У подальші десятиріччя таке нове розуміння часу й простору мало перевернути наші уявлення про Всесвіт. Давню ідею про майже незмінний Всесвіт, що, можливо, існував завжди й існуватиме вічно, заступили уявлення про динамічний, розширний Всесвіт, що, найпевніше, виник у скінченний час у минулому й дійде краю в скінченний час у майбутньому. Цим революційним поглядам присвячено дальший розділ. Вони стали вихідним пунктом моєї роботи в галузі теоретичної фізики. Ми з Роджером Пенроузом показали, що, згідно із загальною теорією відносності Айнштайна, Всесвіт повинен мати початок і, можливо, кінець.
Розділ 3 РОЗШИРНИЙ ВСЕСВІТ
Якщо в ясну, безмісячну ніч поглянути на небо, то найяскравішими об’єктами, певно, будуть планети Венера, Юпітер, Марс та Сатурн. Також буде видно велику кількість зір, подібних до нашого Сонця, але набагато віддаленіших. Насправді деякі з цих зафіксованих зір, як виявляється, через рух Землі навколо Сонця трохи змінюють своє положення відносно одна одної, тож фактично вони зовсім не зафіксовані! Це тому, що вони відносно близько до нас. Земля обертається навколо Сонця, і ми бачимо їх з різних положень на тлі віддаленіших зір. Тому ми в змозі безпосередньо виміряти відстані до цих зір; і що вони ближчі, то більше видається, що вони рухаються. Найближча від Землі зоря, Проксима Кентавра, розташована на відстані близько чотирьох світлових років (її світлу знадобиться приблизно 4 роки, щоб досягти Землі), або близько 23 мільйонів мільйонів миль. Більшість інших зір, яких видно простим оком, перебувають у межах кількох сотень світлових років від нас. Наше Сонце, наприклад, на відстані лише 8 світлових хвилин! Видимі зірки розкидані по всьому нічному небу, але особливо зосереджені в одній смузі, яку ми називаємо Чумацьким Шляхом. Далекого 1750 року деякі астрономи припускали, що виникнення Чумацького Шляху можна пояснити тим, що більшість видимих зір утворює одну дископодібну конфігурацію, приклад того, що ми тепер називаємо спіральною галактикою. Лише через декілька десятиліть астроном сер Вільям Гершел підтвердив цю ідею, прискіпливо каталогізуючи положення та відстані до величезної кількості зір. Проте повне визнання ідея здобула тільки на початку XX століття.
Наша сучасна картина Всесвіту бере початок лише від 1924 року, коли американський астроном Едвін Габл продемонстрував, що наша Галактика не єдина. В дійсності існує велика кількість інших, розділених величезними ділянками порожнього простору. Щоб довести це, йому потрібно було визначити відстані до цих інших галактик, розташованих так далеко від нас, що справді видаються зафіксованими, на відміну від близьких зір. Тож Габл мусив використовувати непрямі методи для вимірювання відстаней. Позірна яскравість зорі залежить від двох факторів: скільки світла вона випромінює (світність) і як далеко вона від нас. Що стосується близьких зір, ми можемо виміряти їхню позірну яскравість і відстань до них, і так розрахувати їхню світність. І навпаки, якщо нам відома світність зір в іншій галактиці, ми можемо визначити відстань до неї, вимірюючи їхню позірну яскравість. Габл помітив, що певні типи зір, достатньо близьких, щоб провести вимірювання, завжди мають однакову світність; тому, аргументував він, якби ми знайшли подібні зорі в іншій галактиці, то могли б припустити, що вони мають таку ж саму світність, і так розрахувати відстань до цієї галактики. Якщо б ми могли це проробити для численних зір тої самої галактики, і наші розрахунки завжди давали б ту саму відстань, то могли б бути достатньо впевнені у своїй оцінці.
Так Габл розрахував відстані до дев’яти різних галактик. Тепер ми знаємо, що наша Галактика лише одна з сотень мільйонів, які можна побачити в сучасні телескопи, а кожна галактика, своєю чергою, містить декілька сотень мільярдів зір. Рис. 3.1 зображує одну зі спіральних галактик. І наша, як ми вважаємо, має подібний вигляд для когось з іншої галактики. Ми живемо в Галактиці, яка обертається, і становить приблизно сто тисяч світлових років у поперечнику; зорі в її спіральних рукавах обертаються навколо центра приблизно раз за декілька сотень мільйонів років. Наше Сонце — просто звичайна, середньорозмірна жовта зоря, розташована біля внутрішнього краю одного зі спіральних рукавів. Ми-таки далеко відійшли від часів Аристотеля та Птолемея, коли вважали, що Земля — центр Всесвіту!
Рис. 3.1.
Зорі так далеко, що здаються нам лише цятками світла. Ми не можемо розгледіти їхній розмір чи форму, тож як нам розрізнити на віддалі різні типи зір? Для величезної більшості зір є тільки одна примітна властивість, яку можна спостерігати — колір їхнього світла. Ньютон виявив, що коли сонцеве світло проходить крізь шматок скла трикутної форми, так звану призму, то воно розкладається на складові кольори (спектр), наче у веселці. Налаштувавши телескоп на певну зорю чи галактику, так само можна спостерігати спектр світла від зорі чи галактики. Різні зорі мають різні спектри, але відносна яскравість різних кольорів завжди така, яку слід очікувати від світла, що випромінює об’єкт, розпечений до червоного. (Насправді, світло, випромінюване будь-яким непрозорим об’єктом, що світиться червоногарячим, має характерний спектр — тепловий — який залежить тільки від його температури. Це означає, що ми в змозі визначити температуру зорі за спектром її світла). До того ж, виявляється, певних дуже специфічних кольорів узагалі нема в спектрі зір, і вони можуть різнитися від зорі до зорі. Позаяк нам відомо, що кожен хемічний елемент поглинає характерний набір дуже специфічних кольорів, то, порівнюючи їх з тими, яких не вистачає у спектрі зорі, можна достеменно визначити, які елементи наявні в зоревій атмосфері.
У 1920-х роках, коли астрономи почали досліджувати спектри зір в інших галактиках, то виявили дещо дуже своєрідне: ті ж самі характерні набори забраклих кольорів, як і для зір нашої Галактики, але всі вони однаковою мірою були зміщені до червоного краю спектру. Щоб зрозуміти, що це означає, спершу слід розібратися з ефектом Доплера. Як ми бачили, видиме світло складається з коливань, або хвиль, у електромагнетному полі. Довжина хвилі світла (або відстань між сусідніми гребенями хвилі) надзвичайно мала — від 4 до 7 десятимільйонних часток метра[11]. Хвилі світла різної довжини людське око сприймає як різні кольори: найдовші хвилі належать до червоного краю спектру, а найкоротші — до синього. Тепер уявімо джерело світла, що перебуває на незмінній відстані від нас, таке як зоря, що випромінює хвилі світла сталої довжини. Очевидно, що довжина хвиль, які ми приймаємо, буде така ж, як у випромінених (гравітаційне поле галактики не буде достатньо сильне, щоб мати значний вплив). Припустімо тепер, що джерело починає рухатися в наш бік, і коли випускає наступний гребінь хвилі, то він буде до нас ближчий, а відстань між гребенями хвилі буде менша, ніж коли зірка була нерухома. Це означає, що довжина хвилі, яку ми приймаємо, коротша, ніж коли зоря була нерухома. Відповідно, якщо джерело рухається від нас, довжини хвиль, які ми приймаємо, будуть більші. У разі світла, отже, це означає, що зорі, які віддаляються від нас, матимуть спектри, кольори яких зміщені до червоного краю спектру (червоний зсув), а ті, які наближаються до нас матимуть спектр із синім зсувом. Це співвідношення між довжиною хвилі та швидкістю, яке і називають ефектом Доплера, можна спостерігати у повсякденному житті. Прислухайтесь до машини, яка проїжджає по дорозі: з її наближенням, мотор звучить на вищому тоні (що відповідає коротшій довжині хвилі та вищій частоті звукових хвиль), а коли авто минає нас і їде далі — мотор звучить нижче. Світлові та радіохвилі поводяться так само. Справді, поліція використовує ефект Доплера для вимірювання швидкості автівок, вимірюючи довжину радіохвиль, які від них відбиваються.
Довівши, що інші галактики існують, усі наступні роки Габл присвятив каталогізації відстаней до них і спостереженню їхніх спектрів. У ті часи більшість людей вважали, що довколишні галактики рухаються зовсім випадково, тому спектрів, зміщених до синього краю сподівалися виявити стільки ж, скільки і зміщених до червоного. Яким же було здивування, коли виявилось, що спектри більшості галактик зміщенні до червоного краю, тобто майже всі вони віддалялися від нас. Ще дивовижнішим було відкриття Габла, опубліковане 1929 року: навіть величина червоного зміщення не випадкова, а прямо пропорційна відстані до галактики. Або, іншими словами, що далі галактика від нас, то швидше вона віддаляється! І це означало, що Всесвіт не може бути статичний, як раніше вважали, а насправді розширюється і відстані між різними галактиками весь час зростають.