Первые три минуты

Что все это говорит нам о происхождении Вселенной? Если галактики разлетаются друг от друга, то когда-то они должны были быть ближе друг к другу. Точнее, если бы их скорости были постоянными, то время, необходимое для того, чтобы любая пара галактик достигла теперешнего взаимного удаления, как раз равнялось бы теперешнему расстоянию между ними, деленному на их относительную скорость. Но если скорость пропорциональна теперешнему расстоянию между галактиками, то это время одинаково для любой пары галактик — они все должны были быть близко друг к другу в один и тот же момент времени в прошлом! Принимая постоянную Хаббла равной 15 км/с на миллион световых лет, получаем, что время, прошедшее с тех пор, как галактики начали разлетаться, должно равняться миллиону световых лет, деленному на 15 км/с, или 20 миллиардов лет. Мы будем называть «возраст», вычисленный таким способом, «характерным временем расширения»; это есть просто обратная величина постоянной Хаббла. Истинный возраст Вселенной в действительности меньше характерного времени расширения, потому что, как мы увидим далее, галактики не двигались с постоянной скоростью, а несколько замедлялись под влиянием взаимного тяготения. Поэтому если постоянная Хаббла равна 15 км/с на миллион световых лет, то возраст Вселенной должен быть меньше, чем 20 миллиардов лет.

Иногда мы все это суммируем, говоря кратко, что размер Вселенной увеличивается. Это не означает, что Вселенная обязательно имеет конечный размер, хотя такое и возможно. Подобное выражение используется потому, что в любой заданный момент времени расстояние между любой парой типичных галактик увеличивается на одну и ту же относительную величину. За любой интервал времени, который достаточно мал для того, чтобы галактические скорости оставались примерно постоянными, увеличение расстояния между любой парой типичных галактик дается произведением их относительной скорости и интервала времени или, если использовать закон Хаббла, произведением постоянной Хаббла на расстояния между галактиками и времени. Но тогда отношениеувеличения расстояния к самому расстоянию будет равно произведению постоянной Хаббла и пройденного времени, которое одинаково для любой пары галактик. Например, за промежуток времени, равный одному проценту характерного времени расширения (обратной величины постоянной Хаббла), расстояние между каждой парой типичных галактик увеличивается на один процент. Мы можем тогда сказать, выражаясь несколько небрежно, что размер Вселенной увеличился на один процент.

Я не хочу создавать впечатления, что все согласны с такой интерпретацией красного смещения. Ведь на самом деле мы не наблюдаем разбегающихся от нас галактик; все, в чем мы уверены, это то, что линии их спектров смещены в красную сторону, т. е. в сторону больших длин волн. Есть выдающиеся астрономы, которые сомневаются в том, что красные смещения имеют какое-то отношение к доплеровским сдвигам или к расширению Вселенной. Хальтон Арп из Хейльской обсерватории подчеркивал существование групп галактик, в которых некоторые галактики имеют красные смещения, сильно отличающиеся от остальных; если такие группы представляют собой реальные физические ассоциации соседних галактик, то едва ли они могут иметь сильно различающиеся скорости. Кроме того, Маартен Шмидт обнаружил в 1963 году, что некоторый класс объектов, хотя и имеет вид звезд, тем не менее обладает чудовищными красными смещениями, превышающими в некоторых случаях 300 процентов! Если такие «квазизвездные объекты» действительно так далеки, как указывают их красные смещения, они должны излучать грандиозные количества энергии для того, чтобы быть столь яркими. Наконец, совсем нелегко определить связь между скоростью и расстоянием на действительно больших расстояниях.

Существует, однако, независимый способ подтверждения того, что галактики на самом деле разлетаются так, как указывают их красные смещения. Как мы видели, эта интерпретация красных смещений приводит к выводу, что расширение Вселенной началось чуть меньше, чем 20 миллиардов лет назад. Следовательно, такая интерпретация подтвердится, если мы сможем найти любое другое свидетельство того, что Вселенная действительно имеет такой возраст. И в самом деле, имеется довольно много фактов, подтверждающих, что возраст нашей Галактики примерно 10–15 миллиардов лет. Такие оценки возникают как из анализа относительного содержания различных радиоактивных изотопов на Земле (особенно изотопов урана ²³⁵U и ²³⁸U), так и из расчета эволюции звезд. Определенно нет никакой прямой связи между скоростью радиоактивного распада или звездной эволюцией и красным смещением далеких галактик, поэтому такое совпадение делает весьма убедительным заключение, что возраст Вселенной, выведенный из постоянной Хаббла, действительно близок к истинному значению.

С исторической точки зрения интересно в связи с этим напомнить, что в 30-е и 40-е годы считали, что постоянная Хаббла значительно больше — около 170 км/с на миллион световых лет. Согласно нашим предыдущим рассуждениям, возраст Вселенной будет тогда равен одному миллиону световых лет, деленному на 170 км/с, что составляет около двух миллиардов лет или даже меньше, если мы примем во внимание гравитационное торможение. Но со времен изучения радиоактивности лордом Резерфордом было хорошо известно, что Земля значительно старше этого возраста; сейчас принято считать возраст Земли равным 4,6 миллиардов лет! Едва ли Земля может быть старше Вселенной, поэтому астрономы вынуждены были сомневаться в том, что красное смещение что-то говорит нам о возрасте Вселенной. Некоторые из наиболее хитроумных космологических идей 30-х и 40-х годов, включая, возможно, и теорию стационарного состояния, были порождены этим явным парадоксом. Может быть, именно устранение в 50-е годы парадокса возраста, благодаря десятикратному увеличению шкалы внегалактических расстояний, было существенным предварительным условием для появления космологии большого взрыва в качестве стандартной модели.

Та картина Вселенной, которую мы здесь описываем, представляет собой расширяющийся рой галактик. До сих пор свет играл для нас лишь роль «звездного посланца», несущего информацию о галактических расстояниях и скоростях. Однако в ранней Вселенной были совсем другие условия; как мы увидим, именно свет был главной составной частью Вселенной, а обычное вещество играло роль пренебрежимо малой примеси. Поэтому позднее нам пригодится, если сейчас мы повторим, что мы узнали о красном смещении в терминах поведения световых волн в расширяющейся Вселенной.

Рассмотрим световую волну, распространяющуюся между двумя типичными галактиками. Расстояние между галактиками равно времени распространения света, умноженному на скорость света, а увеличение этого расстояния за время путешествия света равно времени распространения света, умноженному на относительную скорость галактик. Когда мы вычисляем относительный рост взаимного расстояния, мы делим увеличение расстояния на среднее значение этого расстояния за время увеличения и находим, что при этом время распространения света сокращается: относительное увеличение расстояния между этими двумя галактиками (а следовательно, между любыми другими типичными галактиками) за время распространения света есть просто отношение относительной скорости галактик к скорости света. Но как мы видели раньше, это же отношение определяет относительное увеличение длины волны света за время его путешествия. Таким образом, в процессе расширения Вселенной длина волны любого луча света просто увеличивается пропорционально взаимному расстоянию между типичными галактиками. Можно представлять себе это так, будто гребни волн в процессе расширения Вселенной все дальше и дальше «растаскиваются» друг от друга. Хотя, строго говоря, наша аргументация справедлива только для малого времени распространения, но, соединяя последовательность таких небольших путешествий в одно целое, мы вправе заключить, что вывод верен и в общем случае. Например, когда мы смотрим на галактику ЗС295 и обнаруживаем, что длины волн в ее спектре на 46 процентов больше, чем в наших стандартных таблицах спектральных линий, мы можем заключить, что Вселенная сейчас на 46 процентов больше по размеру, чем она была тогда, когда свет покинул ЗС295.