Стивен Хокинг. О дружбе и физике

Атомы в атмосферах горячих звезд находятся в состояниях с высокой энергией. Эта энергия включает в себя энергию движения атомов и внутреннюю энергию электронов в атомах. Мы знаем из квантовой механики, что электроны на своих орбитах могут принимать только вполне определенные значения энергии. Когда электрон перепрыгивает с некоторого энергетического уровня на низший, атом излучает свет с частотой, которая соответствует разности энергий между уровнем старта электрона и уровнем, на который он «приземлился». Но каждый элемент имеет свой уникальный набор энергетических уровней. В результате атомы водорода, гелия и других элементов излучают свет, состоящий из уникального набора частот. Этот свет обладает своими характерными признаками – «отпечатками пальцев», – которые можно использовать для отождествления химического элемента, испустившего этот свет. Астрономы используют эти отпечатки для определения состава комет, туманностей и различных типов звезд.

За годы, проведенные в обсерватории Маунт-Вилсон, Хаббл заметил, что по сравнению со светом, излучаемым атомами, находящимися на Земле, свет от других галактик смещен в сторону более низких частот, к красному сегменту спектра. Он заметил, что, чем дальше от нас галактика, тем больше «красное смещение».

В основе сдвига частот, который так поразил воображение Хаббла, лежит явление, впервые изученное австрийским физиком Христианом Доплером в 1842 году. Доплер обнаружил, что цвет наблюдаемого света, приходящего от источника, зависит от движения этого источника по отношению к нам. Свет покраснеет, если источник удаляется о нас, и посинеет, если этот источник приближается. Если принять во внимание теорию Доплера, работа Хаббла показала, что галактики удаляются от нас, и чем дальше они, тем быстрее движутся. Это привело к ошеломляющему выводу: Вселенная не только намного обширнее, чем можно было вообразить, но, более того, она расширяется.

Чтобы объяснить расширение Вселенной по Хабблу, астрофизики иногда пользуются разными аналогиями – например, булочкой с изюмом. Но прежде чем перейти к аналогии, заметим, что расширение Вселенной происходит по-другому, нежели, например, взрыв бомбы. При взрыве бомбы горячий газ и осколки разлетаются в окружающем пространстве. Но у Вселенной нет «окружающего пространства». Когда физики говорят, что Вселенная расширяется, они имеют в виду следующее: растет объем самого пространства, оно раздувается изнутри. Если вы зафиксируете любые две точки во Вселенной, расстояние между ними будет увеличиваться со временем.

А теперь перейдем к аналогии, к нашей булочке. Представим себе, что мы погружены в колобок из теста, напичканный изюмом равномерно по всему объему. Этот колобок представляет собой наше трехмерное пространство. Изюминки изображают скопления галактик. Аналогия неточная, потому что у булочки с изюмом есть край – ее внешняя поверхность. У пространства нет края, но для цели, которую преследует наша аналогия, это не важно. Допустим, тесто поднялось и радиус колобка удвоился. Пусть сначала между нами и какой-либо изюминкой был один дюйм; после того, как тесто поднялось, расстояние между нами и изюминкой выросло вдвое. Если от нас до какой-либо изюминки вначале было три дюйма, то теперь расстояние выросло до шести. Вторая изюминка передвинулась на три дюйма за то же самое время, так что скорость ее удаления от нас в три раза больше скорости первой изюминки. Третья изюминка, которая вначале располагалась в пяти дюймах от нас, будет теперь находиться на расстоянии десяти дюймов, то есть она прошла пять дюймов за то же время. Если тесто будет продолжать подниматься и расширяться, все изюминки будут двигаться от нас в разные стороны, и, чем дальше от нас была изюминка, тем быстрее она будет удаляться.

В 1929 году, почти век спустя после того, как Дарвин начал формулировать свою теорию эволюции в биологии, Хаббл открыл, что Вселенная тоже эволюционирует. Но идея о неизменности Вселенной сдавала свои позиции с большим трудом. Физики горазды на всякие ухищрения, и они начали «стряпать» разные теории, чтобы спасти дорогой их сердцу предрассудок. Авторство одной из самых известных попыток в этом направлении принадлежит Фреду Хойлу: он создал теорию стационарной Вселенной. Последователи этой теории не оспаривали тот факт, что далекие галактики разлетаются от нас, но утверждали, что постоянно образуется новое вещество, так что по мере расширения Вселенной плотность вещества остается неизменной и новое вещество заполняет вновь образующееся пространство. В этом смысле Вселенная может оставаться неизменной в космическом масштабе.