Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы

Если все они одновременно вытянут руки, то студентка, стоящая прямо у стены, должна будет сделать один шаг в сторону. Ее сосед, чтобы удержать равновесие и чтобы расстояние от него до соседки слева оказалось равным длине руки, должен сделать два шага в сторону, в результате чего он уже будет стоять на расстоянии двух длин руки от стены. А его соседу справа придется, соответственно, в ту же секунду отпрыгнуть на три шага в сторону. Ну, а что же ждет бедную студентку, стоящую последней? Все верно: она получит изрядный толчок и отлетит в сторону – сделать пять шагов за секунду просто нереально. К счастью, обычно мне удается ее поймать.

Эта демонстрация иллюстрирует процессы, происходящие при расширении пространства. Что случается, когда между двумя студентами или, скажем, между двумя галактиками появляется небольшой зазор? Они все будут отскакивать друг от друга, и чем больше будет становиться расстояние между ними, тем быстрее им придется двигаться. Это простое наблюдение, но когда мы распространяем его на космос, оно меняет наше представление о Вселенной так же радикально, как открытия Коперника, Кеплера или Ньютона[90].

Вскоре после того, как Эйнштейн опубликовал свою теорию относительности, он обнаружил, что у него возникла проблема с “его вселенной”: она оказалась нестабильной. Как известно, гравитационное взаимодействие обуславливает только притяжение объектов друг к другу. Технически, вселенная, заполненная материей, должна сжаться в точку, как воздушный шар, когда из него выходит воздух. Сегодня мы называем этот сценарий “Большим сжатием”.

К счастью, Эйнштейн смог проделать со своими уравнениями один трюк, а именно: вставить в них свободный параметр – так называемую “космологическую постоянную”. С ее помощью он ввел некую таинственную силу, заставляющую Вселенную расширяться, – своего рода антигравитацию. Введя эту космологическую постоянную, Эйнштейн смог спасти модель своей вселенной от неизбежного Большого Сжатия, однако тот факт, что пришлось искусственно ввести этот параметр, его раздражал.

Дальше – больше. В 1922 году советский физик Александр Фридман сообщил Эйнштейну, что он может описать Вселенную с помощью уравнений теории относительности даже без введения в них этой таинственной постоянной, – но только при условии ее расширения. Эйнштейн отверг эту идею. Он считал Вселенную вечной и неизменной, и в то время у него были веские причины так думать.

И все же эти базовые убеждения Эйнштейна удалось поколебать. Сделал это один католический священник, который не только математически описал расширяющуюся Вселенную, но даже заявил, что астрономы уже видели признаки такого расширения. Этим священником был Жорж Леметр из Бельгии. Выпускник иезуитского колледжа, переживший ужасы Первой мировой войны, он стал священнослужителем и параллельно начал изучать математику и физику в Лёвене. Свое обучение он продолжил в Кембридже, у прославленного астрофизика Артура Эддингтона, а завершил в Бостоне – в Массачусетском технологическом институте (MIT), где получил степень доктора философии.

Леметр первым обратил внимание на странные характеристики галактических туманностей, которые американец Весто Слайфер обнаружил, работая в обсерватории Лоуэлла в Аризоне. В 1917 году Слайфер измерил скорость галактик с помощью эффекта Доплера. Мы знаем про этот эффект в акустике: если мимо нас проезжает машина скорой помощи с ревущей сиреной, то пока она едет к нам, мы слышим более высокий звук, а как только она нас минует и начинает удаляться, мы слышим более низкий звук. То, что верно для звука, верно и для света. Если галактики движутся к нам, свет “сжимается” и становится более голубым; если они улетают от нас, свет “вытягивается” и становится более красным. Как мы знаем, свет всегда движется с постоянной скоростью в обоих направлениях, но восприятие нами цвета меняется. Итак, измеряя длины волн характерных спектральных линий атомов в свете галактик с помощью спектрографа, вы можете зафиксировать даже малейшие сдвиги этих линий и, следовательно, измерить скорость галактик в том направлении, вдоль которого вы смотрите.

Результат оказался неожиданным: если не считать нашей соседки – галактики Андромеды, – длины волн характерных линий в основном смещались в красную сторону. То есть почти все галактики (кроме туманности Андромеды) от нас удаляются! Это было более чем странно и не могло оказаться совпадением. Представьте себе большой танцпол, заполненный скользящими по нему парами. Разве число пар, движущихся к вам, не должно быть примерно таким же, как число пар, удаляющихся от вас? А что если окажется, что все они от вас удаляются? Вы решите, что все хотят держаться от вас подальше?