Геннадий Горелик - Кто изобрел современную физику? От маятника Галилея до квантовой гравитации

Причиной такого скептицизма было то, что возраст Вселенной в два миллиарда лет слишком мал для астрономов. Некоторые звезды старше, и даже Земля, согласно хронологии, основанной на изучении радиоактивных изотопов, оказывалась старше Вселенной, что абсурдно. Вслед за статьей Хаббла его коллега Фред Цвикки предложил другое объяснение: фотоны от далеких галактик краснеют не потому, что галактики удаляются, а потому, что за миллионы лет своего путешествия фотоны от далеких галактик теряют часть своей энергии в силу какого-то взаимодействия с межгалактической средой, как говорили тогда, фотоны «стареют» или «устают». Чем дольше путешествуют, тем больше теряют, а значит, согласно квантовому соотношению E = hν, частота фотонов уменьшается, то есть они краснеют.

В 1931 году Хаббл писал де Ситтеру:

Мы глубоко тронуты Вашей любезной оценкой наших работ о скоростях и расстояниях туманностей. Мы говорим о «видимых» скоростях, чтобы подчеркнуть эмпирический характер этой связи. Интерпретацию, мы думаем, следует оставить Вам и тем очень немногим, кто компетентны обсуждать этот вопрос.

Осторожный астроном-наблюдатель пишет «туманности» вместо «галактики», хотя именно благодаря ему галактики утвердились в астрономии. Но его осторожное отношение к космологии более резонно.

Математический аппарат эйнштейновской теории гравитации настолько отличался от обычного аппарата астрофизики, что лишь немногие освоили его по-настоящему, тем более что применялся этот аппарат в считанных задачах. Да и сама возможность начала Вселенной шокировала и отбивала охоту у зрелых астрофизиков расширять свои математические знания.

Видный британский астрофизик Эдвард Милн, например, чтобы не переучиваться, придумал в 1932 году замену релятивистской космологии: шарообразное скопление галактик разлеталось в окружающую пустоту по законам Ньютоновой физики. Так он получил формулу разлета, сопоставимую с законом красного смещения, но, как быть с перигелием Меркурия и с отклонением света, «теория» Милна не знала и знать не желала. Зато не было проблемы «сотворения мира» из точки. Что случилось в начале разлета, было неясно, но пространству и времени ничего не угрожало.

Сопоставлять наблюдения с кустарными формулами Милна наравне с уравнениями Эйнштейна не могли астрофизики, широко смотрящие на мир. Двое из них были особенно компетентны обсуждать закон красного смещения.

Этот бельгийский астрофизик, прежде чем заняться наукой, стал католическим священником, всегда ходил в сутане, а свои статьи подписывал «аббат Ж. Леметр». Легко представить себе, какие мысли возникали у его коллег при первом знакомстве. Но даже и после знакомства нелегко было признать, что в его научных текстах все доводы подчинены обычной научной логике. Проще было его смелые идеи связать с сутаной, чем в них вдуматься.

Загадкой истории остается то, что закон красного смещения, называемый соотношением Хаббла, Леметр открыл за два года до Хаббла — в 1927 году. И лишь затем узнал, что динамическую космологию, с которой он связал наблюдаемый разлет галактик, открыл Фридман еще в 1922-м.

Жорж Леметр

Определился с профессией Леметр позже обычного, поскольку в его юношеские планы вторглась мировая война. Он изучал инженерные науки в Католическом университете, когда его мобилизовали в армию. Служил в артиллерии, за боевые заслуги был награжден орденом. После войны изучал математику, физику, астрономию и… готовился к рукоположению. Приняв сан священника, в 1923 году поехал в Англию изучать астрофизику под руководством Эддингтона, а затем в США — в ту самую Гарвардскую обсерваторию, где открытием ритма цефеид начался выход за пределы нашей Галактики. Со знанием первых плодов внегалактической астрономии вернулся в Бельгию и стал профессором в родном университете.

В 1927 году Леметр опубликовал свою ныне самую знаменитую, а тогда совершенно не замеченную статью. Опубликовал он ее на французском языке в неведомом бельгийском журнале — Бельгия отнюдь не была великой научной державой, а главными языками тогдашней астрофизики были английский и немецкий.

«Однородная Вселенная с постоянной массой и увеличивающимся радиусом объясняет радиальную скорость внегалактических туманностей» — длинноватое название статьи говорит и об астрономическом поводе, и о главном результате. Автор использовал статью Хаббла 1926 года о расстояниях до «внегалактических туманностей», то бишь других галактик, и статью коллеги Хаббла по обсерватории — о скоростях галактик. Заметив связь этих величин, Леметр оценил коэффициент разлета галактик (ныне называемый коэффициентом Хаббла) и получил около 600 км/сек  . Мпк — величина того же порядка, что у Хаббла два года спустя. При этом Леметр теоретически объяснил удивительный астрономический факт на основе нового, как он думал, решения уравнений Эйнштейна.

Опубликовав работу в малоизвестном журнале, Леметр тем не менее старался донести ее до первых лиц в тогдашней астрофизике. Он послал статью Эддингтону, но тот ее не прочитал (или не понял). Когда в 1927 году в Бельгию приехал Эйнштейн, Леметр встретился с ним и рассказал о своей работе. Эйнштейн указал ему на работу Фридмана, но, хоть и не имел математических доводов против, отвергнул физическую реальность расширяющейся Вселенной. По свидетельству Леметра, Эйнштейн ему сказал: «Математика у вас правильна, но физика отталкивающая».

Наконец, в 1928 году, Леметр отправился в соседнюю Голландию на конгресс Международного астрономического союза, встретился с его президентом де Ситтером, «космологом № 2», и попытался рассказать ему о своей работе. Увы, то ли президент был слишком занят конгрессом, то ли подобно Эйнштейну не допускал новую возможность, то ли в силу первого и второго просто не понял молодого теоретика-священника, говорящего о разбегании галактик.

На этот конгресс приехал из Америки и Хаббл. Нет свидетельств о его контакте с Леметром, но идея связать расстояния и скорости галактик слишком проста, чтобы исключить возможность какой-то неявной, опосредованной подсказки. Впрочем, простота идеи делает вполне вероятной и независимость двух открытий. Вскоре после возвращения с конгресса Хаббл опубликовал свою знаменитую статью. Так или иначе, роль Хаббла в открытии основного факта космологии несомненна — его измерения внегалактических расстояний, как и измерения скоростей Слайфером, были отправным пунктом для Леметра.

Именно астрономический авторитет Хаббла утвердил закон красного смещения как реально наблюдаемый факт. На обсуждении этого факта в Англии при участии Эддингтона и де Ситтера был признан теоретический тупик. Узнав об этом, Леметр вновь послал Эддингтону свою статью 1927 года. Тот наконец понял, организовал публикацию английского перевода статьи в главном астрономическом журнале и в своем комментарии назвал ее «блестящим решением» космологической проблемы.