О времени, пространстве и других вещах - Айзек Азимов

Уже во времена Олберса имелись основания сомневаться в истинности этого утверждения. Астроном Вильям Гершель вел подсчеты звезд различной яркости. Он предположил, что более тусклые звезды являются более удаленными по сравнению с более яркими (что является следствием гипотезы № 3), и обнаружил, что плотность расположения звезд в пространстве уменьшается с увеличением расстояния.

Изучив степень уменьшения плотности в разных направлениях, Гершель решил, что звезды образуют фигуру, напоминающую линзу. Он подсчитал, что ее диаметр равен примерно 150 расстояниям от Солнца до звезды Арктура (сейчас мы определили бы его в 6000 световых лет) и все звездное скопление состоит из 100 000 000 звезд.

Казалось бы, тем самым он покончил с парадоксом Олберса. Если скопление, имеющее форму линзы (теперь мы называем его галактикой), действительно включает в себя все существующие звезды, тогда гипотеза № 2 оказывается несостоятельной. Даже если космическое пространство бесконечно и простирается дальше галактики (гипотеза № 1), там не будет звезд, и света оттуда не прибавится. Следовательно, можно допустить существование конечного числа «оболочек», содержащих звезды, которые произведут конечное (не очень большое) количество света, попадающего на Землю. И в этом заключается причина ночной черноты неба.

Предположительные границы галактики после Гершеля значительно раздвинулись. Сейчас принято считать, что она имеет диаметр 100 000 световых лет (а не 6000) и содержит 150 000 000 000 звезд, а вовсе не 100 000 000. Однако существенная перемена не явилась решающей. Ночью небо все равно остается черным.

После того как в XX веке было высказано предположение, что и за пределами Галактики существуют звезды, парадокс Олберса возродился к жизни.

Клочок тумана, носящий имя Андромеды, в XIX веке считался светящейся туманностью, являвшейся частью нашей Галактики. Между тем другие аналогичные астрономические объекты (например, туманность Ориона) содержат звезды, светящие сквозь туман. А в туманности Андромеды, казалось, звезд не было, но сам туман светился.

Некоторые астрономы уже в то время начали подозревать правду, но окончательно она была установлена только в 1924 году, когда американец Эдвин Пауэлл Хаббл направил 100-дюймовый телескоп на светящуюся туманность и сумел разглядеть по краям отдельные звезды. Они были такими тусклыми, что сразу стало очевидно: туманность находится в сотнях тысяч световых лет от нас и далеко за пределами нашей Галактики. Более того, если ее можно разглядеть с такого расстояния, ее размеры, скорее всего, сравнимы с размерами нашей родной Галактики. Очевидно, это другая, самостоятельная галактика.

Это была истина. Сейчас считается, что туманность находится примерно в 2 000 000 световых лет от нас и содержит по меньшей мере 200 000 000 000 звезд. А вскоре были открыты и другие галактики. Современная наука имеет основания предполагать, что в обозримой Вселенной существует, как минимум, 100 000 000 000 галактик; расстояние до некоторых из них оценивается в 6 000 000 000 световых лет.

Теперь давайте вернемся к трем гипотезам Олберса, но только заменим в них слово «звезды» на слово «галактики» и посмотрим, что получится.

Первая гипотеза о бесконечности Вселенной звучит вполне убедительно. Во всяком случае, конца ей пока не видно, даже на расстоянии миллиардов световых лет.

Гипотеза № 2 о том, что число галактик (не звезд!) бесконечно и все они равномерно распределены в пространстве, звучит также неплохо. По крайней мере, в том пространстве, которое мы видим (а видим мы далеко…), они распределены равномерно.

Третья гипотеза об одинаковой средней яркости галактик (а не звезд!) представляется более проблематичной. У нас нет оснований полагать, что удаленные галактики намного больше или меньше, чем близлежащие. Если же галактики имеют некие средние размеры и «звездное содержание», то почему им не быть одинаково яркими? Звучит разумно.

Но тогда почему ночью небо черное? Мы вернулись к исходному вопросу.

Попробуем иначе. Глядя на удаленный светящийся объект, астрономы, изучая спектр свечения (распределение света в радуге по длине волны от коротковолнового фиолетового до длинноволнового красного), имеют возможность определить, приближается этот объект к нам или удаляется.

Спектр пересекается темными линиями, которые занимают фиксированное положение, если объект неподвижен по отношению к нам. Если объект приближается, линии смещаются в сторону фиолетового. Если же он удаляется от нас, линии смещаются в сторону красного. По величине смещения астрономы могут судить о скорости движения объекта.

В течение первых десятилетий XX века астрономы вели активное изучение спектров некоторых галактик (или небесных тел, позже идентифицированных как галактики). Все они, за исключением одной или двух ближайших, от нас удаляются. Довольно скоро было установлено, что более удаленные галактики удаляются быстрее, чем те, что ближе. В 1929 году Хаббл сформулировал свой знаменитый закон, который гласит, что скорость удаления галактики пропорциональна расстоянию от нас. Если галактика А в два раза дальше от нас, чем галактика В, она и удаляется в два раза быстрее. Самая далекая из видимых галактик, расположенная на расстоянии 6 000 000 000 световых лет от нас, удаляется со скоростью, равной половине скорости света.

Дело в том, что Вселенная расширяется; это следует из формул теории относительности Эйнштейна, которые я здесь (твердо обещаю) приводить не буду.

Как работают гипотезы Олберса, учитывая расширение Вселенной?

Если находящаяся на расстоянии 6 000 000 000 световых лет галактика удаляется со скоростью, равной половине скорости света, тогда на расстоянии 12 000 000 000 световых лет галактика должна удаляться со скоростью света (при условии действия закона Хаббла). Более далекие расстояния рассматривать уже нет смысла, поскольку быстрее двигаться невозможно. Но даже если бы такое стало возможным, ни свет, ни какой-то другой сигнал из этой дали никогда не добрались бы до нас. Такая далекая галактика, если она существует, находится уже за пределами нашей Вселенной. Следовательно, можно предположить, что Вселенная все-таки конечна и ограничена «радиусом Хаббла», то есть 12 000 000 000 световых лет.

Но все это не противоречит парадоксу Олберса. Согласно теориям Эйнштейна, галактики двигаются все быстрее относительно наблюдателя и становятся короче в направлении движения, занимая меньше пространства. Таким образом, появляется место для все большего числа галактик. Поэтому даже в конечной Вселенной, имеющей радиус около 12 000 000 000 световых лет, может находиться бесконечное число галактик. Причем почти все они (толщиной с лист бумаги) на самом удаленном участке сферы-Вселенной.

Так что гипотеза № 2 сохраняется, даже если не действует гипотеза № 1. И одной гипотезы № 2 вполне достаточно, чтобы небо оказалось постоянно залито ярким звездным светом.

А как со смещением в сторону красной части спектра?

Астрономы измеряют красное смещение по изменению положения спектральных линий, но эти линии двигаются только потому, что двигается весь спектр. Смещение к красному — это смещение в направлении меньшей энергии. Удаляющаяся галактика доставляет к Земле лучистой энергии меньше, чем если бы она оставалась относительно нас неподвижной. Чем быстрее галактика удаляется, тем меньше она дает нам лучистой энергии. Галактика, удаляющаяся со скоростью света, вообще не дает лучистой энергии, независимо от своей яркости.

Значит, гипотеза № 3 оказывается неверной! Она была бы справедливой, если бы Вселенная оставалась статичной, но не при ее расширении. Каждая следующая «оболочка» в расширяющейся Вселенной даст нам меньше света, чем предыдущая, потому что содержащиеся в ней галактики дальше от нас, красное смещение становится больше, а отдаваемая лучистая энергия все меньше.

Поскольку гипотеза № 3 не действует, мы получаем из Вселенной конечное количество энергии, и ночное небо остается черным.

Согласно разработанным моделям Вселенной, это расширение будет продолжаться всегда. Оно может происходить без создания новых галактик, и со временем, по прошествии миллиардов лет, наша Галактика (плюс несколько соседних, образующих «местное скопление галактик») останется практически одна во Вселенной. Все остальные галактики удалятся на слишком большое расстояние, чтобы их можно было обнаружить. А быть может, будут постоянно образовываться новые галактики, и Вселенная всегда будет наполнена ими, несмотря на непрекращающееся расширение. Как бы там ни было, расширение будет продолжаться, и ночное небо останется черным.

Существует еще предположение, согласно которому Вселенная колеблется. Расширение со временем замедлится до момента статической паузы, после чего начнется сжатие. Оно будет происходить все быстрее до тех пор, когда Вселенная уплотнится до размеров небольшой сферы, которая взорвется, и начнется новое расширение.