Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы - Марк Перельман

Таким образом, Хаббл доказал, что Вселенная вовсе не ограничивается нашей Галактикой — вне ее есть и другие галактики, многие из которых он же открыл и изучил.

К этому времени В. М. Слайфер (1875–1969) проделал большую работу по изучению лучевых скоростей небесных тел (компоненты скорости по линии наблюдения). Для этого он использовал эффект Доплера: смещение спектральных линий удаляющихся объектов в красную сторону, а приближающихся объектов — в фиолетовую сторону.

Хаббл совмещает свои измерения расстояний до далеких объектов и их скорости: звездный, во всех смыслах, час наступает для него к 1929 г. Он анализирует расположение спектральных линий далеких, на пределе видимости, источников. Расстояния между линиями такие, как требует теория Бора, но сами линии не на месте, их частоты много ниже, чем следует, и притом, чем слабее, а следовательно, как можно предположить, дальше этот источник, тем больше и сдвиг.

Более того, Хаббл показывает, что между сдвигом уровней и расстоянием до источника имеется прямая пропорциональность, а ее коэффициент — постоянная величина (закон Хаббла).

Объяснений может быть два. Во-первых, можно предположить, что фотоны теряют на своем пути часть энергии, и чем этот путь больше, тем выше потери (зависимость от расстояния, правда, иная, но все можно списать на недостаток данных) — объяснение это разумно и вполне достаточно для хорошего ученого, не гения. Во-вторых, можно предположить, что все эти источники от нас удаляются, и чем они дальше, тем с большей скоростью, приближающейся для очень далеких объектов чуть ли не к скорости света, они движутся.

В пользу этого предположения говорят только теоретические расчеты, подобные тем, что провел А. А. Фридман. По одному из вариантов этой теории, вся, подчеркнем, вся Вселенная была сжата некогда в один «Папа-атом», точнее, в одну сингулярную точку. При этом поле тяготения было такой силы, что ни времени, ни пространства вообще не было — время с ростом тяготения течет все медленнее, так что там оно вообще останавливалось, а все измерения пространства как бы не могли развернуться (поэтому бессмысленно спрашивать, что было до этого или вне этого образования — ничего не было и не могло быть). Затем этот Папа-атом взорвался (произошел Большой взрыв, его часто называют по-английски: Биг Бэнг), начали образовываться и расходиться группы галактик, сами галактики, стали образовываться составляющие их звезды, и с тех пор продолжается это расхождение, следы которого впервые обнаружил и идентифицировал Хаббл. Поэтому как размеры Вселенной, так и длительность ее существования, определяются через постоянную Хаббла, одну из самых фундаментальных величин теории Вселенной.

Современная скорость расширения, по Хабблу, составляет порядка 60–70 км/(с·Мпс) (возможная ошибка не более 10 %), т. е. наблюдаемая скорость расширения Вселенной растет на такую величину по мере роста расстояния от нас на каждый мегапарсек, по мере ухода в прошлое, когда возникли те кванты, которые сейчас нас достигли. Таким образом, становится ясно, что скорость расширения была больше на начальных этапах расширения, после Большого взрыва.

Если теперь подсчитать, когда начали расходиться все наблюдаемые объекты, то получаем момент Большого взрыва, длительность существования Вселенной, составляющую порядка 12–16 млрд лет.

Необходимо заметить, что в такой конечной, но безграничной Вселенной нельзя дойти до ее «края», как бы его ни определять, поскольку для этого необходима скорость, большая скорости света. Кроме того, каждый наблюдатель, где бы он ни находился, может считать себя центром этой Вселенной: лучи, посланные из любой точки в диаметрально противоположных направлениях, должны, в принципе, возвратиться в исходную точку за одинаковое время.

Радиофизики Арно Э. Пензиас (р. 1933) и Роберт В. Вильсон (р. 1936) изготовляли в 1964–1965 гг. особо чувствительные антенны для радиотелескопов. Эти телескопы могут, например, просматривать центр нашей Галактики, закрытый непрозрачным для видимого света облаком, так называемым «угольным мешком». Для всего этого антенна должна отстраиваться от всех посторонних радиошумов. В 1964 г. ученые использовали свою систему для измерения мощного источника радиосигналов в созвездии Кассиопеи, остатка сверхновой, вспыхнувшей в 1064 г. и описанной в китайских летописях.

Однако результаты измерений фона озадачили исследователей — помехи оказались настолько сильными, что их нельзя было связать с известными источниками. Аномалии сохранялись и при повторных измерениях. Пензиас и Вильсон осмотрели всю систему в поисках источника помех, закрыв клепаные соединения и очистив антенну от птичьего помета, однако даже это не оказало существенного влияния на результаты измерений. Им никак не удавалось ликвидировать шумы, появляющиеся на длинах волн, начиная примерно с 3 и более см. Причем сколько они ни старались, оказалось невозможным выяснить направление этого излучения — оно было изотропным, т. е. шло одинаково со всех направлений и не менялось со временем.

В это же время Роберт X. Дикке (р. 1916) рассматривал космологическую модель, согласно которой Вселенная попеременно расширяется и сжимается: в настоящий момент она расширяется, но гравитационные силы могут со временем изменить расширение на сжатие, и тогда Вселенная сожмется до невероятной плотности, до точки. Дикке предположил, что излучение от крайне раскаленного, высококонденсированного раннего состояния Вселенной после примерно 18 млрд лет охлаждения можно наблюдать еще и сегодня, а П. Дж. Пиблс подсчитал, что на сегодняшний день температурный эквивалент такого реликтового (от латинского «реликтус» — оставленное) излучения равен 10 К — позднее его уточнили до значения в 3 К — и рассказал об этой теории на семинаре.

Плотность этого реликтового излучения очень велика: на один атом во Вселенной приходится примерно 100 миллионов его фотонов. Очень интересно, что, поскольку такое излучение должно быть абсолютно одинаковым со всех сторон (изотропным), оно является фактически общим фоном Вселенной, а это позволяет определить абсолютную скорость движения относительно него: измерение сдвига Доплера показало, что Солнечная система в целом движется в направлении к созвездию Льва со скоростью около 390 км/ч.

Из случайного разговора с одним из участников семинара об этой работе узнал Пензиас, а отсюда нити потянулись к теории горячей Вселенной Дж. Гамова[62], развитой еще в 1946 г., но тогда ведущие радиоастрономы не допускали и мысли о возможности ее экспериментальной проверки современными приборами.

Теория Гамова предсказывала, что если Большой взрыв действительно имел место, то возникающее при этом электромагнитное излучение должно при расширении Вселенной постепенно остывать вследствие эффекта Доплера и иметь к настоящему времени во всей Вселенной так называемый тепловой (планковский) спектр, соответствующий температуре примерно в 3 градуса Кельвина, т. е. именно такой спектр, какой сейчас обнаружили. Так было найдено второе, наряду с хаббловским сдвигом, подтверждение Большого взрыва, а Вильсон и Пензиас были удостоены Нобелевской премии 1978 г.

Мы уже говорили о том, что, согласно Г. Бете, светимость Солнца вызвана постепенным превращением водорода в гелий, который происходит при самой низкой для звезд температуре — порядка 10 млн градусов (температура поверхности Солнца около 6 400 градусов). Равновесие звезды поддерживается тем, что силам гравитационного сжатия противостоит давление излучения, образующегося в ходе термоядерных реакций. Но на этом водородном цикле процессы нуклеосинтеза (образования ядер, в том числе тяжелых) не заканчиваются.

Когда мощность излучения уменьшается за счет выгорания водорода, звезда начинает гравитационно сжиматься, а вследствие этого ее температура растет и доходит до порога открытия каналов следующих циклов Бете — углеродного и т. д. Таким образом, звезды являются саморегулирующимися системами, и можно сказать, что звезды — это большие фабрики Вселенной. Они постепенно трансформируют первоначальное сырье (водород) в другие элементы, в том числе тяжелые, из которых в значительной степени состоит Земля и другие планеты нашей системы. Юпитер и Сатурн, во всяком случае, являются гигантскими газовыми шарами (иногда даже полагают, что они — небольшие звезды, захваченные Солнцем). Считается, что в процессе старения звезды обогащаются тяжелыми элементами, а затем, взрываясь, обогащают ими межзвездные газовые облака, из которых формируются звезды следующих поколений — их состав определяется спектроскопически — и планеты[63].

Звезды можно разделить на три больших класса: нормальные звезды, белые карлики, нейтронные звезды. Рассмотрим их структуры чуть подробнее.