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.

Глава 9.
ЯДЕРНАЯ КОСМОЛОГИЯ

Новые детали

Давайте вспомним, на каком этапе находилась космология в середине XX века. К началу 30-х годов великое открытие — то, что мы живем в огромной расширяющейся Вселенной, состоящей из звездных галактик, разлетающихся на огромных скоростях, — прочно укрепилось в науке, и астрономы занимались тем, что дополняли эту картину новыми деталями. Самым мощным телескопом в мире оставался 100-дюймовый рефлектор из обсерватории «Маунт-Вилсон», начавший работать в 1908 году. Он сохранял за собой это звание в течение 40 лет, пока наконец в 1948 году не уступил 200-дюймовому рефлектору из Паломарской обсерватории. Разумеется, это были не единственные телескопы, существовало множество других, спроектированных специально для отдельных видов наблюдений.

Используя это оборудование, астрономы начали детально исследовать небо, занося галактики в каталоги. Этот процесс будет продолжаться много лет и принесет множество неожиданных и впечатляющих результатов. Одним из наиболее плодотворных составителей каталогов был выдающийся астрофизик Фриц Цвикки, уже упомянутый в связи с его неудачной гипотезой утомленного света, призванной объяснить причины красного смещения галактик, а также как человек, открывший массу доселе скрытых галактик. Он также предполагал, что высокоэнергетические космические лучи приходят из-за пределов Солнечной системы и возникают при взрывах крайне массивных звезд. Он назвал такие звезды сверхновыми. Для поиска сверхновых Цвикки использовал установленный в Паломарской обсерватории 18-дюймовый телескоп Шмидта, изобретенный немецким оптиком Бернхардом Шмидтом в 1930 году. Телескоп Шмидта позволяет детально изучать большие участки неба. С момента его запуска в 1936 году Цвикки обнаружил около десятка сверхновых^{159}.

В 1948 году более крупный 48-дюймовый телескоп Шмидта использовали при проведении Паломарского обзора неба. В его ходе подтвердилось упомянутое в главе 8 предположение Цвикки о том, что галактики образуют скопления. В 1958 году Джордж Эйбелл, профессор астрономии из Калифорнийского университета, что в Лос-Анджелесе, составил каталог из 2712 скоплений Северного полушария, а к 1989 году каталогизировал 4073 богатых звездами галактических скопления, которые можно наблюдать в обоих полушариях. К 70-м годам XX века астрономы стали замечать, что скопления, в свою очередь, формируют ячеистые структуры с нитями, отверстиями и стенами.