Кратчайшая история времени - Стивен Уильям Хокинг

Изотропный лес. Даже если деревья в лесу распределены равномерно, ближайшие к нам деревья могут создавать впечатление, что они растут не поодиночке, а группами. Аналогичным образом Вселенная в наших ближайших окрестностях не совсем однородна, но на больших масштабах она выглядит совершенно одинаковой во всех направлениях

Долгое время равномерное распределение звезд[7] во Вселенной считалось достаточным обоснованием гипотезы Фридмана как грубого приближения к реальной Вселенной. Но позднее, благодаря счастливой случайности, было открыто еще одно проявление Вселенной, замечательным образом согласующееся с предположением Фридмана. В 1965 году два американских физика из компании Bell Telephone Laboratories (штат Нью-Джерси) Арно Пензиас и Роберт Уилсон тестировали очень чувствительный микроволновой приемник. (Напомним, что микроволновое излучение – это электромагнитные волны, также как и свет, но с длиной волны около одного сантиметра.) Пензиасу и Уилсону не давало покоя то, что приемник регистрировал большую интенсивность шума, чем ожидалось. Исследовав приемник, они нашли там птичий помет и проверили его на предмет других возможных неполадок, но вскоре исключили их как возможные источники ошибок. Особенность шума состояла в том, что он оставался неизменным независимо от времени суток и в течение всего года, несмотря на вращение Земли вокруг своей оси и ее движение по орбите вокруг Солнца. Поскольку из-за этих движений приемник каждый раз был направлен в разные точки на небе, то Пензиас и Уилсон пришли к выводу, что источник шума должен быть расположен за пределами Солнечной системы и даже за пределами нашей Галактики. Шум, похоже, приходил с одинаковой интенсивностью со всех направлений. Теперь мы знаем, что интенсивность этого шума практически одна во всех направлениях и очень мало меняется по небу, так что Пензиас и Уилсон, сами того не зная, наткнулись на поразительное проявление первой гипотезы Фридмана, согласно которой свойства Вселенной одинаковы во всех направлениях.

Каков же источник космического фонового излучения? Почти в то же время, когда Пензиас и Уилсон исследовали шум приемника, два других американских физика – Боб Дике и Джим Пиблс, работавшие в расположенном поблизости Принстонском университете, тоже заинтересовались микроволновым излучением. Они исследовали гипотезу, высказанную студентом Александра Фридмана, Георгием Гамовым. Согласно этой гипотезе, ранняя Вселенная должна была быть очень горячей и плотной и светиться. Дике и Пиблс полагали, что мы должны быть в состоянии увидеть свет ранней Вселенной, потому что свет от самых далеких ее частей как раз сейчас должен был достичь нас. Однако из-за расширения Вселенной этот свет должен был испытать очень большое красное смещение и восприниматься нами как микроволновое излучение, а не видимый свет. Дике и Пиблс как раз занимались поиском этого излучения, когда Пензиас и Уилсон узнали об их работе и поняли, что уже нашли его. Пензиас и Уилсон получили за это Нобелевскую премию 1978 года (что, конечно, несколько несправедливо по отношению к Дике и Пиблсу, не говоря уже о Гамове).

На первый взгляд может показаться, будто все эти данные, свидетельствующие о том, что Вселенная одинакова во всех направлениях, означают, что мы занимаем особое место во Вселенной. В частности, может возникнуть впечатление, что раз практически все наблюдаемые нами галактики удаляются от нас, то мы находимся в центре Вселенной. Однако есть и другое объяснение: Вселенная выглядит совершенно одинаково во всех направлениях независимо от того, в какой галактике находится наблюдатель. В этом, как мы только что видели, и заключается вторая гипотеза Фридмана.

Нет никаких научных данных, которые бы свидетельствовали за или против второй гипотезы Фридмана. Несколько столетий назад Церковь сочла бы такую гипотезу ересью – ведь согласно церковной доктрине мы занимаем особое место во Вселенной и находимся в ее центре. Но сегодня мы склонны поверить в гипотезу Фридмана из совершенно противоположных соображений – скорее из скромности: было бы совершенно удивительно, если бы Вселенная выглядела одинаково во всех направлениях только с нашего наблюдательного пункта и ни из какого другого места во Вселенной!

Во фридмановской модели Вселенной все галактики удаляются друг от друга. Это напоминает постепенно раздувающийся воздушный шарик со множеством нарисованных на нем точек. По мере раздувания шарика расстояние между любыми двумя точками увеличивается, но при этом ни про одну из них нельзя сказать, что она является центром расширения. Более того, по мере увеличения радиуса шарика чем дальше расположены две точки на его поверхности, тем быстрее они удаляются друг от друга. Например, предположим, что радиус шарика удваивается за секунду. Тогда две точки, которые первоначально находились на расстоянии одного сантиметра друг от друга, через секунду окажутся на расстоянии двух сантиметров, если измерять расстояние вдоль поверхности шарика. Так что их относительная скорость составляет один сантиметр в секунду. При этом две точки, которые первоначально были на расстоянии десяти сантиметров друг от друга, теперь находятся на расстоянии двадцати сантиметров. Следовательно, их относительная скорость равна десяти сантиметрам в секунду. Аналогичным образом в модели Фридмана скорость взаимного удаления двух галактик пропорциональна расстоянию между ними, и таким образом Фридман предсказал, что красное смещение галактик должно быть прямо пропорционально их расстояниям от нас, в точности как обнаружил Хаббл. Несмотря на то что модель оказалась успешной и позволила предсказать результат наблюдений Хаббла, на Западе работа Фридмана оставалась неизвестной до тех пор, пока аналогичные модели не были разработаны в 1935 году американским физиком Говардом Робертсоном и британским математиком Артуром Уолкером в ответ на открытие Хабблом равномерного расширения Вселенной.

Фридман создал только одну модель Вселенной. Но если его предположения верны, то возможны три вида решения уравнений Эйнштейна, то есть три разных вида моделей Фридмана и три сценария развития Вселенной.

Расширяющаяся Вселенная на воздушном шарике. Из-за расширения Вселенной все галактики удаляются друг от друга. Со временем, подобно точкам на поверхности раздувающегося шарика, расстояние между более удаленными друг от друга галактиками увеличивается больше, чем расстояние между более близкими галактиками. Следовательно, для наблюдателя в любой из галактик скорость других галактик относительно него тем больше, чем больше они удалены

В решении первого типа (того, что нашел Фридман) Вселенная расширяется достаточно медленно, так что под действием гравитационного притяжения между галактиками расширение замедляется и рано или поздно