Маркус Чаун - Гравитация. Последнее искушение Эйнштейна

В 1923 году Хаббл сумел ответить на этот вопрос с помощью 100-дюймового [207] 2,5 метра. ( Примеч. ред. ) телескопа Хокера, самого большого из подобных аппаратов на Земле, установленного в обсерватории Маунт-Вилсон в Южной Калифорнии. Хаббл направил его на туманность Андромеды и сумел не просто рассмотреть отдельные звёзды, но и выделить из них звёзды особого типа — их свет становился то ярче, то слабее, помогая определить расстояние до них. Эти звёзды, названные цефеидами, убедительно доказали, что туманность Андромеды (а значит, и все прочие спиральные туманности) находится на огромном расстоянии от Млечного Пути. [208] В 1908 году Генриетта Левитт открыла одно свойство цефеид: чем больше период их пульсации, тем выше их собственная светимость. Соответственно, светимость цефеиды всегда можно вычислить по периоду её пульсации. Зная, насколько яркой она должна выглядеть с Земли и в каком виде наблюдается на самом деле, астрономы могут рассчитать расстояние до неё.

Так Хаббл открыл, что базовыми элементами Вселенной являются галактики. Наш Млечный Путь, насчитывающий 100 миллиардов звёзд, — это всего лишь одна галактика из примерно двух триллионов. [209] «Космос большой. Очень большой. Даже представить себе невозможно, какой он большой, огромный, колоссальный, сокрушительно-исполински-великанский». Дуглас Адамс, «Автостопом по Галактике», глава 8.

Затем Хаббл решил измерить скорость движения галактик, продолжив труд ещё одного сотрудника обсерватории Маунт-Вилсон Милтона Хьюмасона. [210] Частота (или высота) звука полицейской сирены повышается, если полицейская машина приближается к вам, и понижается, когда она начинает удаляться. Точно так же и частота света, излучаемого атомами в звезде, может становиться выше или ниже в зависимости от того, движется эта звезда по направлению к Земле или от неё. Измерив величину этого «доплеровского смещения» для атомов распространённых элементов, таких как водород, астрономы могут определить скорость движения звезды. К 1929 году Хаббл провёл достаточно измерений, чтобы заявить о необычном открытии. Почти все галактики не приближались к Млечному Пути, а удалялись от него. При этом, чем дальше от нашей Галактики они находились, тем быстрее двигались. Хаббл понял, что Вселенная расширяется. Удивительно, но гипотеза о Большом взрыве, выдвинутая Фридманом и Леметром на основании теории гравитации Эйнштейна, описывала реальные события.

Но одно дело — открыть, что Вселенная расширяется, и совсем другое — понять, что означает данный факт. Для этого к собственному открытию нужно отнестись серьёзно, а учёным частенько сложно поверить, что их запутанные математические уравнения имеют непосредственное отношение к реальности.

В конце 1930-х годов американский физик украинского происхождения Георгий Гамов задумался о расширении Вселенной по другим причинам. Он пытался найти источник происхождения всех существующих в природе химических элементов.

Таблица Менделеева насчитывает 92 элемента — от самого лёгкого, водорода, до самого тяжёлого, урана. Гамов полагал, что Вселенная началась с водорода (самого простого кирпичика в космическом конструкторе Lego), а все прочие элементы постепенно происходили от него. Но для этого потребовалась бы огромная печь, температура в которой доходила бы до многих миллиардов градусов. [211] Для формирования элементов требуются высокие температуры, потому что атомные ядра имеют положительный заряд. Одинаковые заряды отталкиваются друг от друга, поэтому ядра яростно сопротивляются любому сближению. Но если столкнуть их на очень высокой скорости, можно преодолеть силу отталкивания и два ядра могут оказаться достаточно близко друг к другу, чтобы в дело вступили силы ядерного взаимодействия. А высокая скорость — это синоним высокой температуры, ведь температура — это всего лишь микроскопическое движение.

Звёзды не казались Гамову подходящими кандидатами на эту роль (тут он ошибался), [212] Артур Эддингтон, разработавший теорию о внутреннем строении звёзд, полагал, что, когда звёзды вращаются, потоки газа внутри них перемешиваются. Звезда превращает своё водородное топливо в гелиевый пепел, а побочным продуктом этой реакции является солнечный свет. В ходе данного процесса водород распределяется внутри звезды, и так происходит до тех пор, пока звёздный свет не тускнеет и не исчезает окончательно. Но Эддингтон был не прав. Никакого смешения не происходит. Вместо этого гелиевый пепел оседает в центре звезды, где сжимается и нагревается. Когда водородное топливо заканчивается, гелий пережигается в углерод, который тоже падает в центр звезды, сжимается и нагревается. В результате звёздный материал оказывается вовсе не равномерным, сами звёзды не потухают, а становятся химически дифференцированными, а их центр в течение миллионов и миллиардов лет становится всё плотнее и горячее. Возникают благоприятные условия для формирования элементов. и он начал поиски другого источника. Именно в этот момент он и представил себе, что будет, если проиграть расширение Вселенной задом наперёд. Через какое-то время (сегодня нам известно, что оно составляет 13,82 миллиарда лет) вся материя во Вселенной окажется сжатой до минимального объёма. Тогда-то и должно было произойти рождение Вселенной — Большой взрыв.

Если сжимать материю, она начинает нагреваться (об этом знает каждый, кто пытался накачать колёса велосипеда с помощью насоса). Гамов понял, что температура при Большом взрыве должна была быть огромной. Это был огненный шар, взрыв атомной бомбы.

Не все химические элементы могли быть созданы в гипотетической печи Гамова. [213] Все существующие в природе элементы не могли возникнуть в момент Большого взрыва, потому что огненный шар материи слишком быстро расширился и остыл. Условия, необходимые для формирования элементов, действовали примерно с первой до десятой минуты жизни Вселенной. Тем не менее этого было достаточно для возникновения атомов самых лёгких элементов, например лития и бериллия. В частности, Большой взрыв должен был превратить около десяти процентов атомов водорода в атомы гелия. Именно такое соотношение наблюдается сегодня во Вселенной, и это ещё один аргумент в пользу теории Большого взрыва. Почти все прочие, более тяжёлые элементы, от железа в нашей крови и кальция в костях до кислорода, которым мы дышим, родились внутри звёзд уже после Большого взрыва. Но, ошибаясь, Гамов одновременно был прав — такое часто случается в науке. Тот факт, что Вселенная расширяется, означает, что она родилась из огненного взрыва. Поразмыслив, Гамов понял и вот что: жар от этого взрыва ещё не должен был остыть.