Стационарная Вселенная невозможна

Вернемся к 20-м годам прошлого века. Революционную теорию относительности Эйнштейна сразу же принял математик Александр Александрович Фридман, который принадлежал к Петербургской математической школе и был тогда директором Санкт-Петербургской геофизической обсерватории. Он быстро понял, что в уравнениях Эйнштейна нет места для стационарной Вселенной, и в своих работах показал неизбежность ее расширения. Более того, Фридман был первым, кто высказал мысль о том, что когда-то Вселенная могла быть сжатой до невообразимо высокой плотности. Сейчас это понятие, основанное на итогах науки ХХ века, известно каждому студенту-естественнику. Но как к этой мысли мог прийти Фридман, когда в его время даже о существовании других галактик ничего не было известно? Он писал: «Возможны случаи, когда Вселенная сжимается в точку (в ничто), затем снова из точки доводит радиус свой до некоторого значения…» Эйнштейн поначалу не понял работ Фридмана и даже выступил в печати с их критикой. Было это в 1922 году. Но через год опубликовал новую статью в том же журнале, в которой писал, что Фридман прав. (Фридман оставил много других интересных идей. Ему принадлежат, в частности, классические работы по метеорологии. Вероятно, он мог бы сделать намного больше, но умер в 1925 году в Крыму от тифа в возрасте 37 лет).

Из области наблюдательной астрофизики к Эйнштейну тоже приходили захватывающие новости. Еще в 1912 году астроном Весто Слайфер из Флагстафской обсерватории в Аризоне (США), наблюдая спектры некоторых странных туманностей, обнаружил, что линии в их спектрах сильно смещены в «красную» сторону. Позже это явление было названо красным смещением. (Красное смещение - это эффект Доплера, то же, что резкое понижение тона сигнала автомобиля или шума самолета, когда они пронеслись и удаляются от вас.) Свои результаты Слайфер опубликовал в 1917 году. Тогда не было известно, что «странные» туманности – далекие гигантские острова звезд, другие галактики, подобные нашей (рис. 1). Более того, о существовании иных галактик вообще никто ничего не подозревал. Хорошее было время: Галактика потрясала своими размерами, а с ней отождествлялась и вся Вселенная. Как ни вспомнить, что и Землю когда-то воспринимали плоской, той, что в пределах горизонта. Слайфер продолжал свои наблюдения много лет. Затем к нему присоединился Эдвин Хаббл: в его распоряжении был самый большой тогда 2,5-метровый телескоп обсерватории Маунт Вилсон в Калифорнии (США). В 1927-1929 годах Хаббл пришел к выводу, что красное смещение – это следствие взаимного удаления галактик. Оставался всего один шаг, чтобы понять, что Вселенная расширяется, как и предсказывал Фридман. (Интересно отметить, что другое фундаментальное свойство Вселенной - существование реликтового излучения – предсказал в 1948 году ученик Фридмана – Георгий (Джордж) Гамов, который после 1933 года стал невозвращенцем и работал в Европе и США.) Хаббл обнаружил, что, чем дальше находятся галактики, тем с большей скоростью они удаляются. Оказалось, что скорость удаления галактики просто определяется умножением расстояния до нее на некоторую постоянную, которая и получила название постоянной Хаббла.

Постоянная Хаббла

У постоянной Хаббла странная размерность: единиц чего-то в секунду. Скорости разбегания галактик получаются огромными, до сотен тысяч километров в секунду, а где-то приближаются к скорости света. Исследователи быстро сообразили, что на определенном расстоянии галактики просто перестанут быть видны – именно там, где скорость их удаления компенсирует скорость света. Это расстояние – горизонт Вселенной. Из совсем современных данных (в том числе о постоянной Хаббла) получается, что горизонт отстоит от нас на 13,7 миллиарда… Чего? Здесь впору вспомнить сержанта, который велел солдатам копать канаву «отсюда и до обеда». Расстояние в астрофизике измеряют в световых годах, то есть временем, которое требуется свету, чтобы его преодолеть (или в парсеках, что составляет 3,26 светового года). В километрах один световой год выражается единицей с 13-ю нулями, или 10-ю триллионами (то есть миллионами миллионов) километров. А 13,7 миллиарда лет потребовалось бы для того, чтобы свет от звезд такой воображаемой галактики на горизонте Вселенной дошел до нас; это расстояние и составляет 13,7 миллиарда световых лет. И звезд, и этих далеких галактик давно уже нет, но их свет все еще несется к нам. Интересно, что хотя во времена Фридмана постоянная Хаббла еще не существовала, но из совсем других соображений он оценил расстояние до горизонта Вселенной в 10 миллиардов световых лет.

Если для простоты считать, что время во всей Вселенной течет одинаково, легко понять, что соседей наших (то есть близкие галактики) мы видим почти такими же, в том же возрасте, как они есть. Но галактика, удаленная от нас на расстояние миллиона световых лет, видится на миллион лет моложе, чем она есть сейчас. Миллион световых лет – это по небесным меркам сущие пустяки. Астрономы наблюдают галактики на расстоянии в миллиарды световых лет и больше. Соответственно, они видятся уже на миллиарды лет моложе. Таким образом, выбор расстояния – это одновременно и выбор возраста исследуемого объекта, разрез Вселенной во времени. Чем дальше вы смотрите, тем более давние события видите, тем моложе там Вселенная. Почти вплоть до ее рождения. До точки, из которой в один миг и сразу во всей Вселенной началось разбегание материи. Первым в 50-х годах о природе этой точки задумался уже упоминавшийся Георгий Гамов. Другой известный астрофизик, Фред Хойл, назвал начало разбегания Большим взрывом. Название прижилось. (Кстати, излюбленным хобби обоих астрофизиков были размышления о происхождении жизни. И не только размышления. Г. Гамов был первым, кто еще до биофизиков расшифровал код аппарата наследственности. А Ф. Хойл, проведя расчеты, иллюстрировал происхождение жизни таким примером: разложите на площади все детали разобранного до винтика большого авиалайнера и дождитесь урагана. Вероятность возникновения живой клетки такая же, как то, что ураган случайно соберет все детали в готовый к взлету самолет.)