Борис Штерн - Прорыв за край мира

Парадигма вечной Вселенной дожила до 1920-х годов и пала жертвой не столько собственных противоречий, сколько новых фактов и теорий. Для начала уточним, что именно в картине мира XIX века потерпело крушение.

Вопреки тезисам современных философских поветрий, родственных постмодернизму, достижения науки прошлых веков никто не отвергал — они просто приобрели новый, более ограниченный смысл в более широком контексте. Астрономия XVII—XIX веков дала примерную картину ближней Вселенной, которая в целом выдержала испытание временем, хотя и была существенно дополнена и пересмотрена в ряде деталей.

Крушение потерпела не научная теория, а, скорее, философская доктрина, вышедшая за круг научно установленных фактов. Она казалось естественной, очевидной, простой и была желанной для разума. Природа в очередной раз преподала нам урок: не всё, что кажется очевидным и привлекательным с философской точки зрения, является истиной. Реальность оказалась сложнее, драматичнее и даже трагичнее: Вселенная родилась, эволюционирует и перестанет существовать в ее нынешнем виде. Как и всё, что в ней содержится. Всё течет, всё изменяется, всё проходит. Вселенные — тоже.

Сокрушающим фактом стал закон разбегания галактик, открытый Эдвином Хабблом, теоретической основой революции — общая теория относительности Эйнштейна и решения уравнений Эйнштейна для Вселенной как целого, найденные Александром Фридманом и позже Жоржем Леметром. Главные события революции произошли в 1920-х годах.

Хроника примерно такова

1915-1917 годы: Эйнштейн формулирует общую теорию относительности, из которой следует нестационарность Вселенной как целого. Эйнштейн этого не хотел и попытался подправить теорию, введя произвольно дополнительный лямбда-член (или космологическую постоянную, как чаще называют ее сейчас), который мог бы стабилизировать Вселенную (хотя и не обеспечивал устойчивости).

1922 год: Александр Фридман показывает, что Вселенная с лямбда-членом неустойчива, и публикует решения уравнений Эйнштейна, описывающие нестационарную Вселенную. Поначалу его работа не нашла поддержки в научном сообществе, в частности, поддержки Эйнштейна.

1923-1925 годы: Эдвин Хаббл видит в спиральных туманностях цефеиды -переменные звезды с известной зависимостью периода от светимости. Из видимой яркости цефеид следует гигантское расстояние до них. Такое расстояние, что спирали не могут быть ни чем иным, кроме как галактиками, подобными нашей собственной. Так утвердилась внегалактическая астрономия, начало которой было положено чуть ранее Слайфером, разглядевшим в спиральных туманностях звезды.

1927 год: Жорж Леметр продолжает дело Фридмана, независимо воспроизведя его решения и активно пропагандируя теорию нестационарной Вселенной. Вводит понятие Большого взрыва (сам термин появился много позже; Леметр использовал понятие «первичный атом»).

Леметра воодушевляли первые данные Хаббла и Слайфера, говорящие, что спектры большинства галактик смещены в красную сторону. Это трудно интерпретировать иначе, как эффект Доплера: большинство галактик удаляется от нас. Леметр теоретически предсказывает закон красного смещения: скорость удаления галактики пропорциональна расстоянию до нее. Более того, он берет данные Слайфера по красному смещению галактик и результаты Хаббла по оценке расстояний до галактик и подтверждает свою догадку: числа свидетельствуют о расширении Вселенной с темпом 625 км/с на мегапарсек. Но данные были еще не убедительны, и автором закона в историю вошел Хаббл.

1929 год: Хаббл, основываясь на большем количестве измерений, публикует свой закон пропорциональной зависимости красного смещения от расстояния, ошибившись в 7 раз в определении коэффициента этой зависимости. Эйнштейн признает нестационарность Вселенной и Большой взрыв, а также называет лямбда-член своей ошибкой. Лямбда-член, однако, остался висеть, подобно ружью, на стене и впоследствии, как в хорошей пьесе, выстрелил, да еще как!

На этом первую космологическую революцию можно было считать свершившейся, хотя факт ее свершения осознали совсем немногие. Сам Хаббл в то время не был уверен, что его закон доказывает расширение Вселенной. К тому же ошибка в определении постоянной Хаббла ставила под сомнение всю складывающуюся картину: возраст Вселенной, определяемый как момент начала разлета галактик, получался слишком маленьким — где-то 2 млрд лет.

Ошибка Хаббла складывалась из нескольких составляющих. Во-первых, неправильная калибровка «стандартной свечи» в качестве которой использовались цефеиды — звезды с периодическими колебаниями блеска, у которых абсолютная яркость жестко зависит от периода. Эта яркость была занижена, и расстояние до ближайших галактик с различимыми цефеидами, соответственно, занижено. Расстояние до более далеких галактик определялось с помощью их ярчайших звезд — это была вторая, более яркая «стандартная свеча». Здесь Хаббл тоже ошибся — он во многих случаях за ярчайшие звезды принял компактные очаги звездообразования, которые ярче любой звезды. Эти и другие неточности сработали в одну сторону, дав огромную ошибку — недооценку расстояний до галактик. Более-менее правильная величина постоянной Хаббла была определена лишь в 1950-е годы, но еще долго оценки разных групп различались почти в два раза.

3.1. Эдвин Хаббл (1889-1953). Фото «Википедии»

Концепция Большого взрыва решает перечисленные в первой главе парадоксы одним легким движением. Парадокс Ольберса объясняется красным смещением в расширяющейся Вселенной. Когда объект удаляется, его яркость снижается по двум причинам: энергия квантов падает из-за эффекта Доплера и уменьшается темп их прихода к наблюдателю. Кроме того, у Вселенной появляется горизонт, из-за которого не приходит ничего. Проблема тепловой смерти снимается простым соображением о том, что она еще только впереди. Проблема гравитационной неустойчивости отпадает вообще: в расширяющейся Вселенной неоднородности растут медленней и заведомо не успевают привести к каким-либо парадоксам.