Барри Паркер - Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения
Теперь учёные строят всё более и более мощные установки, чтобы разобраться, как взаимодействуют высокоэнергетичные частицы. Но крупные ускорители очень дорогостоящи, а на их строительство уходят годы. Поэтому некоторые особенно нетерпеливые учёные обратились к ранней Вселенной. Её в шутку называют «ускорителем для бедных», хотя это и не самое удачное название. Если бы нам пришлось строить ускоритель на такие характерные для ранней Вселенной энергии, он протянулся бы до ближайших звёзд.
Раз уж строительство такой установки нам не по плечу, то взяв за образец раннюю Вселенную или, по крайней мере, её модель, можно попытаться понять, что происходит при столь больших энергиях.
Но чем вызван интерес к явлениям, происходящим при таких энергиях? Прежде всего тем, что они помогают понять природу фундаментальных частиц, а также фундаментальных взаимодействий. Установление связи между ними существенно для уяснения взаимозависимости космических явлений, а согласно современным теориям понимание связи между фундаментальными взаимодействиями может пролить свет на процессы в ранней Вселенной. Возникает, например, вопрос: почему фундаментальных взаимодействий четыре, а не одно, что казалось бы более естественным? Такой же вопрос можно задать и о фундаментальных частицах.
Конечно, одна фундаментальная сила и одна фундаментальная частица значительно упростили бы описание Вселенной. Как мы увидим, возможно, она именно так и устроена. Согласно появившимся недавно теориям, при энергиях, характерных для ранней Вселенной, все четыре фундаментальных взаимодействия были слиты воедино. По мере расширения и остывания Вселенной, видимо, происходило разделение сил; как при понижении температуры замерзает вода, так, возможно, из единой силы могло «вымерзти» тяготение, оставив остальные три. Вскоре «вымерзло» слабое взаимодействие, и, наконец, разделились сильное и электромагнитное. Если такая идея верна и при высоких энергиях действительно происходит объединение, исследование ранней Вселенной представляет исключительный интерес. Теперь, прежде чем заняться событиями первых секунд после взрыва, посмотрим, какие есть свидетельства того, что такой взрыв действительно произошёл.
Открытие расширения Вселенной
Как ни странно, человек, который был косвенно причастен к открытию расширения Вселенной, умер, так и не узнав об этом. Впрочем, даже если бы он дожил до этого открытия, то скорее всего не обратил бы на него внимания, ведь его не интересовали ни звёзды, ни галактики (которые, кстати, в то время ещё не были обнаружены). Этого человека звали Персиваль Ловелл, и интересовали его лишь планеты, в особенности Марс.
До 35-летнего возраста Ловелла мало волновала астрономия. Но стоило ему увидеть первые рисунки Марса, сделанные астрономом-любителем Джованни Скиапарелли, как они полностью завладели его воображением. На рисунках были видны «каналы», которые вполне могли оказаться следами разумной жизни. Ловелл так заинтересовался Марсом, что в начале 90-x годов XIX века решил организовать специальную обсерваторию для его наблюдений и отправился на западное побережье американского континента в поисках наиболее ясного ночного неба. Такое место он нашёл в Аризоне, у города Флагстаф, где через несколько лет на холме выросла обсерватория.
Хотя кроме планет Ловелла почти ничего не интересовало, его внимание всё же привлекли «размытые» объекты на небосводе – туманности. Согласно теории, предложенной ещё Лапласом, такие объекты считались предшественниками планетных систем. Лаплас полагал, что Солнечная система возникла из газового облака, на которое так походили размытые объекты. Для проверки этой гипотезы Ловелл пригласил В. Слифера.
Слифер во многих отношениях был антиподом Ловелла. Если Ловелл обладал буйной фантазией и был способен на самые смелые предположения, то Слифер отличался осторожностью, методичностью и аккуратностью. Прежде всего ему предстояло определить, вращаются ли туманные объекты. Для этого пришлось использовать спектроскоп, прибор, в котором свет от объекта проходит через призму (или дифракционную решетку), в результате чего происходит разделение цветов. Когда через этот прибор проходит свет звезды или туманности, наблюдается серия линий, наиболее яркие из которых даёт водород; другие, менее чётко видимые, линии дают гелий, углерод, натрий и прочие элементы. Известно, где обычно расположены линии, которые при движении объекта относительно наблюдателя смещаются от обычного положения в ту или иную сторону. При удалении объекта смещение происходит в ту сторону спектра, где находится красный цвет; такое смещение называется красным. При приближении объекта к наблюдателю спектральные линии смещаются к синему участку спектра.
Если бы исследуемая Слифером туманность вращалась, то у одного её края (удаляющегося) наблюдалось бы красное смещение, а у другого – синее. Но, к своему удивлению, он получил совсем иной результат. Исследуя яркую Туманность Андромеды, Слифер обнаружил, что она обладает только синим смещением, т.е. приближается к нам. Он продолжил изучение других ярких туманностей и получил то синие, то красные смещения (но никогда оба одновременно) – очевидно, одни из туманностей удалялись от нас, а другие приближались. Но когда Слифер занялся менее яркими туманностями, оказалось, что все они только удаляются, т.е. обладают красным смещением.
В 1914 году Слифер представил свои результаты на заседании Американского астрономического общества. Он не был уверен, что правильно их истолковал, но его слайды говорили сами за себя. Аудитория, должно быть, оценила важность его открытия и проводила оратора бурными аплодисментами. Несколько астрономов вскоре подтвердили открытие Слифера, но, как ни странно, никто всерьёз не взялся за дальнейшие исследования, и в течение следующих 10 лет Слифер работал в этой области в одиночку.
Казалось бы, Слифер не мог не понимать важности своего открытия, но нельзя забывать, что тогда астрономы точно не знали, что представляют собой туманности. Одни, в том числе Ловелл, считали их газовыми облаками или возникающими планетными системами, другие – островными вселенными, состоящими из миллионов звёзд.
Слифер, однако, имел некоторое представление о значении своей работы, о чём и написал в 1921 году в газете «Нью-Йорк таймс»:
«…Линии спектра сильно смещены. Это указывает на то, что туманность улетает из нашей области пространства с завидной скоростью 1100 миль в секунду.
Данная туманность принадлежит к спиральному семейству, включающему в себя великое множество туманностей. Это наиболее удалённые из небесных тел, и они должны быть невероятно велики.
Если предположить, что такая быстро движущаяся туманность покинула окрестности Солнца в момент образования Земли, то, используя новейшие геологические данные о её возрасте, легко подсчитать, что сейчас туманность находится от нас на расстоянии многих миллионов световых лет.
Скорость этой туманности заставляет предполагать дальнейшее увеличение оцениваемого размера самих спиральных туманностей, а также расстояния до них, что раздвигает границы известной Вселенной.»
По иронии судьбы Слифер, которому до величайшего открытия оставался один шаг, так и не совершил его. По-видимому, представление о расширении Вселенной так и не пришло ему в голову, хотя к 1923 году он обследовал 45 туманностей и обнаружил, что почти все они имеют красное смещение. К 1925 году он исчерпал возможности своего скромного 24-дюймового телескопа и переключился на другие исследования.
Учёный, принявший эстафету от Слифера, присутствовал на его лекции, когда тот объявил о своём открытии в 1914 году; правда, в то время он был лишь студентом-старшекурсником. Наверное, это открытие сильно на него повлияло, ведь темой дипломной работы он выбрал туманности – те самые объекты, о которых говорил Слифер. Студента звали Эдвин Хаббл.
Хаббл был во всех отношениях выдающимся астрономом. Он родился в Маршфилде, штат Массачусетс, в 1889 году; его способности к учёбе и спорту проявились ещё в раннем возрасте. Он отлично учился и был прекрасным спортсменом как в школе, так и в Чикагском университете, где изучал физику. Рассказывали, что ученье давалось ему очень легко, может быть, даже чересчур легко. Естественно, у него оставалось много времени для занятий спортом, и он достиг больших успехов во многих видах – в лёгкой атлетике, баскетболе, боксе и гребле. За отличную учёбу Хаббл был удостоен стипендии им. Родса, которая позволила ему отправиться в Оксфорд изучать право.
По возвращении в 1913 году в США Хаббл занялся юридической практикой в Луисвилле, штат Кентукки, но через несколько месяцев она ему наскучила, и он разочаровался в праве. В Чикагском университете он когда-то прослушал начальный курс астрономии, а в юности запомнил много созвездий и прочитал несколько популярных книг по астрономии. Хаббл настолько охладел к праву, что в конце концов решил – лучше быть третьеразрядным астрономом, чем юристом; он понял, что по-настоящему его интересует только астрономия. Хаббл забросил право и вернулся в Чикагский университет. В Чикаго он записался на астрономический факультет и вскоре приступил к работе на гигантском телескопе в обсерватории Йеркес. Первыми объектами его исследования были туманности; им он в итоге посвятил всю свою жизнь.
