… В нем [то есть в фильме «Глубокой ночью»] рассказаны четыре истории о потусторонних явлениях, на первый взгляд не связанные друг с другом, а соль заключалась в том, что конец четвертой истории неожиданным образом оказывался связан с началом первой и таким образом закладывалась основа для бесконечного цикла [332] .»

Когда коллеги возвратились в Колледж Св. Троицы, Голд вдруг спросил: «А вдруг Вселенная как раз такая?» Он имел в виду, что Вселенная, вероятно, вовлечена в вечный цикл без начала и конца. Идея была, конечно, интересная и многообещающая – с одной оговоркой: она на первый взгляд противоречила открытию космолога Жоржа Леметра и астронома Эдвина Хаббла, по чьим данным стало известно, что Вселенная расширяется. Казалось бы, космическое расширение указывает скорее на линейную эволюцию, которая начинается с горячего и плотного состояния (Большого взрыва) и четко задает направление оси времени. Хойл, Бонди и Голд прекрасно знали об открытии Хаббла и Леметра, поскольку уже много раз говорили между собой и о нем самом, и о его возможных следствиях. В интервью, данном в 1978 году, Голд вспоминал об этих оживленных дискуссиях:

«В итоге получилось, что в течение какого-то времени мы с Хойлом и дело очень подолгу засиживались в комнатах Бонди в колледже и постоянно – на этом настаивал Хойл – обсуждали, что же на самом деле означает открытие Хаббла. Вот галактики и все прочее, к примеру, разлетаются в стороны – не значит ли это, что потом станет ужасно пусто? А в прошлом все было очень плотное? [333] »

Все эти рассуждения привели к неожиданному результату: Хойл, Бонди и Голд начали серьезно задумываться над вопросом, можно ли каким-то образом увязать наблюдаемое расширение Вселенной с теорией стационарной Вселенной.

Однако прежде чем исследовать эту увлекательную тему, вернемся ненадолго в двадцатые годы. Открытие расширения Вселенной – не просто величайшее астрономическое открытие ХХ века: его роль в ляпсусах Хойла и Эйнштейна так велика, что было бы познавательно сделать краткое отступление, чтобы очертить историю этого прорыва. Эта история имеет прямое отношение к нашей главной теме еще и потому, что в 2011 году в хронологии тогдашних событий обнаружился крайне интересный поворот, наделавший большого шума среди астрономов и историков науки.

Когда космологи говорят, что наша Вселенная расширяется, они основывают свое утверждение в первую очередь на доказательствах, которые черпают из очевидного движения галактик. При этом часто приводят очень упрощенный пример, позволяющий наглядно представить себе, о чем речь.

Представьте себе двумерный мир, существующий исключительно на поверхности резинового мячика (илл. 25). То есть галактики в таком мире – просто приклеенные к поверхности маленькие плоские кружочки (вроде тех, которые получаются, когда прокалываешь бумагу дыроколом). Для обитателей подобного мира нет пространства ни вне шарика, ни внутри него: весь мир – это только поверхность. Обратите внимание, что центра у этого мира нет, поэтому все кружочки на поверхности находятся в равном положении (вспомним, что центр мячика лежит вне этого мира). Границ или пределов у этой Вселенной тоже нет. Если точка пустится в путь по сферической поверхности в том или ином направлении, ни до какого края она не дойдет. А что будет, если начать надувать мячик? Независимо от того , к какому кружочку на поверхности вы по воле случая принадлежите, вы увидите, что все остальные кружочки разлетаются от вас. Более того, чем дальше от вас кружочек, тем быстрее он будет удаляться: кружочек, который отстоит от вас на расстояние вдвое больше другого кружочка, будет двигаться вдвое быстрее (поскольку за то же время будет покрывать расстояние вдвое больше). Иначе говоря, скорость удаления будет пропорциональна расстоянию. Общая теория относительности Эйнштейна предполагает, что ткань пространства-времени в нашей Вселенной ведет себя именно так, и простой пример с мячиком можно вывернуть наизнанку. То есть из открытия, что все далекие галактики от нас удаляются, в сочетании с тем фактом, что скорость удаления пропорциональна расстоянию, следует, что пространство нашей Вселенной растягивается (к этому мы вернемся в главе 10). Обратите внимание, что расширение Вселенной нельзя сравнивать со взрывом гранаты. Взрыв гранаты происходит в пространстве, которое уже существовало, у него есть определенный центр (и границы). Во Вселенной движение к расширению возникает, поскольку растягивается сама ее ткань. И все галактики ничем не отличаются друг от друга: из любой точки вы увидите, как все остальные галактики разбегаются от вас во все стороны.