Бог и Мультивселенная

Релятивистская космология

Даже если бы достижения Эдвина Хаббла ограничивались убедительным доказательством того, что Вселенная простирается далеко за пределы Млечного Пути и что помимо нашей Галактики существует множество других, он вошел бы в историю. Но ему удалось обессмертить свое имя еще раз, когда он доказал, что большинство галактик удаляются от Земли со скоростями, возрастающими в линейной зависимости от расстояния до них (по крайней мере, именно об этом свидетельствовали новейшие данные тех времен).

Еще в 1912 году Весто Слайфер на основании смещения спектральных линий сделал вывод о том, что спиральные туманности удаляются от нас или, как Андромеда, приближаются к нам с невероятно огромными скоростями. Хотя этот факт и не доказывал непосредственно, что они лежат за пределами нашей Галактики, он стал одним из первых свидетельств того, что Вселенная не ограничивается Млечным Путем.

Именно в этот период истории теория и эксперимент начали объединяться, хотя немногие теоретики имели представление об экспериментальных данных и мало кто из экспериментаторов что-то смыслил в теории. Как мы узнали из главы 6, Эйнштейн добавил в свое гравитационное уравнение новую величину — космологическую постоянную, чтобы ввести понятие гравитационного отталкивания. Он понимал, что оно необходимо для стабилизации Вселенной, ведь в противном случае звезды сталкивались бы друг с другом.

В 1917 году Эйнштейну удалось найти решение своего уравнения, согласно которому Вселенная представляет собой ограниченную в пространстве (замкнутую) статичную четырехмерную гиперсферу^{120} (рис. 8.1). Такую модель иногда называют цилиндрической Вселенной, поскольку, если убрать одно из пространственных измерений, такая Вселенная в каждой заданной точке пространства будет представлять собой круг, а с учетом оси времени — пространственно-временной цилиндр.

Стоит отметить, что, хотя модель Эйнштейна формально и была статичной, она была нестабильной, подобно камню на вершине горы. Мельчайшее изменение одного из параметров модели, к примеру космологической постоянной или плотности вещества, приведет к тому, что Вселенная будет расширяться бесконечно или же, наоборот, резко схлопнется.

В том же 1917 году нидерландский астроном Биллем де Ситтер (1872–1934) доказал, что существует еще одно статическое космологическое решение уравнения Эйнштейна, при котором во Вселенной нет материи, но есть только энергия, заключенная в космологической постоянной^{121}. Эта модель изображена на рис. 8.2. В решении Эйнштейна гравитационное притяжение массы во Вселенной полностью уравновешивается отталкиванием, заключенным в космологической постоянной. В модели де Ситтера нет ни вещества, ни излучения — только космологическая постоянная, заданная ею положительная пространственная кривая и гравитационное отталкивание, под воздействием которого Вселенная экспоненциально расширяется.

Разумеется, можно возразить, что расширяющаяся Вселенная никак не может быть статической. Мир де Ситтера называют статическим, потому что он расширяется и всегда будет расширяться равномерно экспоненциально. В этой модели плотность энергии постоянна, поскольку Вселенная расширяется и общая внутренняя энергия со временем увеличивается. Закон сохранения энергии при этом не нарушается, поскольку внутреннее давление, соответствующее космологической постоянной, отрицательно. Если рассматривать эту модель Вселенной как термодинамическую систему, она работает сама на себя.

График, изображенный на рис. 8.2, показывает, что Вселенная де Ситтера не имеет ни начала, ни конца. Линия под верхушкой конуса соответствует бесконечно сужающемуся диаметру конуса, если двигаться в отрицательную сторону по оси времени. Однако, как мы вскоре увидим, позднее было доказано, что инфляционное расширение Вселенной должно было иметь начальную точку, хотя этому моменту мог предшествовать процесс сжатия.

Эйнштейн был недоволен решением де Ситтера. Кроме того, Вселенная не пуста^{122}. Де Ситтер предполагал, что его решение, возможно, хорошо работает в некотором приближении в случае, если плотность вещества мала. Как мы вскоре узнаем, он был недалек от истины. Судя по данным измерений плотности энергии и массы, наша Вселенная всего на 26% состоит из вещества и пренебрежимо малого количества излучения. (В главе 10 мы выясним, где и каким образом ученые проводят границу между веществом и излучением.)

Вселенная Фридмана

В 1922 году российский физик и математик Александр Фридман доказал, что пространство и время могут заключать в себе не только статическое, но и динамическое многообразие. Я не буду приводить здесь его оригинальную формулировку, а вместо этого изложу современную общепринятую трактовку идеи Фридмана.

В 1929 году американский физик Говард Робертсон написал ключевую работу по этой теме — «Основы релятивистской космологии», где ввел понятие метрики Робертсона — Уокера, также полученной Артуром Уокером в 1935 году, которая определяет все возможные линейные элементы четырехмерного пространства-времени для однородной изотропной Вселенной. Он доказал, что решения Эйнштейна и де Ситтера — единственно возможные статические решения и что уравнения Фридмана работают для всех динамических моделей^{123}.

Из гравитационного уравнения Эйнштейна Фридман вывел два новых уравнения, описывающих, как Вселенная может развиваться с течением времени^{124}. При условии однородности и изотропности Вселенной уравнения Фридмана позволяют рассчитать зависимость от времени величины a(t), называемой в метрике Робертсона — Уокера масштабным фактором, который описывает расширение или сжатие пространства.

Идею Фридмана зачастую наглядно объясняют на примере надувающегося воздушного шара. Нарисуйте две точки на поверхности частично надутого шарика. Если надуть его сильнее, точки отодвинутся друг от друга, если сдуть — сблизятся. В модели Фридмана двухмерная поверхность трехмерного шарика аналогична трехмерному пространству в четырехмерном пространстве-времени Минковского.

Фридман обнаружил три основных возможных сценария космической эволюции, зависящих от значения коэффициента кривизны k, определяющего общую геометрию трехмерного пространства. Если k = 0, пространство плоское, то есть в нем действует евклидова геометрия. Если k = +1, Вселенная замкнута и представляет собой неевклидово пространство с положительной кривизной, подобное поверхности трехмерной сферы. Если k = -1, Вселенная представляет собой открытый трехмерный гиперболоид, кривизна пространства имеет отрицательное значение и пространство напоминает по форме седло. Любой из этих вариантов можно рассмотреть с точки зрения суммы внутренних углов треугольника: 180° для k = 0, больше чем 180° для k = +1, меньше чем 180° для k = -1.

Частные решения уравнений Фридмана зависят от природы вещества во Вселенной, а также значений k и космологической постоянной L.

Эйнштейн не приветствовал появление модели Фридмана. Он считал, что нашел в его работе математическую ошибку. Правда позднее признал, что с математической точки зрения работа корректна, однако «не имеет физического смысла». К сожалению, Фридман не смог продолжить свою работу, поскольку умер в 1925 году в возрасте всего лишь 37 лет. В одной недавней статье говорится, что его вклад в космологию не до конца понят и часто подается превратно^{125}. Возможно, Фридман умер, так и не успев осознать его, поскольку он не связывал свои расчеты с астрономическими наблюдениями.

Вселенная Леметра

Практически единственным ученым тех лет, которому, похоже, удалось уловить зарождающуюся связь между математической космологией и примечательными данными наблюдений, появившимися в одно и то же время, был бельгийский священник-иезуит и физик Жорж Леметр. В 1927 году Леметр опубликовал статью на французском языке под названием «Однородная Вселенная постоянной массы и возрастающего радиуса, объясняющая радиальные скорости внегалактических туманностей» (Un Univers homogene de masse constante et de rayon croissant rendant compte de la vitesse radiale des nebuleuses extra-galactiques)^{126}. В этой статье он доказал, что из уравнения Эйнштейна следует расширение Вселенной и это объясняет красное смещение галактик. Леметр не цитировал Фридмана и не упоминал другие космологические решения, поскольку его интересовало только описание явлений, наблюдаемых в то время. Формулировка Леметра теперь известна как решение Фридмана — Леметра.

Однако работа Леметра, написанная на французском и опубликованная в малоизвестном журнале, который мало кто читал, несколько лет ожидала своего признания. Сам Леметр не занимался ее продвижением, хотя и послал копию Эддингтону, который ничего не ответил.

Только спустя 6 месяцев после выхода статьи Леметру удалось встретиться с Эйнштейном в брюссельском парке. Эйнштейн приехал на один из исторических Сольвеевских конгрессов, регулярно проходивших в Брюсселе. Пятый конгресс, прошедший в 1927 году, стал легендой, его посетили все сколько-нибудь значимые физики тех времен (Эйнштейн, Бор, Планк, Шрёдингер, Гейзенберг, Борн, Паули, Дирак, Лоренц, Перрен, де Бройль, Резерфорд, Джинс, Пуанкаре, Бриллюэн и др.), и именно там начался великий спор о квантовой механике между Эйнштейном и Бором, продлившийся годы^{127}. Семнадцать участников конференции из 29 стали лауреатами Нобелевской премии[11] (астрономы в конгрессе не участвовали).

Итак, Леметр, также бывший в списке приглашенных, встретив Эйнштейна в парке, коротко изложил ему свою модель, на что тот ответил: «Ваши расчеты верны, но вы отвратительно понимаете физику»^{128}.

Закон Хаббла

Тем временем Хаббл и его талантливый и педантичный ассистент Милтон Хьюмасон (1891–1972) продолжали усердно трудиться. Ни тот ни другой особенно не разбирались в общей теории относительности. В чем они знали толк, так это в наблюдениях за небом. Хьюмасон на тот момент имел восемь классов образования (в итоге он стал доктором наук) и учился проводить астрономические наблюдения после того, как пригонял в обсерваторию обозы снабжения, запряженные мулами. По поручению Хаббла Хьюмасон проводил долгие скучные ночи возле 100-дюймового телескопа, снимая на высокой выдержке спектрограммы плохо различимых галактик^{129}. В докомпьютерную эру наблюдателю приходилось сидеть на холоде, в открытой кабине, находящейся высоко, около фокальной точки телескопа, рассматривая изучаемый объект через окуляр и постоянно вручную подстраивая зеркало телескопа в соответствии с вращением Земли таким образом, чтобы объект все время находился в прицеле телескопа.

В 1929 году Хаббл опубликовал в официальном журнале Национальной Академии наук США Proceedings of the National Academy of Sciences эпохальную статью, озаглавленную «Связь между расстоянием и лучевой скоростью внегалактических туманностей» (A Relation between Distanceand Radial Velocity among Extra-Galactic Nebulae)^{130}. Принцип, предложенный им в этой статье, стал известен как закон Хаббла: лучевая скорость галактики прямо пропорциональна расстоянию до нее. Хьюмасон тоже не остался в стороне. Незадолго до выхода статьи Хаббла он опубликовал свою работу, в которой сообщал о том, что эллиптическая галактика NGC 7619 удаляется от Земли со скоростью 3779 км/с. Эта скорость была в два раза больше, чем самая высокая скорость, измеренная прежде, и примерно в 100 раз больше, чем скорость вращения Земли вокруг Солнца^{131}.

В работе Хаббла приведен график (рис. 8.3), отображающий зависимость между лучевыми скоростями галактик и расстояниями до них. Хотя разброс точек велик, явно просматривается тенденция: более удаленные туманности движутся быстрее, чего следует ожидать, если Вселенная расширяется. Это не было большим сюрпризом: другие ученые уже подмечали такую закономерность. Однако у Хаббла имелись убедительные доказательства. Что касается выстраивания точек по прямой линии, на рисунке это видно плохо, но на основании имевшихся данных эта тенденция четко прослеживалась.

Подписи к рис. 8.3 взяты непосредственно из работы Хаббла. Неправильно указана единица измерения на оси скоростей — вместо «км» должно быть «км/с». Расстояния даны в парсеках, 1 парсек = = 3,26 светового года[12].

В то время как большая часть скоростей, изображенных на графике, положительны, несколько отрицательных значений свидетельствуют о том, что некоторые более близкие галактики, такие как Андромеда, движутся по направлению к нам. Большинство расстояний до галактик в примере Хаббла определены не по цефеидам, которые были слишком тусклыми для этого, а по наиболее ярким звездам либо по общей светимости галактики.

В те дни не практиковался такой педантичный подход к ссылкам в научных работах, как сейчас. На самом деле некоторые из них по современным стандартам выглядели бы небрежными и ненаучными. Так что Хаббл, не указавший в своей работе источники, ничем в этом отношении не выделялся. Из-за этого возникает впечатление — и об этом пишут во многих популярных книгах по астрономии, — что все данные были получены непосредственно Хабблом и Хьюмасоном с помощью 100-дюймового телескопа, установленного в «Маунт-Вилсон». На деле же только четыре точки взяты из наблюдений Хьюмасона в обсерватории «Маунт-Вилсон». Большая часть данных, использованных в работе Хаббла, взята у Слайфера, проводившего наблюдения в менее мощный телескоп обсерватории Лоуэлла^{132}. Тем не менее к 1931 году Хаббл и Хьюмасон добавили к ним данные наблюдений еще 40 галактик.

Угловой коэффициент отношения скорости v к расстоянию r, К = v/r, называется постоянной Хаббла, теперь ее принято обозначать буквой Н. Таким образом, закон Хаббла записывается так: v = Hr. Хаббл приводит два значения, основанных на результатах двух различных анализов данных: К = 500 км/с на 1 млн. парсеков для отдельной туманности и К = 530 км/с на 1 млн. парсеков — для туманностей, объединенных в группу.

При этих значениях К галактика NGC 7619, описанная Хьюмасоном, должна находиться на расстоянии 20 млн. световых лет от нас. Как мы вскоре увидим, значение Н, полученное Хабблом, было завышено в семь раз. По расчетам Хаббла, галактика Хьюмасона удалена от Земли на 140 млн. световых лет.

Заметьте, что Н фактически выражает скорость расширения Вселенной, которая не должна быть одинаковой на протяжении всего срока ее жизни, и, как мы знаем теперь, эта величина действительно не постоянна. Итак, я буду, придерживаясь традиции, определять значение Н, ныне обозначаемое Н₀, как постоянную Хаббла. А более общий показатель расширения вселенной Н будем определять как параметр Хаббла.

Леметра заметили

В своей работе 1927 года, опубликованной на два года раньше статьи Хаббла, Леметр оценил К (или Н) в 625 км/с на 1 млн. парсеков, пользуясь, вероятно, той же выборкой, которая была у Хаббла^{133}. В этой работе Леметр прямо утверждает: «Удаляющиеся галактики — это космическое проявление расширения Вселенной».

На статью Леметра начали обращать внимание в 1931 году, когда благодаря помощи Эддингтона, который наряду с Шепли был одним из наставников Леметра и наконец-то обратил на его работу внимание, появился ее перевод на английский язык^{134}. Однако Леметр не включил в английскую версию статьи свои расчеты постоянной Хаббла^{135}. В любом случае, даже во французской версии работы Леметр не указал на критически значимую зависимость скорости от расстояния, которая действительно необходима, чтобы понять этот эффект.

Тем не менее космологи оценили значимость работы Леметра. Эддингтон отмечал, что статическая Вселенная Эйнштейна зависела от космологической постоянной, имеющей строго определенное значение, причем малейшее изменение привело бы к расширению или сжатию Вселенной. Эддингтон писал де Ситтеру, что Леметр предложил «блестящее решение» проблемы и тот согласился с этим утверждением.

Наконец и Эйнштейн изменил свое мнение, а к 1933 году его примеру последовало астрономическое сообщество. В итоге Эйнштейн отказался от космологической постоянной, назвав ее своей «самой большой ошибкой». Он и не подозревал, что она (или что-то подобное ей) окажется носителем трех четвертей всей энергии Вселенной. Ни де Ситтер, ни Леметр не исключили космологическую постоянную из своих моделей, хотя пройдут годы, прежде чем потребность в ней ощутит большая часть космологов.

Хаббл и Хьюмасон продолжали измерять красное смещение галактик. Предел скорости, доступный их спектрографу, оказался равным 40 000 км/с — на такой скорости до Луны можно добраться за 10 с. Хаббл особенно не увлекался теорией, и хотя его принято считать первооткрывателем расширения Вселенной, он так и не признал эту теорию полностью, будучи осторожным исследователем, оставляющим простор для альтернативных версий, в то время как Шепли искренне проникся этой идеей^{136}.

Сегодня нет сомнений в том, что Леметр был первым человеком, связавшим красное смещение галактик с расширением Вселенной. Однако Леметр не был экспериментатором, а теории в науке не имеют смысла без подтверждающих их данных. Роль Хаббла и помогавшего ему Хьюмасона заключалась в том, чтобы представить убедительные результаты наблюдений.

В 1935 году Хаббл читал в Йельском университете Силлимановские лекции, запись которых можно найти в его ставшей классической книге «Мир туманностей» (The Realm of the Nebulae)^{137}. Силлимановские лекции были учреждены, чтобы «иллюстрировать присутствие и мудрость Бога, проявляющиеся в природе и духовном мире».

Первозданный атом Леметра

Открытие расширения Вселенной в популярных книгах по астрономии часто используется в качестве свидетельства того, что Вселенная имела начало в какой-то момент времени в прошлом. Но это неверный вывод. Историк Хельге Краг подчеркивает: «Когда идея о конечном возрасте Вселенной была впервые выдвинута — а это произошло только через два года после открытия Хаббла, — большинство астрономов отвергли ее»^{138}.

Эддингтон приходил в ужас от мысли о моменте зарождения Вселенной, заявляя, что «с философской точки зрения идея о начале нынешнего естественного порядка невыносима для меня»^{139}. Вот как он представлял себе это:

Леметр позволил себе не согласиться с этим. Во время конференции, посвященной связям между физикой и духовностью, проводившейся в Лондоне в 1931 году, Леметр предположил, что Вселенная расширилась из первоначального шара ядерной материи в результате взрыва, который британский астроном Фред Хойл в 1948 году иронически окрестил Большим взрывом[13]. Леметр кратко обрисовал свою идею в не содержащей никаких математических выражений статье объемом в одну страницу, опубликованной в журнале Nature в том же году^{141}. Он писал:

Заметьте, что, в отличие от некоторых современных теистов, о которых мы поговорим позднее, Леметр не обращался к релятивистской космологии, поскольку хорошо понимал, что в ней не содержится какого-то одного-единственного сценария происхождения Вселенной. Вместо этого он полагался на квантовую механику, которая полностью согласуется со специальной теорией относительности, но до сих пор не приведена в согласие с общей теорией относительности. Леметр представляет исходную точку Вселенной как нечто подобное атомному ядру, содержащему все вещество Вселенной, которое начинает самопроизвольно распадаться, формируя Вселенную, какой мы ее знаем.

В 1941 году Леметр издал книгу на французском языке, озаглавленную «Первозданный атом» (L'hypothese de l'atome primitif), в 1950 году вышел ее перевод на английский язык^{142}. Хотя в этой книге есть несколько уравнений и приложение с математическими выкладками, это скорее не специализированная работа, а масштабное рассуждение на тему космогонии и космологии, ориентированное на франкоязычную аудиторию. Леметр посвятил целую главу доказательству того, что его гипотеза о происхождении Вселенной из единого гигантского ядра согласуется со всеми научными данными того времени.

Следует отметить, что Леметр предвидел заявление, которое в последние годы стало главным аргументом богословов: в результате Большого взрыва появилась не только Вселенная, но также пространство и время.

Большое значение придается тому, что Леметр был священником-иезуитом и его идея о том, что Вселенная возникла входе гигантского взрыва конечное число лет назад, была продиктована его религиозными убеждениями. Однако он всегда настаивал на том, что первозданный атом — сугубо научная гипотеза, пока не подтвержденная экспериментальными данными. На самом деле сценарий Леметра больше напоминает китайский миф о сотворении мира из «космического яйца», чем сюжет из Книги Бытия.

Оригинальный машинописный текст его статьи в журнал Nature оканчивается предложением, которое Леметр вычеркнул перед тем, как отослать ее:

Другими словами, Большой взрыв не стоит считать доказательством существования Бога-творца, поскольку Бог скрыт от нас. Многие люди, подобно Леметру, предпочитающие верить в Бога, несмотря на неочевидность его существования, не находят ничего лучше, чем утешать себя тем, что у него, должно быть, есть причины скрываться от нас. Однако этот «аргумент к скрытому Богу» явно несостоятелен^{144}.

Предположение Леметра было по большей части умозрительным. Он не представил какой-либо количественной модели. Самое большее, что можно было сказать на тот момент, — это то, что закон Хаббла v = Hr идеально описывает поведение частиц во время взрыва. Если они не сталкиваются друг с другом после взрыва, более быстрые частицы будут находиться дальше в любой заданный момент времени и r будет линейно пропорционально v. Действительно, лучшее, что можно сделать с точками, изображенными на рис. 8.3, — это свести их в прямую линию. Так обстояли дела на протяжении большей части XX века, пока всего за два года до начала нового тысячелетия не появились куда более точные данные. Но об этом мы поговорим позднее.

В линейной модели, где Н — постоянная, возраст Вселенной обратно пропорционален ей. Вычисленное Хабблом значение 500 км/с на 1 млн. парсеков преобразуется в T = 1/Н = 2 млрд. лет. Уже в те времена это было меньше возраста Земли, оцененного методом радиоизотопного датирования по меньшей мере в 3 млрд. лет. Стоило бы ожидать, что Вселенная должна быть старше Земли.

К тому же были и другие проблемы. Исходя из расстояний до галактик, рассчитанных по закону Хаббла, можно было предположить, что все прочие галактики имеют меньшие размеры, чем Млечный Путь. В частности, Андромеда оказалась меньше, а ее звезды менее яркими, чем ожидалось, что снова порождало мнение о нашей исключительности. Эти серьезные изъяны в законе Хаббла сохранялись в течение нескольких лет.

Только в 1948 году, когда в Паломарской обсерватории в Калифорнии запустили 200-дюймовый телескоп-рефлектор Хейла, числовые несоответствия, связанные с законом Хаббла, были устранены. В 1952 году с помощью телескопа Хейла Вальтер Бааде доказал, что существует две разновидности цефеид^{145}. Хаббл, измеряя расстояние до Андромеды, полагался на одну разновидность, в то время как Шепли, вычисляя расстояния до шаровых скоплений в Млечном Пути, использовал другую. Итак, Андромеда не меньше нашей Галактики, а ее звезды не менее яркие, чем звезды Млечного Пути. Она просто находится дальше, чем думал Хаббл. Значение Н, рассчитанное им, оказалось в семь раз больше истинного, поэтому расстояния получились в семь раз меньше реальных.

В настоящее время значение постоянной Хаббла оценивается примерно в 70 км/с на 1 млн. парсеков, что в результате дает возраст Вселенной, равный Т = 1/Н = 14 млрд. лет. Эта оценка основана на предположении, что Н — это постоянная. Как мы увидим позднее, теперь стало ясно, что это не так. На момент написания этой книги, в 2014 году, наиболее точная оценка возраста Вселенной составляет 13,8 млрд. лет с небольшим и статистически незначимым (для всех, кроме СМИ, любящих раздувать шумиху) числовым расхождением между результатами, полученными наблюдателями, которые использовали разные методы.

«Следовательно, Бог существует!»

Вопреки воле самого Леметра, явно выраженной им, его Большой взрыв все еще используется богословами и верующими учеными в качестве научного подтверждения божественного творения. 22 ноября 1951 года папа Пий XII в речи перед Папской академией наук объявил, что современная наука и церковь сходятся в одних и тех же фундаментальных истинах^{146}.

Открывая тему, которая в последующие десятилетия распространится среди религиозных апологетов, папа сказал: «По мере своего прогресса и вопреки заявлениям, выдвинутым в прошлом, истинная наука открывает все больше доказательств существования Бога — как если бы Бог ждал нас за каждой новой дверью, открываемой наукой». Он определил две основные характеристики космоса,«который наука постигла невероятно глубоко, доказав и усилив свыше всяких ожиданий: 1) способность вещей к мутации, включая их начало и конец; 2) явно проглядывающую в каждом уголке космоса целенаправленность процессов».

Пий XII привел примеры способности к мутации, то есть изменчивости, как в микрокосме, так и в макрокосме: фазовые сдвиги и химические преобразования материи, радиоактивное излучение атомов и радиоактивность ядра.

Переходя к космосу, папа сказал: «Все как будто указывает на то, что некоторое время назад материальная Вселенная имела грандиозное начало, для которого потребовалось неописуемо огромное количество энергии, благодаря которой вначале быстро, а затем, все более замедляясь, она эволюционировала в свое нынешнее состояние».

Папа заключает:

А затем последовали строки, не раз цитировавшиеся за десятилетия, прошедшие с тех пор:

Интересно, что нигде в своей речи папа не обращается к специфическим доктринам католической церкви или к Библии. Упоминая «космические явления», которые указывают «на то, что их начало произошло около 5 млрд. лет тому назад», папа не упоминает, что, согласно Книге Бытия, сотворение произошло намного позже — порядка 10 тыс. лет назад. Он также не упоминает доктрину о неизменности видов, совершенно точно присутствующую в Книге Бытия.

Разумеется, это преимущество статуса папы, так как именно он, а не Библия определяет официальные доктрины католической церкви. Бедняги протестанты. У них нет такой же непрерывной цепочки авторитетов, восходящей к Иисусу Христу, и им приходится полагаться на сборник мифов, написанный несколько тысяч лет назад и определенно полный ошибок.

Даже при всем этом в 1951 году все еще не было убедительных данных, подтверждающих теорию Большого взрыва, так что ее ничто не доказывало. Как отмечает Краг: «В те времена, когда папа излагал свое понимание космологии, в этой области еще не было однозначного согласия, напротив, шла напряженная борьба мнений». Речь папы на самом деле вводила в заблуждение, оставляя у обывателей впечатление, что «описанное в Книге Бытия было буквально подтверждено космологией Большого взрыва». Леметр знал, что это не так, и ему удалось уговорить папу слегка поумерить пыл в дальнейших речах^{147}.

Утомленный свет

Если даже Хаббл не был абсолютно убежден в том, что Вселенная расширяется, будьте уверены, остальные тоже сомневались. В конце концов, будучи учеными, они просто делали свою работу: ставили все под сомнение, пока не появятся в высшей степени убедительные данные, подтверждающие теорию. Итак, космологи искали другие объяснения бесспорного экспериментально доказанного факта существования красного смещения галактик. Если красное смещение вызвано не эффектом Доплера вследствие удаления галактик, то чем же тогда?

Правдоподобное объяснение предложил человек, бывший одной из наиболее интересных личностей в истории астрономии, — Фриц Цвикки, астроном из Калифорнийского технологического института. Цвикки родился в 1898 году в болгарском городе Варне в семье швейцарского посла. В 1925 году он поступил в Калифорнийский технологический институт и большую часть жизни проработал в Паломарской обсерватории и обсерватории «Маунт-Вилсон». У Цвикки было много идей, опережавших свое время, к примеру идея о том, что галактики формируют скопления.

В 1929 году Цвикки предположил, что красное смещение вызвано утомлением света: фотоны, преодолевшие большое расстояние, просто теряют энергию в ходе попутного взаимодействия с материей, в том числе, возможно, с другими фотонами. Если фотоны теряют энергию, соответствующая им длина волны будет увеличиваться, смещаясь в красную сторону.

Хотя эту идею в различных формах можно было встретить на протяжении десятилетий, в конце концов ее опровергли с помощью теста поверхностной яркости, предложенного американским физиком-теоретиком Ричардом Толменом. В статической Вселенной интенсивность света, идущего от звезды или галактики, снижается по формуле 1 /r², где r — расстояние до галактики, в то время как видимая площадь света также снижается по тому же закону. Так что наблюдаемая яркость света на единицу площади будет постоянной. В расширяющейся Вселенной яркость по мере увеличения расстояния снижается быстрее по двум причинам. Во-первых, поскольку объект, испускающий фотоны, удаляется, каждому следующему фотону приходится преодолевать большее расстояние, чем предыдущему, вследствие чего интенсивность света снижается. Во-вторых, объект кажется больше, чем в действительности, поскольку он испустил свет, который мы наблюдаем, когда был ближе к нам. Данные точнейших измерений поверхностной яркости подтвердили теорию расширяющейся Вселенной и опровергли гипотезу утомленного света.

Переменные постоянные

Еще одно предположение заключалось в том, что наблюдаемое красное смещение вызвано снижением скорости света со временем. Эддингтон отмечал, что это противоречит специальной теории относительности, которая предполагает, что с — постоянная. Как мы узнали из главы 6, предположение, что скорость света в вакууме с — постоянная величина, теперь прочно укрепилось в физике. Но, как обычно, лучше обосновывать выводы данными, нежели теорией. Поскольку специальная теория относительности согласовывалась со многими тысячами экспериментов, проведенных более чем за столетие, мы можем уверенно придерживаться этого мнения, пока новые данные не докажут обратного.

В 1938 году Поль Дирак предложил модель, в которой ньютоновская гравитационная постоянная G изменяется со временем^{148}. Это противоречило общей теории относительности и приводило к выводу, что возраст Вселенной составляет всего 700 млн. лет. Когда Дирак понял это, он отказался от своей идеи. В настоящее время мы признаем, что G и с — произвольные постоянные и их числовые значения просто определяют систему измерения, в которой мы работаем^{149}.

Космология Милна

В 30-х годах XX века Эдвард Артур Милн, брат А. А. Милна, автора «Винни-Пуха», предложил собственный вариант космологии, который не зависел от общей теории относительности^{150}. Он отрицал идею об искривлении и расширении пространства. На деле пространство не рассматривалось как что-то физическое, но представляло собой просто систему координат^{151}.

В моей книге «Постижимый космос» (The Comprehensible Cosmos), вышедшей в 2006 году, я описал метод, изложенный Милном, благодаря которому можно проводить наблюдения, не используя ничего, кроме часов^{152}. Мне кажется, Милн смог точно и объективно описать, как мы на самом деле определяем, что происходит в мире вокруг нас, и трактуем это в рамках пространственно-временной модели. Все, что мы делаем, будучи наблюдателями, — это посылаем и принимаем сигналы. Вслед за Милном я показал, как, используя одни лишь часы, импульсный источник света и детектор, можно построить картину окружающего мира.

Мы просто посылаем сигналы и принимаем их отражения, подобно радару. Без всяких метровых брусков или других приспособлений для измерения расстояний, просто меряя время, мы можем определить величину, называемую расстоянием, на основании которой можно разработать модель окружающего мира. В этой схеме скорость света считается постоянной по определению, следовательно, специальная теория относительности не нужна.

В милновской модели Вселенная состоит из хаотично движущихся частиц, подобных молекулам газа. Далее Милн делает разумное предположение, что Вселенная должна выглядеть одинаково для всех наблюдателей. Историю этого космологического принципа можно проследить вплоть до Николая Кузанского, жившего в XV веке (см. главу 2)^{153}.

Из этой модели Милну удалось вывести закон Хаббла v = Hr, а из него — расширение Вселенной, в отрыве от общей теории относительности. Однако больше ничего особенного вывести ему не удалось. Он предсказал, что ньютоновская гравитационная постоянная G будет увеличиваться со временем, однако так медленно, что этого нельзя уловить. На самом деле он не считал, что такой вариант времени поддается экспериментальному исследованию, поскольку речь шла о совершенно новом типе времени, который предложил сам Милн, назвав его кинематическим временем. Кинематическое время не измеряется при помощи часов.

Хотя космология Милна и была в высшей мере нетрадиционной, в 1930-е годы она привлекла большое внимание. В частности, Хаббл относился к ней благосклонно и упомянул ее в конце своей книги «Мир туманностей», где он несколько страниц посвятил теории^{154}.

Однако многих оттолкнуло то, что Милн смешал космологию с богословием — тоже довольно нетрадиционным. В своей книге 1935 года он говорит, что для получения окончательных ответов на вопросы космологии следует обратиться к Богу. Он часто упоминает Бога в речах и других своих работах. В отличие от Леметра, который имел осторожность разделять религию и науку, Милн верил, что богословские или метафизические аргументы могут иметь научный смысл, в особенности в том, что касается сотворения Вселенной^{155}. Он писал: «Исследователи, не принимающие во внимание Бога, raison d'étre (фр. «смысл жизни») Вселенной, обнаруживают свою жалкую неполноценность, сталкиваясь с вопросами космологии»^{156}.

Но с точки зрения научного сообщества экспериментаторов крайний рационализм Милна был еще хуже его богословских взглядов. Милн ставил логику и здравый смысл превыше наблюдения и эксперимента.

Теорию Милна постигла судьба большинства теорий, в которых слишком большой акцент делается на рациональном мышлении, логике и математике, но недостаточно внимания уделяется данным: эта теория не смогла пройти эмпирическую проверку на фальсифицируемость. В науке нефальсифицируемая теория имеет только историческое значение (по крайней мере, должна иметь), так что в итоге космологию Милна окончательно отвергли, в то время как общая релятивистская космология и теория Большого взрыва, подкрепленные открытиями в области физики на субмикроскопическом уровне, вышли на первый план. Но, как мы теперь видим, это произошло не за один день.

Недостающая масса

В 1930-х годах появились первые предвестники открытия, впоследствии оказавшегося еще одной неожиданной и невероятно важной характеристикой Вселенной. В 1932 году нидерландский астроном Ян Оорт открыл, что массы светящихся объектов, таких как звезды и звездная пыль, в галактике недостаточно для того, чтобы объяснить наблюдаемые орбитальные движения звезд. В следующем году Цвикки отметил тот же эффект в отношении орбитальной скорости галактик внутри галактических скоплений. На основе данных своих измерений, применив к ним законы Ньютона, он рассчитал, что масса скопления Волосы Вероники в 400 раз превышает массу ее светящегося вещества. Он назвал этот невидимый источник гравитации dunckle materie — темной материей^{157}.

В 1939 году американский астроном Хорее Бэбкок измерил кривую вращения галактики Андромеда» которая представляет собой зависимость скорости звезд от их удаленности от центра галактики. На основании закона всемирного тяготения эта скорость должна падать с увеличением расстояния, как происходит с планетами Солнечной системы. Однако, как подтвердили позднейшие измерения, проведенные в 1960-хи 1970-х годах, кривая вращения остается плоской на протяжении основной светящейся части галактики, а это означает, что звезды движутся через невидимое вещество, довольно равномерно распределенное в пространстве.

Теперь мы знаем, что темная материя заключает в себе 26% массы Вселенной, в то время как на светящееся вещество, видимое в оптические телескопы, приходится всего 0,5%. Более того, как мы увидим в дальнейшем, огромная масса темной материи состоит из чего-то иного, нежели знакомые нам атомы, и нам все еще неизвестно, что это.

Радиоастрономия

В 30-х годах XX века произошло также открытие нового окна во Вселенную. В 1933 году инженер компании «Лаборатории Белла» Карл Янский обнаружил радиоволны за пределами Земли^{158}. Это привело к развитию новой области, известной как радиоастрономия, которая исследует Вселенную в спектральном диапазоне, далеком от видимого, и имеет существенное значение для космологии.