Книга: О времени, пространстве и других вещах

Глава 9 Темнота ночи

Глава 9

Темнота ночи

Думаю, многие из вас видели юмористический сериал «Пинатс». Моя дочь Робин (сейчас она в четвертом классе) от него в восторге. Мне он тоже нравится.

Как-то раз она пришла ко мне, находясь под впечатлением очередного эпизода, в котором один из маленьких героев спрашивает свою раздражительную старшую сестру: «Почему небо голубое?» — на что она отвечает: «Потому что оно не зеленое».

Робин еще смеялась, а я уже решил, что обязан воспользоваться случаем и свести наш разговор к серьезному научному обсуждению (разумеется, для блага Робин) этого вопроса. Поэтому я спросил: «А ты знаешь, Робин, почему ночью небо черное?»

Моя дочь ответила не задумываясь (видит бог, я должен был это ожидать): «Потому что оно не красное».

К счастью, такие казусы меня нисколько не расстраивают. Если дочь не пожелает вести со мной высоконаучные беседы, я всегда могу обратиться к Беспомощному Читателю. Так что простите великодушно, но именно с вами я намерен обсудить проблему черноты ночного неба.

Рассказ о темноте ночи целесообразно начать с немецкого физика и астронома Генриха Вильгельма Маттиаса Олберса, родившегося в 1758 году. Астрономия была его хобби. Именно из-за нее в середине жизни ему пришлось пережить острое разочарование. Дело было так…

В конце XVIII века астрономы предположили, причем имели для этого серьезные основания, что между орбитами Марса и Юпитера находится еще одна планета. Несколько немецких астрономов, из которых Олберс был самым именитым, решили разделить между собой плоскость эклиптики и вести методичные наблюдения (каждый на своем участке) с целью обнаружения новой планеты.

Олберс и его друзья были очень упорны, проделали кропотливую работу и считали свое открытие вопросом времени, не сомневаясь, что скоро получат щедрую награду за труды. Но удача иногда упорно не желает приходить к тем, кто этого заслуживает. Пока немецкие астрономы систематизировали полученные данные, итальянец Джузеппе Пиацци, который и не думал о новой планете, ночью 1 января 1801 года заметил светящуюся точку, смещающуюся на фоне звезд. Некоторое время он продолжал за ней следить и обнаружил, что она равномерно движется несколько медленнее Марса, зато быстрее Юпитера. Пиацци вполне закономерно предположил, что обнаружил планету, занимавшую промежуточную орбиту. Об этом он поведал миру. Так что в анналы истории попал не упорный и методичный Олберс, а случайно направивший свой телескоп в нужное место и в нужное время Пиацци.

Но Олберса все-таки нельзя считать проигравшим. Через некоторое время Пиацци заболел и не смог продолжать наблюдения. К тому времени, когда он сумел вернуться к телескопу, планета уже находилась близко к Солнцу и не была видна.

В результате Пиацци не успел получить достаточно данных, чтобы вычислить орбиту новой планеты, и это было неудачей. Пришлось бы ждать долгие месяцы, прежде чем медленно движущаяся планета обогнет Солнце и снова станет доступной для наблюдений, а не имея расчетной орбиты, на ее повторное открытие можно потратить много лет.

К счастью, в математическом мире уже вовсю заявил о себе молодой немецкий математик Карл Фридрих Гаусс. Он разработал методику, позволявшую рассчитать орбиту с достаточно высокой степенью точности на основе всего лишь трех точных указаний положения планеты. Гаусс произвел необходимые расчеты, и, когда планета снова оказалась доступной для наблюдений с Земли, ее уже поджидал Олберс со своим телескопом, направленным на тот участок небесного свода, где, по предположениям Гаусса, планета должна была появиться. Гаусс оказался прав, и 1 января 1802 года Олберс обнаружил планету.

Новая планета (названная Церерой) была не вполне обычной. Оказалось, что она имеет всего лишь 500 миль в диаметре. Она была меньше всех известных планет, а также шести из известных в то время спутников.

Неужели только Церера существует между Юпитером и Марсом? Немецкие астрономы продолжали вести наблюдения (они хорошо подготовились к работе) и скоро обнаружили еще три планеты между Марсом и Юпитером. Две из них — Палладу и Весту — открыл Олберс.

Конечно, второе место не приносит морального удовлетворения. Все, что получил Олберс, — это названный его именем астероид. Тысячный астероид между Марсом и Юпитером был назван Пиацца, тысяча первый — Гауссия, а тысяча второй, представьте себе, Олберия.

Не больше везло Олберсу и в других наблюдениях. Он специализировался на кометах и открыл их пять штук, но это мог сделать практически любой человек. Существует комета, носящая его имя, но это не великая честь.

Так что же, мы забудем об Олберсе? Ни в коем случае.

Невозможно предугадать, что обеспечит тебе место в науке и в истории. Иногда это бывают просто любопытные фантазии. В 1826 году Олберс начал размышлять о темноте ночи и пришел к удивительным выводам.

Его размышления впоследствии стали «парадоксом Олберса», который приобрел особую важность веком позже. Начав с парадокса Олберса, мы можем прийти к выводу, что единственная причина существования жизни во Вселенной заключается в том, что далекие галактики удаляются от нас.

Какое влияние могут иметь на нас далекие галактики? Запаситесь терпением. Скоро вы все узнаете.

Если бы древнего астронома спросили, почему ночное небо такое черное, он вполне разумно ответил бы, что из-за отсутствия солнечного света. Если бы его спросили, почему звезды не заменяют Солнце, он сказал бы, что звезд немного, а каждая из них испускает только тусклый свет. И правда, если собрать вместе все видимые нами звезды, их свет будет во много миллионов раз менее ярким, чем свет Солнца. Поэтому их влияние на черноту неба незначительно.

К началу XIX века последний аргумент древнего астронома утратил свою силу. Количество звезд стало огромным благодаря большим телескопам.

Конечно, можно сказать, что эти бесчисленные миллионы звезд не имеют никакого значения, потому что не видны невооруженным глазом и не могут внести свой вклад в освещение ночного неба. Ну и что?

Звезды, составляющие Млечный Путь, в отдельности тоже тусклые, но вместе они образуют пусть и неяркий, зато отчетливо видимый светящийся пояс, протянувшийся по небу. Созвездие Андромеды располагается намного дальше, чем звезды Млечного Пути, поэтому составляющие его звезды видны с Земли только в мощный телескоп. Созвездие целиком все-таки можно разглядеть без телескопа. (Это самый удаленный от Земли объект, который можно увидеть без использования специальной оптики. Если вас спросят, далеко ли вы видите, смело отвечайте, что на 2 000 000 световых лет.)

Отсюда можно сделать вывод, что далекие звезды вносят свой вклад в освещение ночного неба, когда они расположены достаточно плотно.

Олберс, не имевший понятия о существовании созвездия Андромеды, кое-что знал о Млечном Пути. Поэтому он принялся размышлять, какое количество света следует ожидать от всех далеких звезд. Начал он с нескольких гипотез.

1. Вселенная бесконечна в своем протяжении.

2. Число звезд бесконечно и равномерно разбросано по Вселенной.

3. Звезды во всем космическом пространстве обладают в среднем одинаковой яркостью.

Теперь давайте представим космическое пространство, разделенное на отдельные оболочки (как у лука), собранные вокруг нас. Они довольно тонкие, если сравнивать их с необъятностью космоса, но в то же время достаточно большие, чтобы вместить в себя звезды.

Помните, что количество света, которое доходит до нас от отдельных звезд одинаковой яркости, изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния до звезды. Другими словами, если звезда А и звезда В имеют одинаковую яркость, но звезда А расположена в 3 раза дальше, чем звезда В, то звезда А доносит до нас только ¹/₉ часть своего света. Если звезда А в 5 раз дальше, чем звезда В, до Земли дойдет ¹/₂₅ часть ее света и т. д.

Это справедливо и для нашей «оболочки». Звезда, находящаяся в 2000 световых лет от нас, будет выглядеть в 4 раза менее яркой, чем звезда, расположенная в 1000 световых лет от нас. (В соответствии с гипотезой 3 истинная яркость звезд во всех «оболочках» одинакова, поэтому нас интересует только расстояние до них.) Звезда в нашей «оболочке», расположенная на расстоянии 3000 световых лет, будет выглядеть в 9 раз менее яркой, чем звезда, находящаяся в 1000 световых лет, и т. д.

Если же начать движение в направлении от центра, каждая следующая «оболочка» будет более объемной, чем предыдущая. Объем «оболочек» возрастает, как и поверхность сфер, пропорционально квадрату радиуса. Объем «оболочки», содержащей звезду, удаленную на 2000 световых лет, будет в 4 раза больше, чем объем «оболочки» со звездой, удаленной на 1000 световых лет.

Мы считаем, что звезды распределены в пространстве равномерно (гипотеза 2), тогда число звезд в каждой «оболочке» будет пропорционально ее объему. Если объем одной «оболочки» больше объема другой в 4 раза, то и число звезд в ней будет в 4 раза больше и т. д.

Таким образом, «оболочка» со звездами, удаленными на 2000 световых лет, содержит в 4 раза больше звезд, чем «оболочка» со звездами, удаленными на 1000 световых лет. Другими словами, «оболочка», в которой звезды удалены от нас на 2000 световых лет, доносит до нас столько же света, сколько «оболочка» со звездами, находящимися на расстоянии 1000 световых лет. Для более далеких «оболочек» дело обстоит так же.

Таким образом, если разделить Вселенную на последовательные оболочки, каждая из них «поставляет» одинаковое количество света. А поскольку Вселенная бесконечна в своей протяженности (гипотеза 1) и состоит из бесконечного числа «оболочек», звезды, какими бы тусклыми они ни были в отдельности, должны доставлять бесконечное количество света на Землю.

Но быть может, ближайшие к нам звезды блокируют свет своих более далеких собратьев?

Чтобы понять, так это или нет, давайте рассмотрим проблему с другой стороны. В каком бы направлении ни посмотрел наблюдатель, он непременно увидит звезду. Это означает, что их число бесконечно и они равномерно распределены в пространстве (гипотеза 2). Одна звезда может быть невидимой, но она все равно внесет свой вклад в общее «производство» света.

Если все сказанное верно, то ночное небо должно быть не черным, а представлять собой гигантское яркое пятно звездного света. Кстати, таким же должно быть и дневное небо, на светлом фоне которого Солнце будет невидимым.

Тогда небо было бы по яркости таким же, как 150 000 наших солнц. Думаю, ни у кого не вызывает сомнений факт, что при таких условиях жизнь на Земле была бы невозможна.

Но наше небо совсем не такое яркое, как 150 000 солнц. А ночное небо вообще черное. Где-то в парадоксе Олберса кроется смягчающее обстоятельство или логическая ошибка.

Сам Олберс считал, что обнаружил ее. Он предположил, что космос не является полностью прозрачным; в нем встречаются облака пыли и газа, поглощающие основное количество света, поэтому до Земли доходит лишь незначительное его количество.

На первый взгляд звучит убедительно, но на самом деле это не так. Конечно, в космическом пространстве существуют облака пыли и газа. Но если бы они поглощали весь попадающий на них звездный свет (согласно парадоксу Олберса), их температура начала бы неуклонно подниматься, постепенно дойдя до такой величины, когда они сами начали бы светиться. В итоге они начали бы испускать столько же света, сколько поглотили, и земное небо все равно оказалось бы залитым ярчайшим звездным светом.

Но если с точки зрения логики доказательство не содержит ошибки, а вывод остается неверным, следует пересмотреть первоначальные гипотезы. Например, гипотезу № 2. Действительно ли число звезд бесконечно и они равномерно распределены по пространству Вселенной?

Уже во времена Олберса имелись основания сомневаться в истинности этого утверждения. Астроном Вильям Гершель вел подсчеты звезд различной яркости. Он предположил, что более тусклые звезды являются более удаленными по сравнению с более яркими (что является следствием гипотезы № 3), и обнаружил, что плотность расположения звезд в пространстве уменьшается с увеличением расстояния.

Изучив степень уменьшения плотности в разных направлениях, Гершель решил, что звезды образуют фигуру, напоминающую линзу. Он подсчитал, что ее диаметр равен примерно 150 расстояниям от Солнца до звезды Арктура (сейчас мы определили бы его в 6000 световых лет) и все звездное скопление состоит из 100 000 000 звезд.

Казалось бы, тем самым он покончил с парадоксом Олберса. Если скопление, имеющее форму линзы (теперь мы называем его галактикой), действительно включает в себя все существующие звезды, тогда гипотеза № 2 оказывается несостоятельной. Даже если космическое пространство бесконечно и простирается дальше галактики (гипотеза № 1), там не будет звезд, и света оттуда не прибавится. Следовательно, можно допустить существование конечного числа «оболочек», содержащих звезды, которые произведут конечное (не очень большое) количество света, попадающего на Землю. И в этом заключается причина ночной черноты неба.

Предположительные границы галактики после Гершеля значительно раздвинулись. Сейчас принято считать, что она имеет диаметр 100 000 световых лет (а не 6000) и содержит 150 000 000 000 звезд, а вовсе не 100 000 000. Однако существенная перемена не явилась решающей. Ночью небо все равно остается черным.

После того как в XX веке было высказано предположение, что и за пределами Галактики существуют звезды, парадокс Олберса возродился к жизни.

Клочок тумана, носящий имя Андромеды, в XIX веке считался светящейся туманностью, являвшейся частью нашей Галактики. Между тем другие аналогичные астрономические объекты (например, туманность Ориона) содержат звезды, светящие сквозь туман. А в туманности Андромеды, казалось, звезд не было, но сам туман светился.

Некоторые астрономы уже в то время начали подозревать правду, но окончательно она была установлена только в 1924 году, когда американец Эдвин Пауэлл Хаббл направил 100-дюймовый телескоп на светящуюся туманность и сумел разглядеть по краям отдельные звезды. Они были такими тусклыми, что сразу стало очевидно: туманность находится в сотнях тысяч световых лет от нас и далеко за пределами нашей Галактики. Более того, если ее можно разглядеть с такого расстояния, ее размеры, скорее всего, сравнимы с размерами нашей родной Галактики. Очевидно, это другая, самостоятельная галактика.

Это была истина. Сейчас считается, что туманность находится примерно в 2 000 000 световых лет от нас и содержит по меньшей мере 200 000 000 000 звезд. А вскоре были открыты и другие галактики. Современная наука имеет основания предполагать, что в обозримой Вселенной существует, как минимум, 100 000 000 000 галактик; расстояние до некоторых из них оценивается в 6 000 000 000 световых лет.

Теперь давайте вернемся к трем гипотезам Олберса, но только заменим в них слово «звезды» на слово «галактики» и посмотрим, что получится.

Первая гипотеза о бесконечности Вселенной звучит вполне убедительно. Во всяком случае, конца ей пока не видно, даже на расстоянии миллиардов световых лет.

Гипотеза № 2 о том, что число галактик (не звезд!) бесконечно и все они равномерно распределены в пространстве, звучит также неплохо. По крайней мере, в том пространстве, которое мы видим (а видим мы далеко…), они распределены равномерно.

Третья гипотеза об одинаковой средней яркости галактик (а не звезд!) представляется более проблематичной. У нас нет оснований полагать, что удаленные галактики намного больше или меньше, чем близлежащие. Если же галактики имеют некие средние размеры и «звездное содержание», то почему им не быть одинаково яркими? Звучит разумно.

Но тогда почему ночью небо черное? Мы вернулись к исходному вопросу.

Попробуем иначе. Глядя на удаленный светящийся объект, астрономы, изучая спектр свечения (распределение света в радуге по длине волны от коротковолнового фиолетового до длинноволнового красного), имеют возможность определить, приближается этот объект к нам или удаляется.

Спектр пересекается темными линиями, которые занимают фиксированное положение, если объект неподвижен по отношению к нам. Если объект приближается, линии смещаются в сторону фиолетового. Если же он удаляется от нас, линии смещаются в сторону красного. По величине смещения астрономы могут судить о скорости движения объекта.

В течение первых десятилетий XX века астрономы вели активное изучение спектров некоторых галактик (или небесных тел, позже идентифицированных как галактики). Все они, за исключением одной или двух ближайших, от нас удаляются. Довольно скоро было установлено, что более удаленные галактики удаляются быстрее, чем те, что ближе. В 1929 году Хаббл сформулировал свой знаменитый закон, который гласит, что скорость удаления галактики пропорциональна расстоянию от нас. Если галактика А в два раза дальше от нас, чем галактика В, она и удаляется в два раза быстрее. Самая далекая из видимых галактик, расположенная на расстоянии 6 000 000 000 световых лет от нас, удаляется со скоростью, равной половине скорости света.

Дело в том, что Вселенная расширяется; это следует из формул теории относительности Эйнштейна, которые я здесь (твердо обещаю) приводить не буду.

Как работают гипотезы Олберса, учитывая расширение Вселенной?

Если находящаяся на расстоянии 6 000 000 000 световых лет галактика удаляется со скоростью, равной половине скорости света, тогда на расстоянии 12 000 000 000 световых лет галактика должна удаляться со скоростью света (при условии действия закона Хаббла). Более далекие расстояния рассматривать уже нет смысла, поскольку быстрее двигаться невозможно. Но даже если бы такое стало возможным, ни свет, ни какой-то другой сигнал из этой дали никогда не добрались бы до нас. Такая далекая галактика, если она существует, находится уже за пределами нашей Вселенной. Следовательно, можно предположить, что Вселенная все-таки конечна и ограничена «радиусом Хаббла», то есть 12 000 000 000 световых лет.

Но все это не противоречит парадоксу Олберса. Согласно теориям Эйнштейна, галактики двигаются все быстрее относительно наблюдателя и становятся короче в направлении движения, занимая меньше пространства. Таким образом, появляется место для все большего числа галактик. Поэтому даже в конечной Вселенной, имеющей радиус около 12 000 000 000 световых лет, может находиться бесконечное число галактик. Причем почти все они (толщиной с лист бумаги) на самом удаленном участке сферы-Вселенной.

Так что гипотеза № 2 сохраняется, даже если не действует гипотеза № 1. И одной гипотезы № 2 вполне достаточно, чтобы небо оказалось постоянно залито ярким звездным светом.

А как со смещением в сторону красной части спектра?

Астрономы измеряют красное смещение по изменению положения спектральных линий, но эти линии двигаются только потому, что двигается весь спектр. Смещение к красному — это смещение в направлении меньшей энергии. Удаляющаяся галактика доставляет к Земле лучистой энергии меньше, чем если бы она оставалась относительно нас неподвижной. Чем быстрее галактика удаляется, тем меньше она дает нам лучистой энергии. Галактика, удаляющаяся со скоростью света, вообще не дает лучистой энергии, независимо от своей яркости.

Значит, гипотеза № 3 оказывается неверной! Она была бы справедливой, если бы Вселенная оставалась статичной, но не при ее расширении. Каждая следующая «оболочка» в расширяющейся Вселенной даст нам меньше света, чем предыдущая, потому что содержащиеся в ней галактики дальше от нас, красное смещение становится больше, а отдаваемая лучистая энергия все меньше.

Поскольку гипотеза № 3 не действует, мы получаем из Вселенной конечное количество энергии, и ночное небо остается черным.

Согласно разработанным моделям Вселенной, это расширение будет продолжаться всегда. Оно может происходить без создания новых галактик, и со временем, по прошествии миллиардов лет, наша Галактика (плюс несколько соседних, образующих «местное скопление галактик») останется практически одна во Вселенной. Все остальные галактики удалятся на слишком большое расстояние, чтобы их можно было обнаружить. А быть может, будут постоянно образовываться новые галактики, и Вселенная всегда будет наполнена ими, несмотря на непрекращающееся расширение. Как бы там ни было, расширение будет продолжаться, и ночное небо останется черным.

Существует еще предположение, согласно которому Вселенная колеблется. Расширение со временем замедлится до момента статической паузы, после чего начнется сжатие. Оно будет происходить все быстрее до тех пор, когда Вселенная уплотнится до размеров небольшой сферы, которая взорвется, и начнется новое расширение.

Если это справедливо, при замедлении расширения красное смещение уменьшится, и ночное небо начнет постепенно светлеть. В момент достижения статической паузы ночное небо будет залито звездным светом в полном соответствии с парадоксом Олберса. Затем вместе со сжатием начнется фиолетовое смещение, увеличится количество поступающей энергии, и небо будет разгораться все ярче.

Это будет справедливо не только для Земли (если в далеком будущем при начавшемся сжатии Вселенной она еще будет существовать), но и для любого тела во Вселенной. В статичной или, что еще хуже, сжимающейся Вселенной, согласно парадоксу Олберса, не будет ни холодных, ни твердых тел. Везде будет сохраняться одинаково высокая температура (полагаю, она будет измеряться миллионами градусов), и жизнь попросту не сможет существовать.

Итак, я вернулся к своему первоначальному утверждению. Причина существования жизни на Земле или любой другой планете во Вселенной заключается в том, что далекие галактики удаляются от нас.

Сейчас, когда мы знаем все плюсы и минусы парадокса Олберса, возможно ли (как вы полагаете?) считать удаление от нас далеких галактик обязательным следствием черноты ночного неба? Быть может, мы даже можем дополнить известное изречение французского философа Рене Декарта.

Он сказал: «Я мыслю, значит, я существую».

А мы можем добавить: «Я существую, значит, Вселенная расширяется».