Мартин Рис - Всего шесть чисел. Главные силы, формирующие Вселенную [litres]

Возможно, мы спросим, почему красное смещение предполагает расширение, а не какое-то новое физическое явление, которое проявляется на больших расстояниях. Возможность эффекта вроде «старения света» порой все еще обсуждается, хотя никто так и не разработал жизнеспособную теорию, согласующуюся со всеми доказательствами (например, это явление должно производить одно и то же относительное изменение в длине волны света и не должно искажать изображения отдаленных объектов). Нерасширяющая Вселенная на самом деле влечет за собой куда больше парадоксов, чем любая теория Большого взрыва. У звезд нет бесконечного запаса энергетических ресурсов; они изменяются и в конце концов исчерпывают свое топливо. То же самое происходит и с галактиками, которые, по существу, состоят из звезд. Вполне возможно определить возраст самых старых звезд в Млечном Пути и в других галактиках, сравнив их свойства с расчетами того, как эволюционируют звезды. Самым старым из них примерно 10 млрд лет, что полностью согласуется с точкой зрения о том, что наша Вселенная расширяется чуть дольше этого срока. Если бы наша Вселенная была статичной, все галактики должны были бы таинственным образом оказаться на своих сегодняшних позициях – причем синхронно – примерно 10 млрд лет назад. Нерасширяющаяся Вселенная создает серьезные проблемы на уровне логики.

С высокой степенью вероятности расширение началось 10–15 млрд лет назад, наиболее точные цифры – 12–13 млрд лет назад [20] По сегодняшним уточненным данным, 13,7–13,8 млрд лет. – Прим науч. ред. . Есть две причины этой неуверенности в возрасте нашей Вселенной. Расстояние до галактик (в отличие от скорости разбегания) по-прежнему не всегда измеряется точно, а также оценка этого возраста зависит от того, насколько быстрее (или медленнее) Вселенная расширялась в прошлом.

Свет движется с конечной скоростью, из-за этого мы видим отдаленные места не такими, какими они являются сейчас, а такими, какими они были очень давно. В более ранние эпохи Вселенная была более сжатой – «штыри» в нашей «пространственной решетке» были короче. Поэтому другая картина Эшера, «Ангелы и демоны» (рис. 5.2), лучше отображает то, что мы видим на самом деле.

Мы ожидали, что отдаленные галактики будут выглядеть не так, как те, которые расположены рядом с нами. Свет от них провел в пути долгое время, поэтому они были младше и менее развиты, когда испустили тот свет, который теперь достиг нас. На той стадии еще не весь первоначальный газ образовал звезды. Эти эволюционные изменения происходят так медленно, что станут заметными только через миллиарды лет. Таким образом, чтобы понять общее направление этих изменений, нужно исследовать такие далекие галактики, чтобы их свет шел до нас несколько миллиардов лет.

Космический телескоп имени Хаббла, названный в честь первооткрывателя космического расширения, движется высоко над Землей, чтобы избежать искажающего эффекта атмосферы и сделать четкие фотографии очень далеких районов космоса. Приборы «Хаббла» настолько чувствительны, что при длинной выдержке позволяют увидеть плотно расположенные в небе тусклые пятнышки, даже если поле зрение так мало, что покрывает менее сотой доли размера полной Луны и при наблюдениях с помощью обычного телескопа этот участок выглядит как черное пятно. (Думаю, великолепные фотографии, сделанные космическим телескопом, оказали на общественное сознание такое же сильное воздействие, как первые снимки из космоса, сделанные в 1960-х гг., на которых была запечатлена Земля со всей ее хрупкой биосферой.) На фотографиях «Хаббла» мы видим тусклые объекты, принимающие самые различные формы, в миллиард раз тусклее, чем любая звезда, которую мы можем увидеть невооруженным глазом. Но каждый из них – это целая галактика размером тысячи св. лет, которая кажется такой маленькой и тусклой, потому что находится на огромном расстоянии. Эти галактики выглядят иначе, чем наши ближайшие соседи, потому что мы видим их сразу после того, как они сформировались: они еще не приняли форму устойчивых вращающихся дисков, как фотогеничные спиральные галактики, изображенные в большинстве книг по астрономии. Некоторые из этих далеких галактик состоят в основном из светящегося рассеянного газа, который еще не сгустился в отдельные звезды. Большинство дальних галактик выглядят значительно более голубыми по сравнению с ближайшими (после поправки на красное смещение, разумеется), потому что массивные голубые звезды, которые к настоящему времени уже умерли, еще светили в то время, когда свет покинул эти далекие галактики.

Эти изображения показывают нам, как такие галактики, как наш Млечный Путь, выглядели, когда зажглись их первые звезды. Когда мы смотрим на Туманность Андромеды, мы можем спрашивать себя, не наблюдают ли андромедяне за нами, используя телескопы еще более мощные, чем у нас. Может быть, они так и делают. Но в тех далеких галактиках никаких подобных достижений техники нет: мы смотрим на их очень примитивную стадию развития, еще до того, как прошло достаточно времени, чтобы многие звезды закончили свое существование. У них еще нет сложной химии; кислорода, углерода и других элементов очень мало для того, чтобы появились планеты, поэтому шанс на существование жизни минимален. Мы видим эти галактики на этапе, когда только закладывались основные строительные материалы для создания планетных систем. (Свет, который мы детектируем, на самом деле излучался в дальней ультрафиолетовой области спектра. Такое излучение невозможно увидеть глазом, и оно даже не проникает сквозь земную атмосферу. Но жесткое ультрафиолетовое излучение этих галактик переходит в красный свет к тому времени, когда добирается до нас.)

Самые отдаленные галактики имеют такое сильное красное смещение, что длина световой волны растянута больше чем в шесть раз: до такой степени должна была расшириться Вселенная с того времени, когда этот свет начал свой путь. Если допустить, что расширение сохраняется стабильным и галактики не ускоряются и не замедляются, то в то время, когда масштаб Вселенной составлял одну шестую своего сегодняшнего размера (расстояния – «штыри» в пространственной решетке Эшера – были в шесть раз меньше), ее возраст составлял одну шестую ее сегодняшнего возраста. На первый взгляд это утверждение может показаться спорным: не означает ли, что галактика должна удаляться в пять раз быстрее скорости света, если свету потребовалось пять шестых возраста нашей Вселенной, чтобы добраться до нас? Но противоречия в этом нет. Специальная теория относительности Эйнштейна (СТО) гласит, что ничто не может двигаться быстрее света относительно нас, когда время измеряется нашими собственными часами . Но та же теория говорит и о том, что быстро двигающиеся часы идут медленнее. Такие часы и в самом деле могут пролетать по пять св. лет за каждый год, который они отсчитывают, если будут двигаться со скоростью, составляющей 98 % скорости света.