Pro темную материю

Слайфер считается одним из самых известных – или даже самым известным мастером астроспектроскопии. Он оставил после себя труды по спектроскопии планет, звезд и туманностей. Слайфер изучил спектры излучения ночного неба, полярных сияний, большого числа звезд и комет. Используя методы спектроскопии, Слайфер определил скорости и периоды осевого вращения таких планет, как Венера, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран. Он первым получил фотографии спектров больших планет с достаточно высокой дисперсией, подтверждение присутствия межзвездных линий кальция в спектрах большого числа звезд, открыл межзвездный натрий. Он обнаружил, что некоторые диффузные туманности имеют спектр, схожий со спектром звезд, первым измерил высокие лучевые скорости шаровых скоплений и спиральных туманностей. В 1913 году Слайфер получил для туманности Андромеды (М31) значение лучевой скорости, равное 300 км/с. Он одним из первых пришел к заключению, что спиральные туманности являются очень далекими звездными системами. Открытие им огромных пространственных скоростей галактик явилось наблюдательной основой теории расширяющейся Вселенной, которую предложил Хаббл. Слайфер также впервые получил доказательства вращения галактик и измерил его скорость для туманности Андромеды.

Спектрограф, которым пользовался ученый, измерял длину волн, идущих от источника света. Световые волны во многом напоминают звуковые волны паровозного свистка, который вы слышите, когда поезд приближается к станции или отходит от нее. Световые волны точно так же сжимаются и растягиваются в зависимости от того, приближается к вам свет или удаляется от вас. Скорость световых волн не меняется, она остается одной и той же – 186 282 мили в секунду (или 299 792 км в секунду). Меняется длина волн. А поскольку длина световых волн определяет цвета, воспринимаемые нашими глазами, кажется, что цвет источника света тоже меняется. Если источник света приближается, то волны сжимаются, а спектрометр показывает смещение к фиолетовому (холодному) концу спектра. Если источник удаляется, то волны расслабляются, и спектрометр зафиксирует смещение в красную сторону спектра. То есть красное смещение возникает, когда расстояние между источником излучения и его приемником (наблюдателем) увеличивается.

А поскольку скорость источника света по мере движения к нам или от нас увеличивается, увеличивается и смещение в одну или другую сторону спектра. Слайфер обнаружил красное смещение в спектрах галактик в 1912–14 годах, потом и другие астрономы показали, что в ряде туманностей наблюдается значительное красное смещение, а это показывает, что галактики удаляются от нас на больших скоростях. Наибольшее красное смещение наблюдается в спектрах далеких внегалактических объектов и в настоящее время рассматривается как следствие космологического расширения Вселенной.

Но вернемся к Хабблу. Теперь он уже знал, что туманности – это галактики, и задумался о том, что может означать их движение. Он сравнил скорости восемнадцати туманностей с расстояниями и оказалось, что эти два показателя прямо пропорциональны друг другу: чем дальше галактика, тем скорее она удаляется. Другими словами, Вселенная, похоже, расширяется. Зависимость между красным смещением галактик и расстоянием до них поучила название закона Хаббла.

Внезапно оказалось, что Вселенная не является неподвижной и постоянной. Она меняется! Картинки сменяют друг друга, и никто не знает, что будет в следующую «минуту».

В прошлое вернуться нельзя – можно наблюдать только явления, происходящие в настоящем, пытаться найти математические методы, которые объяснят его и, возможно, помогут предсказать будущее.

Происхождение Вселенной

И тут мы подходим к вопросу происхождения Вселенной, который нельзя не рассмотреть в этой книге, и о котором с новой силой задумались ученые после открытия расширения Вселенной.

Давайте вкратце вспомним самые известные теории. Для начала отмечу, что ученые рассчитали количество времени, прошедшего с того момента, когда Вселенная начала существовать. Оно оказалось равным 13,73 + 0,12 миллиардов лет, и время существования Вселенной получило название «время Хаббла».

Первоначально теория Большого взрыва называлась «динамической эволюционирующей моделью» – название это условное, процесс не был хаотичным, как можно подумать, услышав название.

Стивен Хокинг, выдающийся британский физик-теоретик и популяризатор науки (род. в 1942)

В соответствии с теорией Большого взрыва ранняя Вселенная представляла собой очень однородную среду с необычайно высокими плотностью энергии, температурой и давлением. Раннюю Вселенную можно сравнить с огненным шаром, наполненным излучением и частицами. В результате расширения и охлаждения во Вселенной произошли фазовые переходы, аналогичные конденсации жидкости из газа, но применительно к элементарным частицам. Температура постепенно падала, один фазовый переход следовал за другим, образовались физические силы и элементарные частицы в их современной форме. Некоторые ученые считают, что потребовалось от 0,01 секунды до трех минут после начала Большого взрыва, чтобы появилось 98 % всей видимой материи и возникла собственно Вселенная. После еще большего падения температуры и расширения Вселенной наступил следующий переходный момент, при котором доминирующей силой стала гравитация.

Физики так тщательно и глубоко разработали теорию Большого взрыва, что могут объяснить процессы, происходившие во Вселенной с момента, когда ей было 10–43 секунды (так называемое «планковское время»), и далее. Однако состояние космологической сингулярности в «допланковское время» классическая общая теория относительности описать не может, поэтому получается, что Большой взрыв имеет сверхъестественную природу. И это внезапное возникновение пространства, энергии, материи и времени можно объяснить только с помощью какой-то трансцендентной причины.

Согласно теории Большого взрыва, 13,73 млрд лет назад нынешней материи и энергии предшествовало сингулярное состояние, то есть плотность, давление и температура имели близкие к бесконечным значения, но, как установил знаменитый физик-теоретик Стивен Хокинг, не может быть одновременно бесконечной плотности и температуры. Если выразиться по-другому, Вселенная возникла «из ничего», точнее, из очень малого невидимого объема, меньшего, чем атом. Но что послужило толчком?