Наука Плоского мира. Книги 1-4

В 1924 году Эдвин Хаббл доказал, что M31 находится далеко за пределами Млечного Пути, а помогла ему в этом блестящая работа Генриетты Ливитт, которая по роду деятельности была живым «компьютером» и занималась однообразными задачами по измерению и каталогизации яркости звезд. В те годы астрономы были заняты поисками «стандартной свечи» разновидности звезд, собственную яркость которых можно было бы вывести, опираясь на результаты других наблюдений. Тогда, сравнив их с видимой яркостью и приняв во внимание характер уменьшения яркости звезд с увеличением расстояния, можно бы вычислить расстояние до звезды. Ливитт вела наблюдение за цефеидами переменными звездами, светоотдача которых меняется согласно периодическому циклу и в 1908 году нашла взаимосвязь между светоотдачей цефеиды и периодом соответствующего цикла. Это означало, что собственную яркость такой звезды можно было рассчитать, исходя из наблюдений, а значит, использовать в качестве стандартной свечи. В 1924 году Хаббл обнаружил цефеиды в M31 и вычислил, что расстояние до этой галактики составляет один миллион световых лет. По современным оценкам оно равно 2,5 миллионам.

Большинство галактик находятся гораздо дальше; расстояние до них настолько велико, что мы не в состоянии рассмотреть отдельные звезды не говоря уже о том, чтобы различить среди них цефеиды. Тем не менее, Хаббл сумел преодолеть и это препятствие. Весто Слайфер и Милтон Хьюмасон обнаружили, что излучение многих галактик смещено в красную сторону спектра. Наиболее вероятным объяснением был эффект Доплера, при котором частота волны меняется из-за движения ее источника. Лучше всего мы знакомы с ним на примере звуковых волн: тон полицейской сирены понижается, когда машина проезжает мимо то есть движение в нашу сторону сменяется движением от нас. Из эффекта Доплера следует, что соответствующие галактики должны удаляться от нас с приличной скоростью. Хаббл построил график зависимости между величиной красного смещения и оценкой расстояний до сорока шести галактик, в которых были замечены цефеиды. Результат приблизительно соответствовал прямой линии это указывало на то, что скорость удаления (вычисленная по красному смещению) пропорциональна расстоянию. В 1929 году он выразил это соотношение в виде формулы, которая теперь называется законом Хаббла. Коэффициент пропорциональности, или постоянная Хаббла, по современным оценкам составляет около 21 км/с на миллион световых лет. Первоначальная оценка, предложенная Хабблом, была в семь раз больше.

Как теперь известно, та же идея посетила шведского астронома Кнута Лундмарка в 1924 году, за пять лет до Хаббла. Чтобы определить расстояние до галактик, он использовал их видимые размеры, а его оценка постоянной «Хаббла» отличается от современной не более, чем на 1 %, что значительно превосходит результат самого Хаббла. Тем не менее, его работа прошла незамеченной, так как его методы не были сверены с результатами независимых измерений.

Следствием этих открытий, связавших размер Вселенной с ее динамическим поведением, стал удивительный вывод. Если все галактики удаляются от нас, значит, либо Земля находится рядом с центром некой расширяющейся области, либо Вселенная в целом становится больше.

Астрономы уже знали о возможном расширении Вселенной. Это следовало из эйнштейновых уравнений поля, составляющих основу общей теории относительности. В 1924 году Александр Фридман нашел три типа решений, соответствующих трем вариантам кривизны пространства: положительной, нулевой и отрицательной. Математикам из области неевклидовой геометрии такие пространства уже были известны они называются соответственно эллиптическим, евклидовым и гиперболическим (наподобие Вселенной Эшера). Эллиптическое пространство конечно это гиперсфера, которая похожа на поверхность обычной сферы, но охватывает три измерения. Остальные два пространства имеют бесконечную протяженность. (Вселенная Эшера похожа на Круглый Мир снаружи она выглядит конечной, но при этом бесконечна внутри, с точки зрения собственной метрики. Именно так ей удается вместить в себя бесконечное число ангелов или демонов одного и того же размера.) Уравнения поля описывают целый спектр форм, которые может принять Вселенная, но не определяют эту форму в точности.

Из уравнений поля также следовало, что форма Вселенной может меняться со временем. В 1927 году Жорж Леметр нашел решение, которое описывало расширяющуюся Вселенную, и оценил скорость ее расширения. Его статья «Однородная Вселенная постоянной массы и рост радиуса по расчетам радиальной скорости внегалактических туманностей» (1931) не пользовалась популярностью, так как была опубликована в малоизвестном бельгийском журнале, но в конечном счете стала научной классикой.