Лоуренс Краусс - Вселенная из ничего: почему не нужен Бог, чтобы из пустоты создать Вселенную
Когда впервые сталкиваешься с этим удивительным фактом – что почти все галактики удаляются от нас, а те, которые в два раза дальше, и движутся в два раза быстрее, а которые в три раза дальше – в три раза быстрее, вывод, казалось бы, напрашивается сам собой: мы – центр Вселенной!
Как говорят некоторые мои друзья, хорошо бы, чтобы лично мне кто-нибудь регулярно напоминал, что это не так. Просто это в точности совпадает с соотношением, которое предсказал Леметр. Наша Вселенная и правда расширяется.
Я пытался объяснить это разными способами и, честно говоря, думаю, что понятно все равно не получится, если не умеешь смотреть на все с другой точки зрения – с другой во вселенском масштабе. Чтобы увидеть, что следует из закона Хаббла, нужно скинуть шоры нашей галактики и взглянуть на Вселенную извне. Посмотреть снаружи на трехмерную Вселенную трудно, а на двумерную – уже проще. Ниже я нарисовал подобную расширяющуюся Вселенную в разные моменты времени. Видно, что на второй картинке галактики отстоят друг от друга дальше.
А теперь представьте себе, что вы живете в одной из галактик со второго рисунка – я отметил ее белым – в момент времени t2.
Чтобы увидеть, как будет выглядеть эволюция Вселенной с точки зрения этой галактики, я просто наложил правую картинку на левую, совместив черную галактику на обеих картинках.
Вуаля! С точки зрения этой галактики все остальные галактики удаляются от нее, а те, до которых в два раза дальше, удаляются в два раза быстрее, те, которые дальше в три раза, – в три раза быстрее и т. д. Если у Вселенной нет краев, обитателям галактики кажется, что центр расширения – именно они.
Какую именно галактику при этом выбрать, неважно. Возьмем другую галактику и повторим операцию:
А теперь все зависит от точки зрения: или каждая точка – центр Вселенной, или ни одна из них не центр Вселенной. Это неважно: закон Хаббла соответствует картине расширяющейся Вселенной.
Так вот, когда в 1929 году Хаббл и Хьюмасон опубликовали результаты своего анализа, то не только сообщили, что обнаружили линейную зависимость между расстоянием и скоростью разбегания, но и сделали количественную оценку темпа расширения. Вот те самые данные, которые они тогда представили:
Как видите, кажется, что мысль провести на графике с такой совокупностью данных прямую линию – это просто относительно удачная догадка Хаббла. Очевидно, что какая-то зависимость есть, но на основании одних только данных совершенно неясно, можно ли считать, что прямая линия и в самом деле лучше всего их описывает. Числа, которые получили Хаббл и Хьюмасон и которые отражены на графике, показывают, что галактика на расстоянии в миллион парсек от нас (3 миллиона световых лет) – а именно таково среднее расстояние между галактиками – удаляется от нас со скоростью 500 километров в секунду. Однако эту оценку удачной не назовешь.
Почему – более или менее понятно. Если в наши дни все разбегается в стороны, значит, в прошлом все было ближе друг к другу. А если на все действует сила притяжения, она должна была бы замедлять расширение Вселенной. Это значит, что галактика, которая, как мы наблюдаем сегодня, удаляется от нас со скоростью 500 километров в секунду, раньше должна была двигаться быстрее.
Но если мы допустим на секунду, что галактика и правда неслась с такой скоростью, можно посчитать все «в обратном порядке» и выяснить, как давно она занимала то же положение, что и наша Галактика. Поскольку галактики, расстояние до которых вдвое больше, движутся вдвое быстрее, то расчеты покажут, что они все окажутся там же, где и мы, в точности одновременно. И правда – вся наблюдаемая Вселенная была сосредоточена в одной точке в момент Большого взрыва, а когда именно, мы как раз и оцениваем.
Понятно, что такая оценка – это верхний предел возраста Вселенной, поскольку если галактики когда-то двигались быстрее, то оказались бы там, где находятся сейчас, скорее, чем показывает эта оценка.
Так вот, по оценкам на основании расчетов Хаббла Большой взрыв произошел примерно полтора миллиарда лет назад. Но даже в 1929 году уже накопилось достаточно данных, чтобы стало очевидно (всем, кроме разве что сектантов, буквально понимающих Священное Писание, – они еще сохранились в Теннеси, в Огайо и в нескольких других штатах), что Земля старше трех миллиардов лет.
Конечно, когда ученые устанавливают, что Земля старше Вселенной, получается как-то неловко. А главное – становится очевидно, что в расчеты вкралась ошибка.
Причина путаницы проста: Хаббл оценивал расстояния на основании данных по цефеидам в нашей Галактике, потому-то в расчетах и возникла систематическая неточность. Шкала расстояний, основанная на том, что по данным ближних цефеид оценивалась дистанция до дальних, а затем – до галактик, в которых наблюдались еще более далекие цефеиды, оказалась неверной.
История о том, как исправляли эти систематические ошибки, слишком длинна и запутанна, чтобы излагать ее здесь, – впрочем, это уже неважно, потому что теперь у нас есть куда более точный механизм оценки расстояний.
Приведу одну из моих любимых фотографий, сделанных Космическим телескопом им. Хаббла.
На ней изображена прелестная спиральная галактика, далекая-далекая (и все это было давным-давно хотя бы потому, что свет от галактики добирался до нас довольно долго, более 50 миллионов лет). В подобной спиральной галактике, похожей на нашу, насчитывается около 100 миллиардов звезд. В ее ярком ядре, наверное, около 10 миллиардов звезд. Обратите внимание на звезду внизу слева: она сияет почти так же ярко, как и эти 10 миллиардов звезд. На первый взгляд резонно предположить, что это просто звезда из нашей собственной Галактики, расположенная гораздо ближе и случайно попавшая в кадр. Но на самом деле это звезда из той самой далекой галактики, до которой более 50 миллионов световых лет.
Как видно, это не обычная звезда. Это звезда, которая только что взорвалась, – сверхновая, чуть ли не ярчайший фейерверк во Вселенной. Когда звезда взрывается, она ненадолго – примерно на месяц – начинает сиять в видимом свете с яркостью 10 миллиардов звезд.
К счастью для нас, взрываются звезды не очень часто – в каждой отдельно взятой галактике примерно раз в сто лет. Однако нам повезло, что это все-таки случается: если бы не сверхновые, нас с вами не было бы. То, что каждый атом в наших с вами организмах когда-то был частью взорвавшейся звезды, – едва ли не самый романтичный «интересный факт», касающийся Вселенной. Более того, атомы правой руки, скорее всего, совсем не из тех звезд, что атомы левой. Все мы буквально дети звезд, и тела наши созданы из звездной пыли.
Откуда мы это знаем? Дело в том, что можно экстраполировать картину Большого взрыва в прошлое до того времени, когда Вселенной от роду было около секунды, и мы подсчитали, что все наблюдаемое вещество было сжато в плотную плазму, температура которой насчитывала тогда около 10 миллиардов градусов Кельвина. При такой температуре легко идут ядерные реакции между протонами и нейтронами, они то соединяются, то распадаются из-за дальнейших столкновений. Если проследить этот процесс по мере остывания Вселенной, можно предсказать, как часто эти первые составные части атомов будут связываться и создавать ядра атомов тяжелее водорода, то есть гелия, лития и т. д.
При этом мы обнаруживаем, что во время этого первобытного фейерверка – Большого взрыва – в сущности, не формировались никакие ядра тяжелее лития, ядро которого занимает третье место по легкости во всей таблице Менделеева. Мы уверены, что не ошиблись в вычислениях, поскольку наши прогнозы относительной распространенности легчайших элементов полностью совпадают с данными наблюдений. Распространенность легчайших элементов – водорода, дейтерия (ядра тяжелого водорода), гелия и лития – различается на десять порядков: около 25 процентов всех протонов и нейтронов (по массе) в результате входят в состав ядер гелия и лишь один на 10 миллиардов нейтронов и протонов оказывается в ядре лития. И по всему этому огромному диапазону данные наблюдений полностью совпадают с теоретическими расчетами.
Это одно из самых известных, значительных и успешных предсказаний, которые подтверждают, что Большой взрыв и вправду был. Наблюдаемая распространенность легких элементов может получиться только в результате Большого взрыва, и только он объясняет наблюдаемое расширение Вселенной. Я всегда держу в заднем кармане карточку, на которой написано сравнение предсказанной распространенности легких элементов с наблюдаемыми ее значениями, чтобы показывать ее каждый раз, когда мне встречается кто-то, кто не верит в Большой взрыв. Правда, до этого в спорах почти никогда не доходит, поскольку точные данные не производят должного впечатления на людей, которые заранее убеждены, что что-то тут не складывается. Но я все равно ношу с собой эту карточку – и чуть дальше обязательно познакомлю вас с тем, что на ней написано.
