Складки на ткани пространства-времени - Говерт Шиллинг

Я попробую объяснить происходящее на примере кекса с изюмом. Это хорошо известное и широко используемое сравнение, я даже не смог выяснить, кто его автор. Итак, поставим мысленный эксперимент (вы, конечно, можете провести его на самом деле, но это необязательно, разве что вы большой любитель кексов с изюмом).

Прежде чем поставить кекс в духовку, приготовим его особым образом – так, чтобы все изюминки располагались в тесте строго равномерно, каждая на расстоянии 1 см от ближайших. Это означает, что все изюминки находятся в вершинах воображаемой пространственной решетки, состоящей из кубиков размером 1×1×1 см каждый. Убедитесь, что ясно представляете себе эту картину.

Теперь включаем духовку. Поскольку мы используем супертесто (это же мысленный эксперимент), кекс бурно поднимается. Всего за час выпекания его размер увеличивается в два раза. Таким образом, через час каждая изюминка оказывается в 2 см от соседних.

Представьте, что вы находитесь в одной из изюминок. Сначала до вашей соседки 1 см, но после выпекания расстояние составляет уже 2 см. За один час оно увеличилось с 1 см до 2 см. Иными словами, во время пребывания в духовке вы наблюдаете, как ближайшая изюминка удаляется от вас со скоростью 1 см/ч.

Однако следующая изюминка в ряду первоначально была от вас в 2 см, а оказалась в 4 см. Кажется, что она перемещается на 2 см в течение часа. Аналогично более удаленная изюминка, до которой было 10 см, также окажется в два раза дальше – вы увидите, что она проходит 10 см за час.

Соседняя изюминка: малая скорость удаления. Более дальняя изюминка: более высокая скорость удаления. Очень далекая изюминка: очень высокая скорость удаления. Именно то, что обнаружил Хаббл.

Необходимо понять одну вещь. Совершенно не важно, в какой изюминке вы находитесь. Картина одинакова, из какой точки кекса на нее ни смотри. Никакая изюминка не занимает особого положения. Все и каждая «видят», как остальные улетают от них. Аналогично галактика Млечный Путь не занимает особого положения во Вселенной. В любой другой галактике, будь то Андромеда, Водоворот или NGC 474, инопланетные астрономы наблюдали бы точно такую же картину.

Второй важный для понимания факт заключается в том, что изюминки вообще не двигаются. Во всяком случае, относительно теста. Они в нем просто находятся. Безусловно, расстояния между ними увеличиваются. Но не потому, что они движутся, а потому, что тесто расширяется. Аналогично галактики во Вселенной не летят сквозь пространство с громадными скоростями. Верно, расстояния между ними увеличиваются, но только потому, что расширяется само пространство.

Я призывал вас с подозрением относиться к мысленному представлению о расширяющейся Вселенной как о фейерверке. Когда взрывается шутиха, фрагменты светящегося материала разлетаются в пространстве от места своего возникновения и оказываются намного дальше друг от друга, чем были сначала, потому что действительно двигаются. В расширяющейся Вселенной все иначе. Можно сказать, расстояние между Землей и галактикой NGC 474 (в настоящее время около 100 млн св. лет) увеличивается со скоростью порядка 2000 км/с. Но было бы ошибкой утверждать, что NGC 474 несется сквозь космос с этой скоростью. Расстояние до нее растет, потому что пространство между галактикой и нами расширяется.

Примечательно, что здесь аналогия с кексом дает сбой. Изюм не двигается в тесте. Галактики, напротив, совершают реальное перемещение в пространстве. Например, наш Млечный Путь и соседняя галактика Андромеда сближаются со скоростью около 100 км/с – это исключение, обнаруженное Весто Слайфером в далеком 1912 г. Дело в том, что две галактики испытывают взаимное гравитационное притяжение. Они действительно перемещаются в пространстве, чтобы столкнуться через несколько миллиардов лет. (Не переживайте – к тому времени жизнь на Земле уже будет уничтожена разбуханием Солнца, описанным в главе 5.) Поскольку на данный момент расстояние между ними составляет каких-то 2,5 млн св. лет, между Млечным Путем и Андромедой недостаточно расширяющегося пространства, чтобы компенсировать их взаимное сближение. В то же время движение сквозь пространство очень далекой галактики слишком ничтожно, чтобы «перевесить» увеличение расстояния вследствие расширения всего пространства, находящегося между ней и Млечным Путем.

Сравнение с изюмом в кексе несовершенно по еще одной причине. Кексы с изюмом обычно имеют конечные размеры. Напротив, как я вскоре расскажу, Вселенная вполне может оказаться бесконечной. Но это мелочь. По сути, сравнение с кексом великолепно. Главное, чтобы в следующий раз, когда расширяющаяся Вселенная представится вам в виде фейерверка, вы мысленно услышали сигнал тревоги и решительно напомнили себе: «Кекс с изюмом, кекс с изюмом!»

Что можно сказать о красном смещении у галактик? Разве оно не вызвано тем, что галактика улетает от нас? Бесспорно, движение галактики в пространстве вызывает то, что представляется эффектом Доплера. Если она движется от нас, ее световые волны растягиваются до более низких частот, соответственно, с меньшими длинами волны, что приводит к красному смещению. Если она движется к нам (как Андромеда и буквально горстка других маленьких ближних галактик), то демонстрирует слабое голубое смещение. Однако применительно к расширяющемуся пространству лучше забыть о сравнении с машиной скорой помощи.

Представьте световую волну, испущенную далекой галактикой, с определенной частотой и соответствующей длиной. Миллионы или даже миллиарды лет свет путешествовал сквозь пространство по пути к земному телескопу. Если бы мы жили в статичной Вселенной, свет пришел бы на Землю, имея точно такую же длину волны, которую имел изначально. Но Вселенная не статична. Пространство расширяется. Вследствие этого световая волна, движущаяся сквозь пространство, тоже расширяется. Она постепенно растягивается, и длина волны увеличивается – цвет становится более красным.

Чем дольше свет путешествует через расширяющееся пространство, тем сильнее оказывается растянут. Поэтому свет далеких галактик – проведший в пути больше времени – должен демонстрировать большую степень красного смещения, чем свет ближних галактик. Это и обнаружил Хаббл. Фактически астрономы используют красное смещение у галактик для расчета расстояния до них.

_________

Это уже что-то. У нас есть достоверный образ расширения Вселенной (кекс с изюмом) и понимание причины красного смещения у галактик (растяжение световых волн). Пора затронуть тонкий вопрос о расстояниях в космосе.

Как я говорил, космологи используют красное смещение у галактик в качестве показателя удаленности. Прекрасно! Но что конкретно мы подразумеваем под удаленностью галактики? Предположим, галактика испустила свет очень давно, когда находилась в 5 млрд св. лет от Млечного Пути. К тому времени, когда свет наконец достигает Земли, дистанция могла увеличиться до 10 млрд св. лет, поскольку пространство расширяется постоянно.

Возникает проблема. Красное смещение у галактики не дает нам никакой информации ни о первоначальной, ни о нынешней дистанции. Единственное, что мы можем извлечь из красного смещения, – сколько времени свет шел сквозь расширяющееся пространство. Это не 5 и не 10 млрд лет, а какая-то промежуточная величина, возможно около 7 млрд лет.