Освещение, красное смещение и расширяющаяся Вселенная - Теория пульсирующей Вселенной
Теперь мы подходим к замечательным исследованиям, проведенным Хабблом на одном из самых крупных телескопов США. Направляя спектроскоп, соединенный с этим телескопом, на галактики, он обнаружил, что в каждом случае спектр был обычным, но весь он как целое без изменений в деталях был сдвинут к красному концу спектра.
Единственным разумным объяснением .было предположить, что это хорошо выраженный эффект Допплера, обусловленный движением галактик от нас с очень большой скоростью. Но это было не все, ибо Хаббл сделал еще два удивительных открытия. Во-первых, он обнаружил, что все галактики удалялись от нас. Ни одна не приближалась к нам, хотя изучались многие. Во-вторых, он открыл, и это было в равной мере удивительно, что скорость удаления росла пропорционально расстоянию. Чем дальше от нас галактики, тем быстрее они движутся. В то время как некоторые из более близких галактик движутся медленно (в единицах скорости световых волн), другие, находящиеся на огромном расстоянии в 10 млн. световых лет, несутся от нас с удивительной скоростью 1600 км/сек. Затем, как будто этого было недостаточно, Хабблу удалось исследовать пространство на огромную глубину в 350 млн. световых лет, где одна из галактик имеет столь большой эффект допцлеровского смещения, что она должна уноситься от нас со скоростью не менее 60000 км/сек, что составляет одну пятую самой скорости света. Действительно, все детали спектра были сдвинуты как целое примерно на пятую часть своих длин волн, так что линия, которая на Земле, скажем, была зеленой, в спектре этой туманности была совсем красной. Спектральные линии появляются в характерных группировках, поэтому их отождествление вполне однозначно. Все групповые детали как целое были смещены к красному концу спектра.
Эти открытия были столь неожиданными, что предпринималось несколько попыток объяснить красное смещение. По-видимому, однако, единственное удовлетворительное объяснение для красного смещения — допплеровский эффект. В одной теории было высказано предположение, что огромное межзвездное пространство заполнено совсем разреженной материей и, пока свет от звезды доходит до нас, повторные столкновения света с разреженной материей приводят к небольшим потерям энергии света. Свет, теряющий энергию, сдвигается к красному концу спектра. Величина смещения зависит от величины пройденного пути, так что, чем дальше источник света, тем краснее принимаемый от него свет.
Эта теория связана с некоторыми трудностями. Как объяснить, почему эффект должен быть одинаковым для всех длин волн в спектре? Давно известно, что рассеяние света атомами сильно зависит от длины световой волны. Такой эффект рассеяния должен был бы возрастать на синем конце спектра, а этого не наблюдается.
Теория пульсирующей Вселенной
Другое предположение состоит в том, что пространство само постепенно меняет свои свойства. Допускается, что изменение длин волн обусловлено гигантским интервалом времени, в котором разворачиваются события; что вследствие какого-то изменения Вселенной^ длины волн, скажем, миллион лет назад отличались от сегодняшних длин волн. Поскольку чем дальше находится от нас звезда, тем ранее по времени было послано ее излучение, этим можно было бы объяснить увеличение эффекта с расстоянием. Может быть, что-то в этом духе и есть, но, конечно, теорию такого рода почти невозможно доказать.
Необычные открытия Хаббла.на первый взгляд выглядят абсурдом. Почему все должно уходить от нас? Конечно, никто и не собирается всерьез думать, что спектроскоп д-ра Хаббла находится точно в центре всей Вселенной. И все-таки если это не так, то как же получается, что все галактики разбегаются от этой точки? И каков этот загадочный механизм, который заставляет галактики разлетаться все быстрее пропорционально увеличению расстояния от нас?
Одно замечательное и глубокое решение было найдено в основном благодаря работе де Ситтера и Эйнштейна. Было высказано предположение, что вся Вселенная стационарно расширяется *. Давайте посмотрим, как это предположение снимает возникшие трудности. Представим себе, что у нас есть игрушечный воздушный шар, который мы можем надуть, как показано на рис. 9. Пусть на его поверхности будет нарисовано несколько равноотстоящих белых кружков. Будем считать, что они представляют собой галактики. Пусть один из кружков, неважно какой, будет черным, и пусть он изображает Землю. Будем теперь непрерывно надувать шар. И что же мы обнаружим? Расстояния между точками возрастают, и все они кажутся удаляющимися друг от друга. Предложи жим теперь, что мы находимся на черном кружке, тогда мы увидим, что все белые кружки удаляются от; нас и ни один не приближается к нам. Более того, в то время как самые ближайшие кружки раздвигаются с некоторой определенной скоростью, кружки, находящиеся дальше от нас, расходятся гораздо быстрее. Скорость расхождения пропорциональна расстояниям кружков от черного кружка. Эта модель точно воспроизводит то, что было обнаружено во Вселенной. Если реальная Вселенная расширяется с постоянной скоростью, как наша модель надувного шара, то все объекты должны двигаться от нас, а скорости удаления должны быть пропорциональны их расстояниям от нас. Эта аналогия очень хорошо объясняет любопытные открытия, сделанные Хабблом.
Тем не менее теперь мы уже оказались вовлеченными в действительно грандиозную и трудную философскую проблему, которая состоит в следующем. Если Вселенная расширяется, то ее размеры день за днем увеличиваются. Но если мы пойдем по времени назад—к вчерашнему дню, позавчерашнему и так далее день за днем обратно, то Вселенная должна становиться постепенно все меньше и меньше. Очевидно, что если мы отойдем обратно достаточно далеко, то наступит момент, когда все звезды окажутся объединенными в одно гигантское тело — своего рода сверхзвезду, содержащую всю массу Вселенной. Наша Земля весит 6 000 000 000 000 000 000 000 тонн. Средняя звезда, подобная Солнцу, примерно в триста тысяч раз тяжелее Земли, а что можно сказать о всей массе миллионов миллионов звезд в просторах космоса!
Должны ли мы в таком случае действительно датировать начало существования нашей Вселенной? Бель гийский астроном аббат Леметр, опираясь на свойства решений эйнштейновских уравнений тяготения, примененных ко всей наблюдаемой Вселенной, высказал следующую догадку. Он предположил, что наряду с обычной ньютоновской силой гравитационного притяжения материи, обратно пропорциональной квадрату расстояния, существует также дополнительная небольшая сила взаимного отталкивания частиц. Он назвал ее космическим отталкиванием. Влияние космического отталкивания начинает сказываться, когда расстояния объектов все более возрастают, так что сил& притяжения резко уменьшается. Таким образом, пока расстояния так называемые «обычные» астрономические (из-за недостатка лучшего слова), доминирует притяжение; наоборот, при «сверхрасстояниях» преобладает эффект отталкивания. Эта гипотетическая сила отталкивания является причиной наблюдаемого расширения Вселенной.
Далее Леметр утверждает, что если отступить назад во времени достаточно далеко, то вся громадная масса вещества космоса должна была существовать в форме одного-единственного сверхъядра. Время, необходимое для возврата к такому состоянию, различно при разных предположениях, положенных в основу вычислений, и составляет 60 000—10000 млн. лет. Подобное ядро должно было быть столь плотным, столь наполненным энергией и столь неимоверно горячим, что оно неизбежно должно было взорваться и распасться. Этот взрыв разбросал вещество на расстояния, достаточные для того, чтобы начало действовать космическое отталкивание так, как оно действует сегодня. Наблюдаемое расширение — «остатки» этого первоначального взрыва.
Если Леметр прав, мы попадаем в совершенно исключительную ситуацию, ибо оказываемся в состоянии указать момент возникновения нашей Вселенной. Безусловно, это звучит несколько самоуверенно. К счастью, существует уже по крайней мере одна поразительная теория, которая вновь возвращает нас, так сказать, с небес на Землю. В этой теории предполагается, что мы живем во Вселенной, которая не просто расширяется, а пульсирует (осциллирует) и сейчас находится в фазе расширения. Предполагается, что эта грандиозная пульсирующая система имеет период колебаний порядка 10000 млн. лет. После завершения нынешней фазы расширения начнется обратный процесс сжатия. И хотя на одно колебание в одном направлении затрачиваются 10000 млн. лет, вполне возможно, что Вселенная может продолжать пульсировать миллионы раз. В равной степени возможно, что ее пульсации уже совершались бесчисленное число раз, до того как она достигла своего нынешнего состояния. Таким образом, согласно этой концепции, вопрос о времени возникновения Вселенной попросту не возникает. Итак, дата «рождения Вселенной» опять ускользает от нас, и космологи могут гнить спокойно — они по-прежнему имеют достойную задачу для многих грядущих поколений. Мы же вернулись к тому, с чего начали, и как это ни удивительно, но мы все еще ничего не знаем о том, как и когда все это началось или когда кончится.
Если теория пульсирующей Вселенной верна, то тогда после замедления расширения наступит сжатие, и забавно подумать, что будущие астрономы (в очень туманном и далеком будущем) будут свидетелями голубого допплеровского смещения вместо существующего красного. Человечество столкнется тогда с ужасным зрелищем, как вся Вселенная неумолимо мчится к Земле. Замечательно, и с этим нельзя, не согласиться, что такие поразительные космические концепции появляются из совершенно обычных оптических исследований длин волн и интенсивностей света, испускаемого небесными объектами. Лет десять назад предложена новая модель — странные идеи, называемые теорией стационарной Вселенной и непрерывного рождения материи, которые вызвали среди астрономов ожесточенную полемику.