Извечные тайны неба - [21]

Звук – волновые колебания воздуха. Если наблюдатель и источник звука сближаются, то происходит кажущееся сокращение длин волн: звук становится более высоким. Если же звук слышится более низким, нежели на самом деле, то наблюдатель и источник звука удаляются один от другого. По величине смещения высоты тона, т. е. частоты колебаний, по сравнению с высотой звука от неподвижной сирены можно оценивать скорость движения поезда.

Сказанное справедливо и для звезд. Видимый свет, идущий от звезд, представляет собой электромагнитные волны. По изменению длины электромагнитной волны можно измерять скорость движения звезд по отношению к Земле: по лучу зрения на Землю или от Земли. Такая скорость называется лучевой.

Многочисленные высокоточные измерения лучевых скоростей звезд выполнил замечательный русский астрофизик А. А. Белопольский. Тем же методом уже в XX в. были измерены лучевые скорости галактик. И тут обнаружилось нечто необыкновенное: почти все наблюдающиеся на небе чужие галактики удаляются от Земли. В спектрах галактик описанное явление выражается смещением всех линий к красному концу: поэтому оно получило название красного смещения.

В дальнейшем выяснилось, что величины лучевых скоростей удаления галактик согласуются с их расстояниями. Взаимосвязь оказалась настолько четкой, что лучевые скорости стали даже использоваться как индикатор расстояний: чем больше скорость удаления галактики, тем дальше она расположена от нас во Вселенной.

Не правда ли, странная картина? Уж не в центре ли Вселенной находится наша Галактика? Почему все остальные галактики удаляются от нас? Или, может быть, подобное явление только кажущееся? Может быть, оно возникает вследствие каких-либо неучтенных физических эффектов, например, вследствие изменения длин волн приходящего к нам издалека света в результате рассеяния его на частицах межгалактической материи?

Космология дала ответы на эти вопросы в современной теории Большого Взрыва.

Теория Большого Взрыва предполагает, что все галактики, в том числе и наша Галактика, действительно удаляются друг от друга. Но это удаление подчиняется несколько необычным математическим закономерностям. Оно действительно происходит с различными скоростями… Чем больше расстояние между галактиками, тем выше оказывается скорость их взаимного удаления.

Лучевые скорости удаления галактик, регистрируемые нашими приборами, прямо пропорциональны расстояниям до них.

Чтобы лучше уяснить себе эту картину, рассмотрим упрощенную геометрическую схему. Выберем совершенно произвольную точку О в качестве «точки разлета». Пусть наша Галактика находится где-то в средней части. Существуют многочисленные галактики, которые находятся ближе к точке разлета, чем наша Галактика. Мы летим от нее быстрее, чем они, т. е. расстояние между нами растет и приборы фиксируют удаление этих галактик от нас. Другие же галактики, те, которые расположены дальше от точки разлета, чем наша, в свою очередь также летят от нее быстрее нас. Значит, и в этом случае наши приборы тоже регистрируют их удаление.

Однако приведенное рассуждение не более чем простейшая схема. Согласно теории относительности никакой центральной «точки разлета» принципиально существовать не может. Произвольно выбранную нами точку О можно поместить в любое место пространства, и при этом вся описанная картина взаимного удаления галактик должна полностью сохраниться.

Такой вывод теории относительности получен чисто математическим путем, и его невозможно представить наглядно, также как невозможно наглядно объяснить постоянство скорости света вне зависимости от движения системы отсчета. Здесь вновь, как и прежде, остается довольствоваться только упрощенными примерами.

Мы в силах построить модель описанного выше «разбегания» галактик, если не будем рассматривать реальное бесконечное пространство трех измерений, а ограничимся в своей модели лишь поверхностью – пространством двух измерений. Представим себе, что «вся Вселенная» расположена на некоторой замкнутой поверхности, которая подобна поверхности постоянно раздуваемого резинового шара. Пусть галактики в нашей модели изображаются точками, нанесенными на поверхности этого шара. По мере его раздувания все расстояния между «галактиками», измеренные по поверхности шара, действительно будут систематически увеличиваться, причем скорость разбегания «галактик» окажется тем больше, чем больше было первоначальное расстояние между ними.

Возможность расширения Вселенной, еще до открытия красного смещения в спектрах галактик, была предсказана теоретически как одно из следствий применения к решению космологических проблем общей теории относительности. Пионерские труды в этой области принадлежат талантливому советскому математику А. А. Фридману. Будучи широко известен как геофизик-метеоролог, специалист по прикладным вопросам динамики атмосферы, Александр Александрович Фридман много занимался также математическим анализом решений космологических уравнений Эйнштейна. Незадолго до смерти (он умер в 1925 году на 38 году жизни) А. А. Фридман получил серию решений уравнений Эйнштейна, из которых вытекало, что расширение может явиться одним из основных общих свойств Вселенной – важнейшим атрибутом ее эволюции. Работы А. А. Фридмана первое время не привлекли к себе должного внимания и были оценены по достоинству лишь в связи с открытием Э. Хабблом красного смещения и развитием современных представлений о первоначально горячей Вселенной и Большом Взрыве.