Люди, раздвинувшие Вселенную

Люди, раздвинувшие Вселенную

Опубликовано: 27.12.2013  766

Туманность Киль. Снимок телескопа Хаббл

В 2013 году как-то незаметно не только для широкой, но и для научной общественности прошли два юбилея: 275 лет со дня рождения великого английского астронома Вильяма Гершеля (1738-1822) и 125 лет со дня рождения нашего соотечественника, основоположника современной космологической концепции нестационарной Вселенной, Александра Фридмана (1888-1925). Значение научной деятельности обоих характеризуется общей важной чертой: они существенно расширили знания человечества о его месте в пространственной структуре мироздания.

Первооткрыватель Галактики

Уильям Гершель. Худ. Л.Ф. Эбботт 1785 г.

Фридрих Вильгельм Гершель (Friedrich Wilhelm Herschel) родился 15 ноября 1738 года в Ганновере в многодетной семье еврейского музыканта, принявшего лютеранство. Как и его отец, Фридрих Вильгельм пошёл по стезе музыканта и композитора. Однако он остался в истории благодаря не двадцати четырём симфониям собственного сочинения, а своим астрономическим исследованиям.

В 1755 году молодой Фридрих Вильгельм, зарабатывавший на жизнь в военном оркестре, был в составе полка командирован в Англию. Как известно, английские монархи в XVIII веке были по совместительству ещё и ганноверскими курфюрстами (кстати, эпизод из известного фильма, где барон Мюнхгаузен объявляет войну Англии, фантастичен ещё и по этой причине). Так что это был переезд в пределах одного государства. В Англии Гершель остался навсегда, там же жили и его потомки. Натурализовавшись, он стал зваться по своему второму имени, на английский манер — Вильямом.

Вильям Гершель всю жизнь зарабатывал средства к существованию музыкой. К астрономическим наблюдениям в часы досуга он приступил довольно поздно — в 1773 году. В те времена любой старательный человек мог самостоятельно изготовить телескоп высокого профессионального качества. Так поступил и Гершель. Уже в 1781 году он стал первым в мире человеком, открывшим ещё одну планету Солнечной системы — Уран.

Нет смысла перечислять все открытия и достижения Гершеля на ниве астрономии. Стоит коснуться лишь тех, которые имели отношение к выяснению строения Вселенной.

К концу XVII века гелиоцентрическая теория Коперника–Кеплера стала общепризнанной в научном мире Европы. Опыты голландского астронома и физика Христиана Гюйгенса по сравнительному измерению силы света от Солнца и звёзд убедили учёных в том, что звёзды находятся на колоссальных расстояниях от Солнечной системы. Тогда же великое открытие всеобщего закона тяготения, сделанное Ньютоном, привело многих учёных к выводу о том, что Вселенная должна быть бесконечной (чтобы не коллапсировать под действием гравитации). До Фридмана — героя второй части статьи — априори подразумевалось (это делал поначалу даже великий Эйнштейн), что Вселенная не может изменять свой объём.

Возникал естественный вопрос: если Вселенная бесконечна, то почему звёзды не наполняют равномерно своим светом всю небесную сферу, видимую с Земли? Этот парадокс, известный в истории науки под именем фотометрического, впервые чётко сформулировал и пытался разрешить швейцарский учёный Шезо в 40-х годах XVIII века [4: 42-46]. Однако его работы остались в то время незамеченными.

Если же Вселенная конечна, то приходилось, вслед за Ньютоном, вводить в картину мира Бога как необходимый элемент в роли этакого «вселенского часовщика», который вмешивается время от времени в движение светил и не даёт им стянуться к общему центру масс Вселенной. Многих учёных в те времена такое допущение вполне устраивало.

Нам неизвестно, насколько глубоко задумывался Гершель над этими вопросами и какой из двух теорий он отдавал предпочтение. Однако (вероятно, именно из-за невозможности решить этот спор умозрительными спекуляциями), он предпринял шаги к эмпирическому выяснению нашего места во Вселенной. С этой целью он начал подсчёт количества звёзд (их пространственной плотности) в нескольких квадратах небесной сферы по разным направлениям.

Результат, к которому Гершель пришёл к 1785 году, свидетельствовал о том, что Солнечная система находится близко к центру дискообразной системы из миллиардов звёзд. Сейчас мы знаем, что такой вывод получился из-за того, что во времена Гершеля ничего не знали о поглощении света межзвёздной пылью. Однако наряду с этим неточным выводом Гершель высказал ряд удивительно прозорливых догадок.

Гершель предположил, что система из звёзд, внутри которой находится Солнце, — не единственная во Вселенной. Эта система (именно Гершель предложил называть её Галактикой от греческого имени Млечного пути) имеет конечные размеры. Наряду с ней во Вселенной существует бесчисленное множество других галактик или «островных вселенных» (как их долго называли). На эту мысль его натолкнули сделанные им открытия нескольких тысяч туманностей, которые он счёл далёкими галактиками [2: 212-213].

Эта гипотеза позволяла предложить ещё одно возможное решение фотометрического парадокса: иерархическое строение Вселенной, при котором ближайшие к нам объекты находятся по многим направлениям столь далеко, что полностью заслоняют свет бесконечного множества лежащих за ними галактик, но сами при этом остаются невидимыми и для нас из-за своего слабого света. Однако применимость такой идеи для объяснения того, почему ночное небо тёмное, была по достоинству оценена только в начале ХХ века (шведским астроном Шарлье [2: 224]).

Гершель обнаружил, что значительное число туманностей концентрируется на небесной сфере к полосе, перпендикулярной плоскости Млечного пути. Это наблюдение получило окончательное объяснение только в середине ХХ века благодаря французскому астроному де Вокулёру. Гершель в реальности открыл такой структурный элемент Метагалактики как Местное скопление галактик (в которое входит и наша Галактика) [2: 215-216].

Таким образом, в 80-е годы XVIII века Гершель сделал два важных предположения, блестяще подтвердившихся уже в ХХ столетии. Но в те времена научная мысль пошла по другому пути, и сам Гершель вскоре отказался от слишком смелых первоначальных выводов. Почему? Главную роль в этом сыграли первые научные космогонические гипотезы Канта и Лапласа, выдвинутые тогда же, в конце XVIII столетия. Они говорили об образовании планетных систем и звёзд из разреженной газовой или пылевой материи. Вплоть до начала ХХ века телескопическая техника не позволяла уверенно разрешить на звёзды даже ближайшие к нам галактики. И большинству астрономов было предпочтительно видеть в туманностях не далёкие галактики, а те самые газо-пылевые сгущения, о которых трактовали Кант и Лаплас. Только в ХХ веке стало окончательно ясно, что наблюдаемые нами туманности принадлежат к разным типам. Среди них есть и далёкие галактики, и газо-пылевые облака внутри нашей Галактики. Правда, последние, как оказалось, не имеют отношения к протопланетным облакам.

Судьба гипотезы Гершеля о множестве галактик лишний раз показывает, сколь труден и извилист путь науки к познанию истины.

Остаётся добавить, что семья Гершелей дала человечеству не единственного астронома. Научное увлечение Вильяма разделяла его сестра Каролина (1750-1848), избранная членом двух королевских академий Великобритании. Сын Вильяма Джон (1792-1871) также прославился как выдающийся астроном своего времени.

Основоположник современной релятивистской космологии

Александр Александрович Фридман

Александр Александрович Фридман родился 4 июня (по старому стилю) 1888 года в Петербурге. Его отец был музыкантом и композитором, как и Вильям Гершель, хотя сам Александр, по его словам, «не унаследовал музыкальных способностей родителей». Не стоит вдаваться здесь в прочие биографические подробности, изложенные различными авторами [3], [5: 345-352], [7]. Коснемся лишь вклада Фридмана в научную космологию, а также судьбы его теории.

В 1922 году молодой профессор Петроградского университета Фридман опубликовал в немецком «Физическом журнале» статью с нетривиальными решениями уравнений теории относительности Эйнштейна [6]. Из них следовало, что эйнштейновская модель конечной и неизменной по объёму Вселенной — лишь частный случай. Фридман показал, что Вселенная может как расширяться, так и сжиматься, и этот вывод неизбежно следует из общего решения уравнений Эйнштейна.

Сам Эйнштейн, прочитав статью русского учёного, говорят, встретил её в штыки. Однако впоследствии, когда независимо от Фридмана к аналогичному выводу пришёл бельгийский аббат и математик Леметр, Эйнштейн пересмотрел свою прежнюю позицию. Великий физик даже назвал космологическую постоянную — гипотетический коэффициент, который он ввёл в формулу, чтобы обеспечить неизменность размеров Вселенной, — «величайшей ошибкой в своей жизни» [1: 399].

Но Фридман не узнал ни о первой реакции Эйнштейна, ни об изменении им точки зрения, ни о последующих открытиях. Он умер в 1925 году, заразившись брюшным тифом во время поездки на Кавказ.

Путь теории Фридмана к признанию в своей стране оказался на удивление долог. Правда, ещё в 1931 году учёный был посмертно удостоен Ленинской премии, но не за теоретические открытия в области космологии, а за исследования по гидродинамике и турбулентным процессам.

Если посмотреть советские научные и энциклопедические издания 40-50-х гг., то мы либо не найдём в них ничего о теории расширения Вселенной, либо, если найдём, то обязательно с упоминанием о «буржуазном идеализме», позволяющем выдвигать абсурдные предложения о возникновении Вселенной из ничего. Тогда как всякому, изучавшему материалистическую диалектику, хорошо, мол, известно, что Вселенная бесконечна как в пространстве, так и во времени. Этому догматическому взгляду советских философов сильно способствовало то, что католическая церковь, устами папы Пия XII, с 1951 г. активно использовала гипотезу Большого взрыва, выдвинутую (в 1948 г.) другим нашим соотечественником — эмигрировавшим в США Георгием Гамовым — для обоснования теологического взгляда на возникновение Вселенной. К слову, Эйнштейн тоже не разделял этой гипотезы.

Только к началу 60-х гг. открытие Фридмана, главным образом стараниями его бывших учеников, стало возвращаться в легальную историю отечественной науки. В сборнике статей, подготовленном к 75-летию со дня его рождения [5], нашло своё место и упоминание космологической гипотезы петроградского учёного.

К тому времени в западной науке уже довольно прочно утвердилась теория расширяющейся Вселенной. Этому способствовало открытие американским астрономом Эдвином Хабблом в 1929 году зависимости красного смещения в спектре галактик от их расстояния до нас. Это с большой вероятностью указывало на расширение Вселенной, теоретически предсказанное Фридманом и Леметром и позднее получившее ещё одно теоретическое обоснование в модели «горячей Вселенной» или Большого взрыва Гамова.

Следует заметить, что сам Хаббл не считал расширение Вселенной единственно возможным объяснением сделанного им наблюдательного открытия и до конца жизни (1953 г.) искал альтернативные объяснения этому явлению. Однако все прочие предположения оказывались ещё менее обоснованными.

Советская наука, как уже отмечалось, долгое время решительно отказывалась признавать «идеалистические» концепции западной космологии. Однако отвергать очевидность становилось всё труднее, да к тому же и идеологический климат в СССР изменился. Незадолго до того, как теория «горячей Вселенной», дополнявшая теорию её расширения, получила важное подтверждение в виде открытия реликтового излучения (1965 г.), концепция Фридмана обрела «права гражданства» на родине учёного.

В наше время теория расширяющейся Вселенной получила множество дополнительных аргументов, и сейчас у неё нет научно обоснованной альтернативы, согласующейся со всем комплексом фактических данных. Однако конкретная модель, предложенная Фридманом, подверглась существенным уточнениям за эти девяносто с лишним лет. В частности, благодаря открытиям, сделанным уже в начале XXI века, выяснилось, что «величайшая ошибка» Эйнштейна вовсе не была такой уж ошибкой. «Космологическая постоянная», предложенная им, может описывать функции антигравитирующей тёмной энергии, благодаря которой расширение Вселенной в последние пять миллиардов лет происходит не замедляющимися (как следовало бы из модели Фридмана), а ускоряющимися темпами [1: 423, 436-439].

Литература

1. Астрономия. Век XXI. — Фрязино: Век2, 2008. — 2-е изд.
2. Еремеева А.И., Цицин Ф.А. История астрономии. — М.: изд-во МГУ, 1989.
3. Ильин Ф. Фридман Александр Александрович. // Сайт 2-й Санкт-Петербургской гимназии.
4. Решетников В.П. Почему небо тёмное? Как устроена Вселенная. — Фрязино: Век2, 2012.
5. УФН (Успехи физических наук). Т. 80. Вып. 7. Июль 1963.
6. Фридман А.А. О кривизне пространства. (Перевод его статьи: Über die Krümmung des Raumes. // Zs. Phys. Bd. 10. H. 6. S. 377-387).
7. Френкель В.Я. Александр Александрович Фридман (биографический очерк и список трудов). // УФН. Т. 155. Вып. 3. Июль 1988.