3. Первая космологическая революция

Парадигма вечной Вселенной дожила до 1920-х годов и пала жертвой не столько собственных противоречий, сколько новых фактов и теорий. Для начала уточним, что именно в картине мира XIX века потерпело крушение.

Вопреки тезисам современных философских поветрий, родственных постмодернизму, достижения науки прошлых веков никто не отвергал — они просто приобрели новый, более ограниченный смысл в более широком контексте. Астрономия XVII—XIX веков дала примерную картину ближней Вселенной, которая в целом выдержала испытание временем, хотя и была существенно дополнена и пересмотрена в ряде деталей.

Крушение потерпела не научная теория, а, скорее, философская доктрина, вышедшая за круг научно установленных фактов. Она казалось естественной, очевидной, простой и была желанной для разума. Природа в очередной раз преподала нам урок: не всё, что кажется очевидным и привлекательным с философской точки зрения, является истиной. Реальность оказалась сложнее, драматичнее и даже трагичнее: Вселенная родилась, эволюционирует и перестанет существовать в ее нынешнем виде. Как и всё, что в ней содержится. Всё течет, всё изменяется, всё проходит. Вселенные — тоже.

Сокрушающим фактом стал закон разбегания галактик, открытый Эдвином Хабблом, теоретической основой революции — общая теория относительности Эйнштейна и решения уравнений Эйнштейна для Вселенной как целого, найденные Александром Фридманом и позже Жоржем Леметром. Главные события революции произошли в 1920-х годах.

Хроника примерно такова

1915-1917 годы: Эйнштейн формулирует общую теорию относительности, из которой следует нестационарность Вселенной как целого. Эйнштейн этого не хотел и попытался подправить теорию, введя произвольно дополнительный лямбда-член (или космологическую постоянную, как чаще называют ее сейчас), который мог бы стабилизировать Вселенную (хотя и не обеспечивал устойчивости).

1922 год: Александр Фридман показывает, что Вселенная с лямбда-членом неустойчива, и публикует решения уравнений Эйнштейна, описывающие нестационарную Вселенную. Поначалу его работа не нашла поддержки в научном сообществе, в частности, поддержки Эйнштейна.

1923-1925 годы: Эдвин Хаббл видит в спиральных туманностях цефеиды -переменные звезды с известной зависимостью периода от светимости. Из видимой яркости цефеид следует гигантское расстояние до них. Такое расстояние, что спирали не могут быть ни чем иным, кроме как галактиками, подобными нашей собственной. Так утвердилась внегалактическая астрономия, начало которой было положено чуть ранее Слайфером, разглядевшим в спиральных туманностях звезды.

1927 год: Жорж Леметр продолжает дело Фридмана, независимо воспроизведя его решения и активно пропагандируя теорию нестационарной Вселенной. Вводит понятие Большого взрыва (сам термин появился много позже; Леметр использовал понятие «первичный атом»).

Леметра воодушевляли первые данные Хаббла и Слайфера, говорящие, что спектры большинства галактик смещены в красную сторону. Это трудно интерпретировать иначе, как эффект Доплера: большинство галактик удаляется от нас. Леметр теоретически предсказывает закон красного смещения: скорость удаления галактики пропорциональна расстоянию до нее. Более того, он берет данные Слайфера по красному смещению галактик и результаты Хаббла по оценке расстояний до галактик и подтверждает свою догадку: числа свидетельствуют о расширении Вселенной с темпом 625 км/с на мегапарсек. Но данные были еще не убедительны, и автором закона в историю вошел Хаббл.

1929 год: Хаббл, основываясь на большем количестве измерений, публикует свой закон пропорциональной зависимости красного смещения от расстояния, ошибившись в 7 раз в определении коэффициента этой зависимости. Эйнштейн признает нестационарность Вселенной и Большой взрыв, а также называет лямбда-член своей ошибкой. Лямбда-член, однако, остался висеть, подобно ружью, на стене и впоследствии, как в хорошей пьесе, выстрелил, да еще как!

На этом первую космологическую революцию можно было считать свершившейся, хотя факт ее свершения осознали совсем немногие. Сам Хаббл в то время не был уверен, что его закон доказывает расширение Вселенной. К тому же ошибка в определении постоянной Хаббла ставила под сомнение всю складывающуюся картину: возраст Вселенной, определяемый как момент начала разлета галактик, получался слишком маленьким — где-то 2 млрд лет.

Ошибка Хаббла складывалась из нескольких составляющих. Во-первых, неправильная калибровка «стандартной свечи» в качестве которой использовались цефеиды — звезды с периодическими колебаниями блеска, у которых абсолютная яркость жестко зависит от периода. Эта яркость была занижена, и расстояние до ближайших галактик с различимыми цефеидами, соответственно, занижено. Расстояние до более далеких галактик определялось с помощью их ярчайших звезд — это была вторая, более яркая «стандартная свеча». Здесь Хаббл тоже ошибся — он во многих случаях за ярчайшие звезды принял компактные очаги звездообразования, которые ярче любой звезды. Эти и другие неточности сработали в одну сторону, дав огромную ошибку — недооценку расстояний до галактик. Более-менее правильная величина постоянной Хаббла была определена лишь в 1950-е годы, но еще долго оценки разных групп различались почти в два раза.

_{3.1. Эдвин Хаббл (1889-1953). Фото «Википедии»}

Концепция Большого взрыва решает перечисленные в первой главе парадоксы одним легким движением. Парадокс Ольберса объясняется красным смещением в расширяющейся Вселенной. Когда объект удаляется, его яркость снижается по двум причинам: энергия квантов падает из-за эффекта Доплера и уменьшается темп их прихода к наблюдателю. Кроме того, у Вселенной появляется горизонт, из-за которого не приходит ничего. Проблема тепловой смерти снимается простым соображением о том, что она еще только впереди. Проблема гравитационной неустойчивости отпадает вообще: в расширяющейся Вселенной неоднородности растут медленней и заведомо не успевают привести к каким-либо парадоксам.

Несмотря на блестящее решение космологических противоречий, новая парадигма утверждалась долго и довольно мучительно. Прошли еще десятилетия, когда образованные родители говорили своим вопрошающим детям (в числе которых был и автор данной книги), что Вселенная не имеет ни начала, ни конца, ни пределов. Еще долгое время вполне заслуженные ученые пытались дать альтернативные объяснения закона красного смещения. В частности, предполагали некий механизм «старения фотонов» — они, дескать, теряют энергию по пути, что имитирует эффект Доплера. Однако механизм подобной потери энергии науке неизвестен. Даже в 1950-х годах многие хорошие ученые и слышать не хотели о Большом взрыве. Многие считали, что разбегание галактик — локальный эффект.

Интересно, что концепция Большого взрыва была благожелательно встречена церковниками самых разных конфессий. Действительно, чем не акт творения?!

Зато марксистско-ленинская философская школа держалась до конца, признав Большой взрыв лишь где-то к концу 1950-х годов.

Перелом в общественном сознании наступил, пожалуй, только в 1960-е годы, когда теория Большого взрыва, подтвержденная новыми данными, пошла в широкие народные массы через популярную литературу и СМИ. Где-то году в 1966-м или 1967-м преподавательница математики рассказывала нам, десятиклассникам, про геометрию Ри-мана и сказала, что, похоже, именно этот вариант реализуется во Вселенной в соответствии с теорией Большого взрыва. Правда, таких учителей было немного. Так или иначе, в 1960-х, более чем через 30 лет после возникновения, новая парадигма утвердилась окончательно.

Из настоящих ученых, заставших открытия 1960-х годов, до конца не признал Большой взрыв только известный английский астрофизик Фред Хойл. Его вариант стационарной Вселенной был по-своему красив и романтичен, справлялся и с парадоксом Ольберса, и с проблемой тепловой смерти, но имел свои проблемы, которые множились по мере поступления новых астрофизических данных. Эта история настолько живописна и по-своему драматична, что мы посвятим ей небольшую главу книги.

Пожалуй, самая яркая роль в первой космологической революции XX века выпала на долю Хаббла (отчасти вместе со Слайфером) — расширить «ойкумену» в тысячу раз, первым увидеть колоссальную Вселенную, да к тому же расширяющуюся! Интересно, был ли в жизни Хаббла момент просветленного потрясения от внезапно открывшегося или понятого? Вполне возможно, что яркий момент истины остался погребен под гигантским количеством рутинной работы, необходимой, чтобы эту истину добыть.

Кажется, Хаббл так и не понял значение своего закона. Он не раз подчеркивал свою позицию: закон красного смещения — эмпирический факт, а его интерпретация — задача для теоретиков. Сам он больше склонялся к версии, что красное смещение — результат неизвестного науке явления уменьшения частоты электромагнитных волн при их распространении на огромные расстояния. Ему бы прожить еще дюжину лет до открытия реликтового излучения! Тогда бы Хабблу уже некуда было деться и пришлось бы осознать, насколько грандиозен его вклад в наше новое мировоззрение.