Леонард Млодинов - Стивен Хокинг. О дружбе и физике

За годы, проведенные в обсерватории Маунт-Вилсон, Хаббл заметил, что по сравнению со светом, излучаемым атомами, находящимися на Земле, свет от других галактик смещен в сторону более низких частот, к красному сегменту спектра. Он заметил, что, чем дальше от нас галактика, тем больше «красное смещение».

В основе сдвига частот, который так поразил воображение Хаббла, лежит явление, впервые изученное австрийским физиком Христианом Доплером в 1842 году. Доплер обнаружил, что цвет наблюдаемого света, приходящего от источника, зависит от движения этого источника по отношению к нам. Свет покраснеет, если источник удаляется о нас, и посинеет, если этот источник приближается. Если принять во внимание теорию Доплера, работа Хаббла показала, что галактики удаляются от нас, и чем дальше они, тем быстрее движутся. Это привело к ошеломляющему выводу: Вселенная не только намного обширнее, чем можно было вообразить, но, более того, она расширяется.

Чтобы объяснить расширение Вселенной по Хабблу, астрофизики иногда пользуются разными аналогиями – например, булочкой с изюмом. Но прежде чем перейти к аналогии, заметим, что расширение Вселенной происходит по-другому, нежели, например, взрыв бомбы. При взрыве бомбы горячий газ и осколки разлетаются в окружающем пространстве. Но у Вселенной нет «окружающего пространства». Когда физики говорят, что Вселенная расширяется, они имеют в виду следующее: растет объем самого пространства, оно раздувается изнутри. Если вы зафиксируете любые две точки во Вселенной, расстояние между ними будет увеличиваться со временем.

А теперь перейдем к аналогии, к нашей булочке. Представим себе, что мы погружены в колобок из теста, напичканный изюмом равномерно по всему объему. Этот колобок представляет собой наше трехмерное пространство. Изюминки изображают скопления галактик. Аналогия неточная, потому что у булочки с изюмом есть край – ее внешняя поверхность. У пространства нет края, но для цели, которую преследует наша аналогия, это не важно. Допустим, тесто поднялось и радиус колобка удвоился. Пусть сначала между нами и какой-либо изюминкой был один дюйм; после того, как тесто поднялось, расстояние между нами и изюминкой выросло вдвое. Если от нас до какой-либо изюминки вначале было три дюйма, то теперь расстояние выросло до шести. Вторая изюминка передвинулась на три дюйма за то же самое время, так что скорость ее удаления от нас в три раза больше скорости первой изюминки. Третья изюминка, которая вначале располагалась в пяти дюймах от нас, будет теперь находиться на расстоянии десяти дюймов, то есть она прошла пять дюймов за то же время. Если тесто будет продолжать подниматься и расширяться, все изюминки будут двигаться от нас в разные стороны, и, чем дальше от нас была изюминка, тем быстрее она будет удаляться.

В 1929 году, почти век спустя после того, как Дарвин начал формулировать свою теорию эволюции в биологии, Хаббл открыл, что Вселенная тоже эволюционирует. Но идея о неизменности Вселенной сдавала свои позиции с большим трудом. Физики горазды на всякие ухищрения, и они начали «стряпать» разные теории, чтобы спасти дорогой их сердцу предрассудок. Авторство одной из самых известных попыток в этом направлении принадлежит Фреду Хойлу: он создал теорию стационарной Вселенной. Последователи этой теории не оспаривали тот факт, что далекие галактики разлетаются от нас, но утверждали, что постоянно образуется новое вещество, так что по мере расширения Вселенной плотность вещества остается неизменной и новое вещество заполняет вновь образующееся пространство. В этом смысле Вселенная может оставаться неизменной в космическом масштабе.

Главным конкурентом теории стационарной Вселенной в то время был Большой взрыв. Хойл теорию о Большом взрыве не поддерживал, но этот термин возник благодаря ему. В 1949 году, во время интервью на радио BBC , Хойл упомянул «гипотезу о том, что все вещество во Вселенной было создано при Большом взрыве в какой-то момент в удаленном прошлом». Некоторые потом утверждали, что он произнес это саркастически. Сам Хойл это отрицал. Как бы то ни было, название за теорией закрепилось.

Если теория оказывается достойной внимания физиков, первое, что они с ней делают, – дают ей название. Теория Большого взрыва получила наименование только через двадцать лет после своего возникновения, и это говорит само за себя. Теорию придумал Жорж Леметр, гениальный бельгийский священник, он же профессор физики. Анализ уравнений Эйнштейна привел его в 1927 году к выводу о том, что Вселенная должна расширяться. Это случилось за два года до того, как Хаббл в своей работе показал, что так оно и есть. Затем Леметр отметил, что, если Вселенная становится больше, значит, она должна была быть меньше в прошлом; и чем дальше в прошлое мы погружаемся, тем меньше она становится. В 1931 году он пришел к мысли о том, что когда-то, в далеком прошлом, размеры Вселенной должны были быть равны нулю – другими словами, вся масса Вселенной должна была быть сосредоточена в одной точке. Он назвал это состояние «первородным атомом».

Казалось, теория Большого взрыва подразумевала существование момента творения, но и тут ловкие физики нашли способ уклониться от такого вывода. Они создали вариант теории Большого взрыва, в которой в незапамятные времена Вселенная была сжата не в одной точке, а в некоем небольшом объеме; в далеком прошлом частицы вещества могли «скользить» мимо друг друга. В результате, вместо того чтобы быть сжатыми в одной точке, частицы могли пролететь рядом друг с другом, а потом вновь разлететься. Таким образом, Вселенная может быть вечной и циклической – циклы расширения и сжатия могут сменять друг друга. Именно эти две точки зрения, теория стационарной Вселенной и варианты Большого взрыва, превалировали среди физиков в тот момент, когда Стивен поступил в Кембридж – по крайней мере, среди тех физиков, которые вообще склонны были задумываться о происхождении Вселенной.

Однажды, когда я затронул тему религии, Стивен сказал мне, что он не увлекается метафизикой. Подобно философам, Стивен хотел дать ответы на глубокие вопросы мироздания, но желал сделать это с помощью науки. Поэтому ему было намного труднее, чем философам. Если в философии вы можете теоретизировать, сколько душе угодно, то в науке одного рассудка недостаточно. Научный эксперимент может подтвердить либо опровергнуть вашу правоту. Стивен чувствовал, что ученых, начиная от Ньютона и заканчивая Эйнштейном, подвели их философские и религиозные убеждения, соблазнив идеями, которые не были в достаточной мере подтверждены теорией или физическими экспериментами. Поэтому с самого начала Стивен подверг сомнению утверждение о неизменности и вечности Вселенной. Не менее важно то, что он не был согласен и с гораздо более распространенным убеждением – что сам этот вопрос не имеет большого значения.