Бог и Мультивселенная. Расширенное понятие космоса

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).

11

Несколько лет назад, когда мы с женой останавливались в отеле «Метрополь» в Брюсселе, где проходил конгресс 1927 года, я обнаружил, что фотография его участников висит в холле на самом видном месте. См.(accessed January 28,2013).

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] .

Рис. 8.3. Зависимость «скорость — расстояние» для внегалактических туманностей. На графике отображена связь между лучевыми скоростями с поправкой на движение Солнца и расстояниями до них, оцененными на основании светимости отдельных звезд или туманности в целом. Черные точки и сплошная линия отображают решение для движения Солнца с использованием отдельных туманностей; белые точки и пунктирная линия представляют решение с использованием объединенных скоплений туманностей; крестик обозначает среднюю скорость, соответствующую среднему расстоянию до 22 туманностей, расстояние до каждой из которых в отдельности оценить нельзя 

12

Астрономы все еще используют парсек — устаревшую единицу измерения расстояний. 1 парсек равен расстоянию, для которого годичный звездный параллакс при наблюдении с Земли равен 1". Я в большинстве случаев буду применять более привычную единицу — световой год, за исключением случаев, когда это будет затруднять понимание.

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.