Край Вселенной

В большинстве древних мифологических и религиозных систем предполагалось, что Вселенная или по крайней мере ее разумные обитатели, была сотворена неким божественным существом в какой-то определенный момент времени сравнительно недавнего прошлого, скажем в 4004 г. до н.э. Действительно, необходимость «первоначального толчка», ответственного за сотворение мира, использовалась в качестве одного из аргументов существования Бога. С другой стороны, таким греческим философам, как Платон и Аристотель, не нравилась мысль о подобном прямом вмешательстве божества в мирские дела. Поэтому они предпочитали считать, что Вселенная существовала всегда и будет существовать вечно. Большинство людей в древнем мире верило, что Вселенная ограничена в пространстве. В ранних космологических теориях мир представлялся плоской тарелкой, накрытой небом, как миской из-под пудинга. Тем не менее уже древние греки поняли, что мир – круглый. Они создали сложную теорию, согласно которой Земля является сферой, окруженной целым рядом других сфер, несущих Солнце, Луну и планеты. На самой далекой от центра сфере укреплены неподвижные звезды, которые вращаются на небе как единое целое, так что их относительное положение сохраняется неизменным.


Эта модель с центральным положением Земли была принята христианской церковью. Она выглядела очень привлекательной, поскольку оставляла полным-полно места за пределами звездной сферы и для рая и для ада, хотя, где и как они там располагались, было абсолютно неясно. Эта модель пользовалась признанием вплоть до XVII в., пока наблюдения Галилея не доказали, что ее необходимо заменить на модель Коперника, в которой Земля и другие планеты обращаются вокруг Солнца. Модель Вселенной по Копернику не только позволила избавиться от сфер, но и показала, что «неподвижные» звезды должны находиться на огромных расстояниях от нас, поскольку они практически не сдвигаются со своих мест при годовом движении Земли вокруг Солнца. Все видимое движение звезд связано с вращением Земли вокруг собственной оси. Поняв все это и отбросив веру в центральное положение Земли во Вселенной, ученые сочли довольно естественным предположить, что звезды – это объекты, подобные нашему Солнцу, и распределены они почти равномерно в бесконечной Вселенной. Однако такое предположение приводило к трудностям.


В соответствии с теорией гравитации Ньютона, опубликованной в 1967 г., каждая звезда во Вселенной. Почему же тогда все звезды не собрались вместе в одной точке? Сам Ньютон объяснил это тем, что такое могло бы случиться во Вселенной с конечным числом звезд. Если же звезд бесконечно много, то сила притяжения, действующая на какую-то из них со стороны звезд, расположенных в некотором направлении, будет уравновешена притяжением звезд, расположенных с противоположной стороны. Результирующая сила, действующая на любую звезду, должна поэтому равняться нулю, так что все звезды могут оставаться в покое. В действительности ньютоновский аргумент служит примером заблуждений, в которые можно впасть при сложении бесконечного числа каких-то величин: при складывании их в разном порядке получаются различные результаты. Сейчас мы знаем, что бесконечное распределение звезд не может оставаться статическим, если все они притягиваются друг к другу: звезды в этом случае должны взаимно сближаться. Статическую бесконечную Вселенную можно было бы получить в единственном случае: если бы на больших расстояниях гравитация приводила бы к отталкиванию между телами. Но и тогда Вселенная была бы неустойчивой: если бы звезды сместились из положения равновесия чуть ближе друг к другу, то притяжение возобладало бы над отталкиванием и звезды начали бы сближаться. Наоборот, если бы звезды чуть-чуть удалились друг от друга, то победило бы отталкивание и они продолжали бы разбегаться.


Несмотря на эти и другие трудности, почти все в XVIII и XIX вв. верили, что Вселенная с течением времени практически не изменяется. В такой Вселенной вопрос, имела ли она начало, носит метафизический характер: с равным успехом можно верить, что Вселенная существовала извечно или что она была сотворена конечное время тому назад такой, какая она есть. Вера в статическую Вселенную все еще жила, когда Эйнштейн сформулировал в 1915 г. свою общую теорию гравитации, чтобы согласовать ее с установленными законами распространения света. Он добавил в уравнения теории так называемый космологический член, который приводил к силам отталкивания между частицами, находящимися на больших расстояниях. Эти силы отталкивания могли уравновесить обычное гравитационное притяжение, что приводило к возможности получить статическое решение для однородной Вселенной. Полученное решение было неустойчивым, но обладало интересным свойством. Пространство оказалось конечным, но не имеющим границ, подобно тому как поверхность Земли обладает конечной площадью, но не имеет ни края, ни границы. Однако время в таком решении было бесконечным.


Эйнштейновская статическая модель Вселенной – пример того, как была упрощена одна из величайших возможностей в теоретической физике. Если бы Эйнштейн остался верен своему первоначальному варианту уравнений общей теории относительности без космологического члена, он бы смог уде тогда предсказать, что Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. Случилось, однако, так, что изменение Вселенной во времени не было осознано до тех пор, пока астрономы В. Слайфер и Э. Хаббл не начали вести наблюдения за световым излучением, испущенным другими галактиками. Пропуская свет через призму, В. Слайфер и Э. Хаббл нашли точно такое же характерное расположение спектральных линий (т. е. цветов), что и в излучении звезд нашей Галактики. Единственная разница состояла в том, что все линии были смещены к длинноволновому (красному) концу спектра излучения. Единственное приемлемое объяснение состояло в том, что эти галактики удаляются от нас: в таком случае расстояние между гребнями световой волны должно также увеличиваться. Аналогичным образом, если наблюдать излучение от приближающегося источника, гребни световых волн должны сгущаться, т. е. должна уменьшаться длина волны.


В конце 20-х годов Э. Хаббл установил, что красное смещение тем больше, чем дальше от нас галактика. Это означало, что галактики удаляются от нас со скоростями, примерно пропорциональными расстояниям до них. Вселенная оказалась не статической, как думали раньше, а расширяющейся. Скорость расширения очень мала: потребуется почти 20 млрд. лет, чтобы расстояние между галактиками удвоилось. Однако сам этот факт полностью изменил характер дискуссий о том, имела ли Вселенная начало, и будет ли она иметь конец. Теперь это не просто метафизический вопрос, каким он был бы в случае статической Вселенной. Вполне возможно, что начало или конец Вселенной имеют вполне реальную физическую основу.