Книга: Вселенная из ничего

Глава 1: Космическая мистическая история: Начало

Глава 1: Космическая мистическая история: Начало

Была темная грозовая ночь.

В начале 1916 года Альберт Эйнштейн только что закончил величайшую работу всей своей жизни, результат многолетних, напряженных интеллектуальных усилий по выведению новой теории гравитации, которую он назвал общей теорией относительности. Однако это была не просто новая теория гравитации, это также была новая теория пространства и времени. И это была первая научная теория, которая могла объяснить не только то, как объекты движутся во Вселенной, но и как может развиваться сама Вселенная.

Однако была одна загвоздка. Когда Эйнштейн начал применять свою теорию к описанию Вселенной в целом, стало ясно, что теория не описывала Вселенную, в которой мы, несомненно, жили.

Теперь, почти сто лет спустя, трудно в полной мере оценить, насколько наша картина Вселенной изменилась в течение одной человеческой жизни. В 1917 году научное сообщество считало, что Вселенная была статичной и вечной, и состояла из одной галактики, Млечного Пути, в окружении огромного, бесконечного, темного и пустого космоса. В конце концов, это то, что вы бы предположили, глядя в ночное небо своими глазами или с помощью небольшого телескопа, и в то время было мало оснований полагать иначе.

В теории Эйнштейна, как и до этого в теории тяготения Ньютона, гравитация представляет собой просто силу притяжения между всеми объектами. Это означает, что невозможно иметь в пространстве ряд масс, находящихся в покое постоянно. Их взаимное гравитационное притяжение, в конечном счете, приведет их к сжатию, что явно противоречит, казалось бы, статичной Вселенной.

Тот факт, что общая теория относительности Эйнштейна явно не согласовывалась с тогдашней картиной мироздания, был для него ударом, большим, чем вы можете себе представить, по причинам, которые позволяют мне обойтись без мифа об Эйнштейне и общей теории относительности, который мне всегда докучал. Принято считать, что Эйнштейн работал в изоляции, годами в закрытом помещении, используя ясную мысль и рассудок, и придумал свою красивую теорию независимо от реальности (вероятно, как некоторые струнные теоретики сегодня!). Тем не менее, ничто не может быть дальше от истины.

Эйнштейн всегда глубоко руководствовался экспериментами и наблюдениями. Проводя множество «мысленных экспериментов» в своем сознании и усиленно работая уже более десяти лет, он по ходу изучил новую математику и проработал много ложных теорий, прежде чем, в конечном счете, создал теорию, которая была действительно математически красивой. Однако самый важный момент становления его любви к общей теории относительности был связан с наблюдением. В течение последних лихорадочных недель, когда он заканчивал свою теорию, конкурируя с немецким математиком Давидом Гильбертом, он использовал свои уравнения для расчета предсказания того, что иначе, возможно, казалось бы малопонятным астрофизическим результатом: небольшой прецессии «перигелия» (точки наибольшего приближения) орбиты Меркурия вокруг Солнца.

Астрономы уже давно заметили, что орбита Меркурия немного отклоняется от предсказанной Ньютоном. Вместо идеального эллипса, повторяющего себя, орбита Меркурия испытывает прецессионное движение (что означает, что планета не возвращается точно в ту же точку после каждого оборота, но после каждого оборота ориентация эллипса немного смещается, вычерчивая, в конечном счете, своего рода спиралевидный узор) на невероятно маленькую величину: 43 угловых секунды (примерно 1 / 100 градуса) за столетие.

Когда Эйнштейн выполнил расчет орбиты, используя свою теорию относительности, получилось именно это число. Как сообщал биограф Эйнштейна, Абрахам Пайс: «Я полагаю, это открытие было, несомненно, самым сильным эмоциональным переживанием в научной жизни Эйнштейна, возможно, во всей его жизни». Он утверждал, что у него участилось сердцебиение, как будто «что-то щелкало» внутри. Месяц спустя, когда он описывал другу свою теорию как теорию «несравненной красоты», его удовлетворение математической формой было действительно очевидным, но ни о каком сердцебиении не сообщалось.

Очевидное несоответствие между общей теорией относительности и наблюдениями, относящимися к предполагаемой статичности Вселенной, было, однако, недолгим. (И хотя это действительно заставило Эйнштейна внести изменение в своею теорию, позже он назвал это самой большой своей ошибкой. Но об этом чуть позже.) Все (за исключением некоторых школьных советов в США) теперь знают, что Вселенная не статична, а расширяется, и что расширение началось с невероятно горячего и плотного Большого Взрыва примерно 13,720 млрд. лет назад. Не менее важно, мы знаем, что наша галактика является лишь одной из, возможно, 400 млрд галактик в наблюдаемой Вселенной. Мы, как древние земные картографы, только начинаем в полной мере отображать Вселенную в ее огромных масштабах. Неудивительно, что в последние десятилетия мы стали свидетелями революционных изменений в нашей картине Вселенной.

Открытие, что Вселенная не статична, а расширяется, имеет глубокое философское и религиозное значение, так как это предполагает, что наша Вселенная имела начало. Начало подразумевает создание, а создание разжигает эмоции. Хотя потребовалось несколько десятилетий после открытия в 1929 году нашей расширяющейся Вселенной, чтобы понятие Большого Взрыва получило независимое эмпирическое подтверждение, Папа Пий XII возвестил о нем в 1951 году как о доказательствах в пользу «Книги Бытия». Как он выразился:

Вся история на самом деле немного более интересна. Фактически, первым человеком, который предложит Большой Взрыв, был бельгийский священник и физик Жорж Леметр. В Леметре сочетались различные профессиональные навыки. Он начал свои исследования в качестве инженера, имел награды как артиллерист в Первой мировой войне, а затем переключился на математику во время учебы на священника в начале 1920-х. Затем он перешел к космологии, изучая ее сначала со знаменитым британским астрофизиком сэром Артуром Стэнли Эддингтоном, прежде чем переехать в Г арвард, и, в конечном итоге, получил вторую докторскую степень в области физики в Массачусетском технологическом институте.

В 1927 году, перед получением второй докторской степени, Леметр фактически решил уравнения Эйнштейна для общей теории относительности и показал, что теория предсказывает нестатичную Вселенную, и фактически означает, что Вселенная, в которой мы живем, расширяется. Эта идея казалась настолько возмутительной, что сам Эйнштейн ярко возразил, заявив: «Ваша математика правильна, но ваша физика безобразна».

Тем не менее, Леметр двигался дальше, и в 1930 году также предположил, что наша расширяющаяся Вселенная на самом деле возникла как бесконечно малая точка, которую он назвал «первозданным атомом», и что ее происхождение представляло собой, с намеком, возможно, на «Книгу Бытия», «день без вчера».

Таким образом, Большой Взрыв, о котором так возвещал Папа Пий, впервые предположил священник. Можно подумать, что Леметр был в восторге от этой папской оценки, но он уже избавился в своем сознании от представления, что эта научная теория имела богословские последствия, и, в конечном счете, удалил абзац в черновике своей работы 1931 г. о Большом Взрыве, в котором отмечался этот вопрос.

Кстати, позже Леметр выразил протест по поводу папского 1951 года доказательства «Бытия» через Большой Взрыв (не в последнюю очередь потому, что он понял, что если позже будет доказано, что его теория неправильна, то утверждение Римско-католической церкви по поводу «Бытия» может быть оспорено). К этому времени он был избран в Папскую академию Ватикана, а позже стал ее президентом. Как он выразился: «Насколько я могу судить, такая теория полностью остается за рамками каких-либо метафизических или религиозных вопросов». Папа никогда не поднимал эту тему публично.

Здесь для нас важный урок. Как признался Леметр, произошел ли Большой Взрыв на самом деле или нет — это научный вопрос, а не теологический. Более того, даже если Большой Взрыв был (что сейчас всецело подтверждено доказательствами), каждый мог бы интерпретировать его по-разному, в зависимости от своих религиозных или метафизических пристрастий. Вы можете предпочитать считать, что Большой взрыв наводит на мысли о творце, если чувствуете такую необходимость, или вместо этого утверждать, что математика общей теории относительности объясняет эволюцию Вселенной от самого ее возникновения, без вмешательства какого-либо божества. Но такие метафизические спекуляции не зависят от физической достоверности самого Большого Взрыва и не имеют отношения к нашему его пониманию. Конечно, когда мы выходим за пределы самого существования расширяющейся Вселенной, чтобы понять физические принципы, которые могут затрагивать ее происхождение, наука может пролить новый свет на эти спекуляции и, как я покажу, она это делает.

В любом случае, ни Леметр, ни Папа Пий не убедили научный мир, что Вселенная расширяется. Скорее, как и в любой хорошей науке, доказательства пришли из тщательных наблюдений, в данном случае сделанных Эдвином Хабблом, который сохраняет для меня большую веру в человечество, потому что сам он начинал как адвокат, а затем стал астрономом.

Хаббл ранее сделал значительный прорыв в 1925 году с новым 100-дюймовым телескопом Хукера в Маунт Вилсон, на то время крупнейшим в мире.

(Для сравнения, мы сейчас строим телескопы более чем в десять раз превышающие его в диаметре и в сто раз больше по площади!) До этого времени с помощью имевшихся телескопов астрономы смогли разглядеть нечеткие изображения объектов, которые не были просто звездами в нашей галактике. Они называли их туманностями, что на латыни по сути означает «туманная вещь» (фактически «облако»). Они также обсуждали, были ли эти объекты внутри нашей галактики или за ее пределами.

Поскольку в то время преобладающим мнением о нашей Вселенной было то, что наша галактика была единственным, что там было, большинство астрономов присоединились к лагерю «в нашей галактике», во главе с известным астрономом Харлоу Шепли из Гарварда. Шепли бросил школу в пятом классе и учился сам, и в конце концов собрался Принстон. Он решил изучать астрономию, выбрав для изучения первую же тему, которую он нашел в учебной программе. В своей фундаментальной работе он показал, что Млечный Путь был намного больше, чем считалось ранее, и что Солнце было не в его центре, а лишь в отдаленном, неинтересном углу. Он был грозной силой в астрономии, и поэтому его взгляды на природу туманностей приобрели значительное влияние.

В первый день наступившего 1925 года Хаббл опубликовал результаты своего двухлетнего исследования так называемых спиральных туманностей, где он смог выделить определенный тип переменных звезд, названных цефеидами, в том числе в туманности, сейчас известной как Андромеда.

Впервые наблюдавшиеся в 1784 году, переменные звезды цефеиды представляют собой звезды, у которых яркость меняется за некоторый регулярный период времени. В 1908 году новоявленный и на тот момент недооцененный будущий астроном, Генриетта Суон Ливитт, была нанята в качестве «computer» (вычислителя) в обсерваторию Гарвардского колледжа. («Computers» были женщины, вносившие в каталог яркости звезд, зарегистрированных на фотопластинах обсерватории; женщинам в то время не разрешалось пользоваться обсерваторным телескопом.) Дочь священника-конгрегационалиста и потомок пилигримов, Ливитт сделала поразительное открытие, которое она еще больше прояснила в 1912 году: она заметила, что существовала постоянная взаимосвязь между яркостью цефеид и периодом их изменений. Таким образом, если бы можно было определить расстояние до одной цефеиды с известным периодом (впоследствии определенное в 1913 году), то измерения яркости других Цефеид с тем же периодом позволило бы определить расстояние до этих других звезд!

Поскольку наблюдаемая яркость звезд понижается обратно пропорционально квадрату расстояния до звезды (свет распространяется равномерно по сфере, площадь которой возрастает как квадрат расстояния, и, таким образом, поскольку свет рассредотачивается на большей сфере, интенсивность света, наблюдаемого в любой точке, убывает обратно пропорционально площади сферы), определение расстояния до далеких звезд всегда было серьезной проблемой в астрономии. Открытие Ливитт произвело революцию в этой области. (Сам Хаббл, который относился пренебрежительно к Нобелевской премии, часто говорил, что работа Ливитт заслуживает эту премию, хотя и был достаточно своекорыстным. Он, возможно, предложил это только потому, что был бы закономерным соискателем на совместную с ней награду за свою более позднюю работу.) И в Шведской королевской академии действительно началось оформление документов, чтобы номинировать Ливитт на Нобелевскую премию в 1924 году, когда стало известно, что она умерла от рака три года назад. Благодаря силе своей личности, умелой саморекламе и мастерству наблюдателя Хаббл стал именем нарицательным, а Ливитт, увы, известна лишь фанатам этой области.

Хаббл сумел использовать свое измерение цефеид и зависимость периода их светимости, обнаруженную Ливитт, чтобы окончательно доказать, что цефеиды в Андромеде и некоторых других туманностях были слишком далеки, чтобы находиться внутри Млечного Пути. Обнаружилось, что Андромеда была другим островом Вселенной, другой спиральной галактикой, практически идентичной нашей, и одной из более чем 100 миллиардов других галактик, которые, как мы теперь знаем, существуют в нашей наблюдаемой Вселенной. Результат Хаббла был настолько однозначным, что астрономическое сообщество (в том числе Ше-пли, который, кстати, к этому времени стал директором обсерватории Гарвардского колледжа, где Ливитт написала свою новаторскую работу) быстро смирилось с тем, что Млечный Путь — это не все, что есть вокруг нас. Неожиданно размер известной Вселенной одним махом расширился, больше, чем за предыдущие века! Ее характер тоже изменился, как изменилось почти все остальное.

После этого впечатляющего открытия Хаббл мог почивать на лаврах, но он охотился за более крупной рыбой или, в данном случае, более крупными галактиками. Измеряя все более слабые цефеиды во все более далеких галактиках, он мог составить карту Вселенной в все более крупных масштабах. Однако когда он это сделал, он обнаружил кое-что другое, что было еще более примечательно: Вселенная расширяется!

Хаббл добился своих результатов, сравнивая расстояния до галактик, полученные им, с другими расстояниями, полученными другим американским астрономом, Весто Слайфером, который измерил спектры света, идущего от этих галактик. Понимание существования и природы таких спектров требует, чтобы я вернулся к самому зарождению современной астрономии.

Одним из наиболее важных открытий в астрономии было то, что вещество звезд и Земли в значительной степени одинаково. А началось все, как и многое в современной науке, с Исаака Ньютона. В 1665 году Ньютон, тогда еще молодой ученый, пропустил тонкий луч солнечного света (который он получил, завесив свою комнату, кроме небольшой дыры, сделанной в оконном ставне) через призму и увидел, что солнечный свет разделился на знакомые цвета радуги. Он заключил, что белый свет от солнца содержит все эти цвета, и он был прав.

Сто пятьдесят лет спустя другой ученый, более внимательно исследовав разложенный свет, обнаружил темные полосы в этих цветах, и сделал вывод, что они появились за счет существования веществ во внешней атмосфере Солнца, которые поглощают свет определенных цветов или длин волн. Эти «линии поглощения», как они стали называться, могут совпадать с длинами волн света, поглощаемыми известными веществами на Земле, в том числе водородом, кислородом, железом, натрием и кальцием.

В 1868 году еще один ученый наблюдал две новые линии поглощения в желтой части солнечного спектра, которые не соответствуют ни одному из известных элементов на Земле. Он решил, что это должно быть связано с каким-то новым элементом, который он назвал гелием. Поколение спустя гелий был обнаружен на Земле.

Рассмотрение спектров излучения, полученных от других звезд, является важным научным инструментом для понимания их состава, температуры и эволюции. Начиная с 1912 года, Слайфер наблюдал спектры света, идущего от различных спиральных туманностей, и обнаружил, что их спектры были похожи на спектры близких звезд — за исключением того, что все линии поглощения были сдвинуты на одинаковую величину длины волны. Это явление было тогда истолковано как обусловленное знакомым «эффектом Доплера», названого в честь австрийского физика Кристиана Доплера, который объяснил в 1842 году, что волны, достигающие вас от движущегося источника, будут растянуты, если источник движется от вас, и сжаты, если он движется к вам. Это проявление эффекта, с которым мы все знакомы, и благодаря которому я обычно вспоминаю карикатуру Сидни Харрис, где два ковбоя, сидя на своих лошадях на равнинах, смотрят на далекий поезд, и один говорит другому: «Мне нравится слышать одинокий гудок железнодорожного свистка, когда параметр частоты изменяется вследствие эффекта Доплера!» Действительно, свисток поезда или сирена скорой помощи звучит выше, если поезд или машина скорой едет к вам, и ниже, если она движется от вас.

Оказывается, такое же явление имеет место для световых волн, как и для звуковых, хотя по несколько иным причинам. Световые волны от источника, движущегося от вас, либо из-за своего локального движения в пространстве, либо из-за продолжающегося расширения пространства, будут растянуты, и поэтому казаться более красными, чем они могли бы быть, поскольку красный — это длинноволновый конец видимого спектра, тогда как волны от источника, движущегося к вам, будут сжиматься и казаться более синими.

Слайфер наблюдал в 1912 году, что линии поглощения света, идущего от спиральных туманностей, почти все были систематично сдвинуты в длинноволновую сторону (хотя некоторые, как от Андромеды, были сдвинуты в более коротковолновом направлении). Он правильно сделал вывод, что большинство этих объектов, следовательно, удаляются от нас со значительными скоростями.

Хаббл мог сравнить свои наблюдения расстояний до этих спиральных галактик (так как они были уже известны) с измерениями Слайфера скоростей, с которыми они удалялись. В 1929 году с помощью сотрудника Маунт-Вилсон, Милтона Хьюмасона (который обладал таким техническим талантом, что получил работу на Маунт Вилсон, даже не имея диплома средней школы), он объявил об открытии замечательной эмпирической зависимости, теперь называемой законом Хаббла: существует линейная зависимость между скоростью удаления галактик и расстоянием до них. А именно, более отдаленные галактики удаляются от нас с более высокими скоростями!

Когда впервые преподносится этот замечательный факт, что почти все галактики удаляются от нас, и те, что в два раза дальше, движутся в два раза быстрее, те, что в три раза дальше — в три раза быстрее, и т. д., кажется очевидным, что это означает: мы центр Вселенной!

Как советуют некоторые друзья, мне нужно ежедневно напоминать, что это не так. Скорее, это точно соответствовало зависимости, предсказанной Леметром. Наша Вселенная действительно расширяется.

Я пробовал различные способы объяснить это, и я, честно говоря, не думаю, что есть хороший способ сделать это, если ваше мышление не ограничено рамками — в данном случае, рамками Вселенной. Чтобы понять, что подразумевает закон Хаббла, нужно удалиться с близорукой наблюдательной позиции нашей галактики и посмотреть на нашу Вселенную извне. Хотя трудно находиться за пределами трехмерной Вселенной, легко переместиться за пределы двумерной. На следующей странице я нарисовал одну такую расширяющуюся Вселенную в два разных момента времени. Как вы можете видеть, позднее галактики находятся дальше друг от друга.

Теперь представьте, что вы живете в одной из более поздних галактик, t₂, которую я отмечу белым, в момент времени t₂.

Чтобы понять, как эволюция Вселенной будет выглядеть с точки зрения этой галактики, я просто наложу правый рисунок на левый, поместив белую галактику поверх самой себя.

Вуаля! С точки зрения этой галактики все другие галактики удаляются, и те, что в два раза дальше, за то же время удалились на двойное расстояние, те, что в три раза дальше, удалились на тройное расстояние, и т. д. Пока нет ни одного края, те, кто в этой галактике, чувствуют, будто они находятся в центре расширения.

Не имеет значения, какую галактику выбрать. Выберите другую галактику и повторите:

В зависимости от вашей точки зрения, либо любое место является центром Вселенной, либо такого места нет. Это не имеет значения; закон Хаббла указывает на Вселенную, которая расширяется.

Итак, когда Хаббл с Хьюмасоном впервые сообщили о своих результатах в 1929 году, они не только описали линейную зависимость между расстоянием и скоростью удаления, но и дали количественную оценку самой скорости расширения. Вот фактические данные, представленные в то время:

Как вы можете видеть, Хаббл догадался провести прямую линию через полученные данные, кажется, довольно удачно. (Существует четко определенная взаимосвязь, но будет ли прямая подходить наилучшим образом, далеко не ясно на основании одних этих данных.) Скорость расширения, которую они получили, выведя ее из этой диаграммы, предполагает, что галактики, расположенные в миллионах парсеков друг от друга (в 3 миллионах световых лет, среднее расстояние между галактиками), отдаляются от нас со скоростью 500 километров / сек. Однако эта оценка была не слишком удачной.

Причину этого понять относительно просто. Если сегодня все галактики разлетаются, то раньше они были ближе друг к другу. Теперь, если гравитация — притягивающая сила, то она должна была замедлить расширение Вселенной. Это означает, что галактики, которые мы видим удаляющимися от нас со скоростью 500 километров в секунду сегодня, ранее должны были бы двигаться быстрее.

Тем не менее, если на данный момент мы просто предположим, что галактики мчались с такой скоростью всегда, мы можем отмотать пленку назад и выяснить, как давно они были на том месте, где находится наша галактика. Поскольку галактики, которые находятся в два раза дальше, движутся в два раза быстрее, если мы отмотаем пленку в обратном направлении, мы узнаем, что они были на нашем месте точно в одно и то же самое время. Действительно, вся наблюдаемая Вселенная сошлась бы в одной точке, точке Большого Взрыва, во время, которое мы можем оценить таким образом.

Такая оценка, очевидно, являлась бы верхним пределом возраста Вселенной, потому что, если галактики когда-то двигались быстрее, они оказались бы там, где сегодня, за меньшее время, чем предполагает эта оценка.

Согласно этой оценке, основанной на анализе Хаббла, Большой Взрыв произошел примерно 1,5 миллиарда лет назад. Однако даже в 1929 году уже были ясные доказательства (которые отвергали лишь некоторые библейские буквалисты в Теннесси, Огайо и некоторых других штатах), что Земле больше 3 миллиардов лет.

Так, для ученых было унизительно, обнаружить, что Земля старше Вселенной. Что более важно, это предполагает, что что-то не так с исследованиями.

Источником этой путаницы был тот простой факт, что оценки расстояний Хаббла, полученные с помощью зависимостей цефеид в нашей галактике, были систематически неверными. Шкала расстояний, основанная на использовании близлежащей цефеиды, с помощью которой оценивались расстояния до дальних цефеид, а затем до галактик, в которых наблюдались еще более отдаленные цефеиды, была неверной.

История о том, как эти систематические эффекты были преодолены, слишком длинная и запутанная, чтобы описывать ее здесь, и, в любом случае, больше не имеет значения, потому что у нас теперь есть гораздо лучший метод оценки расстояний.

Одна из моих любимых фотографий с космического телескопа Хаббл показана ниже:

На ней показана красивая спиральная галактика, далеко далеко, давным-давно (давным-давно, потому что свету от этой галактики требуется некоторое время — более 50 миллионов лет — чтобы до нас добраться). В спиральной галактике, такой как эта, напоминающей нашу собственную, около 100 миллиардов звезд. В ярком ядре в ее центре содержится, возможно, 10 миллиардов звезд. Обратите внимание на звезду в левом нижнем углу, светящую с яркостью, почти равной яркости этих 10 миллиардов звезд. Увидев ее впервые, вы могли бы разумно предположить, что это гораздо более близкая звезда в нашей галактике, которая случайно попала в кадр. Но на самом деле, это звезда из той же далекой галактики, более чем в 50 миллионах световых лет от Земли.

Разумеется, это не обычная звезда. Это звезда, которая только что взорвалась, сверхновая, один из самых ярких фейерверков во Вселенной. Когда звезда взрывается, она в течение короткого времени (приблизительно месяц) светит в видимом свете с яркостью 10 миллиардов звезд.

К счастью для нас, звезды не взрываются столь часто, примерно раз в сто лет в галактике. Но нам повезло, что они взрываются, потому что, если бы не это, нас бы здесь не было. Один из самых поэтичных фактов, которые я знаю о Вселенной, что, по сути, каждый атом в вашем теле произошел из звезды, которая взорвалась. Более того, атомы в левой руке, возможно, произошли из одной звезды, а в правой — из другой. Мы все, буквально, звездные дети, и наши тела сделаны из звездной пыли.

Откуда мы это знаем? Что ж, мы можем экстраполировать нашу картину Большого взрыва назад в то время, когда Вселенной было около 1 секунды, и мы посчитали, что вся наблюдаемая материя была сжата тогда в плотной плазме, температура которой должна была быть около 10 миллиардов градусов (по шкале Кельвина). При этой температуре ядерные реакции могут легко проходить между протонами и нейтронами, поскольку они связываются вместе, а затем разъединяются от дальнейших столкновений. После этого процесса, когда Вселенная остывает, мы можем предсказать, как часто эти первозданные ядерные составляющие будут соединяться, образуя ядра атомов, тяжелее чем водород (т. е. гелий, литий, и так далее).

Когда мы это сделаем, мы обнаружим, что, по сути, ни одно ядро — кроме лития, третьего по легкости ядра в природе — не было образовано из первозданного огненного шара, которым был Большой Взрыв. Мы уверены, что наши расчеты верны, потому что наши прогнозы относительного содержания легких элементов в космосе отлично согласуются с этими наблюдениями. Содержание этих легких элементов — водорода, дейтерия (ядра тяжелого водорода), гелия и лития — варьируется на 10 порядков (примерно 25 процентов протонов и нейтронов, по массе, оказались в гелии, тогда как 1 из 10 млрд нейтронов и протонов оказался в ядре лития). Что касается этого невероятного диапазона, наблюдения и теоретические предсказания совпадают.

Это одно из самых известных, значимых и успешных предсказаний говорит нам, что Большой Взрыв действительно был. Только горячий Большой Взрыв может произвести наблюдаемое обилие легких элементов и сохранять непротиворечивость с нынешним наблюдаемым расширением Вселенной. Я ношу в заднем кармане памятку, показывающую сравнение предсказанного и наблюдаемого относительного содержания легких элементов, так что каждый раз, когда я встречаю кого-то, кто не верит, что Большой Взрыв был, я могу ему это показать. Конечно, я обычно никогда не дохожу до этого в дискуссии, потому что данные редко производят впечатление на людей, которые решили заранее, что что-то здесь не так. Я все равно ношу эту карточку и воспроизведу ее для вас позже в книге.

Тогда как литий важен для некоторых людей, для остальных из нас гораздо важнее все остальные более тяжелые ядра, такие как углерод, азот, кислород, железо и так далее. Они не были созданы в Большом Взрыве. Единственное место, где они могли быть созданы — это раскаленные ядра звезд. И единственный способ, которым они могли попасть в ваше тело сегодня — это если эти звезды были достаточно любезны, чтобы взорваться, извергая свои продукты в космос, чтобы они могли в один прекрасный день слиться в небольшой голубой планете, расположенной вблизи звезды, которую мы называем Солнце. В ходе истории нашей галактики около 200 миллионов звезд взорвались. Эти мириады звезд пожертвовали собой, если хотите, чтобы однажды вы могли родиться. Я полагаю, это выдвигает их, не меньше, чем что-либо другое, на роль спасителя.

В ходе тщательных исследований, проведенных 1990-х годах, оказалось, что определенный тип взорвавшейся звезды, называемый сверхновая типа Ia, обладает замечательным свойством: с высокой точностью, те сверхновые типа Ia, которые по своей природе ярче, также сияют дольше. Корреляция, хотя до конца не изучена теоретически, эмпирически очень тесная. Это означает, что эти сверхновые очень хорошие «стандартные свечи». Под этим мы подразумеваем, что эти сверхновые могут быть использованы для калибровки расстояний, потому что их собственную яркость можно непосредственно установить путем измерения, которое не зависит от расстояния. Если мы наблюдаем сверхновую в далекой галактике, а мы можем это сделать, потому что они очень яркие, то, наблюдая, как долго она светит, мы можем получить ее внутреннюю яркость. Затем, измеряя ее видимую яркость нашими телескопами, мы можем точно узнать, насколько далеко находится сверхновая и ее галактика. Тогда, измерив «красное смещение» света от звезд в галактике, мы можем определить ее скорость, и таким образом можем сравнить скорость с расстоянием и вывести скорость расширения Вселенной.

Пока все хорошо, но если сверхновые взрываются в галактике примерно лишь раз в сто лет, насколько вероятно, что мы когда-либо сможем их увидеть? В конце концов, последняя сверхновая в нашей Г алактике, которую видели на Земле, была замечена Иоганном Кеплером в 1604 году! Действительно, это говорит о том, что сверхновые в нашей Галактике наблюдаются только во время жизни величайших астрономов, и Кеплер, конечно, отвечает этим требованиям.

Начав свою деятельность в качестве скромного учителя математики в Австрии, Кеплер стал помощником астронома Тихо Браге (который ранее сам наблюдал сверхновую в нашей галактике и которому по возвращении король Дании подарил целый остров), и используя данные Браге о положении планет в небе, взятые более чем за десять лет, Кеплер в начале семнадцатого века вывел свои знаменитые три закона движения планет:

1. Планеты движутся вокруг Солнца по эллипсам.

2. Линия, соединяющая планету и Солнце, описывает равные площади за равные промежутки времени.

3. Квадрат периода обращения планеты прямо пропорционален кубу (3-й степени) большой полуоси его орбиты (или, другими словами, «большой полуоси» эллипса, половине расстояния через самую широкую часть эллипса).

Эти законы в свою очередь заложили основу для получения Ньютоном универсального закона всемирного тяготения почти столетие спустя. Кроме этого замечательного вклада, Кеплер успешно защитил мать, обвиняемую в колдовстве, и написал, пожалуй, первый фантастический рассказ о путешествии на Луну.

В настоящее время, один из способов увидеть сверхновую — просто назначить по одному аспиранту на каждую галактику в небе. В конце концов, сто лет не слишком отличается, по крайней мере, в космическом смысле, от среднего времени, необходимого, чтобы сделать докторскую диссертацию, и аспирантов много, а их использовать дешево. К счастью, однако, мы не должны прибегать к таким крайним мерам, по очень простой причине: Вселенная большая и древняя, и, как следствие, редкие события происходят все время.

Выйдите однажды ночью в лес или пустыню, где можно увидеть звезды, и поднимите руку к небу, сделав маленький кружок между большим и указательным пальцами, размером с копейку. Направьте его на темный участок неба, где нет никаких видимых звезд. В этом темном участке, с помощью достаточно большого телескопа, вроде тех, что есть у нас на вооружении сегодня, вы могли бы различить, возможно, 100 000 галактик, каждая из которых содержит миллиарды звезд. Поскольку сверхновые взрываются один раз в сто лет, в пределах 100 000 галактик вы должны ожидать увидеть в среднем примерно три звезды, взорвавшиеся в данную ночь.

Астрономы именно так и сделали. Они выпросили время на телескопе, и в некоторые ночи могли увидеть одну взорвавшуюся звезду, в некоторые ночи две, а в некоторые ночи могло быть облачно, и они не могли увидеть ни одной. Таким образом, несколько групп смогли определить константу Хаббла с погрешностью менее 10 процентов. Новое число, около 70 километров в секунду для галактик, находящихся в среднем в 3 млн. световых лет друг от друга, почти в 10 раз меньше, чем полученное Хабблом и Хьюмасоном. В результате был сделан вывод, что возраст Вселенной ближе к 13 млрд лет, а не 1,5 млрд лет.

Как я опишу позже, это также полностью согласуется с независимыми оценками возраста старейших звезд в нашей галактике. От Браге до Кеплера, от Ле-метра до Эйнштейна и Хаббла, и от спектров звезд до содержания легких элементов, четыреста лет современной науки представили замечательную и непротиворечивую картину расширяющейся Вселенной. Ничто не разваливается. Картина Большого Взрыва находится в хорошем состоянии.