Барри Паркер - Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения
Диссертацию Хаббл защитил в 1917 году, просидев всю ночь накануне защиты, так как не успевал закончить письменную часть и подготовиться к устному экзамену. К тому времени он уже получил приглашение из обсерватории Маунт-Вилсон и мог сразу же приступать к работе, но шла война, и он принял другое решение – записался добровольцем и вскоре уже был в Европе. Хаббл быстро вырос от капитана до майора, но в конце войны получил ранение и примерно через год после заключения перемирия вернулся в США.
Приехав в Штаты, Хаббл приступил в обсерватории Маунт-Вилсон к самому полному изучению туманностей. Несомненно, он помнил об открытии Слифера, но, кроме того, был и ряд нерешённых проблем. Прежде всего, астрономы тогда не знали, что представляют собой туманности. Наблюдения в обсерватории Йеркес убедили Хаббла в том, что это гигантские острова звёзд, но нужны были доказательства. Он начал делать снимки ближайших туманностей, в том числе Туманности Андромеды, с большой экспозицией и в конце концов добился успеха. В рукавах некоторых туманностей удалось разглядеть отдельные звёзды: тем самым было доказано, что туманности – не облака газа, а скопления звёзд. Одно оставалось неясным: насколько далеко они находятся? Если это удалённые системы, то они должны находиться вне Млечного Пути. Хаббл изучил звёзды, сфотографированные в рукавах, и обнаружил среди них цефеиды, звёзды переменной яркости. Это было важное открытие, так как за несколько лет до этого Генриетта Ливитт и Харлоу Шепли установили, что между периодичностью изменения яркости цефеид и расстоянием до них имеется связь, т.е., зная период, можно определить расстояние. Хаббл проделал соответствующие расчёты и обнаружил, что туманности действительно находятся вне Млечного Пути – они являются самостоятельными галактиками, существующими отдельно от нашей. Хотя некоторые астрономы сразу же отказались признать справедливость результатов Хаббла, через короткое время вопрос о туманностях был решён раз и навсегда.
Эдвин Хаббл у 100-дюймового телескопа в обсерватории Маунт-Вилсон
Поняв природу туманностей, Хаббл обратился к результатам Слифера. В чём значение красного смещения, открытого Слифером? Относится ли этот результат ко всем галактикам, и если да, то что он означает? Вместе со своим ассистентом Милтоном Хьюмесоном Хаббл начал проверять результаты Слифера, а затем и дополнять их. Это требовало времени, но Хаббл был настойчив и годами тщательно фотографировал спектры всё менее ярких галактик. Вскоре он понял, что не хватает важного ключа к разгадке: не известны расстояния до большинства фотографируемых галактик. В близких галактиках для определения расстояния он мог использовать цефеиды, но 100-дюймовый телескоп не позволял рассмотреть даже не очень удалённые галактики. Занявшись вплотную этой проблемой, Хаббл постепенно передал исследование спектров Милтону Хьюмесону.
Общительный, сердечный по натуре ассистент совсем не походил на Хаббла. Хаббла многие считали неприветливым и сдержанным, а Хьюмесона все любили. В один прекрасный день он появился в обсерватории Маунт-Вилсон в поисках работы, но получил лишь место погонщика мулов, потому что не имел образования. В те дни в обсерваторию вела одна-единственная крутая извилистая дорога, и одолеть её было под силу только мулам, которые и доставляли наверх все грузы. Хьюмесон проработал погонщиком несколько месяцев, а затем его повысили в должности до уборщика. Он не собирался всю жизнь прозябать в невежестве и каждый раз, помогая астрономам, проводившим наблюдения, засыпал их вопросами. Вскоре стало ясно, что он справится и с чем-либо гораздо более сложным, чем уборка помещений, и его взяли в помощники наблюдателя. Подготовки у Хьюмесона не было никакой, он до всего доходил сам, что не помешало ему за короткое время превратиться в опытного наблюдателя.
Пока Хаббл размышлял над проблемами расстояний и полученными результатами, его помощник пытался фотографировать всё более отдалённые галактики. Настойчивость и изобретательность помогли ему придумать «космическую лестницу». Зная расстояние до ближайших галактик (в одной из которых были цефеиды), он решил использовать их в качестве «мостика» к более далёким галактикам. Цефеиды он назвал первичными индикаторами, а в качестве вторичных выбрал самые яркие звёзды в галактиках, предположив, что они обладают одинаковой светимостью. Это позволило ему определить расстояние до них и сделать следующий шаг к ещё более отдалённым галактикам. И наконец, он использовал «третичные индикаторы», самые яркие галактики в группах галактик, предположив, что они все обладают примерно одинаковой светимостью. Проградуировав таким образом свою космическую лестницу, он получил возможность добраться до самых отдалённых галактик. Трудность заключалась в том, что каждая ступенька лестницы была связана с предыдущей. Если он ошибался в нижней ступеньке, то ошибка распространялась на следующую и путала все расчёты. Несмотря на это, такая методика представлялась вполне разумной (позднее в неё были внесены некоторые поправки), и в 1929 году, после нескольких лет напряжённой работы Хаббл объявил результат: Вселенная расширяется. Сами галактики не изменяются, но расстояние между ними линейно растёт со временем. Это означало, что галактики удаляются от нас, и чем дальше находится галактика, тем быстрее она удаляется. Первое сообщение, сделанное Хабблом, было основано на неоднозначных результатах, и многие считали, что на него повлияли европейские теоретические разработки, из которых следовало, что Вселенная расширяется. Но к 1931 году сомнения рассеялись: наблюдения Хаббла показали чёткую зависимость между расстоянием до галактик и их скоростью.
Теоретические работы в Европе намного опередили наблюдения Хаббла, но в те времена научные новости путешествовали медленно, и между практическими астрономами и теоретиками, разрабатывавшими ту же проблему, контактов почти не было. Эйнштейн занялся космологией вскоре после того, как в 1916 году закончил работу над общей теорией относительности, однако его попытки применить теорию к процессам, происходящим во всей Вселенной, натолкнулись на трудности. Астрономы убедили его в том, что, несмотря на существование хаотического движения объектов во Вселенной, в среднем она стационарна, и Эйнштейн принял это как важную предпосылку своей теории. Однако, попытавшись решить соответствующие уравнения, он понял, что его Вселенная либо сжимается, либо расширяется. Следовало сделать её стабильной, и пришлось в уравнения ввести константу. Поначалу Эйнштейн колебался, понимая, что это разрушит простоту и красоту уравнений. Но постепенно он смирился, утешаясь тем, что на уровне Вселенной всё происходит по-другому. Хотя его «космологический член» был важен для Вселенной в целом, применительно к обычным астрономическим объектам им можно было пренебречь.
Вселенная Эйнштейна имеет сферическую форму; луч света, движущийся в определённом направлении, описывает в ней огромный круг и возвращается назад, в ту точку, откуда вышел. Это разрешало загадку, которая годами не давала покоя астрономам: где конец Вселенной? А если у неё есть конец, то что находится по ту сторону? Во Вселенной Эйнштейна всё проще: у неё нет конца, но она замкнута. Это, к облегчению многих, означало, что размеры Вселенной конечны.
В том же 1917 году, когда Эйнштейн опубликовал свою работу по космологии, голландский астроном Биллем де Ситтер предложил другую космологическую теорию. За год до этого Эйнштейн послал де Ситтеру экземпляр своей статьи по общей теории относительности, которая произвела на голландца столь сильное впечатление, что он переслал её в Англию Эддингтону. Эддингтон также счёл статью весьма важной и способствовал её распространению.
Де Ситтер родился в Нидерландах в 1872 году. Окончив школу, он поступил в Гронингенский университет, где собирался изучать математику, но вскоре заинтересовался астрономией. Защитив диссертацию, он два года провёл в Кейптауне, наблюдая южное небо. Вернувшись в Европу, де Ситтер через несколько лет получил место профессора в Лейдене, а в 1919 году был назначен директором обсерватории.
Модель де Ситтера была, по меньшей мере, странной. Странность заключалась в её пустоте. «В конце концов, – любил повторять он, – реальная Вселенная почти пуста.» Другая странность состояла в том, что модель предсказывала красное смещение (возможно, это повлияло на взгляды Хаббла). Модель де Ситтера вызывала интерес учёных несколько лет, может быть, дольше, чем она того заслуживала. Хотя Эйнштейн и стал близким другом де Ситтера, эта теория ему не нравилась. Его не привлекала мысль о пустой Вселенной, а предсказание красного смещения сбивало с толку и казалось бессмысленным.
