Новый Мир ( № 11 2008)
Шрифт:
1. Введение
В 1975 году вышел русский перевод книги по истории астрономии Чарльза Уитни “Открытие нашей Галактики”. “Галактика” с большой буквы — это имя собственное — Млечный Путь, в отличие от всех других галактик.
Я хочу рассказать об открытии нашей Вселенной, тоже с большой буквы, то есть о Метагалактике, в отличие от прочих мыслимых и немыслимых вселенных. Но не в смысле “природы Вселенной”, о которой писал Лукреций. Название его поэмы часто переводят как “природа вещей”, но во многих словарях утверждается, с отсылкой именно к поэме Лукреция, что “De Rerum Natura” следует читать “О Природе Вселенной” (здесь “res” — не “вещи”, а “Вселенная”).
Однажды Ричарда Фейнмана попросили привести единственную фразу, которая объясняла бы максимальное число наблюдаемых явлений природы. Знаменитый физик ответил: “Вещество состоит из атомов”. Помню, этот пассаж произвел на меня большое впечатление, — тогда я еще учился в московской математической школе № 7. Действительно, очень многое можно объяснить, понимая атомное строение вещества. Примерно так же я воспринимал мир и позднее, когда слушал в ГАИШе (Государственном астрономическом институте им. П. К. Штернберга) и на физфаке МГУ лекции по космологии моего учителя Якова Борисовича Зельдовича.
Но в последние десять лет стало почти общепринятым считать, что примерно 95 процентов средней плотности наблюдаемой Вселенной не определяется обычным веществом, то есть Вселенная в основном состоит не из атомов; считается, что обнаружено антитяготение, которое в основном и определяет динамику нашей Вселенной. Сегодня ученые полагают, что это антитяготение создается необычной субстанцией, которую можно уподобить пятому элементу древних, — кроме воды, огня, земли и воздуха, — квинтэссенцией — “quinta essentia”. Эти “элементы” очень далеки от наших представлений о химических элементах. Скорее это описание различных фазовых состояний вещества: твердого, жидкого, газообразного. Аристотель полагал, что вечные и неизменные звезды не могут состоять из преходящих земных элементов, а состоят из некоего неизменного эфира — пятой субстанции, квинтэссенции. Сейчас мы знаем, что звезды, которые излучают и взрываются у нас на глазах, состоят из плазмы — то есть из огня по представлениям древних. А вот Вселенная действительно, возможно, заполнена практически неизменной, несжимаемой квинтэссенцией, которая создает антитяготение. Эту субстанцию чаще всего называют темной энергией (Dark Energy). Ученые полагают, что темная энергия приводит к “наблюдаемому” ускорению расширения Вселенной. Ни в коем случае нельзя путать темную энергию с “темной материей” (Dark Matter), разницу я объясню ниже. Пока только скажу, что темная материя наверняка существует и состоит скорее всего из необычных частиц (а может быть, из атомов, имеющих совершенно неожиданные свойства). Но темная материя — это сжимаемое, более или менее нормальное вещество, порождающее обычное тяготение. А вот в реальном существовании несжимаемой темной энергии пока еще можно сомневаться. Надо признать, что сомневающиеся в реальности темной энергии астрономы и физики находятся сейчас в меньшинстве, но истина в науке не определяется голосованием.
Устройство Мира волнует любого думающего человека, необязательно глубоко понимающего современную физику, а быстрое накопление знаний дает такой объем информации, что ее уже не способен осмыслить и узкий специалист. Поэтому имеет смысл обсудить, что же именно открыто в космологии.
В этом очерке я постараюсь осветить лишь небольшую часть затронутой обширной темы о расширении Вселенной. Я буду опираться только на известные (и понятные мне) факты.
“Равнодушной природе” безразличны человеческие страсти, связанные с приоритетами открытий. Она живет по своим законам, которые пытается открыть человеческая наука. Сами законы гораздо важнее истории их открытия. Моя цель в этом очерке не написать строгое справочное или учебное пособие, а побудить заинтересованного читателя к изучению других доступных источников. Ведь мы живем в очень волнующую эпоху — открытие нашей Вселенной еще не состоялось: оно происходит на наших глазах.
2. Раздвигание границ
После Аристарха Самосского (конец IV — первая половина III века до н. э.), одним из первых поместившего Солнце в центр мира , после Николая Коперника и Джордано Бруно, первым сформулировавшего “космологический принцип” — он первым предположил, что другие звезды сделаны из той же субстанции, что и наша Земля, — границы Солнечной системы и познанной Вселенной постоянно раздвигались.
Так продолжалось до 1920-х годов, когда физики стали всерьез обсуждать на основе общей теории относительности (ОТО) различные модели вселенных, в том числе и модели вселенной, конечной по объему. Любопытно, что в это время еще не были известны даже по порядку величины размеры Млечного Пути и не было твердо установлено, существуют ли вне его другие галактики. Первыми общерелятивистские (основанные на ОТО) модели Вселенной создали Альберт Эйнштейн, Виллем де Ситтер и Александр Фридман.
Размеры орбит планет в Солнечной системе были вычислены достаточно точно уже в XVIII веке. Для этого фактически требовалось измерить только среднее расстояние от Земли до Солнца — астрономическую единицу. Формы орбит планет и комет, законы Кеплера и Ньютона были установлены еще раньше. Движение околосолнечных небесных тел относительно друг друга можно было неплохо предсказывать, если пользоваться системой астрономических единиц для расстояний и периодом обращения Земли вокруг Солнца для времени. А вот в абсолютных размерах орбит можно было и сильно ошибаться. Положение тел на небесной сфере для наблюдателя от этой ошибки почти не зависело.
Поначалу дело было плохо с Луной — казалось, она не хочет подчиняться закону всемирного тяготения Ньютона. Были даже предложения исправить закон обратных квадратов Ньютона для малых расстояний, чтобы объяснить движение Луны. Но оказалось, что правильный учет возмущающей гравитации Солнца и планет, учет несферичности и деформаций Земли позволяют все объяснить. Теория движения Луны по Ньютону развивалась с XVIII по XX век, небольшие поправки были внесены уже с учетом ОТО.
Что же узнали астрономы о размерах Галактики и нашем положении в ней к 1920-м годам? Уже в XIX веке начали аккуратно измерять расстояния и обнаруживать собственные движения близких звезд (представление о сфере неподвижных звезд давно исчезло). Тогда сложилось представление, что наше Солнце расположено близко к центру Галактики. И только к 1920 году Харлоу Шепли правильно указал, что центр Галактики находится в направлении созвездия Стрельца, вокруг которого скучивались шаровые звездные скопления. Шепли далеко отодвинул Солнце от центра Галактики. Сейчас мы знаем, что до центра немногим больше 20 тысяч световых лет, и Шепли значительно завысил это расстояние. Но большинство астрономов в 20-е годы считали, что полный поперечник нашей Галактики в несколько раз меньше — порядка 8 тысяч световых лет (причем Солнце полагали вблизи центра Галактики).
26 апреля 1920 года в Национальной академии наук США в Вашингтоне состоялся исторический диспут между Шепли и Хебером Кертисом — “Великий спор”. Кертис отстаивал малую шкалу расстояний в Галактике, а Шепли — большую. Тогда никто никого не убедил. Только в 1930-е годы стало ясно, что Шепли в этом вопросе (и главное — в положении Солнца вдали от центра Млечного Пути) был прав. Это удалось выяснить, когда астрономы (Линдблад, Оорт) разобрались в асимметрии звездных движений вокруг нас и поняли, как вращается Галактика.