Томас Хертог – О происхождении времени. Последняя теория Стивена Хокинга (страница 16)
Эйнштейновское видение космоса, которое позволяло описывать всю Вселенную единым уравнением, ясно показало, что общая теория относительности может привести нас туда, куда законам Ньютона путь был закрыт. В рамках статического гиперсферического пространства-времени общая форма и размеры Вселенной связаны с содержащимся в ней количеством материи и темной энергии. Это значило, что общая теория относительности действительно способна дать фантастические ответы на древние вопросы. Своей трактовкой Вселенной как целого Эйнштейн в некотором смысле прочно вписал «внешнюю сферу» моделей Вселенной древнего мира в рамки современной науки. И хотя модель Вселенной Эйнштейна оказалась и близко не соответствующей действительности, его пионерские исследования обозначили момент рождения современной релятивистской космологии.
Однако пройдет еще десять лет, прежде чем Леметр начнет понимать, насколько истинное космологическое значение теории относительности выходит за пределы первоначальных представлений Эйнштейна и всех остальных.
Леметр был интереснейшей и очень привлекательной фигурой[47]. Родился он в 1894 году в Шарлеруа на юге Бельгии. Из-за начавшейся Первой мировой войны ему пришлось бросить университет, где он получал инженерное образование. Когда в августе 1914 года немцы вторглись в Бельгию, юный Жорж пошел добровольцем в пехоту и в составе бельгийской армии участвовал в битве при Изере, вблизи границы с Францией. Противостояние тянулось два месяца, пока бельгийцы не открыли оросительные каналы, прорытые к морю, – этот потоп остановил немецкое наступление. Рассказывают, что в моменты затишья в окопах Леметр пытался читать классические труды по физике, в том числе Leçons sur les Hypothèses Cosmogoniques («Лекции о космогонических гипотезах») Анри Пуанкаре. Согласно семейной легенде, Жорж навлек на себя гнев капрала, когда осмелился указать на математическую ошибку в армейском руководстве по баллистике.
После войны, следуя ощущаемому им «двойному призванию», Леметр поступил в Католический университет в Лёвене[48], где стал изучать физику, и в семинарию в Малине, где получил специальное разрешение кардинала Мерсье на изучение новой теории относительности Эйнштейна. В 1923 году, уже в пасторской сутане, он пересек Ла-Манш, чтобы поработать с Эддингтоном в Кембриджской обсерватории.
Обладая глубокими познаниями не только в физике, но и в философии, Леметр вполне мог вдохновляться прозрениями шотландского мыслителя XVIII века Дэвида Юма, когда избрал в науке подход на пересечении математической теории и астрономических наблюдений. В своем главном труде «Исследования о человеческом разумении» Юм утверждал, что в основе наших знаний лежит опыт. Признавая силу математики, Юм предостерегал от абстрактных построений, изолированных от реального мира: «Если рассуждать a priori, что угодно может показаться способным произвести что угодно другое. Падение камня может, пожалуй, потушить Солнце, а желание человека – управлять обращением планет по их орбитам»[49]. Провозглашая опыт основой всех наших теорий, Юм тем самым помог заложить основы подхода к науке как к индуктивному процессу, уходящему корнями в эксперимент и в наши наблюдения Вселенной.
В подобном же духе Леметр подытожил свою собственную позицию: «Все идеи тем или иным путем приходят к нам из реального мира, в соответствии с принципом Nihil est in intellectu nisi prius fuerit in sensu[50]. Разумеется, идея, которая вырастает из факта, должна выходить за его пределы и следовать естественному течению мысли, фундаментальной функции интеллекта. И все же это, возможно, один из наиболее ценных уроков, которым учит нас странность физики: этим течением необходимо управлять, оно не должно терять связи с фактами, оно должно позволять себе быть обусловленным ими. Здесь, как и во многих других областях, мы должны найти удачный баланс между туманным идеализмом, который блуждает во тьме, и узким позитивизмом, который всегда остается стерильным[51].
Переехав из английского Кембриджа в Кембридж, что в штате Массачусетс, чтобы поработать в обсерватории Гарвардского колледжа, Леметр стал свидетелем «Великого спора», дебатов, состоявшихся в Вашингтоне в январе 1925 года. Обсуждаемый вопрос состоял в том, что представляют собой замеченные на небе еще в Средние века спиральные туманности – гигантские газовые облака в составе Млечного Пути, или отдельные далекие галактики. С помощью нового 100-дюймового телескопа Хукера на Маунт-Вилсон близ Пасадены, крупнейшего в мире телескопа тех времен, американский астроном Эдвин Хаббл и его коллеги разрешили участки двух таких туманностей (в Андромеде и в Треугольнике) на отдельные звезды, а затем использовали характерные свойства пульсирующих звезд – цефеид – в этих туманностях для оценки расстояний до них[52]. К их изумлению, расстояния оказались порядка миллиона световых лет – гораздо дальше границ нашего Млечного Пути. Это были галактики! Наблюдения Хаббла сразу сделали Вселенную в тысячи раз больше!
Но, что было еще поразительнее, оказалось, что большинство туманностей движутся прочь от нас. Еще в 1913 году талантливый астроном Весто Слайфер, работавший в Ловелловской обсерватории[53]вблизи Большого каньона, заметил в спектрах большинства спиральных туманностей явное смещение в сторону более длинных волн[54]. Такое смещение появляется, когда мы наблюдаем свет от удаляющихся от нас источников, – явление, известное под названием доплеровского сдвига. Мы все знакомы с доплеровским сдвигом звуковых волн – вспомните, как меняется звук сирены «скорой помощи», когда она проносится мимо вас. То же самое происходит и с волнами света – если источник света удаляется от вас, цвет такого света краснеет, что в космологии называется красным смещением. К середине 1920-х Слайфер измерил спектры не менее чем 42 спиральных туманностей и нашел, что только четыре из них приближались к Млечному Пути, в то время как 38 удалялись, и часто с огромными скоростями – до 1800 км/c, что намного превышало скорости любых небесных тел, известных в то время. Теперь мы знаем, что таблицы Слайфера, в которые были сведены измеренные скорости туманностей – пример такой таблицы показан на рис. 12, – были самым ранним свидетельством расширения Вселенной[55].
Вернувшись в Лёвен в 1925 году, Леметр осознал значение наблюдений Слайфера. Говорят, что к тому времени он понимал общую теорию относительности лучше всех, включая Эддингтона и самого Эйнштейна. Леметр видел, что построенная Эйнштейном статичная Вселенная была катастрофически неустойчивой. Она была космологическим эквивалентом иголки, балансирующей на острие; при малейшем толчке она начнет падать. Гениальное прозрение Леметра состояло в том, чтобы отказаться от глубоко укоренившейся идеи неизменной и вечной космической сцены и прочесть в общей теории относительности то, что она все время пыталась нам сказать:
Рис. 12. Первое свидетельство расширения Вселенной: лучевые скорости 25 спиральных туманностей (галактик), опубликованные Весто Слайфером в 1917 году. Отрицательные значения соответствуют галактикам, приближающимся к нам, а положительные скорости принадлежат удаляющимся галактикам.
что Вселенная расширяется. Связывая массу и энергию с формой пространства-времени, теория Эйнштейна с необходимостью приводит к тому, что пространство меняется во времени – и не только локально, но также и in extenso, в масштабах всей Вселенной. Проектируя статический мир, заключал Леметр, Эйнштейн ради своих философских предрассудков о том, каким космосу следует быть, проигнорировал самое драматическое предсказание, вытекавшее из его собственного уравнения. Опубликованная в 1927 году основополагающая статья Леметра, в которой он постулирует расширение пространства, как раз и устанавливает ту самую фундаментальную связь между общей теорией относительности и поведением физической Вселенной как целого[56]. Сам Леметр потом вспоминал с присущей ему беспечностью: «Вышло так, что я был в большей степени математиком, чем большинство астрономов, и в большей степени астрономом, чем большинство математиков»[57].
Рис. 13. Жорж Леметр читает лекцию в Католическом университете в Лёвене, в Бельгии.
Леметр понимал, что расширяющаяся Вселенная – совсем не то, что обычный взрыв. Взрыв происходит в определенной точке. Если вы наблюдаете взрывающуюся звезду с большого расстояния, пространство будет выглядеть очень по-разному в зависимости от того, смотрите ли вы в сторону звезды или в противоположную сторону. В расширяющейся Вселенной все обстоит иначе. В своем расширении Вселенная не имеет ни центра, ни края – растягивается само ее пространство. Если это и взрыв, то взрыв пространства как такового. «Туманности [галактики] похожи на микробов на поверхности воздушного шара, – пояснял Леметр. – Когда шар раздувается, каждый микроб видит, что все остальные удаляются от него, и у него складывается впечатление – но это только впечатление, – что он находится в центре». Выполненная в стиле комикса иллюстрация этой метафоры Леметра появилась в 1930 году в одной голландской газете (см. рис. 2 на вклейке).
Пока световые волны бегут от одного «микроба» до другого, они растягиваются вместе с расширяющимся пространством, и свет из-за этого краснеет. Это создает впечатление, будто далекие галактики устремляются прочь от Млечного Пути, хотя в действительности они не движутся. То есть «красное смещение» в спектрах туманностей – не доплеровский сдвиг, возникающий благодаря реальным движениям галактик, как думали Слайфер и Хаббл, а просто следствие раздувания самого пространства. Я попытался проиллюстрировать это на рис. 14. Так как лист бумаги имеет лишь два измерения, мне снова пришлось убрать два из трех измерений пространства, изобразив оставшееся третье в виде окружности. Внутренность этой окружности и пространство вне ее – просто средство визуализации. Итак, у нас есть одномерная расширяющаяся окружность: ее радиус увеличивается с течением времени. Мы видим, что это ведет к увеличению расстояний между галактиками.