Складки на ткани пространства-времени. Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии

К началу XX в. астрономы поставили много экспериментов по измерению так называемых лучевых скоростей звезд (скоростей сближения с нами или удаления от нас вдоль линии взгляда). В случае спиральной туманности это гораздо более сложная задача. Туманность не является четко ограниченной крапинкой света, как звезда. Это размытая клякса – причем довольно бледная. Однако Слайфер справился с задачей. Астрономы в других обсерваториях последовали его примеру.

Если бы вы могли измерить скорости всех неотложек в окрестностях, то ожидали бы, что примерно половина из них будет сближаться с вами и другая половина удаляться от вас. В противном случае пришлось бы сделать вывод, что вы находитесь в нестандартной ситуации. Например, на месте крупной аварии большинство машин скорой помощи будут ехать к вам (согласно вашим расчетам). Но в произвольном положении вы должны будете слышать столько же высоко звучащих сирен, сколько и низко звучащих.

Можете представить, как удивились Слайфер и его коллеги, обнаружив, что все спиральные туманности, которые им удалось наблюдать, удаляются (за одним исключением, к которому я еще вернусь). Во всех случаях свет, наблюдаемый с Земли, имел более низкую частоту, соответствующую более красному цвету. Иначе говоря, все туманности имели красное смещение. Это было совершенно невероятно – напрашивался вывод, что Земля занимает какое-то особое положение во Вселенной.

Прежде чем мы двинемся дальше, вам следует понять, что красное смещение – чрезвычайно слабый эффект. Туманность Водоворот не имеет багряного оттенка. Частотный сдвиг и соответствующий сдвиг длины волны (или цвета) слишком малы, чтобы их можно было различить на глаз. Астрономам приходится с высокой точностью измерять определенные характеристики света туманности. Например, горячий водород, как известно, излучает красный свет длиной волны 656 нм (0,000656 мм), а в некой спиральной туманности эта эмиссия может наблюдаться, скажем, на 658 нм. Однако это крохотное смещение свидетельствует о скорости удаления порядка 900 км/с.

Итак, загадка: все спиральные галактики удаляются, причем быстро. Никто не мог найти объяснение вплоть до конца 1920-х гг., когда его предложил американский космолог Эдвин Хаббл. Вам наверняка знакомо это имя – космический телескоп «Хаббл» назван в его честь.

Ранее, в 1924 г., Хаббл доказал, что спиральные туманности не являются частями Млечного Пути. Это «острова Вселенной» – как говорили астрономы в те времена – самостоятельные галактики, вмещающие миллиарды звезд. И вот в 1929 г. Хаббл совершил поразительное открытие. Чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется от Млечного Пути. Соседние галактики улетают от нас со средними скоростями, далекие – с гораздо более высокими.

Разумеется, у Хаббла не было достаточно точных данных о расстояниях до других галактик, но он выдвинул обоснованные предположения. Если звезды (или светящиеся облака газа) кажутся более яркими в галактике А, чем в галактике Б, есть все основания полагать, что галактика Б находится дальше. Тенденция ясна: более дальняя галактика – более высокая скорость удаления, очень далекая галактика – очень высокая скорость удаления.

В 1927 г. бельгийский священник-иезуит и астроном Жорж Леметр первым сделал верный вывод. Занимаем ли мы совершенно особое положение во Вселенной? Нет. Другие галактики загадочным образом разлетаются от Млечного Пути? Нет. Мы действительно измеряем скорости удаления? Нет. В действительности само пространство расширяется в соответствии с одним частным решением релятивистских уравнений Альберта Эйнштейна. Леметр справедливо считается отцом теории Большого взрыва.

Я попробую объяснить происходящее на примере кекса с изюмом. Это хорошо известное и широко используемое сравнение, я даже не смог выяснить, кто его автор. Итак, поставим мысленный эксперимент (вы, конечно, можете провести его на самом деле, но это необязательно, разве что вы большой любитель кексов с изюмом).

Прежде чем поставить кекс в духовку, приготовим его особым образом – так, чтобы все изюминки располагались в тесте строго равномерно, каждая на расстоянии 1 см от ближайших. Это означает, что все изюминки находятся в вершинах воображаемой пространственной решетки, состоящей из кубиков размером 1×1×1 см каждый. Убедитесь, что ясно представляете себе эту картину.

Теперь включаем духовку. Поскольку мы используем супертесто (это же мысленный эксперимент), кекс бурно поднимается. Всего за час выпекания его размер увеличивается в два раза. Таким образом, через час каждая изюминка оказывается в 2 см от соседних.

Представьте, что вы находитесь в одной из изюминок. Сначала до вашей соседки 1 см, но после выпекания расстояние составляет уже 2 см. За один час оно увеличилось с 1 см до 2 см. Иными словами, во время пребывания в духовке вы наблюдаете, как ближайшая изюминка удаляется от вас со скоростью 1 см/ч.