Анатолий Томилин - Занимательно о космологии
Одна из гипотез, имевших довольно большую популярность в то время, утверждала, что частицы света — фотоны, путешествуя по вселенной, теряют часть своей энергии. Энергия же фотона пропорциональна его частоте и, следовательно, обратно пропорциональна длине волны. Значит с уменьшением энергии фотона длина волны излучаемого света должна увеличиваться. И весь спектр удаленного объекта оказывается таким образом смещенным в красную сторону. При этом нет никакого разбегания. Величина смещения спектра должна быть пропорциональна расстоянию, пройденному светом, и все!..
Лет двадцать назад эта гипотеза вполне серьезно обсуждалась на теоретических симпозиумах. Но потом оказалось, что она требовала отказа от одного из основных законов природы — закона сохранения энергии. Ибо ежели энергия фотонами терялась, никуда не передаваясь, принцип сохранения энергии явно нарушался. Ежели же фотоны передавали часть своей энергии некой среде или другим фотонам, путь их должен был искривляться. Следовательно, изображения далеких галактик не могли принципиально быть четкими. Они обязаны были приходить к нам размытыми. И чем больше было до них расстояние, тем больше они должны были «размываться». Очертания же даже самых далеких и слабых галактик получались на негативах астрономических фотосъемок такими же четкими, как и ближайших к нам звездных систем…
Вторая гипотеза гласила: предположим, что фотон неожиданно распадается на фотон меньшей энергии и некие частицы. Почему? Неизвестно! Просто распадается, и все, если ему приходится долго путешествовать. Эту гипотезу подверг резкой критике молодой талантливый советский физик-теоретик М. П. Бронштейн (1906–1938). Он работал с Л. Д. Ландау, первым в нашей стране стал заниматься квантовой теорией тяготения и фактически заложил ее основы. Он был бы, безусловно, выдающимся ученым — гордостью советской науки, если бы не трагическая гибель в 1938 году.
Критикуя гипотезу распада фотона, М. П. Бронштейн доказал, что, приняв подобное свойство световых квантов, мы получили бы различное красное смещение от разных участков спектров одного объекта. Кроме того, линии спектра неизбежно должны тогда расширяться, и радиоволны от далеких источников к нам не доходили бы вообще, они бы распадались.
В конце концов всем специалистам, всем скептикам мира пришлось согласиться с тем, что иного толкования красного смещения, кроме космологического, основанного на эффекте Доплера, быть не может. И в настоящее время нет ни одной приемлемой гипотезы, которая объясняла бы три основных свойства красного смещения иначе, чем доплеровским эффектом. А свойства эти такие:
1. Независимость красного смещения от длины волны спектра.
2. Закон Хаббла — v = H · r.
3. Изотропность красного смещения, то есть его независимость от направления.
Правда, оставалось возражение, которое основывалось на несовпадении возраста вселенной по расчетам Хаббла с возрастом Земли по данным геологов. Почти двадцать лет астрономы мирились с этим. Двадцать лет Земля была старше вселенной. Лишь в конце пятидесятых годов усилиями нового поколения астрономов был осуществлен пересмотр шкалы внегалактических расстояний, приведший к тому, что постоянная Хаббла — мировая константа H — оказалась в шесть-семь раз меньше той, которую определил сам Хаббл.
Обычно сегодня считают, что H = 75÷100 км/сек·Мгпс. Понятно, что переход на новую шкалу увеличил и расстояния до галактик, увеличил и время жизни вселенной, сведя его к приемлемой величине. Действительно, теперь
T = 1/H = 1 Мгпс/(100÷75) км/сек = 3,086·1019 км/(100÷75) км/сек = (10÷13)·109 лет.
Пришло время для того, чтобы попытаться определить горизонты окружающего нас мира.
Горизонты вселенной
Люди давно заметили, что небесные тела «любят» объединяться в системы. Первая из таких систем — наша собственная Земля — Луна.
У Сатурна, опоясанного уникальным кольцом, десять спутников. У Юпитера — двенадцать. Наше Солнце, по существующим воззрениям, обыкновенная звезда, каких пруд пруди, имеет тоже систему из девяти открытых на сегодняшний день планет с тридцатью двумя спутниками. Ну, а звезды? В какие системы объединяются они?
Звезды составляют различные системы: двойные, тройные, кратные. Более крупными коллективами являются рассеянные звездные скопления: от десятков и сотен до тысячи и двух тысяч звезд. Еще более крупными объединениями являются шаровые звездные скопления, насчитывающие иногда более миллиона звезд. Академик В. А. Амбарцумян открыл еще один тип звездного содружества — ассоциации молодых, горячих звезд. Все эти содружества входят в состав гигантской звездной системы, носящей название Галактики и содержащей около ста миллиардов членов.
Первым вполне научно и убедительно описал Галактику Вильям Гершель. Он наглядно объяснил, что все наблюдаемые звезды образуют огромную звездную систему, по форме напоминающую линзу. Систему назвали Галактикой. Однако это предположение долгое время не выходило за рамки гипотезы.
В двадцатые годы нашего столетия Хаббл доказал, что спиральные и некоторые другие туманные пятнышки, с трудом различимые на фотографиях, сделанных с помощью мощных инструментов, на самом деле являются удаленными от нас звездными системами, вполне сравнимыми по размерам с нашей Галактикой. Началась новая эпоха в астрономии. Радиус исследуемого человеком мира увеличился в десятки тысяч раз. Это количественное расширение горизонтов не могло не повлечь за собой и качественного изменения взглядов на вновь открываемые объекты. Во вселенной нет ничего единственного и неповторимого, но природа не ставит и на конвейер свои объекты: галактики, радиогалактики, квазары, квазаги, пульсары — кто скажет, что ждет наших астрономов, когда в строй вступит новый советский сверхтелескоп с шестиметровым зеркалом?..
Наша Галактика окружена шестнадцатью соседями — тоже галактиками, образующими довольно тесную группу — Местную систему. Астрономы полагают: есть основания считать, что все до сих пор открытые семнадцать членов Местной системы связаны не только какими-то физическими законами, общими для всей группы, но и общим происхождением. Наблюдая миллионы галактик, разбросанных почти во всех уголках неба, астрономы заметили, что галактики также имеют тенденцию к группированию, объединяясь в скопления галактик. А нельзя ли в таком случае по аналогии со звездами предположить, что скопления галактик также объединяются в некую сверхсистему?
В 1953 году французский астроном Вокулер высказал мнение, что наиболее яркие (до 12-й видимой звездной величины), то есть ближайшие к нам галактики, определенно концентрируются, объединяясь в колоссальную сплюснутую систему, которую он и назвал сверхсистемой галактик. При этом советский астроном Б. Л. Воронцов-Вельяминов обнаружил, что не все наблюдаемые галактики входят в эту сверхсистему. Значит, это не метагалактика, включающая в себя все объекты, находящиеся в пределах, доступных обозрению.
Но тогда возникает вопрос: нельзя ли следующей ступенью организации вещества во вселенной считать метагалактику?
Непосредственно наблюдаемых фактов для такого вывода пока как будто нет. И все-таки некоторые основания предполагать, что такая система, как метагалактика, существует, имеются.
Существует не очень отчетливое предположение, что в состав метагалактики входит столько же гигантских звездных островов, сколько примерно звезд содержит такая Галактика, как наша, и что метагалактика является автономной системой галактик. Размеры метагалактики не трудно подсчитать, если заранее пойти на признание закона Хаббла. Строго-то говоря, он не совсем точен для очень больших расстояний. Но давайте пренебрежем этим обстоятельством. Тогда границы обозримой вселенной отодвинутся от нас на расстояние, на котором находятся галактики, уносящиеся от нас со скоростью света C.
Итак, закон Хаббла: v = H · r.
Отсюда, если v = 300 000 км/сек, то
r = v/H = 300 000 км/сек/(100÷75) км/сек·Мгпс = (3000÷4000) Мгпс.
Нельзя сказать даже, что это «огромное» расстояние. Это просто ни с чем не сообразное расстояние в 1028 сантиметров, которое нет смысла переводить в километры. Все равно его себе не представить.
Есть предположение, что метагалактика не является последней ступенью организации вещества во вселенной. Но ежели метагалактика не вся вселенная, то позволительно задать вопрос: что же дальше?
