Айзек Азимов - О времени, пространстве и других вещах. От египетских календарей до квантовой физики
Конечно, можно сказать, что эти бесчисленные миллионы звезд не имеют никакого значения, потому что не видны невооруженным глазом и не могут внести свой вклад в освещение ночного неба. Ну и что?
Звезды, составляющие Млечный Путь, в отдельности тоже тусклые, но вместе они образуют пусть и неяркий, зато отчетливо видимый светящийся пояс, протянувшийся по небу. Созвездие Андромеды располагается намного дальше, чем звезды Млечного Пути, поэтому составляющие его звезды видны с Земли только в мощный телескоп. Созвездие целиком все-таки можно разглядеть без телескопа. (Это самый удаленный от Земли объект, который можно увидеть без использования специальной оптики.
Если вас спросят, далеко ли вы видите, смело отвечайте, что на 2 000 000 световых лет.)
Отсюда можно сделать вывод, что далекие звезды вносят свой вклад в освещение ночного неба, когда они расположены достаточно плотно.
Олберс, не имевший понятия о существовании созвездия Андромеды, кое-что знал о Млечном Пути. Поэтому он принялся размышлять, какое количество света следует ожидать от всех далеких звезд. Начал он с нескольких гипотез.
1. Вселенная бесконечна в своем протяжении.
2. Число звезд бесконечно и равномерно разбросано но Вселенной.
3. Звезды во всем космическом пространстве обладают в среднем одинаковой яркостью.
Теперь давайте представим космическое пространство, разделенное на отдельные оболочки (как у лука), собранные вокруг нас. Они довольно тонкие, если сравнивать их с необъятностью космоса, но в то же время достаточно большие, чтобы вместить в себя звезды.
Помните, что количество света, которое доходит до нас от отдельных звезд одинаковой яркости, изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния до звезды. Другими словами, если звезда А и звезда В имеют одинаковую яркость, но звезда А расположена в 3 раза дальше, чем звезда В, то звезда А доносит до нас только 1/9 часть своего света. Если звезда А в 5 раз дальше, чем звезда В, до Земли дойдет 1/25 часть ее света и т. д.
Это справедливо и для нашей «оболочки». Звезда, находящаяся в 2000 световых лет от нас, будет выглядеть в 4 раза менее яркой, чем звезда, расположенная в 1000 световых лет от нас. (В соответствии с гипотезой 3 истинная яркость звезд во всех «оболочках» одинакова, поэтому нас интересует только расстояние до них.) Звезда в нашей «оболочке», расположенная на расстоянии 3000 световых лет, будет выглядеть в 9 раз менее яркой, чем звезда, находящаяся в 1000 световых лет, и т. д.
Если же начать движение в направлении от центра, каждая следующая «оболочка» будет более объемной, чем предыдущая. Объем «оболочек» возрастает, как и поверхность сфер, пропорционально квадрату радиуса. Объем «оболочки», содержащей звезду, удаленную на 2000 световых лет, будет в 4 раза больше, чем объем «оболочки» со звездой, удаленной на 1000 световых лет.
Мы считаем, что звезды распределены в пространстве равномерно (гипотеза 2), тогда число звезд в каждой «оболочке» будет пропорционально ее объему. Если объем одной «оболочки» больше объема другой в 4 раза, то и число звезд в ней будет в 4 раза больше и т. д.
Таким образом, «оболочка» со звездами, удаленными на 2000 световых лет, содержит в 4 раза больше звезд, чем «оболочка» со звездами, удаленными на 1000 световых лет. Другими словами, «оболочка», в которой звезды удалены от нас на 2000 световых лет, доносит до нас столько же света, сколько «оболочка» со звездами, находящимися на расстоянии 1000 световых лет. Для более далеких «оболочек» дело обстоит так же.
Таким образом, если разделить Вселенную на последовательные оболочки, каждая из них «поставляет» одинаковое количество света. А поскольку Вселенная бесконечна в своей протяженности (гипотеза 1) и состоит из бесконечного числа «оболочек», звезды, какими бы тусклыми они ни были в отдельности, должны доставлять бесконечное количество света на Землю.
Но быть может, ближайшие к нам звезды блокируют свет своих более далеких собратьев?
Чтобы понять, так это или нет, давайте рассмотрим проблему с другой стороны. В каком бы направлении ни посмотрел наблюдатель, он непременно увидит звезду. Это означает, что их число бесконечно и они равномерно распределены в пространстве (гипотеза 2). Одна звезда может быть невидимой, но она все равно внесет свой вклад в общее «производство» света.
Если все сказанное верно, то ночное небо должно быть не черным, а представлять собой гигантское яркое пятно звездного света. Кстати, таким же должно быть и дневное небо, на светлом фоне которого Солнце будет невидимым.
Тогда небо было бы но яркости таким же, как 150 000 наших солнц. Думаю, ни у кого не вызывает сомнений факт, что при таких условиях жизнь на Земле была бы невозможна.
Но наше небо совсем не такое яркое, как 150 000 солнц. А ночное небо вообще черное. Где-то в парадоксе Олберса кроется смягчающее обстоятельство или логическая ошибка.
Сам Олберс считал, что обнаружил ее. Он предположил, что космос не является полностью прозрачным; в нем встречаются облака пыли и газа, поглощающие основное количество света, поэтому до Земли доходит лишь незначительное его количество.
На первый взгляд звучит убедительно, по на самом деле это не так. Конечно, в космическом пространстве существуют облака пыли и газа. Но если бы они поглощали весь попадающий на них звездный свет (согласно парадоксу Олберса). их температура начала бы неуклонно подниматься, постепенно дойдя до такой величины, когда они сами начали бы светиться. В итоге они начали бы испускать столько же света, сколько поглотили, и земное небо все равно оказалось бы залитым ярчайшим звездным светом.
Но если с точки зрения логики доказательство не содержит ошибки, а вывод остается неверным, следует пересмотреть первоначальные гипотезы. Например, гипотезу № 2. Действительно ли число звезд бесконечно и они равномерно распределены по пространству Вселенной?
Уже во времена Олберса имелись основания сомневаться в истинности этого утверждения. Астроном Вильям Гершель вел подсчеты звезд различной яркости. Он предположил, что более тусклые звезды являются более удаленными по сравнению с более яркими (что является следствием гипотезы № 3), и обнаружил, что плотность расположения звезд в пространстве уменьшается с увеличением расстояния.
Изучив степень уменьшения плотности в разных направлениях, Гершель решил, что звезды образуют фигуру, напоминающую линзу. Он подсчитал, что ее диаметр равен примерно 150 расстояниям от Солнца до звезды Арктура (сейчас мы определили бы его в 6000 световых лет) и все звездное скопление состоит из 100 000 000 звезд.
Казалось бы, тем самым он покончил с парадоксом Олберса. Если скопление, имеющее форму линзы (теперь мы называем его галактикой), действительно включает в себя все существующие звезды, тогда гипотеза № 2 оказывается несостоятельной. Даже если космическое пространство бесконечно и простирается дальше галактики (гипотеза № 1), там не будет звезд, и света оттуда не прибавится. Следовательно, можно допустить существование конечного числа «оболочек», содержащих звезды, которые произведут конечное (не очень большое) количество света, попадающего на Землю. И в этом заключается причина ночной черноты неба.
Предположительные границы галактики после Гершеля значительно раздвинулись. Сейчас принято считать, что она имеет диаметр 100 000 световых лет (а не 6000) и содержит 150 000 000 000 звезд, а вовсе не 100 000 000. Однако существенная перемена не явилась решающей. Ночью небо все равно остается черным.
После того как в XX веке было высказано предположение, что и за пределами Галактики существуют звезды, парадокс Олберса возродился к жизни.
Клочок тумана, носящий имя Андромеды, в XIX веке считался светящейся туманностью, являвшейся частью нашей Галактики. Между тем другие аналогичные астрономические объекты (например, туманность Ориона) содержат звезды, светящие сквозь туман. А в туманности Андромеды, казалось, звезд не было, но сам туман светился.
Некоторые астрономы уже в то время начали подозревать правду, но окончательно она была установлена только в 1924 году, когда американец Эдвин Пауэлл Хаббл направил 100-дюймовый телескоп на светящуюся туманность и сумел разглядеть по краям отдельные звезды. Они были такими тусклыми, что сразу стало очевидно: туманность находится в сотнях тысяч световых лет от нас и далеко за пределами нашей Галактики. Более того, если ее можно разглядеть с такого расстояния, ее размеры, скорее всего, сравнимы с размерами нашей родной Галактики. Очевидно, это другая, самостоятельная галактика.
Это была истина. Сейчас считается, что туманность находится примерно в 2 000 000 световых лет от нас и содержит по меньшей мере 200 000 000 000 звезд. А вскоре были открыты и другие галактики. Современная наука имеет основания предполагать, что в обозримой Вселенной существует, как минимум, 100 000 000 000 галактик; расстояние до некоторых из них оценивается в 6 000 000 000 световых лет.
