Расширяющаяся Вселенная. Ее рождение.
(Из книги Сергея Ермолаева «Популярная астрономия»)
Вселенная… Это не просто слово, не просто название чего-то. Вселенная – это все! Все, что окружает человека и сам человек. Даже сейчас, когда с появления астрономии и других наук прошло много времени, ученые знают о Вселенной достаточно мало. Трудно сказать, что представляет из себя Вселенная, как она устроена, по каким законам живет. В настоящее время астрономы в основном говорят о наблюдаемой части Вселенной, подразумевая под такими словами все то космическое пространство, планеты, звезды, кометы и другие галактики, что окружают Землю. Неужели это все было всегда? А если нет, то каким образом появилось? Сейчас попробуем ответить на эти вопросы.
На протяжении довольно-таки длительного времени звездное небо над головой оставалось для человека символом незыблемости, вечности. И только в Новое время люди осознали, что «неподвижные» звезды на самом деле движутся, причем с огромными скоростями. В XX веке человечество свыклось с еще более странным фактом: расстояния между звездными системами – галактиками, – не связанными друг с другом силами тяготения, постоянно увеличиваются. И дело здесь, как оказалось, не в природе самих галактик: сама Вселенная непрерывно расширяется. Здесь науке естествознанию пришлось проститься с одним из своих основополагающих принципов, утверждавшим, что все вещи меняются в этом мире, но мир в целом остается прежним. Это можно считать важнейшим научным событием XX столетия.
Как же люди пришли к таким выводам? Все началось, когда Альберт Эйнштейн (1879-1955) разработал общую теорию относительности, которую стал применять для создания космологической модели Вселенной. (Космология – область астрономии, изучающая и моделирующая Вселенную как целое).
Со времен Аристотеля считалось, что наша Вселенная стационарна, то есть она не только не изменяется в общих чертах, но в ней даже не происходит каких-либо крупных движений. Согласно теории относительности, Вселенная отнюдь не стационарна. Она либо сжимается, либо расширяется.
В варианте Эйнштейна Вселенная получалась замкнутой – нечто аналогичное шару. Ее пространство оказывалось искривленным, и луч света, идущий в одном направлении, должен был рано или поздно вернуться в исходную точку, только с противоположной стороны.
Однако Эйнштейн так и не решился опровергнуть переходившее из века в век мнение о неизменности Мироздания, поскольку не был до конца уверен в безошибочности своих расчетов.
Одним из тех, кто по-иному взглянул на неизменную модель Вселенной, был русский ученый – метеоролог, математик по образованию, Александр Фридман (1888-1925). Путем решения для Вселенной уравнений общей теории относительности, не накладывая условий стационарности, он доказал, что первоначальное решение Эйнштейна, опровергавшее стационарность Вселенной, не было ошибочным. Для Вселенной на самом деле существовало два решения: расширяющийся мир и сжимающийся мир.
Однако все рассуждения о якобы расширяющейся Вселенной воспринимались другими людьми довольно скептически. Астрономы не соглашались считать подобные теории описанием действительного мира до тех пор, пока они не будут подтверждены наблюдениями.
Споры и рассуждения продолжались до 1929 года, когда американский ученый-астроном Эдвин Хаббл (1889-1953) не подтвердил расширение видимой части Вселенной. На основании многочисленных наблюдений Хаббл установил, что галактики и их скопления удаляются друг от друга и от нашей звездной системы с громадными скоростями. Причем «разбегание» становится тем быстрее, чем больше расстояния между звездными «материками».
В своих наблюдениях американский астроном использовал эффект Доплера, заключающийся в следующем: линии в спектре движущегося источника смещаются на величину, пропорциональную скорости его приближения или удаления. Благодаря изменению положения спектральных линий галактики оказывается возможным с большой точностью вычислить ее скорость.
Хаббл лично определил расстояния до некоторых галактик и их скорости, а закон, по которому скорость удаления пропорциональна расстоянию, получил название – закон Хаббла.
Может ли это означать, что наша Галактика является центром, от которого идет расширение? С точки зрения астрономов, такое невозможно. Наблюдатель в любой точке Вселенной должен видеть примерно одну и ту же картину: все галактики имеют красное смещение, что говорит об их быстром удалении.
Наглядно продемонстрировать то, как расширяется Вселенная, можно с помощью обыкновенного воздушного шарика. Нарисовав на нем галактики, а затем, начав его надувать, мы увидим, что расстояние между ними увеличивается, причем тем быстрее, чем дальше друг от друга они нарисованы.
Факт постоянного расширения Вселенной установлен твердо и более обсуждению не подлежит. Самые далекие от нас галактики и квазары имеют такое большое красное смещение, что длины волн всех линий в их спектрах оказываются в пять-шесть раз больше, чем у близких источников.
Вот мы и подошли ко второй части лекции, в рамках которой рассмотрим то, как же все-таки появилась расширяющаяся Вселенная.
Зная о расширении Вселенной, можно сделать вывод о том, что сейчас мы видим ее совсем не такой, какой она была миллионы, миллиарды лет назад. В далеком прошлом, когда еще не существовало Земли, галактики находились намного ближе друг к другу. Еще раньше их вообще не было как отдельных систем, а в еще более раннее время не могло быть даже звезд. Эта эпоха – начало расширения Вселенной – удалена от нас на 12-14 миллиардов лет.
В какой-то начальный момент все вещество Космоса было сдавлено буквально в ничто, спрессовано в одну единственную точку, и имело фантастическую плотность, которую невозможно себе представить (она выражается числом, в котором после единицы стоят 96 нулей), и столь же невообразимо высокую температуру. Астрономы назвали такое состояние сингулярностью.
Но в силу каких-то причин данное равновесие оказалось нарушено действием гравитационных сил; трудно вообразить, какими они должны были быть при бесконечно огромной плотности «первовещества». Этому моменту ученые дали название «Большой взрыв». После Большого взрыва Вселенная начала расширяться и остывать.
Стоит отметить, вопрос о том, каким было рождение Вселенной – «горячим» или «холодным» – не сразу оказался решен однозначно и долгое время занимал умы астрономов.
На вопрос о том, существует ли доказательство гипотезы горячей Вселенной, современная астрономия дает утвердительный ответ. В 1965 году было сделано открытие, прямо подтвердившее то, что в прошлом вещество Космоса было очень плотным и раскаленным. Оказалось, что в космическом пространстве встречаются электромагнитные волны, родившиеся в ту далекую эпоху, когда не существовало ничего.
Наличие такого излучения было предсказано еще в 40-е годы, когда американский физик Джордж Гамов (1904-1968) занялся проблемами возникновения Вселенной и происхождения химических элементов. Расчеты Гамова позволили предположить, что во Вселенной в первые минуты ее существования была чрезвычайно высокая температура. Нагретое вещество «светилось» – испускало электромагнитные волны, которые должны наблюдаться и в современную эпоху в виде слабых радиоволн.
В 1965 году американские ученые-радиоинженеры Арно Пензиас и Роберт Уилсон зарегистрировали космическое излучение, которое нельзя было приписать ни к одному из известных тогда космических источников. Вскоре астрономы пришли к выводу, что это излучение, имеющее температуру около 3К, – реликттех далеких времен, когда Вселенная была фантастически горяча и только начинала свое расширение. (Реликт – от лат. «остаток». Отсюда и название излучения – реликтовое).
Идею о расширении Вселенной из сверхплотного состояния ввел в 1927 году бельгийский астроном Жорж Леметр, а предположение, что первоначальное вещество имело высокую температуру, впервые высказал русский ученый Георгий Антонович Гамов в 1946 году.
Со времен этих открытий велось очень много работ по исследованию Вселенной. Эти работы продолжаются и по сей день, однако наука по-прежнему имеет вопросы, ответов на которые пока что нет. Что привело к рождению звезд и галактик и послужило причиной Большого взрыва? Почему пространство имеет три измерения, а время – одно? Что было до начала Большого взрыва?
