Говерт Шиллинг - Складки на ткани пространства-времени [Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии] [litres]

Неужели Рэя Вайсса, Кипа Торна, Рона Древера и всех остальных обошли – после десятилетий разработки, строительства, тестирования и вложений сотни миллионов долларов?

Это тема главы 10. Но сначала я должен объяснить, как возникла Вселенная.

«Вначале было ничто, и оно взорвалось».

Эта знаменитая цитата из Терри Пратчетта часто используется (возможно, напрасно) для высмеивания космологии. Логика обычно следующая. Вы называете себя учеными? Утверждаете, будто что-то знаете о Вселенной? Да ладно, вся эта болтовня о Большом взрыве просто смешна – это же полная бессмыслица! Отсюда вытекает, что наука не может быть путем к истине. Возвращаемся к божественному Творцу или кому что больше нравится.

Я никогда не понимал этой аргументации. Наука не умеет лечить рак. Наука практически ничего не знает о сознании человека. Никто не считает это причиной отбросить науку за ненадобностью. Наоборот! Но, когда звучит труднейший, наиглавнейший, глубочайший вопрос – как все началось? – ученых высмеивают за то, что они до сих пор не раскрыли эту тайну. А на что вы рассчитывали?

Если вы не понимаете, откуда взялась Вселенная, то у вас хорошая компания. Даже умнейшие космологи не знают, с чего все началось. Самые светлые умы человечества не имеют представления, что происходило до Большого взрыва и правомерно ли вообще так ставить вопрос. Даже Стивен Хокинг не знал наверняка, действительно ли Вселенная бесконечна и одна ли она. Самые трудные вопросы – те самые, которыми задается любой ребенок, – пока не имеют ответов, но наука далеко ушла от аллегорических мифов древности.

Если вы когда-нибудь задумывались над проблемами космологии, то наверняка испытывали затруднения. Это всем свойственно. Расширение космоса, красное смещение для галактик, искривленное пространство, бесконечность… Космология – сложная штука, но у нас впереди целая глава, и я сделаю все возможное, чтобы провести вас через минное поле научных понятий.

Все слышали о Большом взрыве. Около 13,8 млрд лет назад Вселенная была сжата в одну бесконечно малую точку в пространстве, и Большой взрыв разметал ее вещество во всех возможных направлениях, правильно?

Неправильно.

Это первое – и главное – заблуждение. Большой взрыв произошел не в пространстве. Это был взрыв самого пространства. По крайней мере такая формулировка намного более точна. Большинство людей представляют себе Большой взрыв как гигантский фейерверк: он исходит из определенного места и расшвыривает вещество по пространству во все стороны. Как только заметите, что представляете Большой взрыв в виде фейерверка, выбросьте эту картину из головы. Она ложна.

Чтобы вам стало понятнее, давайте перенесемся назад во времени примерно на столетие. Астрономы открыли спиральные туманности, такие как Андромеда и Водоворот. Никто не знал их подлинной природы. Одни считали их относительно близкими завихренными облаками газа, из которых со временем может образоваться новая звезда. Другие – крупными скоплениями звезд на значительно большем удалении, намного дальше нашей собственной галактики Млечный Путь.

Измерить расстояние до спиральной туманности невозможно – между Землей и Андромедой не растянешь рулетку. Но о спиральных туманностях можно узнать многое другое: положение в небе, видимый размер, яркость и форму. Чем больше вы о них знаете, тем выше шансы понять, что они из себя представляют.

Весто Слайфер догадался, что может установить еще один параметр – скорость сближения туманности с нами или удаления от нас. Как и его младший брат Эрл, Весто был астрономом в обсерватории Лоуэлла в Флагстаффе, штат Аризона. Эрл занимался в основном планетами, а Весто больше интересовали туманности. В 1912 г. он первым измерил скорость спиральной туманности.

Как измерить скорость объекта, не зная расстояния до него? С помощью эффекта Доплера, о котором я рассказал в главе 6. Вспомните пример с проезжающей мимо скорой помощью. Когда она выруливает на вашу улицу и мчится, приближаясь к вам, звук ее сирены кажется более высоким. Когда она удаляется от вас, звук сирены заметно понижается. Изменение тона является мерилом скорости машины скорой помощи.

Аналогично, если звезда приближается к вам, наблюдаемые световые волны «уплотняются» и мы видим свет более высокой частоты, соответствующей чуть более голубому цвету. Если та же звезда удаляется от нас, частота кажется нам более низкой, цвет – красноватым. Из наблюдения крохотного сдвига цвета можно вывести скорость звезды, даже если вы не знаете, на каком она расстоянии.

К началу XX в. астрономы поставили много экспериментов по измерению так называемых лучевых скоростей звезд (скоростей сближения с нами или удаления от нас вдоль линии взгляда). В случае спиральной туманности это гораздо более сложная задача. Туманность не является четко ограниченной крапинкой света, как звезда. Это размытая клякса – причем довольно бледная. Однако Слайфер справился с задачей. Астрономы в других обсерваториях последовали его примеру.

Если бы вы могли измерить скорости всех неотложек в окрестностях, то ожидали бы, что примерно половина из них будет сближаться с вами и другая половина удаляться от вас. В противном случае пришлось бы сделать вывод, что вы находитесь в нестандартной ситуации. Например, на месте крупной аварии большинство машин скорой помощи будут ехать к вам (согласно вашим расчетам). Но в произвольном положении вы должны будете слышать столько же высоко звучащих сирен, сколько и низко звучащих.

Можете представить, как удивились Слайфер и его коллеги, обнаружив, что все спиральные туманности, которые им удалось наблюдать, удаляются (за одним исключением, к которому я еще вернусь). Во всех случаях свет, наблюдаемый с Земли, имел более низкую частоту, соответствующую более красному цвету. Иначе говоря, все туманности имели красное смещение. Это было совершенно невероятно – напрашивался вывод, что Земля занимает какое-то особое положение во Вселенной.

Прежде чем мы двинемся дальше, вам следует понять, что красное смещение – чрезвычайно слабый эффект. Туманность Водоворот не имеет багряного оттенка. Частотный сдвиг и соответствующий сдвиг длины волны (или цвета) слишком малы, чтобы их можно было различить на глаз. Астрономам приходится с высокой точностью измерять определенные характеристики света туманности. Например, горячий водород, как известно, излучает красный свет длиной волны 656 нм (0,000656 мм), а в некой спиральной туманности эта эмиссия может наблюдаться, скажем, на 658 нм. Однако это крохотное смещение свидетельствует о скорости удаления порядка 900 км/с.