[вернуться к содержанию сайта]

    Развитие спектроскопии привело к удивительному открытию – было обнаружено, что Вселенная не статична, а находится в состоянии расширения. Революционное значение этого открытия трудно переоценить. Даже Эйнштейн в своих первых работах по теории гравитации отвергал возможность расширения Вселенной. Чтобы понять, как был получен этот удивительный результат, обратимся к методу, с помощью которого можно измерять скорость источника света. Скорость света конечна, она составляет около 300000 км/с и постоянна в вакууме. Свет, излучаемый движущейся звездой, распространяется с той же скоростью, что и свет от неподвижной звезды. Это свойство света легло в основу специальной теории относительности, из которой следует, что никакой материальный объект не может двигаться быстрее света. Постоянство скорости света астрономы непосредственно обнаруживают, изучая двойные звёзды, т.е. пары звёзд, движущихся по близким орбитам. В некоторых двойных системах через равные интервалы времени одна звезда заслоняет другую – происходит затмение. Можно измерить время начала затмения, когда затмеваемая звезда удаляется от Земли, и время окончания затмения, когда звезда выходит из тени своего компаньона, двигаясь к Земле. Измеряя продолжительность затмения, мы можем определить, распространялся ли свет медленнее в начале затмения, чем в его конце. Ничего подобного обнаружено не было, начало и конец затмения совершенно одинаковы по своей продолжительности, откуда делается вывод, что скорость света не зависит от движения излучающей звезды.

    Теория Большого взрыва не претендует на роль единственно возможного описания Вселенной. Однако она действительно даёт удовлетворительную схему для объяснения многого из того, что наблюдают астрономы. На её основе делались предсказания, которые впоследствии подтверждались экспериментами и наблюдениями. Сегодня большинство космологов принимают космологическую теорию Большого взрыва в качестве описания доступной нам Вселенной вплоть до эпохи ядерного синтеза, когда возраст Вселенной составлял около одной минуты.

    Тем не менее, когда речь идёт о более ранних моментах существования Вселенной, эта теория выходит за пределы области, доступной современной физике. Кроме того, даже самые преданные сторонники этой теории не могут сказать, что она в состоянии объяснить всё, что нам необходимо знать о Вселенной. Теория Большого взрыва ещё не разрешила три фундаментальных проблемы: что было до начального момента, какова природа сингулярности и каким образом формировались галактики? Что касается первой из этих проблем, то, как говорил св. Августин, до “творения” существовал ад для тех, кто задаёт такие щекотливые вопросы. Сегодня принято считать, что современное расширение – это один из многих циклов, через которые проходит закрытая вселенная. Если это так, то неизбежно возникает другой вопрос: каким образом одна фаза сжатия переходит в последующую фазу расширения? Почему Вселенная столь изотропна и всегда ли она была такой в прошлом? Как возникли начальные флуктуации, из которых образовались галактики, или такие флуктуации присутствовали всегда? Чтобы избежать этих вопросов, которые, вероятно, неразрешимы в рамках сегодняшней физики, космологи пытались найти альтернативные описания Вселенной. В этой главе мы остановимся на некоторых из теорий, отличных от теории Большого взрыва, попытаемся наметить пути решения оставшихся неразрешенными фундаментальных проблем.

    Модель расширяющейся Вселенной как в наблюдательном, так и в теоретическом аспекте, несомненно, явилась важнейшим вкладом двадцатого столетия в космологию. Эта концепция послужила основой для многих других важных идей и открытий. И всё же неотвязная мысль не даёт покоя – не идём ли мы по совершенно ложному пути? Может быть, мы живём в статической Вселенной?

    В принципе красное смещение света можно объяснить совершенно другими причинами, чем доплеровский сдвиг, обусловленный разбеганием далёких галактик. Одной из причин могло бы быть старение света: кванты света могли терять энергию в пространстве на пути от далёкой галактики. Уменьшение энергии фотона приводит к увеличению длины волны, т.е. к покраснению света, которое пропорционально пройденному расстоянию. Рассеяние на межгалактической пыли тоже могло бы вызвать покраснение света от далёких галактик. Однако в настоящее время мы измеряем красные смещения в широком диапазоне длин волн от оптического (5000 Å) до радиоизлучения (21 см). При этом обнаруживается точное соответствие величин красного смещения в оптическом и радиодиапазонах. Частицы пыли, как правило, прозрачны для радиоволн, если только их размеры не одного порядка с длиной волны. Однако вряд ли можно ожидать, что в пространстве содержится достаточное количество сгустков межгалактической пыли, которые могли бы заметно рассеивать радиоизлучение далёких галактик. Частицы пыли в межгалактическом пространстве сами по себе не могли бы обеспечить наблюдаемый эффект покраснения. Кроме того, рассеяние должно было бы приводить к уширению спектральных линий, чего, однако, не наблюдается.

    Хотя мы не располагаем ни одним фактором, говорящим о том, что свет может терять энергию при движении в пространстве, можно было бы предположить, что в безграничном межгалактическом пространстве наши земные законы физики оказываются абсолютно неприменимыми. По-видимому, нам остаётся только искать способы проверки теории старения света, которая предсказывает совершенно другие результаты для различных космологических тестов, о которых шла речь в предыдущей главе. В частности, согласно этой теории, поток энергии от далёких галактик должен был бы уменьшаться только на величину, пропорциональную величине красного смещения. Темп прихода фотонов уменьшился бы на ту же величину, поскольку вселенная, в которой происходит старение света, является статической и темп излучения энергии в ней должен совпадать с наблюдаемым темпом прихода излучения. В стандартных моделях Большого взрыва учитывается дополнительное уменьшение потока энергии, связанное также с красным смещением: расширение приводит к эффекту временнóго запаздывания – в нашей системе отсчёта время течёт медленнее, чем в системе отсчёта, связанной с далёкой галактикой, в результате чего измеряемый поток энергии уменьшается. В принципе это предсказываемое различие можно использовать в качестве наблюдательного теста, хотя подобного рода тесты пока ещё нельзя считать решающими.

    На данном этапе космологическая теория, учитывающая старение света, по-видимому, представляется весьма надуманной и потому не заслуживающей более подробного обсуждения. Однако, вероятно, преждевременно утверждать, что космологические тесты, обсуждавшиеся в гл. 17, или какие-либо другие астрономические наблюдения позволяют нам в настоящее время полностью исключить эту теорию как альтернативу теории Большого взрыва.

    Космологические теории, включающие старение света, нельзя считать удовлетворительными по той причине, что они привлекают к рассмотрению новый закон физики; однако можно назвать другие попытки обойтись без модели расширения Вселенной, которые основываются на наблюдениях. Американский астроном Хэлтон Арп, специализирующийся на получении высококачественных фотографий необычных галактик и квазаров с помощью 200-дюймового телескопа обсерватории Маунт-Паломар, предложил феноменологическое объяснение происхождения больших космологических красных смещений. Он обнаружил ряд систем, связанных еле заметными туманными струями с объектами, имеющими совершенно другое красное смещение. Арп представил эти объекты как доказательство того, что красное смещение, по крайней мере его значительная часть, обусловлено внутренней структурой изучаемых объектов, а не расстоянием до них.

    Однако большинству астрономов арповские пекулярные объекты и ассоциации показались неубедительными, поскольку Арп не располагал данными, по которым можно было бы судить о статистической надёжности его исследований. Насколько тщательно необходимо проводить наблюдения, прежде чем делать какие-то необычные выводы? Даже в этих, очевидно неординарных, примерах мы не можем с определённостью сказать, представляет ли собой наблюдаемая слабая туманность очень протяжённый объект, окружающий один из объектов, и мы просто видим её в проекции на другой объект или же между объектами с сильно различающимися красными смещениями действительно существует некая уникальная связь. При поверхностном изучении фотографий далёких галактик часто обнаруживают очень яркие звёзды в нашем собственном Млечном Пути, которые видны в проекции на фоновую галактику. Даже если бы мы видели эту звезду на самом гребне спирального рукава в далёкой галактике, никто не стал бы утверждать, что звезда была недавно выброшена из этой далёкой галактики. Известно, что подобное наложение проекций иногда случается. По аналогичным причинам подавляющее большинство астрономов скептически относятся к интерпретациям Арпа его фотографий. С выведением на орбиту большого космического телескопа, возможно, удастся получить спектры, которые помогут решить эту проблему. Если при измерениях будет получено, что красные смещения непрерывным образом изменяются вдоль газовой струи, протянувшейся от галактики с малым красным смещением до квазара с большим красным смещением, то интерпретацию Арпа придется признать верной.

    Ранее мы уже называли основную причину появления модели стационарной вселенной – это попытка избежать возможных трудностей с временными масштабами. Самая привлекательная особенность такой вселенной – бесконечная длительность времени. Даже представление о рождении пар частиц было расценено как достоинство этой модели: безуспешность попыток обнаружить интенсивный поток гамма-излучения (который следовало ожидать при случайной аннигиляции только что родившихся частиц) предлагалось объяснять тем, что рождение частиц происходит преимущественно только в плотных ядрах галактик и в квазарах. Это предложение сначала было встречено с энтузиазмом, поскольку казалось, что оно решает сразу две проблемы: воскрешает идею непрерывного рождения вещества и объясняет природу источников энергии самых активных объектов во Вселенной. Однако три недостатка модели стационарной вселенной в конце концов привели к отказу от неё. Во-первых, астрономы обнаружили, что число слабых радиоисточников существенно возрастает в зависимости от предельного уровня потока излучения. Полученное из наблюдений число источников оказалось значительно выше, чем можно было ожидать в случае их однородного распределения в евклидовом пространстве, а это указывало на существование сильных эволюционных эффектов на больших расстояниях. Представление об избыточном числе далёких слабых источников было принято не всеми. В течение ряда лет Фред Хойл утверждал, что с равным успехом можно придерживаться гипотезы о дефиците ближайших ярких источников. Однако в настоящее время кажется очевидным, что источники с большими красными смещениями, прежде всего квазары, проявляют сильные эволюционные эффекты. В равных объёмах пространства содержится тем больше квазаров, чем более они удалены. Избежать этого вывода можно, лишь ставя под сомнение интерпретацию красных смещений квазаров как индикаторов космологических расстояний. Однако с открытием всё новых красных смешений линий поглощения в излучении квазаров эта точка зрения становилась всё более уязвимой. Во-вторых, тест красное смещение – видимая звёздная величина, по-видимому, показал полную нежизнеспособность стационарной модели. И наконец, открытие космического микроволнового фонового излучения и тепловой характер его спектра явились убедительным аргументом в пользу существования начальной горячей и плотной фазы Вселенной. Космологи, которые не принимали теорию Большого взрыва, не смогли предложить разумной альтернативной интерпретации фонового излучения.

Дата установки: 04.08.2014
[вернуться к содержанию сайта]

W