Карл Саббаг - Веревка вокруг Земли и другие сюрпризы науки

До недавнего времени скорости расширения Вселенной, поддающиеся измерению, были в области 30 000 километров в секунду. Когда галактика удаляется от нас на такой скорости, изменение цвета испускаемого ею света достаточно заметно и легко поддается измерению.

Методика измерения такова.

Большинству читателей наверняка известно, что свет, воспринимаемый нами как белый, на самом деле состоит из световых волн всех цветов радуги. Если пропустить свет через призму так, чтобы после преломления он падал на лист белой бумаги, вы увидите спектр цветов: от красного к желтому, зеленому и голубому. Все эти цвета обычно смешиваются в единый луч белого света, а треугольная стеклянная призма, преломляя его, раскладывает луч на цвета спектра. Если бы источник белого света очень быстро удалялся от призмы, цвета спектра изменились бы. Фиолетовый свет, который был на одной из границ спектра, превратился бы в синий, голубой сменился бы на зеленый, а зеленый свет казался бы желтым. Все цвета сместились бы к красной границе спектра. Если бы такое случилось с белым светом, исходящим, скажем, от Солнца, те световые волны, которые находились за пределами фиолетовой границы спектра (ультрафиолетовые волны), стали бы фиолетовыми, так что для невооруженного глаза ничего не изменилось бы. Но физики научились выявлять это смещение, используя так называемые эмиссионные линии.

Каждый химический элемент, если его нагреть жаром звезды, галактики или на горелке Бунзена, начнет испускать свет, в спектре которого — в определенной его части — будут различимы отчетливые яркие линии. Спектральные рисунки разных элементов хорошо узнаваемы по расстояниям между линиями и по яркости самих отдельных линий. Таким образом, когда астрономы видят, что линии какого-то конкретного элемента — к примеру, гелия, чьи волны обычно находятся в желтой части видимого спектра, — сместились в сторону красной границы спектра, они понимают, что источник света, содержащий гелий, удаляется от нас, и могут определить, как быстро он движется, измерив, насколько его волны отклонились в сторону красного.

Этот способ отлично подходит для астрономических тел, обладающих высокой скоростью, но в случае с объектами, которые движутся или изменяют скорость медленно, он не столь эффективен. А между тем в астрономии есть разделы, где незначительные изменения скорости очень важны. Один из таких подразделов астрономии исследует вероятность существования планет, вращающихся по орбитам вокруг далеких звезд. Эти планеты не видны в телескоп, но их можно выявить по влиянию на движение звезды, вокруг которой они вращаются.

Если вы полагаете, будто планета вращается вокруг центра неподвижной звезды, то ошибаетесь: и звезда, и планета вращаются вокруг точки, расположенной между центрами этих двух тел, но ближе к центру более массивного тела, то есть звезды. Больше всего это похоже на тамбурмажорский жезл с набалдашниками разной величины на концах, который крутят вокруг точки, расположенной близко к одному из концов. Это означает, что, пока планета описывает большой круг, звезда тоже движется, проявляя в своем спектре то синее, то красное смещение, в зависимости от того, приближается она к наблюдателю или удаляется от него.

Однако перемещения таких звездно-планетных систем, по сравнению с мощным красным смещением удаляющихся галактик, столь незначительны, что подобным способом можно обнаружить только самые большие планеты — такие, которые в триста раз крупнее Земли и возникновение жизни на которых крайне маловероятно из-за очень высокой силы тяжести.

Если астрономы ищут смещения спектральных линий при помощи обычного спектроскопа, их исследования зачастую не приносят желаемых плодов: изменения бывают столь незначительны, что спектроскоп их вообще не фиксирует. Но недавно группа ученых из немецкого Института астрофизики Общества Макса Планка изобрела метод наложения очень тонких калибровочных линий, напоминающих деления на металлической линейке, на спектр отдаленных астрономических объектов. Благодаря этому методу стало возможно засечь даже самое крохотное смещение, вызванное такой невысокой скоростью, как, допустим, один сантиметр в секунду.

Это новое приспособление называется «лазерный частотный гребень» и основывается на лазере, испускающем лучи разного спектрального состава под управлением атомных часов, которые измеряют время с точностью до одной миллиардной доли секунды; такие лазеры могут воспроизводить искусственные спектры с высочайшей точностью. Этот спектр служит аналогом делений на металлической линейке и позволяет устанавливать положение эмиссионной линии удаленного объекта с гораздо большей точностью, чем раньше.

С изобретением новых приборов для наблюдения и измерений астрономия стала двигаться вперед семимильными шагами. Пока лазерный частотный гребень находится в стадии разработки и почти не применяется для решения многочисленных астрономических вопросов, ожидающих ответа. Но как только его начнут использовать для обнаружения далеких планет размером с Землю, можно ожидать существенного скачка в поисках жизни во Вселенной.

Способность науки доказать что-либо часто переоценивается. Дни сменяются днями, в очередной раз наступает рассвет, но гипотеза о том, что Земля не стоит на месте, а вращается, до сих пор не доказана, она просто получила подтверждение. Благодаря тем же самым наблюдениям можно подтвердить и совершенно противоположные предположения, например, что Солнце вращается вокруг Земли. Однако наука может найти наблюдениям и более достойное применение — они помогают опровергать те или иные гипотезы.

Скажем, гипотеза, гласящая, что все лебеди белые, подтверждается (хотя и не надежно) всякий раз, когда мы видим белого лебедя. Но одно-единственное наблюдение — когда мы своими глазами видим черного (а также красного или синего) лебедя — опровергает эту гипотезу.

Важный пример великой пользы, которую приносят науке наблюдения, дает относительно недавняя работа двух космологов: Мартина Риса и Пита Хата. Они выдвинули предположение, что Вселенная может находиться в опасном нестабильном состоянии, возникшем из-за процесса охлаждения, который сопровождает Вселенную на протяжении всех тринадцати миллиардов лет ее существования. Это состояние было названо метастабильным минимумом, поскольку выглядит Вселенная как будто бы стабильно (метастабильно), но на деле это может оказаться не так. У нее есть все шансы стать весьма нестабильной.

Для лучшего понимания представим себе две горы и ущелье между ними. Круглый валун, лежащий в самой низкой точке ущелья, стабилен, то есть в данном случае устойчив. Вы можете толкать его вверх, в сторону той или другой горы, однако, как бы вы ни старались, в конце концов он все равно скатится на свое место, на самое дно. Но если у одной из гор примерно на полпути к вершине есть уступ и площадка на нем слегка наклонена в сторону склона горы, вы можете представить себе валун, лежащий на этом уступе, и он тоже будет казаться довольно устойчивым. Если вы подтолкнете его к краю уступа, но в последний момент остановитесь, он откатится в изначальное положение. Однако если вы будете толкать с большим упорством, валун доберется до края и рухнет в ущелье. Он находился в метастабильном состоянии, которое перешло в нестабильное.