Стивен Вайнберг - Первые три минуты

Вернемся к 1929 году. Хаббл определил расстояния до 18 галактик по видимым светимостям их ярчайших звезд и затем сравнил эти расстояния с соответствующими скоростями галактик, определенными спектроскопически по их доплеровским сдвигам. Его заключение состояло в том, что имеется «приблизительно линейное соотношение» (т. е., попросту, пропорциональность) между скоростями и расстоянием. В действительности, взгляд на данные Хаббла оставляет меня в полном недоумении: как ему удалось сделать такое заключение, ведь галактические скорости кажутся совершенно не связанными с их расстояниями, имеется лишь слабый намек на рост скоростей с увеличением расстояния. На самом деле, мы и не должны ожидать, что для этих 18 галактик выполняется точное соотношение пропорциональности между скоростью и расстоянием, — все они слишком близки, ни одна не находится дальше, чем скопление в Деве. Трудно избежать заключения, что, опираясь либо на простые аргументы, изложенные выше, либо на соответствующие теоретические достижения, которые будут обсуждаться ниже, Хаббл просто знал тот ответ, который хотел получить.

Как бы там ни было, но к 1931 году данные заметно улучшились и Хаббл смог проверить пропорциональность между скоростью и расстоянием для галактик, имеющих скорость до 20 000 км/с. Вместе с доступными тогда оценками расстояний это приводило к выводу, что скорость возрастает на 170 км/с на каждый миллион световых лет расстояния; следовательно, скорость 20 000 км/с соответствует расстоянию 120 миллионов световых лет. Это число, равное отношению приращения скорости к приращению расстояния, общеизвестно как «постоянная Хаббла». (Она постоянна в том смысле, что пропорциональность между скоростью и расстоянием одинакова для всех галактик в данный момент времени, но, как мы увидим, постоянная Хаббла изменяется со временем в процессе эволюции Вселенной).

В 1936 году Хаббл, работая вместе со спектроскопистом Милтоном Хьюмасоном, смог измерить расстояние и скорость для скопления галактик Большая Медведица II. Было найдено, что это скопление удаляется со скоростью 42 000 км/с (14 процентов скорости света). Расстояние, оцененное тогда в 260 миллионов световых лет, соответствовало пределу возможностей телескопа Маунт-Вилсон, и работа Хаббла должна была остановиться. С вводом в действие после войны больших телескопов в обсерваториях Паломар и Маунт-Гамильтон другие астрономы возвратились к программе Хаббла (особенно Аллан Сэндейдж в обсерваториях Паломар и Маунт-Вилсон), и эта работа продолжается по сей день.

Общий вывод, сделанный в результате полувековых наблюдений, заключается в том, что галактики удаляются от нас со скоростями, пропорциональными расстоянию (по крайней мере, для скорости, не слишком близкой к скорости света). Конечно, как уже отмечалось, при нашем обсуждении Космологического Принципа это не означает, что мы находимся в каком-то специально выбранном или, напротив, неудачном месте в космосе; любая пара галактик разлетается с относительной скоростью, пропорциональной разделяющему галактики расстоянию. Наиболее важным изменением первоначальных выводов Хаббла явился пересмотр шкалы внегалактических расстояний; отчасти в результате пересчета соотношения период-светимость для цефеид Ливитт-Шепли, сделанного Вальтером Бааде и другими, оценки расстояний до далеких галактик дают в настоящее время цифры, примерно в десять раз большие, чем представлялось во времена Хаббла. Таким образом, сейчас считается, что постоянная Хаббла равна только примерно 15 км/с на миллион световых лет.

Что все это говорит нам о происхождении Вселенной? Если галактики разлетаются друг от друга, то когда-то они должны были быть ближе друг к другу. Точнее, если бы их скорости были постоянными, то время, необходимое для того, чтобы любая пара галактик достигла теперешнего взаимного удаления, как раз равнялось бы теперешнему расстоянию между ними, деленному на их относительную скорость. Но если скорость пропорциональна теперешнему расстоянию между галактиками, то это время одинаково для любой пары галактик — они все должны были быть близко друг к другу в один и тот же момент времени в прошлом! Принимая постоянную Хаббла равной 15 км/с на миллион световых лет, получаем, что время, прошедшее с тех пор, как галактики начали разлетаться, должно равняться миллиону световых лет, деленному на 15 км/с, или 20 миллиардов лет. Мы будем называть «возраст», вычисленный таким способом, «характерным временем расширения»; это есть просто обратная величина постоянной Хаббла. Истинный возраст Вселенной в действительности меньше характерного времени расширения, потому что, как мы увидим далее, галактики не двигались с постоянной скоростью, а несколько замедлялись под влиянием взаимного тяготения. Поэтому если постоянная Хаббла равна 15 км/с на миллион световых лет, то возраст Вселенной должен быть меньше, чем 20 миллиардов лет.

Иногда мы все это суммируем, говоря кратко, что размер Вселенной увеличивается. Это не означает, что Вселенная обязательно имеет конечный размер, хотя такое и возможно. Подобное выражение используется потому, что в любой заданный момент времени расстояние между любой парой типичных галактик увеличивается на одну и ту же относительную величину. За любой интервал времени, который достаточно мал для того, чтобы галактические скорости оставались примерно постоянными, увеличение расстояния между любой парой типичных галактик дается произведением их относительной скорости и интервала времени или, если использовать закон Хаббла, произведением постоянной Хаббла на расстояния между галактиками и времени. Но тогда отношение увеличения расстояния к самому расстоянию будет равно произведению постоянной Хаббла и пройденного времени, которое одинаково для любой пары галактик. Например, за промежуток времени, равный одному проценту характерного времени расширения (обратной величины постоянной Хаббла), расстояние между каждой парой типичных галактик увеличивается на один процент. Мы можем тогда сказать, выражаясь несколько небрежно, что размер Вселенной увеличился на один процент.

Я не хочу создавать впечатления, что все согласны с такой интерпретацией красного смещения. Ведь на самом деле мы не наблюдаем разбегающихся от нас галактик; все, в чем мы уверены, это то, что линии их спектров смещены в красную сторону, т. е. в сторону больших длин волн. Есть выдающиеся астрономы, которые сомневаются в том, что красные смещения имеют какое-то отношение к доплеровским сдвигам или к расширению Вселенной. Хальтон Арп из Хейльской обсерватории подчеркивал существование групп галактик, в которых некоторые галактики имеют красные смещения, сильно отличающиеся от остальных; если такие группы представляют собой реальные физические ассоциации соседних галактик, то едва ли они могут иметь сильно различающиеся скорости. Кроме того, Маартен Шмидт обнаружил в 1963 году, что некоторый класс объектов, хотя и имеет вид звезд, тем не менее обладает чудовищными красными смещениями, превышающими в некоторых случаях 300 процентов! Если такие «квазизвездные объекты» действительно так далеки, как указывают их красные смещения, они должны излучать грандиозные количества энергии для того, чтобы быть столь яркими. Наконец, совсем нелегко определить связь между скоростью и расстоянием на действительно больших расстояниях.