Всего шесть чисел. Главные силы, формирующие Вселенную
Туманность Андромеды, наш самый близкий космический сосед, находится примерно в 2 млн св. лет. Для астронома, находящегося на планете, обращающейся вокруг одной из звезд в Туманности Андромеды, наша Галактика будет выглядеть приблизительно так же, как для нас Туманность Андромеды: диск из звезд и газа, кажущийся наклоненным и вращающийся вокруг центральной основы. С помощью мощных телескопов можно увидеть миллионы других галактик. Не все из них по форме напоминают диски[19] – другой важный класс составляют так называемые «эллиптические галактики», в которых звезды не организованы как диск, а кружат по более свободным орбитам, испытывая притяжение всех остальных звезд такой галактики.
В космосе галактики не располагаются случайным образом: большинство из них собираются в группы или кластеры, которые притяжение удерживает вместе. Наша собственная Местная группа галактик включает Млечный Путь и Туманность Андромеды, а также 43 карликовые галактики (по крайней мере, по последним подсчетам их было именно столько – ученые продолжают находить очень слабых и маленьких членов Местной группы). Притяжение тянет Туманность Андромеды в нашу сторону со скоростью приблизительно 100 км/с. Примерно через 5 млрд лет наши спиральные галактики могут столкнуться. В космосе такие столкновения являются рутинными событиями: в его глубинах мы видим много других галактик, которые, надо полагать, пережили такие встречи с соседями.
Галактики являются такими огромными и разреженными, и звезды в них так рассеяны, что реальные столкновения между ними происходят чрезвычайно редко. (Это полностью верно по отношению к соседям Солнца, поскольку даже самые близкие из них выглядят слабыми искрами света.) Даже когда две галактики столкнутся вместе и перемешаются, столкновений звезд будет очень немного. Единственное, что произойдет, – каждая звезда испытает на себе коллективное притяжение всего вещества из другой галактики. Орбиты так исказятся, что звезды в конце концов окажутся не в двух отдельных дисках, а в едином хаотичном рое. Именно так выглядят эллиптические галактики, и я подозреваю (хотя на этот вопрос все еще нет однозначного ответа), что большие эллиптические галактики формировались именно подобным образом.
СТРУКТУРА НАШЕЙ ВСЕЛЕННОЙ: КОСМИЧЕСКАЯ СЕТЬ
Наша Местная группа галактик расположена около края Скопления Девы – архипелага из нескольких сотен галактик, центр которого находится примерно в 50 млн св. лет от нас. Скопления и группы организуются в еще более крупные объединения. Так называемая Великая Стена, напоминающая простыню полоса из галактик протяженностью более 200 млн св. лет, – это ближайшее к нам и самое выдающееся из таких гигантских образований. Другое скопление – Великий Аттрактор – притягивает нас и все Скопление Девы со скоростью несколько сотен километров в секунду.
Многое созданное природой (горные пейзажи, прибрежные линии, деревья, кровеносные сосуды и т. д.) имеет структуру фрактала. Фрактал – это множество, которое имеет особое математическое свойство: если увеличить его малую часть, то она совпадет со всем целым. Если бы наша Вселенная имела подобную форму – состояла из скоплений, скоплений, скоплений и так
Таким образом, наша Вселенная не является простым фракталом. Более того, масштаб сглаживания достаточно мал по сравнению с самыми большими расстояниями, которые могут охватить наши телескопы. В качестве аналогии представьте себе, что вы плывете на корабле посередине океана. Вас окружают сложные структуры волн, которые теряются где-то на горизонте. Но вы можете изучать их статистически, потому что ваше поле зрения простирается достаточно далеко, чтобы увидеть большое количество волн. Даже гигантские океанские волны намного меньше расстояния до горизонта, и в своем воображении вы можете разделить то, что видите, на множество отдельных секторов, каждый из которых должен быть достаточно большим, чтобы нести адекватную информацию. Здесь существует разница между морскими и горными пейзажами, где один огромный пик часто доминирует над всем горизонтом и вы не можете определить некую среднюю величину, как в море. (Ландшафты и в самом деле
Космические структуры охватывают широкий диапазон измерений: звезды, галактики, скопления и сверхскопления. В масштабе меньшем 1/300 горизонта концентрация галактик меняется более чем вдвое в зависимости от места. В больших масштабах флуктуация меньше (хотя есть несколько ярко выраженных структур вроде Великого Аттрактора). Если продолжать аналогию с океаном, сверхскопления галактик можно сравнить с самыми длинными волнами, которые можно заметить. В главе 8 мы увидим, что этот масштаб зависит от одного космического числа Q, которое появилось на самом раннем этапе развития Вселенной, и что «зародыши» скоплений и сверхскоплений – структуры, отдаленные на миллионы св. лет, – можно отследить до того времени, когда вся Вселенная имела микроскопический размер. Возможно, это самая удивительная связь между далеким космическим пространством и внутренним пространством микромира.
Можно предположить, что структура Вселенной в таких больших масштабах не имеет никакого отношения к нашей среде обитания внутри Солнечной системы. Казалось бы, какое значение имеет, содержится ли в нашей Галактике квадриллион звезд или «всего лишь» миллион, а не 100 млрд, как мы можем судить из наблюдений? Принадлежит ли наша Галактика к скоплению, содержащему миллионы других галактик, или их всего несколько штук? Но если бы существовала более разнородная вселенная, чем наша, она бы не была такой благосклонной к звездам и планетам. С другой стороны, менее разнородная вселенная была бы, мягко говоря, неинтересной: в ней не сформируются галактики и звезды, а вся материя будет сильно рассеяна и аморфна.
Обо всем этом поговорим в главе 8. Но в данный момент мы можем отметить одно важное следствие сглаживания в больших масштабах – оно делает возможной космологию как науку, позволяя нам определить средние характеристики Вселенной: демографию галактик, статистику скоплений и т. д. Несмотря на существование галактик и скоплений, бывает полезно подумать о сглаженных характеристиках Вселенной: мы описываем Землю как «круглую», не обращая внимания на сложную топографию гор и океанских глубин. Тем не менее было бы бессмысленно описывать Землю как «совершенно круглую», если бы ее горы возвышались на тысячи километров, а не на тысячи метров.
Еще куда более важно то, что благодаря этой интерпретации мы можем осмысленно задать вопрос о том, является ли наша Вселенная статичной или же она расширяется или сжимается.
РАСШИРЕНИЕ
Галактики являются «строительными блоками» Вселенной, и, изучая их свет, мы можем определить, куда они движутся. Сотни миллиардов звезд в типичной галактике слишком тусклы, чтобы разглядывать их по отдельности, – телескопы регистрируют весь свет, исходящий от многих звезд. Можно проанализировать спектр этого света. Мы уже отмечали, как свет от одной звезды отражает скорость ее движения к нам (или от нас) и как с помощью длительных наблюдений можно поймать крошечные нарушения в движении, вызванные планетой, обращающейся по орбите вокруг звезды. Подобным же образом спектр света от целой галактики сообщает, как быстро она движется по направлению к нам (сдвиг в синюю часть спектра) или от нас (сдвиг в красную часть спектра).
Возможно, самым важным фактом о нашей Вселенной является то, что свет от далеких галактик сдвигается в красную часть спектра – все они (за исключением нескольких соседних галактик, находящихся в нашем скоплении) удаляются от нас. Более того, красное смещение (показывающее скорость удаления) сильнее проявляется в свете самых отдаленных галактик. Кажется, мы находимся в расширяющейся Вселенной, где скопления галактик отдаляются друг от друга все дальше и все сильнее рассеиваются по космосу.
Простая зависимость между красным смещением и расстоянием было названа в честь Эдвина Хаббла, который первым открыл этот закон в 1929 г. Наблюдатели из других галактик обнаружили бы точно такое же удаление отдаленных галактик. Расширение оказывает глобальный эффект: отдельные галактики (и даже скопления галактик) сами по себе не расширяются, а еще меньше расширение влияет на более мелкие объекты, такие как наша Солнечная система.
Представьте себе, что штыри на картине М. К. Эшера (рис. 5.1) синхронно удлиняются. Наблюдатель, находящийся на любой вершине, увидит, что другие вершины отдаляются от него со скоростью, которая зависит от того, сколько штырей находится перед наблюдателем. Другими словами, скорость удаления других вершин будет пропорциональна расстоянию до них. Галактики не располагаются в правильной пространственной решетке – как уже упоминалось, они сосредоточены в группы или скопления, но тем не менее вы можете представить расширение, вообразив, что скопления галактик связаны с синхронно удлиняющимися штырями. Ни в одной вершине на картине Эшера нет ничего примечательного, как нет и ничего особенного в том, как наша Галактика расположена во Вселенной. (Хотя место нашей Галактики случайно, тем не менее мы наблюдаем ее не в случайное время, а причины этого станут понятны позднее.) Космология продвинулась вперед только благодаря тому, что наша Вселенная в самом крупном масштабе достаточно однородна, чтобы ее можно было описать простым «расширением Хаббла», где все части, кажется, расширяются одинаково. На местах расширение можно рассматривать как эффект Доплера, но в больших масштабах, где видимое разбегание происходит со скоростью, составляющей большую долю скорости света, лучше приписывать красное смещение «растягиванию» пространства, в то время как свет проходит через него. Величина красного смещения – иначе говоря, то, насколько растягивается длина волны, – в этом случае равна величине, на которую расширяется Вселенная (и в нашей аналогии с картиной Эшера – на которую удлиняются «штыри»), когда свет движется в нашу сторону.
Возможно, мы спросим, почему красное смещение предполагает расширение, а не какое-то новое физическое явление, которое проявляется на больших расстояниях. Возможность эффекта вроде «старения света» порой все еще обсуждается, хотя никто так и не разработал жизнеспособную теорию, согласующуюся со всеми доказательствами (например, это явление должно производить одно и то же относительное изменение в длине волны света и не должно искажать изображения отдаленных объектов). Нерасширяющая Вселенная на самом деле влечет за собой куда больше парадоксов, чем любая теория Большого взрыва. У звезд нет бесконечного запаса энергетических ресурсов; они изменяются и в конце концов исчерпывают свое топливо. То же самое происходит и с галактиками, которые, по существу, состоят из звезд. Вполне возможно определить возраст самых старых звезд в Млечном Пути и в других галактиках, сравнив их свойства с расчетами того, как эволюционируют звезды. Самым старым из них примерно 10 млрд лет, что полностью согласуется с точкой зрения о том, что наша Вселенная расширяется чуть дольше этого срока. Если бы наша Вселенная была статичной, все галактики должны были бы таинственным образом оказаться на своих сегодняшних позициях – причем синхронно – примерно 10 млрд лет назад. Нерасширяющаяся Вселенная создает серьезные проблемы на уровне логики.
С высокой степенью вероятности расширение началось 10–15 млрд лет назад, наиболее точные цифры – 12–13 млрд лет назад[20]. Есть две причины этой неуверенности в возрасте нашей Вселенной. Расстояние до галактик (в отличие от скорости разбегания) по-прежнему не всегда измеряется точно, а также оценка этого возраста зависит от того, насколько быстрее (или медленнее) Вселенная расширялась в прошлом.
ЗАГЛЯДЫВАЯ В ПРОШЛОЕ
Свет движется с конечной скоростью, из-за этого мы видим отдаленные места не такими, какими они являются сейчас, а такими, какими они были очень давно. В более ранние эпохи Вселенная была более сжатой – «штыри» в нашей «пространственной решетке» были короче. Поэтому другая картина Эшера, «Ангелы и демоны» (рис. 5.2), лучше отображает то, что мы видим на самом деле.