3. Модель расширяющейся вселенной

В 1917 году Альберт Эйнштейн предложил модель Вселенной на основании общей теории относительности. Он считал, что Вселенная стационарна, т.е. расстояния между космическими объектами со временем в значительной степени не изменяются. Например, стационарной во времени является Солнечная система. Разумеется, планеты движутся, их расстояние от Солнца с течением времени меняется, поскольку их траектории – эллипсы. Однако расстояния от планет до Солнца циклически повторяются.

В масштабах Вселенной господствует гравитационная сила, которая связывает ее в единое целое. Но она ‒ сила притяжения. Возникает вопрос, почему же Вселенная до сих пор не стянулась в единый сплошной сгусток материи? Чтобы разрешить эту проблему, Эйнштейн допускал в своей космологической модели, что существует некая отталкивающая сила, которая и придает Вселенной стационарность.

Эйнштейн считал, что Вселенная безгранична, но при этом конечна в пространстве. Чтобы это легче понять, представим себе шар. Двигаясь по его поверхности, мы нигде не найдем границ, хотя объем и поверхность любого шара конечны. Таким образом, безграничность и бесконечность ‒ это разные понятия.

В 1912 году американский астроном Весто Слайфер (1875 – 1969) обнаружил эффект «красного смещения» в спектрах галактик. Вспомним, что атомы каждого химического элемента излучают и поглощают электромагнитные волны определенного набора длин и частот, и этот набор для каждого элемента уникальный, особенный. Иными словами, у каждого элемента свой спектр излучения и поглощения. Спектр излучения представляет собой совокупность светлых полос на фоне радуги, а спектр поглощения – совокупность соответствующих темных полос на том же фоне. Причем, каждая линия спектра соответствует определенной длине электромагнитной волны и, соответственно, определенной частоте. Законы излучения и поглощения электромагнитных волн позволяют с помощью спектрального анализа исследовать химический состав светящихся объектов, например, горячего металла, что важно в металлургии. Не удивительно, что такой мощный метод исследования, как спектральный анализ, нашел в астрономии широчайшее применение.

Итак, Слайфер обнаружил, что спектральные линии в спектрах галактик смещены к красному концу спектра по сравнению с такими же линиями, которые излучают земные источники света.

В 1929 году Хаббл сравнивал расстояния до галактик и их «красные смещения» и обнаружил закономерность.

«Красные смещения» в спектрах галактик прямо пропорциональны расстояниям до галактик.

Эта закономерность получила название закона Хаббла. Он дал астрономии мощный метод определения расстояния до галактик.

У открытий Слайфера и Хаббла скоро появилось объяснение: «красное смещение» есть проявление эффекта Доплера.

В 1842 году австрийский физик Христиан Доплер (1803 – 1853) обнаружил эффект: если источник звуковых или световых волн движется по отношению к наблюдателю, то длина волны и частота изменяются. Если источник волн к наблюдателю приближается, то длина волны уменьшается, а частота увеличивается. И наоборот, если источник волн удаляется от наблюдателя, то длина волны увеличивается, а частота уменьшается.

Например, если поезд приближается к нам, высота звука, т.е. частота звуковых колебаний, повышается, и наоборот. По изменению высоты звука можно определить, как движется поезд по отношению к нам. А по тому, насколько скоро она меняется, можно даже судить, как быстро движется поезд.

Рис. 8. Эффект Доплера¹³. Источник световых волн движется справа налево. Наблюдатель слева видит, что спектральные линии смещаются в сторону синей части спектра, т.е. в сторону более коротких волн. Он делает вывод о том, что объект к нему приближается. Наблюдатель справа видит смещение спектральных линий в сторону красной части спектра, т.е. в сторону более длинных волн. Он делает вывод о том, что объект от него удаляется.

Подобная закономерность справедлива и для света. Она позволяет по спектру определить, в каком направлении и с какой скоростью светящийся объект движется по отношению к наблюдателю. (См. цветную иллюстрацию II).

Итак, «красное смещение» в спектрах галактик было истолковано как проявление эффекта Доплера. Иными словами, большинство астрономов признало, что галактики разбегаются, а вся Вселенная расширяется. На основе такого толкования закон Хаббла стал записываться в следующей форме:

v = H r,

где v – скорость удаления галактики от земного наблюдателя,

r – расстояние от земного наблюдателя до галактики,

H – постоянная Хаббла.

Современное значение постоянной Хаббла составляет

Иными словами, скорость разбегания галактик увеличивается на 75 км/с на каждые миллион парсек¹⁴.

По современным представлениям, Вселенная расширяется, галактики удаляются друг от друга, хотя сами галактики в размерах не увеличиваются.

Вскоре после открытия Слайфера ему было дано иное толкование. Фотон, частица света, проходя огромные расстояния, пронизывает различные поля и при этом теряет энергию. Следовательно, частота, которая соответствует фотону, должна уменьшаться, а длина волны ‒ увеличиваться. Действительно, по формуле Планка, энергия фотона равна

E = hν.

h – величина постоянная, поэтому в соотношении между E и ν ее учитывать не следует. Если энергия фотона Е уменьшается, то частота ν тоже должна уменьшаться и, соответственно, длина волны увеличиваться, что и обнаружил Слайфер. Если «красное смещение» есть результат «старения фотона», то никакого разбегания галактик не происходит, и Вселенная оказывается стационарной.